RO125941B1 - SUPERCONDENSATOR Șl PROCEDEU DE REALIZARE A ACESTUIA - Google Patents

Description

Invenția se referă la un supercondensator și la un procedeu de realizare a unui condensator cu o capacitate electrică mult mai mare decât a condensatorilor convenționali, atingând o valoare mai mare decât 1 Farad (supercondensator).

Un procedeu cunoscut de realizare a supercondensatorilor utilizează pulbere de carbon activat (nanoporos), pentru obținerea celor doi electrozi ai celulei de supercondensator. Pulberea de carbon și un material ca liant pentru particulele de carbon se introduc într-un solvent în cantități adecvate. Liantul este în procentaj semnificativ mai redus decât pulberea de carbon. Prin încălzire și evaporarea parțială a solventului, se obține o pastă de carbon. Pasta de carbon se depune în strat subțire pe substrat de folie metalică. Prin uscare la temperatură ridicată, tot solventul se evaporă, obținându-se un strat solid din carbon poros. Aderența dintre particulele de carbon și a acestora la substratul metalic este asigurată de liantul existent inițial în pastă. Stratul de carbon poros astfel obținut și impregnat cu electrolit lichid este utilizat ca electrod într-o celulă de supercondensator. O astfel de celulă conține doi electrozi depuși pe substrat metalic, având porii impregnați cu electrolit lichid. Electrozii contactează la rândul lor un strat subțire din material dielectric, la fel poros și impregnat cu electrolit. Acest strat fiind bun conducător de ioni, dar nu și de electroni, se numește separator.

Acest procedeu are dezavantajul că este costisitor, deoarece necesită alte operații de realizare a electrozilor și de impregnare a acestora cu electrolit lichid.

Un alt procedeu cunoscut de realizare a unei celule supercondensator prevede prepararea unei paste din pulbere de carbon nanoporos prin amestecul acesteia cu electrolit lichid. Din această pastă, prin utilizarea unei matrițe sub presiune, se realizeză electrod solid de formă și dimensiuni dorite, care conține și electrolit. Un electrod obținut din pasta de carbon și celălalt electrod obținut din pasta din pudră de alt material amestecat cu electrolit (ca de exemplu carbura de bor) au fost utilizați la realizarea de celule supercondensator. Acest procedeu are dezavantajul că pentru realizarea de celule supercondensator sunt necesare presiuni de valori ridicate, iar materialele pentru cei doi electrozi sunt diferite. Procedeul este costisitor, iar performanța celulei supercondensator este redusă.

Cererea de brevet US 2006098389 (Liu Tao, 2006) se referă la un supercondensator, ce cuprinde: un electrod negativ poros, realizat prin prepararea unui material cuprinzând nanotuburi single-wall de carbon și un polimer carbonatat, deci activat, pus în contact cu un colector de curent și impregnat cu un electrolit solid sau lichid, un separator permeabil la electrolit este interpus între cei doi electrozi ai structurii pentru a împiedica scurtcircuitele. Ambii electrozi ai celulei supercondensatorului sunt realizați din pastă formată din nanotuburi de carbon activată.

Cererea internațională de brevet WO 2008094893 (Miller Eric, 2008) prezintă o structură double-layer capacitor (condensator dublu-strat) și o metodă de realizare a acesteia. Metoda cuprinde pașii: realizarea unui electrod poros negativ în contact cu o placă conductoare, realizarea unui electrod poros pozitiv în contact cu o placă conductoare, izolarea electrică a acestor electrozi printr-un separator, impregnarea structurii cu electrolit soluție, urmată de încălzirea supercondensatorului pentru eliminarea umezelii.

Un alt document în temă este cererea internațională de brevet WO 00/02215 (Anders Olof Lundblad, 2000) în care se prezintă un condensator hibrid, în care electrozii, separați de un separator conductor de ioni, sunt acoperiți cu o carcasă de metal din două piese și etanșați cu un material izolator. Nu se specifică tipul de material izolator care se utilizează.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția este perfecționarea tipurilor cunoscute de celule supercondensator.

RO 125941 Β1

Invenția conform cererii de brevet înlătură dezavantajele menționate mai sus, prin 1 aceea că ambii electrozi ai supercondensatorului se realizează din pasta obținută prin amestecul de pulbere de carbon activat și soluție de electrolit. Pentru realizarea electrodului, 3 un strat de pastă de carbon se depune pe o bucată de folie metalică subțire de forma dorită, utilizată ca substrat sau colector de curent. La periferia substratului din folie metalică, există 5 lipită banda îngustă din material izolant electric, având grosimea aproximativ egală cu cea a electrodului din pastă care se dorește a se obține. Această bandă din material izolant 7 electric și inert la acțiunea electrolitului din pasta de carbon va asigura etanșarea electrodului în viitoarea celulă supercondensator. Banda periferică este întreruptă în câteva locuri, de 9 exemplu, la cele patru colțuri, dacă substratul metalic este de formă dreptunghiulară. în vederea obținerii celor doi electrozi identici pentru o celulă de supercondensator, sunt 11 necesari doi colectori metalici cu bandă la periferie, identici. Fiind depus stratul de pastă de carbon, pe suprafața colectorului metalic, mărginită de bandă îngustă de material izolant, se 13 așază peste pastă folie subțire din material poros și izolator electric, având aria ceva mai mare decât a colectorului metalic cu bandă la periferie. înainte de așezarea foliei pe banda 15 de material izolant, se depune un strat de adeziv. Ansamblul colector-electrod din pastă-folie material poros se așază apoi concentric peste cel de-al doilea ansamblu electrod 17 pastă-colector, după ce în prealabil și pe banda acestui colector s-a depus strat de adeziv.

Folia de material poros dintre cei doi electrozi, impregnată cu electrolit lichid, poate fi 19 traversată de ioni, dar nu de electroni. Este denumită separator, asigurând izolarea electrică a electrozilor. Separatorul în zona sa periferică, care contactează banda periferică a 21 colectorului metalic, are porii impregnați cu un material adecvat, astfel că lichidul nu mai poate pătrunde. La contactul dintre separator și benzile periferice ale celor doi colectori 23 metalici, stratul de adeziv existent va asigura o lipire etanșă. După lipire, ansamblul electrozi-separator-colectori se așază pe o suprafața plană și este presat cu o placă plană, 25 astfel încât excesul de pastă de carbon să iasă prin spațiile libere din banda periferică de la periferia celor doi colectori. în zonele de la periferie unde a ieșit pasta de carbon, 27 îndepărtarea acesteia are loc prin curățare cu hârtie de filtru sau țesătură umedă, după care aceste zone se acoperă cu adeziv, pentru etanșarea definitivă a celulei supercondensator 29 astfel obținute.

Supercondensatorul și procedeul de realizare, conform invenției, prezintă următoarele 31 avantaje:

- celula supercondensatorului este simplă, iar procedeul de realizare nu necesită 33 echipamente costisitoare;

- celula de supercondensator poate fi înseriată cu ușurință, pentru realizarea de 35 module la tensiune de lucru ridicată.

Se dă în continuare un exemplu de realizare a invenției, în legătură și cu fig. 1...7, 37 care reprezintă:

- fig. 1, folie metalică subțire (substrat sau colector metalic), de formă dreptunghiulară 39 sau pătrată;

- fig. 2, colector metalic după lipirea benzii periferice izolatoare cu întreruperi la 41 colțuri; a) vedere perspectivă, b) secțiune;

- fig. 3, colector metalic cu bandă periferică, având strat depus din pastă de carbon; 43 a) vedere perspectivă b) secțiune;

- fig. 4, folie izolator electric subțire, poros în partea centrală și cu porii impregnați de 45 material izolator în zona periferică (separator); a) vedere perspectivă; b) secțiune;

- fig. 5, ansamblu colector cu strat din pastă de carbon (electrod) și folia - separator 47 așezată peste pastă; a) vedere perspectivă; b) secțiune;

RO 125941 Β1

- fig. 6, ansambu - celulă supercondensator înainte de închidere (etanșare);

- fig. 7, celula supercondensator închisă; a) vedere exterioară, b) secțiune.

Conform invenției, pe folie metalică subțire (substratul sau colectorul de curent) 1, de formă dorită (dreptunghiulară, pătrată etc.), se lipește în regiunea periferică banda îngustă 2, cu o întrerupere sau zonă liberă 3, la colțuri. Zona întreruptă sau liberă de bandă 2 este îngustă. Interfața de lipire dintre banda 2 și folia metalică sau colectorul de curent 1 este etanșă la orice lichid sau aer. Banda 2 se poate obține, de exemplu, prin decupare din hârtie, la dimensiunea și grosimea dorită. Pentru lipire pe colectorul 1, banda 2 este imersată în prealabil într-un adeziv lichid, astfel că o peliculă rămâne pe bandă. Ca adeziv, se poate utiliza cauciuc siliconic sau rășină epoxidică. Se obține astfel colectorul metalic cu banda izolatoare la periferie din fig. 2. Pentru o celulă supercondensator sunt necesare două astfel de componente.

în continuare, pe suprafața colectorului metalic 1, delimitată de banda izolatoare 2, se depune strat din pastă de carbon (electrod) 4, de viscozitate adecvată. Se obține astfel subansamblul din fig. 3. Două astfel de subansambluri sunt necesare pentru realizarea unui supercondensator - celulă. Pasta de carbon se obține prin introducerea în electrolit lichid a unei cantități de pudră de carbon activat (nanoporos) și prin menținere la temperatură ridicată o parte din apă se evaporă, obținându-se viscozitatea dorită. Menținerea la temperatură ridicată mai asigură și eliminarea eventualelor urme de aer din pori și pătrunderea electrolitului în acești pori.

Peste pasta de carbon (electrodul) 4 și banda periferică 2 se așază o folie subțire din material poros și izolator electric (separator) 5. Separatorul 5 din fig. 4 are porii în zona periferică 6, impregnați cu un material, astfel ca această zonă nu mai este permeabilă pentru lichid. în zona centrală 7 a separatorului, porii sunt impregnați cu electrolit lichid. Separatorul este de dimensiuni ceva mai mari decât ale colectorului 1, iar zona sa centrală 7, are aria aproximativ egală cu a electrodului 4. Prin adăugarea separatorului 5, se obține subansamblul din fig. 5, care conține numai un singur colector de curent 1 și un singur electrod 4 din carbon nanoporos, impregnat cu electrolit. Prin adăugarea unui alt subansablu ca cel din fig. 3, alipit în mod corespunzător peste subansamblul din fig. 5, se obține ansamblul unei celule supercondensator arătat în fig. 6. Stratul de adeziv existent în zona a separatorului 5 și pe o fața și pe cealaltă asigură o lipire etanșă la lichid sau aer la interfața cu bandă izolatoare periferică 2. La colțuri, în fig. 6, există mici spații libere 3, de o parte și alta a separatorului 5, prin care, la o presare între două plăci plane ale ansambluluicelulă, se elimină rămășițele de aer din cei doi electrozi 4, aflați de o parte și alta a separatorului 5 sau a surplusului de pastă de carbon. Surplusul de pastă de carbon, ieșit prin spațiile libere 3, se șterge cu țesătură sau hârtie de filtru umedă. în continuare, pe întreg perimetrul celulei neînchise din fig. 6, se depune un strat de adeziv care după întărire așa cum se arată în fig. 7 asigură etanșarea acesteia împotriva evaporării lichidului din interior sau a pătrunderii aerului din exterior.

Claims (2)

Revendicări 1

1. Supercondensator compus din doi colectori de curent (1) din folii metalice, pe care 3 se depune câte un strat de pastă de carbon activat și electrolit, formând electrozii (4), peste care se depune o folie de material izolant electric și poros, formând un separator (5), 5 realizându-se celula de supercondensator prin alipirea structurilor formate din electrozii (4), împreună cu colectorii de curent (1), pe câte o parte a separatorului (5), caracterizat prin 7 aceea că foliile metalice (1) potfi dreptunghiulare, pătratice sau circulare, iar delimitarea ariei fiecărui electrod (4) se realizează prin lipirea unei benzi (2) din material izolant cu grosimea 9 dorită pe periferia colectorului de curent, banda (2) având niște întreruperi sau zone libere, la periferia separatorului (5) aflându-se o zonă (6) impermeabilă pentru lichid, iar pe periferia 11 separatorului (5) și colectorilor de curent (1) depunându-se rășină epoxidică.

2. Procedeu pentru realizarea supercondensatorului conform revendicării 1, 13 caracterizat prin aceea că, într-o primă etapă, pe o folie metalică subțire (1) se lipește la periferie o bandă îngustă (2), având niște întreruperi (3) sub formă de zone libere, într-o 15 etapă următoare se formează un electrod (4) prin depunerea pe colector, în zona delimitată de banda (2), a unui strat din pastă de carbon obținută prin amestec de pudră din carbon 17 activat și electrolit, în etapa următoare, peste electrodul (4) se depune o folie din material izolant electric și poros, formând un separator (5) care are la periferie o zonă (6) 19 impermeabilă pentru lichid, după care, peste separator, se așază o structură de același tip, având electrodul (4) din pastă de carbon plasat imediat lângă separatorul (5), iarîn ultima 21 etapă, la periferia separatorului (5) și colectorilor de curent (1), se depune rășină epoxidică, obținându-se celula de supercondensator. 23