Линейный модуль накопления и хранения энергии для автономного электропитания электротехнических устройств и оборудования

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройству накопления и хранения энергии, которое может быть использовано в составе линейных автономных установок, преобразующих энергию солнечного света в электрическую. Линейный модуль накопления и хранения энергии для автономного электропитания электротехнических устройств и оборудования содержит два электрода, покрытых металл-органической структурой (MOF) на основе меди, пористый сепаратор, при этом вся поверхность MOF-структуры и пористый сепаратор пропитаны ионной жидкостью. Использование MOF-структуры с ионной жидкостью обеспечивает повышение электрической емкости модуля при его эксплуатации в широком диапазоне рабочих температур, что является техническим результатом изобретения. 1 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к технологии и оборудованию накопления и хранения энергии для автономного электропитания электротехнических устройств и оборудования. Накопление энергии осуществляется электрохимическим способом. За счет нанесения на электроды линейного модуля накопления энергии высокопористого металл-органического каркаса с высокой удельной площадью ( J. Am. Chem. Soc., 2010, DOI: 10.1021/ja1074322) повышается его способность накапливать и удерживать электрический заряд. Накопитель изготавливается в виде отрезка кабеля фиксированной длины, зависящей от условий его практического применения.

Уровень техники

Из современных аналогов, близких по способу накопления энергии, известны:

1. Суперконденсатор на основе графена - ионистор. В ионисторах материалом, накапливающим электрический заряд, является графен (англ. graphene) представляющий собой один слой атомов углерода, соединенных посредством sp² связей в гексагональную двумерную кристаллическую решетку. Накопление заряда происходит между соседними слоями графена. К существенным недостаткам ионисторов относятся ( http://www.powerinfo.ru/electric-layer.php):

- маленькая энергетическая плотность;

- низкое рабочее напряжение;

- высокий уровень саморазряда.

Литиевые аккумуляторы, использующие различные классы катодных материалов и электро-химических схем компоновки. К существенным недостаткам данных аккумуляторов относятся:

- эффект памяти;

- подверженность взрывному эффекту;

- ограничения по глубине разряда;

- ограниченное количество (<1000) циклов заряда/разряда.

При объединении отдельных суперконденсаторов или литиевых аккумуляторов в линейную структуру длиной более метра для достижения требуемых эксплуатационных характеристик существенно снизится надежность их эксплуатации, так как выход из строя одного элемента повлечет за собой отказ всего оборудования.

Раскрытие изобретения: линейный модуль накопления и хранения энергии для автономного электропитания электротехнических устройств и оборудования содержит два покрытых металл-органической каркасной структурой типа Cu₃(HITP) ( Batten S.R., Champness N.R., Chen X.-M., Garcia-Martinez J., Kitagawa S., Ohrstrom L., O′Keeffe M., Suh M.P., Reedijk J. Coordination polymers, metal-organic frameworks and the need for terminology guidelines // CrystEngComm. - 2012. - Vol. 14. - P. 3001-3004), разделенных сепаратором и пропитанных ионной жидкостью электрода. Соотношение толщин металл-органической каркасной структуры на электродах выбрано как: 1/1,62, где: 1 - толщина материала на внешнем электроде, а 1,62 - на внутреннем электроде. Данное соотношение толщины слоев выбрано для обеспечения равенства площадей рабочих поверхностей электродов накопителя. Два слоя металл-органической каркасной структуры разделены сепаратором толщиной 0,05 мм. Размер пор сепаратора меньше минимального размера частицы металл-органической каркасной структуры, представляющих собой черный нерастворимый порошок. Данный порошок наносится на электроды. Для получения высокоэластичного покрытия заданной толщины весь объем металл-органической каркасной структуры и сепаратор пропитаны ионной жидкостью 1Me3BuImBF₄.

Принцип действия механизма накопления электрической энергии основан на концентрации заряженных от внешнего источника тока ионов в двух слоях металл-органической каркасной структуры и ионной жидкости (у каждого электрода). За счет большой удельной площади поверхности металл-органической каркасной структуры ( J. Am. Chem. Soc., 2010, DOI: 10.1021/ja1074322) происходит накопление значительного количества заряженных ионов и соответственно величины электрического заряда.

Применяемые в линейном накопительном модуле материалы сохраняют свои параметры в диапазоне рабочих температур от -70 до +70°С и позволяют эксплуатировать модуль в жестких климатических условиях. Использование данных материалов также позволит устранить недостатки современных аккумуляторов в области экологии и взрывобезопасности.

Техническим результатом изобретения является достижение значительных величин накопленной энергии и способности по ее отдаче по сравнению с аккумуляторами и суперконденсаторами. При этом наряду со значительным возрастанием удельной энергоемкости снижаются массогабаритные показатели линейного модуля накопителя. Это достигается посредством того, что в линейном модуле накопления и хранения энергии для получения инновационных электрических характеристик применен материал, ранее использующийся для транспортировки и хранения газов - металл-органическая каркасная структура с эквивалентной площадью поверхности одного грамма данного материала, равной около 16000,00 м², что, например, для линейного накопительного модуля длиной 60 метров и массой используемой металл-органической каркасной структуры, равной 3 кг, позволит при рабочем напряжении модуля 12V накопить заряд до 5760000000000 кулон (при расчетной емкости линейного накопительного модуля, равной 1600000000 А·ч). При этом электрическая емкость (С) данного линейного накопительного модуля составит: С=S/d=480000000000 Ф, а расчетная величина саморазряда составит величину в пределах 2,08·10^-9 А·Ф^-1·V^-1. Электроды линейного модуля накопления энергии рассчитаны на длительную работу с токами около 100000 А. Вес линейного накопительного модуля длиной 60 метров и диаметром 0,015 метров - около 16 кг (8,5 кг - внутренняя и внешняя токоведущая жилы, 3,5 кг - металл-органическая каркасная структура и ионная жидкость, 4 кг - конструктив (защитная оболочка, выводы модулей и пр.). Расчетное количество циклов заряда/разряда около 15000. Уровень отдаваемой энергии (Е) в джоулях: Е=C*U² _p/2=115200 МДж.

Новизна технического результата заключается в создании необслуживаемого линейного модуля накопления и хранения энергии с использованием материалов, обладающих повышенной удельной площадью на один грамм веса, и изготовлении его в виде кабеля фиксированной длины. Применение материалов повышенной удельной площади повышает энергоемкость и возможности линейного модуля по мощности отдачи энергии по сравнению с существующими аналогами (суперконденсаторами и аккумуляторами). При этом его характеристики превышают известные аналоги на несколько порядков. Он может быть использован в системах электропитания электротранспорта, создания транспортируемых хранилищ электроэнергии больших объемов (энергоконтейнеров) и другого оборудования, требующего значительных энергоресурсов.

На фиг. 1 представлен поперечный разрез линейного модуля накопления, хранения энергии для автономного электропитания электротехнических устройств и оборудования, где:

1. Ионная жидкость (электролит).

2. Пористый сепаратор.

3. Центральный токопроводник.

4. Пластифицированная MOF-структура.

5. Пластифицированная MOF-структура.

6. Внешний токопроводник.

7. Внешняя защитная оболочка.

Линейный модуль накопления и хранения энергии, содержащий два электрода, образующих линейную цилиндрическую структуру, отличающийся конструкцией электродов и использованием материалов с MOF-структурой на основе меди.