NO312146B1 - Kondensator med dobbelt elektrisk sjikt - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en dobbelt-sjikts kondensator (DLC) omfattende et hus, polari serbar karbonelektroder og metallkollektor segmenter anbragt i skiktene, og en separator impregnert med vandige elektrolytter.

En kjent kondensator omfattende et dobbeltelektrisk sjikt (DEL) har et hus, kollektorsegmenter festet deri under trykk, polariserbar karbonelektroder, og separatorer impregnert med vandig elektrolytt (se samlingen av vitenskapelig og tekniske betraktninger i "Elektrotechnische Industrie", serie "Chemische und physikalische Stromquellen", M., 1984, første utgave (94, side 13). Denne kondensator har en høy innvendig motstand lik 2-10 ohm pr. cm<2>. Resistansen skyldes den høye resistans pr. enhetsvolum av kollektorsegmentene, laget med gummi som er kraftig fylt med grafitt (kjønerøk), og tre eller fire størrelsesordner høyere enn metallers resistans.

JP-A 60-26285 omhandler en dobbeltlags kondensator omfattende et hus, kollektorsegmenter av aluminium festet deri under trykk, polariserbare karbonelektroder og separatorer impregnert med elektrolytt. I denne kjente kondensator er den innvendige resistans så stor som tidligere. Aluminiumet hindrer bruk av meget ledende, vandige elektrolytter, og ikke-vandige oppløsninger av elektrolytter som har en spesifik resistans lik 12-40 ganger så stor. Verdien av den interne resistans i slike systemer er mer enn 8 ohm pr. cm .

WO 92/12521 omhandler en annen dobbeltlags kondensator omfattende en sentral, flerlags separator, en elektrode i form av et lag på hver side av separatoren, og et dekke av tynt nikkel- eller jernmateriale på utsiden av hver elektrode. Elektrodene frembringes ved avsetting av aktivert karbon fra en suspensjon over til et mineralfibersubstrat.

Til sist omhandler US-A 5115378 en dobbeltlags kondensator, der polariserbare karbonelektroder er anbragt i et hus og er adskilt fra hverandre ved hjelp av separatorer som er impregnert med en vandig elektrolytt og er koblet til kollektorsegmenter av metall. Den elektriske forbindelse mellom kollektorsegmentene og krabonelektrodene er via elektrisk ledende, mellomliggende sjikt som er avsatt under fremstilling av karbonelektroden og hefter fast til yttersidene derav.

Hensikten med oppfinnelsen er å konstruere en dobbeltsjikts kondensator som har minimum innvendig resistans sammenlignet med de kjente kondensatorer i denne serie.

Dette problem løses ved de trekk som er angitt i patentkravet.

Prøvene har vist at den innvendige resistans for dobbelt-sjikts kondensator (DLC) er i en betydelig utstrekning bestemt av kontaktresistansen mellom den polariserbare elektrode og kollektoren.

Dersom den polariserbare elektrode er av karbon (sorbenten), vil kontaktresistansen avhenge av arialet av kontaktene mellom karbonpartiklene og kollektoren. Dette areal, dersom kraften med hvilken de polariserbare elektroder trykker på kollektoren er forutinnstillet, avhengig av milkro-hardheten hos sorbenten og hos kollektoren. Trykket er begrenset av styrken av materialene hos nevnte dobbelt-sjikts kondensatorer (DLC).

I prototypkondensatoren som er nevnt tidligere avhenger kontaktresistansen av kontaktarealet mellom karbonpartiklene og kollektoren som er av aluminium. Hovedmaterialet er mykt, men dets overflate, hvilket under de vilkårlige betingelser (bortsett fra vakuum) består av aluminiumoksid, har høy mikrohardhet. Av denne grunn er kontaktarealet mellom karbonfragmentet og metallet, endog ved sterke sammentrekningskrefter, ved kun punkter og begrenser passeringen av sterke strømmer.

Det tekniske resultat som oppnås ved oppfinnelsen er en høyeffekts kondensator med et dobbelt-elektrisk sjikt (DEL som kan anvendes til å oppnå sterke strømpulser under utladning, på grunn av en lav innvendig resistans.

Nevnte tekniske resultat oppnås ved at den kjente kondensator omfatte et dobbelt-elektrisk sjikt (DEL) og som har et hus, kollektorsegmenter av metall festet deri under trykk, polariserbare karbonelektroder og separatorer som er impregnert med elektrolytt. Kollektorsegmentene er av metaller der mikrohardheten i overflaten er lavere enn hardheten av materialet som danner de polariserbare elektroder, og som er elektrokjemisk motstandsdyktige overfor den vandige elektrolytten.

Den foreliggende kondensator med et dobbelt-elektrisk sjikt (DEL) reduserer den innvendige resistans ved å øke kontaktarealet mellom kollektorsegment og karbonelektroden. Dette er pga. at fragmentene i karbonelektroden trykker inn i det mykere materialet som danner kollektorsegmentet.

Tegningene er et skjema over kondensatoren ifølge oppfinnelsen.

En kondensator med et dobbelt elektrisk sjikt omfatter et hus 1, kollektorplater 2 av metall festet deri under trykk, polariserbare karbonelektroder 3 og en separator 4 impregnert med vandig elektrolytt. Den meget ledende, vandige elektrolytt sikrer en lav spesifikk resistans.

Kollektorsegmentene er laget av metall der mikrohardheten i overflaten er lavere enn hardheten av materialet som danner de polariserbare elektroder. Det kontinuerlig virkende trykk, dvs. den komprimerende påkjenning P mellom kollektorsegmentene og de polariserbare elektroder, skyldes sammensetningen av kondensatoren, og forskjellen mellom hardheten hos de sammentrykkede deler øker kontaktarealet mellom kollektorsegmentene og de polariserbare elektroder. Arealet bestemmes ved å dekke delene av det polariserbare materialet med et mykere kollektorsegment og øke den strømoverførende overflate.

Kondensatoren ifølge oppfinnelsen, der den polariserbare elektrode og kollektoren er laget av et materiale tilpasset hverandre mht. mikrohardhet, har viktige fordeler i forhold til prototypkondensatoren, dvs.: - Den muliggjør et fordelaktig og objektivt valg å bli foretatt med hensyn til materialer for kollektoren og den polariserbare elektroden for å oppnå en innvendig resistans som har forutsatte verdi, - Ved de forutsatte verdier for den innvendige resistanse og spenningen, vil kondensatorer med relativt myke kollektorer har lavere masse og mindre dimensjoner på grunn av det mindre antallet av celler som er koblet parallelt, - Ettersom en lav innvendig resistans sikres, oppnås forbedrede, elektriske karakteristika, slik som følger: a) Den maksimale spenning (Um) for lasten (R) som er koblet til kondensatorene er ifølge formelen:

der U = spenning på kondensatorterminalene når lasten (R) er utkoblet, og r = den innvendige resistans.

b) Den maksimale kortslutningsstrøm som kreves i starterakkumulatorene.

c) Den maksimale effekt (W) levert for lasten (R) og virkningsgraden (K) for

akkumulatoren er i henhold til formelen:

Området av mulige anvendelser av nevnte dobbelt-sjikts kondensatorer (DLC) er meget omfattende, fra elektronisk svakstrømsteknikk til stasjonære og transportable elektriske kraftstrømforsyningssystemer.

Kondensatorene er operative både som faktiske kondensatorer og som energilagrings-anordning (ESD).

Disse kondensatorer som har en mindre masse og dimensjoner enn andre typer av kondensatorer, anvendes i utjevningsfiltre hos DC-kilder, i høyeffekts integrerende og differensierende kretser som elementer som har en lav reaktiv resistans og aktiv resistans ved lavfrekvensstrømmer, og i systemer for beskyttelse av superledende magneter.

Energilagrings-anordning (ESD) med en liten innvendig resistans kan anvendes som uavhengige strømkilder i stedet for andre kilder eller i en buffer med andre DC-kilder.

Energilagrings-anordning (ESD) med trekkraft- og starteranordning av kondensator-typen er blitt utviklet og produsert på basis av dobbelt-sjikts kondensatorer (DLC).

Trekkraftkondensatorer kan anvendes for elektriske traller og lastevogner, robotbaserte elektriske traller og lastevogner, lasteinnretninger, selvdrevne kjøretøyer for invalide, vogner i sykehus, lufthavner etc. for å gjenvinne transport-bremseenergien. Dobbelt-sjikts kondensatorer (DLC) blir også anvendt for starting av motorer i passasjerbiler og lastebiler, traktorer etc. under alvorlige betingelser (inntil -50°C, der koagulering av smøremidlet oppstår).

Dobbelt-sjikts kondensatorer (DLC), i motsetning til batterier, er økologisk rene, trenger ikke noe vedlikehold under hele sin levetid, og kan klare en kortslutning.

I øyeblikket har dobbelt-sjikts kondensatorer (DLC) et spenningsområde lik 0,5 - 100V, et kortslutnings-strømområde inntil 30 kA og et energireserveområde inntil 100 kJ.

Ved samme masse og dimensjoner er energireserven hos denne type av kondensator nær batterienes energireserve.

Kondensatorer med et dobbelt elektrisk sjikt (DEL) kan opereres for derved å oppnå sterke strømpulser under utladning pga. den lave innvendige resistans. Dette skyldes økningen i kontaktområdet mellom kollektorsegmentet og karbonelektroden, sammen med bruk av den vandige elektrolytt, som sikrer høy ledeevne.

Claims (1)

1. Dobbelt-sjikt kondensator omfattende et hus (1), polariserbare karbonelektroder (3) og kollektorsegmenter (2) av metall anbragt i sjikt og en separator impregnert med en vandig elektrolytt, der metallet i kollektorsegmentene (2) er elektrokjemisk stabilt mot den vandige elektrolytt, idet sjiktkonstruksjonen som omfatter kollektorsegmentene (2), karbonelektrodene (3) og separatoren (4) er festet i huset (1) ved et trykk (P) som er operativt mellom kollektorsegmentene (2) og karbonelektrodene (3),karakterisert vedat kollektorsegmentene (2) er laget av et metall som har en overflatemikro-hardhet mindre enn hardheten av karbonelektrodene (3) i direkte kontakt med kollektorsegmentene (2), og at kontaktoverflatene mellom kollektorsegmentene (2) og karbonelektrodene (3) dannes ved å trykke karbonpartiklene inn i det mykere metallet som kollektorsegmentene (2) er laget av.