NO322376B1 - Kondensator med dobbelt elektrisk lag - Google Patents

Description

Teknisk område

Oppfinnelsen angår elektroteknikk, særlig dobbellagkondensatorer (dual electric layer [DEL] capacitors), innenfor kategorien kalt superkondensatorer, med gode spesifikasjoner for energilagring og effekt ut ved rask utladning.

Bakgrunnsteknikk

Det er allerede kjent dobbellagskondensatorer med flytende elektrolytt og elektroder av forskjellige materialer med høyt spesifikt overflateareal (kfr. f.eks. US-patentene 4 313 084 (1982) og 4 713 734 (1987), og DE-patent 3 210 420 (1983)). Man har fått best resultat med forskjellig aktivt karbon som elektrodemateriale og har oppnådd en spesifikk kapasitet på over 2 F/cm<3>, samtidig med at bruk av aprotoniske elektrolytter har gjort det mulig å øke kondensatorenes arbeidsspenning til 2-3 V (US-patent 4 697 224 (1987), Nat. Tech. Report, 180,26, nr. 2, pp. 220-230).

Når det gjelder teknisk kjerne og oppnåelig virkning kommer en DEL-kondensator med to elektroder og flytende elektrolytt (nemlig et vandig alkalimetall-hydroksid med en konsentrasjon på 3 til 7 mol/liter) nærmest den foreslåtte oppfinnelse. Denne kjente type kondensator har en polariserbar (negativ) elektrode av karbonfibermateriale og en ikke-polariserbar elektrode av nikkeloksid. Maksimal driftsspenning er 1,4 V, og spesifikk kapasitet og energitetthet (energilagirngsevnen pr. volumenhet) er hhv. 46 F/cm<3> og 45 J/cm<3> (WO 97/07518, datert 27. februar 1997).

Oversikt over oppfinnelsen

Tross en rekke tekniske løsninger for videreutvikling av slike DEL-kondensatorer har det vært problematisk å få forbedret deres spesifikke egenskaper. Den spesifikke kapasitet og energitetteheten man har oppnådd, gir sammen med prisen derfor begrensninger på utnyttelsen i praksis av slike kondensatorer, blant annet for elektriske kjøretøyer.

Oppfinnelsens hovedmål er derfor å komme frem til DEL-kondensatorer som muliggjør større energitetthet og samtidig lavere pris, og dette mål anses nådd med kondensatoren angitt i patentkrav 1, nemlig en kondensator med dobbelt elektrisk lag, en polariserbar elektrode av i hovedsaken et karbonmateriale, en ikke-polariserbar elektrode, og en elektrolytt, hvilken kondensator særmerker seg ved at den ikke-polariserbare elektrode i hovedsaken er av et materiale som inneholder blydioksid.

Selv om en kondensator som har en slik kombinasjon av elektroder kan utnytte mange forskjellige elektrolytter, er det å foretrekke å benytte vandige oppløsninger av uorganiske syrer og blandinger av disse.

Med oppfinnelsens DEL-kondensator har man kunnet øke energitettheten og samtidig redusere prisen, ved at driftsspenningen kunne økes til 2,2 - 2,6 V, kapasiteten 1,2 til 1,4 ganger ved at karbonmaterialets bidrag til denne ble øket ved å bruke en syreoppløsning i stedet for en alkalisk oppløsning, og fremstillingen gjort billigere ved å bruke blydioksid i stedet for det dyrere nikkeloksid som elektrode.

Kort beskrivelse av tegningen

Den ledsagende tegning illustrerer konstruksjonsarrangementet av DEL-kondensatoren ifølge oppfinnelsen.

Kondensatoren har en positiv elektrode 1, en negativ elektrode 2, strømledere 3, en skillevegg 4 og en boks eller beholder 6 som er fylt med en elektrolytt 5.

Nærmere beskrivelse av foretrukne utførelser

Kjernen i oppfinnelsen illustreres ved eksempelet nedenfor:

Som positiv (ikke-polariserbar) elektrode i kondensatoren benyttes en elektrode som er fremstilt av et materiale som inneholder blydioksid (Pb02) og som har geometriske dimensjoner på 125 x 70 x 0,8 mm, og som negativ (polariserbar) elektrode benyttes et stoff eller en duk av aktivkarbonfibrer med geometriske dimensjoner på 125 * 70 x 1,21 mm. Den negative elektrode har en spesifikk kapasitans på 512,3 F/g. Den negative elektrode 2 som er forsynt med strømlederne 3 og har en total vekt på 12,8 g og geometriske dimensjoner på 125 x 70 x 0,2 mm, er sammensatt av to elektrisk sammenkoplede stykker og er plassert i en pose av polypropylenskilleveggen 4 med en tykkelse på 0,1 mm. De to stykker eller deler av den negative elektrode er presset mot overflaten av den positive elektrode 1 på begge sider av denne. Som elektrolytt benyttes en vandig svovelsyre med en tetthet på 1,25 g/cm3.

Kondensatoren utlades med en likestrøm på 2,5 A. Utladespenningen faller fra 2,2 til 0,8 V.

Under de foran nevnte utladetilstander er kondensatorens spesifikke energi 56,2 J/g (270 J/cm<3>). Kondensatorens indre motstand er 10,1 * IO<*3> ohm. Spenningen over den ikke-polariserbare blydioksidelektrode faller fra 1,71 til 1,625 V gjennom hele utladeperioden, dvs. den forblir så godt som uforanderlig.

Den her foreslåtte oppfinnelse ligger til rette for serie- og parallellkopling av mange kondensatorer, til en rekke forskjellige typer kondensatorgrupper, og med utvidet utladespenningsområde øker kondensatorens energiopptaksevne.

Det foran beskrevne eksempel er et illustrerende, men på ingen måte begrensende eksempel, og modifikasjoner kan være aktuelle, også innenfor rammen av oppfinnelsen og patentkravene, f.eks. kan elektrolytten være begrenset til området mellom elektrodene som følge av overflatespenningskrefter, slik at ingen spesiell beholder, pose eller kappe trengs for ifylling av elektrolytten, og i stedet for en vandig uorganisk syre som beskrevet, kan også vannoppløste uorganiske salter, tiksotrope blandinger av syrer og salter, og protonledende, faste elektrolytter (membraner) brukes.

Claims (4)

1. Kondensator med dobbelt elektrisk lag, en polariserbar elektrode (2) av i hovedsaken et karbonmateriale, en ikke-polariserbar elektrode (1), og en elektrolytt (5), karakterisert ved at den ikke-polariserbare elektrode i hovedsaken er av et materiale som inneholder blydioksid.

2. Kondensator ifølge krav 1, karakterisert ved at den i tillegg omfatter en beholder (6) som omslutter elektrodene (1,2) og elektrolytten (5).

3. Kondensator ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved en skillevegg (4) som atskiller elektrodene (1,2).

4. Kondensator ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at elektrolytten (5) er en vandig oppløsning av uorganiske syrer eller blandinger av slike.