RU2170467C1

RU2170467C1 - Double-layer capacitor

Info

Publication number: RU2170467C1
Application number: RU2000104358A
Authority: RU
Inventors: В.В. Бекеш; А.Г. Букин; В.Л. Туманов; Н.Н. Цыренщиков
Original assignee: Букин Андрей Геннадьевич
Priority date: 2000-02-24
Filing date: 2000-02-24
Publication date: 2001-07-10

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: capacitor has electrodes whose composition is modified by adding metal dioxide particles measuring 1-50 mcm in the amount of 1-10 volume percent. These particles are chosen from group of metals TiO₂, SiO₂, PbO₂, SnO₂ or their mixtures. Selected separator has different porosity through its thickness; pore size of external layers of separator used for shaping electrodes is from 5 to 100 mcm; that of intermediate layer of separator is below 5 mcm or does not exceed size of activated carbon particles; its thickness is 5-30 mcm and it incorporates moisture-absorbing material particles chosen from group of metals TiO₂, SiO₂ or their mixture. EFFECT: reduced internal resistance and enhanced specific power characteristics of capacitor. 4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конденсаторам с двойным электрическим слоем, предназначенным для работы в качестве импульсных источников тока (системы запуска двигателей, сварочные аппараты и т. п. ), а также для работы в качестве буферных накопителей электроэнергии в комбинированных установках (электромобили и др. транспортные средства). The invention relates to electrical engineering, in particular to capacitors with a double electric layer, designed to operate as pulsed current sources (engine starting systems, welding machines, etc.), as well as to work as buffer energy storage devices in combined installations (electric vehicles and other vehicles).

Известны конденсаторы, в которых электрическая энергия накапливается в двойном электрическом слое на границе раздела электрод-электролит. Один электрический слой образуется в приповерхностном слое электрода, а второй слой в контактирующем с электродом электролите. В основе таких конденсаторов два пористых электрода, разделенных ионопроводящим сепаратором. Электроды и сепараторы пропитаны жидким электролитом. Для подвода и отвода заряда с внешних сторон электродов установлены токоподводящие обкладки из тонколистового металла, непроницаемые для электролита и электрически разделенные по периметру диэлектрической прокладкой. Электроды в известных конденсаторах с двойным электрическим слоем выполнены либо твердотельными путем прессования либо тонко измельченного активированного угля, либо смеси активированного угля с полимерным связующим. Электроды при данных вариантах изготовления получаются хрупкими и требуют осторожного обращения при изготовлении конденсаторов, а также не позволяют обеспечить высокую надежность их работы. Capacitors are known in which electrical energy is stored in a double electric layer at the electrode-electrolyte interface. One electric layer is formed in the surface layer of the electrode, and the second layer is in contact with the electrode electrolyte. These capacitors are based on two porous electrodes separated by an ion-conducting separator. Electrodes and separators are impregnated with liquid electrolyte. For supply and removal of charge from the outer sides of the electrodes, current-conducting plates of sheet metal are installed, impermeable to electrolyte and electrically separated along the perimeter by a dielectric gasket. The electrodes in known double electric layer capacitors are either solid state by pressing either finely divided activated carbon or a mixture of activated carbon with a polymer binder. The electrodes with these manufacturing options are fragile and require careful handling in the manufacture of capacitors, and also do not allow for high reliability of their work.

Известен также конденсатор с двойным электрическим слоем (патент РФ N2041518, кл. H 01 G 9/00. 27.10.92.), содержащий два пропитанных электролитом электрода, изготовленных из смеси частиц активированного угля (смесь частиц размером 5-50 мкм и частиц размером 0,5-5,0 мкм, последние в пределах 10-50 мас. %), полимерного связующего и пористого эластичного диэлектрика в количестве от 1 до 30%. Электроды разделены между собой ионопроводящим сепаратором. С внешних сторон электродов установлены непроницаемые для электролита и инертные к нему токосъемники, электрически разделенные по периметру диэлектрическими герметизирующими прокладками. В качестве частиц пористого эластичного диэлектрика размером 1-50 мкм используется поропласт, микропористая резина, полиспирты и полисахариды. Частицы пористого эластичного диэлектрика могут быть выполнены в виде волокон. A double electric layer capacitor is also known (RF patent N2041518, class H 01 G 9/00. 10.27.92.) Containing two electrolyte-impregnated electrodes made from a mixture of activated carbon particles (a mixture of particles of 5-50 microns in size and particles in size 0.5-5.0 μm, the latter in the range of 10-50 wt.%), A polymer binder and a porous elastic dielectric in an amount of from 1 to 30%. The electrodes are separated by an ion-conducting separator. On the outer sides of the electrodes are installed impermeable to electrolyte and inert to it current collectors, electrically separated around the perimeter by dielectric sealing gaskets. As particles of a porous elastic dielectric with a size of 1-50 μm, poroplast, microporous rubber, polyalcohols and polysaccharides are used. Particles of a porous elastic dielectric can be made in the form of fibers.

Введение частиц пористого эластичного диэлектрика типа поропласт или микропористая резина приводит к ухудшению гидрофильности электродов, формированию закрытых пор и образованию газовых микрополостей, что в свою очередь приводит к увеличению внутреннего сопротивления конденсатора. The introduction of particles of a porous elastic dielectric such as poroplast or microporous rubber leads to a deterioration in the hydrophilicity of the electrodes, the formation of closed pores and the formation of gas microcavities, which in turn leads to an increase in the internal resistance of the capacitor.

Целью изобретения является снижение внутреннего сопротивления конденсатора и увеличение удельных энергетических параметров. The aim of the invention is to reduce the internal resistance of the capacitor and increase the specific energy parameters.

Указанная цель достигается тем, что в конденсаторе с двойным электрическим слоем, содержащим два пропитанных электролитом электрода, изготовленных из смеси активированного угля, полимерного связующего и пористого эластичного диэлектрика и разделенных ионопроводящим сепаратором, а также два непроницаемых для электролита и инертных к нему токосъемника, примыкающих к электродам и разделенных по периметру диэлектрической герметизирующей прокладкой, согласно изобретению смесь, из которой изготовлены электроды, дополнительно содержит от 1 до 20 об.% гигроскопических частиц диоксидов металла размером от 1 до 50 мкм. This goal is achieved by the fact that in a capacitor with a double electric layer containing two electrolyte-impregnated electrodes made of a mixture of activated carbon, a polymer binder and a porous elastic dielectric and separated by an ion-conductive separator, as well as two impermeable electrolytes and inert current collectors adjacent to it electrodes and separated around the perimeter by a dielectric sealing gasket, according to the invention, the mixture from which the electrodes are made, further comprises t 1 to 20 vol.% hygroscopic particles of metal dioxides with a size of from 1 to 50 microns.

Поставленная цель также достигается тем, что диоксид металла выбран из группы, содержащей SiO₂, TiO₂, PbO₂, SnO₂ или их смеси.This goal is also achieved by the fact that the metal dioxide is selected from the group consisting of SiO ₂ , TiO ₂ , PbO ₂ , SnO ₂ or mixtures thereof.

Поставленная цель также достигается тем, что сепаратор выполнен с различной пористостью по толщине, причем внешние слои сепаратора, используемые для формирования электродов имеют пористость от 5 до 100 мкм, а средний слой сепаратора имеет пористость менее 5 мкм. This goal is also achieved by the fact that the separator is made with different porosity in thickness, and the outer layers of the separator used to form the electrodes have porosity from 5 to 100 microns, and the middle layer of the separator has a porosity of less than 5 microns.

Поставленная цель достигается также тем, что средний слой имеет толщину от 5 до 30 мкм и содержит гигроскопические частицы, размер которых не превышает размера частиц активированного угля, используемого в смеси, из которой изготовлены электроды. =Предпочтительно в качестве гигроскопических частиц для среднего сепаратора использовать TiO₂, SiO₂ или их смеси.This goal is also achieved by the fact that the middle layer has a thickness of 5 to 30 μm and contains hygroscopic particles whose size does not exceed the particle size of the activated carbon used in the mixture from which the electrodes are made. = It is preferable to use TiO ₂ , SiO ₂ or mixtures thereof as hygroscopic particles for the middle separator.

Конденсатор с двойным электрическим слоем предназначен для заряда от источника тока и последующего разряда на нагрузку. При заряде и разряде конденсатора электрический ток переносится электронами и ионами. Электронопроводная структура, образованная в электроде совокупностью частиц активированного угля, и ионопроводный каркас из частиц пористого эластичного диэлектрика и частиц гигроскопического материала, пропитанных электролитом, улучшают ионную проводимость и снижают внутренне сопротивление конденсатора. Добавки PbO₂ и SnO₂ позволяют повысить активность электродов и удельные энергетические параметры конденсатора.The capacitor with a double electric layer is designed to charge from a current source and subsequent discharge to the load. When a capacitor charges and discharges, an electric current is carried by electrons and ions. An electrically conductive structure formed in the electrode by a combination of activated carbon particles and an ion-conductive framework of porous elastic dielectric particles and particles of hygroscopic material impregnated with an electrolyte improve ion conductivity and reduce the internal resistance of the capacitor. Additives PbO ₂ and SnO ₂ can increase the activity of the electrodes and the specific energy parameters of the capacitor.

Приведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность признаков, изложенных в формуле, неизвестна. Это позволяет сделать вывод, что заявленное устройство соответствует критерию "новизна". The above analysis of the prior art showed that the claimed combination of features set forth in the formula is unknown. This allows us to conclude that the claimed device meets the criterion of "novelty."

Для проверки соответствия заявляемого изобретения критерию "изобретательский уровень" проведен поиск технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа заявляемого изобретения. To verify the conformity of the claimed invention to the criterion of "inventive step", a search was made for technical solutions in order to identify features that match the distinctive features of the prototype of the claimed invention.

Установлено, что заявляемое изобретение не следует для специалиста в данной области явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень". It is established that the claimed invention does not follow for a person skilled in the art explicitly from the prior art. Therefore, the claimed invention meets the criterion of "inventive step".

Сущность изобретения поясняется чертежами и описанием. The invention is illustrated by drawings and description.

На фиг. 1 изображено поперечное сечение единичного конденсатора с двойным электрическим слоем (на практике, как правило, применяются батареи конденсаторов). In FIG. 1 shows the cross section of a single capacitor with a double electric layer (in practice, capacitor banks are usually used).

На фиг. 2 представлена конструктивная схема сепаратора, а на фиг. 3 - конструктивная схема системы электрод-сепаратор-электрод. In FIG. 2 is a structural diagram of a separator, and FIG. 3 is a structural diagram of an electrode-separator-electrode system.

Предлагаемый по изобретению конденсатор с двойным электрическим слоем (фиг. 1) содержит два электрода 1, разделенных сепаратором 2, с внешних сторон которых установлены токосъемники 3 (изготовленные из тонколистового непроницаемого для электролита и инертного к нему металла), изолированные между собой диэлектрической герметизирующей прокладкой 4. Сепаратор и электроды пропитаны электролитом. The double electric layer capacitor according to the invention (Fig. 1) contains two electrodes 1, separated by a separator 2, on the external sides of which current collectors 3 are installed (made of thin-sheet impermeable to electrolyte and inert metal to it) insulated with a dielectric sealing gasket 4 The separator and electrodes are impregnated with electrolyte.

Сепаратор 5, состоящий из частиц или волокон 6, в предлагаемом конденсаторе (фиг. 2) имеет различную послойную (три характерных слоя) пористую структуру. Внешние слои 7 сепаратора 5 имеют пористость, соответствующую пористости исходного материала сепаратора и достаточную для проникновения в структуру сепаратора частиц активированного угля и гигроскопического материала. Средний слой 8 сепаратора 5 содержит частицы гигроскопического материала 9, вносимые в структуру сепаратора 5, например, методом просачивания с двух сторон при различных перепадах давления. 10 - газовые поры сепаратора, заполняемые после сборки конденсатора электролитом. The separator 5, consisting of particles or fibers 6, in the proposed capacitor (Fig. 2) has a different layer-by-layer (three characteristic layers) porous structure. The outer layers 7 of the separator 5 have a porosity corresponding to the porosity of the source material of the separator and sufficient for penetration of activated carbon particles and absorbent material into the separator structure. The middle layer 8 of the separator 5 contains particles of absorbent material 9 introduced into the structure of the separator 5, for example, by percolation from two sides at various pressure drops. 10 - gas pores of the separator, filled after the assembly of the capacitor with electrolyte.

Сборка из сепаратора с нанесенными с двух сторон электродами показана на фиг. 3. Электроды 1 изготовлены с учетом внедрения активной смеси, содержащей частицы активированного угля 10, полимерного связующего 11, пористого эластичного диэлектрика 12 и гигроскопического материала 13, во внешние слои 7 сепаратора 5. Средний слой 9 сепаратора 5 имеет структуру, приведенную на фиг. 2, и его поры не позволяют проникнуть частицам активной смеси в указанный слой. 14 - газовые поры электродов, которые заполняются после сборки конденсатора электролитом. An assembly of a separator with electrodes deposited on both sides is shown in FIG. 3. The electrodes 1 are made taking into account the introduction of an active mixture containing activated carbon particles 10, a polymer binder 11, a porous elastic dielectric 12, and absorbent material 13 into the outer layers 7 of the separator 5. The middle layer 9 of the separator 5 has the structure shown in FIG. 2, and its pores do not allow the particles of the active mixture to penetrate into the specified layer. 14 - gas pores of the electrodes, which are filled after the capacitor is assembled with electrolyte.

Заявленный конденсатор с двойным электрическим слоем был реализован на макете с наружным диаметром 200 мм (диаметр активной поверхности - 290 мм). Токосъемники изготовлены из конструкционной листовой стали толщиной 0,3 мм. Сепаратор из волокнистого материала с пористостью 60%, размер пор внешних слоев от 5 до 100 мкм, размер пор среднего слоя с введенными частицами TiO₂ размером 3-20 мкм, толщина сепаратора 100 мкм. Активная смесь электродов содержала 74% активированного угля, 15% элементного углерода, 8% - PbO₂, 3% пористого диэлектрика. Толщина электродов 200 мкм. Средний слой сепаратора 25 мкм. Внутреннее сопротивление конденсатора уменьшилось на 40%, а удельная энергия возросла на 15%.The claimed capacitor with a double electric layer was implemented on a model with an outer diameter of 200 mm (diameter of the active surface - 290 mm). Current collectors are made of structural sheet steel 0.3 mm thick. A separator of fibrous material with a porosity of 60%, the pore size of the outer layers is from 5 to 100 μm, the pore size of the middle layer with introduced TiO ₂ particles of 3-20 μm in size, the separator thickness is 100 μm. The active mixture of electrodes contained 74% activated carbon, 15% elemental carbon, 8% PbO ₂ , 3% porous dielectric. The thickness of the electrodes is 200 microns. The middle layer of the separator is 25 microns. The internal resistance of the capacitor decreased by 40%, and the specific energy increased by 15%.

На основании изложенного можно сделать вывод, что заявляемое изобретение может быть использовано на практике с достижением указанного технического результата и, следовательно, соответствует критерию "промышленная применимость". Based on the foregoing, we can conclude that the claimed invention can be used in practice to achieve the specified technical result and, therefore, meets the criterion of "industrial applicability".

Claims

1. The capacitor with a double electric layer containing two electrolyte-impregnated electrodes made of a mixture of activated carbon, a polymer binder and a porous elastic dielectric, and separated by an ion-conductive separator, as well as two impermeable to the electrolyte and inert current collector adjacent to the electrodes and separated by perimeter by a dielectric sealing gasket, characterized in that the mixture from which the electrodes are made additionally contains 1 to 20 vol.% hygroscopic particles of wild metal ide size of 1 - 50 microns, selected from the group consisting of SiO _2, TiO _2, PbO _2, SnO ₂ or mixtures thereof.

2. The capacitor according to claim 1, characterized in that the separator is made with different porosity in thickness, the outer layers of the separator used to form the electrodes have a pore size of 5-100 μm, and the middle layer of the separator has a pore size of less than 5 μm.

3. The capacitor according to claim 2, characterized in that the middle layer of the separator has a thickness of 5-30 μm and contains hygroscopic particles whose size does not exceed the particle size of the activated carbon used in the mixture from which the electrodes are made.

4. The capacitor according to claim 3, characterized in that the absorbent particles are selected from the group consisting of TiO ₂ , SiO _2, or a mixture thereof.