EA043714B1

EA043714B1 - ELECTROCHEMICAL DEVICE FOR ENERGY STORAGE

Info

Publication number: EA043714B1
Application number: EA202191493
Authority: EA
Inventors: Алексей Иванович Беляков; Нэля Васильевна Ходыревская; Михаил Серафимович Звягинцев
Original assignee: Гейзер; Бэттериз Оу
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2023-06-15

Description

Область техникиField of technology

Изобретение относится к электротехнике, в частности - к конструкции электрохимического устройства, аккумулирующего электрическую энергию, и может быть использовано в современной энергетике, например в устройствах, аккумулирующих энергию рекуперативного торможения на транспорте, в качестве тяговых батарей для электротранспорта (электромобилях, гибридных электромобилях), в системах аварийного энергоснабжения при работе в режиме постоянного или компенсационного подзаряда.The invention relates to electrical engineering, in particular to the design of an electrochemical device that accumulates electrical energy, and can be used in modern energy, for example, in devices that accumulate regenerative braking energy in transport, as traction batteries for electric vehicles (electric vehicles, hybrid electric vehicles), in emergency power supply systems when operating in constant or compensatory charging mode.

Предшествующий уровень техникиPrior Art

Известно электрохимическое устройство для накопления энергии, включающее корпус, установленные в нем два углеродных электрода, размещенный между ними сепаратор, пропитанные водным галогенидным электролитом, и коллекторы (патент USA № 8599534).An electrochemical device for energy storage is known, including a housing, two carbon electrodes installed in it, a separator placed between them, impregnated with an aqueous halide electrolyte, and collectors (USA patent No. 8599534).

Известное устройство обладает несколькими недостатками, а именно:The known device has several disadvantages, namely:

узкие функциональные возможности для накопления энергии и может быть использовано только в качестве гибридного суперконденсатора;narrow functionality for energy storage and can only be used as a hybrid supercapacitor;

не может работать как химический источник тока с высокой удельной энергией, так как фарадеевская реакция протекает только на одном из электродов;cannot work as a chemical current source with high specific energy, since the Faraday reaction occurs only on one of the electrodes;

не может работать как химический источник тока с высокой удельной энергией, так как запас активного реагента внутри элемента - брома (Br) - недостаточно высок - менее 5 моль/л (в примерах 1-3 М), и эксплуатационное напряжение электрохимической пары не превышает 1,0 В;cannot work as a chemical current source with high specific energy, since the reserve of the active reagent inside the element - bromine (Br) - is not high enough - less than 5 mol/l (in examples 1-3 M), and the operating voltage of the electrochemical pair does not exceed 1 .0 V;

оба электрода пропитаны одним и тем же электролитом, а интенсивное расходование его на одном из электродов вызывает ионное голодание в зоне работы этого электрода и диффузные затруднения, так как в конструкции используется ионообменная мембрана, проводящая только катионы (Na⁺), всегда имеющая высокое ионное сопротивление.both electrodes are impregnated with the same electrolyte, and intensive consumption of it on one of the electrodes causes ion starvation in the area of operation of this electrode and diffusion difficulties, since the design uses an ion-exchange membrane that conducts only cations (Na ⁺ ), always having a high ionic resistance .

Поэтому этот электрохимический конденсатор не может работать и как высокоциклируемый высокомощный конденсатор с двойным электрическим слоем.Therefore, this electrochemical capacitor cannot work as a high-cycling, high-power electrical double layer capacitor.

Известно высокомощное электрохимическое устройство для накопления энергии конденсаторного типа, включающее корпус, установленную в нем по крайней мере пару углеродных электродов, сепаратор, разделяющий эти электроды, пропитанные водным электролитом, и коллекторы (патент РФ № 2140680).A high-power electrochemical device for storing capacitor-type energy is known, including a housing, at least a pair of carbon electrodes installed in it, a separator separating these electrodes impregnated with an aqueous electrolyte, and collectors (RF patent No. 2140680).

Недостатком конденсатора является низкая энергоемкость, так как электроды из углеродных материалов при работе с водным электролитом (гидроокись натрия или гидроокись калия) имеют реальную величину рабочего напряжения около 1,0 В, а энергоемкость конденсатора, которая зависит от квадрата рабочего напряжения, ограничена напряжением разложения электролита и электростатической емкостью двойного электрического слоя, зависящей от удельной поверхности углеродов.The disadvantage of the capacitor is its low energy intensity, since electrodes made of carbon materials when working with an aqueous electrolyte (sodium hydroxide or potassium hydroxide) have a real operating voltage of about 1.0 V, and the energy intensity of the capacitor, which depends on the square of the operating voltage, is limited by the decomposition voltage of the electrolyte and the electrostatic capacitance of the electrical double layer, which depends on the specific surface area of the carbons.

Поэтому для увеличения удельной энергии конденсаторов с двойным электрическим слоем (КДЭС) приходится использовать дорогие и токсические органические электролиты на основе ацетонитрила (2,7В) и специальные углеродные материалы с высокой удельной поверхностью.Therefore, to increase the specific energy of electric double layer capacitors (EDL), it is necessary to use expensive and toxic organic electrolytes based on acetonitrile (2.7 V) and special carbon materials with a high specific surface area.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является электрохимическое устройство для накопления энергии, включающее корпус, установленные в нем два углеродных электрода, размещенный между ними сепаратор, пропитанные водным галогенидным элекролитом, при этом один электрод пропитан водным раствором с концентрацией не менее 38% галогенидов элементов первой, или второй, или третьей главных подгрупп периодической системы, или их смесью, а второй электрод - водным раствором с концентрацией 1-80% галогенидов элементов второй, или третьей группы побочных подгрупп периодической системы, или смесью, при этом в качестве электролита первого электрода использован водный раствор бромида натрия, или бромида лития, или их смеси, а в качестве электролита, пропитывающего второй электрод, использован водный раствор бромида цинка, или бромида кадмия, или их смеси (патент РФ № 2605911).The closest in technical essence and achieved result to the proposed one is an electrochemical device for energy storage, including a housing, two carbon electrodes installed in it, a separator placed between them, impregnated with an aqueous halide electrolyte, with one electrode impregnated with an aqueous solution with a concentration of at least 38% halides of elements of the first, or second, or third main subgroups of the periodic system, or a mixture thereof, and the second electrode - an aqueous solution with a concentration of 1-80% halides of elements of the second, or third group of secondary subgroups of the periodic system, or a mixture, while serving as an electrolyte The first electrode uses an aqueous solution of sodium bromide, or lithium bromide, or a mixture thereof, and an aqueous solution of zinc bromide, or cadmium bromide, or a mixture thereof is used as the electrolyte impregnating the second electrode (RF patent No. 2605911).

Использование в электрохимическом устройстве для накопления энергии разных электролитов на разных электродах обеспечивает работу в различных режимах, что дает возможность устройству работать в качестве химического источника тока, гибридного ассиметричного конденсатора и конденсатора с двойным электрическим слоем.The use of different electrolytes on different electrodes in an electrochemical energy storage device allows operation in different modes, which enables the device to operate as a chemical current source, a hybrid asymmetric capacitor and an electrical double layer capacitor.

Однако существенным недостатком этой системы является то, что в процессе хранения и эксплуатации происходит значительное изменение концентраций электролитов на поверхности разнополярных электродов за счет естественного выравнивания концентраций компонентов электролитов в общем объеме элемента.However, a significant disadvantage of this system is that during storage and operation there is a significant change in the concentrations of electrolytes on the surface of different-polar electrodes due to the natural equalization of the concentrations of electrolyte components in the total volume of the cell.

То есть, если в начале на положительном электроде был 50% раствор бромида лития, а на отрицательном - 50% раствор бромида цинка, то через некоторое время в зависимости от температуры и интенсивности эксплуатации концентрации ионов цинка и лития стихийным, неконтролируемым образом изменятся.That is, if at the beginning there was a 50% solution of lithium bromide on the positive electrode, and a 50% solution of zinc bromide on the negative electrode, then after some time, depending on the temperature and intensity of operation, the concentrations of zinc and lithium ions will spontaneously, uncontrollably change.

Элемент такого электрохимического устройства может не соответствовать какому-то из критериев накопления заряда конденсатора с двойным электрическим слоем (КДЭС), гибридного электрохимического конденсатора, химического источника тока (ХИТ).An element of such an electrochemical device may not meet any of the charge accumulation criteria of an electric double layer capacitor (DEL), a hybrid electrochemical capacitor, or a chemical current source (CHS).

Кроме того, в последовательной цепи элементов (например, КДЭС) скорость изменения поверхно- 1 043714 стных концентраций ионогенов будет разной, что приведет к разбалансу элементов по емкости и внутреннему сопротивлению и выходу из строя последовательной цепи по слабому элементу.In addition, in a series chain of elements (for example, KDES), the rate of change in the surface concentrations of ionogens will be different, which will lead to an imbalance of the elements in capacity and internal resistance and failure of the series circuit for the weak element.

Таким образом, пропитка положительных и отрицательных электродов в разных растворах может привести к снижению работоспособности и ненадежности срабатывания такого электрохимического устройства.Thus, impregnation of positive and negative electrodes in different solutions can lead to decreased performance and unreliable operation of such an electrochemical device.

Раскрытие сущности предлагаемого изобретенияDisclosure of the proposed invention

Техническим результатом, решаемым предлагаемым изобретением, является создание конструкции электрохимического устройства для накопления энергии, обеспечивающей стабильность работы устройства за счет устойчивого сохранения заданной концентрации компонентов электролита на электродах и повышение срока службы в различных режимахThe technical result solved by the proposed invention is the creation of a design for an electrochemical device for energy storage that ensures stable operation of the device by steadily maintaining a given concentration of electrolyte components on the electrodes and increasing service life in various modes

Технический результат в предлагаемом изобретении достигают созданием электрохимического устройства для накопления энергии, включающего корпус, установленные в нем два углеродных электрода, размещенный между ними сепаратор, пропитанные электролитом, и коллекторы, в котором, согласно изобретению, в качестве электролита использован концентрированный раствор с концентрацией солей 25-65%, катионы которых образованы из смеси элементов первой, или второй, или третьей, или четвертой групп главных подгрупп, или их смесями в любой комбинации групп, главных и побочных подгрупп, а анионы или полианионы образованы из элементов седьмой группы главной подгруппы периодической системы.The technical result in the proposed invention is achieved by creating an electrochemical device for energy storage, including a housing, two carbon electrodes installed in it, a separator placed between them, impregnated with an electrolyte, and collectors, in which, according to the invention, a concentrated solution with a salt concentration of 25 is used as an electrolyte -65%, the cations of which are formed from a mixture of elements of the first, or second, or third, or fourth groups of the main subgroups, or their mixtures in any combination of groups, main and secondary subgroups, and the anions or polyanions are formed from the elements of the seventh group of the main subgroup of the periodic system .

За счет подбора в электролите катионов, анионов или полианионов обеспечивается устойчивость заданной концентрации электролита без снижения концентрации катионов и анионов на протяжении всего периода эксплуатации электрохимического устройства и повышается его срок службы.By selecting cations, anions or polyanions in the electrolyte, the stability of the given electrolyte concentration is ensured without reducing the concentration of cations and anions throughout the entire period of operation of the electrochemical device and its service life is increased.

Кроме того, оптимальная концентрация катионов, анионов или полианионов повышает потенциал заряжения и удельную энергию в анодной и катодной областях электрохимического устройства при хорошей проводимости концентрированного водного раствора электролита, обеспечивающего высокую мощность и возможность эксплуатации устройства в режиме КДЭС, гибридного конденсатора или ХИТ.In addition, the optimal concentration of cations, anions or polyanions increases the charging potential and specific energy in the anodic and cathodic regions of the electrochemical device with good conductivity of a concentrated aqueous electrolyte solution, providing high power and the ability to operate the device in the CDES, hybrid capacitor or HIT mode.

Согласно некоторым вариантам реализации раствор электролита представляет собой водный раствор.In some embodiments, the electrolyte solution is an aqueous solution.

Ввиду того, что в устройстве с указанными электродами могут использоваться как водные, так и неводные электролиты, предпочтительным является использование (высокопроводящих) водных растворов неорганических солей.Since both aqueous and non-aqueous electrolytes can be used in a device with these electrodes, it is preferable to use (highly conductive) aqueous solutions of inorganic salts.

Растворимость применяемых солей в водном растворителе на порядок выше таковой в промышленно-применяемых в настоящее время органических растворителях. А высокая концентрация солей является гарантом надежной эксплуатации устройства в режиме ХИТ.The solubility of the salts used in an aqueous solvent is an order of magnitude higher than that in currently industrially used organic solvents. And the high concentration of salts guarantees reliable operation of the device in HIT mode.

Изготовление электрохимического устройства с водным электролитом не требует специального оборудования, сухих помещений, устройство технологично при изготовлении, менее энергозатратно и безопасно при эксплуатации.The manufacture of an electrochemical device with an aqueous electrolyte does not require special equipment or dry premises; the device is technologically advanced in production, less energy-consuming and safe in operation.

Согласно некоторым вариантам реализации в качестве электролита использован водный раствор бромидов лития, натрия и кадмия, что позволяет изготовить электрохимическое устройство с рабочим диапазоном напряжений элемента от 1,0 до 1,6 В.According to some embodiments, an aqueous solution of lithium, sodium and cadmium bromides is used as an electrolyte, which makes it possible to produce an electrochemical device with an operating cell voltage range from 1.0 to 1.6 V.

Согласно некоторым вариантам реализации в качестве электролита использован водный раствор бромидов кальция, натрия и кадмия, что позволяет изготовить электрохимическое устройство с рабочим диапазоном напряжений элемента от 1,0 до 1,7 В.According to some embodiments, an aqueous solution of calcium, sodium and cadmium bromides is used as an electrolyte, which makes it possible to produce an electrochemical device with an operating cell voltage range from 1.0 to 1.7 V.

Использование бромида кальция позволит снизить себестоимость электрохимического устройства.The use of calcium bromide will reduce the cost of the electrochemical device.

Согласно некоторым вариантам реализации в качестве электролита использован водный раствор бромидов цинка, кальция и натрия. Использование бромидов цинка позволяет увеличить диапазон рабочего напряжения элемента до 1,9 В.In some embodiments, an aqueous solution of zinc, calcium, and sodium bromides is used as the electrolyte. The use of zinc bromides makes it possible to increase the operating voltage range of the element to 1.9 V.

Согласно некоторым вариантам реализации в качестве электролита использован водный раствор бромидов лития, натрия и свинца, что позволяет изготовить электрохимическое устройство с рабочим диапазоном напряжений элемента от 1,0 до 1,6 В из широкодоступных материалов.According to some embodiments, an aqueous solution of lithium, sodium and lead bromides is used as the electrolyte, which makes it possible to manufacture an electrochemical device with an operating cell voltage range from 1.0 to 1.6 V from widely available materials.

Согласно некоторым вариантам реализации в качестве электролита использован водный раствор бромидов лития, натрия и индия, что позволяет изготовить электрохимическое устройство с рабочим диапазоном напряжений элемента от 1,0 до 1,65 В.According to some embodiments, an aqueous solution of lithium, sodium and indium bromides is used as an electrolyte, which makes it possible to produce an electrochemical device with an operating cell voltage range from 1.0 to 1.65 V.

Применение предлагаемых вариантов электролитов с использованием водных растворов бромидов с концентрацией 25-65% обеспечивает создание достаточного запаса реагента для осуществления электрохимической реакции на поверхности углерода в катодной и анодной областях потенциалов.The use of the proposed electrolyte options using aqueous solutions of bromide with a concentration of 25-65% ensures the creation of a sufficient supply of reagent to carry out an electrochemical reaction on the carbon surface in the cathode and anodic potential regions.

Использование в электролите разных вариантов катионов, образованных из смеси элементов первой, или второй, или третьей, или четвертой групп главных подгрупп, или их смесями в любой комбинации групп, главных и побочных подгрупп, а анионов или полианионов, образованных из элементов седьмой группы главной подгруппы периодической системы и подбирая концентрацию этих элементов, дает возможность проектирования и изготовления электрохимических устройств, индивидуально исходя из требований заказчика.The use in the electrolyte of different variants of cations formed from a mixture of elements of the first, or second, or third, or fourth groups of the main subgroups, or their mixtures in any combination of groups, main and secondary subgroups, and anions or polyanions formed from the elements of the seventh group of the main subgroup periodic system and selecting the concentration of these elements, makes it possible to design and manufacture electrochemical devices, individually based on customer requirements.

Согласно некоторым вариантам реализации в качестве сепаратора использована набухающая мем- 2 043714 брана, обеспечивающая ионный транспорт для всех видов ионов, находящихся в растворе. Это позволяет увеличить электрические характеристики и срок службы устройства за счет достаточного запаса многокомпонентного электролита в сепараторе.According to some embodiments, a swelling membrane is used as a separator, providing ion transport for all types of ions in solution. This allows you to increase the electrical characteristics and service life of the device due to a sufficient supply of multicomponent electrolyte in the separator.

Согласно некоторым вариантам реализации раствор электролита представляет собой неводный раствор для повышения рабочего напряжения до 2,5 В на элемент.In some embodiments, the electrolyte solution is a non-aqueous solution to increase the operating voltage to 2.5 V per cell.

За счет подбора в электролите катионов и анионов или полианионов из смеси элементов групп, главных и побочных подгрупп периодической системы обеспечивается оптимальная и стабильная концентрация электролита за счет исключения снижения катионов и анионов на электродах при эксплуатации электрохимического устройства.By selecting cations and anions or polyanions in the electrolyte from a mixture of elements of groups, main and secondary subgroups of the periodic system, an optimal and stable electrolyte concentration is ensured by eliminating the reduction of cations and anions on the electrodes during operation of the electrochemical device.

Это повышает срок службы устройства и стабильность работы в различных режимах в условиях использования его в транспортном средстве (электромобиле, гибридном электромобиле и т.п.) одновременно в качестве конденсатора с ДЭС для пуска двигателя внутреннего сгорания, в качестве гибридного электрохимического конденсатора для разгона транспортного средства и в качестве ХИТ при движении и длительного обгона.This increases the service life of the device and stability of operation in various modes when used in a vehicle (electric vehicle, hybrid electric vehicle, etc.) simultaneously as a capacitor with a diesel engine for starting an internal combustion engine, as a hybrid electrochemical capacitor for accelerating a vehicle and as a HIT when driving and long overtaking.

Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения, не выявлено, что позволяет сделать вывод о его соответствии такому условию патентоспособности, как новизна.No technical solutions that coincide with the set of essential features of the claimed invention have been identified, which allows us to conclude that it complies with such a patentability condition as novelty.

Заявляемые существенные признаки заявляемого изобретения, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод об их соответствии такому условию патентоспособности, как изобретательский уровень.The claimed essential features of the claimed invention, which predetermine the receipt of the specified technical result, do not clearly follow from the level of technology, which allows us to conclude that they comply with such a condition of patentability as inventive step.

Раскрытие графических материаловDisclosure of graphic materials

Сущность заявляемого электрохимического устройства для накопления энергии поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где:The essence of the proposed electrochemical device for energy storage is illustrated by the following description and drawings, where:

на фиг. 1 изображен схематический вид электрохимического устройства;in fig. 1 shows a schematic view of an electrochemical device;

на фиг. 2 показана зарядно-разрядная кривая для данного устройства при постоянном токе.in fig. Figure 2 shows the charge-discharge curve for this device at constant current.

Лучший вариант исполнения, предлагаемого электрохимического устройства для накопления энергииThe best embodiment of the proposed electrochemical energy storage device

Электрохимическое устройство для накопления энергии имеет разнополярные электроды 1, 2, выполненные из углеродного материала, ионопроницаемый сепаратор 3, разделяющий электроды, пропитанные электролитом, и коллекторы 4.An electrochemical device for energy storage has multi-polar electrodes 1, 2 made of carbon material, an ion-permeable separator 3 separating electrodes impregnated with electrolyte, and collectors 4.

Внутренние элементы устройства помещены в корпус 5 (фиг. 1).The internal elements of the device are placed in housing 5 (Fig. 1).

В качестве ионопроницаемого сепаратора 3 может быть использована набухающая мембрана.A swelling membrane can be used as an ion-permeable separator 3.

В зависимости от технологических возможностей и технических задач набухающая мембрана может быть выполнена из целлюлозы, или бумаги, или из минеральных волокон со связующим, или в виде пористой полиэтиленовой или полипропиленовой пленки.Depending on the technological capabilities and technical tasks, the swelling membrane can be made of cellulose or paper, or of mineral fibers with a binder, or in the form of a porous polyethylene or polypropylene film.

В зависимости от технологических возможностей в качестве электролита использован раствор с концентрацией солей 25-65%, катионы которых образованы из элементов первой, или второй, или третьей, или четвертой групп главных подгрупп, или их смесями в любой комбинации групп, главных и побочных подгрупп, а анионы или полианионы образованы из элементов седьмой группы главной подгруппы периодической системы.Depending on the technological capabilities, a solution with a salt concentration of 25-65% is used as an electrolyte, the cations of which are formed from elements of the first, or second, or third, or fourth groups of the main subgroups, or their mixtures in any combination of groups, main and secondary subgroups, and anions or polyanions are formed from elements of the seventh group of the main subgroup of the periodic table.

Электролит может представлять собой водный раствор бромидов кальция, натрия и кадмия или бромидов лития, натрия и кадмия, или водный раствор бромидов цинка, кальция и натрия, или водный раствор бромидов лития, натрия и свинца, или водный раствор бромидов лития, натрия и индия.The electrolyte may be an aqueous solution of calcium, sodium and cadmium bromides or lithium, sodium and cadmium bromides, or an aqueous solution of zinc, calcium and sodium bromides, or an aqueous solution of lithium, sodium and lead bromides, or an aqueous solution of lithium, sodium and indium bromides.

Пример 1.Example 1.

Устройство имеет разнополярные электроды 1, 2 из углеродного материала, представляющие собой карточки размером 123x143 мм, вырезанные из углеволокнистого тканого материала типа Бусофит Т-1. Толщина положительного 1 и отрицательного 2 электродов 200 мкм.The device has multi-polar electrodes 1, 2 made of carbon material, which are cards measuring 123x143 mm, cut from carbon fiber woven material of the Busofit T-1 type. The thickness of positive 1 and negative 2 electrodes is 200 microns.

В качестве коллектора 4 тока берут биполярный коллектор размером 160x140 мм, выполненный из токопроводящей пленки Coveris Advanced Coatings толщиной 100 мкм.As a 4 current collector, take a bipolar collector measuring 160x140 mm, made of conductive film Coveris Advanced Coatings with a thickness of 100 microns.

Коллектор 4 по контуру покрыт слоем герметика. Сепаратор 3 размером 155x135 мм выполнен в виде бумаги из минеральных волокон со связующим типа Бахит с порами размером менее 5 мкм.The collector 4 is covered along the contour with a layer of sealant. Separator 3, 155x135 mm in size, is made in the form of paper made of mineral fibers with a Bakhit type binder with pores less than 5 microns in size.

Электроды 1, 2 и сепаратор 3 пропитаны электролитом в виде водного раствора бромидов лития - 16%, натрия - 16% и кадмия - 20%.Electrodes 1, 2 and separator 3 are impregnated with an electrolyte in the form of an aqueous solution of lithium bromide - 16%, sodium - 16% and cadmium - 20%.

Электрохимическое устройство для накопления энергии оптимизировано в качестве конденсатора с двойным электрическим слоем (КДЭС), гибридного электрохимического конденсатора, химического источника тока (ХИТ).The electrochemical energy storage device is optimized as an electric double layer capacitor (ELC), a hybrid electrochemical capacitor, and a chemical current source (CHS).

Характеристики электрохимического устройства представлены в таблице.The characteristics of the electrochemical device are presented in the table.

Пример 2.Example 2.

Электрохимическое устройство по конструкции и технологии выполнено аналогично примеру 1, отличается тем, что электроды и сепаратор пропитаны электролитом в виде водного раствора бромидов кальция - 16%, натрия - 16% и кадмия - 20%.The electrochemical device is similar in design and technology to example 1, differing in that the electrodes and separator are impregnated with an electrolyte in the form of an aqueous solution of calcium bromides - 16%, sodium - 16% and cadmium - 20%.

- 3 043714- 3 043714

Пример 3.Example 3.

Электрохимическое устройство по конструкции и технологии выполнено аналогично примеру 1, отличается тем, что электроды и сепаратор пропитаны в электролите в виде водного раствора бромидов лития - 16%, натрия - 16% и цинка - 20%.The electrochemical device in design and technology is similar to example 1, differs in that the electrodes and separator are impregnated in an electrolyte in the form of an aqueous solution of lithium bromides - 16%, sodium - 16% and zinc - 20%.

Пример 4.Example 4.

Электрохимическое устройство по конструкции и технологии выполнено аналогично примеру 1, отличается тем, что в качестве сепаратора использована мембрана из полипропилена (Celgard), а электроды и сепаратор пропитаны в электролите в виде водного раствора бромидов лития - 16%, натрия - 16% и индия - 10%.The electrochemical device is similar in design and technology to example 1, differs in that a polypropylene membrane (Celgard) is used as a separator, and the electrodes and separator are impregnated in an electrolyte in the form of an aqueous solution of lithium bromides - 16%, sodium - 16% and indium - 10%.

Пример 5.Example 5.

Электрохимическое устройство по конструкции и технологии выполнено аналогично примеру 1, отличается тем, что в качестве сепаратора 3 использована мембрана из полипропилена (Celgard), a электроды и сепаратор пропитаны в электролите в виде водного раствора бромидов лития - 12%, натрия - 12% и свинца - 2,3%.The electrochemical device is similar in design and technology to example 1, differs in that a polypropylene membrane (Celgard) is used as a separator 3, and the electrodes and separator are impregnated in an electrolyte in the form of an aqueous solution of lithium bromides - 12%, sodium - 12% and lead - 2.3%.

Пример 6.Example 6.

Электрохимическое устройство по конструкции и технологии выполнено аналогично примеру 1, отличается тем, что в качестве сепаратора использована мембрана из полипропилена (Celgard), a электроды и сепаратора пропитаны в электролите в виде водного раствора бромидов кальция - 47% и цинка - 18%.The electrochemical device is similar in design and technology to example 1, differs in that a polypropylene membrane (Celgard) is used as a separator, and the electrodes and separator are impregnated in an electrolyte in the form of an aqueous solution of calcium bromides - 47% and zinc - 18%.

Пример 7.Example 7.

Электрохимическое устройство по конструкции и технологии выполнено аналогично примеру 1, отличается тем, что электроды и сепаратор пропитаны в электролите в виде водного раствора бромидов лития - 12% и кадмия - 28%.The design and technology of the electrochemical device is similar to example 1, differing in that the electrodes and separator are impregnated in an electrolyte in the form of an aqueous solution of lithium bromide - 12% and cadmium bromide - 28%.

Пример 8.Example 8.

Электрохимическое устройство по конструкции и технологии выполнено аналогично примеру 1, отличается тем, что электроды выполнены из углеволокнистого тканого материала типа Бусофит Т, а электроды и сепаратор пропитаны в электролите в виде водного раствора бромидов кальция - 20%, натрия - 3% и цинка - 2%.The electrochemical device in design and technology is made similar to example 1, differs in that the electrodes are made of carbon fiber woven material of the Busofit T type, and the electrodes and separator are impregnated in an electrolyte in the form of an aqueous solution of calcium bromides - 20%, sodium - 3% and zinc - 2 %.

Пример 9.Example 9.

Электрохимическое устройство по конструкции и технологии выполнено аналогично примеру 1, отличается тем, что электроды выполнены из углеволокнистого тканого материала типа Бусофит Т, а электроды и сепаратор пропитаны в электролите в виде водного раствора бромидов кальция - 18%, натрия - 3% и цинка - 2%.The electrochemical device in design and technology is made similar to example 1, differs in that the electrodes are made of carbon fiber woven material of the Busofit T type, and the electrodes and separator are impregnated in an electrolyte in the form of an aqueous solution of calcium bromides - 18%, sodium - 3% and zinc - 2 %.

Электрохимическое устройство для накопления энергии оптимизировано в качестве конденсатора сElectrochemical energy storage device optimized as a capacitor with

- 4 043714 двойным электрическим слоем (КДЭС), гибридного электрохимического конденсатора, химического источника тока (ХИТ).- 4 043714 double electric layer (DEL), hybrid electrochemical capacitor, chemical current source (CHS).

Пример 10.Example 10.

Электрохимическое устройство по конструкции и технологии выполнено аналогично примеру 1, отличается тем, что в качестве сепаратора 3 использована мембрана из полипропилена (Celgard), a электроды 1, 2 и сепаратор 3 пропитаны в электролите в виде водного раствора бромидов кальция - 16%, натрия - 16% и кадмия - 20%.The electrochemical device in design and technology is made similar to example 1, differs in that a polypropylene membrane (Celgard) is used as a separator 3, and electrodes 1, 2 and separator 3 are impregnated in an electrolyte in the form of an aqueous solution of calcium bromides - 16%, sodium - 16% and cadmium - 20%.

Пример 11.Example 11.

Электрохимическое устройство по конструкции и технологии выполнено аналогично примеру 1, отличается тем, что в качестве сепаратора 3 использована набухающая мембрана из целлюлозной пленки, а электроды и сепаратор пропитаны в электролите в виде водного раствора бромидов кальция - 16%, натрия - 16% и кадмия - 20%.The electrochemical device is similar in design and technology to example 1, differs in that a swelling membrane made of cellulose film is used as a separator 3, and the electrodes and separator are impregnated in an electrolyte in the form of an aqueous solution of calcium bromides - 16%, sodium - 16% and cadmium - 20%.

Пример 12.Example 12.

Устройство имеет разнополярные электроды 1, 2 из углеродного материала, представляющие собой карточки размером 80x96 мм, вырезанные из углеволокнистого тканого материала типа Бусофит Т-1. Толщина положительного 1 и отрицательного 2 электродов 200 мкм.The device has multi-polar electrodes 1, 2 made of carbon material, which are cards 80x96 mm in size, cut from carbon fiber woven material of the Busofit T-1 type. The thickness of positive 1 and negative 2 electrodes is 200 microns.

В качестве коллектора 4 тока берут биполярный коллектор размером 90x107 мм, выполненный из графитовой фольги толщиной 200 мкм. Коллектор 4 по контуру покрыт слоем герметика.A bipolar collector measuring 90x107 mm, made of graphite foil 200 microns thick, is used as a current collector 4. The collector 4 is covered along the contour with a layer of sealant.

Сепаратор размером 84x100 мм выполнен в виде бумаги из минеральных волокон со связующим (типа Бахит).The separator, 84x100 mm in size, is made in the form of mineral fiber paper with a binder (Bakhit type).

Электроды и сепаратор пропитаны в электролите в виде неводного раствора 35% бромида цинка и 1,1% брома в пропиленкарбонате.The electrodes and separator are soaked in an electrolyte in the form of a non-aqueous solution of 35% zinc bromide and 1.1% bromine in propylene carbonate.

На фиг. 2 изображены типичные зарядно-разрядные кривые для устройства 27 В с трехкомпонентным электролитом в составе: 16% Ca, 16%Na, 20%Cd.In fig. Figure 2 shows typical charge-discharge curves for a 27 V device with a three-component electrolyte consisting of 16% Ca, 16% Na, 20% Cd.

В интервале напряжений 2-20 В на прямолинейном участке разрядной кривой происходит заряд двойного электрического слоя, формируемого на отрицательном 2 электроде из гидратированных ионов Na⁺, Ca⁺ и частично Cd~, а на положительном 1 электроде из гидратированных ионов Br^-.In the voltage range of 2-20 V, in the straight section of the discharge curve, a double electric layer is charged, formed on the negative 2 electrode from hydrated Na ⁺ , Ca ⁺ and partially Cd~ ions, and on the positive 1 electrode from hydrated Br ^- ions.

Далее, перегиб зарядной кривой в интервале напряжений 20-25 В свидетельствует о протекании фарадеевской реакции на положительном электроде:Further, the inflection of the charging curve in the voltage range of 20-25 V indicates the occurrence of a Faraday reaction on the positive electrode:

3Br^- - 2e ^ Br^3-.3Br ^- - 2e ^ Br ^3- .

В этом диапазоне напряжений устройство становится гибридным, т.е. на одном из электродов протекает окислительно-восстановительная реакция, а на другом - заряд двойного электрического слоя.In this voltage range the device becomes hybrid, i.e. A redox reaction occurs on one of the electrodes, and the charge of the electrical double layer occurs on the other.

На участке зарядной кривой 25-27В отмечен дополнительный прямолинейный участок, отвечающий началу фарадеевской реакции на отрицательном электроде, характеризующийся частичным восстановлением ионов Cd++:In the 25-27V section of the charging curve, an additional straight-line section is noted, corresponding to the beginning of the Faraday reaction on the negative electrode, characterized by the partial reduction of Cd++ ions:

2Cd++ + 2e ^ Cd⁺-Cd⁺.2Cd++ + 2e ^ Cd ⁺ -Cd ⁺ .

Таким образом, на рабочем напряжении 27В устройство имеет все признаки химического источника тока, т.е. протекание электрохимических реакций на обоих электродах.Thus, at an operating voltage of 27V, the device has all the characteristics of a chemical current source, i.e. the occurrence of electrochemical reactions on both electrodes.

Разряд устройства происходит в обратной последовательности реакций и процессов. Хотя, практически могут начаться все три процесса одновременно, участвуя в разной степени на разных участках разрядной кривой.The device discharge occurs in the reverse sequence of reactions and processes. Although, in practice, all three processes can begin simultaneously, participating to varying degrees in different parts of the discharge curve.

Из приведенных в таблице экспериментальных результатов испытаний предлагаемого устройства можно сделать вывод, что данное электрохимическое устройство при работе в различных режимах позволяет поддерживать требуемую концентрацию реагента на поверхности электрода, обеспечивающую стабильную работу устройства.From the experimental test results of the proposed device given in the table, we can conclude that this electrochemical device, when operating in various modes, makes it possible to maintain the required concentration of the reagent on the electrode surface, ensuring stable operation of the device.

При этом при концентрации раствора солей менее 25% (пример 9) происходит снижение электрических характеристик.In this case, when the concentration of the salt solution is less than 25% (example 9), a decrease in electrical characteristics occurs.

При концентрации раствора солей более 65% происходит кристаллизация раствора, что исключаетWhen the concentration of the salt solution is more than 65%, crystallization of the solution occurs, which excludes

--

Claims

its use.

The use of a swelling membrane as a separator 3 increases the electrical characteristics.

Thus, the claimed electrochemical energy storage device meets the patentability requirement of industrial applicability.

The proposed design of an electrochemical device for energy storage, compared to the prototype, has a longer service life, is more stable in operation in various modes due to the stable preservation of a given concentration of electrolyte components on the electrodes when operating as a chemical current source, a hybrid capacitor and a dual electric capacitor layer.

Characteristics of the electrochemical device described in the examples Example No. Charge current, A Discharge current, A Voltage, V Capacity, F Stored energy, kJ/kg Internal resistance, mOhm Functions

Example 1 20 10 1.6 1290 91.7 2.1 KDES Hybrid electrochemical capacitor HIT

Example 2 20 10 1.6 1200 84.8 1.53

Example 3 20 10 1.85 960 88.8 1.75

Example 4 5 5 1.6 720 63.4 5.8

Example 5 5 5 1.6 300 25.3 2.6

Example 6 20 10 1.9 535 48.3 3.9

Example 7 20 10 1.6 1412 95.0 2.37

Example 8 10 10 1.8 360 28.4 2.5

Example 9 10 10 1.8 240 21.6 2.7

Example 10 20 10 1.6 975 67.4 2.1

Example 11 20 10 1.6 1500 96.0 5.4

Example 12 5 0.5 2.3 42 17.7 93.8

CLAIM

1. An electrochemical device for energy storage, including a housing, two carbon electrodes installed in it, a separator placed between electrodes impregnated with an electrolyte, and collectors, characterized in that a solution with a salt concentration of 25-65 wt.%, cations is used as an electrolyte. which are formed from a mixture of elements of the first, or second, or third, or fourth group of main and secondary subgroups, or mixtures thereof in any combination of groups, main and secondary subgroups, and anions or polyanions are formed from elements of the seventh group of the main subgroup of the periodic system; wherein the electrolyte solution is an aqueous solution.

2. An electrochemical device for energy storage according to claim 1, characterized in that an aqueous solution of calcium bromide, sodium bromide and cadmium bromide is used as the electrolyte.

3. An electrochemical device for energy storage according to claim 1, characterized in that an aqueous solution of lithium bromide, calcium bromide and sodium bromide is used as an electrolyte.

4. An electrochemical device for energy storage according to claim 1, characterized in that an aqueous solution of zinc bromide, calcium bromide and sodium bromide is used as the electrolyte.

5. An electrochemical device for energy storage according to claim 1, characterized in that an aqueous solution of lithium bromide, sodium bromide and lead bromide is used as the electrolyte.

6. An electrochemical device for energy storage according to claim 1, characterized in that an aqueous solution of lithium bromide, sodium bromide and indium bromide is used as an electrolyte.

7. An electrochemical device for energy storage according to claim 1, characterized in that a swelling membrane is used as a separator.

-