RU2047235C1

RU2047235C1 - Capacitor with double electric layer

Info

Publication number: RU2047235C1
Application number: RU93009006/10A
Authority: RU
Inventors: С.В. Чижевский; Г.Н. Лаврова; А.В. Фомин; И.Я. Богницкий; А.Ф. Герасимов; А.М. Иванов
Priority date: 1993-02-23
Filing date: 1993-02-23
Publication date: 1995-10-27

Abstract

FIELD: radio electronics. SUBSTANCE: capacitor with double electric layer has plates made of metal material with relative elongation 20-35% with temporary resistance to break 400-560 MPa. Polyisobutylene with molecular mass 70000-280000 with addition of bitumen is used as sealing material. EFFECT: increased reliability of capacitor. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструкции конденсаторов с двойным электрическим слоем. Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ДЭС) нашли применение в качестве резервных источников питания в системах, требующих бесперебойное снабжение электроэнергией, таких как вычислительная техника, аппараты связи, станки с числовым программным управлением, в производствах с непрерывным циклом. The invention relates to electrical engineering, in particular to the design of capacitors with a double electric layer. Double electric layer capacitors (DELs) are used as redundant power sources in systems requiring uninterrupted power supply, such as computer equipment, communication devices, numerically controlled machines, in continuous cycle production.

Известна конструкция, реализующая способ накопления электрического заряда в двойном электрическом слое на поверхности контакта электрода и электролита (патент США N 3.536.963, кл. Н 01 G 9/00, 1970). Электроды выполнены из частиц активированного угля с большой площадью поверхности (1000-2000 кв. м/г) и разделены ионопроводящим сепаратором, электроды и сепаратор пропитаны электролитом, в качестве которого используют водные, а также неводные электролиты. Для отвода заряда с внешней стороны электродов расположены обкладки из электронопроводящего тонколистового материала, непроницаемого для электролита и инертного к нему. Обкладки служат также наружным корпусом и изолированы друг от друга по периметру диэлектрической прокладкой. Последняя предохраняет полость конденсатора от воздействия внешней среды и предотвращает вытекание электролита из конденсатора. A known construction that implements a method of accumulating an electric charge in a double electric layer on the contact surface of an electrode and an electrolyte (US Pat. No. 3,536.963, class H 01 G 9/00, 1970). The electrodes are made of activated carbon particles with a large surface area (1000-2000 sq. M / g) and are separated by an ion-conducting separator, the electrodes and the separator are impregnated with an electrolyte, which is used as water, as well as non-aqueous electrolytes. To remove the charge from the outer side of the electrodes are plates of electrically conductive sheet material, impervious to electrolyte and inert to it. The plates also serve as the outer casing and are insulated from each other along the perimeter by a dielectric gasket. The latter protects the cavity of the capacitor from the influence of the external environment and prevents the leakage of electrolyte from the capacitor.

Недостатком данной конструкции является низкая надежность герметизации конденсатора, связанная с наличием дальнейших промежутков между обкладками и диэлектрической прокладкой, обусловленных несовершенством механической обработки поверхности обкладок и их деформацией в процессе изготовления и эксплуатации конденсатора. Это приводит к утечке электролита, ухудшению характеристик конденсатора и опасности повреждения аппаратуры, в которой он используется. The disadvantage of this design is the low reliability of the sealing of the capacitor associated with the presence of further gaps between the plates and the dielectric gasket, due to the imperfection of the machining of the surface of the plates and their deformation during the manufacture and operation of the capacitor. This leads to electrolyte leakage, deterioration of the capacitor and the risk of damage to the equipment in which it is used.

Известен конденсатор с двойным электрическим слоем, содержащий два электрода, изготовленных из активированного угля, пропитанных органическим электролитом и разделенных ионопроводящим сепаратором, и две обкладки, охватывающие электроды, выполненные из металла, инертного к электролиту, и изолированные по периметру диэлектрической прокладкой, снабженной слоем герметизирующего материала (заявка Японии N 63-190321, кл. Н 01 G 9/00, опубл. 1988). В качестве герметизирующего материала использована смесь асфальтового пека, полибутена с молекулярным весом в пределах 1000-2000 и 1-1-1-трихлорэтана. Эластичный герметизирующий материал, намазанный на диэлектрическую прокладку, заполняет все мельчайшие углубления на поверхности обкладок, контактирующей с прокладкой, предотвращает вытекание электролита из конденсатора с ДЭС и повышает его надежность. A double electric layer capacitor is known, comprising two electrodes made of activated carbon impregnated with an organic electrolyte and separated by an ion conductive separator, and two plates covering electrodes made of metal inert to the electrolyte and insulated around the perimeter by a dielectric gasket provided with a layer of sealing material (Japanese application N 63-190321, CL H 01 G 9/00, publ. 1988). A mixture of asphalt pitch, polybutene with a molecular weight in the range of 1000-2000 and 1-1-1-trichloroethane was used as a sealing material. An elastic sealing material smeared on a dielectric gasket fills all the smallest recesses on the surface of the plates in contact with the gasket, prevents the leakage of electrolyte from the capacitor with the DEL and increases its reliability.

Полибутен добавляют к асфальтовому пеку, чтобы улучшить эластичность и вязкость последнего, особенно при низких температурах. Но использование полибутена с низким молекулярным весом (1000-2000) повышает текучесть герметизирующей смеси при повышенных температурах, что приводит к вытеканию герметика и разгерметизации конденсатора. При этом низкомолекулярный полибутен липкий, неудобен в употреблении, затрудняет автоматизацию технологического процесса изготовления конденсаторов с ДЭС. Кроме того, в известной конструкции не определяются условия, предотвращающие деформацию кромок обкладок, удерживающих диэлектрическую прокладку. Все это является недостатками прототипа. Polybutene is added to asphalt pitch to improve the elasticity and viscosity of the pitch, especially at low temperatures. But the use of polybutene with a low molecular weight (1000-2000) increases the fluidity of the sealing mixture at elevated temperatures, which leads to leakage of the sealant and depressurization of the capacitor. At the same time, low molecular weight polybutene is sticky, inconvenient to use, and complicates the automation of the technological process of manufacturing capacitors with DES. In addition, the known design does not define conditions that prevent deformation of the edges of the plates that hold the dielectric gasket. All this is the disadvantages of the prototype.

Целью изобретения является повышение надежности конденсатора с двойным электрическим слоем. The aim of the invention is to increase the reliability of the capacitor with a double electric layer.

Для этого в конденсаторе с двойным электрическим слоем, содержащем два электрода, изготовленных из активированного угля, пропитанных органическим электролитом и разделенных ионопроводящим сепаратором, и две обкладки, охватывающие электроды, выполненные из металлического материала, инертного к электролиту, и изолированные по периметру диэлектрической прокладкой, снабженной слоем герметизирующего материала на основе полибутилена, согласно изобретению обкладки выполнены из металлического материала с относительным удлинением 20-35% при временном сопротивлении разрыву 400-560 МПа, а герметизирующий материал состоит из полиизобутилена с молекулярной массой от 70000 до 280000 с добавкой битума. To do this, in a capacitor with a double electric layer containing two electrodes made of activated carbon, impregnated with an organic electrolyte and separated by an ion-conducting separator, and two plates covering electrodes made of a metal material inert to the electrolyte, and insulated around the perimeter by a dielectric gasket equipped according to the invention, the plates are made of a metal material with a relative elongation of 20-35% at temporary tensile strength 400-560 MPa, and the sealing material consists of polyisobutylene with a molecular weight of 70,000 to 280,000 with the addition of bitumen.

В частных случаях выполнения обкладки изготовляют из металла толщиной 100-320 мкм, а добавка битума в герметизирующем материале составляет 10-60 мас. In special cases, the lining is made of metal with a thickness of 100-320 μm, and the addition of bitumen in the sealing material is 10-60 wt.

Как известно, упругоэластичные свойства полимерных материалов зависят не только от строения углеродной цепи полимера, но и от его молекулярной массы. Использование согласно изобретению в качестве герметизирующего материала, наносимого на диэлектрическую прокладку, высокомолекулярного полиизобутилена с молекулярной массой от 70000 до 280000, обладающего упругостью и эластичностью как при низких, так и при высоких температурах, позволяет улучшить герметизацию конденсатора с ДЭС. Добавка битума увеличивает адгезию герметизирующего материала к диэлектрической прокладке, облегчает визуальный контроль сплошности нанесения слоя. Надежность герметизации конденсатора с ДЭС предъявляет определенные требования и к материалу обкладок, кромки которых удерживают диэлектрическую прокладку. Необходимые прочность и упругость при достаточной пластичности достигаются при использовании металлических материалов, сочетающих свойства относительное удлинение 20-35% и временное сопротивление разрыву 400-560 МПа, и сохраняются в течение всего срока службы конденсатора. Такие металлические материалы обеспечивают хороший зажим диэлектрической прокладки, не деформируются и не разрываются при завальцовке конденсатора. As you know, the elastic properties of polymeric materials depend not only on the structure of the carbon chain of the polymer, but also on its molecular weight. The use of a high molecular weight polyisobutylene with a molecular weight of from 70,000 to 280,000, which has resilience and elasticity at both low and high temperatures, according to the invention as a sealing material applied to a dielectric strip, can improve the sealing of a capacitor with a DEL. The addition of bitumen increases the adhesion of the sealing material to the dielectric strip, and facilitates visual control of the continuity of the deposition of the layer. The reliability of sealing a capacitor with a DES makes certain demands on the material of the plates, the edges of which hold the dielectric gasket. The necessary strength and elasticity with sufficient ductility are achieved using metallic materials that combine the properties of an elongation of 20-35% and a temporary tensile strength of 400-560 MPa, and are maintained throughout the life of the capacitor. Such metal materials provide a good clamping of the dielectric strip; they do not deform and do not burst when rolling the capacitor.

Конструкция предлагаемого конденсатора поясняется чертежом, на котором изображен конденсатор в поперечном сечении. The design of the proposed capacitor is illustrated in the drawing, which shows the capacitor in cross section.

Конденсатор с двойным электрическим слоем содержит два электрода 1 и 2, изготовленных из активированного угля, разделенных ионопроводящим сепаратором 3, и две обкладки 4 и 5, охватывающие электроды и разделенные по периметру диэлектрической прокладкой 6, снабженной слоем герметизирующего материала 7. Электроды 1 и 2 могут быть выполнены из порошкообразного активированного угля или из материала, содержащего волокна активированного угля. В последнем случае для уменьшения контактного сопротивления на электроды 1 и 2 наносят слой металла и неразъемно соединяют электроды с обкладками 4 и 5. В качестве сепаратора 3 используется высокопористые материалы, например нетканый полипропилен, полиэтилен, стеклобумага, асбестовая бумага. Электроды 1 и 2 и сепаратор 3 пропитаны органическим электролитом на основе безводных апротонных органических растворителей, таких как пропиленкарбонат, диметилсульфоксид, диметилформамид, диметоксиэтан и т.п. или их смесей. The capacitor with a double electric layer contains two electrodes 1 and 2, made of activated carbon, separated by an ion-conducting separator 3, and two plates 4 and 5, covering the electrodes and separated along the perimeter by a dielectric gasket 6, equipped with a layer of sealing material 7. Electrodes 1 and 2 can be made of powdered activated carbon or of a material containing activated carbon fibers. In the latter case, to reduce the contact resistance, a metal layer is applied to the electrodes 1 and 2 and the electrodes are permanently connected to the plates 4 and 5. As a separator 3, highly porous materials are used, for example, non-woven polypropylene, polyethylene, glass paper, asbestos paper. The electrodes 1 and 2 and the separator 3 are impregnated with an organic electrolyte based on anhydrous aprotic organic solvents such as propylene carbonate, dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, dimethoxyethane and the like. or mixtures thereof.

Обкладки 4 и 5 выполнены из металлического материала на основе железа и хрома с относительным удлинением 20-35% при временном сопротивлении разрыву 400-560 МПа, например, 08Х13. При этом обкладки из металлических материалов с относительным удлинением менее 20% и временным сопротивлением разрыву менее 400 МПа или более 560 МПа вследствие низкой пластичности не охватывают плотно прокладки и могут от них отслаиваться, создавая условия для утечки электролита; при относительном удлинении более 35% и временном сопротивлении менее 400 МПа не обеспечивают надежного обхвата диэлектрической прокладки из-за высокой пластичности и низкой упругости материала; при той же высокой пластичности, но при временном сопротивлении разрыву более 560 МПа ухудшается надежность завальцовки конденсатора в процессе эксплуатации. The plates 4 and 5 are made of a metal material based on iron and chromium with a relative elongation of 20-35% with a temporary tensile strength of 400-560 MPa, for example, 08X13. At the same time, plates of metal materials with a relative elongation of less than 20% and a temporary tensile strength of less than 400 MPa or more than 560 MPa due to low ductility do not cover the gaskets tightly and can peel off from them, creating conditions for electrolyte leakage; with a relative elongation of more than 35% and a temporary resistance of less than 400 MPa, they do not provide a reliable girth of the dielectric strip due to the high ductility and low elasticity of the material; with the same high ductility, but with a temporary tensile strength of more than 560 MPa, the reliability of rolling the capacitor during operation is impaired.

Целесообразно, чтобы обкладки были выполнены из металлического материала толщиной 100-320 мкм, так как при толщине металлического материала менее 100 мкм не обеспечиваются требуемые механические свойства узла герметизации (кромки обкладок, охватывающие прокладку), а при толщине более 320 мкм улучшение механических свойств не наблюдается, но при этом увеличивается вес конденсатора, ухудшаются его удельные характеристики. Диэлектрическая прокладка 6 снабжена слоем герметизирующего материала 7, состоящего из полиизобутилена с молекулярной массой 70000-280000 с добавками битума. При этом полиизобутилен с молекулярной массой менее 70000 не обеспечивает надежную герметизацию, а при молекулярной массе более 280000 ухудшается эластичность состава при низких температурах. Слой наносится окунанием диэлектрической прокладки в раствор герметизирующего материала в растворителе, например толуоле, с последующей сушкой. It is advisable that the plates were made of metal material with a thickness of 100-320 μm, since with the thickness of the metal material less than 100 μm the required mechanical properties of the sealing unit are not provided (edges of the plates covering the gasket), and with a thickness of more than 320 μm, an improvement in mechanical properties is not observed , but at the same time the weight of the capacitor increases, its specific characteristics deteriorate. The dielectric gasket 6 is provided with a layer of sealing material 7, consisting of polyisobutylene with a molecular weight of 70,000-280,000 with bitumen additives. Moreover, polyisobutylene with a molecular weight of less than 70,000 does not provide reliable sealing, and with a molecular weight of more than 280,000, the elasticity of the composition at low temperatures is deteriorated. The layer is applied by dipping a dielectric pad in a solution of a sealing material in a solvent, for example toluene, followed by drying.

Предпочтительно, чтобы добавка битума в полиизобутилене составляла 10-60 мас. поскольку при содержании битума менее 10 мас. снижается адгезия герметизирующего материала к прокладке и ухудшается визуальный контроль сплошности нанесения слоя, а при содержании битума более 60 мас. ухудшается эластичность состава при низких температурах. Preferably, the addition of bitumen in polyisobutylene was 10-60 wt. since when the bitumen content is less than 10 wt. the adhesion of the sealing material to the gasket decreases and the visual control of the continuity of the deposition of the layer worsens, and when the bitumen content is more than 60 wt. the elasticity of the composition at low temperatures deteriorates.

Конденсатор с двойным электрическим слоем предназначен для накопления электрического заряда и последующего разряда на нагрузку. В процессе эксплуатации, особенно в условиях резких изменений от низкой температуры к высокой, возникает проблема, связанная с утечкой электролита из-за его объемного расширения и вытеснения его образующимся газом. Использование дополнительного слоя герметизирующего материала из полиизобутилена с молекулярной массой от 70000 до 280000 с добавкой битума и подбором металлического материала для обкладок с относительным удлинением 20-35% при временном сопротивлении разрыву 400-560 МПа усиливает узел герметизации конденсатора и предотвращает утечку электролита. The capacitor with a double electric layer is designed to accumulate an electric charge and subsequent discharge to the load. During operation, especially in the conditions of sharp changes from low to high temperature, there is a problem associated with the leakage of the electrolyte due to its volume expansion and the displacement of the resulting gas. The use of an additional layer of sealing material made of polyisobutylene with a molecular weight of 70,000 to 280,000 with the addition of bitumen and the selection of metal material for the plates with a relative elongation of 20-35% with a temporary tensile strength of 400-560 MPa strengthens the condenser sealing assembly and prevents electrolyte leakage.

Конструкция конденсатора создает необходимую гарантию хорошей герметизации конденсатора, повышая его надежность в 1,5-1,7 раза. The design of the capacitor creates the necessary guarantee of good sealing of the capacitor, increasing its reliability by 1.5-1.7 times.

Claims

1. DOUBLE ELECTRIC LAYER CAPACITOR, containing two activated carbon electrodes impregnated with an organic electrolyte and separated by an ion conductive separator, and two plates covering electrodes made of a metal material inert to the electrolyte and insulated around the perimeter by a dielectric gasket provided with a layer of sealing material based on polybutylene, characterized in that the plates are made of metal material with a relative elongation of 20-35% with a temporary resistance azryvu 400-560 MPa, the sealing material further comprises bitumen and a polybutylene having a molecular weight polyisobutylene used 70,000 to 280,000.

2. The capacitor according to claim 1, characterized in that the plates are made with a thickness of 100-320 microns.

3. The capacitor according to claim 1, characterized in that the amount of bitumen in polyisobutylene is 10-60 wt.