RU2617114C1 - Состав электрода накопителя электроэнергии - Google Patents
Состав электрода накопителя электроэнергии Download PDFInfo
- Publication number
- RU2617114C1 RU2617114C1 RU2016109162A RU2016109162A RU2617114C1 RU 2617114 C1 RU2617114 C1 RU 2617114C1 RU 2016109162 A RU2016109162 A RU 2016109162A RU 2016109162 A RU2016109162 A RU 2016109162A RU 2617114 C1 RU2617114 C1 RU 2617114C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbon
- binder
- composition
- graphite
- fabric
- Prior art date
Links
- 239000000203 mixture Substances 0.000 title claims abstract description 18
- 230000005611 electricity Effects 0.000 title abstract 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 18
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 8
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims abstract description 7
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims abstract description 5
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 claims description 3
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 abstract description 6
- 239000000835 fiber Substances 0.000 abstract description 6
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 12
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 8
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229920005596 polymer binder Polymers 0.000 description 4
- 239000002491 polymer binding agent Substances 0.000 description 4
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 244000309464 bull Species 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000003985 ceramic capacitor Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 238000009422 external insulation Methods 0.000 description 1
- 238000013213 extrapolation Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 238000005325 percolation Methods 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
Landscapes
- Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области материалов для создания конденсаторов, используемых в силовой электротехнике. Состав электрода накопителя электроэнергии, содержащий смесь активного углерода со связующим, отличается тем, что он содержит несколько слоев активного углерода в структурной форме углеграфитовой ткани, а связующим является кремний, причем графитовые сердечники частично силицированных углеродных волокон ткани удалены. Изобретение позволяет получить состав электрода химически стойкого, обладающего значительной удельной емкостью и способного использоваться при повышенных температурах на воздухе без применения электролитов. 3 ил.
Description
Изобретение относится к области материалов для конденсаторов энергии и направлено на создание конденсатора значительной емкости, способного к эксплуатации при температурах до 700°С, в котором в качестве состава материала электрода используются исключительно компоненты из кремния и карбида кремния. На основе этого материала могут быть изготовлены конденсаторы для стабилизации тока и предотвращения избыточных пусковых нагрузок в электрических цепях силовой электротехники. При этом не требуется использование электролитов.
Основными типами используемых в промышленности конденсаторов являются однополярные (в основном металлобумажные и керамические) и биполярные электролитические. Емкость первых невелика (приблизительно до 10 мкФ в расчете на 1 см3 объема), они не способны сохранять заряд в течение длительного времени, и предельная температура их применения не может превышать 125°С. Электролитические конденсаторы достигают более значительной емкости. К ним относят и так называемые ионисторы (суперконденсаторы), емкость которых доходит до 3000 Ф. Они способны сохранять полученный заряд в течение значительного времени, но к ним, как источникам мощных электрических импульсов при больших токовых нагрузках, предъявляются жесткие требования по пожаробезопасности. При использовании в электролитах органических растворителей наличие искрения или локального перегрева в местах контакта разнородных материалов может приводить на больших токах нагрузки к температурной перегрузке и возгоранию прибора. Эти приборы используются при температурах, не превышающих 105°С, широко известны случаи их взрыва даже при комнатной температуре, а также при неправильном подключении полярности напряжения.
К вновь создаваемым приборам и материалам для их изготовления предъявляются повышенные экологические требования, в особенности, в случае технической аварии или утилизации вышедшего из строя прибора. Главное направление решения этой задачи - уменьшение числа экологически вредных компонентов в составе материала, на основе которого изготовлен накопитель, а также увеличение температурного диапазона эксплуатации, что позволяет также использование приборов в составе бортовой аппаратуры.
Известен углеродный суперконденсатор (по патенту WO 2012099497 А1, опубл. 26.07.2012) [1], содержащий герметичный корпус, подложки-электроды и внешние коммутирующие электроды, выполненные из углеродных или углеродсодержащих материалов.
Недостатком известного суперконденсатора является необходимость заполнения его внутреннего объема жидким электролитом, что ограничивает температуру использования точкой кипения воды. Такие конденсаторы могут представлять определенную опасность при эксплуатации и создавать проблемы при их утилизации. Кроме того, способы их изготовления достаточно сложны в техническом исполнении.
Известен состав электрода накопителя энергии (по патенту SU 1735925, H01G 9/00, опубл. 23.05.92, бюлл. №19) [2], содержащий смесь активного угля с полимерным связующим, причем эта смесь дополнительно содержит измельченные углеродные волокна. Состав [2] наиболее близок по технической сущности к заявляемому изобретению и принят за прототип.
Недостатком известного состава является использование полимерного связующего, что ограничивает температуру эксплуатации накопителя значением 80°С. Другим недостатком является применение КОН в качестве электролита, что требует тщательной герметизации корпуса и создает экологические проблемы как при эксплуатации, так и при утилизации приборов.
Общим с заявляемым составом признаком является использование углеродсодержащих материалов.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в получении состава электрода химически стойкого, обладающего значительной удельной емкостью и способного использоваться при повышенных температурах на воздухе без применения электролитов.
Для достижения названного технического результата в известном составе электрода накопителя энергии, содержащем смесь активного углерода с полимерным связующим и измельченными углеродными волокнами, полимерное связующее не используют, а в состав смеси вводят несколько слоев углеграфитовой ткани без ее измельчения на волокна и в качестве связующего используют кремний.
При силицировании расплавленным кремнием волокна исходной углеткани превращаются в волокна карбида кремния с сохранением графитового сердечника. Для достижения этого результата процесс перемещения наложенных друг на друга лент из углеткани проводят в горизонтальной плоскости в среде вакуума с подачей к ее поверхности расплавленного кремния. Данная схема необходима в связи с тем, что для обеспечения плоскостности получаемого материала исходные ленты ткани должны быть натянуты. Использование нескольких лент углеткани обусловлено снижением перколяционного фактора и увеличением механической прочности получаемых плоских заготовок.
Затем нарезанные алмазным инструментом пластины материала подвергают длительному нагреву в окислительной среде с целью удаления графитовых сердечников волокон, что требуется для предотвращения электрического шунтирования пластин в связи с их высокой проводимостью. Далее к торцам пластин присоединяют внешние контакты и заключают изделие в электроизолирующий корпус. Абсолютно герметичная внешняя изоляция, используемая в электролитических конденсаторах, не требуется.
Пример
В водоохлаждаемую герметичную камеру установили бобину с намотанными на нее 4 лентами из углеграфитовой ткани ТМП-5 длиной 1 м и шириной 50 мм. Пакет лент привели в зацепление с вращаемой аналогичной приемной бобиной. После вакуумирования камеры до уровня 10-1 Торр капиллярный питатель, содержащий дробленый кремний, нагрели до температуры 1500°С и включили механизм перемещения пакета лент ткани. Скорость перемещения поддерживали в пределах 3-5 см/мин. После охлаждения пакет лент силицированной ткани извлекли из камеры и нарезали алмазным диском на пластины размерами 0,15×0,15×2 см каждая. Далее пластины разместили в печи сопротивления и выдержали 15 часов при температуре 1100°С в среде воздуха. Структура полученного материала на поперечном (а) и продольном по отношению к ориентации волокон срезах (б) иллюстрируется микрофотографиями Фиг. 1. Методами сканирующей электронной микроскопии установлено, что композит представляет матрицу кремния р-типа проводимости, пронизанную каналами из микротрубок карбида кремния n-типа проводимости. Таким образом, данный материал насыщен n-р гетеропереходами, удельная площадь которых оценивается как 10 м2/см3.
Для лучшей визуализации микротрубок карбида кремния было проведено их экстрагирование из матрицы путем ее растворения в кислотах. Вид такой микротрубки приведен на микрофотографии Фиг. 2.
Измерения электросопротивления полученных образцов материала проводились в интервале температур от комнатной до 1150°С в инертной среде с использованием прижимных графитовых контактов. Типичные результаты измерения температурной зависимости электросопротивления образцов композита приведены на Фиг. 3. Кривые, полученные на постоянном (1) и переменном частотой 50 Гц (2), токах демонстрируют полупроводниковый тип проводимости, а существенная разница в значениях сопротивления позволяет утверждать о наличии емкостной компоненты, величина которой весьма значительна. Экстраполяция емкости, рассчитанной при комнатной температуре по схеме конденсатора с утечками
где R - реактивное сопротивление, r - измеряемое на постоянном токе активное сопротивление, ω - частота, С - емкость, позволяет получить значение удельной емкости, равное 0,13 Ф/см3, что значительно уступает емкости ионисторов (суперконденсаторов), но в 104 раз превышает удельную емкость (общая емкость, отнесенная к объему прибора) металлобумажных и керамических конденсаторов, так же как и в их случае, без использования электролитов. При увеличении температуры значение емкости снижается и свыше 600°С становится незначительным.
Claims (1)
- Состав электрода накопителя электроэнергии, содержащий смесь активного углерода со связующим, отличающийся тем, что он содержит несколько слоев активного углерода в структурной форме углеграфитовой ткани, а связующим является кремний, причем графитовые сердечники частично силицированных углеродных волокон ткани удалены.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016109162A RU2617114C1 (ru) | 2016-03-14 | 2016-03-14 | Состав электрода накопителя электроэнергии |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016109162A RU2617114C1 (ru) | 2016-03-14 | 2016-03-14 | Состав электрода накопителя электроэнергии |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2617114C1 true RU2617114C1 (ru) | 2017-04-21 |
Family
ID=58643039
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016109162A RU2617114C1 (ru) | 2016-03-14 | 2016-03-14 | Состав электрода накопителя электроэнергии |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2617114C1 (ru) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1735925A1 (ru) * | 1982-08-12 | 1992-05-23 | Научно-производственное объединение "Квант" | Состав электрода накопител энергии |
| JP2006049760A (ja) * | 2004-08-09 | 2006-02-16 | Nec Tokin Corp | 湿式電解コンデンサ |
| US20100159346A1 (en) * | 2007-03-28 | 2010-06-24 | Hidenori Hinago | Electrode, and lithium ion secondary battery, electric double layer capacitor and fuel cell using the same |
| RU2483383C2 (ru) * | 2006-11-27 | 2013-05-27 | ЮНИВЕРСАЛ СУПЕРКАПАСИТОРЗ ЭлЭлСи | Электрод для использования в электрохимическом конденсаторе с двойным электрическим слоем (варианты) |
| US9011702B2 (en) * | 2009-09-30 | 2015-04-21 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Method for manufacturing electrode for power storage device and method for manufacturing power storage device |
-
2016
- 2016-03-14 RU RU2016109162A patent/RU2617114C1/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1735925A1 (ru) * | 1982-08-12 | 1992-05-23 | Научно-производственное объединение "Квант" | Состав электрода накопител энергии |
| JP2006049760A (ja) * | 2004-08-09 | 2006-02-16 | Nec Tokin Corp | 湿式電解コンデンサ |
| RU2483383C2 (ru) * | 2006-11-27 | 2013-05-27 | ЮНИВЕРСАЛ СУПЕРКАПАСИТОРЗ ЭлЭлСи | Электрод для использования в электрохимическом конденсаторе с двойным электрическим слоем (варианты) |
| US20100159346A1 (en) * | 2007-03-28 | 2010-06-24 | Hidenori Hinago | Electrode, and lithium ion secondary battery, electric double layer capacitor and fuel cell using the same |
| US9011702B2 (en) * | 2009-09-30 | 2015-04-21 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Method for manufacturing electrode for power storage device and method for manufacturing power storage device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yuan et al. | Fabrication and dielectric properties of advanced high permittivity polyaniline/poly (vinylidene fluoride) nanohybrid films with high energy storage density | |
| Howlett et al. | Thin and flexible solid-state organic ionic plastic crystal–polymer nanofibre composite electrolytes for device applications | |
| KR101773719B1 (ko) | 2 차 전지용 실리콘계 활물질 입자 및 이의 제조 방법 | |
| CN108428924A (zh) | 一种内部微短路失效安全锂离子电池 | |
| TW201526050A (zh) | 電雙層電容電極及其製程 | |
| JP5082300B2 (ja) | 活性炭及びその製造方法 | |
| JP6438249B2 (ja) | 電極材料およびそれを用いた電極層、電池並びにエレクトロクロミック素子 | |
| JP2015204215A (ja) | リチウムイオン伝導性固体電解質とその製造方法、および、全固体電池 | |
| US20190016871A1 (en) | Fast and reversible thermoresponsive polymer switching materials | |
| KR102563547B1 (ko) | 부식 억제 첨가제를 포함하는 전도층을 포함하는 전극, 이의 제조방법 및 이를 이용하는 슈퍼커패시터 | |
| KR20200008140A (ko) | 안전한 에너지 저장을 위한 시스템, 장치 및 방법 | |
| Singh et al. | PEO nanocomposite polymer electrolyte for solid state symmetric capacitors | |
| US20170338053A1 (en) | High voltage supercapacitor | |
| RU2658323C2 (ru) | Система защиты против тлеющего разряда, в частности внешняя система защиты против тлеющего разряда для электрической машины | |
| KR102105658B1 (ko) | 콜로이드 무기질 바인더를 이용한 열전지용 박막 전극과 박막 전해질의 제조 방법, 이에 의해 제조된 열전지용 박막 전극과 박막 전해질, 및 이를 포함하는 열전지 | |
| WO2016122070A1 (ko) | 통전에 의한 탄소재 전극 표면 개질방법, 표면개질된 탄소재 전극 및 표면개질된 탄소재 전극을 포함한 전기화학 커패시터 | |
| KR101464524B1 (ko) | 내전압 특성이 우수한 전기이중층 커패시터 | |
| RU2617114C1 (ru) | Состав электрода накопителя электроэнергии | |
| JP5125054B2 (ja) | 粉末無定形炭素及びその製造方法 | |
| JP2015151324A (ja) | 活性炭及び活性炭の製造方法 | |
| GB2530576A (en) | Method of forming a dielectric layer on an electrode | |
| Xie et al. | In situ grafted carbon on sawtooth-like SiC supported Ni for high-performance supercapacitor electrodes | |
| KR20200100741A (ko) | 활성물질 및 이를 함유하는 전력 발생기 | |
| Kaneda et al. | The mechanism of lifetime improvement through vanadium addition to multilayer ceramic capacitor with nickel electrode | |
| KR101274989B1 (ko) | 도핑 탄소계 전극을 이용한 전기 이중층 커패시터 |