RU97861U1

RU97861U1 - DOUBLE ELECTRIC LAYER SUPERCAPACITOR

Info

Publication number: RU97861U1
Application number: RU2010113229/07U
Authority: RU
Inventors: Константин Константинович Деньщиков; Андрей Зиновьевич Жук; Борис Владимирович Клейменов; Марианна Юрьевна Измайлова
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Объединенный институт высоких температур
Priority date: 2010-04-06
Filing date: 2010-04-06
Publication date: 2010-09-20

Abstract

1. Суперконденсатор с двойным электрическим слоем, содержащий выполненный в виде силовых плит и обечайки герметичный корпус с двумя токовыводами, в котором размещено необходимое количество последовательно-параллельно соединенных элементарных суперконденсаторов, образующих пакеты, каждый из которых состоит из расположенных между токовыми коллекторами двух электродов на основе высокодисперсного углеродного материала, пропитанных водным или органическим электролитом и разделенных сепаратором с ионной проводимостью, отличающийся тем, что токовые коллекторы элементарных суперконденсаторов, реализующие их последовательное соединение, выполнены в виде пластин из ацетиленовой сажи, с обеих сторон которых нанесен слой высокодисперсного углеродного материала, образующий электрод, а на токовые коллекторы, внешней стороной примыкающие к двум токовыводам или к шинам параллельного соединения пакетов, слой высокодисперсного углеродного материала, образующий электрод, нанесен только на их внутреннюю сторону. ! 2. Суперконденсатор по п.1, отличающийся тем, что пропитку электролитом каждого пакета осуществляют с помощью дозатора. 1. A supercapacitor with a double electric layer, comprising a sealed enclosure made in the form of power plates and a shell with two current outputs, in which the necessary number of elementary supercapacitors in series, parallel-connected, is formed, which form packages, each of which consists of two electrodes located between the current collectors based on fine carbon material impregnated with an aqueous or organic electrolyte and separated by a separator with ionic conductivity, characterized by that the current collectors of elementary supercapacitors realizing their series connection are made in the form of plates of acetylene carbon black, on both sides of which a layer of finely dispersed carbon material is formed that forms an electrode, and on current collectors that are adjacent to the two current leads or to the busbars of the parallel connection of the packages , a layer of finely dispersed carbon material forming an electrode is deposited only on their inner side. ! 2. The supercapacitor according to claim 1, characterized in that the electrolyte impregnation of each packet is carried out using a dispenser.

Description

Полезная модель относится к электротехнике, в частности - к конструкции суперконденсаторов с двойным электрическим слоем.The utility model relates to electrical engineering, in particular, to the design of supercapacitors with a double electric layer.

Прототипом полезной модели является конденсатор с двойным электрическим слоем, содержащий выполненный в виде силовых плит и обечайки герметичный корпус с двумя токовыводами, в котором размещено необходимое количество последовательно-параллельно соединенных элементарных суперконденсаторов, образующих пакеты, каждый из которых состоит из расположенных между токовыми коллекторами двух электродов на основе высокодисперсного углеродного материала, пропитанных водным или органическим электролитом и разделенных сепаратором с ионной проводимостью, и промежуточные токосъемные пластины, выполненные из стали - патент США №5420747, H01G 9/00, 1993 г.The prototype of the utility model is a capacitor with a double electric layer, containing a sealed enclosure made in the form of power plates and a shell with two current outputs, in which the necessary number of elementary supercapacitors, which form packages, each of which consists of two electrodes located between the current collectors, is placed in series based on a highly dispersed carbon material impregnated with an aqueous or organic electrolyte and separated by a separator with ionic ovodimostyu and intermediate current collecting plate made of steel - US Patent №5420747, H01G 9/00, 1993 g.

Недостаток прототипа состоит в том, что, выполненный по традиционной технологии, он имеет большое внутреннее сопротивление и достаточно большой вес за счет использования в конденсаторе большого количества промежуточных токосъемных пластин (более одной тысячи штук), контактирующих с углеродным материалом электродов. Контактное сопротивление металл - углерод достаточно велико, несмотря на то, что для его уменьшения используется сжатие конденсаторных пакетов до 25 кг/см². Такой уровень сжатия требует мощного стального корпуса, что, совместно с суммарным весом металлических промежуточных токосъемных пластин, приводит к увеличению веса конденсатора и, как следствие, уменьшению его удельных энергетических характеристик.The disadvantage of the prototype is that, made by traditional technology, it has a large internal resistance and a sufficiently large weight due to the use of a large number of intermediate current collector plates (more than one thousand pieces) in contact with the carbon material of the electrodes. The metal-carbon contact resistance is quite large, despite the fact that compression of the capacitor bags up to 25 kg / cm ^{2 is} used to reduce it. This compression level requires a powerful steel casing, which, together with the total weight of the metal intermediate collector plates, leads to an increase in the weight of the capacitor and, as a result, to a decrease in its specific energy characteristics.

В связи с этим техническая задача, решаемая полезной моделью - увеличение импульсной мощности и удельных энергетических характеристик за счет уменьшения внутреннего сопротивления и снижения веса устройства.In this regard, the technical problem solved by the utility model is to increase the pulse power and specific energy characteristics by reducing the internal resistance and reducing the weight of the device.

Эта задача решена в суперконденсаторе с двойным электрическим слоем, содержащем выполненный в виде силовых плит и обечайки герметичный корпус с двумя токовыводами, в котором размещено необходимое количество последовательно-параллельно соединенных элементарных суперконденсаторов, образующих пакеты, каждый из которых состоит из расположенных между токовыми коллекторами двух электродов на основе высокодисперсного углеродного материала, пропитанных водным или органическим электролитом и разделенных сепаратором с ионной проводимостью, при этом токовые коллекторы элементарных суперконденсаторов, реализующие их последовательное соединение, выполнены в виде пластин из ацетиленовой сажи, с обеих сторон которых нанесен слой высокодисперсного углеродного материала, образующий электрод, а на токовые коллекторы, внешней стороной примыкающие к двум токовыводам или к шинам параллельного соединения пакетов, слой высокодисперсного углеродного материала, образующий электрод, нанесен только на их внутреннюю сторону.This problem is solved in a supercapacitor with a double electric layer, containing a sealed enclosure made in the form of power plates and a shell with two current outputs, in which the necessary number of elementary supercapacitors, which form packages, each of which consists of two electrodes located between the current collectors, is placed in series based on a highly dispersed carbon material impregnated with an aqueous or organic electrolyte and separated by a separator with ionic conductivity w, while the current collectors of elementary supercapacitors that realize their serial connection are made in the form of plates of carbon black, on both sides of which a layer of finely dispersed carbon material is applied that forms an electrode, and on current collectors, the outer side adjacent to two current leads or to busbars parallel to compounds of packets, a layer of finely dispersed carbon material forming an electrode is deposited only on their inner side.

Дополнительный эффект упрощения технологии сборки можно получить при автономной пропитке каждого пакета водным электролитом с помощью дозатора.An additional effect of simplifying the assembly technology can be obtained by autonomously impregnating each packet with aqueous electrolyte using a dispenser.

Сущность технического решения связана с развитием технологии изготовления наборных суперконденсаторов, в частности - с изменением технологии изготовления электрода. В настоящее время он изготавливается методом фильтрации суспензии из активированного угля и пластификатора на подложку из материала, аналогичного материалу сепаратора.The essence of the technical solution is associated with the development of the manufacturing technology of type-setting supercapacitors, in particular, with a change in the manufacturing technology of the electrode. Currently, it is manufactured by filtering a suspension of activated carbon and plasticizer onto a substrate of a material similar to the material of the separator.

Предлагается осаждать активированный уголь электрода непосредственно на токосъемник, производимый из ацетиленовой сажи, в процессе изготовления токосъемника. В этом случае не только отпадает необходимость в использовании подложек, но и существенно снижается вес, внутреннее сопротивление, а также - величина сжимающего усилия, необходимого для снижения контактного сопротивления.It is proposed to deposit activated carbon of an electrode directly on a current collector made from acetylene black in the process of manufacturing a current collector. In this case, not only does the need to use substrates disappear, but the weight, internal resistance, and also the amount of compressive force necessary to reduce contact resistance are significantly reduced.

Конструкция суперконденсатора приведена на чертеже.The design of the supercapacitor is shown in the drawing.

Герметичный корпус 1, выполненный из силовых плит 2 и обечайки 3, имеет два токовывода 4, 5. Корпус 1 изолирован от пакетов двухслойной изоляцией 6, первый слой которой представляет собой герметизирующий материал, например, эпоксидный компаунд, а второй слой - пенообразный материал.The sealed housing 1, made of power plates 2 and the shell 3, has two current outputs 4, 5. The housing 1 is insulated from the packages by double-layer insulation 6, the first layer of which is a sealing material, for example, an epoxy compound, and the second layer is a foamy material.

В корпусе 1 размещено необходимое количество последовательно-параллельно соединенных элементарных суперконденсаторов, образующих пакеты 7, каждый из которых состоит из расположенных между токовыми коллекторами 8 двух электродов 9, 10 на основе высокодисперсного углеродного материала, в частности - ацетиленовой сажи, пропитанных водным или органическим электролитом и разделенных сепаратором 11 с ионной проводимостью.The housing 1 contains the necessary number of series-parallel connected elementary supercapacitors forming packages 7, each of which consists of two electrodes 9, 10 located between the current collectors 8 based on highly dispersed carbon material, in particular acetylene black, impregnated with an aqueous or organic electrolyte and separated by a separator 11 with ionic conductivity.

На обе стороны каждого из токовых коллекторов 8, выполненных из ацетиленовой сажи, при их изготовлении наносят активированный уголь, образуя электроды 9, 10.Activated carbon is deposited on both sides of each of the current collectors 8 made of acetylene carbon black, forming electrodes 9, 10.

При этом образуются два типа электродов - двухслойные и трехслойные:In this case, two types of electrodes are formed - two-layer and three-layer:

двухслойные электроды - при нанесении слоя высокодисперсного углеродного материала только на внутреннюю сторону токовых коллекторов 8, внешней стороной примыкающих к двум токовыводам 4, 5 или к шинам 12 параллельного соединения пакетов 7;two-layer electrodes - when applying a layer of finely dispersed carbon material only on the inner side of the current collectors 8, the outer side adjacent to the two current leads 4, 5 or to the busbars 12 of the parallel connection of packages 7;

трехслойные электроды - при нанесении слоя высокодисперсного углеродного материала, образующего электрод, на обе стороны токовых коллекторов 8 элементарных суперконденсаторов, реализующих последовательное соединение пакетов 7.three-layer electrodes - when applying a layer of finely dispersed carbon material that forms the electrode, on both sides of the current collectors 8 elementary supercapacitors that implement a series connection of packages 7.

Изготовление конденсатора осуществляется следующим образом.The manufacture of a capacitor is as follows.

Двухслойные и трехслойные электроды изготавливаются методом горячего прессования в пресс-формах, соответствующих форме и геометрическим размерам электродов. При этом при изготовлении двухслойных электродов в пресс-форму последовательно насыпаются необходимые количества ацетиленовой сажи и активированного угля, а при изготовлении трехслойных электродов в пресс-форму последовательно насыпаются необходимые количества активированного угля, ацетиленовой сажи и активированного угля.Two-layer and three-layer electrodes are made by hot pressing in molds corresponding to the shape and geometric dimensions of the electrodes. At the same time, in the manufacture of two-layer electrodes, the required amounts of acetylene black and activated carbon are successively poured into the mold, and in the manufacture of three-layer electrodes, the necessary quantities of activated carbon, acetylene black and activated carbon are successively poured into the mold.

Автономно, перед сборкой в пакеты системы «электрод-сепаратор», с помощью дозирующего устройства вводят рассчитанное количество водного электролита для пропитки.Autonomously, before assembly, the calculated amount of aqueous electrolyte for impregnation is introduced into the packages of the electrode-separator system using a dosing device.

При этом дозу определяют в соответствии с размером и назначением электрода, а так же - со структурой сепаратора.In this case, the dose is determined in accordance with the size and purpose of the electrode, as well as with the structure of the separator.

Дозированное введение электролита позволяет упростить технологию сборки путем исключения операции, заключающейся в предварительном внешнем сжатии системы с целью удаления излишков электролита. Это также повышает точность параметров конденсаторных элементов за счет уменьшения разброса характеристик, т.к. при сжатии наблюдается процесс их асимметричного расхождения по радиусу от основной оси. Исключение этой операции приводит к сокращению технологического цикла, экономии электролита, потери которого неизбежны при следовании обычной технологии пропитки.Dosed introduction of electrolyte allows to simplify the assembly technology by eliminating the operation consisting in preliminary external compression of the system in order to remove excess electrolyte. It also improves the accuracy of the capacitor elements by reducing the variation in characteristics, because during compression, the process of their asymmetric divergence along the radius from the main axis is observed. The exception of this operation leads to a reduction in the technological cycle, saving electrolyte, the loss of which is inevitable when following the usual technology of impregnation.

Такая технология дозированного введения электролита существенно экономит расход электролита, который при обычной технологии пропитки (окунанием) составляет до 30%.This technology of dosed electrolyte injection significantly saves the electrolyte consumption, which with conventional impregnation technology (dipping) is up to 30%.

Сборка пакетов 7 производится по обычной схеме, т.е. на силовую плиту 2 корпуса 1 укладывают токовывод 4, а затем - систему «электрод-сепаратор», в которую входит токовый коллектор 8 и так далее.Packages 7 are assembled according to the usual scheme, i.e. current output 4 is laid on the power plate 2 of the housing 1, and then the electrode-separator system, which includes the current collector 8, and so on.

Таким образом, предлагаемая конструкция суперконденсатора представляет собой единую систему «токосъемник-электрод-сепаратор», состоящую из близких по своим физико-химическим свойствам контактирующих материалов - смеси активированного угля с сажей, в которой значительно снижено контактное сопротивление, что создает увеличение импульсной мощностной характеристики устройства. Замена металлических внутренних токосъемников не только влечет за собой уменьшение веса всего устройства, но, позволяя ввести автономную дозированную пропитку системы «электрод-сепаратор», упрощает технологию его сборки за счет исключения операции внешнего сжатия.Thus, the proposed design of the supercapacitor is a single current collector-electrode-separator system consisting of contacting materials similar in their physicochemical properties - a mixture of activated carbon with carbon black, in which the contact resistance is significantly reduced, which creates an increase in the pulse power characteristics of the device . Replacement of metal internal current collectors not only entails a reduction in the weight of the entire device, but, allowing the introduction of autonomous dosed impregnation of the electrode-separator system, simplifies its assembly technology by eliminating the operation of external compression.

Claims

1. A supercapacitor with a double electric layer, comprising a sealed enclosure made in the form of power plates and a shell with two current outputs, in which the necessary number of elementary supercapacitors in series, parallel-connected, is formed, which form packages, each of which consists of two electrodes located between the current collectors based on fine carbon material impregnated with an aqueous or organic electrolyte and separated by a separator with ionic conductivity, characterized by that the current collectors of elementary supercapacitors realizing their series connection are made in the form of plates of acetylene carbon black, on both sides of which a layer of finely dispersed carbon material is formed that forms an electrode, and on current collectors that are adjacent to the two current leads or to the busbars of the parallel connection of the packages , a layer of finely dispersed carbon material forming an electrode is deposited only on their inner side.

2. The supercapacitor according to claim 1, characterized in that the electrolyte impregnation of each packet is carried out using a dispenser.