CZ20002240A3 - Kondenzátor s dvojitou elektrickou vrstvou - Google Patents

Abstract

Kondenzátor s dvojitou elektrickou vrstvou má zápornou elektrodu (5), vyrobenu z pórovitého materiálu na bázi uhlíku, zatímco kladná elektroda (7)je vyrobena z materiálu obsahujícího síran olovnatý. Kondenzátor dále vykazuje porézní oddělovač (6), proudové přívody (3, 4), samonosný kryt (1) pouzdra, postranní panely (9) pouzdra a těsnicí materiál (8).

Description

Oblast techniky

Vynález se týká elektrotechniky, zvláště oboru výroby kondenzátorů a může nalézt uplatnění při výrobě vysokokapacitních elektrických kondenzátorů, využívajících dvojité elektrické vrstvy (DEL). Kondenzátory s DEL naleznou uplatnění jako pohotovostní zdroje elektrické energie v systémech požadujících nepřerušovanou dodávku elektrické energie, jako jsou výpočetní inženýrství, komunikační zařízení, číslicově řízené stroje, v nepřetržitých výrobních procesech; pro elektrické startéry startující vznětové motory; pro napájení invalidních vozíků, vozíků na golf atd.

Dosavadní stav techniky

Ze stavu techniky jsou nedlouho známé akumulátory elektrické energie obsahující kondenzátory s dvojitou elektrickou vrstvu (DEL), například takové, jaké jsou uvedeny v amerických patentech US 4 313 084 (1982) a 4 562 511 (1985). Uvedené kondenzátory obsahují dvě porézní polarizovatelné elektrody a porézní oddělovač, zhotovený z dielektrického materiálu a umístěný mezi nimi a běžné proložky. Kapalný elektrolytický roztok, ve kterém jsou použity buď vodní nebo nevodní elektrolyty (obsahující vodní kyselinu sírovou), je obsažen v pórech elektrod a oddělovače, stejně tak jako ve volných prostorách uvnitř pouzdra kondenzátoru. Elektrický náboj je akumulován na rozhraní v pórech mezi materiálem elektrod a elektrolytem. Materiály použité na polarizovatelné elektrody jsou různé porézní uhlíkové materiály. Ke zvýšení kapacitance kondenzátoru s dvojitou elektrickou vrstvou, jsou uvedené uhlíkové materiály

vystaveny předaktivaci s ohledem na zvýšení jejich specifické povrchové oblasti až na 300 - 3000 metrů čtverečních/gram.

DEL kondenzátory mají mnohem větší kapacitanci v porovnání s běžnými kondenzátory svitkového typu a elektrolytickými kondenzátory, obnášející malý počet faradů na gram aktivních materiálů elektrody. Avšak uvedené kondenzátory jsou zatíženy nevýhodou, že mají poněkud nízkou specifickou energii, to znamená tak nízkou jako 3 W-h/lit. V tomto případě jsou maximální hodnoty specifické energie dosažitelné s kondenzátory s dvojitou vrstvou nevodních elektrolytů, pro které je maximální napětí v rozmezí 3 a 3,5 V. Takové kondenzátory však poskytují velmi nízké hodnoty nabíjecího a vybíjecího proudu, které jsou důsledkem velmi nízkých hodnot vodivosti nevodních elektrolytů. Pro kondenzátory s dvojitou vrstvou používající vodní elektrolyty s maximální hodnotou napětí 0,8 V jsou dosažitelné stále ještě nižší hodnoty specifické energie, to znamená 0,5 až 2 W-h/lit. Když jsou takové dvojvrstvé kondenzátory v nabitém stavu poněkud delší časovou periodu s napětím překračujícím 0,8 V, dochází ke znatelné oxidaci pozitivní uhlíkové elektrody.

Nejblíže k předloženému vynálezu po stránce technické podstaty a dosažitelného efektu je DEL kondenzátor obsahující dvě elektrody a kapalný elektrolyt (tzn. vodní alkali-metal hydroxid s koncentrací 3 až 7 mol/lit s polarizovatelnou (zápornou) elektrodou, zhotovenou z vláknitého uhlíkového materiálu a nepolarizovatelnou elektrodou zhotovenou z kysličníku nikelnatého. Maximální napětí uvedeného kondenzátoru odpovídá 1,4 V a specifická kapacitance a specifická energie 46 F/cu.cm a 45 J/cu.cm v uvedeném pořadí (WO 97/07518 s datem 27. února 1997).

• · · · • · · · • · · • · · • · · · · • · ·· ·· ·· ·· • · · • · · • · · ·· ··

Avšak takový kondenzátor trpí mnoha nevýhodami, jako je neodpovídající vysoká specifická energie a vysoká cena kvůli použití velkého množství kysličníku nikelnatého.

Podstata vvnálezu

Účelem předloženého vynálezu je provedení DEL kondenzátoru vyznačujícího se vysokou specifickou energií.

Dalším účelem vynálezu je omezení výrobních nákladů takového kondenzátoru.

Výše zmíněných účelů je dosaženo zde dále popsaným vynálezem, jehož podstata spočívá vtom, že kondenzátor má polarizovatelnou elektrodu vyrobenou z porézního uhlíkového materiálu a nepolarizovatelnou elektrodu, zhotovenou z materiálu, který obsahuje jako aktivní složku síran olovnatý, přičemž podstata dále spočívá vtom, že použitý elektrolyt je vodní roztok obsahující kyselinu sírovou.

Je výhodné, že kondenzátor obsahuje proudový přívod zhotovený z ochranného povlaku, vyrobeného z grafitové folie impregnované kyselině odolným polymerem.

Je vhodné, že kondenzátor také obsahuje dvě polarizovatelné elektrody, jednu nepolarizovatelnou elektrodu a dva oddělovače, přičemž všechny zmíněné prvky jsou uspořádány v následujícím pořadí: první polarizovatelná elektroda / první oddělovač / nepolarizovatelná elektroda / druhý oddělovač / druhá polarizovatelná elektroda, přičemž obě záporné elektrody jsou spojeny nakrátko do obvodu k sobě navzájem. S takovým uspořádáním elektrod a oddělovačů specifická kapacitance polarizovatelné (záporné) elektrody je podstatně nižší než té nepolarizovatelné (kladné) elektrody, přičemž celková tloušťka záporné elektrody je mnohem větší než

tloušťka kladné elektrody. Z toho důvodu zde navržené rozpůlení jedné záporné elektrody ve dvě elektrody s poloviční tloušťkou každé z nich slouží ve skutečnosti k polovičnímu omezení ohmického úbytku energie s poněkud vysokými hodnotami proudové hustoty.

Je také prospěšné, že materiál jedné nebo všech elektrod je dotován materiálem jako je polytetrafluoretylen nebo polyetylén. Za prvé to umožňuje vyrábět zápornou elektrodu z nejenom vláknitého uhlíkového materiálu (například uhlíkové látky, která je známá u známého kondenzátoru (WO přihláška 97/07518)), ale také z materiálu na bázi uhlíkových prášků s použitím polymerového spojovacího prvku. Posledně zmíněná elektroda je mnohem levnější. Za druhé je použití polymerového spojovacího prvku možné k dosažení zvýšení síly obou záporných elektrod a kladné (síran olovnaté) elektrody.

Je vhodné, že jeden kondenzátor nebo množství kondenzátorových prvků stlačených mezi nosné kryty obalu značně redukuje vnitřní odpor kondenzátoru, zvláště je-li použito záporných elektrod z uhlíkové látky nebo plsti a zabránění aktivního materiálu kladné elektrody k odlupování, jež je jedním z hlavních případů omezení cyklicity DEL kondenzátorů vyrobených podle WO přihlášky 97/07518. Je to díky výše popsaným technickým řešením, že je možné podstatně zvýšit specifickou energii a omezit cenu kondenzátorů. Zvýšení specifické energie až na 2,0 V je dosaženo vlivem zvýšení 1,5 násobného v elektrické vodivosti elektrolytu z kyseliny sírové v porovnání s alkalickou. Náklady na DEL kondenzátor vyrobený v souvislosti s předloženým vynálezem jsou sníženy z důvodu použití elektrody ze síranu olovnatého, která je mnohem levnější než z kysličníku nikelnatého. Použití síranu olovnatého jako aktivního materiálu kladné elektrody umožňuje použití zředěné kyseliny sírové jako elektrolytu, jehož vhodnost umožňuje mnoho provedení DEL kondenzátorů.

· · ·· » 9 9 · » 9 9 9 » 9 9 99 » 9 9

9 9 9

Přehled obrázků na výkresech

Obr. 1 znázorňuje kondenzátor podle předloženého vynálezu;

Obr. 2 znázorňuje grafické zobrazení závislosti napětí a potenciálů elektrod na čase a;

Obr. 3 znázorňuje schématický diagram sady kondenzátorů sestavené z kondenzátorových prvků podle předloženého vynálezu.

Vztahové značky na obrázcích v následujícím pořadí:

- nosný kryt kondenzátorů;

- izolant, zabraňující elektrickému kontaktu elektrod kondenzátorů navzájem;

- kovový přívod;

- ochranná vrstva proudového přívodu zhotovená z grafitové fólie;

- záporná polarizovatelná porézní uhlíková elektroda;

- dielektrický oddělovač;

- kladná elektroda

- kyselinovzdorný těsnicí materiál;

- samonosné stěny kondenzátorového pouzdra.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

DEL kondenzátor (obr. 1) je proveden podle předloženého vynálezu, obsahuje zápornou elektrodu 5, zahrnující šestnáct vrstev aktivované uhlíkové látky typu „Viscumac“ se specifickou povrchovou oblastí 1200 metrů čtverečních/g a tloušťkou každé vrstvy 300 mikronů; kladnou elektrodu 7 o síle 2 mm s aktivním • 4 · 4 4 44 4 4 »» ·

4444 44 44 4 4 4 ·

Z- 4 4 444 44 44 444 4 4 4 ^υ 4 4 4 4444 444·

44 44 4 4 4 · · · materiálem obsahujícím síran olovnatý a vyztuženou mřížovou sítí, zhotovenou ze slitiny obsahující 95% olova a 5% antimonu; porézní oddělovač 6, stupně FPP-20SA, zhotovený z perchlorvinylu s celkovou tloušťkou 120 mikronů, proudové přívody 3, 4, vyrobené z tenkého ocelového plechu; 3 mm silný ocelový samonosný kryt 1. pouzdra; 0,3 mm silné samonosné postranní panely 9 pouzdra; a dielektrický těsnicí materiál 8.

Záporné a kladná porézní elektrody a porézní oddělovač jsou impregnovány elektrolytem, tzn. vodní kyselinou sírovou s hustotou 1,05 g/cm krychlový. Ochranná vrstva 4 proudového přívodu je zhotovena z 0,3 mm silné grafitové fólie, impregnované kyselinovzdorným polymerem a přilnavé vázané v několika bodech ke kovové elektrodě proudového přívodu. Obě elektrody vypadají jako plošky o rozměrech 123x143 mm. Sada elektrod a oddělovače je stlačena tlakem 10 kg/cm čtvereční.

Obr. 2 znázorňuje grafické zobrazení napětí Uc a potenciál Ea kladné elektrody a potenciál Ec záporné elektrody (vztaženo k hydrogení elektrodě ve stejném roztoku) vs čas t. Charakteristické křivky jsou měřeny při 20°C a proudu 10 A.

Uvedené vztahy umožňují vyslovit následující závěry:

(1) Potenciál kladné elektrody klesá, ale velmi málo, během vybíjecího procesu.

(2) Potenciál záporné elektrody stoupá téměř lineárně během vybíjecího procesu, pokud je E=1,0 V.

(3) Jako výsledek, vybíjecí křivka v intervalu napětí pod 1,8 V aproximuje lineární aspekt vlastní kondenzátorům.

(4) Maximální napětí (Umax) je přibližně 2 V.

Nakolik s překročením potenciálu 1 V jsou uhlíkové elektrody náchylné k oxidaci v poněkud větším rozsahu, tak • 0 ·· ·· • 0 0 0

0 0 0

0 0000

0 0

00

0· 00 · · ·

0 0 ·

0 0 0

0 0 0

0· 00 minimální vybíjecí napětí Umiň je když (E)max=1 V. Je to zřejmé z obr. 2, kde pro daný kondenzátor Umin=0,7 V.

Následující charakteristiky byly získány jako výsledek testování: specifická energie 53,4 W-h/lit; počet nabíjecíchvybíjecích cyklů 6500 (po kterých testování pokračovalo).

Příklad 2

Je vyráběna skupina DEL kondenzátorů, obsahující sedm podobných sériově spojených základních kondenzátorů, vyrobených podle předloženého vynálezu a stlačených společně mezi nosné kryty a stranové boční panely pouzdra. Obr. 3 znázorňuje schématický diagram takové skupiny kondenzátorů. Každý základní kondenzátor sestává ze dvou identických záporných elektrod a kladné elektrody umístěné mezi. Kladná elektroda je vložena v oddělovač ve tvaru obálky. Obě záporné elektrody jsou elektricky uzavřeny společně skrze vnější spínač. Celkové rozměry celého uspořádání jsou: 130x150x64,4 mm. Záporná elektroda je vyrobena lisováním a slinováním směsi obsahující 8% hmot. práškového polyetylénu a 92% hmot. stupně AG-3 aktivovaného práškového uhlíku se specifickou povrchovou oblastí 1100 m krych./g, záporná tloušťky 3 mm. Kladná elektroda obsahuje síťovou mřížku, zhotovenou ze slitiny obsahující 95% olova a 5% antimonu. Dovnitř vložené buňky mřížky jsou směsí obsahující 93% síranu olovnatého a 7% polytetrafluoretylénu. Je použit 60 micronů silný, stupně FPP20CA, perchlorvínylový oddělovač. Ochranná vrstva proudových přívodů záporných elektrod je podobná vrstvě podle příkladu 1.

Následující charakteristiky byly získány jako výsledek testování: specifická energie 51 W-h/lit s vybíjecím proudem 2,5 A; počet nabíjecích-vybíjecích cyklů 6500; vnitřní odpor 18 mOhmů.

• 9 99 99 99 • 999 9 9 9 9

9 9 9 9 9 99

Q 9 9 999 9 9 9 9 9 ^u 9 · 9 9 99 9

99 99 99 • 9 9 9 * 9 9 ·

9 9 ·

9 9 9

9 9 9 ·· 99

Průmyslová využitelnost

Použití předloženého vynálezu umožňuje dosažení specifické energie navrženého kondenzátoru přesahující několikrát známé hodnoty u DEL kondenzátorů, přičemž jeho cena je několikanásobně nižší než cena těchto známých kondenzátorů. Navržený kondenzátor umožňuje funkci sériově a paralelně spojených prvků a poskytuje na této své bázi různé varianty sestav kondenzátorů.

Claims (5)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Kondenzátor s dvojitou elektrickou vrstvou, vyznačující setím, že obsahuje:

   nejméně jednu polarizovatelnou elektrodu, která je vyrobena z porézního uhlíkového materiálu;

   nepolarizovatelnou elektrodu, která je vyrobena z materiálu obsahujícího síran olovnatý; a elektrolyt, kterým je vodní roztok obsahující kyselinu sírovou.
2. 2. Kondenzátor podle nároku 1,vyznačující se tím, že dále obsahuje proudový přívod s ochranným povlakem, vyrobeným z grafitové fólie impregnované kyselině odolným polymerem.
3. 3. Kondenzátor podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, v yznačující se tím, že dále obsahuje dvě polarizovatelné elektrody, jednu nepolarizovatelnou elektrodu a dva oddělovače, přičemž všechny uvedené prvky jsou uspořádány v následujícím pořadí: první polarizovatelné elektroda/první oddělovač/nepolarizovatelná elektroda/druhý oddělovač/druhá polarizovatelné elektroda, přičemž obě záporné elektrody jsou spojeny nakrátko do obvodu k sobě navzájem.
4. 4. Kondenzátor podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, v yznačující se tím, že materiál nejméně jedné elektrody • Φ Φ ·

   Φ Φ Φ Φ

   Φ Φ · Φ

   Φ Φ Φ Φ

   Φ· Φ· φ φ · * > · · ·

   I · « Φ ► · φφφ > φ φ φφ ··

   Φ· φφ • · Φ 4

   Φ Φ ·Φ • Φ Φ 4

   Φ Φ Φ β

   ΦΦ ΦΦ je dotován zvláště materiálem, jako je polytetrafluoretylen nebo polyetylén.
5. 5. Kondenzátor podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, v yznačující se t í m, že je vystaven stlačení.