RU2190895C2

RU2190895C2 - Double-layer capacitor

Info

Publication number: RU2190895C2
Application number: RU2000123530A
Authority: RU
Inventors: А.Е. Вишневский; А.Ф. Герасимов; Г.И. Емельянов
Original assignee: Вишневский Александр Евгеньевич; Герасимов Аркадий Федорович; Голиков Михаил Валерьевич; Емельянов Геннадий Иванович
Priority date: 2000-09-13
Filing date: 2000-09-13
Publication date: 2002-10-10

Abstract

FIELD: electrical engineering; low- voltage storage capacitors. SUBSTANCE: capacitor has case accommodating at least one stack of n storage sections placed between current-carrying strips connected to capacitor power leads, each section incorporating plate and two electrolyte-impregnated porous electrodes with separator in-between; tie plates closing case at butt ends and used to compress stack of storage sections, side inner insulator mounted between storage sections and case, and inner butt-end insulator disposed between current-carrying strips and tie plates; novelty is that current-carrying strips are brought in direct mechanical contact with electrodes of extreme storage sections and each of capacitor plates whose quantity equals n 1 is in direct mechanical contact with two electrodes of adjacent storage sections; spaces between edges of current-carrying strip, capacitor plates, and separators projecting beyond electrode surfaces are filled with insulating material common for all storage sections of insulator; the latter and side insulator abutting against inner surface of case form nonsplit joint. EFFECT: facilitated manufacture, improved sealing of inner space and each storage section, reduced internal resistance, enhanced specific power characteristics, reduced material input. 14 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности - к конструкции низковольтных накопительных конденсаторов. The invention relates to electrical engineering, in particular to the design of low-voltage storage capacitors.

Известен конденсатор с двойным электрическим слоем (КДЭС), содержащий корпус, внутри которого между токосъемниками, выполненными в виде пластин, размещены накопительные секции, каждая из которых включает пропитанные электролитом пористые электроды, разделенные ионопроводящим сепаратором, силовые плиты, закрывающие корпус с торцов и сжимающие накопительные секции, и внутренние изоляторы (патент РФ 2036523, МПК Н 01 G 9/00, 1995). Known capacitor with a double electric layer (KDES), comprising a housing, inside of which between the current collectors, made in the form of plates, storage sections are placed, each of which includes porous electrodes impregnated with electrolyte, separated by an ion-conductive separator, power plates that cover the housing from the ends and compressive storage sections, and internal insulators (RF patent 2036523, IPC H 01 G 9/00, 1995).

К недостаткам конденсатора относится наличие двух токосъемных пластин для каждой накопительной секции. При такой конструкции электрический контакт между накопительными секциями осуществляется по поверхностям соседних пластин, что является причиной увеличения внутреннего сопротивления конденсатора. Наличие большого количества пластин приводит к увеличению веса конденсатора и снижению его удельных параметров, в частности энергии и емкости на единицу веса и объема. The disadvantages of the capacitor are the presence of two collector plates for each storage section. With this design, electrical contact between the storage sections is carried out on the surfaces of adjacent plates, which is the reason for the increase in the internal resistance of the capacitor. The presence of a large number of plates leads to an increase in the weight of the capacitor and a decrease in its specific parameters, in particular, energy and capacity per unit weight and volume.

Известен также КДЭС (заявка РСТ 92/12521, МПК Н 01 G 9/00, 1992), содержащий корпус, внутри которого размещен снабженный изоляторами и внутренними токоведущими пластинами пакет накопительных секций, установленных друг на друга и сжатых между силовыми плитами, закрывающими корпус с торцов. Каждая накопительная секция имеет пропитанные электролитом два твердых пористых электрода, разделенных сепаратором также пропитанным электролитом, и две обкладки из пластичного металлического листа. Сепаратор снабжен неразъемной опорной рамкой из диэлектрического материала, с которой герметично соединены кромки обкладок. Also known is KDES (application PCT 92/12521, IPC N 01 G 9/00, 1992), comprising a housing, inside of which there is a stack of storage sections equipped with insulators and internal current-carrying plates installed on top of each other and compressed between power plates covering the housing with end faces. Each storage section has two solid porous electrodes impregnated with electrolyte, separated by a separator also impregnated with electrolyte, and two plates of plastic metal sheet. The separator is equipped with an integral support frame made of dielectric material, to which the edges of the plates are hermetically connected.

К недостаткам конденсатора относится наличие двух обкладок в каждой секции, что приводит к увеличению внутреннего сопротивления конденсатора, а также то, что при большом количестве накопительных секций (десятки, сотни) данная конструкция является нетехнологичной. Это объясняется тем, что для изготовления отдельной накопительной секции требуется нанесение клея герметика на поверхностные кромки сепаратора и профилированную кромку обкладки, заправка электролитом каждой накопительной секции через технологические отверстия, затем удаление избытка электролита и заделка отверстий. The disadvantages of the capacitor include the presence of two plates in each section, which leads to an increase in the internal resistance of the capacitor, as well as the fact that with a large number of storage sections (tens, hundreds) this design is not technologically advanced. This is explained by the fact that for the manufacture of a separate storage section, it is necessary to apply sealant glue to the surface edges of the separator and the profiled edge of the lining, to charge each storage section with electrolyte through technological holes, then remove excess electrolyte and seal the holes.

Пакет накопительных секций в известном КДЭС устанавливается между внутренними токоведущими пластинами. Возникающее при этом дополнительное контактное сопротивление также является причиной увеличения общего внутреннего сопротивления конденсатора. A package of storage sections in the well-known CDES is installed between the internal current-carrying plates. The resulting additional contact resistance is also the reason for the increase in the total internal resistance of the capacitor.

Задачей изобретения является повышение удельных энергетических параметров конденсатора и технологичности его конструкции. The objective of the invention is to increase the specific energy parameters of the capacitor and the manufacturability of its design.

Поставленная задача решается путем того, что в конденсаторе с двойным электрическим слоем, содержащем корпус, внутри которого между токоведущими пластинами, соединенными с токовыводами конденсатора, размещен по меньшей мере один пакет из n накопительных секций, каждая из которых включает обкладку и два пропитанных электролитом пористых электрода, разделенных сепаратором, силовые плиты, закрывающие корпус с торцов и сжимающие пакет накопительных секций, боковой внутренний изолятор, размещенный между накопительными секциями и корпусом, и торцевой внутренний изолятор, размещенный между токоведущими пластинами и силовыми плитами, согласно изобретению токоведущие пластины механически контактируют непосредственно с электродами крайних накопительных секций, а каждая из обкладок, количество которых равно n-1, механически контактирует непосредственно с двумя электродами расположенных рядом накопительных секций, причем полости между выступающими за поверхность электродов краями токоведущих пластин, обкладок и сепараторов заполнены диэлектрическим материалом общего для всех накопительных секций изолятора, образующего с боковым изолятором, прилегающим к внутренней поверхности корпуса, неразъемное соединение. The problem is solved by the fact that in the capacitor with a double electric layer containing a housing, inside of which between current-carrying plates connected to the current-outputs of the capacitor, at least one package of n storage sections is placed, each of which includes a lining and two porous electrolyte-impregnated porous electrodes separated by a separator, power plates covering the housing from the ends and compressing the stack of storage sections, a side internal insulator located between the storage sections and the housing, and an internal end insulator located between the current-carrying plates and power plates, according to the invention, the current-carrying plates are mechanically contacted directly with the electrodes of the extreme storage sections, and each of the plates, the number of which is n-1, is mechanically contacted directly with two electrodes of the adjacent storage sections, moreover the cavities between the edges of the current-carrying plates, plates and separators protruding beyond the surface of the electrodes are filled with a dielectric material common to collecting all sections of the insulator, forming a lateral insulator adjacent to the inner surface of the housing, permanent connection.

При изготовлении конденсатора сначала осуществляется заполнение диэлектрическим материалом упомянутых выше полостей между выступающими за поверхность электродов краями токоведущих пластин, обкладок и сепараторов для формирования изолятора, прилегающего непосредственно к накопительным секциям, а затем - формирование изолятора, прилегающего к внутренней поверхности корпуса. In the manufacture of a capacitor, the above-mentioned cavities are first filled with dielectric material between the edges of the current-carrying plates, plates and separators protruding beyond the surface of the electrodes to form an insulator adjacent directly to the storage sections, and then an insulator adjacent to the inner surface of the housing is formed.

Такая конструкция обеспечивает уменьшение внутреннего сопротивления и надежную герметизацию внутренней полости конденсатора в целом и каждой накопительной секции в отдельности. This design provides a decrease in internal resistance and reliable sealing of the internal cavity of the capacitor as a whole and each storage section separately.

Токоведущие пластины целесообразно выполнять из металлического листа толщиной 0,1-3 мм, непроницаемого для электролита и инертного к нему, а обкладки - из металлической фольги толщиной 1-150 мкм, также непроницаемой для электролита и инертной к нему. Для изготовления токоведущих пластин и обкладок могут быть использованы железо, никель, титан или их сплавы. It is advisable to conduct current-carrying plates from a metal sheet with a thickness of 0.1-3 mm, impermeable to the electrolyte and inert to it, and the plates from a metal foil 1-150 μm thick, also impermeable to the electrolyte and inert to it. For the manufacture of current-carrying plates and plates, iron, nickel, titanium or their alloys can be used.

Сепараторы могут включать по меньшей мере один слой пористой бумаги, имеющий толщину 10-200 мкм и состоящий из химически инертных к электролиту волокон (стекло, полипропилен, асбест) и связующего. The separators may include at least one layer of porous paper having a thickness of 10-200 μm and consisting of fibers chemically inert to the electrolyte (glass, polypropylene, asbestos) and a binder.

Электроды могут быть выполнены из углеродсодержащего материала (активированный уголь, сажа, графит) с удельной поверхностью 1-3000 м²/г, а в качестве электролита целесообразно использовать водный раствор щелочи (например, КОН, NaOH, LiOH, RbOH, CsOH) или смеси щелочей с концентрацией 5-60 масс.%.The electrodes can be made of carbon-containing material (activated carbon, carbon black, graphite) with a specific surface area of 1-3000 m ² / g, and it is advisable to use an aqueous alkali solution (for example, KOH, NaOH, LiOH, RbOH, CsOH) or a mixture alkalis with a concentration of 5-60 wt.%.

Электролит может дополнительно содержать карбонат по меньшей мере одной щелочи, использованной для его приготовления, в концентрации 0,01-15 масс.%. The electrolyte may further comprise carbonate of at least one alkali used for its preparation at a concentration of 0.01-15 wt.%.

Целесообразно, чтобы объемное содержание электролита в каждой накопительной секции составляло 50-99% от суммарного объема пор электродов и сепараторов. It is advisable that the volumetric electrolyte content in each storage section is 50-99% of the total pore volume of the electrodes and separators.

Края токоведущих пластин, обкладок и сепараторов могут выступать за поверхность электродов на высоту 0,5-15 мм, при этом отношение высоты выступающих краев упомянутых элементов к толщине электродов, как правило, составляет 1-100. The edges of current-carrying plates, plates and separators can protrude beyond the surface of the electrodes to a height of 0.5-15 mm, while the ratio of the height of the protruding edges of the mentioned elements to the thickness of the electrodes, as a rule, is 1-100.

Электроды, сепараторы, токоведущие пластины и обкладки обычно имеют форму дисков, причем диаметры сепараторов, токоведущих пластин и обкладок в 1,01-1,2 раза больше диаметров электродов. The electrodes, separators, current-carrying plates and plates are usually in the form of disks, and the diameters of separators, current-carrying plates and plates are 1.01-1.2 times the diameters of the electrodes.

Для заполнения полостей, образованных выступающими за поверхность электродов краями токоведущих пластин, обкладок и сепараторов, и для выполнения бокового изолятора, прилегающего к внутренней поверхности корпуса, может быть использован компаунд, включающий эпоксидную смолу, пластификатор и отвердитель. Целесообразно дополнительно включать в состав компаунда наполнитель, представляющий собой порошок окисла металла, например кремния или алюминия или их смеси, имеющий частицы со средним размером, составляющим 0,001-0,5 толщины электрода. To fill the cavities formed by the edges of current-carrying plates, plates and separators protruding beyond the surface of the electrodes, and to make a side insulator adjacent to the inner surface of the housing, a compound including epoxy resin, plasticizer, and hardener can be used. It is advisable to additionally include in the composition of the compound a filler, which is a powder of a metal oxide, for example silicon or aluminum, or a mixture thereof, having particles with an average size of 0.001-0.5 of the electrode thickness.

Содержание наполнителя в компаунде, заполняющем полости, образованные выступающими за поверхность электродов краями токоведущих пластин, обкладок и сепараторов, может быть в 1-10 раз меньше содержания наполнителя в компаунде, из которого выполнен боковой изолятор, прилегающий к внутренней поверхности корпуса. The filler content in the compound filling the cavities formed by the edges of the current-carrying plates, plates and separators protruding beyond the surface of the electrodes can be 1-10 times lower than the filler content in the compound of which the side insulator adjacent to the inner surface of the housing is made.

Выполнение пакетов накопительных секций, токоведущих пластин, обкладок и изоляторов в соответствии с приведенными выше данными позволяет получать конденсаторы различной емкости, типоразмеров и функционального назначения, имеющие высокие эксплуатационные показатели, невысокую стоимость и являющиеся технологичными в изготовлении. The implementation of packages of storage sections, current-carrying plates, plates and insulators in accordance with the above data allows to obtain capacitors of various capacities, sizes and functional purposes, having high performance, low cost and technologically advanced to manufacture.

На фиг. 1 представлена структура пакета накопительных секций предлагаемого конденсатора. In FIG. 1 shows the structure of the stack of storage sections of the proposed capacitor.

На фиг.2 - КДЭС с одним пакетом из двух накопительных секций. Figure 2 - KDES with one package of two storage sections.

Конденсатор содержит цилиндрический корпус 1, силовые плиты 2, приваренные к корпусу, положительный и отрицательный токовыводы 3, 4, токоведущие пластины 5, торцевые внутренние изоляторы 6, расположенные между силовыми плитами и токоведущими пластинами, накопительные секции, каждая из которых содержит два пропитанных электролитом пористых электрода 7, 8, разделенных ионопроводящим сепаратором 9. Сепаратор может содержать один, два или более слоев 10, 11 пористой бумаги. Между накопительными секциями расположены обкладки 12. Полости между выступающими за поверхность электродов на высоту h краями токоведущих пластин, обкладок и сепараторов заполнены диэлектрическим материалом общего для всех накопительных секций изолятора 13, образующего с боковым изолятором 14, прилегающим к внутренней поверхности корпуса, неразъемное соединение. Целесообразно, чтобы отношение высоты h упомянутых выше краев к толщине l электродов было в пределах от 1 до 100. The capacitor contains a cylindrical body 1, power plates 2 welded to the body, positive and negative current leads 3, 4, current-carrying plates 5, end internal insulators 6 located between the power plates and current-carrying plates, storage sections, each of which contains two porous electrolyte-impregnated porous the electrode 7, 8, separated by an ion-conducting separator 9. The separator may contain one, two or more layers 10, 11 of porous paper. The plates 12 are located between the storage sections. The cavities between the edges of the current-carrying plates, plates and separators protruding beyond the surface of the electrodes to a height h are filled with dielectric material of the insulator 13 common to all storage sections, which forms an integral connection with the side insulator 14 adjacent to the inner surface of the housing. It is advisable that the ratio of the height h of the above edges to the thickness l of the electrodes be in the range from 1 to 100.

Конденсатор работает следующим образом. The capacitor works as follows.

При заряде ток протекает от положительного токовывода 3 к токоведущей пластине 5, которая распределяет ток равномерно по габаритной поверхности контактирующего с ней положительного электрода 8 крайней накопительной секции. Внутри положительного пористого электрода на границе контакта углеродного материала и электролита электронные носители тока замещаются на ионные. При этом происходит заряд емкости двойного электрического слоя (ДЭС) на границе контакта. Аналогичный заряд ДЭС происходит в отрицательном электроде 7 накопительной секции, где носители тока меняются с ионных на электронные. Сепаратор 9 препятствует прямому переносу электронного тока с одного электрода на другой в пределах одной накопительной секции. Электронный ток снимается с отрицательного электрода 7 на прилегающую обкладку 12, передается на положительный электрод 8 соседней накопительной секции и т. д. до съема тока второй токосъемной пластиной 5 и отрицательным токовыводом 4. When charging, the current flows from the positive current lead 3 to the current-carrying plate 5, which distributes the current evenly over the overall surface of the positive electrode 8 in contact with the extreme storage section. Inside the positive porous electrode at the interface between the carbon material and the electrolyte, the electronic current carriers are replaced by ionic ones. When this occurs, the charge of the capacitance of the double electric layer (DEL) at the contact boundary. A similar DEL charge occurs in the negative electrode 7 of the storage section, where current carriers change from ionic to electronic. The separator 9 prevents the direct transfer of electronic current from one electrode to another within the same storage section. The electronic current is removed from the negative electrode 7 to the adjacent plate 12, transmitted to the positive electrode 8 of the adjacent storage section, etc., until the current is removed by the second current-collecting plate 5 and negative current output 4.

При разряде токи меняют направление на противоположное. When discharged, currents reverse direction.

Claims

1. A capacitor with a double electric layer, comprising a housing, inside of which between current-carrying plates connected to the current outputs of the capacitor, at least one package of "n" storage sections is placed, each of which includes a plate and two porous electrolyte-impregnated porous electrodes separated by a separator, power plates covering the housing from the ends and compressing the stack of storage sections, a side internal insulator located between the storage sections and the housing, and an end internal insulator located between current-carrying plates and power plates, characterized in that the current-carrying plates mechanically contact directly with the electrodes of the extreme storage sections, and each of the plates mechanically contacts directly with two electrodes located adjacent to the storage sections, the cavities between the edges of the current-carrying plates protruding beyond the electrode surface, the plates and separators filled with dielectric material? forming with a side insulator adjacent to the inner surface of the housing, one-piece connection.

2. The capacitor according to claim 1, characterized in that the current-carrying plates are made of a metal sheet with a thickness of 0.1-3 mm, impermeable to the electrolyte and inert to it.

3. The capacitor according to one of claims 1 and 2, characterized in that each of the plates is made of a metal foil 1-150 μm thick, impermeable to an electrolyte and inert to it.

4. The capacitor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the separators include at least one layer of porous paper having a thickness of 10-200 μm and consisting of fibers and a binder chemically inert to the electrolyte.

5. The capacitor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the electrodes are made of carbon-containing material with a specific surface area of 1-3000 m ² / g.

6. The capacitor according to one of claims 1 to 5, characterized in that an aqueous alkali solution or alkali mixture with a concentration of 5-60 wt.% Is used as an electrolyte.

7. The capacitor according to claim 6, characterized in that the electrolyte further comprises carbonate of at least one alkali used to prepare it, in a concentration of 0.01-15 wt.%.

8. The capacitor according to one of claims 1 to 7, characterized in that the volumetric content of electrolyte in each storage section is 50-99% of the total pore volume of the electrodes and separators.

9. The capacitor according to one of claims 1 to 8, characterized in that the edges of the current-carrying plates, plates and separators protrude beyond the surface of the electrodes to a height of 0.5-15 mm.

10. The capacitor according to one of claims 1 to 9, characterized in that the ratio of the height of the edges of the current-carrying plates, plates and separators protruding beyond the surface of the electrodes to the thickness of the electrodes is 1-100.

11. The capacitor according to one of claims 1 to 10, characterized in that the electrodes, separators, current-carrying plates and plates are in the form of disks, and the diameters of the separators, plates and current-carrying plates are 1.01-1.2 times the diameters of the electrodes.

12. The capacitor according to one of claims 1 to 11, characterized in that to fill the cavities formed by the edges of the current-carrying plates, plates and separators protruding beyond the surface of the electrodes, and to make a side insulator adjacent to the inner surface of the housing, a compound comprising epoxy resin, plasticizer and hardener.

13. The capacitor according to claim 12, characterized in that the composition of the compound is additionally filled with a filler, which is a powder of a metal oxide, for example silicon or aluminum, or a mixture thereof, having particles with an average size of 0.001-0.5 of the electrode thickness.

14. The capacitor according to claim 13, characterized in that the filler content in the compound filling the cavities formed by the edges of the current-carrying plates, plates and separators protruding beyond the surface of the electrodes is 1-10 times lower than the filler content in the compound of which the side insulator is made, adjacent to the inner surface of the housing.