WO2011139174A1 - Double-layer capacitor or ultracapacitor device - Google Patents
Double-layer capacitor or ultracapacitor device Download PDFInfo
- Publication number
- WO2011139174A1 WO2011139174A1 PCT/RU2010/000221 RU2010000221W WO2011139174A1 WO 2011139174 A1 WO2011139174 A1 WO 2011139174A1 RU 2010000221 W RU2010000221 W RU 2010000221W WO 2011139174 A1 WO2011139174 A1 WO 2011139174A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- electrodes
- capacitors
- separator
- threads
- thread
- Prior art date
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 title claims abstract description 29
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 7
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims description 4
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical class C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 8
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 abstract description 5
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 abstract description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 4
- 239000011149 active material Substances 0.000 abstract 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 13
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 12
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 6
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 4
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 3
- 239000012510 hollow fiber Substances 0.000 description 3
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 3
- 229920004936 Lavsan® Polymers 0.000 description 2
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 2
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 2
- 229920005594 polymer fiber Polymers 0.000 description 2
- -1 polypropylene Polymers 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 229920000914 Metallic fiber Polymers 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 150000001721 carbon Chemical class 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 238000001879 gelation Methods 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000037427 ion transport Effects 0.000 description 1
- 238000002386 leaching Methods 0.000 description 1
- 230000003137 locomotive effect Effects 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 239000000565 sealant Substances 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/24—Electrodes characterised by structural features of the materials making up or comprised in the electrodes, e.g. form, surface area or porosity; characterised by the structural features of powders or particles used therefor
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/26—Electrodes characterised by their structure, e.g. multi-layered, porosity or surface features
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/13—Energy storage using capacitors
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
Definitions
- the device is a double layer capacitor or ultracapacitor.
- the invention relates to the production of electrical devices, and more particularly to the design and materials of electrodes of ultracapacitors or otherwise double layer capacitors.
- Double layer capacitors are also known, also called ultracapacitors, ionistors or supercapacitors. Such devices are capable of storing more energy per unit volume than traditional capacitors, delivering more power than chemical batteries, and withstanding a greater number of charge-discharge cycles. Ultra capacitors with a capacity of thousands of Farads are used for backup power supply of electrical appliances, in starting equipment
- Known ultracapacitors consisting of electrodes with a developed surface, an electrolyte, a separator, a housing and current collectors brought to the surface of the housing.
- the ultracapacitor includes a dielectric housing (1), a pair of carbon electrodes of activated carbon (2) or other material having a large specific surface area of the porous separator ( 3), an electrolyte (4), a pair of conductive layers that serve as current collectors (5).
- the ultracapacitor works as follows. A double electric layer is formed on the surface of the electrodes, which prevents leakage.
- modified carbon fibers from isotropic pitch having a developed surface, a separator made of perforated polypropylene film and two current collectors made of hydrophobized fabric based on carbon fibers were used.
- the cell is enclosed in a sealed volume of polyethylene. Sulfuric acid was used as an electrolyte.
- the cell volume is divided in the middle by a separator, and each of the two electrodes is localized in one half-space.
- the disadvantage of this design is its unsuitability for easy scaling.
- PT / U2010 / 000221 influence of internal resistance.
- the internal resistance of the cell depends on the average distance between the electrodes, the quality of the separator, its area, and the mobility of the electrolyte ions. With a proportional increase in all elements of the cell by L times, its capacitance increases in L, the area of the separator increases in L, and the average distance between the electrodes increases in L.
- the proposed design is devoid of this drawback.
- the material of the electrodes consists of electrically conductive filaments with a developed surface, each of which, as in a stocking, is enclosed in a porous film or mesh that acts as a separator. Those. this coating freely passes electrolyte ions and
- the entire design of the ultracapacitor is transferred to the micro level.
- Two such filaments, placed in an electrolyte and pressed against each other, are an ultracapacitor in miniature.
- the number of threads can be any, it is important that the threads connected to different current collectors are located in close proximity to each other, alternating. For example, they can be arranged in layers with an offset of one layer relative to the other by half a step. They can be woven into a braid, woven in the form of a fabric, or woven according to the principle of conductors in a twisted pair cable.
- Figure 2 shows how to weave an ultracapacitor from threads enclosed in a porous shell.
- Two flexible current collectors (6) and (7) are connected each with its own set of threads from
- ultracapacitors For example, you can wet it with electrolyte and solder it between two layers of elastic plastic. Get a thin capacitor in a flexible case. You can twist it into a tight roll and place it in a cylindrical body filled with electrolyte. Electrodes occupy the same capacitance with
- a key element in the design is the thread constituting the electrodes.
- Activated carbon fiber can be taken as a basis, due to which its specific surface area increases to 300-1500 m 2 / g.
- the fiber thickness can be in the range from 1 ⁇ m to 100 ⁇ m, and for capacitors with a capacity of more than 1000 F to 1 mm.
- An ideal thread should be considered, the surface layers of which have a developed porous structure, and the core has good electrical conductivity. Such a structure can be obtained in various ways.
- a thread may consist of many fibers twisted like
- the thread is covered with a porous separator film.
- hollow polymer fibers of relatively large diameter from 100 microns to 5 mm, a metal wire with a diameter several times smaller than the inner diameter of the hollow fiber is inserted into the inner channel of each of them, and the remaining space inside the fiber is filled with fine powder of activated carbon.
- the surface of the thread consists of a film of a porous insulating material, for example, a polymer, with pores whose characteristic size is less than the radius of the fiber, but sufficient for the passage of ions used in the electrolytic capacitor.
- a film can be obtained by one of the known methods, for example, by spontaneous gelation, or by leaching. Best result possible achieved using the Rebinder effect, since in this case it is possible to obtain films with pores elongated along the threads, which is the best result.
- the material for the electrodes of the coins is carbon modified fiber with a filament diameter of 5 ⁇ m, enclosed in a shell of porous lavsan with pores of about 1 ⁇ m. A significant drawback of this material is that lavsan is not acid resistant, therefore, sulfuric acid should not be used as an electrolyte. Fibers of equal length 140 mm are laid in layers, with even layers
- the resulting bundle with a diameter of about 40 mm is enclosed in a heat-shrinkable tube and crimped.
- the tube is filled with electrolyte and the ends of the tube are closed
- the resulting capacitor has an average distance between the electrodes of about 10 ⁇ m, a separator area of about 20 m 2 , includes about 40 g of activated carbon fiber with a specific surface area of 350 m / g.
- Scale by changing any of the following sizes: the diameter of the fiber and threads, the length of the fiber segments, the diameter of the tow and others.
- the first electrode consists of conductive threads made on the basis of hollow polymer fibers, as described above. A bundle of such threads is enclosed in a closed volume, with all metal wires connected to a common current collector.
- the second electrode also consists of activated carbon powder, or other electrode material. This electrode fills the space between the hollow fibers. To improve the current collector from the second electrode, metallic threads or metal foil are introduced into it,
- the second electrode can be made in the form of a thin layer of activated carbon powder deposited on the surface of the hollow fiber and fixed, for better current collector, deposited on top of the powder with a metal film.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
Abstract
The invention relates to a device of electrodes in double-layer capacitors with a high specific power. If only one of the electrodes of the capacitor is manufactured from an activated carbon fiber which is coated with a thin porous polymeric film. Therefore, each thread comprises an active material with a developed surface (10) and a separator (11), which ensures the simplicity in manufacture of the capacitors. For high-power capacitors, in addition to the carbon fiber a thin metal wire (9) is incorporated in the thread in order to reduce the resistance. Alternating the connection of the threads (8) to one electrical lead (6) and the other electrical lead (7) ensures a large surface area of contact between the electrodes and a high specific power. The use of the proposed design which combines an electrode mass, a separator and an electrical lead in one thread makes it possible to manufacture inexpensive flat, flexible double-layer capacitors, capacitors with a high capacitance for hybrid automobiles and capacitors with an extra-high capacitance for power supply systems, both with a symmetrical and with an asymmetrical design.
Description
Устройство конденсатора двойного слоя или ультраконденсатора. The device is a double layer capacitor or ultracapacitor.
Изобретение относится к производству электрических устройств, конкретнее к конструкции и материалам электродов ультраконденсаторов или иначе конденсаторов двойного слоя. The invention relates to the production of electrical devices, and more particularly to the design and materials of electrodes of ultracapacitors or otherwise double layer capacitors.
Известны конденсаторы двойного слоя, называемые также ультраконденсаторы, ионисторы или суперконденсаторы. Такие устройства способны хранить больше энергии на единицу объема, чем традиционные конденсаторы, выдавать большие мощности по сравнению с химическими батареями, и выдерживать большее число циклов заряд-разряд. Ультраконденсаторы с емкостью в тысячи Фарад применяются для резервного питания электрических приборов, в пусковой аппаратуре Double layer capacitors are also known, also called ultracapacitors, ionistors or supercapacitors. Such devices are capable of storing more energy per unit volume than traditional capacitors, delivering more power than chemical batteries, and withstanding a greater number of charge-discharge cycles. Ultra capacitors with a capacity of thousands of Farads are used for backup power supply of electrical appliances, in starting equipment
автомобильных и локомотивных двигателей, как накопители энергии в гибридных автомобилях. automobile and locomotive engines, as energy storage in hybrid cars.
Эти устройства достигают высокой емкости благодаря большой поверхности используемых электродов. Обычные конденсаторы, как правило, состоят из двух металлических пластин-электродов, разделенных диэлектриком. Так как емкость пропорциональна площади электродов, то конденсаторы большой емкости должны иметь большую площадь пластин. В ультраконденсаторах используют для электродов материалы с развитой микроструктурой и высокой удельной поверхностью порядка 1 ООО м2/г, например, активированный уголь. These devices achieve high capacitance due to the large surface of the electrodes used. Conventional capacitors, as a rule, consist of two metal plate-electrodes separated by a dielectric. Since the capacitance is proportional to the area of the electrodes, large capacitors must have a large plate area. The ultracapacitor electrode material used for advanced microstructure and high surface area of the order of 1 LLC m 2 / g, for example, activated carbon.
Известны ультраконденсаторы, состоящие из электродов с развитой поверхностью, электролита, сепаратора, корпуса и токоприемников, выведенных на поверхность корпуса. Known ultracapacitors, consisting of electrodes with a developed surface, an electrolyte, a separator, a housing and current collectors brought to the surface of the housing.
Классическая конструкция ультраконденсатора, например, в патенте US6212062 (В1) «Sealed ultracapacitor» на фигуре 1. Ультраконденсатор включает корпус из диэлектрика (1), пару угольных электродов из активированного угля (2) или другого материала имеющего большую удельную поверхность, слой пористого сепаратора (3), электролит (4), пару проводящих слоев, которые служат токоприемниками (5). The classic design of the ultracapacitor, for example, in the patent US6212062 (B1) "Sealed ultracapacitor" in figure 1. The ultracapacitor includes a dielectric housing (1), a pair of carbon electrodes of activated carbon (2) or other material having a large specific surface area of the porous separator ( 3), an electrolyte (4), a pair of conductive layers that serve as current collectors (5).
Работает ультраконденсатор следующим образом. На поверхности электродов образуется двойной электрический слой, который препятствует протеканию The ultracapacitor works as follows. A double electric layer is formed on the surface of the electrodes, which prevents leakage.
постоянного тока через конденсатор. Чем больше поверхность электродов, тем больше емкость конденсатора. Поэтому обычно для изготовления электродов используются материалы с удельной поверхностью в несколько сотен квадратных метров на грамм. Сепаратор предотвращает прямой электрический контакт между электродами, поэтому ток обеспечивает движение ионов в электролите. Ионы
проходят через сквозные поры в сепараторе. Чем более пористый сепаратор и чем больше его поверхность, тем меньше внутреннее сопротивление конденсатора и тем большую мощность он может отдать. От химической природы электролита зависит максимальное напряжение, допустимое на двойном электрическом слое без заметного разрушения электролита и электродов. Подвижность ионов электролита влияет на внутреннее сопротивление суперконденсатора. Как правило, улучшение одного из параметров электролита ведет к ухудшению другого. Поэтому конструктивное решение электродов и сепаратора, позволяющее уменьшить внутреннее DC through capacitor. The larger the surface of the electrodes, the greater the capacitance of the capacitor. Therefore, materials with a specific surface of several hundred square meters per gram are usually used for the manufacture of electrodes. The separator prevents direct electrical contact between the electrodes, so the current provides the movement of ions in the electrolyte. Jonah pass through the through pores in the separator. The more porous the separator and the larger its surface, the lower the internal resistance of the capacitor and the more power it can give. The maximum voltage allowed on a double electric layer without noticeable destruction of the electrolyte and electrodes depends on the chemical nature of the electrolyte. The mobility of electrolyte ions affects the internal resistance of a supercapacitor. As a rule, an improvement in one of the electrolyte parameters leads to a deterioration of the other. Therefore, the design solution of the electrodes and the separator, which allows to reduce the internal
сопротивление ультраконденсатора, приводят к возможности увеличения удельной энергии, запасаемой конденсатором. Примером такого решения может служить патент: «СО-EXTRUSION METHOD OF FABRICATING ELECTRODE STRUCTURES IN HONEYCOMB SUBSTRATES AND ULTRACAPACITOR FORMED THEREBY))
WO2007142915. Каждый электрод выполнен в виде множества прямоугольных или квадратных ячеек, причем ячейки, занятые одним и другим электродом, чередуются в шахматном порядке. Такая схема позволяет увеличить поверхность сепаратора примерно в 4 (N)172, где N - число ячеек. Недостатком предложенного решения является сложность конструкции, и сложность эта увеличивается по мере уменьшения размеров ячейки. Вероятно, минимальные разумные размеры ячеек не должны быть менее 1 мм. Другим недостатком является то, что в подобной конструкции сепаратор изготавливается только из твердых материалов типа карбид кремния. Такое ограничение ухудшает удельные характеристики сепаратора. the resistance of the ultracapacitor, lead to the possibility of increasing the specific energy stored by the capacitor. An example of such a solution is the patent: “CO-EXTRUSION METHOD OF FABRICATING ELECTRODE STRUCTURES IN HONEYCOMB SUBSTRATES AND ULTRACAPACITOR FORMED THEREBY)) WO2007142915. Each electrode is made in the form of many rectangular or square cells, and the cells occupied by one and the other electrode alternate in a checkerboard pattern. This scheme allows you to increase the surface of the separator by about 4 (N) 172 , where N is the number of cells. The disadvantage of the proposed solution is the complexity of the design, and this complexity increases with decreasing cell size. Probably the minimum reasonable cell sizes should not be less than 1 mm. Another disadvantage is that in such a design, the separator is made only of solid materials such as silicon carbide. This limitation affects the specific characteristics of the separator.
Известны также устройства, в которых электроды изготавливают из Also known are devices in which electrodes are made from
электропроводящих волокнистых материалов с большой удельной поверхностью. Например, в книге «Углеродные волокна» В.Я.Варшавского изданной 2007 году, УДК 547 ББК 35.73 В 188, на стр.412-415, описано устройство элементарной ячейки конденсатора двойного слоя. В качестве электродов использовались conductive fibrous materials with a large specific surface area. For example, in the book “Carbon Fiber” by V.Ya. Varshavsky published in 2007, UDC 547 BBK 35.73 In 188, on pages 414-415, the unit cell of a double layer capacitor is described. As electrodes were used
модифицированные углеродные волокна из изотропного пека, имеющие развитую поверхность, применялся сепаратор из перфорированной полипропиленовой пленки и два токоприемника из гидрофобизованной ткани на основе углеродных волокон. Ячейка заключена в герметичный объем из полиэтилена. В качестве электролита использовалась серная кислота. Как и в классической конструкции, объем ячейки разделен посередине сепаратором, а каждый из двух электродов локализован в одном полупространстве. Недостатком подобной конструкции является ее непригодность для простого масштабирования. По мере увеличения размеров ячейки увеличивается
P T/ U2010/000221 влияние внутреннего сопротивления. Внутреннее сопротивление ячейки зависит от среднего расстояния между электродами, качества сепаратора, его площади, и подвижности ионов электролита. При пропорциональном увеличении всех элементов ячейки в L раз, емкость ее возрастает в L , площадь сепаратора возрастает в L , и среднее расстояние между электродами возрастает в L. При этом такие modified carbon fibers from isotropic pitch having a developed surface, a separator made of perforated polypropylene film and two current collectors made of hydrophobized fabric based on carbon fibers were used. The cell is enclosed in a sealed volume of polyethylene. Sulfuric acid was used as an electrolyte. As in the classical design, the cell volume is divided in the middle by a separator, and each of the two electrodes is localized in one half-space. The disadvantage of this design is its unsuitability for easy scaling. As the size of the cell increases, PT / U2010 / 000221 influence of internal resistance. The internal resistance of the cell depends on the average distance between the electrodes, the quality of the separator, its area, and the mobility of the electrolyte ions. With a proportional increase in all elements of the cell by L times, its capacitance increases in L, the area of the separator increases in L, and the average distance between the electrodes increases in L.
характеристики, как удельная мощность и частота, на которой конденсатор может эффективно работать, ухудшаются приблизительно в L2 раз. Этот конструктивный недостаток приводит к тому, что электролиты, позволяющие повысить напряжение на ячейке, но обладающие меньшей подвижностью ионов, чаще используются в конденсаторах меньших размеров. characteristics such as power density and frequency at which the capacitor can operate efficiently are degraded by approximately L 2 times. This design flaw leads to the fact that electrolytes, which can increase the voltage on the cell, but with lower ion mobility, are often used in smaller capacitors.
Этого недостатка лишена предлагаемая конструкция. Материал электродов состоит из электропроводящих нитей с развитой поверхностью, каждая из которых, как в чулок, заключена в пористую пленку или сетку, выполняющую роль сепаратора. Т.е. это покрытие свободно пропускает ионы электролита, и препятствует The proposed design is devoid of this drawback. The material of the electrodes consists of electrically conductive filaments with a developed surface, each of which, as in a stocking, is enclosed in a porous film or mesh that acts as a separator. Those. this coating freely passes electrolyte ions and
непосредственному контакту и передаче электронов от одной нити к другой даже при плотном прижатии нитей друг к другу. Вся конструкция ультраконденсатора переносится на микроуровень. Две такие нити, помещенные в электролит и прижатые друг к другу, представляют собой ультраконденсатор в миниатюре. Число нитей может быть любым, важно, чтобы нити, соединенные с разными токоприемниками, располагались в непосредственной близости друг от друга, чередовались. Например, они могут располагаться слоями со смещением одного слоя относительно другого на половину шага. Могут быть сплетены в жгут, сотканы в виде ткани, или сплетены по принципу проводников в кабеле «витая пара». На фигуре 2 показано как «соткать» ультраконденсатор из нитей, заключенных в пористую оболочку. Два гибких токоприемника (6) и (7) соединены каждый со своим набором нитей из direct contact and transfer of electrons from one filament to another even when the filaments are pressed tightly against each other. The entire design of the ultracapacitor is transferred to the micro level. Two such filaments, placed in an electrolyte and pressed against each other, are an ultracapacitor in miniature. The number of threads can be any, it is important that the threads connected to different current collectors are located in close proximity to each other, alternating. For example, they can be arranged in layers with an offset of one layer relative to the other by half a step. They can be woven into a braid, woven in the form of a fabric, or woven according to the principle of conductors in a twisted pair cable. Figure 2 shows how to weave an ultracapacitor from threads enclosed in a porous shell. Two flexible current collectors (6) and (7) are connected each with its own set of threads from
активированного углеродного волокна, заключенного в пористую оболочку (8). Такая ткань дает возможность для множества конструктивных решений activated carbon fiber enclosed in a porous membrane (8). Such a fabric provides an opportunity for many design solutions.
ультраконденсаторов. Например, можно смочить ее электролитом и запаять ее между двумя слоями эластичного пластика. Получится тонкий конденсатор в гибком корпусе. Можно скрутить ее в плотный рулон и поместить в цилиндрический корпус, заполненный электролитом. Электроды занимают одну и ту же емкость с ultracapacitors. For example, you can wet it with electrolyte and solder it between two layers of elastic plastic. Get a thin capacitor in a flexible case. You can twist it into a tight roll and place it in a cylindrical body filled with electrolyte. Electrodes occupy the same capacitance with
электролитом, взаимопроникая друг в друга, поверхность контакта больше, а внутреннее сопротивление меньше по сравнению с традиционными electrolyte, interpenetrating each other, the contact surface is larger, and the internal resistance is less than traditional
ультраконденсаторами. В отличие от прототипа, при увеличении массы такого
«объединенного» электрода удельная мощность и эффективная частота меняются слабо, т.к. расстояние переноса ионов и удельная площадь сепаратора остается неизменной при любом размере элементарной ячейки. ultracapacitors. In contrast to the prototype, with an increase in the mass of such The “combined” electrode, the specific power and effective frequency change only slightly, because the ion transport distance and the specific area of the separator remains unchanged for any unit cell size.
Ключевым элементом конструкции является составляющая электроды нить. За основу может быть принято углеродное волокно, прошедшее активацию, благодаря чему его удельная поверхность возрастает до 300-1500 м2/гр. Толщина волокна может быть в интервале от 1 мкм до 100 мкм, а для конденсаторов емкостью более 1000 Ф до 1 мм. Идеальной следует считать нить, поверхностные слои которой имеют развитую пористую структуру, а сердцевина обладает хорошей электропроводностью. Такая структура может быть получена различными способами. A key element in the design is the thread constituting the electrodes. Activated carbon fiber can be taken as a basis, due to which its specific surface area increases to 300-1500 m 2 / g. The fiber thickness can be in the range from 1 μm to 100 μm, and for capacitors with a capacity of more than 1000 F to 1 mm. An ideal thread should be considered, the surface layers of which have a developed porous structure, and the core has good electrical conductivity. Such a structure can be obtained in various ways.
Например, нить может состоять из многих волокон, скрученных наподобие For example, a thread may consist of many fibers twisted like
обыкновенной нитки, причем часть волокон может быть предварительно ordinary thread, and part of the fibers may be pre
активирована, а часть иметь более плотную структуру и большую activated, and part have a denser structure and a larger
электропроводность, чем активированное углеродное волокно. Нить покрыта пористой пленкой сепаратора. electrical conductivity than activated carbon fiber. The thread is covered with a porous separator film.
Можно, как показано на фигуре 3, использовать тонкую металлическую проволоку (9) в качестве токоприемника, вокруг которой обвиты волокна активированного углеродного волокна (10), выполняющего роль электродного материала, эта комбинированная нить заключена в чулок из пористого изолирующего материала - сепаратора (11). Можно заменить волокна порошком из активированного угля или графенов, нанесенных на металлическую проволоку. It is possible, as shown in figure 3, to use a thin metal wire (9) as a current collector, around which fibers of activated carbon fiber (10) are wrapped, acting as an electrode material, this combined thread is enclosed in a stocking of a porous insulating material - separator (11) . You can replace the fibers with activated carbon or graphene powder deposited on a metal wire.
Или можно использовать полые полимерные волокна относительно большого диаметра от 100 мкм до 5 мм, во внутренний канал каждого из которых вставлена металлическая проволока диаметром в несколько раз меньше, чем внутренний диаметр полого волокна, а остальное пространство внутри волокна заполнено мелкодисперсным порошком активированного угля. Or you can use hollow polymer fibers of relatively large diameter from 100 microns to 5 mm, a metal wire with a diameter several times smaller than the inner diameter of the hollow fiber is inserted into the inner channel of each of them, and the remaining space inside the fiber is filled with fine powder of activated carbon.
Наконец, возможно подобрать режим активации так, чтобы внешняя поверхность углеродного волокна подвергалась большему изменению структуры, чем сердцевина. Самым простым вариантом является активированное углеродное моноволокно. Finally, it is possible to select an activation mode so that the outer surface of the carbon fiber undergoes a greater structural change than the core. The simplest option is activated carbon monofilament.
Поверхность нити состоит из пленки пористого изолирующего материала, например, полимера, с порами, характерный размер которых менее радиуса волокна, но достаточен для прохождения ионов применяемого в ультраконденсаторе электролита. Такая пленка может быть получена одним из известных способов, например методом спонтанного гелеобразования, или выщелачиванием. Наилучшего результата можно
добиться, используя эффект Ребиндера, так как в этом случае удается получить пленки с порами, вытянутыми вдоль нитей, что является наилучшим результатом. Вот пример одного из вариантов конструктивного решения вышеперечисленных схем. Материалом для электродов монсет служить углеродное модифицированное волокно с диаметром нитей 5 мкм, заключенное в оболочку из пористого лавсана с порами около 1 мкм. Существенный недостаток этого материала - это то, что лавсан не стоек в кислотах, поэтому не следует использовать в качестве электролита серную кислоту. Волокна равной длинны 140 мм укладываются слоями, причем четные слои The surface of the thread consists of a film of a porous insulating material, for example, a polymer, with pores whose characteristic size is less than the radius of the fiber, but sufficient for the passage of ions used in the electrolytic capacitor. Such a film can be obtained by one of the known methods, for example, by spontaneous gelation, or by leaching. Best result possible achieved using the Rebinder effect, since in this case it is possible to obtain films with pores elongated along the threads, which is the best result. Here is an example of one of the options for constructive solutions to the above schemes. The material for the electrodes of the coins is carbon modified fiber with a filament diameter of 5 μm, enclosed in a shell of porous lavsan with pores of about 1 μm. A significant drawback of this material is that lavsan is not acid resistant, therefore, sulfuric acid should not be used as an electrolyte. Fibers of equal length 140 mm are laid in layers, with even layers
сдвигаются вдоль волокна на 15 мм в одну сторону, а нечетные в другую. are shifted along the fiber by 15 mm in one direction, and odd in the other.
Образовавшийся жгут диаметром около 40 мм, заключен в термоусаживающуюся трубку и обжат. Трубка заполнена электролитом, и торцы трубки закрыты The resulting bundle with a diameter of about 40 mm is enclosed in a heat-shrinkable tube and crimped. The tube is filled with electrolyte and the ends of the tube are closed
герметиком. Оставшиеся концы нитей с обеих сторон трубки освобождены от изолирующей пленки и соединены с токоприемниками. Полученный конденсатор имеет среднее расстояние между электродами около 10 мкм, площадь сепаратора около 20 м2, включает около 40 г активированного углеродного волокна с удельной поверхностью 350 м /гр. Подобную конструкцию конденсатора можно sealant. The remaining ends of the threads on both sides of the tube are freed from the insulating film and connected to the current collectors. The resulting capacitor has an average distance between the electrodes of about 10 μm, a separator area of about 20 m 2 , includes about 40 g of activated carbon fiber with a specific surface area of 350 m / g. A similar capacitor design can
масштабировать, изменяя любые из перечисленных размеров: диаметр волокна и нитей, длину отрезков волокон, диаметр жгута и другие. Scale by changing any of the following sizes: the diameter of the fiber and threads, the length of the fiber segments, the diameter of the tow and others.
Другой пример конструктивного решения это конденсатор, имеющий различную конструкцию электродов. Первый электрод состоит из токопроводящих нитей, изготовленных на основе полых полимерных волокон, как описано выше. Пучок таких нитей заключен в замкнутый объем, причем все металлические проволочки подсоединены к общему токоприемнику. Второй электрод также состоит из порошка активированного угля, или другого электродного материала. Этот электрод заполняет пространство между полыми волокнами. Для улучшения токоотвода от второго электрода в него введены металлические нити или металлическая фольга, Another example of a structural solution is a capacitor having a different design of electrodes. The first electrode consists of conductive threads made on the basis of hollow polymer fibers, as described above. A bundle of such threads is enclosed in a closed volume, with all metal wires connected to a common current collector. The second electrode also consists of activated carbon powder, or other electrode material. This electrode fills the space between the hollow fibers. To improve the current collector from the second electrode, metallic threads or metal foil are introduced into it,
соединенные со вторым токоприемником. Как вариант, второй электрод может быть изготовлен в виде тонкого слоя порошка активированного угля, нанесенного на поверхность полого волокна и закрепленного, для лучшего токоотвода, нанесенной поверх порошка металлической пленкой.
connected to the second current collector. Alternatively, the second electrode can be made in the form of a thin layer of activated carbon powder deposited on the surface of the hollow fiber and fixed, for better current collector, deposited on top of the powder with a metal film.
Claims
1. Устройство конденсатора двойного слоя или ультраконденсатора, включающее электролит, токоприемники, сепаратор и электродную массу, содержащую материал с высокой, более 50 м2/г, удельной поверхностью, отличающееся тем, что хотя бы один из электродов изготовлен из токопроводящих нитей, покрытых пористой диэлектрической пленкой, выполняющей роль сепаратора.1. The device is a double layer capacitor or ultracapacitor, including an electrolyte, current collectors, a separator and an electrode mass containing material with a high specific surface area of more than 50 m 2 / g, characterized in that at least one of the electrodes is made of conductive threads coated with a porous a dielectric film acting as a separator.
2. Устройство электрического ультраконденсатора по п.1., в котором оба 2. The device of the electric ultracapacitor according to claim 1., In which both
электрода изготовлены из токопроводящих нитей покрытых пористой диэлектрической пленкой, все нити собраны в пучок, или сплетены в жгут, или сотканы в ткань, или уложены рядами, причем нити, подсоединенные к разным токоприемникам, чередуются. the electrodes are made of conductive threads coated with a porous dielectric film, all the threads are bundled, or woven into a bundle, or woven into fabric, or stacked in rows, and the threads connected to different current collectors alternate.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/RU2010/000221 WO2011139174A1 (en) | 2010-05-04 | 2010-05-04 | Double-layer capacitor or ultracapacitor device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/RU2010/000221 WO2011139174A1 (en) | 2010-05-04 | 2010-05-04 | Double-layer capacitor or ultracapacitor device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
WO2011139174A1 true WO2011139174A1 (en) | 2011-11-10 |
Family
ID=44903871
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/RU2010/000221 WO2011139174A1 (en) | 2010-05-04 | 2010-05-04 | Double-layer capacitor or ultracapacitor device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
WO (1) | WO2011139174A1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2501871A (en) * | 2012-05-03 | 2013-11-13 | Dyson Technology Ltd | Hybrid capacitor comprising carbon nanotubes and a dielectric coating |
KR101364580B1 (en) * | 2012-06-28 | 2014-02-18 | 최대규 | Variable condenser device having multi charging electrode strip |
KR101364581B1 (en) * | 2012-06-28 | 2014-02-18 | 최대규 | Condenser device having multi charging electrode strip |
KR101364579B1 (en) * | 2012-06-28 | 2014-02-18 | 최대규 | Multi charging electrode strip for condenser device |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2098879C1 (en) * | 1994-03-11 | 1997-12-10 | Наталия Корнеевна Товстюк | Heavy-power capacitor which has double electric layer |
US6212061B1 (en) * | 1998-09-29 | 2001-04-03 | General Electric Company | Sealing an ultracapacitor |
CN2528116Y (en) * | 2002-03-15 | 2002-12-25 | 牛锡贤 | High energy storage battery with active nano carbon fibre (CNT) electrode |
CN2686065Y (en) * | 2003-05-08 | 2005-03-16 | 北京集星世纪科技有限公司 | A actived carbon fibre cloth/spray aluminium composite pole plate double-layer capacitor |
-
2010
- 2010-05-04 WO PCT/RU2010/000221 patent/WO2011139174A1/en active Application Filing
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2098879C1 (en) * | 1994-03-11 | 1997-12-10 | Наталия Корнеевна Товстюк | Heavy-power capacitor which has double electric layer |
US6212061B1 (en) * | 1998-09-29 | 2001-04-03 | General Electric Company | Sealing an ultracapacitor |
CN2528116Y (en) * | 2002-03-15 | 2002-12-25 | 牛锡贤 | High energy storage battery with active nano carbon fibre (CNT) electrode |
CN2686065Y (en) * | 2003-05-08 | 2005-03-16 | 北京集星世纪科技有限公司 | A actived carbon fibre cloth/spray aluminium composite pole plate double-layer capacitor |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2501871A (en) * | 2012-05-03 | 2013-11-13 | Dyson Technology Ltd | Hybrid capacitor comprising carbon nanotubes and a dielectric coating |
GB2501871B (en) * | 2012-05-03 | 2016-10-05 | Dyson Technology Ltd | Hybrid Capacitor |
KR101364580B1 (en) * | 2012-06-28 | 2014-02-18 | 최대규 | Variable condenser device having multi charging electrode strip |
KR101364581B1 (en) * | 2012-06-28 | 2014-02-18 | 최대규 | Condenser device having multi charging electrode strip |
KR101364579B1 (en) * | 2012-06-28 | 2014-02-18 | 최대규 | Multi charging electrode strip for condenser device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US12062794B2 (en) | Electrical power storage devices | |
Halper et al. | Supercapacitors: A brief overview | |
US8373971B2 (en) | Supercapacitors using nanotube fibers and methods of making the same | |
US9514892B2 (en) | Yarn-type micro-supercapacitor method for fabricating same | |
TWI601330B (en) | Electrode material and energy storage apparatus | |
KR101690795B1 (en) | Double-layer multiple-coil supercapacitor | |
TW201117242A (en) | All solid-state electrochemical double layer supercapacitor | |
WO2010028162A2 (en) | Charge storage device architecture for increasing energy and power density | |
JPWO2013073526A1 (en) | Electrode for electricity storage device, electricity storage device, and method for producing electrode for electricity storage device | |
CN110729529A (en) | Energy storage battery cell with composite electrode structure and method for pre-embedding lithium in battery cell | |
KR20200037580A (en) | MXen/Carbon Nanotube Composites and Fiber-typed Asymmetric Supercapacitors Using the Same | |
WO2011139174A1 (en) | Double-layer capacitor or ultracapacitor device | |
US20080241656A1 (en) | Corrugated electrode core terminal interface apparatus and article of manufacture | |
KR20140027602A (en) | Electrode structure, method of manufacturing the same and energy storing device including the electrode structure | |
US20110188171A1 (en) | Electric double layer capacitor and method of manufacturing the same | |
JP2011512662A (en) | Multitrack supercapacitor | |
JP2018166139A (en) | Electrochemical device | |
KR102013173B1 (en) | Composite for ultracapacitor electrode, manufacturing method of ultracapacitor electrode using the composite, and ultracapacitor manufactured by the method | |
WO2005076296A1 (en) | Electrochemical device and electrode body | |
KR102318232B1 (en) | Electrode material and capacitor comprising the same | |
KR102188242B1 (en) | Composite for supercapacitor electrode, manufacturing method of supercapacitor electrode using the composite, and supercapacitor manufactured by the method | |
Grace et al. | Advanced materials for supercapacitors | |
KR101493976B1 (en) | Manufacturing method of Asymmetrical Super Capacitor with Cylindrical Type | |
KR102086423B1 (en) | nanostructured supercapacitor and method thereof | |
RU2198446C2 (en) | Double-layer capacitor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 10851105 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 10851105 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |