RU2809837C2 - Плоский тонкий суперконденсатор с низким сопротивлением и способ его изготовления - Google Patents
Плоский тонкий суперконденсатор с низким сопротивлением и способ его изготовления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2809837C2 RU2809837C2 RU2021137834A RU2021137834A RU2809837C2 RU 2809837 C2 RU2809837 C2 RU 2809837C2 RU 2021137834 A RU2021137834 A RU 2021137834A RU 2021137834 A RU2021137834 A RU 2021137834A RU 2809837 C2 RU2809837 C2 RU 2809837C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbon
- supercapacitor
- flat
- electrode
- nanocomposite
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims abstract description 10
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract 2
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 claims abstract 2
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims description 8
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000010030 laminating Methods 0.000 claims description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 3
- -1 polypropylene Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 claims description 2
- 238000003490 calendering Methods 0.000 claims description 2
- 239000008240 homogeneous mixture Substances 0.000 claims description 2
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 claims description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 2
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 claims 3
- 239000005486 organic electrolyte Substances 0.000 claims 2
- CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N carbon carbon Chemical compound C.C CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 6
- 239000011203 carbon fibre reinforced carbon Substances 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 2
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N N-Methylpyrrolidone Chemical compound CN1CCCC1=O SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000002482 conductive additive Substances 0.000 description 4
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 4
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 4
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 3
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 2
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 2
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 2
- 241000872198 Serjania polyphylla Species 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 235000019271 petrolatum Nutrition 0.000 description 1
- 229920005596 polymer binder Polymers 0.000 description 1
- 239000002491 polymer binding agent Substances 0.000 description 1
- 238000010992 reflux Methods 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
- 229940099259 vaseline Drugs 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к области электротехники, а именно к плоскому ультратонкому суперконденсатору, который может быть использован в различных областях промышленности в качестве миниатюрного слаботочного источника питания с запасаемой энергией. Предложен также способ изготовления плоского суперконденсатора на основе углерод-углеродного нанокомпозита. Снижение эквивалентного последовательного сопротивления до 35 мОм и повышение емкости до 160 мФ является техническим результатом изобретения, который достигается за счет того, что плоский суперконденсатор выполнен из пористого углеродного материала с удельной поверхностью 1400-1600 м2 на основе и проводящего активированного углеродного нанокомпозита, полученного покрытием углеродных частиц слоем графитоподобного углерода размером 1-3 нм пиролизом при 900°С в парах воды, которые перемешивают до получения однородной пасты, в которой соотношение компонентов из пористого углеродного материала, углеродного нанокомпозита, связующего, составляет 10:9:1. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Description
Изобретение относится к области ультратонких плоских суперконденсаторов и может быть использовано в системах и узлах микросхемотехники, в аппаратуре биомедицинского назначения, в качестве автономных мобильных миниатюрных источников питания, в системах связи, энергетике и в других устройствах, функционирующих за счет электрической энергии, запасаемой в суперконденсаторе.
Известно решение для изготовления плоского суперконденсатора на основе графена (см. заявка РСТ WO 2014191529, МПК H01G 11/24, H01M 10/056, H01M 10/58, опубл. 04.12.2014). Плоский суперконденсатор, содержит: два электрода с нанесенным на поверхность активным материалом на основе графена, электролит, сепаратор. Суперконденсатор имеет примерную удельную мощность 25 Вт/г и удельную емкость по энергии более 1 мВтч/г. Недостатком известного суперконденсатора является малая энергоемкость, что, видимо, является следствием неполного использования поверхности графена. Также высокая стоимость и трудоемкость использования графена ограничивают производство таких суперконденсаторов.
Известен суперконденсатор (см. патент РФ 175936 МПК H01G 11/34, H01G 9/042, СПК H01G 11/34, H01G 9/042), состоящий из корпуса, в котором размещена, как минимум, одна секция электродов, пропитанные электролитом и разделенные пористым сепаратором (мембраной). Электроды выполнены из материала состоящего из смеси активного угля, электронопроводящей добавки и полимерного связующего. При этом массовое соотношение компонент следующее: активированный уголь 70-90%, электропроводящая добавка 5-20%, связующее 5-10%. Недостатками является использование в качестве связующего вазелинового масла, которое при температурах ниже минус 8°С застывает, что может привести к разрушению электрода; также вазелиновое масло является при нормальных условиях жидким, а это приведет при сборке устройства к деформации электродов, так как в конечном устройстве они должны быть прижаты друг к другу; использование серной кислоты снижает рабочее напряжение, поэтому даже при высоких емкостях, суммарная энергоемкость остается низкой: на уровне 2-4 Втч/кг чистого материала без учета корпуса и электролита.
Известен суперконденсатор (см. заявка Патент РФ №2726945, МПК H01G 11/34; H01G 11/86; H01G 9/145, опубл. 17.07.2020), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Суперконденсатор-прототип содержит пористый углерод-углеродный композитный материал в качестве электропроводящей добавки в электрод. Недостатком известного суперконденсатора-прототипа является более высокое сопротивление и более низкая удельная емкость при тех же габаритах устройства.
Целью предлагаемого изобретения является создание плоского суперконденсатора с низким эквивалентным последовательным сопротивлением.
Сущность изобретения, как технического решения, выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше результата:
- использование в качестве электропроводящей добавки и активного материала углерод-углеродного нанокомпозита на основе технического углерода с удельной поверхностью 1400-1600 м2/г. Данный материал не только обладает большой удельной поверхностью, но также имеет крайне низкое эквивалентное последовательное электрическое сопротивление;
- использование фторопластового связующего, органического растворителя и ультразвуковой обработки, так как данная комбинация позволяет получить высокую гомогенность смеси углерод-углеродного нанокомпозита со связующим;
- конструкция суперконденсатора в виде плоского тонкого устройства позволяет его использовать в поверхностном монтаже печатных плат, где имеет значение толщина платы, например, для портативных устройств.
Способ изготовления суперконденсатора также включает изготовление электродов из полученной пасты, их пропитку и сборку посредством ламинирования в вакууме.
Технический результат, достигаемый при использовании существенных признаков изобретения, заключается в том, что:
- использование пористого углеродного материала в качестве электропроводящей добавки, не уменьшает удельную поверхность, но при этом увеличивает проводимость электрода;
- тонкая конструкция позволяет использовать данные суперконденсаторы в различных портативных устройствах;
- низкое последовательное эквивалентное сопротивление, что снижает потери энергии при использовании данных накопителей.
Вид суперконденсатора в разрезе представлен на фиг. 1, где 1 - токосъемник (алюминиевая фольга); 2 - алюминиевая ламинирующая фольга; 3 - сепаратор; 4 - активная масса (смесь углеродных материалов со связующим). Расположение элементов во время сборки важно для получения работающего устройства.
Заявленный способ изготовления суперконденсаторов осуществляют следующим образом. Навеска пористого углеродного материала Kuroray YP-80 (производство Kuraray Chemical Co., Ltd) массой 500 г смешивается с 1000 мл 1% PVDF (поливинилиденфторид или фторопласт-2) в растворе NMP (N-метилпирролидон) и ацетона (99.95 %) в соотношении 1:3 с использованием верхнеприводной мешалки в течение 10 часов. Раствор PVDF в NMP и ацетоне проводится при нагреве и постоянном перемешивании на магнитной мешалке в колбе с обратным холодильником для сохранения постоянства объема раствора.
Технический углерод П267Э покрытый слоем 1-3 нм пироуглерода при 900°С и активированный при 900°С в парах воды (углерод-углеродный нанокомпозит) массой 450 г диспергируется ультразвуком в 4000 мл раствора NMP (N-метилпирролидон) и ацетона (99.95 %) в соотношении 1:3 до однородной массы, после чего смешивается с суспензией Kuroray YP-80 и перемешивается с использованием верхнеприводной мешалки в течение 48 часов. Таким образом, соотношение компонент составляет 10:9:1 для пористого углеродного материала, углерод-углеродного нанокомпозита и связующего соответственно. После полученная паста перемешивается 10 минут на вакуумном миксере для удаления пузырьков и намазывается с использованием ракеля на алюминиевую фольгу. Толщина намазанного слоя 600 мкм, ширина - 20 мм. Сушка намазанного электрода осуществляется на воздухе в течение 6 часов при температуре 100°С. Затем проводилось каландрирование (уплотнение покрытия путем пропускания его через нагретые вальцы) до толщины 150 мкм при температуре 80°С. Далее электроды нарезались на элементы размера 17×23 мм (причем размер части электрода с покрытием 17×17 мм) и после сушились в вакууме при температуре 120°С в течение 24 часов перед финальной сборкой. Далее проводилось ламинирование в следующей последовательности: ламинирующая алюминиевая фольга (113 мкм), электрод (150 мкм), сепаратор Celgard из полипропилена (16 мкм), электрод (150 мкм) и ламинирующая фольга (113 мкм). Расположение элементов друг относительно друга показано на фиг. 1. В качестве электролита использован 1 М раствор TEABF4 (тетраэтиламмония тетрафторбората) в ацетонитриле. Емкость элемента 150-160 мФ при номинальном токе 1 А, напряжение 2.7 В, сопротивление 35 мОм. Снижение сопротивления на 36 % и повышение емкости на 23 % по сравнению с прототипом является техническим результатом данного изобретения.
Claims (2)
1. Способ изготовления плоского суперконденсатора из пористого углерода и углеродного нанокомпозита, включающий изготовление активного электродного материала, нанесение тонкого слоя электродного материала в виде пасты на поверхность алюминиевой фольги, каландрирование и пропитку электродов органическим электролитом, отличающийся тем, что в процессе изготовления электродного материала проводят перемешивание с органическим связующим пористого углеродного материала с удельной поверхностью 1400-1600 м2, перемешивание с органическим связующим проводящего активированного углеродного нанокомпозита, полученного покрытием углеродных частиц слоем графитоподобного углерода размером 1-3 нм пиролизом при 900°С в парах воды, соединение указанных смесей с дальнейшим их перемешиванием до получения однородной смеси в виде пасты, в которой соотношение компонентов из пористого углеродного материала, углеродного нанокомпозита, связующего, составляет 10:9:1.
2. Плоский суперконденсатор, изготовленный способом по п. 1, включающий накапливающий заряд комбинированный электрод, состоящий из тонкого слоя углеродных материалов, пропитанных органическим электролитом, отличающийся тем, что он выполнен в виде плоского тонкого устройства со следующим чередованием слоев: ламинирующая алюминиевая фольга 113 мкм, электрод 150 мкм, сепаратор Celgard из полипропилена 16 мкм, электрод 150 мкм и ламинирующая фольга 113 мкм, при этом размер углеродного покрытия составлял 289 мм2, а емкость 150-160 мФ при сопротивлении 35 мОм.
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2021137834A RU2021137834A (ru) | 2023-06-20 |
| RU2809837C2 true RU2809837C2 (ru) | 2023-12-19 |
Family
ID=
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014191529A1 (en) * | 2013-05-31 | 2014-12-04 | Solarwell | Supercapacitor-like electronic battery |
| CN105405678A (zh) * | 2015-12-21 | 2016-03-16 | 山东精工电子科技有限公司 | 一种含有石墨烯的超级电容器浆料制备方法 |
| CN107316752A (zh) * | 2017-06-14 | 2017-11-03 | 天津理工大学 | 一种二氧化锰/碳纳米管修饰石墨烯纸电容器电极的制备方法 |
| RU175936U1 (ru) * | 2017-05-31 | 2017-12-25 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" | Суперконденсатор |
| RU2641118C1 (ru) * | 2016-10-27 | 2018-01-16 | Общество с ограниченной ответственностью "Карбон тех" (ООО "Карбон тех") | Способ формирования композита для получения электродного материала устройств, запасающих электрическую энергию |
| CN107946086B (zh) * | 2017-12-09 | 2020-01-31 | 北京化工大学 | 一种以石墨烯为粘结剂的超级电容器柔性自支撑全炭电极及其制备方法 |
| CN110895999A (zh) * | 2019-12-03 | 2020-03-20 | 西安交通大学 | 一种多孔石墨烯增强的超级电容器及其制备方法 |
| RU2726945C1 (ru) * | 2019-12-16 | 2020-07-17 | Общество с ограниченной ответственнотью "ИОН" | Плоский суперконденсатор на основе углерод-углеродного нанокомпозита и способ его изготовления |
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014191529A1 (en) * | 2013-05-31 | 2014-12-04 | Solarwell | Supercapacitor-like electronic battery |
| CN105405678A (zh) * | 2015-12-21 | 2016-03-16 | 山东精工电子科技有限公司 | 一种含有石墨烯的超级电容器浆料制备方法 |
| RU2641118C1 (ru) * | 2016-10-27 | 2018-01-16 | Общество с ограниченной ответственностью "Карбон тех" (ООО "Карбон тех") | Способ формирования композита для получения электродного материала устройств, запасающих электрическую энергию |
| RU175936U1 (ru) * | 2017-05-31 | 2017-12-25 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" | Суперконденсатор |
| CN107316752A (zh) * | 2017-06-14 | 2017-11-03 | 天津理工大学 | 一种二氧化锰/碳纳米管修饰石墨烯纸电容器电极的制备方法 |
| CN107946086B (zh) * | 2017-12-09 | 2020-01-31 | 北京化工大学 | 一种以石墨烯为粘结剂的超级电容器柔性自支撑全炭电极及其制备方法 |
| CN110895999A (zh) * | 2019-12-03 | 2020-03-20 | 西安交通大学 | 一种多孔石墨烯增强的超级电容器及其制备方法 |
| RU2726945C1 (ru) * | 2019-12-16 | 2020-07-17 | Общество с ограниченной ответственнотью "ИОН" | Плоский суперконденсатор на основе углерод-углеродного нанокомпозита и способ его изготовления |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI537996B (zh) | 一種超級電容及其製作方法 | |
| JP4878881B2 (ja) | 電気二重層キャパシタ用電極および電気二重層キャパシタ | |
| TWI601330B (zh) | 電極材料及能量儲存設備 | |
| KR101793040B1 (ko) | 울트라커패시터용 전극활물질의 제조방법, 상기 울트라커패시터용 전극활물질을 이용한 울트라커패시터 전극의 제조방법 및 울트라커패시터 | |
| EP1727165A2 (en) | Electrolyte for double layer capacitor | |
| TW200522408A (en) | Manufacturing method of electrochemical device | |
| WO2015031430A1 (en) | Low resistance ultracapacitor electrode and manufacturing method thereof | |
| US20150109719A1 (en) | Method of forming graphene electrode and capacitor including the same | |
| KR20160045760A (ko) | 울트라커패시터, edlc, 하이브리드 커패시터, 연료 전지 및 배터리용 섬유상 세라믹 물질에 기초한 분리막 | |
| KR101166696B1 (ko) | 슈퍼커패시터 및 그 제조방법 | |
| RU2809837C2 (ru) | Плоский тонкий суперконденсатор с низким сопротивлением и способ его изготовления | |
| KR102081616B1 (ko) | 고전압 안정성이 우수한 슈퍼커패시터 및 그 제조방법 | |
| KR102013173B1 (ko) | 울트라커패시터 전극용 조성물, 이를 이용한 울트라커패시터 전극의 제조방법 및 상기 제조방법을 이용하여 제조된 울트라커패시터 | |
| RU2726945C1 (ru) | Плоский суперконденсатор на основе углерод-углеродного нанокомпозита и способ его изготовления | |
| KR100434827B1 (ko) | 폴리피롤을 이용한 슈퍼커패시터용 분극성 복합전극 및 그제조 방법 | |
| KR101105715B1 (ko) | 전기 에너지 저장 소자용 전극 및 그의 제조방법 | |
| KR102188242B1 (ko) | 전극밀도를 개선할 수 있는 슈퍼커패시터 전극용 조성물, 이를 이용한 슈퍼커패시터 전극의 제조방법 및 상기 제조방법을 이용하여 제조된 슈퍼커패시터 | |
| JP4587522B2 (ja) | 電気二重層コンデンサ | |
| KR102188237B1 (ko) | 전해액 함침성이 우수한 전극을 제조할 수 있는 슈퍼커패시터 전극용 조성물, 이를 이용한 슈퍼커패시터 전극의 제조방법 및 상기 제조방법을 이용하여 제조된 슈퍼커패시터 | |
| US20020177037A1 (en) | Method for producing a separator/electrode assembly for electrochemical elements | |
| KR101571679B1 (ko) | 탄소나노섬유-이온성액체 복합체, 그 제조방법, 상기 탄소나노섬유-이온성액체 복합체를 이용한 울트라커패시터 및 그 제조방법 | |
| KR102013179B1 (ko) | 슈퍼커패시터용 전극활물질의 제조방법, 이를 이용한 슈퍼커패시터 전극의 제조방법 및 슈퍼커패시터의 제조방법 | |
| KR102172610B1 (ko) | 슈퍼커패시터용 전극활물질의 제조방법, 상기 전극활물질을 이용한 고출력 슈퍼커패시터용 전극의 제조방법 및 고출력 슈퍼커패시터 | |
| KR102172605B1 (ko) | 슈퍼커패시터의 전해액, 이를 이용한 고전압 슈퍼커패시터 및 그 제조방법 | |
| JP2009200368A (ja) | 電気二重層コンデンサ |