WO2013160750A1 - Электрохимический конденсатор двойного электрического слоя и способ его изготовления - Google Patents
Электрохимический конденсатор двойного электрического слоя и способ его изготовления Download PDFInfo
- Publication number
- WO2013160750A1 WO2013160750A1 PCT/IB2013/000768 IB2013000768W WO2013160750A1 WO 2013160750 A1 WO2013160750 A1 WO 2013160750A1 IB 2013000768 W IB2013000768 W IB 2013000768W WO 2013160750 A1 WO2013160750 A1 WO 2013160750A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- micrometers
- current collector
- thickness
- manufacturing
- conductive
- Prior art date
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 title claims abstract description 93
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 75
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 25
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 40
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 23
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 54
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 54
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims description 49
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 41
- 239000005486 organic electrolyte Substances 0.000 claims description 38
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 35
- -1 polyethylene Polymers 0.000 claims description 34
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims description 27
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 22
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 20
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 15
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 15
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 10
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 10
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 8
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 6
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 6
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 claims description 5
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 5
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 claims description 5
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 5
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 claims description 4
- 239000003292 glue Substances 0.000 claims description 4
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 claims description 2
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 claims description 2
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 claims description 2
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 claims description 2
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 claims description 2
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 claims description 2
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 claims description 2
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 abstract description 7
- 230000035515 penetration Effects 0.000 abstract 1
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 33
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 10
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 9
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 9
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 7
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 7
- FVSKHRXBFJPNKK-UHFFFAOYSA-N propionitrile Chemical compound CCC#N FVSKHRXBFJPNKK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N propylene carbonate Chemical compound CC1COC(=O)O1 RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N Ethylene carbonate Chemical compound O=C1OCCO1 KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 6
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 6
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 5
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 4
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 4
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 4
- YOMFVLRTMZWACQ-UHFFFAOYSA-N ethyltrimethylammonium Chemical compound CC[N+](C)(C)C YOMFVLRTMZWACQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 4
- 229920002134 Carboxymethyl cellulose Polymers 0.000 description 3
- 239000006230 acetylene black Substances 0.000 description 3
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 3
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 3
- 239000001768 carboxy methyl cellulose Substances 0.000 description 3
- 235000010948 carboxy methyl cellulose Nutrition 0.000 description 3
- 239000008112 carboxymethyl-cellulose Substances 0.000 description 3
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 3
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 3
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 3
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 3
- 238000005481 NMR spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 150000007960 acetonitrile Chemical class 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 2
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 238000013213 extrapolation Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 2
- 239000007783 nanoporous material Substances 0.000 description 2
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 239000012266 salt solution Substances 0.000 description 2
- 239000004071 soot Substances 0.000 description 2
- IOJMHYLAOTZEKB-UHFFFAOYSA-N tetrakis(dimethylamino)phosphanium Chemical compound CN(C)[P+](N(C)C)(N(C)C)N(C)C IOJMHYLAOTZEKB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 101100446452 Arabidopsis thaliana FD2 gene Proteins 0.000 description 1
- PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N Fluorine Chemical compound FF PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YZCKVEUIGOORGS-IGMARMGPSA-N Protium Chemical compound [1H] YZCKVEUIGOORGS-IGMARMGPSA-N 0.000 description 1
- 125000000738 acetamido group Chemical group [H]C([H])([H])C(=O)N([H])[*] 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 125000002147 dimethylamino group Chemical group [H]C([H])([H])N(*)C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- NFHFRUOZVGFOOS-UHFFFAOYSA-N palladium;triphenylphosphane Chemical compound [Pd].C1=CC=CC=C1P(C=1C=CC=CC=1)C1=CC=CC=C1.C1=CC=CC=C1P(C=1C=CC=CC=1)C1=CC=CC=C1.C1=CC=CC=C1P(C=1C=CC=CC=1)C1=CC=CC=C1.C1=CC=CC=C1P(C=1C=CC=CC=1)C1=CC=CC=C1 NFHFRUOZVGFOOS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 101150029756 petF gene Proteins 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000001528 pulsed nuclear magnetic resonance spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
- KKEYFWRCBNTPAC-UHFFFAOYSA-L terephthalate(2-) Chemical compound [O-]C(=O)C1=CC=C(C([O-])=O)C=C1 KKEYFWRCBNTPAC-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 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
- H01G11/84—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof
-
- 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
-
- 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
- H01G11/28—Electrodes characterised by their structure, e.g. multi-layered, porosity or surface features arranged or disposed on a current collector; Layers or phases between electrodes and current collectors, e.g. adhesives
-
- 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
- H01G11/66—Current collectors
- H01G11/70—Current collectors characterised by their structure
-
- 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
Definitions
- the present invention relates mainly to the field of electrical engineering, namely, to electrochemical capacitors
- supercapacitors 5 double electric layer, commonly called supercapacitors or ultracapacitors, the specific electric capacity of which can reach 10 7 F / m 3 (hereinafter, the term “specific electric capacity” means “electric capacity in a unit volume” or “electric capacity in a unit weight” ) Due to such a high electric capacity and specific energy proportional to it, supercapacitors are used mainly as switching power supplies: either independent (when a single pulse of energy is enough), or in combination with traditional batteries for smoothing
- a key parameter of a double electric layer capacitor is its internal resistance: the lower it is, the higher the specific power (that is, “electric power per unit volume”) of the double electric layer capacitor and,
- the internal resistance of a double electric layer capacitor can be represented as the sum of the following four types of selective resistances connected in series: (a) the ohmic resistance of each current collector itself;
- the invention relates to a method for manufacturing an electrochemical capacitor of a double electric layer comprising an assembly phase, comprising the following steps, which are:
- Such a method of manufacturing an electrochemical capacitor of a double electric layer is known from international patent application WO 00/19465.
- the aluminum foil from which the first and second current collectors are made exhibits negligible ohmic resistance. Therefore, the number of types of selective resistances (connected in series and, as mentioned above, determining the internal resistance of a known double electric layer capacitor) is reduced from four to three, namely: (a) contact resistance between the first (and / or second) current collector and, accordingly, the first (and / or second) active electrode layer; (b) the ohmic resistance of the first and / or second active electrode layers; and (c) the ionic resistance of the electrolyte in the pores of the first and / or second active electrode layers (and the insulating porous separator).
- the use of aluminum foil in the manufacture of the first and second current collectors does not lead to the expected decrease in the internal resistance of the known double electric layer capacitor.
- the presence of a native oxide film exhibiting insulating properties on the surface of aluminum foil can lead to an undesirable increase in contact resistance between the first (or second ) a current collector and a first (or second) active electrode layer. Therefore, according to WO 00/19465, at least the first polarizable electrode comprises an additional conductive layer sprayed in vacuum on a first selective surface and consisting of nitrides, carbides or borides of a number of metals.
- US patent application US 2005/18440 A1 describes a manufacturing method corresponding to the foregoing general description. Under these conditions, according to US 2005/118440 A1:
- each polarizable electrode among the first and second polarizable electrodes is the first thickness of more than 10 micrometers and less than 50 micrometers
- - aluminum foil is the second thickness.
- US patent application US 2006/0166092 A1 also describes a manufacturing method corresponding to the general description given in introduction 5 above. Under these conditions, according to US 2006/0166092 A1:
- each polarizable electrode among the first and second polarizable electrodes is the first thickness of more than 10 micrometers and less than 50 micrometers
- s - aluminum foil is the second thickness.
- US 2006/0166092 A1 are similar to the advantages described above in relation to the known manufacturing method according to US 2005/18440 A1.
- the present invention mainly aims to propose a method for manufacturing an electrochemical capacitor of a double electric layer, allowing at least to smooth out how
- the doping method corresponding to the general description given in the introduction above, is characterized in that the assembly phase comprises the step of locally and individually introducing, at least in the first selective zone, a plurality of conductive particles containing carbon s by spot melting the corresponding surface of the first current collector so that the conductive particles protrude outward from the first current collector and are surrounded by the fused surface of the first current collector.
- the assembly phase comprises the step of locally and individually introducing, at least in the first selective zone, a plurality of conductive particles containing carbon s by spot melting the corresponding surface of the first current collector so that the conductive particles protrude outward from the first current collector and are surrounded by the fused surface of the first current collector.
- 5 at least the first polarizable electrode, together with the first current collector containing the embedded conductive particles is a combined third thickness of less than 65 micrometers.
- first polarizable electrode together with the first current collector containing embedded conductive particles, constitute the total third thickness of less than 65 micrometers, contributes to the miniaturization (in volume and / or weight, ceteris paribus) of a double electric layer capacitor made using manufacturing method according to the invention. This enhances functionality.
- Another advantage of the manufacturing method according to the invention is that the introduction of locally and individually conductive particles allows them to integrally connect with aluminum foil. Under these conditions, conductive particles
- the fused surface of the first current collector surrounding these conductive particles does not allow oxygen to enter the aluminum / carbon contact surface.
- the edges of the conductive particles protruding outward from the first current collector create an “anchor zo effect”, penetrating into the first active electrode layer.
- a double electric layer capacitor manufactured using the manufacturing method according to the invention as a renewable source of electric energy in orbiting spacecraft, where the multiple ability to receive (within a few seconds) the maximum electric charge when charged and give (within several seconds) maximum electric charge during discharge estimated in relation to the unit weight and / or volume of such a double electric layer capacitor.
- the aluminum foil has a second thickness of more than 10 micrometers and less than 30 micrometers.
- Aluminum has a density of 2700 kg / m 3 and is the heaviest component of a double electric layer capacitor.
- Aluminum foil which is the second thickness of more than 10 micrometers and less than 30 micrometers, contributes to the miniaturization (in volume and / or weight, ceteris paribus) of the double electric layer capacitor, which is especially important for its optimal use as a portable source of electrical energy: a tourist’s backpack, on board vehicles (for example, on bicycles, on cars, on aircraft, etc.).
- aluminum foil predominantly exhibits a second thickness of more than 10 micrometers and less than 19 micrometers.
- Aluminum foil which is the second thickness in this first (selectively narrow) interval (more than 10 micrometers and less than 19
- the most optimal value of the second thickness of aluminum foil in the first embodiment of the manufacturing method is 15 micrometers.
- the aluminum foil advantageously exhibits a second thickness of more than 21 micrometers and less than 25 micrometers.
- Aluminum foil which is the second thickness in this second (selectively narrow) interval (more than 21 micrometers and less than 25 micrometers), helps to simplify the manufacture of the first and second current collectors and increase their quality in mass production due to an increase in their mechanical strength and, therefore , reducing the likelihood of mechanical rupture of aluminum foil during manipulation.
- the most optimal value of the second thickness of the aluminum foil 15 in the second embodiment of the manufacturing method is 22 micrometers.
- aluminum foil which is the second thickness in the second interval (more than 21 micrometers and less than 25
- the second thickness in the first interval (more than 10 micrometers and less than 19 micrometers). Therefore, unlike the first option, in the second version of the manufacturing method, the risk of deformation and / or sudden flight of aluminum foil during the mass production of the first and second current collectors under the influence of flow air masses minimized. This contributes to a significant simplification of mass production.
- the insulating porous separator is made of an insulating porous film-type material. Under these conditions, an insulating porous separator exhibits a fourth thickness of more than 10 micrometers and less than 30 micrometers.
- the manufacturing method according to the invention comprises a preparatory phase comprising the following steps consisting in:
- the manufacturing method according to the invention selectively ensures maximum electrical conductivity of at least the first active electrode layer depending on the type of liquid organic electrolyte (in particular, the type of first ions) used in the capacitor of the double electric layer. This leads to a decrease in the ionic resistance of the liquid organic electrolyte (at least in the pores of the first active electrode layer), which helps to actually reduce the internal resistance of the capacitor of the double electric layer according to the invention. This allows the latter to have a higher specific capacity at high load currents. As a result, the energy density and power of the supercapacitor increase.
- the preparatory phase comprises the following steps, consisting in:
- nanoporous carbon material which is the maximum second diffusion coefficient of the second ions, to create a second active electrode layer.
- the manufacturing method according to the invention selectively provides maximum electrical conductivity of at least the second active electrode layer depending on the type of liquid organic electrolyte (in particular, the type of second ions) used in the capacitor of the double electric layer.
- the assembly phase comprises a step consisting in forming conductive bridges between the conductive particles.
- each conductive bridge has a fifth thickness of more than 0.5 micrometers and less than 2.0 micrometers.
- the presence of conductive bridges between conductive particles contributes to an increase in adhesion (adhesion) between the first current collector and the first polarizable electrode. This helps to reduce the number of defects in the mass production of double electric layer capacitors.
- each conductive bridge is a fifth thickness of more than 0.5 micrometers and less than 2.0 micrometers:
- the double electric layer capacitor contributes to the miniaturization (in volume and / or weight, ceteris paribus) of the double electric layer capacitor, which is especially important for its optimal use as a portable source of electric energy: in a backpack of a tourist, on board vehicles (for example, on bicycles, on cars, aircraft, etc.).
- the step of forming the conductive bridges is to glue the conductive bridges to the surface of the first selective zone of the first current collector. Under these conditions, conductive bridges are located discretely on the surface of the first selective zone.
- the assembly phase comprises a step consisting in forming conductive bridges between the conductive particles. Under these conditions, each conductive bridge has a fifth thickness of more than 0.5 micrometers and less than 1.0 micrometers.
- the step of forming the conductive bridges mainly consists in applying a mixture of powder material that conducts an electric current, with a fluid, to the surface of the first selective zone of the first current collector using airbrushing.
- conductive bridges are a continuous film that encloses conductive particles.
- the airborne spray mixture mentioned above may consist of a suspension of carbon black in an aqueous solution of polyvinyl alcohol.
- the liquid organic electrolyte contains a salt solution in a solvent.
- a salt solution in a solvent.
- the salt contains at least one of the following salts: (a) ethyltrimethylammonium tetrafluoroborate; (b) ethyltrimethylammonium hexafluorophosphate; (c) tetrafluoroborate tetrakis (dimethylamino) phosphonium; (g) tetrakis (dimethylamino) phosphonium hexafluorophosphate, and
- the solvent contains at least one of the following solvents: (a) acetonitrile; (b) propionitrile; (c) propylene carbonate; (g) ethylene carbonate.
- the main advantage of all the salts mentioned above is their increased (for example, compared with tetraethylammonium tetrafluoroborate in propylene carbonate) solubility at low (observed in winter) temperatures.
- This extends the functionality of double electric layer capacitors containing the above-mentioned (specially selected) salts, making it possible to use such capacitors in the winter, which is especially important for hybrid vehicles.
- acetonitrile-based electrolytes have the highest 20 electrical conductivity among liquid organic electrolytes.
- acetonitrile-based electrolytes have 25 wide operating temperature ranges, high chemical and electrochemical stability compared to the corresponding parameters of other liquid organic electrolytes: this extends the functionality of double electric layer capacitors in which acetonitrile zo is used as a solvent (for example, they can be effectively used both in summer and in winter, which is especially important for hybrid vehicles funds).
- acetonitrile is readily available, which is especially important for uninterrupted supply of mass production.
- the manufacturing method according to the invention is adapted for use not only on the scale of a research laboratory, 5 but also on a plant scale.
- propionitrile Compared with acetonitrile, propionitrile has (in addition to acceptable electrical conductivity properties) an even wider range of operating temperatures: this extends the functionality of double electric layer capacitors containing propionitrile, making it possible to use them in extreme temperature conditions, for example, in the far North, in the desert.
- propylene carbonate and ethylene carbonate 15 are their environmental parameters: they are not toxic. This increases the safety of operators in the manufacture of double electric layer capacitors, makes the mass production of double electric layer capacitors less harmful from an environmental point of view and simplifies their operation and disposal.
- the invention relates to an electrochemical capacitor of a double electric layer comprising at least first and second polarizable electrodes of the opposite sign of a nanoporous material containing carbon.
- the first and second polarizable electrodes are of the opposite sign of a nanoporous material containing carbon.
- the first and second polarizable electrodes are impregnated with a liquid organic electrolyte.
- the first and second polarizable electrodes are separated by an insulating porous separator.
- the first and second polarizable electrodes are placed together with the first and second current collectors and an insulating porous separator in a sealed housing with the first and second contact terminals. The latter protrude outside the sealed enclosure and are connected respectively to the first and second current collectors.
- the surface of at least the first current collector contains many embedded individually and locally using spot melting of conductive particles.
- These conductive particles are made of a conductive material containing carbon and selected from the group consisting of graphite, carbon black, acetylene black.
- the first and second polarizable electrodes are made of nanoporous carbon material with a binder and adhesive additives. Each polarizable electrode among the first and second polarizable electrodes, is the first thickness of more than 10 micrometers and less than 50 micrometers. Aluminum foil has a second thickness of more than 10 micrometers and less than 30 micrometers.
- the first current collector containing the embedded conductive particles, together with the corresponding polarizable electrode constitutes a combined third thickness of less than 65 micrometers.
- the insulating porous separator is made of insulating porous film-type material.
- An insulating porous separator has a fourth thickness of more than 10 micrometers and less than 30 micrometers.
- the conductive particles are interconnected using conductive bridges glued to the surfaces of the first and second current collectors and representing a fifth thickness of more than 0.5 micrometers and less than 2.0 micrometers.
- the first synergy provided by such a simultaneous simultaneous minimization of all the main types of selective resistances at once allows radically (in comparison with well-known analogues) a decrease in the internal resistance of a double electric layer capacitor according to the invention, which contributes to an increase in its energy density, power and specific capacitance, especially at large load currents.
- the thicknesses of the following main parts of the double electric layer capacitor are also minimized at the same time:
- first and second polarizable electrodes - the first and second current collectors made of aluminum foil
- first and second synergetics allows both electrical parameters and the weight and / or volume parameters of the double electric layer capacitor according to the invention to be optimized. This creates additional unique advantages in conditions where the multiple ability to take (within a few seconds) the maximum electric charge when charging and to give out (within a few seconds) the maximum electric charge when discharged is estimated in relation to the unit weight and / or volume of such a double electric capacitor layer.
- Such specific conditions requiring the maximum specific (in unit weight and / or volume) energy efficiency of a double electric layer capacitor, are realized, for example, when it is used as a renewable source of electrical energy on orbiting spacecraft.
- figure 1 schematically depicts an example of a sequence of steps of a method for manufacturing an electrochemical capacitor of a double electric layer according to the invention
- figure 2 schematically depicts an example (simplified sectional side view) of an electrochemical capacitor of a double electric layer according to the invention
- figure 3 depicts the relationship between the density p of the polarizable electrode and its thickness a
- figure 4 depicts the relationship between the ion resistance R
- figure 5 depicts the dependence (obtained using nuclear magnetic resonance spectroscopy with a pulsed gradient of the magnetic field on the magnetic nuclei of hydrogen 1 N) between the ion resistance Ri of the liquid organic ctrolite (in the pores of six different samples, 2, ul
- FIG. 7 depicts the discharge curves (voltage drop U from time t at a constant discharge current I equal to 200 A) of two electrochemical capacitors of a double electric layer of the same electric capacity equal to 1200 F.
- the first bit curve Ui corresponds to the well-known standard (which, from the point of view of the applicant, is the best of the electrochemical capacitors of a double electric layer currently available on the market for the aforementioned electric capacitance), namely, the electrochemical capacitor of a double electric layer manufactured by Maxwell Technologies® in the K2 series under the article of BCAR1200
- the second bit curve U 2 corresponds to the electrochemical capacitor of the double electric layer according to the invention.
- a manufacturing method 1 (FIG. 1) of an electrochemical capacitor 2 of a double electric layer comprises an assembly phase 10, which includes the following steps, comprising:
- the assembly phase 10 may also include the step of arranging 105 the first and second current collectors 21, 22 with respect to each other so that their respective first and second polarizable electrodes 23, 24 are oriented against each other .
- This advantageous characteristic optimizes the operation of the double electric layer capacitor 2.
- the assembly phase 10 includes the following steps, which are: - to form a 106 packet 280 containing at least one first and one second current collector 21, 22 and an insulating porous separator 27, located between the first and second polarizable electrodes 23, 24,
- the actual deposition of the first active electrode layer 230 takes place mainly using at least one of the following methods:
- - Rolling method 1001 (in English, “rolling method") of a mixture of the first nanoporous coal powder and a binder (for example, polytetrafluoroethylene (in English, “polytetrafluoroethylene” or “PTFE”) or polyvinylidene fluoride (in English, polyvinylidene fluoride or PVDF )) followed by lamination on the first selective zone 210, - coating method 1002 (in English, “coating method”) of a mixture of the first nanoporous coal powder with a binder and adhesive additives to the first selective zone 210.
- a binder for example, polytetrafluoroethylene (in English, “polytetrafluoroethylene” or “PTFE” or polyvinylidene fluoride (in English, polyvinylidene fluoride or PVDF )
- the same three methods can also be used to deposit a second active electrode layer 240 to create 103 second polarizable electrode 24 on a second current collector 22.
- each polarizable electrode among the first and second polarizable electrodes 23, 24 represents the first thickness a of more than 10 micrometers and less than 50 micrometers: 10 rt ⁇ a ⁇ 50 rt.
- first thickness of the first and second polarizable electrodes of known double electric layer capacitors is from 70 micrometers and more.
- significantly thinner (10 rt ⁇ a ⁇ 50 rt) of the first and second polarizable electrodes 23, 24, proposed in the present invention allows:
- the assembly phase 10 comprises a step (figure 1), which consists of introducing 110 locally and individually into at least the first selective zone 210 a plurality of conductive particles 211 containing carbon (e.g. graphite, carbon black, acetylene black) , by spot melting the corresponding surface of the first current collector 21 so that the conductive particles 211 protrude outward from the first current collector 21 and are surrounded by the fused surface of the first current collector 21.
- the implementation step 1 10 follows the selection step 101 of the first and second selective zones 210, 220 described above.
- first selective zone 210 For such a modification of the first selective zone 210, it is possible to use, for example, the method of electrospark processing of the first selective zone 210 of the first current collector 21 described in Ukrainian patent UA 90448 C2 (column 4, line 39 - column 6, line 17; column 8, lines 1 - 49; columns 9-10: Table; figures 1-5). Under these conditions, at least the first polarizable electrode 23, together with the first current collector 21, containing the embedded conductive particles 211, represents a combined third thickness ⁇ of less than 65 micrometers: ⁇ ⁇ 65 ⁇ .
- the most optimal from the point of view of minimizing the volume (at a constant specific capacity) of the capacitor 2 of the double electric layer is the first thickness a, limited as follows: 10 ct ⁇ a ⁇ 30 ct.
- Usually aluminum foil has a second thickness ⁇ of more than 10 micrometers and less than 30 micrometers: 10 pm ⁇ ⁇ 30 pm.
- 1 aluminum foil may have a second thickness ⁇ contained in the first (selectively narrow) interval of more than 10 micrometers and less than 19 micrometers: 10 ⁇ ⁇ ⁇ 19 pm.
- the aluminum foil may comprise a second thickness ⁇ contained in a second (selectively narrow) interval of more than 21 micrometers and less than 25 micrometers: 21 pm ⁇ ⁇ 25 pm.
- Aluminum foil with a second thickness ⁇ equal to 20 micrometers ( ⁇ 20 pm):
- the second thickness ⁇ of the (first) aluminum foil (made of the first aluminum sheet) of which the first current collector 21 is made may differ from the second thickness ⁇ (second) of the aluminum foil (made of the second aluminum sheet) of which the second current collector is made 22.
- the second thickness ⁇ of the (first) aluminum foil from which the first current collector 21 is made may be the second thickness ⁇ contained in the second interval of more than 21 micrometers and less than 25 micrometers (21 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 25 ⁇ ), while the second thickness ⁇ (second) of the aluminum foil from which the second current collector 22 is made may second thickness ⁇ , contained in the first interval of more than 10 micrometers and less than 19 micrometers (10 ⁇ ⁇ ⁇ 19 pm).
- FIG. 2 This example is schematically illustrated in FIG. 2.
- the mechanical strength of the first current collector 21 is different from the mechanical strength of the second current collector 22.
- this allows the first and second selective zones 210, 220 to be processed according to various technologies for giving them individual selective properties, while maintaining the mechanical integrity of the first and second current collectors 21, 22, respectively.
- the first current collector 21 is preferably made of thicker aluminum foil, the second thickness ⁇ of which is contained in the second interval of more than 21 micrometers and less than 25 micrometers (21 rt ⁇ ⁇ 25 rt). it provides the first current collector 21 with sufficient mechanical strength.
- conductive particles 211 are not embedded in the second selective zone 220.
- the second current collector 22 can be made of thinner aluminum foil, the second thickness ⁇ of which is contained in the first interval of more than 10 micrometers and less than 19 micrometers (10 ⁇ ⁇ ⁇ 19 pm). Under these conditions, the mechanical strength of the second current collector 22 is less than the mechanical strength of the first current collector 21, however, on the one hand, this does not lead to quality problems of the double electric layer capacitors 2 during mass production (since there is no influence of spot melting) and, on the other hand , minimizes the weight and / or volume of the double electric layer capacitors 2 made according to the invention.
- both the first current collector 21 and the second current collector 22 are advantageously made from the same aluminum sheet: in this case, the first current collector 21 and the second current collector 22 are the same second thickness ⁇ .
- the insulating porous separator 27 is made of an insulating porous film-type material (for example, polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate (in English, "po! Yethylene terephthalate” or "PETF”)). Under these conditions, the insulating porous separator 27 exhibits a fourth thickness ⁇ of more than 10 micrometers and less than 30 micrometers: 10 ⁇ ⁇ ⁇ 30 ⁇ .
- the most optimal from the point of view of minimizing the weight and / or volume of the capacitor 2 of the double electric layer is an insulating porous separator 27 with a fourth thickness ⁇ , limited as follows: 10 ⁇ ⁇ ⁇ 20 ⁇ .
- the manufacturing method 1 (FIG. 1) of the electrochemical capacitor 2 of the double electric layer (FIG. 1) of the electrochemical capacitor 2 of the double electric layer (FIG.
- a preparatory phase 12 which includes the following steps, which are: - to identify 120 in the liquid organic electrolyte 29 the first ions 291 representing the first polarity ( in the example in figure 2, the first ions 291 are positively charged ions or cations), and the second ions 292, different from the first ions 291 and representing the second polarity opposite to the first polarity (in the example in figure 2, the second ions 292 are negatively charged ions or anions),
- the preparatory phase 12 may include the following steps, consisting in that:
- the first and second diffusion coefficients ⁇ , ⁇ , respectively, of the first and second ions 291, 292 of a liquid organic electrolyte 29 in the pores of each nanoporous carbon material from this set of different various nanoporous carbon materials are measured, for example, using:
- each conductive bridge 212 has a fifth thickness ⁇ of more than 0.5 micrometers and less than 2.0 micrometers: 0.5 ⁇ ⁇ ⁇ 2.0 ⁇ .
- each conductive bridge 212 has a fifth thickness ⁇ of more than 0.5 micrometers and less than 1.0 micrometers: 0.5 ⁇ ⁇ ⁇ 1.0 ⁇ .
- the ratio of the fifth thickness ⁇ of the conductive bridges 212 to the first thickness and the first polarizable electrode 23 remains insignificant ( ⁇ / ⁇ 0, 1) even for the smallest values (a> 10 ⁇ ) of the first thickness a.
- the presence of conductive bridges 212 does not reduce the electrical capacitance of even the thinnest first polarizable electrode 23.
- conductive bridges 212 occurs by gluing them 1 1 10 with glue to the surfaces of the first selective zone 210 of the first current collector 21. Under these conditions, the conductive bridges 212 are discrete on the surface of the first selective zone 210 (that is, at a distance from each other). Thus, conductive bridges 212 glued with 1 1 10 glue create a reticular discontinuous (cellular) two-dimensional structure on the surface of the first selective zone 210.
- reticular discontinuous (cellular) two-dimensional structure further increases the adhesion 15 (adhesion) between the first current collector 21 and the first polarizable electrode 23. This helps to reduce the number of defects in the mass production of double electric layer capacitors 2.
- An alternative way to form 11 1 conductive bridges 212 is to use the airbrushing method 20 of spraying 1000 a mixture ⁇ of powder material that conducts electric current with a fluid.
- Airbrushing 1000 helps to accelerate the formation of 11 11 conductive bridges 212 (compared to gluing 1 110 conductive bridges 212 described above) 25 and, ultimately, accelerate the method of manufacturing 1 of the double electric layer capacitor 2.
- airbrushing spraying 1000 contributes to the formation of the surface of the first selective zone 210 of a continuous homogeneous layer of conductive bridges 212, surrounding conductive particles 2 1 in the manner of a continuous film.
- Airbrushing 1000 is especially adapted to create a continuous uniform layer of conductive bridges 212, which is a fifth thickness ⁇ of more than 0.5 micrometers and less than 1.0 micrometers: 0.5 ⁇ ⁇ ⁇ 1, 0 pm.
- a fifth thickness ⁇ of the first polarizable electrode 23 the thinner the continuous uniform layer of conductive bridges 212 (which alone does not contribute to the specific electric capacitance of the double electric layer capacitor 2), the thicker the first active electrode layer 230 (which determines the specific electric capacity of the capacitor 2 of the double electric layer).
- airbrush spraying 1000 they mainly use (as a mixture ⁇ of a powder material that conducts electric current, with a fluid), a suspension of soot in an aqueous solution of polyvinyl alcohol.
- Soot and aqueous polyvinyl alcohol are readily available materials. This is especially important for smooth mass production.
- the manufacturing method 1 according to the invention is quite flexible and adapted for use not only at the scale of the research laboratory, but also at the scale of the plant.
- a suspension of carbon black in an aqueous solution of carboxymethyl cellulose can be used as a mixture ⁇ of a powder material that conducts electric current with a fluid.
- carboxymethyl cellulose Compared to polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose exhibits better adhesion to the active electrode layer.
- the maximum improvement in this adhesion carbon black suspension in an aqueous solution of carboxymethyl cellulose
- the active electrode layer is made (for example, as mentioned above, by coating method 1002) from a mixture of nanoporous carbon powder with polyvinylidene fluoride in as a binder.
- the liquid organic electrolyte 29 contains a salt solution in a solvent. In these conditions:
- the salt contains at least one of the following salts: o ethyltrimethylammonium tetrafluoroborate (in English, “ethyltrimethylammonium tetrafluoroborate”), ethyl ethyltrimethylammonium hexafluorophosphate (in English, "ethyltrimethylammonium hexafluorophosphate”); o tetrafluoroborate tetrakis (dimethylamino) phosphonium (in English “tetrakis (dimethylamino) phosphonium tetrafluoroborate”), o hexafluorophosphate tetrakis (dimethylamino) phosphonium (in English “tetrakis (dimethylamino) phosphonium hexafluorophosph.
- o ethyltrimethylammonium tetrafluoroborate in English, "eth
- the solvent contains at least one of the following solvents (or mixtures thereof): o acetonitrile (in English, “acetonitrile”), o propionitrile (in English, “propionitrile”), o propylene carbonate (in English, “propylene carbonate”), o ethylene carbonate (in English, “ethylene carbonate”).
- solvents or mixtures thereof: o acetonitrile (in English, “acetonitrile”), o propionitrile (in English, “propionitrile”), o propylene carbonate (in English, “propylene carbonate”), o ethylene carbonate (in English, “ethylene carbonate”).
- the electrochemical capacitor 2 of the double electric layer includes at least the first and second polarizable electrodes 23, 24 of the opposite sign of the nanoporous material containing carbon.
- the first and second polarizable electrodes 23, 24 are made in the form of layers glued respectively to the first and second current collectors 21, 22 of aluminum foil.
- the first and second polarizable electrodes 23, 24 are impregnated with a liquid organic electrolyte 29.
- the first and second polarizable electrodes 23, 24 are separated by an insulating porous separator 27.
- the first and second polarizable electrodes 23, 24 are placed together with the first and second current collectors 21, 22 and the insulating porous separator 27 into the sealed housing 28 with the first and second contact terminals 25, 26.
- the latter protrude outside the sealed housing 28 and are connected respectively to the first and second current collectors 21, 22.
- the surface of at least the first The current collector 21 comprises a plurality of conductive particles 211 introduced individually and locally by spot melting.
- These conductive particles 21 1 are made of a conductive material containing carbon and selected from the group consisting of graphite, carbon black, acetylene black.
- First and the second polarizable electrodes 23, 24 are made of nanoporous carbon material with a binder and adhesive additives. Each polarizable electrode among the first and second polarizable electrodes 23, 24, represents the first thickness a of more than 10 micrometers and less than 50 micrometers: 10 t ⁇ a ⁇ 50 rt.
- Aluminum foil has a second thickness ⁇ of more than 10 micrometers and less than 30 micrometers.
- the insulating porous separator 27 is made of an insulating porous film-type material and has a fourth thickness ⁇ of more than 10 micrometers and less than 30 micrometers: 10 rt ⁇ ⁇ 30 rt.
- the conductive particles 211 are interconnected by means of conductive bridges 212 glued to the surfaces of the first and second current collectors 21, 22 and having a fifth thickness ⁇ of more than 0.5 micrometers and less than 2.0 micrometers: 0.5 RT ⁇ ⁇ 2.0 Hg.
- the aluminum foil exhibits a second thickness ⁇ contained in one of the two following (selectively narrow) intervals: (a) more than 10 micrometers and less than 19 micrometers: 10 ⁇ ⁇ ⁇ 19 pm; (b) more than 21 micrometers and less than 25 micrometers: 21 rt ⁇ ⁇ 25 rt.
- the insulating porous separator 27 is made of an insulating porous film-type material and has a fourth thickness ⁇ of more than 10 micrometers and less than 15 micrometers: 10 rt ⁇ 5 ⁇ 15 ⁇ .
- conductive particles 211 are interconnected by means of conductive bridges 212 glued to the surfaces of the first and second current collectors 21, 22 and having a fifth thickness ⁇ of more than 0.5 micrometers and less than 1.0 micrometers: 0.5 ⁇ ⁇ ⁇ 1, 0 pm
- the electric capacitance of the capacitor 2 of the double electric layer is 100 F or more.
- This advantageous feature extends the functionality of the capacitor 2 of the double electric layer, as a portable source of electrical energy.
- FIG. 7 illustrates the advantages of a double electric layer capacitor 2 according to the invention compared with a known reference capacitor.
- the first 1 ⁇ bit curve containing the first non-linear portion CAi and the first linear portion ⁇ ⁇ corresponds to the well-known electrochemical double electric layer capacitor (reference) manufactured by Maxwell Technologies® in the K2 series under the BCAR1200 part number (http://www.maxwell.com / products / ultracapacitors / products / k2-series), with a polarizable electrode thickness of about 100 micrometers;
- the second bit curve U 2 containing the second nonlinear portion CA 2 and the second linear portion A 2 B 2 corresponds to the electrochemical capacitor 2 of the double electric layer according to the invention.
- first nonlinear portion AIS (belonging to the first discharge curve Ui) and a second CA nonlinear portion 2 (belonging to the second discharge curve Feb. 11) in the first moments after the - at the time point t 0 - the discharge current I is explained by charge redistribution processes in the respective polarizable electrodes each of capacitors mentioned above. After the end of this redistribution, the first linear portion A ⁇ B ⁇ and the second linear portion A 2 B 2 are respectively observed.
- - point D is obtained using the first linear extrapolation ⁇ _ ⁇ of the first linear section ⁇ 1 (first discharge curve Ui) to the voltage axis U at the time to turn on the discharge current I;
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
Abstract
Изобретение относится к способу изготовления конденсатора (2) двойного электрического слоя, состоящий в том, чтобы: - сформировать пакет (280), содержащий о первый коллектор тока (21 ) с первым электродом (23), о второй коллектор тока (22) со вторым электродом (24), о сепаратор (27), расположенный между первым и вторым электродами (23), (24), - поместить пакет (280) внутрь герметичного корпуса (28) с электролитом (29), каждый электрод (23), (24) являет толщину (а) более 10 микрометров и менее 50 микрометров. Согласно изобретению: - фаза сборки (10) содержит этап внедрения частиц (21 1 ) углерода в поверхность первого коллектора тока (21 ), - первый электрод (23) с первым коллектором тока (21 ) являют толщину (у) менее 65 микрометров.
Description
Электрохимический конденсатор двойного электрического слоя и способ его изготовления
Настоящее изобретение относится по большей части к области электротехники, а именно, к электрохимическим конденсаторам
5 двойного электрического слоя, обыкновенно называемым суперконденсаторами или ультраконденсаторами, удельная электрическая ёмкость которых может достигать 107 Ф/м3 (здесь и далее термин «удельная электрическая ёмкость» означает «электрическая ёмкость в единице объема» или «электрическая ёмкость в единице ю веса»). Благодаря такой высокой электрической емкости и пропорциональной ей удельной энергии, суперконденсаторы используются, в основном, как импульсные источники питания: либо независимые (когда достаточно однократного импульса энергии), либо в комбинации с традиционными аккумуляторами для сглаживания
15 пиковых нагрузок на аккумуляторной батарее.
Ключевым параметром конденсатора двойного электрического слоя является его внутреннее сопротивление: чем оно ниже, тем выше удельная мощность (то есть «электрическая мощность в единице объема») конденсатора двойного электрического слоя и,
20 соответственно, выше значение его коэффициента полезного действия.
Внутреннее сопротивление конденсатора двойного электрического слоя может быть представлено, как сумма следующих четырех типов селективных сопротивлений, соединенных последовательно: (а) омического сопротивления собственно каждого коллектора тока;
25 (б) контактного сопротивления между каждым коллектором тока и его соответствующим активным электродным слоем; (в) омического сопротивления собственно активного электродного слоя каждого коллектора тока; и (г) ионного сопротивления электролита, пропитывающего поры активных электродных слоёв и сепаратора, зо обычно называемого «сопротивлением Варбурга» (по-английски, «Warburg resistance*).
В частности, согласно первой из своих сторон, изобретение касается способа изготовления электрохимического конденсатора двойного электрического слоя, содержащего фазу сборки, включающую следующие этапы, состоящие в том, чтобы:
- изготовить из алюминиевой фольги первый коллектор тока и второй коллектор тока,
- выбрать на поверхностях первого и второго коллекторов тока соответственно первую и вторую селективные зоны,
- создать на первом коллекторе тока первый поляризуемый электрод с помощью первого активного электродного слоя, содержащего первый нанопористый угольный порошок и нанесенного, по меньшей мере, на первую селективную зону,
- создать на втором коллекторе тока второй поляризуемый электрод с помощью второго активного электродного слоя, содержащего второй нанопористый угольный порошок и нанесенного, по меньшей мере, на вторую селективную зону,
- соединить первый и второй коллекторы тока с соответствующими первой и второй контактными клеммами разного знака,
- сформировать пакет, содержащий, по меньшей мере, один первый и один второй коллекторы тока и изолирующий пористый сепаратор, расположенный между первым и вторым поляризумыми электродами,
- поместить пакет внутрь корпуса так, чтобы первая и вторая контактные клеммы, по меньшей мере, частично выступали наружу корпуса,
- пропитать пакет жидким органическим электролитом, и
- герметизировать корпус.
Такой способ изготовления электрохимического конденсатора двойного электрического слоя известен из международной патентной заявки WO 00/19465. Алюминиевая фольга, из которой изготовлены первый и второй коллектора тока, являет ничтожное омическое сопротивление. Следовательно, количество типов селективных сопротивлений (соединенных последовательно и, как упомянуто выше, определящих внутреннее сопротивление известного конденсатора двойного электрического слоя) уменьшается с четырёх до трёх, а именно: (а) контактное сопротивление между первым (и/или вторым) коллектором тока и, соответственно, первым (и/или вторым) активным электродным слоем; (б) омическое сопротивление собственно первого и/или второго активного электродных слоёв; и (в) ионное сопротивление электролита в порах первого и/или второго активного электродных слоёв (и изолирующего пористого сеператора). Однако на практике использование алюминиевой фольги при изготовлении первого и второго коллекторов тока не приводит к ожидаемому снижению внутреннего сопротивления известного конденсатора двойного электрического слоя. Напротив, при прочих равных условиях, наличие нативной оксидной пленки, являющей изолирующие свойства, на поверхности алюминиевой фольги (в частности, на поверхности первой и второй селективных зон соответственно первого и второго коллекторов тока) может привести к нежелательному увеличению контактного сопротивления между первым (или вторым) коллектором тока и первым (или вторым) активным электродным слоем. Поэтому, согласно WO 00/19465, по меньшей мере, первый поляризуемый электрод содержит дополнительный токопроводящий слой, напыленный в вакууме на первую селективную поверхность и состоящий из нитридов, карбидов или боридов ряда металлов. Эти соединения прочно прилипают к нативной оксидной плёнке, присутствующей на поверхности алюминиевой фольги первого коллектора тока, и обладают высокой электропроводностью. Такое решение позволяет минимизировать контактное сопротивление между первым коллектором
тока и, соответственно, первым активным электродным слоем. Это способствует, при прочих равных условиях, действительному уменьшению внутреннего сопротивления суперконденсатора согласно WO 00/19465 и, следовательно, повышению удельной мощности его импульсов, отдаваемых на полезную нагрузку. Однако данное решение неприемлемо для изготовления электрохимических конденсаторов двойного электрического слоя в заводских условиях, поскольку:
- с одной стороны, технологически сложно получить - с гарантированным качеством и в индустриальных масштабах - предопределенные стехиометрические составы нитридов, карбидов или боридов металлов при их вакуумном напылении, и,
- с другой стороны, любое отклонение от предопределенной стехиометрии приводит к существенному повышению контактного сопротивления коллектора тока согласно WO 00/19465.
Патентная заявка США US 2005/ 18440 А1 описывает способ изготовления, соответствующий приведенному во вступлении выше общему описанию. В этих условиях, согласно US 2005/118440 А1 :
- каждый поляризуемый электрод среди первого и второго поляризуемых электродов являет первую толщину более 10 микрометров и менее 50 микрометров,
- алюминиевая фольга являет вторую толщину.
Таким образом в известном способе изготовления согласно US 2005/118440 А1 , возможно увеличить суммарную площадь электродов в единице объёма конденсатора двойного электрического слоя. Это приводит к снижению омического сопротивления собственно первого и второго активного электродных слоев и ионного сопротивления электролита, что в конечном итоге способствует действительному уменьшению внутреннего сопротивления суперконденсатора согласно изобретению. Это в свою очередь приводит к более высокой удельной
ёмкости суперконденсатора при больших токах нагрузки. В результате плотность энергии и мощность суперконденсатора повышаются.
Патентная заявка США US 2006/0166092 А1 также описывает способ изготовления, соответствующий приведенному во вступлении 5 выше общему описанию. В этих условиях, согласно US 2006/0166092 А1 :
- каждый поляризуемый электрод среди первого и второго поляризуемых электродов являет первую толщину более 10 микрометров и менее 50 микрометров, ю - алюминиевая фольга являет вторую толщину.
Преимущества известного способа изготовления согласно
US 2006/0166092 А1 аналогичны преимуществам, описанным выше применительно к известному способу изготовления согласно US 2005/ 18440 А1.
15 Недостатком способа изготовления согласно US 2005/118440 А1 , который рассматривается здесь в качестве ближайшего к настоящему изобретению уровня техники, является то, что конденсатор двойного электрического слоя, изготовленный с помощью этого известного способа, недостаточно оптимизирован, что ограничивает возможности
20 его использования.
Опирающееся на это оригинальное наблюдение настоящее изобретение, главным образом, имеет целью предложить способ изготовления электрохимического конденсатора двойного электрического слоя, позволяющий, по меньшей мере, сгладить, как
25 минимум, один из указанных выше недостатков. Для достижения этой цели способ легирования, соответствующий приведенному во вступлении выше общему описанию, характеризуется по существу тем, что фаза сборки содержит этап, состоящий в том, чтобы внедрить локально и индивидуально, по меньшей мере, в первую селективную зо зону множество токопроводящих частиц, содержащих углерод, с
помощью точечной плавки соответствующей поверхности первого коллектора тока таким образом, чтобы токопроводящие частицы выступали наружу из первого коллектора тока и были окружены оплавленной поверхностью первого коллектора тока. В этих условиях, 5 по меньшей мере, первый поляризуемый электрод вместе с первым коллектором тока, содержащим вплавленные токопроводящие частицы, являют совокупную третью толщину менее 65 микрометров.
Тот факт, что первый поляризуемый электрод вместе с первым коллектором тока, содержащим вплавленные токопроводящие частицы, ю являют совокупную третью толщину менее 65 микрометров, способствует миниатюризации (по объёму и/или по весу при прочих равных условиях) конденсатора двойного электрического слоя, изготовленного с помощью способа изготовления согласно изобретения. Это способствует расширению функциональных возможностей
15 конденсатора двойного электрического слоя, изготовленного с помощью способа изготовления согласно изобретения, поскольку делает возможным его оптимальное использование в качестве переносного источника электрической энергии: в рюкзаке туриста, на борту транспортных средств (например, на велосипедах, на автомобилях, на
20 летательных аппаратах и т.д.).
Еще одно преимущество способа изготовления согласно изобретения состоит в том, что внедрение локально и индивидуально токопроводящих частиц позволяет их монолитно связать с алюминиевой фольгой. В этих условиях токопроводящие частицы
25 имеют прямой контакт с металлическим алюминием. Оплавленная поверхность первого коллектора тока, окружающая эти токопроводящие частицы, не допускает проникновения кислорода к поверхности контакта «алюминий / углерод». Кроме того, края токопроводящих частиц, выступающие наружу из первого коллектора тока, создают «якорный зо эффект», проникая внутрь первого активного электродного слоя.
Совокупность этих факторов улучшает адгезию и минимизирует
контактное сопротивление между первым коллектором тока и первым активным электродным слоем: электрический ток свободно циркулирует между первым поляризуемым электродом и металлическим алюминием первого коллектора тока через токопроводящие частицы, несмотря на наличие нативной оксидной пленки на оставшейся поверхности алюминиевой фольги. Это способствует ещё большему уменьшению внутреннего сопротивления конденсатора двойного электрического слоя согласно изобретению и, следовательно, повышению удельной мощности его импульсов, отдаваемых на полезную нагрузку.
Согласно наблюдениям заявителя, именно благодаря одновременному наличию двух указанных выгодных признаков (с одной стороны внедрение локально и индивидуально с помощью точечной плавки токопроводящих частиц, содержащих углерод; с другой стороны ограничение совокупной третьей толщины поляризуемого электрода с коллектором тока 65 микрометрами) возможно получить оптимальную синергетику между, с одной стороны электрическими параметрами конденсатора двойного электрического слоя, изготовленного с помощью способа изготовления согласно изобретения, и с другой стороны его минимальными линейными размерами (и/или весом). Одновременное уменьшение линейных размеров (и/или веса) и улучшение энергетических параметров безусловно расширяют функциональные возможности конденсатора двойного электрического слоя, изготовленного с помощью способа изготовления согласно изобретения, открывая для него новые области применения. В частности, становиться возможным использование конденсатора двойного электрического слоя, изготовленного с помощью способа изготовления согласно изобретения, в качестве возобновляемого источника электрической энергии на орбитальных космических аппаратах, где многократная способность принимать (в течение нескольких секунд) максимальный электрический заряд при заряде и отдавать (в течение нескольких секунд) максимальный электрический заряд при разряде
оценивается по отношению к единице веса и/или объёма такого конденсатора двойного электрического слоя.
Преимущественно алюминиевая фольга являет вторую толщину более 10 микрометров и менее 30 микрометров.
5 Алюминий имеет плотность 2700 кг/м3 и является самым тяжелым компонентом конденсатора двойного электрического слоя. Алюминиевая фольга, являющая вторую толщину более 10 микрометров и менее 30 микрометров, способствует миниатюризации (по объёму и/или по весу при прочих равных условиях) конденсатора ю двойного электрического слоя, что особенно важно для его оптимального использования в качестве переносного источника электрической энергии: в рюкзаке туриста, на борту транспортных средств (например, на велосипедах, на автомобилях, на летательных аппаратах и т.д.).
15 В первом варианте способа изготовления алюминиевая фольга преимущественно являет вторую толщину более 10 микрометров и менее 19 микрометров.
Алюминиевая фольга, являющая вторую толщину в этом первом (селективно узком) интервале (более 10 микрометров и менее 19
20 микрометров), ещё более способствует миниатюризации (по объёму и/или по весу при прочих равных условиях) конденсатора двойного электрического слоя, что особенно важно для его оптимального использования в качестве переносного источника электрической энергии: в рюкзаке туриста, на борту транспортных средств (например,
25 на велосипедах, на автомобилях, на летательных аппаратах и т.д.).
Самое оптимальное значение второй толщины алюминиевой фольги в первом варианте способа изготовления составляет 15 микрометров.
Именно при этом значении достигается компромис между зо близким к максимальному уровнем минюатиризации конденсатора
двойного электрического слоя с одной стороны, и механической прочностью и электрическим сопротивлением алюминиевой фольги с другой стороны.
В альтернативном первому втором варианте способа 5 изготовления алюминиевая фольга преимущественно являет вторую толщину более 21 микрометров и менее 25 микрометров.
Алюминиевая фольга, являющая вторую толщину в этом втором (селективно узком) интервале (более 21 микрометров и менее 25 микрометров), способствует упрощению изготовления первого и второго ю коллекторов тока и повышению их качества при массовом производстве из-за увеличения их механической прочности и, следовательно, снижения вероятности механического разрыва алюминиевой фольги при манипуляциях.
Самое оптимальное значение второй толщины алюминиевой 15 фольги во втором варианте способа изготовления составляет 22 микрометра.
Именно при этом значении достигается компромис между приемлемым уровнем минюатиризации конденсатора двойного электрического слоя с одной стороны, и удобством манипуляции 20 алюминиевой фольгой оператором при массовом изготовлении первого и второго коллекторов тока с минимальными потерями из-за их механических разрывов.
При прочих равных условиях, алюминиевая фольга, являющая вторую толщину во втором интервале (более 21 микрометра и менее 25
25 микрометров) тяжелее алюминиевой фольги, являющей вторую толщину в первом интервале (более 10 микрометров и менее 19 микрометров). Поэтому, в отличие от первого варианта, во втором варианте способа изготовления риск деформации и/или внезапного полёта алюминиевой фольги в процессе массового производства зо первого и второго коллекторов тока под воздействием потока
воздушных масс минимизирован. Это способствует значительному упрощению массового производства.
Преимущественно изолирующий пористый сепаратор изготовлен из изолирующего пористого материала пленочного типа. В этих условиях изолирующий пористый сепаратор являет четвертую толщину более 10 микрометров и менее 30 микрометров.
Это способствует миниатюризации (по объёму и/или по весу при прочих равных условиях) конденсатора двойного электрического слоя, что особенно важно для его оптимального использования в качестве переносного источника электрической энергии: в рюкзаке туриста, на борту транспортных средств (например, на велосипедах, на автомобилях, на летательных аппаратах и т.д.).
Преимущественно способ изготовления согласно изобретения содержит подготовительную фазу, содержащую следующие этапы, состоящие в том, чтобы:
- идентифицировать в жидком органическом электролите первые ионы, являющие первую полярность, и вторые ионы, отличные от первых ионов и являющие вторую полярность, противоположную первой полярности, - взять множество нанопористых угольных материалов, пригодных по своим характеристикам пористости для изготовления первого и второго активных электродных слоев,
- измерить первый коэффициент диффузии первых ионов жидкого органического электролита в порах каждого нанопористого угольного материала из этого множества нанопористых угольных материалов,
- использовать нанопористый угольный материал, являющий максимальный первый коэффициент диффузии первых ионов, для создания первого активного электродного слоя.
Благодаря такому функционированию, способ изготовления согласно изобретению позволяет селективно обеспечить максимальную электропроводность, по меньшей мере, первого активного электродного слоя в зависимости от типа жидкого органического электролита (в частности, от типа первых ионов), используемого в конденсаторе двойного электрического слоя. Это приводит к снижению ионного сопротивления жидкого органического электролита (по меньшей мере, в порах первого активного электродного слоя), что способствует действительному уменьшению внутреннего сопротивления конденсатора двойного электрического слоя согласно изобретению. Это позволяет последнему иметь более высокую удельную ёмкость при больших токах нагрузки. В результате плотность энергии и мощность суперконденсатора повышаются.
Преимущественно подготовительная фаза содержит следующие этапы, состоящие в том, чтобы:
- измерить второй коэффициент диффузии вторых ионов жидкого органического электролита в порах каждого нанопористого угольного материала из этого множества нанопористых угольных материалов,
- использовать нанопористый угольный материал, являющий максимальный второй коэффициент диффузии вторых ионов, для создания второго активного электродного слоя.
Благодаря такому функционированию, способ изготовления согласно изобретению позволяет селективно обеспечить максимальную электропроводность, по меньшей мере, второго активного электродного слоя в зависимости от типа жидкого органического электролита (в частности, от типа вторых ионов), используемого в конденсаторе двойного электрического слоя. Это приводит к снижению ионного сопротивления жидкого органического электролита (по меньшей мере, в порах второго активного электродного слоя), что способствует действительному уменьшению внутреннего сопротивления
конденсатора двойного электрического слоя согласно изобретению. Это позволяет последнему иметь более высокую удельную ёмкость при больших токах нагрузки. В результате плотность энергии и мощность суперконденсатора повышаются.
Преимущественно фаза сборки содержит этап, состоящий в том, чтобы сформировать токопроводящие мостики между токопроводящими частицами. В этих условиях каждый токопроводящий мостик являет пятую толщину более 0,5 микрометров и менее 2,0 микрометров.
Наличие токопроводящих мостиков между токопроводящими частицами способствует увеличению прилипания (адгезии) между первым коллектором тока и первым поляризуемым электродом. Это способствует уменьшению количества дефектов при массовом производстве конденсаторов двойного электрического слоя.
Тот факт, что каждый токопроводящий мостик являет пятую толщину более 0,5 микрометров и менее 2,0 микрометров:
- ускоряет процесс их создания,
- способствует экономии ресурсов, что особенно важно при массовом производстве конденсаторов двойного электрического слоя,
- способствует миниатюризации (по объёму и/или по весу при прочих равных условиях) конденсатора двойного электрического слоя, что особенно важно для его оптимального использования в качестве переносного источника электрической энергии: в рюкзаке туриста, на борту транспортных средств (например, на велосипедах, на автомобилях, на летательных аппаратах и т.д.).
Преимущественно, этап формирования токопроводящих мостиков состоит в том, чтобы приклеить токопроводящие мостики к поверхности первой селективной зоны первого коллектора тока. В этих условиях токопроводящие мостики расположены на поверхности первой селективной зоны дискретно.
В одном из вариантов способа согласно изобретения, фаза сборки содержит этап, состоящий в том, чтобы сформировать токопроводящие мостики между токопроводящими частицами. В этих условиях, каждый токопроводящий мостик являет пятую толщину более 0,5 микрометров и менее 1 ,0 микрометров.
В этом варианте способа согласно изобретения, этап формирования токопроводящих мостиков преимущественно состоит в том, чтобы нанести смесь порошкового материала, проводящего электрический ток, с текучей средой, на поверхность первой селективной зоны первого коллектора тока с помощью метода аэрографического распыления. В этих условиях, токопроводящие мостики являют собой непрерывную плёнку, облегающую токопроводящие частицы.
Упомянутая выше смесь для аэрографического распыления может состоять из суспензии сажи в водном растворе поливинилового спирта.
Преимущественно жидкий органический электролит содержит раствор соли в растворителе. В этих условиях:
- соль содержит по меньшей мере одну из следующих солей: (а) тетрафтороборат этилтриметиламмония; (б) гексафторофосфат этилтриметиламмония; (в) тетрафтороборат тетракис(диметиламино)фосфония; (г) гексафторофосфат тетракис(диметиламино)фосфония, и
- растворитель содержит, по меньшей мере, один из следующих растворителей: (а) ацетонитрил; (б) пропионитрил; (в) пропиленкарбонат; (г) этиленкарбонат.
Основным преимуществом всех упомянутых выше солей является их повышенная (например, по сравнению с тетрафтороборатом тетраэтиламмония в пропиленкарбонате) растворимость при низких (наблюдаемых в зимний период)
температурах. Это расширяет функциональные возможности конденсаторов двойного электрического слоя, содержащих упомянутые выше (специально селекционированные) соли, делая возможным использование таких конденсаторов в зимний период, что особенно 5 важно для гибридных транспортных средств.
Имея ввиду их повышенную растворимость при низких температурах, упомянутые соли могут заменять друг друга. Это особенно важно для бесперебойного снабжения массового производства: например, в случае проблем с поставкой ю тетрафтороборат этилтриметиламмония вместо него можно использовать гексафторофосфат этилтриметиламмония, и/или тетрафтороборат тетракис(диметиламино)фосфония, и/или гексафторофосфат тетракис(диметиламино)фосфония, и наоборот. Таким образом, способ изготовления согласно изобретению достаточно
15 гибок и адаптирован к использованию не только в масштабе исследовательской лаборатории, но и в масштабе завода.
Каждый из упомянутых выше растворителей также имеет специфические, свойственные только ему одному, преимущества.
В частности, электролиты на базе ацетонитрила имеют самую 20 высокую электропроводность среди жидких органических электролитов.
Это достигается из-за сочетания низкой вязкости и относительно высокой диэлектрической проницаемости ацетонитрила по сравнению с соответствующими параметрами других жидких органических растворителей. Кроме того, электролиты на базе ацетонитрила имеют 25 широкий диапазон рабочих температур, высокую химическую и электрохимическую стабильность по сравнению с соответствующими параметрами других жидких органических электролитов: это расширяет функциональные возможности конденсаторов двойного электрического слоя, в которых в качестве растворителя используется ацетонитрил зо (например, они могут быть эффективно использованы, как в летний, так и в зимний период, что особенно важно для гибридных транспортных
средств). Наконец, ацетонитрил легко доступен, что особенно важно для бесперебойного снабжения массового производства. Таким образом, способ изготовления согласно изобретению адаптирован к использованию не только в масштабе исследовательской лаборатории, 5 но и в масштабе завода.
По сравнению с ацетонитрилом, пропионитрил имеет (помимо приемлемых свойств электропроводности) еще больший диапазон рабочих температур: это расширяет функциональные возможности конденсаторов двойного электрического слоя, содержащих ю пропионитрил, делая возможным их использование в экстремальных температурных условиях, например, на крайнем Севере, в пустыне.
Помимо приемлемых свойств электропроводности в достаточном для массового использования диапазоне температур, основным преимуществом пропиленкарбоната и этиленкарбоната 15 являются их экологические параметры: они не токсичны. Это повышает безопасность операторов при изготовлении конденсаторов двойного электрического слоя, делает массовое производство конденсаторов двойного электрического слоя менее вредным с экологической точки зрения и упрощает их эксплуатацию и утилизацию.
20 Согласно второй из своих сторон, изобретение касается электрохимического конденсатора двойного электрического слоя, включающего, по меньшей мере, первый и второй поляризуемые электроды противоположного знака из нанопористого материала, содержащего углерод. Первый и второй поляризуемые электроды
25 выполнены в виде слоев, приклеенных соответственно к первому и второму коллекторам тока из алюминиевой фольги. Первый и второй поляризуемые электроды пропитаны жидким органическим электролитом. Первый и второй поляризуемые электроды разделены изолирующим пористым сепаратором. Первый и второй поляризуемые зо электроды помещены вместе с первым и вторым коллекторами тока и изолирующим пористым сепаратором в герметичный корпус с первой и
второй контактными клеммами. Последние выступают наружу герметичного корпуса и соединены соответственно с первым и вторым коллекторами тока. Поверхность, по меньшей мере, первого коллектора тока содержит множество внедренных индивидуально и локально с помощью точечной плавки токопроводящих частиц. Эти токопроводящие частицы изготовлены из токопроводящего материала, содержащего углерод и выбранного из группы, включающей графит, сажу, ацетиленовую сажу. Первый и второй поляризуемые электроды выполнены из нанопористого угольного материала со связующей и адгезионной добавками. Каждый поляризуемый электрод среди первого и второго поляризуемых электродов, являет первую толщину более 10 микрометров и менее 50 микрометров. Алюминиевая фольга являет вторую толщину более 10 микрометров и менее 30 микрометров. Первый коллектор тока, содержащий вплавленные токопроводящие частицы, вместе с соответствующим поляризуемым электродом являют совокупную третью толщину менее 65 микрометров. Изолирующий пористый сепаратор изготовлен из изолирующего пористого материала пленочного типа. Изолирующий пористый сепаратор являет четвертую толщину более 10 микрометров и менее 30 микрометров. Токопроводящие частицы соединены между собой с помощью токопроводящих мостиков, приклеенных к поверхностям первого и второго коллекторов тока и являющих пятую толщину более 0,5 микрометров и менее 2,0 микрометров. В качестве жидкого органического электролита используют раствор, по меньшей мере, одной соли, выбранной из группы, включающей тетрафтороборат этилтриметиламмония, гексафторофосфат этилтриметиламмония, тетрафтороборат тетракис(диметиламино)фосфония и гексафторофосфат тетракис(диметиламино)фосфония, в растворителе, выбранном из группы, включающей ацетонитрил, пропионитрил, пропиленкарбонат, этиленкарбонат, и их смеси.
Благодаря этим выгодным характеристикам одновременно минимизированы все четыре типа селективных сопротивлений, а именно:
- омическое сопротивление собственно каждого коллектора тока (благодаря коллекторам тока из алюминиевой фольги),
- контактное сопротивление между каждым коллектором тока и его соответствующим активным электродным слоем (благодаря токопроводящим частицам, внедрённым локально и индивидуально с помощью точечной плавки и связанным друг с другом токопроводящими мостиками),
- омическое сопротивления собственно активного электродного слоя каждого коллектора тока (благодаря селективной первой толщине каждого поляризуемого электрода)
- ионного сопротивления жидкого органического электролита (благодаря селективной первой толщине каждого поляризуемого электрода и специфического жидкого органического электролита, пропитывающего поры селективно тонких активных электродных слоев и изолирующего пористого сепаратора).
Первая синергетика, которую обеспечивает такая совокупная одновременная минимизация сразу всех основных типов селективных сопротивлений, позволяет радикально (по сравнению с известными аналогами) уменьшить внутреннее сопротивление конденсатора двойного электрического слоя согласно изобретению, что способствует повышению его плотности энергии, мощности и удельной ёмкости, особенно при больших токах нагрузки.
Благодаря этим выгодным характеристикам также одновременно минимизированы толщины следующих основных частей конденсатора двойного электрического слоя:
- первого и второго поляризуемых электродов,
- первого и второго коллекторов тока из алюминиевой фольги,
- изолирующего пористого сепаратора,
- токопроводящих мостиков.
Вторая синергетика, которую обеспечивает эта совокупная одновременная минимизация сразу всех толщин основных частей конденсатора двойного электрического слоя способствует его миниатюризации, что расширяет его функциональные возможности.
Выгодная комбинация первой и второй синергетик позволяет оптимизировать одновременно и электрические параметры, и параметры веса и/или объёма конденсатора двойного электрического слоя согласно изобретению. Это создает дополнительные уникальные преимущества в условиях, где многократная способность принимать (в течение нескольких секунд) максимальный электрический заряд при заряде и отдавать (в течение нескольких секунд) максимальный электрический заряд при разряде оценивается по отношению к единице веса и/или объёма такого конденсатора двойного электрического слоя. Такие специфические условия, требующие максимальной удельной (в единице веса и/или объёма) энергетической эффективности конденсатора двойного электрического слоя, реализуются, например, при его использовании в качестве возобновляемого источника электрической энергии на орбитальных космических аппаратах.
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые рисунки, на которых:
- фигура 1 схематично изображает пример последовательности этапов способа изготовления электрохимического конденсатора двойного электрического слоя согласно изобретению,
фигура 2 схематично изображает пример (упрощенный вид сбоку в разрезе) электрохимического конденсатора двойного электрического слоя согласно изобретению, фигура 3 изображает зависимость между плотностью р поляризуемого электрода и его толщиной а, фигура 4 изображает зависимость между ионным сопротивлением R| жидкого органического электролита в порах поляризуемого электрода (вследствие взаимодействия ионов жидкого органического электролита со стенками пор поляризуемого электрода, результатом которого является уменьшение коэффициента диффузии электролита в порах) и толщиной а этого поляризуемого электрода, фигура 5 изображает зависимость (полученную с помощью метода спектроскопии ядерного магнитного резонанса с импульсным градиентом магнитного поля на магнитных ядрах водорода 1Н) между ионным сопротивлением Ri жидкого органического электролита (в порах шести разных образцов , 2, яз, π4, π5, π6 нанопористых угольных материалов, пригодных по своим характеристикам пористости для изготовления активных электродных слоев и, соответственно, для изготовления поляризуемых электродов (катодов в данном примере)) и первым коэффициентом диффузии Ψ жидкого органического электролита, содержащего катионы этилтриметиламмония СгН СНз^М"1" в растворе дейтерированного ацетонитрила CD3CN, фигура 6 изображает зависимость (полученную с помощью метода спектроскопии ядерного магнитного резонанса с импульсным градиентом магнитного поля на магнитных ядрах фтора 19F) между ионным сопротивлением Ri жидкого органического электролита (в порах четырёх разных образцов , π2, π , π6 нанопористых угольных материалов, пригодных по своим характеристикам пористости для изготовления активных электродных слоев и, соответственно, для
изготовления поляризуемых электродов (анодов в данном примере)) и вторым коэффициентом диффузии Ф жидкого органического электролита, содержащего анионы тетрафторобората BF4 ~ в растворе ацетонитрила CH3CN,
- фигура 7 изображает разрядные кривые (падение напряжения U от времени t при постоянном токе разряда I равном 200 А) двух электрохимических конденсаторов двойного электрического слоя одинаковой электрической ёмкости равной 1200 Ф:
о первая разрядная кривая Ui соответствует известному эталону (который, с точки зрения заявителя, является лучшим из электрохимических конденсаторов двойного электрического слоя доступных на рынке в настоящее время для упомянутой выше электрической ёмкости), а именно электрохимическому конденсатору двойного электрического слоя, изготовленному компанией Maxwell Technologies® в серии К2 под артикулом ВСАР1200
(http://www.maxwell.com/proclucts/ultracapacitors/proclucts/k2-series) с толщиной поляризуемых электродов около 100 микрометров;
0 вторая разрядная кривая U2 соответствует электрохимическому конденсатору двойного электрического слоя согласно изобретению.
Как сообщено ранее и проиллюстрировано на фигурах 1 и 2, подкрепленных экспериментальными данными на фигурах с 3 по 7, изобретение относится:
- согласно первой из своих сторон (фигура 1), к способу изготовления
1 электрохимического конденсатора 2 двойного электрического слоя,
- согласно второй из своих сторон (фигура 2), к собственно электрохимическому конденсатору 2 двойного электрического слоя, обыкновенно называемому суперконденсатором или
ультраконденсатором, поскольку его удельная электрическая ёмкость может достигать 07 Ф/м3.
Способ изготовления 1 (фигура 1) электрохимического конденсатора 2 двойного электрического слоя (фигура 2) содержит фазу сборки 10, которая включает следующие этапы, состоящие в том, чтобы:
- изготовить 100 из алюминиевой фольги первый коллектор тока 21 и второй коллектор тока 22 (в самом общем случае, показанном на фигуре 2, второй коллектор тока 22 отличен от первого коллектора тока 21),
- выбрать 101 на поверхностях первого и второго коллекторов тока 21 , 22 соответственно первую и вторую селективные зоны 210, 220,
- создать 102 на первом коллекторе тока 21 первый поляризуемый электрод 23 с помощью первого активного электродного слоя 230, содержащего первый нанопористый угольный порошок и нанесенного, по меньшей мере, на первую селективную зону 210,
- создать 103 на втором коллекторе тока 22 второй поляризуемый электрод 24 с помощью второго активного электродного слоя 240, содержащего второй нанопористый угольный порошок и нанесенного, по меньшей мере, на вторую селективную зону 220,
- соединить 104 (например, с помощью лазерной сварки, или точечной сварки, или ультразвуковой сварки) первый и второй коллекторы тока 21 , 22 с соответствующими первой и второй контактными клеммами 25, 26 разного знака.
Как показано на фигуре 1 , фаза сборки 10 также может включать этап, состоящий в том, чтобы расположить 105 первый и второй коллекторы тока 21 , 22 друг относительно друга так, чтобы их соответствующие первый и второй поляризумые электроды 23, 24 были ориентированы друг против друга.
Эта выгодная характеристика оптимизирует функционирование конденсатора 2 двойного электрического слоя.
Кроме того, как показано на фигуре 1 , фаза сборки 10 включает следующие этапы, состоящие в том, чтобы: - сформировать 106 пакет 280, содержащий, по меньшей мере, один первый и один второй коллекторы тока 21 , 22 и изолирующий пористый сепаратор 27, расположенный между первым и вторым поляризумыми электродами 23, 24,
- поместить 107 пакет 280 внутрь корпуса 28 так, чтобы первая и вторая контактные клеммы 25, 26, по меньшей мере, частично выступали наружу корпуса 28,
- пропитать 108 пакет 280 жидким органическим электролитом 29, и
- герметизировать 109 корпус 28.
При создании 102 на первом коллекторе тока 21 первого поляризуемого электрода 23 собственно нанесение первого активного электродного слоя 230 происходит преимущественно с помощью, по меньшей мере, одного из следующих методов:
- метод аэрографического распыления 1000 (по-английски, «aerographic inkjet method») текучей композиции θ, включающей суспензию первого нанопористого угольного порошка в испаряющейся жидкости,
- метод вальцевания 1001 (по-английски, «rolling method») смеси первого нанопористого угольного порошка и связующего вещества (например, политетрафторэтилена (по-английски, «polytetrafluoroethylene» или «PTFE») или поливинилиденфторида (по-английски, polyvinylidene fluoride или PVDF)) с последующим ламинированием на первую селективную зону 210,
- метод обмазки 1002 (по-английски, «coating method») смеси первого нанопористого угольного порошка со связующей и адгезионной добавками на первую селективную зону 210.
По аналогии, те же три метода (метод аэрографического распыления 1000, метод вальцевания 1001 и метод обмазки 1002) могут также быть использованы для нанесения второго активного электродного слоя 240 при создании 103 второго поляризуемого электрода 24 на втором коллекторе тока 22.
В этих условиях, каждый поляризуемый электрод среди первого и второго поляризуемых электродов 23, 24 являет первую толщину а более 10 микрометров и менее 50 микрометров: 10 рт < а < 50 рт.
Обычная первая толщина первого и второго поляризуемых электродов известных конденсаторов двойного электрического слоя, (электрическая ёмкость которых составляет 100 Ф и более), составляет от 70 микрометров и более. Использование существенно более тонких (10 рт < а < 50 рт) первого и второго поляризуемых электродов 23, 24, предлагаемых в настоящем изобретении, позволяет:
- увеличить плотность р электродного материала (как это показывают экспериментальные данные на фигуре 3), - уменьшить ионное сопротивление R| жидкого органического электролита в порах поляризуемого электрода (как это показывают экспериментальные данные на фигуре 4),
- увеличить площади соответственно первого и второго поляризуемых электродов 23, 24, размещённых в единице объёма конденсатора 2 двойного электрического слоя.
Одновременное совместное влияние этих трёх факторов, упомянутых выше (увеличение плотности р электродного материала, уменьшение ионного сопротивления R| жидкого органического электролита в порах соответственно первого и второго поляризуемого
электродов 23, 24 и увеличение площадей соответственно первого и второго поляризуемых электродов 23, 24 в единице объема конденсатора 2 двойного электрического слоя), умножает их действие, что способствует радикальному снижению совокупного внутреннего сопротивления конденсатора 2 двойного электрического слоя согласно изобретению.
Согласно изобретению, фаза сборки 10 содержит этап (фигура 1), состоящий в том, чтобы внедрить 110 локально и индивидуально, по меньшей мере, в первую селективную зону 210 множество токопроводящих частиц 211 , содержащих углерод (например, графит, сажу, ацетиленовую сажу), с помощью точечной плавки соответствующей поверхности первого коллектора тока 21 таким образом, чтобы токопроводящие частицы 211 выступали наружу из первого коллектора тока 21 и были окружены оплавленной поверхностью первого коллектора тока 21. Как видно из фигуры 1 , этап внедрения 110 следует за этапом выбора 101 первой и второй селективной зоны 210, 220, описанном выше. Для такой модификации первой селективной зоны 210 можно использовать, например, метод электроискровой обработки первой селективной зоны 210 первого коллектора тока 21 , описанный в патенте Украины UA 90448 С2 (колонна 4, линия 39 - колонна 6, линия 17; колонна 8, линии 1 - 49; колонны 9-10: Таблица; фигуры 1-5). В этих условиях, по меньшей мере, первый поляризуемый электрод 23 вместе с первым коллектором тока 21 , содержащим вплавленные токопроводящие частицы 211 , являют совокупную третью толщину γ менее 65 микрометров: γ < 65 μιτι.
Наиболее оптимальной с точки зрения минимизации объёма (при неизменной удельной ёмкости) конденсатора 2 двойного электрического слоя, является первая толщина а, лимитированная следующим образом: 10 цт < а < 30 цт.
Преимущественно алюминиевая фольга являет вторую толщину β более 10 микрометров и менее 30 микрометров: 10 pm < β < 30 pm.
В первом варианте способа изготовления 1 алюминиевая фольга может являть вторую толщину β, содержащуюся в первом (селективно узком) интервале более 10 микрометров и менее 19 микрометров: 10 μητι < β < 19 pm.
В альтернативном первому варианту втором варианте способа изготовления 1 алюминиевая фольга может являть вторую толщину β, содержащуюся во втором (селективно узком) интервале более 21 микрометров и менее 25 микрометров: 21 pm < β < 25 pm.
Алюминиевая фольга со второй толщиной β равной 20 микрометров (β = 20 pm):
- является более толстой и более тяжелой по сравнению с алюминиевой фольгой, являющей вторую толщину в первом интервале (10 pm < β < 19 pm), и, следовательно, менее адаптирована, чем эта последняя с точки зрения минюатиризации (по объёму и/или по весу) конденсатора 2 двойного электрического слоя,
- является более тонкой и более легкой по сравнению с алюминиевой фольгой, являющей вторую толщину β во втором интервале
(21 m < β < 25 pm), и, следовательно, более чем эта последняя подвержена риску деформации и/или внезапного полёта в процессе массового производства первого и второго коллекторов тока под воздействием потока воздушных масс. Поэтому использование алюминиевой фольги со второй толщиной β равной 20 микрометров (β = 20 pm) для изготовления первого и второго коллекторов тока 21 , 22 не является оптимальным.
В самом общем случае вторая толщина β (первой) алюминиевой фольги (выполненной из первого листа алюминия), из которой
изготовлен первый коллектор тока 21 может отличаться от второй толщины β (второй) алюминиевой фольги (выполненной из второго листа алюминия), из которой изготовлен второй коллектор тока 22. Например, вторая толщина β (первой) алюминиевой фольги, из которой изготовлен первый коллектор тока 21 может являть вторую толщину β, содержащуюся во втором интервале более 21 микрометров и менее 25 микрометров (21 μιτ\ < β < 25 μηη), в то время как вторая толщина β (второй) алюминиевой фольги, из которой изготовлен второй коллектор тока 22 может являть вторую толщину β, содержащуюся в первом интервале более 10 микрометров и менее 19 микрометров (10 μηη < β < 19 pm). Этот пример схематично проиллюстрирован на фигуре 2.
Благодаря этой выгодной характеристике, возможно дополнительно оптимизировать архитектуру конденсатора 2 двойного электрического слоя, в которой механическая прочность первого коллектора тока 21 отличается от механической прочности второго коллектора тока 22. В частности, это позволяет обрабатывать первую и вторую селективные зоны 210, 220 согласно различным технологиям для придания им индивидуальных селективных свойств, сохраняя при этом механическую целостность первого и второго коллекторов тока 21 , 22 соответственно.
При массовом производстве внедрение 110 локально и индивидуально в первую селективную зону 210 множества токопроводящих частиц 211 с помощью точечной плавки повышает риск механического повреждения первого коллектора тока 21 из-за разрывов алюминиевой фольги и/или образования сквозных отверстий в алюминиевой фольге, что неприемлемо. Чтобы избежать такого механического повреждения первый коллектор тока 21 преимущественно изготавливают из более толстой алюминиевой фольги, вторая толщина β которой содержится во втором интервале более 21 микрометров и менее 25 микрометров (21 рт < β < 25 рт). Это
обеспечивает первому коллектору тока 21 достаточную механическую прочность. В примере на фигуре 2 токопроводящие частицы 211 не внедряются во вторую селективную зону 220. Поэтому второй коллектор тока 22 можно изготовить из более тонкой алюминиевой фольги, вторая толщина β которой содержится во первом интервале более 10 микрометров и менее 19 микрометров (10 μπη < β < 19 pm). В этих условиях механическая прочность второго коллектора тока 22 меньше механической прочности первого коллектора тока 21 , однако это, с одной стороны, не приводит к проблемам качества конденсаторов 2 двойного электрического слоя при их массовом производстве (поскольку нет воздействия точечной плавки) и, с другой стороны, обеспечивает минимизацию веса и/или объёма конденсаторов 2 двойного электрического слоя, изготовленных согласно изобретению.
Однако для упрощения и для оптимизации массового производства и первый коллектор тока 21 , и второй коллектор тока 22, преимущественно изготовливают из одного и того же листа алюминия: в этом случае и первый коллектор тока 21 , и второй коллектор тока 22, являют одну и ту же вторую толщину β.
Преимущественно изолирующий пористый сепаратор 27 изготовлен из изолирующего пористого материала пленочного типа (например, из полиэтилена, полипропилена, полиэтилентерефталата (по-английски, «po!yethylene terephthalate» или «PETF»)). В этих условиях изолирующий пористый сепаратор 27 являет четвертую толщину δ более 10 микрометров и менее 30 микрометров: 10 μηΊ < δ < 30 μιη.
Наиболее оптимальным с точки зрения минимизации веса и/или объёма конденсатора 2 двойного электрического слоя является изолирующий пористый сепаратор 27 с четвертой толщиной δ, лимитированной следующим образом: 10 μιτι < δ < 20 μιτι.
Преимущественно способ изготовления 1 (фигура 1) электрохимического конденсатора 2 двойного электрического слоя (фигура 2) содержит подготовительную фазу 12, которая включает следующие этапы, состоящие в том, чтобы: - идентифицировать 120 в жидком органическом электролите 29 первые ионы 291 , являющие первую полярность (в примере на фигуре 2 первые ионы 291 являются положительно заряженными ионами или катионами), и вторые ионы 292, отличные от первых ионов 291 и являющие вторую полярность, противоположную первой полярности (в примере на фигуре 2 вторые ионы 292 являются отрицательно заряженными ионами или анионами),
- взять 121 множество нанопористых угольных материалов, пригодных по своим характеристикам пористости для изготовления первого и второго активных электродных слоев 230, 240, - измерить 122 первый коэффициент диффузии Ψ первых ионов 291 жидкого органического электролита 29 в порах каждого нанопористого угольного материала из этого множества нанопористых угольных материалов,
- использовать 123 нанопористый угольный материал, являющий максимальный первый коэффициент диффузии Ψ первых ионов 291 , для создания 1230 первого активного электродного слоя 230 (который в свою очередь служит для создания 102 на первом коллекторе тока 21 первого поляризуемого электрода 23: см. фигуры 1 и 2). Кроме того подготовительная фаза 12 может содержать следующие этапы, состоящие в том, чтобы:
- измерить 124 второй коэффициент диффузии Ф вторых ионов 292 жидкого органического электролита 29 в порах каждого нанопористого угольного материала из этого множества нанопористых угольных материалов,
- использовать 125 нанопористый угольный материал, являющий максимальный второй коэффициент диффузии Ф вторых ионов 292, для создания 1250 второго активного электродного слоя 240 (который в свою очередь служит для создания 103 на втором
5 коллекторе тока 22 второго поляризуемого электрода 24: см. фигуры 1 и 2).
Первый и второй коэффициенты диффузии Ψ, Ф соответственно первых и вторых ионов 291 , 292 жидкого органического электролита 29 в порах каждого нанопористого угольного материала из этого множества ю различных нанопористых угольных материалов (обозначенных соответственно π-ι , π , π4, πβ, π& на фигуре 5 и π-ι , π2, π4, πβ на фигуре 6) измеряются, например, с помощью:
- измерений затухания спин-эха по методу Хана [1] с использованием спектроскопии ядерного магнитного резонанса с импульсным
15 градиентом магнитного поля, или
- электрохимических измерений зависимостей величины диффузионного тока от скорости вращения дискового электрода [2].
В примерах на фигурах 5 и 6 используются измерения затухания спин-эха по методу Хана [1]. В этих условиях, при измерениях первого и
20 второго коэффициентов диффузии Ψ, Ф соответственно катионов 291 и анионов 292 жидкого органического электролита 29 в порах образцов , π2, πζ, π4, π5, нанопористых угольных материалов, используется особенность спектроскопии ядерного магнитного резонанса, которая позволяет раздельно определять первые и вторые коэффициенты
25 диффузии Ψ, Ф соответственно катионов 291 (этилтриметиламмония в примерах на фигурах 5 и 6) и анионов 292 (тетрафторобората в примерах на фигурах 5 и 6) для одного и того же жидкого органического электролита 29 (на основе растворителя, представленного дейтерированным ацетонитрилом CD3CN в примере на фигуре 5, и на зо основе растворителя, представленного ацетонитрилом CH3CN в
примере на фигуре 6) и угольного материала (образцов π-ι , π2, π3, π4, π5, нанопористых угольных материалов), поскольку:
- для катионов 291 измерения проводятся на магнитных ядрах водорода 1 Н, характерных в данной системе только для катионов этилтриметиламмония, т.е. C2H5(CH3)3N+, а
- для анионов 292 измерения проводятся на магнитных ядрах фтора 19F характерных в данной системе только для анионов 292 тетрафторобората, т.е. BF4 ".
Примеры на фигурах 5 и 6 показывают, что увеличение первых и вторых коэффициентов диффузии Ψ, Ф (соответственно катионов 291 и анионов 292 жидкого органического электролита 29) ясно коррелирует с уменьшением (в порах образцов , π2, π3, π , π5, нанопористых угольных материалов) ионного сопротивления R| жидкого органического электролита 29 (которое в свою очередь коррелирует с искомым уменьшением внутреннего сопротивления электрохимического конденсатора 2 двойного электрического слоя).
Преимущественно, в фазе сборки 10, после внедрения 1 10, по меньшей мере, в первый коллектор тока 21 множества токопроводящих частиц 21 1 (фигура 1 ), между этими токопроводящими частицами 21 1 дополнительно формируют 1 1 1 (фигура 1 ) токопроводящие мостики 212 (фигура 2). В этих условиях каждый токопроводящий мостик 212 являет пятую толщину ε более 0,5 микрометров и менее 2,0 микрометров: 0,5 μιτι < ε < 2,0 μηι.
Преимущественно каждый токопроводящий мостик 212 являет пятую толщину ε более 0,5 микрометров и менее 1 ,0 микрометров: 0,5 μητι < ε < 1 ,0 μιη.
Благодаря этой выгодной характеристике, соотношение пятой толщины ε токопроводящих мостиков 212 к первой толщине а первого поляризуемого электрода 23 остаётся незначительным (ε/ < 0, 1 ) даже
для самых малых значений (а > 10 μιη) первой толщины а. Таким образом наличие токопроводящих мостиков 212 не способствует снижению электрической ёмкости даже самого тонкого первого поляризуемого электрода 23.
5 Преимущественно формирование 1 1 1 токопроводящих мостиков
212 происходит с помощью их приклеивания 1 1 10 клеем к поверхностям первой селективной зоны 210 первого коллектора тока 21. В этих условиях токопроводящие мостики 212 расположены на поверхности первой селективной зоны 210 дискретно (то-есть на расстоянии друг от ю друга). Таким образом, приклеенные 1 1 10 клеем токопроводящие мостики 212 создают на поверхности первой селективной зоны 210 ретикулярную прерывистую (клеточную) двухмерную структуру.
Наличие такой ретикулярной прерывистой (клеточной) двухмерной структуры дополнительно увеличивает прилипание 15 (адгезию) между первым коллектором тока 21 и первым поляризуемым электродом 23. Это способствует уменьшению количества дефектов при массовом производстве конденсаторов 2 двойного электрического слоя.
Альтернативный способ формирования 11 1 токопроводящих мостиков 212 состоит в том, чтобы использовать метод 20 аэрографического распыления 1000 смеси Θ порошкового материала, проводящего электрический ток, с текучей средой.
Аэрографическое распыление 1000 способствует ускорению формирования 1 11 токопроводящих мостиков 212 (по сравнению с приклеиванием 1 110 токопроводящих мостиков 212, описанным выше) 25 и, в конечном итоге, ускорению способа изготовления 1 конденсатора 2 двойного электрического слоя.
Кроме того, в отличие от приклеивания 1 1 10 клеем формирующего, как описано выше, ретикулярную прерывистую (клеточную) двухмерную структуру из токопроводящих мостиков 212, зо аэрографическое распыление 1000 способствует формированию на
поверхности первой селективной зоны 210 непрервного однородного слоя из токопроводящих мостиков 212, облегающей токопроводящие частицы 2 1 на манер непрерывной плёнки.
Наличие такой непрерывной плёнки из токопроводящих мостиков 212 способствует увеличению механической прочности первого коллектора тока 21 (который делается более хрупким после внедрения 1 10 локально и индивидуально в первую селективную зону 210 множества токопроводящих частиц 21 1 с помощью точечной плавки). Это способствует уменьшению количества дефектов при массовом производстве конденсаторов 2 двойного электрического слоя.
Аэрографическое распыление 1000 особенно адаптировано для создания непрерывного однородного слоя из токопроводящих мостиков 212, который являет пятую толщину ε более 0,5 микрометров и менее 1 ,0 микрометра: 0,5 μιη < ε < 1 ,0 pm. В этих условиях, при неизменной первой толщине а первого поляризуемого электрода 23, чем тоньше непрервный однородный слой из токопроводящих мостиков 212 (который сам по себе не вносит вклад в удельную электрическую ёмкость конденсатора 2 двойного электрического слоя), тем толще первый активный электродный слой 230 (который определяет удельную электрическую ёмкость конденсатора 2 двойного электрического слоя).
Для аэрографического распыления 1000, преимущественно используют (в качестве смеси Θ порошкового материала, проводящего электрический ток, с текучей средой), суспензию сажи в водном растворе поливинилового спирта.
Сажа и водный раствор поливинилового спирта являются легко доступными материалами. Это особенно важно для бесперебойного массового производства. Таким образом, способ изготовления 1 согласно изобретению достаточно гибок и адаптирован к использованию не только в масштабе исследовательской лаборатории, но и в масштабе завода.
В другом (альтернативном) варианте способа изготовления согласно изобретению, в качестве смеси Θ порошкового материала, проводящего электрический ток, с текучей средой может быть использована суспензия сажи в водном растворе карбоксиметилцеллюлозы.
По сравнению с поливиниловым спиртом, карбоксиметилцеллюлоза являет лучшую адгезию к активному электродному слою.
Согласно наблюдениям заявителя, максимальное улучшение этой адгезии (суспензии сажи в водном растворе карбоксиметилцеллюлозы) к активному электродному слою наблюдается в случае, когда активный электродный слой изготовлен (например, как упомянуто выше, с помощью метода обмазки 1002) из смеси нанопористого угольного порошка с поливинилиденфторидом в качестве связующего вещества.
Преимущественно жидкий органический электролит 29 содержит раствор соли в растворителе. В этих условиях:
- соль содержит по меньшей мере одну из следующих солей: о тетрафтороборат этилтриметиламмония (по-английски, «ethyltrimethylammonium tetrafluoroborate»), о гексафторофосфат этилтриметиламмония (по-английски, «ethyltrimethylammonium hexafluorophosphate»); о тетрафтороборат тетракис(диметиламино)фосфония (по- английски «tetrakis(dimethylamino)phosphonium tetrafluoroborate»), о гексафторофосфат тетракис(диметиламино)фосфония (по- английски «tetrakis(dimethylamino)phosphonium hexafluorophosphate»).
- растворитель содержит, по меньшей мере, один из следующих растворителей (или их смеси):
о ацетонитрил (по-английски, «acetonitrile»), о пропионитрил (по-английски, «propionitrile»), о пропиленкарбонат (по-английски, «propylene carbonate»), о этиленкарбонат (по-английски, «ethylene carbonate»). Как упомянуто выше, согласно второй из своих сторон, изобретение относится к собственно электрохимическому конденсатору 2 двойного электрического слоя (фигура 2), изготовленному с помощью способа изготовления 1 (фигура 1 ) согласно изобретению.
Пример такого конденсатора 2 двойного электрического слоя описан ниже.
Электрохимический конденсатор 2 двойного электрического слоя, включает, по меньшей мере, первый и второй поляризуемые электроды 23, 24 противоположного знака из нанопористого материала, содержащего углерод. Первый и второй поляризуемые электроды 23, 24 выполнены в виде слоев, приклеенных соответственно к первому и второму коллекторам тока 21 , 22 из алюминиевой фольги. Первый и второй поляризуемые электроды 23, 24 пропитаны жидким органическим электролитом 29. Первый и второй поляризуемые электроды 23, 24 разделены изолирующим пористым сепаратором 27. Первый и второй поляризуемые электроды 23, 24 помещены вместе с первым и вторым коллекторами тока 21 , 22 и изолирующим пористым сепаратором 27 в герметичный корпус 28 с первой и второй контактными клеммами 25, 26. Последние выступают наружу герметичного корпуса 28 и соединены соответственно с первым и вторым коллекторами тока 21 , 22. Поверхность, по меньшей мере, первого коллектора тока 21 содержит множество внедренных индивидуально и локально с помощью точечной плавки токопроводящих частиц 211. Эти токопроводящие частицы 21 1 изготовлены из токопроводящего материала, содержащего углерод и выбранного из группы, включающей графит, сажу, ацетиленовую сажу. Первый и
второй поляризуемые электроды 23, 24 выполнены из нанопористого угольного материала со связующей и адгезионной добавками. Каждый поляризуемый электрод среди первого и второго поляризуемых электродов 23, 24, являет первую толщину а более 10 микрометров и менее 50 микрометров: 10 т < а < 50 рт. Алюминиевая фольга являет вторую толщину β более 10 микрометров и менее 30 микрометров. Первый коллектор тока 21 , содержащий вплавленные токопроводящие частицы 211 , вместе с соответствующим поляризуемым электродом 23 являют совокупную третью толщину γ менее 65 микрометров: γ < 65 pm. Изолирующий пористый сепаратор 27 изготовлен из изолирующего пористого материала пленочного типа и являет четвертую толщину δ более 10 микрометров и менее 30 микрометров: 10 рт < δ < 30 рт. Токопроводящие частицы 211 соединены между собой с помощью токопроводящих мостиков 212, приклеенных к поверхностям первого и второго коллекторов тока 21 , 22 и являющих пятую толщину ε более 0,5 микрометров и менее 2,0 микрометров: 0,5 рт < ε < 2,0 рт. В качестве жидкого органического электролита 29 используют раствор, по меньшей мере, одной соли, выбранной из группы, включающей тетрафтороборат этилтриметиламмония, гексафторофосфат этилтриметиламмония, тетрафтороборат тетракис(диметиламино)фосфония и гексафторофосфат тетракис(диметиламино)фосфония, в растворителе, выбранном из группы, включающей ацетонитрил, пропионитрил, пропиленкарбонат, этиленкарбонат, и их смеси.
Преимущественно алюминиевая фольга являет вторую толщину β, содержащуюся в одном из двух следующих (селективно узких) интервалов: (а) более 10 микрометров и менее 19 микрометров: 10 ηι < β < 19 pm; (б) более 21 микрометров и менее 25 микрометров: 21 рт < β < 25 рт.
Преимущественно изолирующий пористый сепаратор 27 изготовлен из изолирующего пористого материала пленочного типа и являет четвертую толщину δ более 10 микрометров и менее 15 микрометров: 10 рт < 5 < 15 μιτι.
Преимущественно токопроводящие частицы 211 соединены между собой с помощью токопроводящих мостиков 212, приклеенных к поверхностям первого и второго коллекторов тока 21 , 22 и являющих пятую толщину ε более 0,5 микрометров и менее 1 ,0 микрометров: 0,5 μιη < ε < 1 ,0 pm.
Преимущественно электрическая ёмкость конденсатора 2 двойного электрического слоя составляет 100 Ф и более.
Эта выгодная характеристика расширяет функциональные возможности конденсатора 2 двойного электрического слоя, как переносного источника электрической энергии.
Пример на фигуре 7 иллюстрирует преимущества конденсатора 2 двойного электрического слоя согласно изобретению по сравнению с известным конденсатором-эталоном.
На фигуре 7 изображены две разрядные кривые, показывающие падение напряжения U от времени t (при постоянном токе разряда I равном 200 А : I = 200 А) двух электрохимических конденсаторов двойного электрического слоя одинаковой ёмкости равной 1200 Ф:
- первая разрядная кривая 1^, содержащая первый нелинейный участок CAi и первый линейный участок ΑιΒ^ соответствует известному электрохимическому конденсатору двойного электрического слоя (эталону), изготовленному компанией Maxwell Technologies® в серии К2 под артикулом ВСАР1200 (http://www.maxwell.com/products/ultracapacitors/products/k2-series), с толщиной поляризуемых электродов около 100 микрометров;
- вторая разрядная кривая U2, содержащая второй нелинейный участок СА2 и второй линейный участок А2В2, соответствует электрохимическому конденсатору 2 двойного электрического слоя согласно изобретению. Наличие первого нелинейного участка САи (принадлежащего первой разрядной кривой Ui) и второго нелинейного участка СА2 (принадлежащего второй разрядной кривой 112) в первые мгновения после включения - в момент времени t0 - тока разряда I объясняется процессами перераспределения заряда в соответствующих поляризуемых электродах каждого из конденсаторов, упомянутых выше. После окончания этого перераспределения наблюдаются соответственно первый линейный участок A^B^ и второй линейный участок А2В2.
Как видно из фигуры 7 : - точка D получена с помощью первой линейной экстраполяции Ι_ι первого линейного участка ΑιΒ1 (первой разрядной кривой U-i ) на ось напряжения U в момент времени to включения тока разряда I;
- точка D2 получена с помощью второй линейной экстраполяции L2 второго линейного участка А2В2 (второй разрядной кривой U2) на ось напряжения U в момент времени t0 включения тока разряда I.
В этих условиях, первый отрезок CDi определяет первый скачок AUi напряжения U (от номинального напряжения равного 2,7 В) после включении тока разряда I = 200 А для известного конденсатора-эталона, а второй отрезок CD2 определяет второй скачок ΔΙΙ2 напряжения U (от того же номинального напряжения равного 2,7 В) после включении того же тока разряда I = 200 А для конденсатора 2 двойного электрического слоя согласно изобретению: AU2 < AUi.
Согласно международному стандарту [3], возможно определить:
- первое внутреннее сопротивление 9?ι (в терминах международного стандарта [3] оно называется: «демпфирующее сопротивление» (по- английски, «steady resistance))) или «эквивалентное распределённое сопротивление» (по-английски, «equivalent distributed resistance* или «EDR»)) известного конденсатора-эталона с помощью уравнения: 9ΐι = ΔΙΙ-ι/Ι, где ΔΙΙ-ι , - это первый скачок напряжения U; I, - это ток разряда,
- второе внутреннее сопротивление 9?2 конденсатора 2 двойного электрического слоя согласно изобретению с помощью уравнения: 5?2 = ΔΙΙ2/Ι, где AU2, - это второй скачок напряжения U; I, - это ток разряда.
Как видно из фигуры 7: ΔΙ)2 < ΔΐΙι. Как показано выше, для постоянного тока разряда (I = 200 А = const): 9ίι ~ ΔΐΙ-ι , 9?2 ~ ΔΙΙ2 и, следовательно, 9?2 < 5Ηι . Таким образом, внутреннее сопротивление SR2 конденсатора 2 двойного электрического слоя согласно изобретению ниже, чем внутреннее сопротивление $Ri известного конденсатора- эталона.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ на английском языке: [1] Y. Cohen, L. Avram, L Frish. Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, pp. 520 - 554.
[2] A. J. Bard, L. R. Faulkner. Electrochemical Methods. Fundamentals and Applications (second edition). Wiley, 2001 , p. 335.
[3] International Standard IEC 62576, Electric double-layer capacitors for use in hybrid electric vehicles - Test methods for electrical characteristics // 2009, International Electrotechnical Commission (www.iec.ch).
Claims
1. Способ изготовления (1 ) электрохимического конденсатора (2) двойного электрического слоя, содержащий фазу сборки (10), включающую следующие этапы, состоящие в том, чтобы: - изготовить (100) из алюминиевой фольги первый коллектор тока (21) и второй коллектор тока (22),
- выбрать (101 ) на поверхностях первого и второго коллекторов тока (21 ), (22) соответственно первую и вторую селективные зоны (210), (220), - создать (102) на первом коллекторе тока (21) первый поляризуемый электрод (23) с помощью первого активного электродного слоя (230), содержащего первый нанопористый угольный порошок и нанесенного, по меньшей мере, на первую селективную зону (210),
- создать (103) на втором коллекторе тока (22) второй поляризуемый электрод (24) с помощью второго активного электродного слоя (240), содержащего второй нанопористый угольный порошок и нанесенного, по меньшей мере, на вторую селективную зону (220),
- соединить (104) первый и второй коллекторы тока (21), (22) с соответствующими первой и второй контактными клеммами (25), (26) разного знака,
- сформировать (106) пакет (280), содержащий, по меньшей мере, один первый и один второй коллекторы тока (21 ), (22) и изолирующий пористый сепаратор (27), расположенный между первым и вторым поляризумыми электродами (23), (24), - поместить (107) пакет (280) внутрь корпуса (28) так, чтобы первая и вторая контактные клеммы (25), (26), по меньшей мере, частично выступали наружу корпуса (28), - пропитать (108) пакет (280) жидким органическим электролитом (29), и
- герметизировать (109) корпус (28), каждый поляризуемый электрод среди первого и второго поляризуемых 5 электродов (23), (24) являет первую толщину (а) более 10 микрометров и менее 50 микрометров, алюминиевая фольга являет вторую толщину
(β),
характеризующийся тем, что фаза сборки (10) также содержит этап, состоящий в том, чтобы внедрить (110) локально и ю индивидуально, по меньшей мере, в первую селективную зону (210) множество токопроводящих частиц (21 1 ), содержащих углерод, с помощью точечной плавки соответствующей поверхности первого коллектора тока (21 ) таким образом, чтобы токопроводящие частицы (21 1) выступали наружу из первого коллектора тока (21 ) и были
15 окружены оплавленной поверхностью первого коллектора тока (21 ), и тем, что, по меньшей мере, первый поляризуемый электрод (23) вместе с первым коллектором тока (21), содержащим вплавленные токопроводящие частицы (21 1), являют совокупную третью толщину (γ) менее 65 микрометров. 0
2. Способ изготовления (1 ) по пункту 1 , характеризующийся тем, что алюминиевая фольга являет вторую толщину (β) более 21 микрометров и менее 25 микрометров.
3. Способ изготовления (1) по пункту 1 или 2, характеризующийся тем, что изолирующий пористый сепаратор (27) 5 изготовлен из изолирующего пористого материала пленочного типа, выбранного из группы, состоящей из полиэтилена, полипропилена, полиэтилентерефталат, и тем, что изолирующий пористый сепаратор (27) являет четвертую толщину (δ) более 0 микрометров и менее 20 микрометров.
4. Способ изготовления (1 ) по любому одному из пунктов с 1 по 3, характеризующийся тем, что он содержит подготовительную фазу (12), содержащую следующие этапы, состоящие в том, чтобы:
- идентифицировать (120) в жидком органическом электролите (29) первые ионы (291), являющие первую полярность, и вторые ионы
(292), отличные от первых ионов (291) и являющие вторую полярность, противоположную первой полярности,
- взять (121) множество нанопористых угольных материалов, пригодных по своим характеристикам пористости для изготовления первого и второго активных электродных слоев (230), (240),
- измерить (122) первый коэффициент диффузии (Ψ) первых ионов (291 ) жидкого органического электролита (29) в порах каждого нанопористого угольного материала из этого множества нанопористых угольных материалов, - использовать (123) нанопористый угольный материал, являющий максимальный первый коэффициент диффузии (Ψ) первых ионов
(291) , для создания (1230) первого активного электродного слоя (230).
5. Способ изготовления (1 ) по пункту 4, характеризующийся тем, что подготовительная фаза (12) содержит следующие этапы, состоящие в том, чтобы:
- измерить (124) второй коэффициент диффузии (Ф) вторых ионов
(292) жидкого органического электролита (29) в порах каждого нанопористого угольного материала из этого множества нанопористых угольных материалов,
- использовать (125) нанопористый угольный материал, являющий максимальный второй коэффициент диффузии (Ф) вторых ионов (292), для создания (1250) второго активного электродного слоя (240).
6. Способ изготовления (1 ) по любому одному из пунктов с 1 по 5, характеризующийся тем, что фаза сборки (10) содержит этап, состоящий в том, чтобы сформировать (1 1 1) токопроводящие мостики (212) между токопроводящими частицами (21 1), и
5 тем, что каждый токопроводящий мостик (212) являет пятую толщину (ε) более 0,5 микрометров и менее 2,0 микрометров.
7. Способ изготовления (1 ) по пункту 6, характеризующийся тем, что этап формирования (11 1 ) токопроводящих мостиков (212) состоит в том, чтобы приклеить (1 110) токопроводящие мостики (212) к ю поверхности первой селективной зоны (210) первого коллектора тока (21) и тем, что токопроводящие мостики (212) расположены на поверхности первой селективной зоны (210) дискретно.
8. Способ изготовления (1 ) по любому одному из пунктов с 1 по 5, характеризующийся тем, что фаза сборки (10) содержит этап,
15 состоящий в том, чтобы сформировать (1 11) токопроводящие мостики (212) между токопроводящими частицами (21 1), и тем, что каждый токопроводящий мостик (212) являет пятую толщину (ε) более 0,5 микрометров и менее 1 ,0 микрометров.
9. Способ изготовления (1) по пункту 8, характеризующийся 20 тем, что этап формирования (11 1 ) токопроводящих мостиков (212) состоит в том, чтобы нанести смесь (Θ) порошкового материала, проводящего электрический ток, с текучей средой, на поверхность первой селективной зоны (210) первого коллектора тока (21) с помощью метода аэрографического распыления (1000), и
25 тем, что токопроводящие мостики (212) являют собой непрерывную плёнку, облегающую токопроводящие частицы (211).
10. Способ изготовления (1 ) по пункту 9, характеризующийся тем, что смесь (Θ) для аэрографического распыления (1000) состоит из суспензии сажи в водном растворе поливинилового спирта.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1201220A FR2990050A1 (fr) | 2012-04-25 | 2012-04-25 | Condensateur electrochimique a double couche electrique et procede de sa fabrication |
| FR1201220 | 2012-04-25 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2013160750A1 true WO2013160750A1 (ru) | 2013-10-31 |
Family
ID=46889095
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/IB2013/000768 WO2013160750A1 (ru) | 2012-04-25 | 2013-04-23 | Электрохимический конденсатор двойного электрического слоя и способ его изготовления |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2990050A1 (ru) |
| WO (1) | WO2013160750A1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110571051A (zh) * | 2018-10-05 | 2019-12-13 | 熵零技术逻辑工程院集团股份有限公司 | 一种电容 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2163041C2 (ru) * | 1994-10-07 | 2001-02-10 | Максвелл Текнолоджиз, Инк. | Высокоэффективные двухслойные конденсаторы с угольно-алюминиевыми композитными электродами |
| US20050118440A1 (en) * | 2001-12-28 | 2005-06-02 | Mahon Peter J. | Electrode for an energy storage device |
| WO2008079917A2 (en) * | 2006-12-20 | 2008-07-03 | Apowercap Technologies, Llc | Electrochemical double layer capacitor |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6631074B2 (en) * | 2000-05-12 | 2003-10-07 | Maxwell Technologies, Inc. | Electrochemical double layer capacitor having carbon powder electrodes |
| JP2006186220A (ja) * | 2004-12-28 | 2006-07-13 | Tdk Corp | 電気化学デバイス |
| UA90448C2 (ru) * | 2005-06-25 | 2010-05-11 | Юрій Андрійович Малєтін | Способ изготовления электродов с низким контактным сопротивлением для батарей и конденсаторов с двойным электрическим слоем |
-
2012
- 2012-04-25 FR FR1201220A patent/FR2990050A1/fr not_active Withdrawn
-
2013
- 2013-04-23 WO PCT/IB2013/000768 patent/WO2013160750A1/ru active Application Filing
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2163041C2 (ru) * | 1994-10-07 | 2001-02-10 | Максвелл Текнолоджиз, Инк. | Высокоэффективные двухслойные конденсаторы с угольно-алюминиевыми композитными электродами |
| US20050118440A1 (en) * | 2001-12-28 | 2005-06-02 | Mahon Peter J. | Electrode for an energy storage device |
| WO2008079917A2 (en) * | 2006-12-20 | 2008-07-03 | Apowercap Technologies, Llc | Electrochemical double layer capacitor |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110571051A (zh) * | 2018-10-05 | 2019-12-13 | 熵零技术逻辑工程院集团股份有限公司 | 一种电容 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2990050A1 (fr) | 2013-11-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8593787B2 (en) | Electrochemical capacitor having lithium containing electrolyte | |
| Khomenko et al. | High-energy density graphite/AC capacitor in organic electrolyte | |
| JP5276001B2 (ja) | エネルギー保存装置用電極 | |
| Balducci et al. | High temperature carbon–carbon supercapacitor using ionic liquid as electrolyte | |
| JP6518589B2 (ja) | ３ボルトウルトラキャパシタのための電解質 | |
| US8139343B2 (en) | Electrical energy storage device containing an electroactive separator | |
| JP4406667B2 (ja) | アルミニウムと炭素の複合電極を有する高性能二重層キャパシタ | |
| Klankowski et al. | Higher-power supercapacitor electrodes based on mesoporous manganese oxide coating on vertically aligned carbon nanofibers | |
| KR20060119819A (ko) | 전기화학적 커패시터 전극의 제조 방법 | |
| EP1727165A2 (en) | Electrolyte for double layer capacitor | |
| KR20140007330A (ko) | 높은 비-밀도 및 에너지 밀도의 슈퍼 커패시터 및 상기 슈퍼 커패시터의 제조 방법 | |
| KR20160102974A (ko) | 알칼리 금속 이온 커패시터 | |
| EA025540B1 (ru) | Электрический двухслойный конденсатор с повышенным рабочим напряжением | |
| KR20160045760A (ko) | 울트라커패시터, edlc, 하이브리드 커패시터, 연료 전지 및 배터리용 섬유상 세라믹 물질에 기초한 분리막 | |
| CN105745727A (zh) | 电容器及其制造方法 | |
| JP7065040B2 (ja) | 炭素／炭素一体型高電力密度ウルトラキャパシタ、及びそのキャパシタからなる電池 | |
| WO2008106533A1 (en) | Ultracapacitor collector and/or package with controlled magnesium content | |
| KR20180109703A (ko) | 전기 화학 디바이스 | |
| EP3991188A1 (en) | Method and apparatus for making electrodes for an ionic liquid-based supercapacitor, and method for making such a supercapacitor | |
| WO2013160750A1 (ru) | Электрохимический конденсатор двойного электрического слоя и способ его изготовления | |
| JP6620330B2 (ja) | ハイブリッドキャパシタ | |
| KR20140138739A (ko) | 전극 재료 및, 이 전극 재료를 이용한 커패시터, 2차 전지 | |
| WO2012156809A1 (ru) | Коллектор тока и способ его изготовления | |
| US9524830B2 (en) | Method for selecting nanoporous carbon material for polarizable electrode, method for manufacturing such polarizable electrodes and method for manufacturing electrochemical double layer capacitor | |
| JP5565113B2 (ja) | アルミニウム多孔体を集電体として用いた電極、及びこれを用いたキャパシタ |
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: 13782187 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: 13782187 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |