Суперконденсатор и способ его изготовления

Изобретение относится к электротехнике, в частности к суперконденсаторам. Суперконденсатор состоит из герметичного защитного корпуса, первого и второго электродов, электрически изолированных друг от друга. Один или оба из электродов также изолированы от корпуса. Свободный объем ячейки и пространство между электродами заполнено электролитом, в качестве которого используется раствор кислоты H2SO4 или HNO3, или щелочи NaOH или KОН, или раствор солей KCl, NaCl, KNO3, Na2SO4. На поверхность первого электрода нанесены углеродосодержащие материалы, содержащие радиоизотопы с бета-распадом одного вида или смесь радиоизотопов с бета-распадом С-14, Н-3, Ni-63, Sr-90, Кг-85. Способ изготовления суперконденсатора заключается в подготовке первого и второго электродов с нанесением поверхностного слоя из углеродосодержащих материалов, размещении в герметичном корпусе первого и второго электродов и их электрической изоляции друг от друга, заполнении корпуса электролитов. В слой углеродосодержащих материалов на поверхность первого электрода вносят изотоп С-14. Изобретение позволяет создать устройство для накопления электрического заряда, не требующего зарядки от внешнего источника электричества. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к электротехнике, предназначено для накопления и хранения электрической энергии, может быть использовано для генерации, преобразования, накопления и долговременного хранения электрической энергии, в частности, в качестве источников питания микроэлектроники и автономных электронных устройств.

Характеристика аналогов изобретения (Уровень техники)

Известно устройство (аккумуляторная батарея) по накоплению электричества, которое работает по принципу вторичного источника электрической энергии, где электрическая энергия превращается в химическую (при заряде) и обратно при разрядке, когда химическая энергия превращается в электрическую. Наиболее распространен свинцовый тип аккумуляторной батареи. Он состоит из корпуса, внутри которого размещены положительные электроды из двуокиси свинца и отрицательные электроды из губчатого свинца. Пространство между электродами заполнено электролитом из водного раствора серной кислоты. В процессе разряда активная масса как положительного, так и отрицательного электродов превращается в сульфат свинца. При работе аккумулятора реализуется химический процесс, который называется двойной сульфизацией [Хрусталев Д.А. Аккумуляторы. – М.: Изумруд, 2003], [Каштанов В.П., Титов В.В., Усков А.Ф. и др. Свинцовые стартерные аккумуляторные батареи. Руководство. - М.: Воениздат, 1983. - 148 с.]. Зарядка прекращается, когда электролит достигает максимальной плотности. Для водного раствора с серной кислотой она составляет 1,28 г/см3. К концу разряда плотность снижается до 1,08-1,10 г/см3, после чего требуется снова произвести зарядку.

Эти устройства являются самыми распространенными накопителями электрической энергии, ввиду простоты, технологичности их изготовления и сравнительно невысокой стоимости. Устройства имеют высокую плотность энергии и позволяют производить неоднократную зарядку и разрядку батареи.

Недостатками данного устройства являются необходимость во внешнем источнике электричества для зарядки, длительное время зарядки, ограниченная мощность, небольшое количество циклов зарядки - разрядки. Как правило, ресурс таких устройств не превышает 10 лет.

Известно устройство по накоплению электрического заряда, получившее название конденсатор [Maxwell J.С.A Treatise on Electricity and Magnetism. - Dover, 1873. - P. 266 ff. - ISBN 0-486-60637-6.], [Б.М. Яворский, A.A. Детлаф. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. – М.: «Наука», 1968].

Простейший конденсатор состоит из двух металлических пластин, разделенных слоем диэлектрика, материалом, который не проводит электрический ток. Если подключить пластины конденсатора к источнику электрической энергии, то потечет ток зарядки и на металлических пластинах будут накапливаться положительные и отрицательные заряды. Как только конденсатор зарядится, ток в цепи станет равным нулю. Если конденсатор отключить от источника энергии, то накопленный заряд сохранится. При подключении конденсатора к резистору через него потечет ток разряда конденсатора до полного разряда. Данный цикл зарядки - разрядки может повторяться неоднократно.

Преимуществами конденсаторов, как накопителей электрического заряда, являются простота изготовления, сравнительно малое время зарядки, более высокая емкость и большее число циклов зарядки - разрядки до выхода из строя, чем у аккумуляторов.

Недостатками данного устройства являются необходимость во внешнем источнике электричества для зарядки конденсатора.

Известны устройства для накопления электрического заряда, называемые суперконденсаторами или ионисторами [Conway В.Е. Electrochemical Supercapacitors. Scientific Fundamentals and Technological Applications. N.Y.: Kluwer Academic Plenum Publ., 1999.], [Appl. Phys. Lett., 2000, 77, p. 2421], [Панкратов Д.В и др. Гибкий тонкий суперконденсатор на основе композита из многостенных углеродных нанотрубок и электропроводящего полианилина // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - №4.], [http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl8038579].

Суперконденсатор в базовой конструкции имеет два электрода в виде пластин из проводящего материала, между которыми находится органический или неорганический электролит. Для улучшения электрических параметров суперконденсатора пластины дополнительно покрывают пористым материалом (чаще всего активированным углем). По принципу работы суперконденсатор объединяет в себе два устройства - конденсатор и аккумулятор.

В суперконденсаторе накопление энергии осуществляется по двум механизмам:

- за счет емкости двойного электрического слоя, который образуется на границе раздела электрод-электролит.Емкость в этом случае определяется как

где ε - относительная проницаемость среды двойного слоя, ε0 - проницаемость вакуума, А - удельная площадь электрода, d - эффективная толщина двойного электрического слоя.

- за счет псевдоемкости, обусловленной протеканием обратимых химических реакций между электродом и электролитом. В этом случае аккумуляция электронов имеет Фарадеевский характер, когда электроны образуются в результате окислительной реакции и переносятся через границу раздела электрод - электролит. Теоретическая псевдоемкость оксида металла может быть рассчитана по формуле:

где п - число электронов, высвобождающихся в результате окислительной реакции, F - константа Фарадея, М - молярная масса оксида металла, V - окно рабочих напряжений.

При этом такие гибридные суперконденсаторы позволяют достигать более высоких плотностей емкости и мощности, сохраняя хорошую стабильность характеристик при циклировании.

УНТ обладают как емкостью двойного электрического слоя, так и псевдоемкостью. В зависимости от свойств УНТ и от способа изготовления и конфигурации электрода удельная электроемкость суперконденсатора может достигать 350 Ф/г [Chongfu Zhou. // Carbon Nanotube Based Electrochemical Supercapacitors - 2006, School of Polymer, Textile and Fiber Engineering, Georgia Institute of Technology. - P - 18]. Для улучшения емкостных характеристик суперконденсатора проводят так называемое функционализирование УНТ, заключающееся в их специальной обработке с внедрением атомов, радикалов и функциональных групп в структуру УНТ. Например, функционализирование УНТ группой СООН приводит к увеличению удельной электрической емкости конденсатора с 0,25 до 91,25 Ф/г [Christopher М. Anton, Matthew Н. Ervin // Carbon Nanotube Based Flexible Supercapacitors - Army Research Laboratory, 2011. - P 7]. Наиболее высокое значение удельной емкости суперконденсатора с УНТ, достигнутое на настоящий момент, составляет 396 Ф/г [http://scsiexplorer.com.ua/index.php/osnovnie-ponyatiya/1201-superkondensator.html], однако с развитием технологий эта характеристика постоянно увеличивается, и имеются сообщения о достижении величины 500 Ф/г [http://rusnanonet.ru/news/37452/].

В настоящее время электроды большинства коммерческих суперконденсаторов изготавливаются из всевозможных модификаций углерода (графит, активированный уголь, углеродные нанотрубки, графен, композиционные углеродные материалы и т.д.), которые является доступными и недорогими материалами и обладают отличными антикоррозийными свойствами. При этом УНТ имеют более высокую электронную проводимость по сравнению с активированным углем. Суперконденсаторы на основе углерода обладают циклической стабильностью и продолжительным временем жизни, т.к. ни на поверхности, ни в объеме материала электрода в процессе заряда/разряда не протекает химических реакций, а накопление и хранение заряда осуществляется за счет двойного электрического слоя.

Преимущества суперконденсатора с УНТ:

- более высокая удельная емкостью в сравнении с конденсаторами большая удельная мощность, чем у аккумулятора.

- большая продолжительность времени жизни, т.е. стойкость к количеству циклов заряда-разряда, которых он может выдерживать до 106 практически без снижения емкости.

Основным недостатком суперконденсатора, как и для аккумулятора, является необходимость во внешнем источнике электричества для зарядки.

Известен радиоизотопный источник электрической энергии (Beta Cell), созданный в 1913 г.британским физиком Г. Мозли. Он представлял собой стеклянную колбу, посеребренную изнутри, в центр которой на изолированном электроде помещалась радиевая соль. Электроны бета-распада создавали разность потенциалов между серебряным слоем стеклянной сферы и электродом с радиевой солью. Ячейка Мозли заряжалась до высокого напряжения, ограниченного напряжением газового пробоя, которое можно было увеличить путем вакуумирования колбы.

Известно устройство [Патент RU 2113739 С1] для получения электроэнергии из внутриатомной за счет радиоактивного альфа- или бета-распада, содержащее две замкнутые охлаждаемые водой или воздухом металлические оболочки (эмиттер и коллектор), расположенные одна в другой с зазором с вакуумом 10-5 - 10-6 мм рт.ст., в котором радиоактивный материал нанесен на эмиттере в виде металлического слоя толщиной 25-100 мкм, обращенного к зазору и коллектору. В зазоре между эмиттером и коллектором расположена управляющая металлическая сетка, электрически соединенная с вторичной обмоткой высоковольтного трансформатора, питаемого от промышленной сети переменного тока с частотой 50 Гц, а эмиттер и коллектор электрически присоединены к первичной высоковольтной обмотке второго трансформатора, вторичная обмотка которого присоединена к потребителю энергии. Устройство работает как постоянно подзаряжаемый конденсатор, ток зарядки которого определяется потоком частиц от эмиттера к коллектору.

Недостатками описанного устройства являются необходимость поддержания вакуума в зазоре между эмиттером и коллектором, а также необходимость во внешнем источнике энергии, модулирующем напряжение на сетке с амплитудой, достаточной для полного торможения частиц радиоактивного распада.

Характеристика прототипа

Известна конструкция суперконденсатора (СК), в котором электроды, выполняющие функции пластин в простейшем конденсаторе, изготовлены из углеродных нанотрубок (УНТ) [Ю.М. Вольфкович и др. Силовой электрохимический суперконденсатор на основе углеродных нанотрубок. // Электрохимическая энергетика. 2008. т. 8, №2. - 106-110 с.]. Рабочий электрод прототипа изготовлен методом равномерного нанесения на подложку из безпористого графита порошка из нанотрубок, синтезированных электродуговым методом. В качестве электролита использован раствор серной кислоты с концентрацией 35 вес.% (плотность 1,26 г/см3). Для улучшения рабочих характеристик УНТ проведена их гидрофилизация путем выдержки в электролите с поляризацией при потенциале 1,1 В. Прототип имеет широкий интервал области рабочих потенциалов (свыше 1,4 В), удельную мощность около 20 кВт/кг и удельную энергию ~1 Втч/кг.

Недостатком прототипа, как и у описанных ранее аналогов, является необходимость во внешнем источнике электричества для зарядки суперконденсатора.

Раскрытие изобретения

Суперконденсатор, включает герметичный защитный корпус, первый (рабочий) и второй (вспомогательный) электроды, выполненные из кремния, молибдена, ниобия, вольфрама, циркония, либо сплавов на их основе, либо коррозионностойкой стали, размещенные внутри корпуса. Электроды электрически изолированы друг от друга сепаратором, препятствующим механическому контакту электродов и смешению прикатодного и прианодного электролитов, один из которых или оба также электрически изолированы от корпуса. Электролит, в качестве которого используется раствор кислоты, например, H2SO4 или HNO3, щелочи, например, NaOH или КОН, или раствор солей, например, КСl, NaCl, KNO3, Na2SO4 заполняет свободный объем ячейки и пространство между электродами. На поверхности первого электрода нанесены углеродсодержащие материалы, в виде массива углеродных нанотрубок (УНТ), фуллеренов, графена, сажи, графита, либо их смеси, содержащие изотоп С-14. На поверхности или внутри УНТ могут находиться радионуклиды Н-3, никеля-63, Sr-90, Кг-85, Ат-241, Ас-227, Th-229.

Изготовление суперконденсатора, включает следующие этапы: подготовку первого (рабочего) и второго (вспомогательного) электродов, с нанесением на первый электрод поверхностного слоя из углеродсодержащих материалов, например в виде массива углеродных нанотрубок (УНТ) фуллеренов, графена, сажи, графита, или их смеси, содержащих изотоп С-14 или состоящих из природного изотопа С-12 и пропитанных химическим соединением содержащим изотоп С-14, размещение в герметичном корпусе первого и второго электродов и их электрическую изоляцию друг от друга, и заполнение корпуса электролитом. В слой углеродсодержащих материалов на поверхности первого электрода вносят изотоп С-14. В качестве химического соединения для пропитки массива углеродсодержащих материалов на поверхности первого электрода используют спиртовой раствор гидрохлорида анилина, содержащего изотоп С-14.

Технический результат

Техническим результатом изобретения является создание устройства для накопления электрического заряда, не требующего зарядки от внешнего источника электричества и увеличение длительности работы устройства без использования внешнего заряжающего источника энергии.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 представлена конструкция самозаряжающегося суперконденсатора.

На фиг. 2 (а, б) представлена Конструкция (а) и внешний вид (б) исследованной ячейки.

На фиг. 3 представлен график динамики заряда ячейки с гидрохлоридом анилина с активностью С-14, равной 1,74 и 6,0 мКи.

На фиг. 4 представлен график динамики разряда ячейки с гидрохлоридом анилина с активностью С-14, равной 1,74 мКи.

На фиг. 5 (а, б) представлены графики динамики заряда (а) и разряда (б) ячейки с массивом УНТ на подложке, пропитанных гидрохлоридом анилина с активностью С-14, равной 1,74 мКи, в ячейке, заполненной дистиллированной водой.

На фиг. 6 (а, б) представлены графики динамики заряда ячейки с гидрохлоридом анилина с активностью С-14, равной 6 мКи, с электролитом 0,1 н H2S04 (а), и изменение тока разряда в стационарном режиме на нагрузке 10 кОм (б).

На фиг. 7 представлен график изменения напряжения и тока нагрузки в режиме «заряд-разряд» на ячейке с гидрохлоридом анилина с активностью С-14, равной 6 мКи, с электролитом 0,1 н H2S04.

На фиг. 8 (а, б) представлены графики динамики заряда ячейки с гидрохлоридом анилина с активностью С-14, равной 6 мКи, с электролитом 0,01 н NaOH (а), и изменение тока разряда в стационарном режиме на нагрузке 10 кОм (б).

Осуществление изобретения

Поставленная техническая задача решается тем, что в заявляемом устройстве один из электродов конденсатора выполнен с углеродными нанотрубками УНТ, содержащими радиоизотопы с бета- излучением. При этом УНТ изготавливают из радиоизотопа С-14, или смеси радиоактивных изотопов С-14 со стабильными изотопами углерода. Введение углерода-14 в УНТ может осуществляться тремя способами:

а) непосредственно на стадии синтеза УНТ путем использования в качестве сырья жидких, твердых или газообразных углеродсодержащих материалов, в составе которых присутствует С-14 (например, летучие органические соединения, метан, СО или СO2, и др.);

б) путем пропитки изготовленных из природного стабильного углерода УНТ растворами или летучими газообразными соединениями, содержащими изотоп С-14;

в) проведением функционализации УНТ с использованием электрохимической, термической, электроискровой, лазерной, магнитной, ионно-лучевой или иной обработки, внедряя в УНТ атомы, радикалы, функциональные группы, содержащие изотоп С-14.

На поверхность УНТ могут наноситься и другие радиоизотопы с бета-распадом, например радионуклиды Н-3, Ni-63, Sr-90, Kr-85, Am-241, Ac-227, Th-229, что позволяет существенно повысить выход электронов и заряд суперконденсатора.

В этом случае реализуется самозаряжающийся суперконденсатор, в котором зарядка производится не от внешнего источника электричества, а преобразованием энергии электронов бета-источников при их распаде.

На фиг. 1 представлена конструкция самозаряжающегося суперконденсатора. Она состоит из металлической подложки (поз. 1), на которой выращен массив углеродных нанотрубок (УНТ), которые содержат радиоактивный изотоп С-14 (поз. 2). Подложка помещена во фторопластовый корпус (поз. 3), где она находится в контакте с нижним электродом (поз. 4), имеющим внешний вывод (поз. 5). Поверх активной подложки размещен сепаратор (поз. 6), который препятствует механическому контакту разноименных электродов и затрудняет смешение прикатодного и прианодного электролитов. Корпус ячейки заполняется электролитом (поз. 7) и закрывается пластмассовой крышкой (поз. 8). В крышку вставлен второй электрод (поз. 9), контактирующий с электролитом. Крышка (поз. 8) герметизирует ячейку.

На фиг. 2а и фиг. 2б приведены конструкция и внешний вид макетов исследованных суперконденсаторных ячеек. Ячейка состоит из корпуса 1 и крышки 2, выполненных из нержавеющей стали, внутри которых размещены фторопластовый корпус 3, и электрод-коллектор 4, изолированный от крышки фторопластовой прокладкой 5. Исследуемый рабочий электрод 8 в виде подложки устанавливается покрытием вверх на резиновое кольцо 6, поджимается к нему фторопластовым вкладышем 7. С нижней стороны подложки пружинящим контактом с винтом подводится электрический провод с разъемом. Ячейка заполняется электролитом через отверстие в электроде 4.

При заданных геометрических размерах открытая видимая площадь подложки составляла 0,5 см2, а электрическая емкость сухой ячейки составляла 82 пФ.

Подготовка подложек с УНТ проводилась путем многократного последовательного нанесения на нанотрубки спиртового раствора гидрохлорида анилина, содержащего изотоп С-14. Определение активности нанесенного изотопа определялось расчетным путем по измерению массы подложек до и после пропитки реактивом, используя характеристики удельной активности, измеренные калориметрическим методом. Определенная таким образом активность изотопа углерод-14 была равна 1,74 и 6 мКи для двух различных однотипных подложек. Дополнительно измерялся (β-поток от подложки, равный 0,8×105 и 2,25×105 мин-1 см-2).

Исследования электрических характеристик суперконденсаторных ячеек проводили с использованием цифрового нановольтамперметра Щ-31 (измерения на сухих и заполненных электролитом ячейках), а также специально подготовленной автоматизированной измерительной системы на базе аналого-цифровых модулей ADAM 4017+, позволяющей проводить длительные измерения в автоматическом режиме (ячейки с заполнением электролитом).

Осуществление изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Подложки с предварительно сформированными на них односторонними покрытиями в виде массива УНТ толщиной ~10 мкм, пропитаны спиртовым раствором гидрохлорида анилина, в котором около половины атомов углерода представлено изотопом С-14. Общая активность С-14, определенная по увеличению массы подложек после их просушивания, равнялась 1,74 и 6,0 мКи соответственно для первой и второй подложек. Подложки были помещены в ячейки с описанной выше конструкцией, и регистрировалось напряжение на ячейке, определяемое ее зарядом за счет бета-распада изотопа С-14. Кинетика заряда сухих ячеек приведена на фиг. 3.

Заряд ячеек протекает с испусканием отрицательно заряженных электронов, в результате чего подложка с УНТ приобретает положительный заряд. После заряда ячеек в течение суток и достижения напряжения около 400 мВ, ячейки разряжались на нагрузочном резисторе с регистрацией на нем напряжения. Разряд ячейки на резисторе 10 кОм протекал в течение долей секунды, а на резисторе 47 МОм - в течение нескольких минут. Динамика разряда в последнем случае представлена диаграммой на фиг. 4.

Начальный участок разряда ячейки, длящийся около 10 минут, подчиняется экспоненциальному тренду. Далее наблюдалось заметное отклонение от экспоненты, и в стационарном режиме кривая разряда выходит на постоянный уровень, определяемый равенством скоростей разряда и заряда ячейки, ток которого определяется активностью бета-источника на подложке.

Описанные выше эксперименты демонстрируют низкую эффективность сухой ячейки при ее прямом заряде электронами бета-распада, поскольку лишь незначительная часть электронов распада участвует в процессе заряда ячейки, достигая электрода-коллектора. Кроме того, часть электронов бета-распада компенсирует положительный заряд подложки, поглощаясь в массиве УНТ на подложке.

Пример 2.

Ячейка с подложкой с активностью С-14, равной 1,74 мКи, после проведения экспериментов с зарядом и разрядом сухой ячейки была заполнена дистиллированной водой. Проведено измерение характеристик заряда и разряда ячейки.

Динамика изменения напряжения на ячейке и тока разряда на нагрузочном резисторе 10 кОм приведена на фиг. 5.

В начальный момент времени на протяжении ~20 ч, начиная с момента заполнения водой, эффективность ячейки низка вследствие низкой ионной проводимости чистой воды. Напряжение ячейки на этом этапе по большей части не превышало 50 мВ. После растворения некоторой части гидрохлорида анилина из подложки в воде с образованием в ней дополнительных ионов, напряжение на ячейке в течение последующих 10-12 ч постепенно возрастает. В стационарном режиме напряжение на ячейке стабилизируется, приближаясь к постоянному значению ~300 мВ, и поддерживается на этом уровне, пока в ячейке присутствует вода. На этом этапе ток нагрузки ячейки на резисторе 10 кОм (фиг. 5 б) стабилизируется, составляя около 1 мкА/см2.

Описанный эксперимент показывает, что эффективность конденсаторной ячейки, заполненной дистиллированной водой, как преобразователя и накопителя электрической энергии, с массивом УНТ с углеродом-14, значительно выше, чем аналогичной ячейки без воды.

Пример 3.

Ячейка с подложкой, подготовленной как описано в примере 1, с массивом УНТ, пропитанных спиртовым раствором гидрохлорида анилина с активностью С-14, равной 6 мКи, после проведения экспериментов с зарядом и разрядом в ячейке с дистиллированной водой, была высушена, и далее заполнена электролитом 0,1 н H2SO4.

Изменение напряжение на ячейке характеризуется временной диаграммой, приведенной на фиг.6а, а динамика тока разрядки в стационарном режиме на нагрузке 10 кОм представлена на фиг.6б.

В начальный момент разрядный ток в пиковом режиме достигает 4 мкА/см2, после чего уменьшается до 1 мкА/см2, в промежуточный период достигая максимальных значений 1,5 мкА/см2. Так же на диаграмме отображен финишный участок разрядной кривой с уменьшением тока до нуля, соответствующий испарению (или радиолизу) воды из негерметичной ячейки.

На фиг. 7. приведена диаграмма работы ячейки в режиме «заряд-разряд» при использовании нагрузочного резистора 10 кОм.

Из диаграммы видно, что в момент подключения к ячейке нагрузочного резистора 10 кОм разрядный ток (кривая 2) имеет максимальное значение 4-9 мкА/см2, снижаясь в течение нескольких секунд до 2 мкА/см2. При отключении нагрузочного резистора напряжение на ячейке (кривая 1) быстро увеличивается за счет внутренней зарядки, за две секунды достигая 50-70 мВ, и поднимается до 90-100 мВ к концу 5-секундного цикла.

Пример 4.

Ячейка с подложкой с массивом УНТ, пропитанных спиртовым раствором гидрохлорида анилина с активностью С-14, равной 6 мКи, после проведения экспериментов с зарядом и разрядом в ячейке с 0,1 н H2SO4, описанных в предыдущем Примере 3, была высушена, и далее заполнена электролитом 0,01 н NaOH.

Изменение напряжение на ячейке характеризовалось временной диаграммой, приведенной на фиг. 8а, а динамика тока разрядки в стационарном режиме на нагрузке 10 кОм представлена на фиг. 8б.

В ячейке с электролитом 0,01 н NaOH так же, как и в ячейке с электролитом 0,1 н H2S04, происходит самозарядка двойного слоя суперконденсатора за счет энергии бета-распада с достижением стационарного уровня ~300 мВ. Ток разряда на нагрузке 10 кОм в начальный момент времени достигает 18 мкА/см2, далее постепенно уменьшается, принимая в установившемся режиме значение ~40 мкА/см2.

Таким образом, в экспериментах с использованием электролитических ячеек с электродами в виде подложек, содержащих массивы УНТ с радиоизотопом С-14, продемонстрирована работа самозаряжающегося суперконденсатора. Устройство производит многократную зарядку и разрядку без внешнего источника тока.

Вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:

- устройство в виде суперконденсатора, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, производит накопление и хранение электрической энергии без его зарядки от внешних источников энергии;

- заявляемое устройство для зарядки суперконденсатора использует бета-распад изотопа С-14, период полураспада которого равен 5700 лет. При герметичном исполнении устройства расход материалов электрода и корпуса ячейки, выполненных из коррозионно-стойких сплавов, минимален, расход электролита отсутствует.

- для заявленного устройства и способа его изготовления в том виде, как они охарактеризованы в независимых пунктах изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность их осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;

- устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Преимущество изобретения состоит в том, что:

Повышается эффективность преобразования энергии бета-распада в электрическую энергию, выражающаяся в увеличении генерируемого тока и энергии по сравнению с аналогами.

Снижаются затраты на изготовление источника питания, выполненного в виде суперконденсатора, за счет применения изотопа С-14 - одного из наиболее дешевых (на единицу активности) и доступных на рынке изотопов, а также за счет упрощения конструкции и технологии изготовления устройства.

Предложенное устройство может быть реализовано с учетом уже имеющегося опыта изготовления устройств питания мобильных устройств, использующих технологии суперконденсаторов с электродами, в которых применяются покрытия на электродах в виде массива из углеродных нанотрубок.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Особенности достижения технического результата

Особенность №1 заключается в том, что в устройстве, преобразующим энергию радиоактивного бета-распада в электрическую энергию, используется суперконденсатор, рабочий электрод(ы) которого изготовлен в виде подложки с массивом углеродных нанотрубок.

Особенность №2 заключается в том, что подложка с массивом углеродных нанотрубок пропитана раствором химического соединения, в состав которого входит изотоп С-14, либо углеродные нанотрубки изготовлены с применением изотопа С-14.

Особенность №3 заключается в том, что подложка с массивом углеродных нанотрубок помещена в электролит, в котором двойной слой, формирующийся на границе раздела между каждой индивидуальной нанотрубкой в массиве и электролитом, являясь несимметричным потенциальным барьером для генерируемых при распаде зарядов, выполняет роль эффективного разделителя зарядов и одновременно накопителя электрической энергии.

1. Суперконденсатор, включающий герметичный защитный корпус, первый и второй электроды, размещенные внутри корпуса, электрически изолированные друг от друга, один из которых или оба также электрически изолированы от корпуса, сепаратор, расположенный между электродами, электролит, заполняющий свободный объем ячейки и пространство между электродами, отличающийся тем, что на поверхности первого электрода нанесены углеродсодержащие материалы, содержащие радиоизотопы с бета-распадом одного вида или смесь радиоизотопов с бета-распадом С-14, Н-3, Ni-63, Sr-90, Кг-85, при этом в качестве электролита используется раствор кислоты H2SO4 или HNO3, или щелочи NaOH или KОН, или раствор солей KCl, NaCl, KNO3, Na2SO4.

2. Суперконденсатор по п. 1, отличающийся тем, что углеродсодержащие материалы на поверхности первого электрода нанесены в виде массива углеродных нанотрубок (УНТ), фуллеренов, графена, сажи, графита, либо их смеси, содержащих изотоп С-14.

3. Способ изготовления суперконденсатора, включающий:

- подготовку первого и второго электродов с нанесением на первый электрод поверхностного слоя из углеродсодержащих материалов,

- размещение в герметичном корпусе первого и второго электродов и их электрическую изоляцию друг от друга,

- заполнение корпуса электролитом, отличающийся тем, что

- в слой углеродсодержащих материалов на поверхности первого электрода вносят изотоп С-14 путем пропитки углеродосодержащего материала гидрохлоридом анилина, содержащего изотоп С-14.

4. Способ изготовления суперконденсатора по п. 3 отличающийся тем, что слой углеродсодержащих материалов на поверхности первого электрода формируют в виде массива углеродных нанотрубок (УНТ) фуллеренов, графена, сажи, графита, или их смеси, содержащих изотоп С-14.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области суперконденсаторов и может быть использовано в энергетических системах, функционирующих за счет запасаемой электрической энергии, в особенности солнечной энергетике, в качестве накопителей и автономных источников питания с управляемыми характеристиками заряда и разряда.

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в производстве конденсаторов. Способ включает подготовку поверхности катодной танталовой обкладки перед нанесением покрытия, нанесение гальванического рутениевого покрытия на поверхность обкладки и анодное оксидирование рутениевого покрытия, при этом подготовку поверхности обкладки проводят методом центрифугирования или электрофорезом для нанесения неагломерированного танталового порошка с удельным зарядом до 150000 мкКл/г и средней фракцией 2,5 мкм и последующим вакуумным спеканием при остаточном давлении 10-5 мм рт.ст., температуре 1050°С в течение 1 часа, а после окончания спекания осуществляют гальваническое нанесение рутениевого покрытия толщиной 2,0-4,0 мкм из электролита, содержащего, г/л: Ru(OH)Cl3 (в пересчете на металл) 5-10; NH2SO3H 30 и воду деионизованную или дистиллированную до 1 л, при температуре 60±10°С, напряжении 3 В, катодной плотности тока 2-6 А/дм2, количестве циклов 4-5 и времени одного цикла 10-15 мин, а анодное оксидирование проводят в 38%-ном растворе серной кислоты.

Объектом настоящего изобретения является, в частности, проводящий электрод для системы (1) накопления электрической энергии с водным раствором электролита, где указанный электрод содержит металлический коллектор тока (3) и активное вещество (7), причем указанный металлический коллектор тока (3) содержит защитный проводящий слой (5), расположенный между указанным металлическим коллектором тока (3) и указанным активным веществом (7), отличающийся тем, что указанный защитный проводящий слой (5) содержит: от 30 до 85 мас.% в расчете на сухое вещество сополимерной матрицы, от 70 до 15 мас.% в расчете на сухое вещество проводящего наполнителя в дополнение к массовому количеству (в расчете на сухое вещество) сополимера, так чтобы в сумме получалось 100%.

Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники и может найти применение в приборостроении, энергетике, электронике, в приборах мобильной связи в качестве слаботочного источника питания.

Изобретение относится к области электротехники и микроэлектроники, а именно к устройствам для хранения энергии, в которых выполнены пористые электроды для электрохимических конденсаторов с сильно развитой пористой поверхностью, сформированной с использованием нанотехнологий.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу повышения удельной энергии устройства накопления энергии, например, суперконденсатора. Способ включает увеличение емкости устройства накопления энергии нанесением материала в пористой структуре устройства накопления энергии с помощью процесса атомно-слоевого осаждения, предназначенного для увеличения расстояния, на которое проникает электролит внутри каналов пористой структуры, или размещением диэлектрического материала в пористой структуре.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрохимическим емкостным устройствам аккумулирования энергии. Устройство аккумулирования энергии включает в себя первый электрод (110, 510), включающий в себя первое множество каналов (111, 512), содержащих первый электролит (150, 514), и второй электрод (120, 520), включающий в себя второе множество каналов (121, 522), содержащих второй электролит (524).

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к слоистым пленочным накопителям электрической энергии - электролитическим конденсаторам, композиционные слои которых существенно отличаются по составу и физической структуре.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к конденсаторам с пористыми обкладками, которые обладают открытой пористой структурой. Предложена структура для использования в устройстве для хранения энергии, которая содержит первую поликристаллическую подложку с размером зерна, при котором фононное рассеяние начинает доминировать над рассеянием на границах зерен в поликристаллической подложке, при этом первый пористый слой сформирован внутри первой поликристаллической подложки и первый пористый слой содержит множество каналов.

Катодная фольга для твердотельного электролитического конденсатора предназначена для повышения емкости, снижения эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) и тока утечки, усиления термостойкости и снижения себестоимости производства, в то же время с повышением удельной мощности, реализацией быстрой зарядки-разрядки и улучшением характеристик ресурса в элементе для аккумулирования электрической энергии, таком как вторичная батарея, конденсатор с двойным электрическим слоем и гибридный конденсатор.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к способам изготовления суперконденсаторов. Способ изготовления электрода суперконденсатора заключается в нанесении на проводящую подложку буферного слоя, каталитического слоя, затем диэлектрического слоя, вскрытии в диэлектрическом слое матрицы окон до каталитического слоя с поперечным размером 40-60 мкм, осаждении в окнах массивов вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, функционализации поверхности углеродных нанотрубок кислородсодержащими группами, формировании слоя полианилина, содержащего изотоп С-14, на вертикально ориентированных углеродных нанотрубках электрохимическим осаждением, отжиге.

Изобретение относится к модульному накопителю электроэнергии. Техническим результатом является эффективное снятие напряжений, возникающих в точке сварки вследствие изменения температурных условий.

Изобретение относится к несшитой гелевой углеродной композиции, к пиролизованной композиции, соответственно образующих водный полимерный гель и его пиролизат в виде пористого углерода, к способу его получения, к электроду из пористого углерода, сформированному из пиролизованной композиции, и к суперконденсатору, содержащему такие электроды.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к производству углеродных наноматериалов, которые могут быть использованы для изготовления электродов в суперконденсаторах.

Группа изобретений относится к устройствам для хранения энергии, более контректно к аккумуляторам и конденсаторам. Гибридный электрохимический конденсатор включает первый электрод, второй электрод и электролит.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к активации углеродного материала из вискозных волокон для изготовления электродов электролитических суперконденсаторов.

Изобретение относится к авиации и касается панелей жесткости. Панель жесткости содержит оболочку и удлиненный элемент жесткости.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при изготовлении углеродных катодных материалов для накопителей энергии, например гибридных суперконденсаторов.

Изобретение относится к твердотельному суперконденсатору и может быть использовано в устройствах хранения энергии разнообразных интегральных микросхем. Суперконденсатор содержит два электрода, размещенный между ними диэлектрический слой, конформно расположенный на нижнем электроде, при этом верхний электрод конформно расположен на диэлектрическом слое, нижний электрод сформирован на профильно-структурированном основании из пористого оксида алюминия или титана.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к суперконденсаторам. Суперконденсатор состоит из герметичного защитного корпуса, первого и второго электродов, электрически изолированных друг от друга. Один или оба из электродов также изолированы от корпуса. Свободный объем ячейки и пространство между электродами заполнено электролитом, в качестве которого используется раствор кислоты H2SO4 или HNO3, или щелочи NaOH или KОН, или раствор солей KCl, NaCl, KNO3, Na2SO4. На поверхность первого электрода нанесены углеродосодержащие материалы, содержащие радиоизотопы с бета-распадом одного вида или смесь радиоизотопов с бета-распадом С-14, Н-3, Ni-63, Sr-90, Кг-85. Способ изготовления суперконденсатора заключается в подготовке первого и второго электродов с нанесением поверхностного слоя из углеродосодержащих материалов, размещении в герметичном корпусе первого и второго электродов и их электрической изоляции друг от друга, заполнении корпуса электролитов. В слой углеродосодержащих материалов на поверхность первого электрода вносят изотоп С-14. Изобретение позволяет создать устройство для накопления электрического заряда, не требующего зарядки от внешнего источника электричества. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 12 ил.

Наверх