PL178718B1 - Kondensator - Google Patents

Abstract

1. Kondensator złożony z dwóch elektrod rozdzielonych separatoremnasączonym elektrolitem, znamienny tym, że elektrody (1) uformowane są przez sprasowanie mieszaniny kompozycyjnej składającej się z aktywowanego materiału węglowego o bimodalnej porowatej strukturze, termorozszczepionego grafitu i teflonu wziętych odpowiednio w proporcjach wagowych ST3 m:n:l, gdzie m = 0,9-0,4, n = 0,1 -0,6,1 = 0-0,05, CO przy przy czym aktywowany materiał węglowy otrzymanyjestw wyniku aktywacyjnej karbonizaęS cji porowatego kopolimeru styrendiwinylobenzeN nu z objętościąmikroporówo rozmiarach 0,6-1,6 W nm wynoszącą0,3-0,6 cm3/g oraz objętościąmeh=· zoporów o rozmiarach 10-12 nm wynoszącą 0,1-0,4 cm3/g, natomiast elektrolit stanowi „J 28-30% wodny roztwór wodorotlenku potasu fi, KOH.

Description

Przedmiotem wynalazku jest kondensator o dużej gęstości energii, zwłaszcza kondensator o podwójnej warstwie elektrycznej, stosowany w blokach pamięci, systemach autonomicznego zasilania, urządzeniach wygładzających zaniki napięcia i impulsowe przeciążenia w sieciach elektrycznych, a także w stopniach wzmocnienia mocy ogniw słonecznych i chemicznych źródeł prądu. W ostatnim czasie szczególnego znaczenia nabrała możliwość zastosowania takiego kondensatora do generacji sygnałów dużej mocy infraniskiej częstotliwości, a także w systemach kondensatorowego uruchamiania silników spalinowych i w pojazdach elektrycznych.

Aktualnie znane są wyniki prac nad kondensatorami z podwójna warstwę elektryczną przedstawione w publikacjach [1,2,3]. Podstawowe parametry techniczne tych kondensatorów przedstawione są w tabeli nr 1.

Z tabeli nr 1 wynika, że pomimo stosunkowo wysokich jednostkowych parametrów energetycznych opisane kondensatory charakteryzują się w zasadzie dużą rezystancją wewnętrzną, której obniżenie prowadzi do obniżenia energii jednostkowej. W tabeli nr 2 przedstawione są znane światowe osiągnięcia dotyczące parametrów energetycznych i mocy kondensatorów [4].

Tabela 1

Typ, producent	NEC(FS) Japonia	NEC(FV) Japonia	NEC(FR) Japonia	NEC(FE) Japonia	Philips Holandia	Maxwell Lab. USA
Napięcie V	0,9	0,9	0,9	0,9	1,0	10
Pojemność jednostkowa F/cm	2,289	-	-	105	2,0	2,94
Energia jednostkowa J/kg	684	1188	936	25,2	2124	5580
Energia jednostkowa J/l	1404	1980	1548	648	5760	9890
Jednostkowa rezystancja wewnętrzna Ω/cm	9	45	43	1,9	10	0,24

178 718

Tabela 2

Energia j ednostkowa	Energia jednostkowa	Moc jednostkowa	Liczba
Wh/kg	Wh/l	W/kg	cykli
2,2	2,9	400	503000

Analiza przedstawionych danych niedwuznacznie wskazuje na problematyczność wykorzystania znanych kondensatorów z dostatecznie dużąenergiąjednostkowąw obwodach elektrycznych dużej mocy. Wyjątek stanowić może jedynie kondensator opracowany przez Maxwell Laboratory w Stanach Zjednoczonych, który najbardziej zbliżony jest budową do kondensatora stanowiącego przedmiot wynalazku. Zgodnie z [2] elektrody tego kondensatora wykonane sąna bazie aktywowanego węgla otrzymanego na drodze karbonizacji i aktywacji żywic fenolowo-formaldehydowych, a jako elektrolit użyty jest wodny roztwór zasad, kwasów lub soli. Przy energii jednostkowej 1,55 Wh/kg maksymalna moc jednostkowa wynosi około 3950 W/kg.

Przedstawiony kondensator, pomimo uzyskanych parametrów przewyższających parametry znanych analogów, charakteryzuje się jednak niewystarczającą energią i mocą dla wykorzystania w obwodach dużych prądów i mocy, a także dużym kosztem elektrod.

Wolny od opisanych niedogodności jest kondensator według wynalazku, w którym elektrody uformowane sąprzez sprasowanie mieszaniny kompozycyjnej, składającej się z wysokoprzewodzącego aktywowanego materiału węglowego o bimodalnej porowatej strukturze, termorozszczepionego grafitu i teflonu. Stosunek wagowy materiału węglowego do termorozszczepionego grafitu i teflonu wynosi odpowiednio m:n: 1, gdzie m=0,9-0,4, n=0,1-0,6 a 1=0-0,05. Aktywowany materiał węglowy otrzymany jest w wyniku aktywacyjnej karbonizacji porowatego kopolimeru sterendiwinylobenzenu z objętością mikroporów o rozmiarach 0,6-1,6 nm wynoszącą0,3-0,6 cm³/g oraz objętość iąmezoporów o rozmiarach 10-12 nm wynosząca 0,1-0,4 cm³/g, natomiast elektrolit stanowi 28-30% wodny roztwór wodorotlenku potasu KOH. Rozmiary cząstek sprasowanego pod ciśnieniem 150-300 MPa aktywowanego materiału węglowego wynoszą: 15-20 pm, termorozszczepionego grafitu: 30-40 pm, a teflonu 50-60 pm.

Materiał zastosowany do uformowania elektrodjest kilkakrotnie tańszy od materiałów stosowanych w znanych kondensatorach i stwarza warunki do powstania trwałej jednorodnej podwójnej warstwy elektrycznej, minimalizując w danym roztworze bocznikujący wpływ różnicujących pojemności ładunku przestrzennego w elektrodzie i w elektrolicie. Zwiększenie jednostkowej energii i mocy, a także optymalny wybór ich wartości osiągnięto zarówno w wyniku optymalnego wyboru bimodalnej porowatej struktury aktywowanego materiału węglowego, jak i w rezultacie optymalizacji składu i formowania elektrod. Dobranie odpowiedniej ilości grafitu termorozszczepialnego w składzie materiału elektrody umożliwia zmniejszenie wiążącej masy teflonu i powoduje zmniejszenie rezystancji elektrod. Siła prasowania elektrod wybrana została z punktu widzenia minimalizacji rezystancji i maksymalnej wartości współczynnika wykorzystania materiału aktywnego.

Kondensator według wynalazku, w porównaniu z najlepszym ze znanych, charakteryzuje się ponad 3-krotnie większąwartościąenergii jednostkowej, około 45% większąwartościąmocy jednostkowej i 3-krotnie mniejszymi kosztami wytworzenia. Na rysunku pokazany jest w półprzekroju poprzecznym przykładowy kondensator według wynalazku.

Kondensator składa się z dwóch elektrod 1, pomiędzy którymi umieszczony jest separator 2 z włókniny polipropylenowej nasączonej elektrolitem stanowiącym 30% wodny roztwór wodorotlenku potasu KOH. Elektrody 1 wraz z separatorem 2 i pierścieniem uszczelniającym 3 umieszczone są w obudowie 4 typu 2325 i hermetycznie zamknięte z siłą 50 kN. Kompozycją wyjściową do uformowania elektrod jest mieszanina wysokoprzewodzącego aktywowanego materiału węglowego, termorozszczepionego grafitu i teflonu wziętych w proporcjach wagowych 0,55:0,40:0,05. Rozmiary cząsteczek tych komponentów wynoszą odpowiednio: 15-20 pm, 30-40 pm i 60-80 pm.

178 718

Aktywowany materiał węglowy ma bimodalną porowatą strukturę uzyskaną drogą aktywacyjnej karbonizacji porowatego kopolimeru styrendiwinylobenzenu z objętościąmikroporów o rozmiarach 0,6-1,6 nm wynoszącą 0,3-0,6 cm³/g oraz objętością mezoporów o rozmiarach 10-12 nm wynoszącą 0,1 -0,4 cm3/g.

Elektryczne parametry wytworzonego przykładowego kondensatora są następujące:

-napięcie 1,2 V

- energia jednostkowa 5,08 Wh/kg,

- moc jednostkowa 5720 W/kg.

Bibliografia

1. Burke A.F.: Laboratory testing of high energy density capacitor for electric wehicles; Wyd. Idaho Engineering Laboratory, October 1991.

2. Katalog wyrobów firmy Philips, 1993.

3. Third International seminar ofdouble layer capacitors and similar energy storage, December 6-8 1993, Florida Educationsel, Seminar Ins, 1900 Glades Road.

4. Forth International Seminar of double layer capacitors and similar energy storage, December 1994, Florida Educationsel, Seminar Ins, 1900 Glades Road.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz.

Cena 2,00 zł.

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Kondensator złożony z dwóch elektrod rozdzielonych separatorem nasączonym elektrolitem, znamienny tym, że elektrody (1) uformowane są przez sprasowanie mieszaniny kompozycyjnej składającej się z aktywowanego materiału węglowego o bimodalnej porowatej strukturze, termorozszczepionego grafitu i teflonu wziętych odpowiednio w proporcjach wagowych m:n: 1, gdzie m = 0,9-0,4, n = 0,1 -0,6,1 = 0-0,05, przy przy czym aktywowany materiał węglowy otrzymanyjest w wyniku aktywacyjnej karbonizacji porowatego kopolimeru styrendiwinylobenzenu z objętościąmikroporów o rozmiarach 0,6-1,6 nm wynoszącą0,3-0,6 cm³/g oraz objętościąmezoporów o rozmiarach 10-12 nm wynoszącą 0,1 -0,4 cm3/g, natomiast elektrolit stanowi 28-30% wodny roztwór wodorotlenku potasu KOH.
2. 2. Kondensator według zastrz. 1, znamienny tym, że rozmiary cząstek sprasowanego pod ciśnieniem 150-300 MPa aktywowanego materiału węglowego wynoszą 15-20 pm, cząstek termorozszczepionego grafitu wynoszą 30-40 pm, a cząstek teflonu 50-60 pm.