DE102014007385A1

DE102014007385A1 - Hybridkondensatorbatterie

Info

Publication number: DE102014007385A1
Application number: DE102014007385.8A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2015-11-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hybridkondensatorbatterie, bestehend aus zwei galvanischen Zellen und einem asymmetrischen Doppelschichtkondensator, der sich zwischen den beiden Zellen in Serie befindet oder je nach Anwendung jeweils eine Zelle mit einem Doppelschichtkondensator in Parallelschaltung verbunden ist. Die erfindungsgemäße Hybridkondensatorbatterie hat den Vorteil, daß die Selbstentladung auf ein minimum reduziert ist, eine wesentlich höhere Speicherkapazität als herkömmliche Doppelschichtkondensatoren besitzt, denn Memory-Effekt eliminiert und Selbstladezyklen aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hybridkondensatorbatterie, bestehend aus zwei galvanischen Zellen und einem asymmetrischen Doppelschichtkondensator, der sich zwischen den beiden Zellen in Serie befindet und je nach Anwendung jeweils eine Zelle mit einem Doppelschichtkondensator in Parallelschaltung verbunden ist. Die erfindungsgemäße Hybridkondensatorbatterie hat den Vorteil, daß die Selbstentladung auf ein minimum reduziert ist, eine wesentlich höhere Speicherkapazität als herkömmliche Doppelschichtkondensatoren besitzt, den Memory-Effekt eliminiert und Selbstladezyklen aufweist.
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine asymmetrische Hybridkondensatorbatterie.
Doppelschichtkondensatoren sind elektrochemische Energiespeicher. Sie speichern im gleichen Volumen viel mehr Energie als konventionelle Kondensatoren. Im Vergleich zu Batterien können Superkondensatoren diese Energie viel schneller abgeben. Das Prinzip der Energiespeicherung in der elektrochemischen Doppelschicht (Helmholtz-Schicht – Nernst-Gleichung) ist lange bekannt.
Die Leistungsdichte als Funktion der Energiedichte füllen die Doppelschichtkondensatoren die Lücke zwischen den konventionellen Kondensatoren und Batterien.
Die bekannten Doppelschichtkondensatoren haben den Nachteil der hohen Selbstentladung. Diese Selbstentladung ist als Reststrom, auch Leckstrom genannt, messbar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Hybridkondensatorbatterie die einen minimalen Reststrom, hohe Speicherkapazität, keinen Memoryeffekt und Selbstladezyklen aufweist.
Diese Aufgaben werden gemäß Hauptanspruch gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Die Hyberidkondensatorbatterie ist ein elektrochemischer Energiespeicher mit zwei Elektroden hoher spezifischer Oberfläche von 1000 bis 3000 m²/g. Für die Erhöhung der Leitfähigkeit und Reduzierung des Innenwiderstandes werden der Aktivkohle Graphit beigemischt. Beide Elektroden werden mit einem leitfähigen Elektrolyten, einem Innenleiter, elektrisch miteinander verbunden.
Beide Elektroden sind durch einen Ionen durchlässigen Separator mechanisch voneinander getrennt um einen Kurzschluß zu verhindern. Als Separator dient ein Glasfasergewebe das chemisch inert, dünn und sehr porös ist, um den Innenwiderstand (ESR) klein zu halten. Die beiden flächigen Stromkollektoren bestehen aus Stahl. Die Elektroden aus unterschiedlich dotierter Aktivkohle und/oder Aktivkohlefasern mit Stahl als Stromsammler verbinden die jeweilige Elektrode mit den Anschlüssen.
Der Elektrolyt, der die elektrische leitfähige Verbindung zwischen beiden Elektroden herstellt, bestimmt das Spannungsfenster in dem der Doppelschichtkondensator betrieben werden kann. Der Elektrolyt basierend auf Wasser als Lösungsmittel beinhaltet Alkalien wie z. B. Kaliumhydroxid und Salze von Eisen(II)Sulfat und Eisen(III)Chlorid Ionen als Redox Paar. Dadurch entsteht eine hoch reversible elektrochemische Redox Fe³+/Fe²+ Reaktion, der die Kapazität des Doppelschichtkondensators wesentlich erhöht.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hybridkondensatorbatterie bereitzustellen, die sofort ihre Leistung erbringt ohne aufgeladen zu werden. Eine Selbstentladung < 1% nach 3 Monaten und selbstregenerierend bis zu 10 Lade/Entladezyklen ohne externe Aufladung und der externer Ladevorgang < 20 Sekunden ist, keinen Memory-Effekt und eine hohe Zyklenstabilität aufweist.
Die Hybridkondensatorbatterie besteht aus zwei galvanischen Zellen, vorzugsweise Sekundärzelle und einem Doppelschichtkondensator wie oben beschrieben, der sich zwischen den beiden Sekundärzellen befindet. Als Sekundärzellen werden Zellen aus Silber/Zink, Nickel/Zink und Nickel-Metallhydrid Batterien bevorzugt. Die positive Seite des Doppelschichtkondensators wird mit der Kathode der Sekundärzelle 1 und die negative Seite wird mit der Anode der Sekundärzelle 2 elektrisch und mechanisch verbunden.
Es können auch in einem System mehrere Doppelschichtkondensatoren in Serie und Parallel verwendet werden. Die positive Seite der Zelle 1 und die negative Seite der Zelle 2 ist mit Anschlüssen versehen, die zum Verbraucher geführt werden.
Dementsprechend der Ausführungsform kann die Hybridkondensatorbatterie in einem Gehäuse untergebracht werden. Je nach Anwendung können auch mehreren Hybridkondensatorbatterien in Serie oder Parallel oder je nach Anwendung jeweils eine Sekundärzelle mit einem Doppelschichtkondensator in Parallelschaltung verbunden werden.
Beispiel
Es wird eine Mischung für die Doppelschichtkondensator-Elektrode 1 (–)) aus 10 Teilen Aktivkohle, 1 Teil Graphit, 2 Teile Kupfer(II)Sulfid und Bindemittel bestehend aus 1% Polyvinylalkohol in Wasser eingebracht und vermischt bis eine homogene Maße entsteht. Die selbe Mischung, jedoch Cu2S ersetzt durch Kupfersulfid (CuS) und Aktivkohlefasern für die Doppelschichtkondensator-Elektrode 2 (+).
Es werden beiden Mischungen jeweils in eine dafür vorgesehene Gießfrom eingebracht und unter leichtem Druck verpresst. Anschließend in einem Umluftofen bei 90°C getrocknet.
Es wird eine Mischung für den Elektrolyten aus 25 Teilen Kaliumhydroxyd Lösung 30%, 6 Teil Eisen(II)sulfat, 3 Teil Eisen(III)chlorid eingebracht und vermischt bis die Salze in Lösung gegangen sind.
Es wird ein Seperator aus Zellstoff mit dem Elekrolyten getränkt und zwischen Anode und Kathode plaziert. Beide Gehäuseteile werden durch eine Isolierung voneinander getrennt und anschließend mechanisch verpresst.
Es wird der Doppelschichtkondensator mit der Minus Elektrode 1 mit der Anode und die Plus Elektrode 2 mit der Kathode der Sekundärzelle elektrisch und mechanisch verbunden.
Im folgenden soll die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden; es zeigt
1 stellt eine Queransicht einer Hybridkondensatorbatterie gemäß der Erfindung dar;
2 stellt ein vereinfachtes Gleichstrom-Ersatzschaltbild gemäß der Erfindung dar;
3 ist eine Querschnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Hybridkondensatorbatterie als Knopfzelle gemäß der Erfindung.
In der gesamten Beschreibung bedeutet die Bezeichnung >Hybridkondensatorbatterie< eine Kombination aus zwei Sekundärzellen und einem Doppelschichtkondensator. Das heißt, um eine Hybridkondensatorbatterie fertigzustellen werden die Sekundärzellen und der Doppelschichtkondensator zu einer Einheit zusammengefügt.
Die Hybridkondensatorbatterie gemäß der Erfindung besteht aus
Bezugszeichenliste

1: mindestens einer Sekundärzelle oder mehreren
2: einen Doppelschichtkondensator oder mehreren
3: einem Gehäuse
4: zwei elektrische Anschlüsse oder mehreren

Ein repräsentatives Beispiel einer Hybridkondensatorbatterie mit einem Doppelschichtkondensator und zwei Sekundärzellen nach einer Ausführungsform gemäß der Erfindung ist in 1 und 3 dargestellt, worin 1 und 2 elektrische Leitungen darstellen und 3 das Gehäuse. Die Sekundärzellen bestehen aus Kathoden 4, einem Seperator mit Elektrolyt 5 und einer Anode 6. Der Doppelschichtkondensator hat einen Stromkollektor 7, eine Elektrode 8 und 9, einen Isolierring 11 zur Aufnahme der Elektroden und einer Isolierschicht 20. 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform und stellt ein vereinfachtes Gleichstrom-Ersatzschaltbild der Erfindung dar. Sekundärzelle 13 und 19 sind verbunden mit den beiden internen Kondensatoren 15 und 17 die über den Widerstand 16 des Elektrolyten miteinander in Reihe geschalten sind. Zuleitungswiderstände sind mit 14 und 18 dargestellt, daraus ergibt sich der Gesamtwiderstand 19 des Doppelschichtkondensators. Die Gesamtkapazität ergibt sich dann aus der Serienschaltung der beiden Kondensatoren 15 und 16.

Claims

Hybridkondensatorbatterie zum Speichern von elektrischer Energie dadurch gekennzeichnet, dass die Hybridkondensatorbatterie aus mindestens einer oder mehreren galvanischen Zellen und ein oder mehreren asymmetrischen Doppelschichtkondensatoren mit einem Redoxpaar im Elektrolyt, in Parallelschaltung und/oder Serienschaltung als Einheit zusammengesetzt ist.
Hybridkondensatorbatterie nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt des Doppelschichtkondensators ein Redoxpaar in einem Lösungsmittel, vorzugsweise Wasser enthält.
Hybridkondensatorbatterie nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt des Doppelschichtkondensators ein organisches Lösungsmittel enthält.
Hybridkondensatorbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Redoxpaar Ionen von Fe³+/Fe²+ enthält.
Hybridkondensatorbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die galvanischen Zellen aus Sekundärzellen bestehen.
Hybridkondensatorbatterie nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden des Doppelschichtkondensators aus Aktivkohle, Graphit, Metallsulfide und Bindemittel bestehen.
Hybridkondensatorbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden des Doppelschichtkondensators Metallsulfide enthält.
Hybridkondensatorbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hybridkondensatorbatterie als Knopfzelle ausgebildet ist.
Hybridkondensatorbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelschichtkondensatoren in Serienschaltung oder Parallelschaltung mit den Sekundärzellen verbunden werden können.