RU2520183C2 - Method to operate electrochemical capacitors - Google Patents

Method to operate electrochemical capacitors Download PDF

Info

Publication number
RU2520183C2
RU2520183C2 RU2012129307/07A RU2012129307A RU2520183C2 RU 2520183 C2 RU2520183 C2 RU 2520183C2 RU 2012129307/07 A RU2012129307/07 A RU 2012129307/07A RU 2012129307 A RU2012129307 A RU 2012129307A RU 2520183 C2 RU2520183 C2 RU 2520183C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
capacitor
charge
temperature
voltage
current
Prior art date
Application number
RU2012129307/07A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012129307A (en
Inventor
Алексей Борисович Степанов
Игорь Николаевич Варакин
Владимир Васильевич Менухов
Вячеслав Иванович Шумовский
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 RU2012129307/07A priority Critical patent/RU2520183C2/en
Publication of RU2012129307A publication Critical patent/RU2012129307A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2520183C2 publication Critical patent/RU2520183C2/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13Energy storage using capacitors

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: invention refers to the field of electric engineering and to a method of electrochemical capacitors operation. The suggested method includes connection of a capacitor to a current source, its charge up to the preset voltage, cassation of charge, and discharge, at that the temperature of the capacitor is measured preliminarily and against this temperature the maximum operating voltage of the charge excluding gas release is defined, and a calculation is made of the maximum charging voltage Umax, which is limited as per the formula Umax=k·t+b, where k and b are coefficients determined experimentally and depending on peculiarities of the capacitor design, t is the temperature, at that current of floating charge is calculated to measure coefficients k and b.
EFFECT: invention allows increase in the capacitor power and service life at operational safety ensured by optimisation of its charging conditions, which is recognised as a technical result of the invention.
2 dwg, 1 tbl, 2 ex

Description

Изобретение касается эксплуатации электрохимических конденсаторов (далее - конденсаторов или ЭК). Оно относится к конденсаторам с водным щелочным электролитом, пористым сепаратором и электродами, один из которых содержит в качестве активного материала активированный углеродный материал, а другой содержит в качестве активного материала гидроксид никеля [1].The invention relates to the operation of electrochemical capacitors (hereinafter - capacitors or EC). It relates to capacitors with an aqueous alkaline electrolyte, a porous separator, and electrodes, one of which contains activated carbon material as the active material, and the other contains nickel hydroxide as the active material [1].

Изобретение равным образом относится и к цепям, состоящим из последовательно, параллельно либо смешанным образом соединенных конденсаторов.The invention equally relates to circuits consisting of capacitors connected in series, in parallel or in a mixed manner.

Изобретение направлено на достижение высокой мощности разряда, длительного ресурса и высокой отдаваемой энергии в интервале температур от плюс 60°С и вплоть до точки замерзания электролита (около -60°С).The invention is aimed at achieving high discharge power, long life and high energy output in the temperature range from plus 60 ° C and up to the freezing point of the electrolyte (about -60 ° C).

Изобретение описывает как сам способ эксплуатации конденсаторов и батарей из них, так и метод определения некоторых важных при эксплуатации параметров.The invention describes both the method of operating capacitors and batteries from them, and the method of determining some parameters that are important during operation.

Изобретение может быть использовано, в частности, при эксплуатации электрохимических конденсаторов при запуске двигателей внутреннего сгорания в условиях низких температур, в том числе при запуске в зимних условиях двигателей автомобилей, тепловозных локомотивов, дизель-электростанций и т.д.The invention can be used, in particular, when operating electrochemical capacitors when starting internal combustion engines at low temperatures, including when starting in winter conditions of car engines, diesel locomotives, diesel power plants, etc.

Изобретение также может быть использовано для обеспечения безопасности и длительного ресурса при эксплуатации конденсаторов и модулей из них в условиях повышенных - до плюс 60°С - температур, позволяя избежать потери электролита и теплового разгона.The invention can also be used to ensure safety and long life during operation of capacitors and modules of them in conditions of elevated temperatures up to plus 60 ° C, avoiding loss of electrolyte and thermal acceleration.

Использование изобретения позволяет во всех случаях добиться сочетания высокой отдаваемой энергии и мощности с безопасностью и длительным сроком службы конденсаторов и модулей.The use of the invention allows in all cases to achieve a combination of high energy and power delivered with safety and a long service life of capacitors and modules.

Энергоемкость конденсаторов определяется, помимо особенностей конструкции и выбранной электрохимической системы, напряжением разложения электролита и емкостью двойного слоя, которые присущи применяемому электролиту. В случае водного электролита теоретическое напряжение разложения составляет 1,23 В, практическое же значение напряжения разложения всегда больше указанной величины и зависит от ряда факторов, включая природу электродных поверхностей, плотность тока, температуру и т.д. Разность теоретического и практического напряжений разложения электролита называется перенапряжением.The energy intensity of capacitors is determined, in addition to the design features and the selected electrochemical system, the electrolyte decomposition voltage and the double layer capacity, which are inherent in the used electrolyte. In the case of an aqueous electrolyte, the theoretical decomposition voltage is 1.23 V, but the practical value of the decomposition voltage is always greater than the specified value and depends on a number of factors, including the nature of the electrode surfaces, current density, temperature, etc. The difference between theoretical and practical electrolyte decomposition voltages is called overvoltage.

Известно, что при повышении температуры снижается перенапряжение электродных реакций. Наиболее важным является перенапряжение выделения кислорода на положительном электроде и перенапряжение выделения водорода на отрицательном электроде. Снижение перенапряжения с ростом температуры может привести к увеличению скорости саморазряда, а при попытке удержать высокое напряжение на конденсаторе может вызвать как потерю электролита из-за электролиза, так и вызвать «тепловой разгон» из-за прогрессирующего роста температуры устройства.It is known that with increasing temperature the overvoltage of electrode reactions decreases. The most important is the overvoltage of oxygen evolution at the positive electrode and the overvoltage of hydrogen evolution at the negative electrode. Reducing overvoltage with increasing temperature can lead to an increase in the rate of self-discharge, and when trying to keep a high voltage on the capacitor it can cause both loss of electrolyte due to electrolysis and cause “thermal acceleration” due to a progressive increase in the temperature of the device.

Известно, что с понижением температуры любого электролита его удельная электропроводность уменьшается, что приводит к росту внутреннего сопротивления конденсатора. Известно также, что при снижении температуры происходит снижение электростатической емкости конденсатора вследствие увеличения степени гидратации и, как следствие, роста ионных радиусов ионов электролита.It is known that with decreasing temperature of any electrolyte its specific conductivity decreases, which leads to an increase in the internal resistance of the capacitor. It is also known that when the temperature decreases, the electrostatic capacitance of the capacitor decreases due to an increase in the degree of hydration and, as a result, an increase in the ionic radius of electrolyte ions.

Снижение емкости и увеличение внутреннего сопротивления конденсаторов при низких температурах может приводить к низкой эффективности работы конденсаторов. Чем ниже температура, тем большая энергия при разряде рассеивается на внутреннем сопротивлении конденсатора и не доходит до потребителя.A decrease in capacitance and an increase in the internal resistance of capacitors at low temperatures can lead to poor capacitor performance. The lower the temperature, the greater the energy during the discharge is dissipated on the internal resistance of the capacitor and does not reach the consumer.

Поскольку энергия конденсатора Е связана с емкостью С и напряжением U соотношениемSince the energy of the capacitor E is connected with the capacitance C and voltage U by the ratio

E = C U 2 2

Figure 00000001
, E = C U 2 2
Figure 00000001
,

а максимальная мощность N связана с напряжением и с внутренним м сопротивлением R соотношениемand the maximum power N is connected with the voltage and with the internal m resistance R by the ratio

N = U 2 4 R

Figure 00000002
, N = U 2 four R
Figure 00000002
,

то становится понятным, что повышение напряжения на конденсаторе в условиях низких температур позволяет увеличить и отдаваемую энергию, и мощность. Отсюда становится также понятной и необходимость зарядить конденсатор перед его разрядом до напряжения, близкого к максимально допустимому.It becomes clear that increasing the voltage across the capacitor at low temperatures makes it possible to increase both the energy supplied and the power. From here it also becomes clear the need to charge the capacitor before it is discharged to a voltage close to the maximum allowable.

Определение оптимального напряжения на конденсаторе в зависимости от температуры является сложной технической задачей, поскольку эта зависимость определяется не только температурой, но и рядом конструктивных особенностей конденсаторов: геометрией электродного блока, химическим составом активных материалов, токовых коллекторов и электролита и т.д.Determining the optimal voltage across the capacitor as a function of temperature is a difficult technical task, since this dependence is determined not only by the temperature, but also by a number of design features of the capacitors: the geometry of the electrode unit, the chemical composition of the active materials, current collectors and electrolyte, etc.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ заряда и разряда конденсатора с двойным электрическим слоем, включающий подключение конденсатора к источнику тока, проведение его заряда до заданного напряжения, прекращение заряда и затем разряд [2]. Рабочее напряжение такого конденсатора составляет 1,3-1,5 В.The closest in technical essence to the proposed solution is a method of charging and discharging a capacitor with a double electric layer, including connecting the capacitor to a current source, conducting its charge to a given voltage, terminating the charge and then discharging [2]. The operating voltage of such a capacitor is 1.3-1.5 V.

Однако при температуре, например, 50 градусов такой конденсатор при напряжении 1,5 В имеет недопустимо большую величину тока утечки, а при температуре, например, минус 30 градусов энергоемкость его значительно снижается по сравнению с энергоемкостью при комнатной температуре в основном вследствие роста внутреннего сопротивления.However, at a temperature of, for example, 50 degrees, such a capacitor at a voltage of 1.5 V has an unacceptably large value of the leakage current, and at a temperature of, for example, minus 30 degrees, its energy intensity is significantly reduced compared to the energy intensity at room temperature, mainly due to an increase in internal resistance.

Цель изобретения достигается путем оптимизации условий его заряда.The purpose of the invention is achieved by optimizing the conditions of its charge.

Технический результат в предлагаемом способе эксплуатации электрохимических конденсаторов с водным щелочным электролитом, пористым сепаратором и электродами, один из которых содержит активированный углеродный материал, а другой содержит в качестве активного материала гидроксид никеля, включающем подключение конденсатора к источнику тока, проведение его заряда до заданного напряжения, прекращение заряда и разряд, достигается, согласно изобретению, тем, что предварительно измеряют температуру конденсатора, а по ней определяют максимальное рабочее напряжение заряда, при котором исключается разложение электролита и сопутствующее газовыделение.The technical result in the proposed method for the operation of electrochemical capacitors with an aqueous alkaline electrolyte, a porous separator and electrodes, one of which contains activated carbon material, and the other contains nickel hydroxide as an active material, including connecting the capacitor to a current source, holding its charge to a given voltage, cessation of charge and discharge, is achieved, according to the invention, by first measuring the temperature of the capacitor, and determine the maxim the total working voltage of the charge, at which decomposition of the electrolyte and concomitant gas evolution are excluded.

Изобретение включает в себя также и способ определения максимального напряжения, при котором исключено газовыделение.The invention also includes a method for determining the maximum voltage at which outgassing is excluded.

Согласно изобретению, максимальным допустимым напряжением считают такое наибольшее напряжение, при котором отсутствует газовыделение из конденсатора или рост давления в газовом пространстве конденсатора.According to the invention, the maximum allowable voltage is considered the highest voltage at which there is no gas evolution from the capacitor or an increase in pressure in the gas space of the capacitor.

Непрерывное газовыделение и сопутствующий ему рост давления невозможны, если ток непрерывного подзаряда i не превышает предельного тока диффузии кислорода, выделяющегося на положительном электроде. То, что именно диффузионные, а не кинетические ограничения определяют возможность подзаряда без выделения газа, связано с тем, что большая величина удельной поверхности отрицательного электрода и величина его потенциала, на много более отрицательная, чем равновесный потенциал кислородного электрода, обуславливают высокую скорость ионизации кислорода. Допустимый ток непрерывного подзаряда может быть вычислен по уравнениюContinuous gas evolution and a concomitant increase in pressure are not possible if the continuous charge current i does not exceed the limiting diffusion current of oxygen released on the positive electrode. The fact that it is diffusion rather than kinetic restrictions that determine the possibility of recharging without gas evolution is due to the fact that the large specific surface area of the negative electrode and its potential value, which are much more negative than the equilibrium potential of the oxygen electrode, determine the high rate of oxygen ionization. Permissible continuous charge current can be calculated by the equation

i 4 F S D λ a d λ 0 , ( 1 )

Figure 00000003
i four F S D λ a d λ 0 , ( one )
Figure 00000003

где i - ток непрерывного подзаряда конденсатора. А;where i is the continuous charge current of the capacitor. BUT;

F - число Фарадея, 96500 кулон/моль;F is the Faraday number, 96500 pendant / mol;

S - площадь межэлектродного зазора, м;S is the area of the interelectrode gap, m;

D - коэффициент диффузии кислорода в щелочном электролите, 0,6·10-9 м2/с;D is the diffusion coefficient of oxygen in an alkaline electrolyte, 0.6 · 10 -9 m 2 / s;

a - растворимость кислорода в щелочи, 0,16 моль/м3 [3, стр.93-95]; a is the solubility of oxygen in alkali, 0.16 mol / m 3 [3, p. 93-95];

d - толщина сепаратора, м;d is the thickness of the separator, m;

λ λ 0

Figure 00000004
- отношение удельных электропроводностеи сепаратора, пропитанного электролитом, и электролита. λ λ 0
Figure 00000004
- the ratio of the electrical conductivity of the separator impregnated with the electrolyte, and the electrolyte.

Уравнение (1) хорошо известно в электрохимии [3] и описывает процесс стационарной диффузии, когда скорость реакции ограничена диффузионным транспортом реагента и постоянна во времени.Equation (1) is well known in electrochemistry [3] and describes the stationary diffusion process, when the reaction rate is limited by the diffusion transport of the reagent and is constant in time.

При соблюдении соотношения (1) кислород, выделившийся на положительном электроде, полностью переносится в растворенном виде через пористый сепаратор и на отрицательном электроде ионизируется.Subject to relation (1), oxygen released at the positive electrode is completely transported in dissolved form through the porous separator and ionized at the negative electrode.

Так как ток выделения кислорода в стационарных условиях при условии его полной ионизации равен полному току, а ток ионизации кислорода равен току его генерации, то выделение водорода на отрицательном электроде в указанных условиях невозможно.Since the current of oxygen evolution under stationary conditions, provided that it is completely ionized, is equal to the total current, and the oxygen ionization current is equal to the current of its generation, it is impossible to produce hydrogen on a negative electrode under these conditions.

Приведенные выше численные значения постоянных a и D указаны для температуры 20°С. Опыт и расчеты показывают, что с ростом температуры растворимость кислорода в электролите убывает, а коэффициент диффузии кислорода увеличивается, при этом произведение Z постоянных а и D остается примерно постоянным и составляет около 10-10 моль·м-1·c-1. Таким образом, в широком диапазоне температур выполняется соотношениеThe above numerical values of the constants a and D are indicated for a temperature of 20 ° C. Experience and calculations show that with increasing temperature, the solubility of oxygen in the electrolyte decreases, and the diffusion coefficient of oxygen increases, while the product Z of the constants a and D remains approximately constant and amounts to about 10 -10 mol · m -1 · s -1 . Thus, in a wide temperature range, the relation

i 4 F S Z λ d λ 0 , ( 2 )

Figure 00000005
i four F S Z λ d λ 0 , ( 2 )
Figure 00000005

где Z=10-10 моль·м-1·c-1.where Z = 10 -10 mol · m -1 · s -1 .

Согласно изобретению, максимальное напряжение Umax, при котором в конденсаторе не происходит газовыделения, и температура t связаны соотношениемAccording to the invention, the maximum voltage U max at which no gas evolution occurs in the capacitor and the temperature t are related by the relation

U max = k t + b , ( 3 )

Figure 00000006
U max = k t + b , ( 3 )
Figure 00000006

где k и b - коэффициенты, определяемые экспериментально и зависящие от особенностей конструкции конденсатора: типа и толщины сепаратора, материала токовых коллекторов электродов и т.д.where k and b are experimentally determined coefficients that depend on the design features of the capacitor: the type and thickness of the separator, the material of the current collectors of the electrodes, etc.

Согласно изобретению, коэффициенты k и b определяют следующим образом:According to the invention, the coefficients k and b are determined as follows:

- рассчитывают величину i по уравнению (2) для заданной конструкции конденсатора;- calculate the value of i according to equation (2) for a given design of the capacitor;

- термостатируют конденсатор при температуре t1;- thermostat the capacitor at a temperature t1;

- выдерживают конденсатор при температуре t1, заряжая его током i до тех пор, пока не установится постоянное во времени напряжение U1;- maintain the capacitor at a temperature t1, charging it with a current i until a constant voltage U1 is established in time;

- охлаждают конденсатор до температуры t2, меньшей, чем t1, но не ниже, чем до температуры замерзания конденсатора;- cool the condenser to a temperature t2 less than t1, but not lower than to the freezing temperature of the condenser;

- выдерживают конденсатор при температуре t2, заряжая его током i до тех пор, пока не установится постоянное во времени напряжение U2;- maintain the capacitor at a temperature t2, charging it with a current i until a constant voltage U2 is established in time;

- вычисляют постоянные k и b для уравнения (3) или находят их графически.- calculate the constants k and b for equation (3) or find them graphically.

При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявленному, а, следовательно, данное изобретение соответствует критерию «новизна».When conducting patent research, no solutions were found that are identical to the claimed, and, therefore, this invention meets the criterion of "novelty."

Сущность изобретения не следует явным образом из известных решений, а, следовательно, предложенное решение соответствует критерию «изобретательский уровень».The invention does not follow explicitly from the known solutions, and, therefore, the proposed solution meets the criterion of "inventive step".

Сущность изобретения может быть пояснена следующими примерами.The invention can be illustrated by the following examples.

Пример 1Example 1

В качестве исходного объекта для испытаний использовали электрохимические конденсаторы (ЭК), в которых используются положительные электроды с гидроксидом никеля в качестве активного материала, конструктивно аналогичные электродам авиационных щелочных аккумуляторов. Отрицательные электроды были изготовлены из угольной ткани. Токовые коллекторы отрицательных электродов выполнены из никелевой фольги. Сепаратор - из нетканого полипропиленового материала, толщиной 0,2 мм. Электролит - 6N раствор KOH. Суммарная габаритная поверхность каждого полублока электродов составила 0,5 м.Electrochemical capacitors (EC) were used as the initial test object, in which positive electrodes with nickel hydroxide as an active material, structurally similar to electrodes of aviation alkaline batteries, are used. Negative electrodes were made of carbon cloth. Current collectors of negative electrodes are made of nickel foil. The separator is made of non-woven polypropylene material, 0.2 mm thick. The electrolyte is a 6N KOH solution. The total overall surface of each half-block of electrodes was 0.5 m.

Используя уравнение (2) и зная толщину сепаратора, его удельную электропроводность, а также площадь межэлектродного зазора, рассчитали максимально допустимый ток непрерывного подзаряда. Он составил 0,1 А.Using equation (2) and knowing the thickness of the separator, its electrical conductivity, and also the area of the interelectrode gap, we calculated the maximum allowable continuous charge current. He was 0.1 A.

Конденсаторы (2 шт.) поместили в камеру холода и выдержали при температуре 0°С в течение 6 часов, затем, не извлекая их из камеры, выполнили заряд током 0,1 А до стабилизации напряжения.Capacitors (2 pcs.) Were placed in a cold chamber and kept at a temperature of 0 ° С for 6 hours, then, without removing them from the chamber, a charge of 0.1 A was applied to stabilize the voltage.

Затем, не прекращая заряда, конденсаторы охладили до температуры -25°С и снова выдержали до стабилизации напряжения.Then, without stopping the charge, the capacitors were cooled to a temperature of -25 ° C and again held until the voltage stabilized.

В обоих случаях продолжительность достижения стационарного напряжения составила около суток.In both cases, the duration of reaching the stationary voltage was about a day.

В таблице 1 приведены зависимости стационарного напряжения на конденсаторах от температуры.Table 1 shows the temperature dependence of the stationary voltage across the capacitors.

Таблица 1Table 1 Зависимость стационарных напряжений для ЭК от температуры под током 100 мАDependence of stationary voltages for EC on temperature under current 100 mA

ТемператураTemperature ЭК №1EC No. 1 ЭК №2EC No. 2 НапряженияStress 00 1,6821,682 1,691,69 -25-25 1,8301,830 1,8331,833

Из таблицы видно, что различие в напряжениях для конденсаторов очень невелики и составляют при одной и той же температуре не более 8 мВ.It can be seen from the table that the difference in voltage for the capacitors is very small and amounts to no more than 8 mV at the same temperature.

Линейной аппроксимацией получено уравнение для зависимости напряжения от температуры:By linear approximation, the equation for the dependence of voltage on temperature is obtained:

U = 0,0057 t + 1,71, ( 4 )

Figure 00000007
U = - 0.0057 t + 1.71, ( four )
Figure 00000007

На рисунке 1 приведена рассчитанная по уравнению (4) зависимость напряжения, при котором и ниже которого газовыделение из конденсатора исключено, от температуры:Figure 1 shows the voltage dependence calculated according to equation (4), at which and below which gas evolution from the capacitor is excluded, on temperature:

Несмотря на постоянный подзаряд, давление в ЭК, измеряемое по водяному манометру, присоединенному через клапанное отверстие к газовому пространству конденсаторов, не изменялось. Это подтверждает отсутствие газовыделения.Despite the constant recharging, the pressure in the EC, measured by a water manometer connected through the valve hole to the gas space of the capacitors, did not change. This confirms the absence of gas evolution.

Пример 2Example 2

Для того, чтобы определить, насколько эффективно повышение рабочего напряжения для увеличения отдаваемой на нагрузку полезной энергии, были выполнены климатические низкотемпературные испытания модуля из 50 последовательно соединенных конденсаторов, аналогичных описанному выше.In order to determine how effective the increase in the operating voltage to increase the useful energy delivered to the load was, climate low-temperature tests of a module of 50 series-connected capacitors similar to those described above were performed.

Модуль заряжали до напряжений 62, 65, 70 В (что соответствует средним напряжениям на конденсаторах 1,24, 1,3, 1,4 В). Затем выполняли разряды на нагрузку 0,1 Ом при температурах 25, -20, -30, -40 и -50°С. При температурах -40 и -50°С заряд выполняли также до напряжений 90 В, что соответствует напряжению на элементах 1,8 В.The module was charged to voltages of 62, 65, 70 V (which corresponds to the average voltage at the capacitors of 1.24, 1.3, 1.4 V). Then, discharges to a load of 0.1 Ohm were performed at temperatures of 25, -20, -30, -40 and -50 ° C. At temperatures of -40 and -50 ° C, the charge was also performed up to voltages of 90 V, which corresponds to a voltage of 1.8 V.

Было показано, что повышение напряжения при отрицательных температурах позволяет очень существенно увеличить энергию, отдаваемую на нагрузку (рис.2). При температурах -40 и -50°С повышение конечного напряжения заряда комплекта модулей с 70 до 90 В приводит к возрастанию энергии в 4,2 и 3,5 раз соответственно. Очевидно, что напряжение при температурах -40 и -50°С могло быть повышено до 100 В: об этом говорят результаты испытаний, при температурах 0--25°С, описанные выше. В этом случае энергия, отдаваемая в нагрузку, могла бы быть при отрицательных температурах даже выше, чем при нормальной температуре.It was shown that increasing the voltage at low temperatures allows a very significant increase in the energy given to the load (Fig. 2). At temperatures of -40 and -50 ° C, an increase in the final charge voltage of a set of modules from 70 to 90 V leads to an increase in energy by 4.2 and 3.5 times, respectively. It is obvious that the voltage at temperatures of -40 and -50 ° C could be increased to 100 V: this is evidenced by the test results, at temperatures of 0-25 ° C, described above. In this case, the energy delivered to the load could be even lower at negative temperatures than at normal temperature.

Технически использование возможности повышения напряжения на конденсаторах при отрицательных температурах может реализовываться, например, с использованием DC-DC конверторов. Батарея ЭК может устанавливаться совместно с аккумуляторной батареей, что обеспечит сохранение в ЭК определенного энергозапаса, сократит время дозаряда перед пуском и позволит контролировать состояние батареи ЭК. Перед пуском батарея ЭК должна быть отсоединена от штатной аккумуляторной батареи и заряжена до напряжения, определяемого температурой ЭК. Температура должна контролироваться датчиком. При заряде ЭК состояние аккумуляторной батареи (уровень заряженности, исправность, величина внутреннего сопротивления) не играют заметной роли, т.к. ток подзаряда ЭК может быть невелик. После достижения требуемого напряжения выполняется запуск двигателя от ЭК, без использования штатной батареи аккумуляторов.Technically, the use of the possibility of increasing the voltage across the capacitors at low temperatures can be realized, for example, using DC-DC converters. The EC battery can be installed together with the rechargeable battery, which will ensure that a certain energy reserve is stored in the EC, will reduce the charge time before start-up, and will allow monitoring the condition of the EC battery. Before starting, the EC battery must be disconnected from the standard battery and charged to a voltage determined by the temperature of the EC. The temperature should be controlled by a sensor. When charging an EC, the state of the battery (level of charge, serviceability, value of internal resistance) does not play a significant role, because EC recharge current may be small. After reaching the required voltage, the engine is started from the EC, without using a standard battery of batteries.

Очевидно, что описанный выше способ оптимизации напряжения при заряде пригоден и для электрохимических конденсаторов на основе других электрохимических систем, в которых есть водный электролит и возможна реализация газового цикла. В частности, это относится к конденсаторам с кислотным электролитом и положительным электродом PbSO4/PbO2. При этом требуется лишь уточнить величину постоянной Z.It is obvious that the method for optimizing the voltage at charge described above is also suitable for electrochemical capacitors based on other electrochemical systems in which there is an aqueous electrolyte and a gas cycle is possible. In particular, this applies to capacitors with an acid electrolyte and a positive PbSO 4 / PbO 2 electrode. In this case, it is only necessary to clarify the value of the constant Z.

Источники информации, принятые во внимание:Sources of information taken into account:

1. Конденсатор с двойным электрическим слоем. Патент США US 5,986,876.1. Capacitor with a double electric layer. U.S. Patent 5,986,876.

2. Заявка WO 97/07518, кл. H01G 9/04, 1995 г.2. Application WO 97/07518, cl. H01G 9/04, 1995

3. Хомская Е.А., Бурданова Н.Ф., Горбачева Н.Ф. Управление газожидкостным потоком при заряде аккумуляторов. - Саратов: Изд-во Сарат. Ун-та, 1998. - 120 с.3. Chomskaya EA, Burdanova NF, Gorbacheva NF Gas-liquid flow control when charging batteries. - Saratov: Publishing house of Sarat. Univ., 1998 .-- 120 s.

Claims (1)

Способ эксплуатации электрохимических конденсаторов с водным щелочным электролитом, пористым сепаратором и электродами, один из которых содержит активированный углеродный материал, а другой содержит в качестве активного материала гидроксид никеля, включающий подключение конденсатора к источнику тока, проведение его заряда до заданного напряжения, прекращение заряда и разряд, отличающийся тем, что предварительно измеряют температуру конденсатора, по которой определяют максимальное рабочее напряжение заряда, при котором исключено газовыделение, при этом максимальное зарядное напряжение Umax ограничивают в соответствие с уравнением
Umax=k·t+b
где k и b - коэффициенты, определяемые экспериментально и зависящие от особенностей конструкции конденсатора, t - температура,
а для измерения коэффициентов k и b рассчитывают ток непрерывного подзаряда i по уравнению
i 4 F S Z λ d λ 0
Figure 00000008
,
где i - ток непрерывного подзаряда конденсатора, А;
F - число Фарадея, 96500 кулон/моль;
S - площадь межэлектродного зазора, м2;
d - толщина сепаратора, м;
Z - постоянная, 10-10 моль·м-1·c-1;
λ λ 0
Figure 00000004
- отношение удельных электропроводностей сепаратора, пропитанного электролитом, и электролита;
затем определяют коэффициенты k и b, для чего
- термостатируют конденсатор при температуры t1 и заряжают его током i до тех пор, пока не установится постоянное во времени напряжение U1;
- термостатируют конденсатор при температуре t2, меньшей, чем t1, но не ниже температуры замерзания электролита в конденсаторе и заряжают его током 1 до тех пор, пока не установится постоянное во времени напряжение U2;
- вычисляют постоянные k и b для уравнения (2) или находят их графически.
A method of operating electrochemical capacitors with an aqueous alkaline electrolyte, a porous separator and electrodes, one of which contains activated carbon material, and the other contains nickel hydroxide as the active material, which includes connecting the capacitor to a current source, conducting its charge to a predetermined voltage, terminating the charge and discharging characterized in that the temperature of the capacitor is preliminarily measured, by which the maximum working charge voltage is determined at which r zovydelenie, wherein the maximum charge voltage limit U max according to the equation
U max = k · t + b
where k and b are the coefficients determined experimentally and depending on the design features of the capacitor, t is the temperature,
and for measuring the coefficients k and b, the continuous charge current i is calculated according to the equation
i four F S Z λ d λ 0
Figure 00000008
,
where i is the continuous charge current of the capacitor, A;
F is the Faraday number, 96500 pendant / mol;
S is the area of the interelectrode gap, m 2 ;
d is the thickness of the separator, m;
Z is a constant, 10 -10 mol · m -1 · s -1 ;
λ λ 0
Figure 00000004
- the ratio of the electrical conductivity of the separator impregnated with the electrolyte and the electrolyte;
then determine the coefficients k and b, for which
- thermostat the capacitor at a temperature t1 and charge it with current i until a constant voltage U1 is established in time;
- thermostat the capacitor at a temperature t2 lower than t1, but not lower than the freezing temperature of the electrolyte in the capacitor and charge it with current 1 until a constant voltage U2 is established in time;
- calculate the constants k and b for equation (2) or find them graphically.
RU2012129307/07A 2012-07-11 2012-07-11 Method to operate electrochemical capacitors RU2520183C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012129307/07A RU2520183C2 (en) 2012-07-11 2012-07-11 Method to operate electrochemical capacitors

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012129307/07A RU2520183C2 (en) 2012-07-11 2012-07-11 Method to operate electrochemical capacitors

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012129307A RU2012129307A (en) 2014-01-20
RU2520183C2 true RU2520183C2 (en) 2014-06-20

Family

ID=49944890

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012129307/07A RU2520183C2 (en) 2012-07-11 2012-07-11 Method to operate electrochemical capacitors

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2520183C2 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2121728C1 (en) * 1997-06-27 1998-11-10 Рустам Аминович Мирзоев Electrochemical energy storage
US5986876A (en) * 1995-08-14 1999-11-16 Aktsionernoe Obschestvo Zakrytogo Tipa "Elton" Double-layer capacitor
RU2166219C2 (en) * 1999-05-31 2001-04-27 Закрытое акционерное общество "ЭЛТОН" Capacitor with double electric layer
RU2254641C2 (en) * 2003-04-10 2005-06-20 Разумов Сергей Николаевич Method for producing nonpolarized electrode for electrochemical generator
RU2260867C1 (en) * 2004-06-22 2005-09-20 Разумов Сергей Николаевич Bank of electrochemical capacitors and method for its use
WO2009112718A2 (en) * 2008-02-14 2009-09-17 Batscap Device to prevent overpressure in a supercapacitor or ultracapacitor

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5986876A (en) * 1995-08-14 1999-11-16 Aktsionernoe Obschestvo Zakrytogo Tipa "Elton" Double-layer capacitor
RU2121728C1 (en) * 1997-06-27 1998-11-10 Рустам Аминович Мирзоев Electrochemical energy storage
RU2166219C2 (en) * 1999-05-31 2001-04-27 Закрытое акционерное общество "ЭЛТОН" Capacitor with double electric layer
RU2254641C2 (en) * 2003-04-10 2005-06-20 Разумов Сергей Николаевич Method for producing nonpolarized electrode for electrochemical generator
RU2260867C1 (en) * 2004-06-22 2005-09-20 Разумов Сергей Николаевич Bank of electrochemical capacitors and method for its use
WO2009112718A2 (en) * 2008-02-14 2009-09-17 Batscap Device to prevent overpressure in a supercapacitor or ultracapacitor

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012129307A (en) 2014-01-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Braga et al. Alternative strategy for a safe rechargeable battery
Manimekalai et al. An overview of batteries for photovoltaic (PV) systems
RU2484565C2 (en) Hybrid device for electric energy accumulation with electrochemical supercapacitor/ lead-acid battery
RU2696605C1 (en) Storage battery system and secondary lithium-ion battery capacity recovery method
US9252620B2 (en) Battery energy storage system
US10263276B2 (en) Producing method of assembled battery
JP2013019709A (en) Secondary battery system and vehicle
KR101963034B1 (en) Method of restoring secondary bettery and method of reusing secondary battery
KR20140003325A (en) Battery pack having linear voltage profile, and soc algorithim applying to the battery pack
US9190221B2 (en) Aqueous-based electric double-layer capacitor
JP6301048B1 (en) Battery management device and battery pack system
WO2017212815A1 (en) Trickle charging power supply system
JP2019532460A (en) Sub-freezing start method for fuel cell system
US20150180092A1 (en) Method and device for adjusting battery module
US6366055B1 (en) Power supply system and state of charge estimating method
US10132872B2 (en) Method for sorting reusable nonaqueous electrolyte secondary battery
WO2020147635A1 (en) Aqueous hybrid super capacitor
RU2520183C2 (en) Method to operate electrochemical capacitors
Shi et al. Nondestructive forensic pathology of lead-acid batteries
KR101599962B1 (en) Energe storage system
Eddahech et al. Strategy for lithium-ion battery performance improvement during power cycling
JP6710827B2 (en) Method for measuring positive and negative overvoltage of redox flow battery and apparatus for performing the method
KR101599959B1 (en) Energe storage system
Yue et al. Towards the energy management of a fuel cell/battery vehicle considering degradation
Lall et al. Flexible Power-Source Survivability Assurance under Bending Loads and Operating Temperatures Representative of Stresses of Daily Motion

Legal Events

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

Effective date: 20150712