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TECHNISCHES GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich auf Elektrotechnik und insbesondere auf Kondensatortechnik
und kann zur Herstellung von Kondensatoren mit hoher Kapazität verwendet
werden, die die Energie der elektrischen Doppelschicht (EDL = electric
double layer) benutzen. EDL-Kondensatoren haben ihre Verwendung
als Sicherungs-Leistungsquellen bei Systemen gefunden, die ununterbrochen
elektrische Leistungsversorgung erfordern, wie beispielsweise Computern,
Kommunikationsvorrichtungen, digital programmierbaren Drehbänken, kontinuierlichen Produktionszyklen;
zum elektrischen Starten von Verbrennungsmotoren, Antreiben der
Motoren von Rollstühlen,
Golfmobilen, etc..
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BESCHREIBUNG DES STANDS
DER TECHNIK
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Verschiedene
elektrische Leistungsspeichervorrichtungen existieren in der Form
von elektrischen Doppelschichtkondensatoren (EDL-Kondensatoren),
wie beispielsweise in dem US-Patent Nr. 4,313,084 und dem US-Patent Nr. 4,562,511
beschrieben ist. Derartige Kondensatoren umfassen zwei poröse polarisierbare
Elektroden mit einem aus einem dielektrischen Material hergestellten
porösen Separator
zwischen ihnen und Stromkollektoren. Ein flüssiger Elektrolyt, der entweder
nicht wässrig
oder wässrig
sein kann, einschließlich
einer wässrigen Schwefelsäurelösung, wird
in den Poren der Elektroden und des Separators und in dem freien
Volumen innerhalb des Kondensatorgehäuses gehalten. Die elektrische
Ladung sammelt sich in den Poren auf der Oberfläche zwischen dem Elektrodenmaterial und
dem Elektrolyten an. Verschiedenartige poröse Kohlenstoffmaterialien werden
normalerweise zur Herstellung von polarisierbaren Elektroden verwendet.
Um die Kapazität
des elektrischen Doppelschichtkondensators zu erhöhen, werden
diese Kohlenstoffmaterialien einer vorhergehenden Aktivierung zum
Zweck des Erhöhens
ihrer spezifischen Oberfläche
bis auf 300 bis 3000 m2/g unterzogen.
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EDL-Kondensatoren
weisen eine viel höhere Kapazität als herkömmliche
elektrostatische und elektrolytische Kondensatoren auf – bis zu
Zehn oder Hunderten von Farad je Gramm von aktivem Elektrodenmaterial.
Ein Nachteil dieser Kondensatoren ist jedoch ihre ziemlich niedrige
spezifische Energie, die 3 Wh/l nicht überschreitet. Dieser Maximalwert
der spezifischen Energie für
Doppelschichtkondensatoren wird mit nicht wässrigen Elektrolyten eingestellt, bei
denen die Maximalspannungswerte in dem Bereich von 3 bis 3,5 V sind.
Derartige Kondensatoren ermöglichen
jedoch sehr niedrige Entlad- und Ladenströme aufgrund der sehr niedrigen
Leitfähigkeit
von nicht wässrigen
Elektrolyten. Noch niedrigere spezifische Energien von 0,5 bis 2
Wh/l wurden durch Doppelschichtkondensatoren mit wässrigen
Elektrolyten mit einem Maximalspannungswert von etwa 0,9 V erreicht.
Wenn derartige Doppelschichtkondensatoren unter Last für eine längere Zeitspanne
(die häufig sehr
lang ist) bei Spannungen höher
als 0,9 V bleiben, findet eine merkliche Oxidation der positiven Kohlenstoffelektrode
statt.
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Ein
elektrischer Doppelschichtkondensator, der lediglich eine aus einem
Kohlenstoffmaterial hergestellte polarisierbare Elektrode aufweist,
wird in dem japanischen Patent, angenommene Anmeldung Nr. 2-11008
beschrieben. Die andere Elektrode ist eine nicht polarisierbare
(d.h. Speicher)Elektrode, die aus Lithium oder einer Lithiumlegierung
hergestellt ist, wobei der Elektrolyt nicht wässrig ist. Ein derartiger Kondensator
weist verglichen mit dem herkömmlichen
Doppelschichtkondensator mit zwei polarisierbaren Elektroden eine
höhere
spezifische Energie auf. Ein Nachteil dieses Prototyps ist jedoch
der sehr niedrige praktische Lade- und Entladestrom (0,1 bis 1 mA/cm2) und daher eine sehr niedrige Leistungsdichte
als Ergebnis des Verwendens eines nicht wässrigen Elektrolyten. Ein weiterer
wesentlicher Nachteil aller aufladbaren Lithium-Vorrichtungen, einschließlich der
in Frage kommenden, ist die sehr niedrige Zyklusfestigkeit – ungefähr 100 bis
200 Zyklen.
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Ein
EDL-Kondensator mit lediglich einer aus einem fasrigen Kohlenstoffmaterial
hergestellten polarisierbaren Elektrode wird in dem Patent WO 97/07518
beschrieben. Die andere, aus Nickeloxid hergestellte Elektrode ist
nicht polarisierbar. Eine wässrige
Lösung
eines alkalinen Metallkarbonats oder Hydroxids wird als Elektrolyt
verwendet. Ein derartiger Kondensator übertrifft beträchtlich
die Doppelschichtkondensatoren mit zwei polarisierten Elektroden
in sowohl spezifischer Energie (bis zu 12,5 Wh/l) als auch Maximalspannung
(1,4 V).
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Ein
derartiger Kondensator weist jedoch eine Anzahl von Nachteilen auf:
1) unzureichend hohe spezifische Energie; und 2) hohe Kosten aufgrund der
Verwendung von großen
Mengen von Nickeloxid.
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Vom
technologischen Gesichtspunkt und hinsichtlich der erzielten Wirkung
sind EDL-Kondensatoren nächstliegend
zu der Erfindung, die Bleiverbindungen als aktive Bestandteile der
nicht polarisierbaren Elektrode benutzen, die in der PCT/RU97/00353
und PCT/RU97/00411 offenbart sind. Insbesondere wird Bleioxid im
Fall von PCT/RU97/00353 und Bleisulfat im Fall von PCT/RU97/00411
verwendet. Die in der PCT/RU97/00353 offenbarte Vorrichtung wird
hier als ein Prototyp der Erfindung betrachtet.
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Ein
noch weiterer Nachteil der EDL-Kondensatoren ist die Gaserzeugung
an den Elektroden bei Überlast
z.B. von Sauerstoff an der positiven Elektrode und/oder Wasserstoff
an der negativen Elektrode. Dies findet statt, wenn die Evolutionspotentiale
dieser Gase an den entsprechenden Elektroden bei Überlast
erreicht werden. Als Ergebnis steigt der Druck in dem Kondensatorgehäuse an,
was zu seiner Dekompression und sogar Explosion führen kann,
es sei denn, dass es mit einem besonderen Druckentlastungsventil
ausgestattet ist. Jedoch sogar derartige Ventile sind häufig nicht
zuverlässig
genug, um Dekompression oder Explosion zu verhindern: sie können beispielsweise
mit Schmutz verstopft werden, etc.. Unter Berücksichtigung von all dem weisen EDL-Kondensatoren einen
fundamentalen Nachteil auf: die Möglichkeit ihrer Dekompression
und sogar Explosion und die Notwendigkeit einer besonderen Wartung.
Um Dekompression zu verhindern, wird die Ladeschlussspannung erheblich
zur Rückversicherung
verringert, womit die anfängliche
Entladespannung ebenfalls verringert wird. Dies führt seinerseits zu
einer erheblichen Verringerung in der spezifischen Energie des EDL-Kondensators,
die der Differenz zwischen den Quadraten der anfänglichen und abschließenden Entladespannungen
direkt proportional ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
Aufgaben der Erfindung bestehen darin, die spezifische Energie des
Kondensators zu erhöhen
und seine Kosten zu verringern.
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Beide
dieser Aufgaben werden durch die nachstehende Erfindung erreicht.
In Übereinstimmung
mit der Erfindung wird ein Kondensator bereitgestellt, der durch
die Merkmale von Anspruch 1 definiert wird und eine aus einem porösen Kohlenstoffmaterial
hergestellte polarisierbare Elektrode, eine aus einem Material einschließlich Bleisulfat
und Bleidioxid als aktive Komponenten hergestellte polarisierbare
Elektrode und eine wässrige
Lösung
von Schwefelsäure
als Elektrolyt umfasst. Die polarisierbare Kohlenstoffelektrode
ist negativ, und die PbO2/PbSO4-Elektrode
ist positiv.
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Das
bevorzugte Massenverhältnis
des Bleisulfats zu dem Bleidioxid reicht von etwa 0,1 bis 99% bis
etwa 99 bis 0,1%.
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Die
folgende elektrochemische Reaktion findet während der Entladung und Ladung
an der positiven Elektrode statt: PbO2 + HSO4 – +
3H+ + 2e ↔ PbSO4 +
2H2O (1)
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Unter
den verwendeten Arbeitsbedingungen beträgt das maximale Gleichgewichtspotential
dieser umkehrbaren Reaktion im geladenen Zustand etwa 1,8 V.
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Während des
Zyklus wird die EDL an der negativen Elektrode erneut aufgeladen.
Der Lade/Entlade-Prozess der EDL kann wie folgt beschrieben werden: (H+)ad/e
+ HSO4 – ↔ H+ +
(HSO4 –)ad/–e + 2e– (2)
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Hier
bezieht sich die Kennung (H+)ad/e
auf ein Proton, das in der EDL an der negativ geladenen Oberfläche der
Kohlenstoffelektrode adsorbiert ist (für den geladenen Zustand des
Kondensators) und (HSO4 –)ad/–e
auf das Bisulfation, das in der EDL auf der positiv geladenen Oberfläche der
Kohlenstoffelektrode (für
den entladenen Zustand des Kondensators) adsorbiert ist. Bei unseren
Experimenten änderte
sich das Potential der Elektrode in dem Bereich von 0,2 bis 1,0
V gegenüber
der Normalwasserstoffelektrode in der gleichen Lösung.
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Ein
Kombinieren der Reaktionen (1) und (2) ergibt die Gesamtgleichung
der in dem elektrischen Doppelschichtkondensator stattfindenden
elektrochemischen Reaktion, die hier beschrieben wird: PbO2 + 2H2SO4 + (H+)ad/e ↔ PbSO4 + 2H2O + (HSO4 –)ad/–e (3)
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Es
sei bemerkt, dass die aktive Masse der positiven Elektrode sowohl
Bleidioxid als auch Bleisulfat bei jedem beliebigen Grad der Entladung
enthält.
Dies wurde durch die Ergebnisse der chemischen Analyse gezeigt.
Als solches ist im vollständig geladenen
Zustand das tatsächliche
Massenverhältnis
von PbSO4 zu PbO2 im
Allgemeinen nicht niedriger als etwa 0,1% PbSO4 bis
etwa 99% PbO2, während es im vollständig entladenen
Zustand im Allgemeinen nicht höher
als etwa 99% PbSO4 bis etwa 0,1% PbO2 ist.
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Eine
wesentliche Eigenschaft des Kondensators in Übereinstimmung mit der Erfindung
ist die Wirkung der Bleielektrode auf den Oberflächenzustand und die Eigenschaften
der aktivierten Kohlenstoffelektrode. Sie wird durch den Transfer
von Blei von der positiven Elektrode zu der negativen bei 500 bis
2000 mg/cm2 verursacht (wie es durch die
Verfahren von induktiven gekoppeltem Plasma, Atomabsorption und
Spektralanalyse bestimmt wurde). Als Ergebnis steigt die spezifische
Kapazität
der aktivierten Kohlenstoffelektroden um 150 bis 300 F/g an.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist eine Kondensatorzelle oder ein Kondensatorbatterieblock zwischen
den Leistungsdeckeln des Gehäuses
zusammengepresst. Dies verringert erheblich den Innenwiderstand
des Kondensators, insbesondere wenn aus Kohlenstoff, Gewebe oder
Filz hergestellte negative Elektroden verwendet werden, und verhindert
das Abwerfen der aktiven Masse der positiven Elektrode, das eines
der Faktoren ist, die die Zykluslebensdauer von EDL-Kondensatoren
begrenzt.
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Die
oben beschriebenen technologischen Vorgehensweisen liefern einen
bedeutenden Anstieg in der spezifischen Energie des Kondensators,
wobei seine Kosten zur gleichen Zeit verringert werden. Der Anstieg
in der spezifischen Energie wird durch den Anstieg der anfänglichen
Entladespannung bis auf etwa 2,0 bis 2,1 V sowie auch durch einen
50%igen Anstieg in der Leitfähigkeit
des Schwefelsäure-Elektrolyten
verglichen mit einem Alkalischen erreicht. Die Kosten des erfindungsgemäß hergestellten EDL-Kondensators
werden durch die Verwendung der Bleisulfat- und Bleidioxid-Elektrode
verringert, die beträchtlich
billiger als Nickeloxid sind.
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Eines
der Ziele der Erfindung besteht darin, einen vollständig abgedichteten
und wartungsfreien Kondensator bereitzustellen. Dies wird durch
Aufbauen eines Systems in dem Kondensator von untereinander verbundenen
Gasporen in beiden Elektroden und dem Separator erreicht. Die folgenden
technologischen Vorgehensweisen wurden vorgeschlagen:
Das Volumen
des Elektrolyten in dem Kondensator ist niedriger als das gesamte
Porenvolumen in den Elektroden und dem Separator.
Der elektrolytfreie
Anteil des Porenvolumens in den Elektroden und dem Separator liegt
im Bereich von 10 bis 50%.
Der Innenraum des Kondensators befindet
sich unter Unterdruck.
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Die
oben beschriebenen technologischen Vorgehensweisen ermöglichen,
dass der an den positiven Elektroden erzeugte Sauerstoff am Ende
der Ladung und Überladung
vollständig
an der negativen Elektrode konsumiert wird. Die Ionisationsreaktion (Elektroreduktionsreaktion)
wird sowohl durch ihre extrem hohe Polarisation (Ep > 1 V) als auch der
ausgezeichneten katalytischen Leistungsfähigkeit des aktivierten Kohlenstoffs
für diesen
Prozess begünstigt.
Andererseits kann gasförmiger
Wasserstoff, der an der negativen (Kohlenstoff)Elektrode bei Überlast erzeugt
wird, ebenfalls im Prinzip vollständig an der positiven Elektrode
durch Ionisationsreaktion (Elektrooxidationsreaktion) als ein Ergebnis
der extrem hohen Polarisation dieser Reaktion (Ep > 1 V) konsumiert werden.
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Das
Gasporensystem gewährleistet
einen sehr schnellen Transport des gasförmigen Sauerstoffs und Wasserstoffs,
die bei Last und Überlast
erzeugt werden, zu den gegenüberliegenden
Elektroden, bei denen ihre Ionisation stattfindet. Dieser schnelle
Transport in dem Gasporensystem wird durch einen Gasdiffusionskoeffizienten
in der gasförmigen
Phase, der 3 bis 4 Größenordnungen
höher als
die entsprechenden Diffusionskoeffizienten für in einem flüssigen Elektrolyten
aufgelöste
Gase sind, und durch den Filtrationstransportmechanismus, der immer
noch viel schneller als der Diffusionstransportmechanismus ist,
gewährleistet.
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Somit
liefert die hier präsentierte
Erfindung einen Anstieg um das mehrfache in der spezifischen Kapazität und eine
etwa zehnfache Verringerung der Kosten im Vergleich zu dem in der
WO 97/07518 bekannten EDL-Kondensator. Der hier offenbarte Kondensator
ermöglicht
sowohl Reihen- als auch Parallel-Elementverbindungen und somit den
Zusammenbau von verschiedenen Kondensatorbatterien auf seiner Grundlage.
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Außerdem kann
mit der hier beschriebenen Erfindung ein vollständig abgedichteter und wartungsfreier
Kondensator zusammengebaut werden. Wenn die Möglichkeit der Dekompression
ausgeschlossen wird, könnte
der Ladeschlusswert und dadurch die spezifische Energie ansteigen.
Eine abgedichtete Ausgestaltung ermöglicht ebenfalls einen beträchtlichen
Anstieg des Ladestroms und daher eine entsprechende Abnahme in der
Ladedauer, das für
viele praktische Anwendungen kritisch ist. Eine weitere nützliche
Folge der hier vorgeschlagenen technologischen Vorgehensweise, nämlich, dass
der Elektrolyt nur in einem Teil des Porenvolumens der Elektroden
und des Separators gehalten wird und die Abwesenheit von irgendeinem
freien Elektrolyten besteht darin, dass die Leistung und Arbeitseigenschaften
des EDL-Kondensators
unabhängig
von seiner Position im Raumhorizontal, vertikal, etc. – wird.
Aus dem gleichen Grund sollte ein Kondensator normal in Objekten
arbeiten, die sich mit hohen Beschleunigungen bewegen, wie beispielsweise
Kraftfahrzeugen, Flugzeugen, Raumfahrzeugen etc.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 stellt
eine Version eines in Übereinstimmung
mit der Erfindung zusammengebauten Kondensators dar.
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2 stellt
eine weitere Version einer erfindungsgemäßen Kondensatoranordnung dar.
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3 veranschaulicht
die Abhängigkeit
zwischen der Spannung (U) und den Kondensatoranschlüssen und
den Potentialen der negativen (E–) und
positiven (E+) Elektrode der Ladedauer.
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Die
Zahlen in den Figuren kennzeichnen die folgenden Merkmale: 1 – Druckdeckel
des Kondensatorgehäuses; 2 – Isolator; 3 – Metallstromkollektor; 4 – die aus
Graphitfolie hergestellte Stromkollektorschutzschicht; 5 – mit Elektrolyt
getränkte,
negativ polarisierbare poröse
Kohlenstoffelektrode; 6 – mit Elektrolyt getränkter, nicht
leitender Elektronenseparator; 7 – mit Elektrolyt getränkte positive
Elektrode, die aus Bleisulfat und Bleidioxid hergestellt ist; 8 – säurefestes
Dichtungsmittel; 9 – druckfestes
Gehäuse.
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BEISPIELE
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Beispiel 1
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Ein
elektrischer Doppelschichtkondensator (1) umfassend
eine negative Elektrode 5 in der Form von 8 Schichten aus
aktiviertem Kohlenstoffgewebe des TCA-Typs mit jeweils einer spezifischen Oberfläche von
1200 m2/g und einer Dicke von 300 μm; eine 1
mm dicke positive Elektrode 7 mit aktiver Masse, die Bleisulfat
und Bleidioxid enthält,
die in ein Gitter gepresst ist, das aus einer 94% Blei und 5% Antimon
enthaltenen Legierung hergestellt ist; einen porösen Grace-Typ-Separator 6;
einen Druckdeckel des Gehäuses 1;
einen Isolator 2, der Kurzschlüsse zwischen den Kondensatorelektroden
verhindert; aus Stahlblech hergestellte Stromkollektoren 3;
eine aus Graphitfolie hergestellte korrosionsfeste Schicht 4 der
Stromkollektoren; ein säurefestes
Dichtungsmittel 8; und ein druckfestes Gehäuses 9.
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Gemäß der chemischen
Analyse enthielt die aktive Masse der positiven Elektrode im entladenen Zustand
91,2% PbSO4 und 4,6% PbO2,
während
sie im geladenen Zustand 3,2% PbSO4 und
92,8% PbO2 enthielt. Daher lag das Massenverhältnis des
Bleisulfats und Bleidioxids im Bereich von 95,2% bis 3,3% (bei diesen
Berechnungen wurde die Gesamtmasse von PbSO4 und
PbO2 als 100% angenommen). Bei 50%iger Entladung
betrug das obige Verhältnis 45,95%.
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Im
entladenen Zustand werden die porösen Elektroden und der Separator
mit Elektrolyt, einer wässrigen
Lösung
von Schwefelsäure
mit einer Dichte von 1,1 g/cm3, getränkt. Beide
Elektroden sind plattenförmig
mit Abmessungen von 76 × 74
mm. Der Kompressionsdruck an den Elektroden und dem Separator zwischen
den Gehäusewänden beträgt 10 kg/cm2. Der Elektrolyt wurde lediglich in den
Poren der Elektroden und dem Separator gehalten. Die durch Wiegen
gemessenen Werte der elektrolytenfreien Abschnitte des Porenvolumens
betrugen 36% für
die negative Elektrode, 21% für
die positive Elektrode und 11,5% für den Separator.
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Während des
Testens wurden die folgenden Werte erhalten: Maximalspannung 2,1
V; spezifische Energie 56,2 Wh/l (für einen Entladestrom von 0,5
A); Anzahl von Lade-Entladezyklen 6800 (die Tests wurden nach Erreichen
dieses Werts fortgesetzt); Innenwiderstand 5,8 mΩ; Ladedauer 16 min; maximaler zusätzlicher
Gasdruck in dem Gehäuse
0,01 atm.
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Beispiel 2
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Ein
elektrischer Doppelschichtkondensator (2), der
sich von dem in Beispiel 1 (1) beschriebenen
Kondensator dadurch unterscheidet, dass in diesem Fall zwei negative
Elektroden benutzt wurden, die jeweils aus 4 Schichten von aktivierten TCA-Typ-Kohlenstoffgewebe
(mit spezifischer Oberfläche
1200 m2/g und Schichtdicke 300 μm) hergestellt
wurden, wurden an beiden Seiten der positiven Elektrode positioniert
und untereinander verbunden. Die positive nicht polarisierbare Elektrode 7 bestand aus
einem Gitter, das aus einer 94% Blei und 5% Antimon enthaltenden
Legierung hergestellt wurde. Eine Paste, die aus 83% aktiver Masse
und 17% Polytetrafluorethylen besteh, wurde in den Gitteröffnungen
angebracht. Gemäß der chemischen
Analyse betrug das Massenverhältnis
des Bleisulfats und des Bleidioxids beim Zusammenbau im entladenen
Zustand 95,8%. Bei vollständig
geladenem Zustand betrug das gleiche Verhältnis 5,6%, und bei 50%iger Entladung – 45,1%
(bei diesen Berechnungen wurde die Gesamtmasse des PbSO4 und
PbO2 als 100% genommen). Ein Grace-Typ-Separator 6 wurde
benutzt. Stromkollektoren 3 wurden aus rostfreiem Stahlblech
hergestellt. Die korrosionsbeständige Schutzschicht 4 der
Stromkollektoren wurde aus nicht porösem, 0,3 mm dicken, graphitbasierten
Kohlenstoffmaterial hergestellt. Beide Elektroden waren plattenförmig mit
Abmessungen von 76 × 74
mm. Ein Schwefelsäure-Elektrolyt
mit einer Anfangsdichte von 1,1 g/cm2 (beim
entladenen Zustand des Kondensators) wurde bei diesem Beispiel verwendet. Der
Kompressionsdruck von 10 kg/cm2 wurde an
den Elektroden benutzt. Der Elektrolyt war lediglich in den Poren
der Elektroden und des Separators enthalten. Die Werte der durch
Wiegen gemessenen elektrolytenfreien Teile des Porenvolumens betrugen
29% für die
negative Elektrode, 19% für
die positive Elektrode und 10,5% für den Separator.
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3 veranschaulicht
die Abhängigkeit
zwischen der Spannung (U) an den Kondensatoranschlüssen und
den Potentialen der negativen (E–) und
positiven (E+) Elektrode (als Funktion der
Normalwasserstoffelektroden in der gleichen Lösung) der Entladedauer. Die
gezeigten Entladekurven wurden bei einer Temperatur von 20°C und einem
Strom von 0,5 A gemessen.
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Folgende
Schlussfolgerungen können
aus der beschriebenen Zeichnung gezogen werden: 1) das Potential
der positiven Elektrode zeigt lediglich eine unbedeutende Verringerung
während
des Entladeprozesses; 2) das Potential der negativen Elektrode steigt
fast linear während
des Prozesses an; 3) als Ergebnis ist die Entladekurve in dem Spannungsbereich
unter 1,8 V fast linear, was für
Kondensatoren charakteristisch ist; 4) die Maximalspannung (Umax) beträgt
ungefähr
2,1 V.
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Da
die Oxidationsrate der Kohlenstoffelektroden bei Potentialen höher als
1 V beträchtlich
ist, wird die Minimalentladespannung Umin erreicht,
wenn (E–)max = 1,0 V ist. In 3 ist ersichtlich,
dass für
den in Frage kommenden Kondensator Umin =
0,7 V ist.
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Die
folgenden Ergebnisse wurden während des
Testens erhalten: spezifische Energie 58,9 Wh/l (für einen
0,5 A Entladestrom); Anzahl von Lade-Entladezyklen 6800 (die Tests wurden
fortgesetzt, nachdem dieser Wert erreicht wurde); Innenwiderstand 5,1
mΩ; Ladedauer
15 min; maximaler zusätzlicher Gasdruck
in dem Gehäuse
0,008 atm.
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Der
erfindungsgemäße Kondensator
weist eine Anzahl von wesentlichen Vorteilen gegenüber dem
in der WO 97/07518 beschriebenen Kondensator auf:
Einen beträchtlich
höheren
Wert der maximalen Entladespannung Umax =
2,1 V verglichen mit 1,4 V für den
Prototyp. Aufgrund der quadratischen Abhängigkeit der Kondensatorleistung
(W) von der Spannung W
= (C/2)[(Umax)2 – (Umin)2] (4)wobei C die
Kapazität
ist, führt
ein derartiger Gewinn in der Spannung zu einem wesentlich höheren Gewinn
in der spezifischer Energie.
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Da
die Leitfähigkeit
des Schwefelsäure-Elektrolyten
viel höher
als die des Alkalinen ist, führt
dies zu einem zusätzlichen
Gewinn in den spezifischen Eigenschaften im Vergleich zu dem Prototyp.
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Die
spezifische Energie des Kondensators in Übereinstimmung mit der Erfindung,
wie aus 3 berechnet, beträgt 58,9
Wh/l. Die spezifische Energie der in dem US-Patent Nr. 4,313,084 und dem US-Patent
Nr. 4,562,511 beschriebenen Elektroden überschreitet nicht 2 Wh/l.
Der Vergleich zwischen den beiden Arten von EDL-Kondensatoren offenbart
eindeutig, dass die spezifische Energie des erfindungsgemäßen EDL-Kondensators
mehrere Male höher als
die eines herkömmlichen
EDL-Kondensators ist, der gemäß diesen
Patenten des Stands der Technik zusammengebaut ist. Dies ist hauptsächlich auf
zwei Gründe
zurückzuführen:
einen
wesentlich höheren
maximalen Spannungswert Umax für den Kondensator
verglichen mit den Elektroden des Stands der Technik; und
die
faktische Unabhängigkeit
des positiven Elektrodenpotentials von der Entladedauer.
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Verglichen
mit der in dem japanischen Patent, angenommene Anmeldung, Nr. 2-11008,
beschriebenen Elektrode zeigte der erfindungsgemäße Kondensator einen Lade-Entladestrom so hoch
wie etwa 100 mA/cm2 bei ausreichend hoher
spezifischer Kapazität,
während
die bereits erreichte Zykluslebensdauer gleich 6800 Zyklen ist.
Diese Werte sind beträchtlich
höher als
die entsprechenden Werte für den
Kondensator des Stands der Technik.
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Der
erfindungsgemäße Kondensator
liefert verschiedene Vorteile gegenüber den in PCT/RU97/00353 und
PCT/RU97/00411 beschriebenen Kondensatoren:
Die Hinzufügung von
kleinen Mengen von Blei zu der polarisierbaren Elektrode erhöht beträchtlich
ihre Kapazität
und spezifische Energie als ein Ergebnis des Anstiegs in der Arbeitsoberfläche der
Elektrode aufgrund einer gesteigerten Hydrophilisation des Kohlenstoffs.
Der
erfindungsgemäße Kondensator
ist wesentlich (etwa um 30 bis 60%) billiger. Dies kann ohne weiteres
erläutert
werden, wobei berücksichtigt
wird, dass längere
Zeit und daher ein großer
Energieverbrauch benötigt
wird, um reine aktive Verbindungen zu erhalten (PbO2 oder
PbSO4, wie es gemäß den Erfindungen PCT/RU97/00353
bzw. PCT/RU97/00411 erforderlich ist). Die Erfindung stellt PbO2, PbSO4 und PbO
als aktive Komponenten der nicht polarisierbaren Elektrode in ihrem
gemeinsamen Gehäuse
bereit, was keine Verschlechterung in der Leistung des Kondensators
verursacht.
Die Hinzufügung
einer kleinen Menge von Bleioxid (PbO) modifiziert die Struktur
der positiven Elektrode, wobei die Verschlechterung der Elektrode
während des
Zyklus bei moderaten und hohen Strömen minimiert wird. Die Umkehrbarkeit
beider chemischer Reaktionen und Änderungen in der Porenstruktur
sind für
eine ideale Leistung eines Kondensators während des Lade/Entlade-Prozesses
erforderlich. Tatsächlich
verschlechtert sich die Porenstruktur allmählich mit dem Zyklus. Dies
führt zu
einer Abnahme in der Kapazität
der Elektrode und in der Kapazität
und spezifischen Energie des Kondensators als ein Ganzes. Verschlechterungsprozesse
werden bei nicht sehr niedrigen Strömen durch Hinzufügung von
kleinen Mengen von PbO2 verlangsamt. Als
Ergebnis erhöht sich
die Zyklusfestigkeit um 20 bis 30%. Bei einer gleichen Anzahl von
Zyklen steigt die spezifische Energie an.
Die Hinzufügung von
kleinen Mengen von Bleiphospat Pb3(PO4)2 zu der nicht
polarisierbaren aktiven Masse der Elektrode verringert die Sulfatation
und die Rinnenbildung (gutting) der letzteren, womit die Zyklusfestigkeit
des Kondensators um 20 bis 50% erhöht wird.
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Industrielle Anwendungen
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Ein
erfindungsgemäßer Kondensator
liefert eine spezifische Energie, die mehrere Male höher als die
des bekannten EDL-Kondensator gemäß WO 97/07518 ist (58,9 Wh/l
verglichen mit 12,5 Wh/l) und sorgt für Kosten, die ungefähr zehnmal
niedriger sind. Der erfindungsgemäße Kondensator ermöglicht serielle
und parallele Verbindungen von Elementen und das Zusammenbauen von
unterschiedlichen Kombinationen von Kondensatorbatterien. Dieser Kondensator
weist einen bedeutenden Vorteil auf, indem er abgedichtet und wartungsfrei
ist. Die Leistung und Eigenschaften des Kondensators werden nicht durch
seine Position im Raum, d.h. ob er horizontal, vertikal etc. positioniert
ist, beeinflusst. Es wird ebenfalls erwartet, dass der erfindungsgemäße Kondensator
normal arbeitet, wenn er sich mit hohen Beschleunigungen, wie beispielsweise
in Kraftfahrzeugen, Flugzeugen, Raumfahrzeugen, etc., bewegt.