RU2166219C2 - Capacitor with double electric layer - Google Patents

Capacitor with double electric layer Download PDF

Info

Publication number
RU2166219C2
RU2166219C2 RU99110889/09A RU99110889A RU2166219C2 RU 2166219 C2 RU2166219 C2 RU 2166219C2 RU 99110889/09 A RU99110889/09 A RU 99110889/09A RU 99110889 A RU99110889 A RU 99110889A RU 2166219 C2 RU2166219 C2 RU 2166219C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
capacitor
electric layer
double electric
electrolyte
power
Prior art date
Application number
RU99110889/09A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU99110889A (en
Inventor
И.Н. Варакин
А.Б. Степанов
В.В. Самитин
Original Assignee
Закрытое акционерное общество "ЭЛТОН"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Закрытое акционерное общество "ЭЛТОН" filed Critical Закрытое акционерное общество "ЭЛТОН"
Priority to RU99110889/09A priority Critical patent/RU2166219C2/en
Priority to PCT/RU2000/000346 priority patent/WO2002019356A1/en
Priority claimed from PCT/RU2000/000346 external-priority patent/WO2002019356A1/en
Publication of RU99110889A publication Critical patent/RU99110889A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2166219C2 publication Critical patent/RU2166219C2/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/02Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof using combined reduction-oxidation reactions, e.g. redox arrangement or solion
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/54Electrolytes
    • H01G11/56Solid electrolytes, e.g. gels; Additives therein

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: invention can be used in design of devices accumulating electric energy and can be employed in systems of emergency power supply operating under conditions of floating or compensation charge, for provision of uninterrupted power supply, for usage in periodically operating power sources, for instance, in wind power and solar power engineering, in devices accumulating energy of recuperative brake on transport, in the capacity of traction batteries on electric transport. Task solved by proposed capacitor with double electric layer lies in design of normally operating device with prolonged service life in combination with high specific energy and power. Technical result of proposed solution is achieved by development of capacitor with double electric layer incorporating molten electrolyte which is provided with thickening agent in accordance with invention. EFFECT: improved design of capacitor with prolonged service life and with high specific energy and power characteristics. 4 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для создания устройств, аккумулирующих электрическую энергию и применено:
- в системах аварийного энергообеспечения при работе в режиме постоянного или компенсационного подзаряда;
- для обеспечения постоянного энергоснабжения при использовании периодически действующих источников энергии, например, в ветро- и гелиоэнергетике;
- в устройствах, аккумулирующих энергию рекуперативного торможении на транспорте;
- в качестве тяговых батарей для электротранспорта.
The invention relates to electrical engineering and can be used to create devices that accumulate electrical energy and is used:
- in emergency power supply systems when operating in the constant or compensating charge mode;
- to ensure a constant energy supply when using periodically operating energy sources, for example, in wind and solar energy;
- in devices that accumulate regenerative braking energy in vehicles;
- as traction batteries for electric vehicles.

Принцип действия известного конденсатора с двойным электрическим слоем или электрохимического конденсатора основан на использовании энергии, накопленной в двойном электрическом слое, возникающем на границе проводников первого и второго рода (электрод - электролит). The principle of operation of the known capacitor with a double electric layer or an electrochemical capacitor is based on the use of energy accumulated in the double electric layer arising at the boundary of conductors of the first and second kind (electrode - electrolyte).

Как правило, электроды в таких конденсаторах выполнены из углеродных материалов с высокой удельной поверхностью. Энергоемкость конденсатора ограничена напряжением разложения и емкостью двойного электрического слоя, которые присущи применяемому электролиту. В случае вoдного электролита напряжение разложения составляет 1,23 В. Typically, the electrodes in such capacitors are made of carbon materials with a high specific surface area. The energy capacity of the capacitor is limited by the decomposition voltage and the capacity of the double electric layer, which are inherent in the used electrolyte. In the case of a water electrolyte, the decomposition voltage is 1.23 V.

Известен конденсатор с двойным электрическим слоем, включающий два электрода и водный электролит (патент RU N 2054723, кл. H 01 G 9/00, 1996 г.). Known capacitor with a double electric layer, comprising two electrodes and an aqueous electrolyte (patent RU N 2054723, CL H 01 G 9/00, 1996).

Использование органических растворителей в качестве электролита позволяет поднять рабочее напряжение конденсатора до 3-4 В. The use of organic solvents as an electrolyte allows you to raise the operating voltage of the capacitor to 3-4 V.

Однако реализация больших мощностей в конденсаторе с двойным электрическим слоем с органическим электролитом затруднена из-за низкой электропроводности последнего. However, the implementation of large capacities in a capacitor with a double electric layer with an organic electrolyte is difficult due to the low conductivity of the latter.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является конденсатор с двойным электрическим слоем, включающий поляризуемые электроды, сепаратор и расплавленный электролит (патент US N 5621607, кл. H 01 G 9/04, 1993 г.). The closest in technical essence to the proposed solution is a capacitor with a double electric layer, including polarizable electrodes, a separator and molten electrolyte (patent US N 5621607, CL H 01 G 9/04, 1993).

В известном конденсаторе в качестве электролита используют расплавленные хлориды и бромиды. In the known capacitor, molten chlorides and bromides are used as the electrolyte.

Например, емкость электрода из активированного углеродного материала с поверхностью 900-1200 м2/г в электролите из эвтектической смеси хлоридов калия и лития составляет при 400-500oC примерно 500 Ф/г, с поверхностью 1500-2000 м2/г составляет 600 Ф/г. Электропроводность этого электролита при 400oC равна 1,7 См/см. Напряжение разложения расплавленных хлоридов алюминия и магния превышает 2.5 В, хлоридов щелочных металлов - 3.5 В, а фторидов - 5 В.For example, the capacity of an electrode of activated carbon material with a surface of 900-1200 m 2 / g in an electrolyte from a eutectic mixture of potassium and lithium chlorides is approximately 500 F / g at 400-500 o C, with a surface of 1500-2000 m 2 / g is 600 F / g The electrical conductivity of this electrolyte at 400 ° C. is 1.7 S / cm. The decomposition voltage of molten aluminum and magnesium chlorides exceeds 2.5 V, alkali metal chlorides - 3.5 V, and fluorides - 5 V.

Использование расплавленных солей сопряжено с решением ряда проблем, связанных с их высокой коррозионной агрессивностью при повышенных температурах по отношению к конструкционным материалам корпуса, токоотводов и т.д. The use of molten salts is associated with solving a number of problems associated with their high corrosiveness at elevated temperatures in relation to structural materials of the housing, down conductors, etc.

Проблемы эти настолько существенны, что могут не позволить создать конденсатор с расплавленным электролитом, обладающий приемлемым для практики ресурсом и сроком службы. These problems are so significant that they may not allow the creation of a capacitor with molten electrolyte, which has an acceptable resource and service life for practice.

Задачей, решаемой предлагаемым конденсатором с двойным электрическим слоем, является создание работоспособного устройства с большим ресурсом и сроком службы в сочетании с высокими удельной энергией и мощностью. The problem solved by the proposed capacitor with a double electric layer is to create a workable device with a long resource and service life in combination with high specific energy and power.

Технический результат в предлагаемом решении достигают созданием конденсатора с двойным электрическим слоем, включающего электроды, по крайней мере один из которых поляризуемый, сепаратор и расплавленный электролит, который согласно изобретению снабжен загустителем, который входит в состав расплавленного электролита. The technical result in the proposed solution is achieved by creating a capacitor with a double electric layer, including electrodes, at least one of which is polarizable, a separator and molten electrolyte, which according to the invention is equipped with a thickener, which is part of the molten electrolyte.

Изобретение характеризуется тем, что в качестве загустителя используют инертный высокодисперсный материал. The invention is characterized in that an inert highly dispersed material is used as a thickener.

Материалами могут быть порошки с частицами любой формы (в том числе волокна). Materials can be powders with particles of any shape (including fibers).

Изобретение характеризуется тем, что в качестве загустителя используют высокодисперсный материал на основе оксидов алюминия или магния, или кальция, или стронция, или бора, или кремния, или циркония, или иттрия, или бериллия, или их смесей, или смешанных оксидов вышеперечисленных элементов, или нитридов вышеперечисленных элементов или их смесей, или смесей оксидов, смешанных оксидов и нитридов вышеперечисленных элементов. The invention is characterized in that as a thickener, a finely dispersed material based on aluminum or magnesium oxides, or calcium, or strontium, or boron, or silicon, or zirconium, or yttrium, or beryllium, or mixtures thereof, or mixed oxides of the above elements, or nitrides of the above elements or mixtures thereof, or mixtures of oxides, mixed oxides and nitrides of the above elements.

Изобретение характеризуется также тем, что второй электрод выполнен неполяризуемым и содержит в качестве активного материала вещества, способные обратимо электрохимически окисляться и восстанавливаться в среде данного расплавленного электролита. The invention is also characterized by the fact that the second electrode is non-polarizable and contains substances as active material that can be reversibly electrochemically oxidized and reduced in the environment of this molten electrolyte.

Это позволяет повысить удельную энергию конденсатора. This allows you to increase the specific energy of the capacitor.

В качестве активного материала вещества могут быть использованы металлы первой или второй, или третьей групп Периодической системы, или их смесь, или их сплав с углеродом, или кремнием, или бором, или другими металлами. As the active material of the substance can be used metals of the first or second, or third groups of the Periodic system, or a mixture thereof, or their alloy with carbon, or silicon, or boron, or other metals.

Металлы и сплав могут образовываться в процессе заряда конденсатора. Их используют в качестве отрицательного электрода. Metals and alloys can form during the process of charging a capacitor. They are used as a negative electrode.

Введение в состав электролита загустителя позволяет создать конденсатор с двойным электрическим слоем (элемент), в котором расплавленный электролит закреплен за счет капиллярных сил в активном материале электрода и загустителе и не контактирует с деталями корпуса. В таком элементе загущенный электролит одновременно может служить сепаратором. The introduction of a thickener into the electrolyte allows you to create a capacitor with a double electric layer (element), in which the molten electrolyte is fixed by capillary forces in the active material of the electrode and the thickener and does not come into contact with the body parts. In such an element, the thickened electrolyte can simultaneously serve as a separator.

Это позволяет, во-первых, избежать коррозии конструкционных материалов, во-вторых, создать бескорпусный элемент - конденсатор с двойным электрическим слоем. This allows, firstly, to avoid corrosion of structural materials, and secondly, to create a frameless element - a capacitor with a double electric layer.

Расплавленный электролит может содержать различное количество загустителя, т.е. иметь различную степень загущенности. При более низком содержании загустителя увеличиваются электропроводность электролита и емкость конденсатора, при более высоком - растет механическая устойчивость системы. The molten electrolyte may contain a different amount of thickener, i.e. have a different degree of thickening. At a lower thickener content, the electrolyte conductivity and capacitance of the capacitor increase, while at a higher concentration, the mechanical stability of the system increases.

Сущность предлагаемого конденсатора с двойным электрическим слоем поясняется нижеследующим описанием и примерами, а также чертежом, на котором схематично показана конструкция конденсатора. The essence of the proposed capacitor with a double electric layer is illustrated by the following description and examples, as well as the drawing, which schematically shows the design of the capacitor.

Конденсатор с двойным электрическим слоем включает электроды 1 и 2, по крайней мере один из которых поляризуемый, сепаратор 3, активный материал электрода 4, расплавленный электролит 5, введенный в состав электролита загуститель 6, токоотводы 7. The capacitor with a double electric layer includes electrodes 1 and 2, at least one of which is polarizable, the separator 3, the active material of the electrode 4, the molten electrolyte 5, the thickener 6 introduced into the electrolyte, the collectors 7.

Были проведены испытания предлагаемой конструкции с применением различных материалов, используемых в качестве загустителя, активного материала электрода и т.д. Tests of the proposed design were carried out using various materials used as a thickener, active electrode material, etc.

В качестве материала поляризуемого электрода целесообразно использовать электропроводящие материалы с высокой поверхностью, устойчивые в среде расплавленного электролита (активированный углерод, карбиды, нитриды, оксиды, металлы). It is advisable to use electrically conductive materials with a high surface that are stable in the environment of molten electrolyte (activated carbon, carbides, nitrides, oxides, metals) as the material of a polarizable electrode.

Полученные результаты приведены в описанных ниже примерах. The results are shown in the examples described below.

Пример 1. Example 1

Электроды конденсатора выполнены из порошка активированного угля с поверхностью 900-1200 м2/г (20-30 мас.%) с добавкой электролита и изготовлены в виде дисков диаметром 22 мм и толщиной 1,2 мм. Электролит содержит эвтектическую смесь хлоридов лития и калия (59 мол.% LiCl) с температурой плавления 352oC. В электролит введен в качестве загустителя порошок алюмината магния (40 мас.%). Сепаратор (он же загущенный электролит того же состава) выполнен в виде прессованной пластины толщиной 1 мм. Токоотводами служат графитовые диски диаметром 24 мм и толщиной 0,3 мм.The capacitor electrodes are made of activated carbon powder with a surface of 900-1200 m 2 / g (20-30 wt.%) With the addition of electrolyte and are made in the form of disks with a diameter of 22 mm and a thickness of 1.2 mm. The electrolyte contains a eutectic mixture of lithium and potassium chlorides (59 mol.% LiCl) with a melting point of 352 o C. Magnesium aluminate powder (40 wt.%) Is introduced into the electrolyte as a thickener. The separator (aka thickened electrolyte of the same composition) is made in the form of a pressed plate 1 mm thick. The down conductors are graphite disks with a diameter of 24 mm and a thickness of 0.3 mm.

Пример 2. Example 2

В отличие от примера 1 электроды выполнены из порошка активированного угля с удельной поверхностью 1500-2000 м2/г.In contrast to example 1, the electrodes are made of activated carbon powder with a specific surface area of 1500-2000 m 2 / g.

Пример 3. Example 3

В отличие от примера 1 один электрод изготовлен в виде пластины из порошка дисульфида железа (FeS2) с добавкой электролита толщиной 0,5 мм.In contrast to example 1, one electrode is made in the form of a plate of iron disulfide powder (FeS 2 ) with the addition of an electrolyte 0.5 mm thick.

Пример 4. Example 4

В отличие от примера 1 один электрод изготовлен в виде пластины из порошка литий-алюминиевого сплава (2-4 мас.% лития) толщиной 0,5 мм. In contrast to example 1, one electrode is made in the form of a plate of powder of lithium-aluminum alloy (2-4 wt.% Lithium) with a thickness of 0.5 mm

Характеристики конденсаторов при температуре 400oC в соответствии с приведенными примерами описаны в таблице.The characteristics of the capacitors at a temperature of 400 o C in accordance with the above examples are described in the table.

На основе предлагаемого конденсатора с двойным электрическим слоем возможно создание батареи биполярной конструкции, включающей сколь угодно много элементов для получения необходимого напряжения, объединенного в единый корпус. Отсутствие корпусов для каждого из элементов существенно упростит конструкцию батареи и уменьшит ее вес. Based on the proposed capacitor with a double electric layer, it is possible to create a battery of a bipolar design, including as many elements as necessary to obtain the necessary voltage, combined into a single housing. The absence of cases for each of the elements will greatly simplify the design of the battery and reduce its weight.

Claims (5)

1. Конденсатор с двойным электрическим слоем, включающий электроды, по крайней мере, один из которых поляризуемый, сепаратор и расплавленный электролит, отличающийся тем, что в состав расплавленного электролита введен загуститель. 1. A capacitor with a double electric layer, comprising electrodes, at least one of which is polarizable, a separator and molten electrolyte, characterized in that a thickener is introduced into the composition of the molten electrolyte. 2. Конденсатор с двойным электрическим слоем по п.1, отличающийся тем, что в качестве загустителя, введенного в электролит, используют инертный, высокодисперсный материал с частицами любой формы. 2. The capacitor with a double electric layer according to claim 1, characterized in that as an thickener introduced into the electrolyte, an inert, finely dispersed material with particles of any shape is used. 3. Конденсатор с двойным электрическим слоем по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве загустителя используют высокодисперсный материал на основе оксидов алюминия, или магния, или кальция, или стронция, или бора, или кремния, или циркония, или иттрия, или бериллия, или их смесей, или смешанных оксидов вышеперечисленных элементов, или нитридов вышеперечисленных элементов или их смесей, или смесей оксидов, смешанных оксидов и нитридов вышеперечисленных элементов. 3. The capacitor with a double electric layer according to claim 1 or 2, characterized in that as a thickener use a highly dispersed material based on oxides of aluminum, or magnesium, or calcium, or strontium, or boron, or silicon, or zirconium, or yttrium, or beryllium, or mixtures thereof, or mixed oxides of the above elements, or nitrides of the above elements, or mixtures thereof, or mixtures of oxides, mixed oxides and nitrides of the above elements. 4. Конденсатор с двойным электрическим слоем по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что второй электрод выполнен неполяризуемым и содержит в качестве активного материала вещества, способные обратимо электрохимически окисляться и восстанавливаться в среде данного расплавленного электролита. 4. A capacitor with a double electric layer according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the second electrode is non-polarizable and contains substances that are capable of being reversibly electrochemically oxidized and reduced in the environment of this molten electrolyte as an active material. 5. Конденсатор с двойным электрическим слоем по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что неполяризуемый электрод содержит в качестве активного материала металл первой, или второй, или третьей групп периодической системы, или их смесь, или их сплав с углеродом, или кремнием, или бором, или другими металлами. 5. A capacitor with a double electric layer according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the non-polarizable electrode contains as the active material a metal of the first, or second, or third groups of the periodic system, or a mixture thereof, or an alloy thereof with carbon, or silicon, or boron, or other metals.
RU99110889/09A 1999-05-31 1999-05-31 Capacitor with double electric layer RU2166219C2 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99110889/09A RU2166219C2 (en) 1999-05-31 1999-05-31 Capacitor with double electric layer
PCT/RU2000/000346 WO2002019356A1 (en) 1999-05-31 2000-08-29 Electrochemical double-layer capacitor

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99110889/09A RU2166219C2 (en) 1999-05-31 1999-05-31 Capacitor with double electric layer
PCT/RU2000/000346 WO2002019356A1 (en) 1999-05-31 2000-08-29 Electrochemical double-layer capacitor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU99110889A RU99110889A (en) 2001-02-20
RU2166219C2 true RU2166219C2 (en) 2001-04-27

Family

ID=26653592

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU99110889/09A RU2166219C2 (en) 1999-05-31 1999-05-31 Capacitor with double electric layer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2166219C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2520183C2 (en) * 2012-07-11 2014-06-20 Закрытое акционерное общество "ЭЛТОН" Method to operate electrochemical capacitors

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2520183C2 (en) * 2012-07-11 2014-06-20 Закрытое акционерное общество "ЭЛТОН" Method to operate electrochemical capacitors

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sotomura et al. New organodisulfide—polyaniline composite cathode for secondary lithium battery
CA1168701A (en) Reversible electrochemical doping of conjugated polymers, and secondary batteries based thereon
US3922174A (en) Electrochemical cell
US3508967A (en) Negative lithium electrode and electrochemical battery containing the same
US3891457A (en) Electrochemical cell
US9117596B2 (en) Capacitor electrodes for lead-acid battery with surface-modified additives
JPH0454350B2 (en)
JP6298036B2 (en) High energy density liquid active material for flow batteries based on quinone
KR20100084666A (en) Recombinant hybrid energy storage device
JP6233335B2 (en) Non-aqueous electrolyte air battery and method of using the same
CA1155914A (en) Stable high drain battery
US20130288153A1 (en) Sodium-Sulfur Battery
FR2466873A1 (en) ELECTRIC GENERATOR WITH HIGH ENERGY DENSITY
CA1077562A (en) Electrode structure for electrical energy storage device
US3484296A (en) Low temperature battery
RU2166219C2 (en) Capacitor with double electric layer
JP2010086924A (en) Magnesium air secondary battery
US10305139B2 (en) Energy storage system
US3562017A (en) Non-aqueous electrolytes and electro-chemical batteries containing the same
JP2002025868A (en) Electric double-layer capacitor
US6791820B1 (en) Electrochemical capacitor having double electrical layer
CA2389727A1 (en) Capacitor development
EP0118026A1 (en) Secondary cell using polymeric material
JPH0266918A (en) Electric double layer capacitor
JP3239374B2 (en) Electrode composition

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20030601

NF4A Reinstatement of patent
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20070601

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20100727

QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE

Effective date: 20120813

QB4A Licence on use of patent

Free format text: SUB-LICENCE

Effective date: 20130613