ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2130211

ДВОЙНОСЛОЙНЫЙ КОНДЕНСАТОР С РАСПЛАВЛЕННЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ

ДВОЙНОСЛОЙНЫЙ КОНДЕНСАТОР С РАСПЛАВЛЕННЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ

Имя изобретателя: Попов Андрей Вениаминович; Гительсон Александр Владимирович; Кузьмин Геннадий Яковлевич 
Имя патентообладателя: Попов Андрей Вениаминович; Гительсон Александр Владимирович; Кузьмин Геннадий Яковлевич
Адрес для переписки: 195112, Санкт-Петербург, а/я 27 Попову А.В.
Дата начала действия патента: 1997.08.01 

Изобретение относится к производству высокоемких электрических конденсаторов и может быть использовано в составе высокотемпературных источников энергии для электромобилей, для сглаживания пиковых нагрузок аккумуляторов, а также в производстве мощных импульсных и резервных источников питания. Согласно изобретению конденсатор содержит поляризуемые электроды с высокоразвитой поверхностью, корпус, токоподводы, сепаратор и электролит. В качестве электролита используют расплав соли или смеси солей. Конденсатор работоспособен при повышенных температурах, имеет высокую емкость и напряжение, не ограниченное напряжением разложения растворителя.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к производству высокоемких электрических конденсаторов.

Известны конденсаторы, запасающие энергию за счет емкости двойного электрического слоя на границе раздела "электрод-электролит" (В.П.Кузнецов и др. "Пути и перспективы развития и применения конденсаторов с двойным электрическим слоем (ионисторов)" /1/. Прототипом заявляемого изобретения является двойнослойный конденсатор FA OH 105Z производства фирмы NEC, Япония (см. /1/). Сборка состоит из 8 последовательно соединенных конденсаторов, положительный и отрицательный электроды выполнены из активированного угля и разделены сепаратором. Электролит: 38% раствор серной кислоты в воде. Недостатками этого конденсатора являются низкая удельная энергия, низкое рабочее напряжение и низкая максимальная температура эксплуатации. Эти недостатки обусловлены наличием растворителя (воды), имеющего сравнительно низкое напряжение разложения и невысокий температурный предел жидкого состояния даже в смеси с серной кислотой указанной концентрации.

Целью изобретения является повышение удельной энергии, напряжения и максимальной температуры эксплуатации двойнослойного конденсатора, а также удельной мощности.

Конденсатор конструктивно состоит из корпуса, положительного и отрицательного электродов, причем как минимум один из них является поляризуемым электродом с развитой поверхностью выполненным из активированного углеродного материала, высокодисперсного углерода (сажи) или электрохимически инертного высокодисперсного металла; и электролита. Электроды контактируют с электролитом и изолированы друг от друга ионопроводящей прокладкой. В качестве ионопроводящей прокладки может применяться пористый диэлектрик, смоченный электролитом, ионообменная мембрана или мембрана из твердого электролита.

Указанная цель достигается тем, что в качестве электролита используется практически не содержащий растворителя расплав. Расплавы многих солей имеют низкое давление паров при практически значимых повышенных температурах (50-400oC), высокую стабильность свойств при указанных температурах, а также широкий диапазон напряжений, в котором сохраняется электрохимическая инертность, не ограниченный потенциалами разложения растворителя. В расплавах существенно выше емкость двойного слоя электродов, что обусловлено отсутствием сольватации и особой знакопеременной структурой двойного слоя (Б.Б.Дамаскин, О. А.Петрий. "Введение в электрохимическую кинетику", с.137. М., 83). Катион расплава может выбираться из ряда, соответствующего в той или ной мере указанным условиям. Это катионы щелочных, щелочно-земельных металлов, Zn2+, Al3+, NH4+, N (R1R2R3R4)+, или их смеси. В качестве анионов могут быть использованы, в частности NO3-, NO2-, SO43-, HCO4-, Г-, AlCl4-, ArF6-, ClO4-,

CO32-, PF6-, BF4, R-SO3-, R-COO-,



или их смеси (R - алкил или арилрадикал, в том числе с галогенами-заместителями в основной цепи, Г - галоген).

В качестве изолирующей прокладки выбираются материалы, обладающие высокой химической стойкостью в расплавах при повышенных температурах и высокой ионной проводимостью. Пористый сепаратор, например, из асбеста, керамики, стекла, тефлона и т.п., твердый электролит, например b-алюминат натрия, ионообменная мембрана, например "Nafion" в Na+-форме, а также анионообменные мембраны с проводимостью по ионам, имеющимся в расплаве.

Целесообразно в качестве расплавленного электролита использовать электрические смеси, имеющие низкую температуру плавления. Например, электрическую смесь AlCl3 (0,635) - BaCl2 - NaCl с температурой плавления 50oC. При использовании в качестве сепарирующей прокладки твердого электролита или ионообменной мембраны имеется возможность использовать в области положительного и отрицательного электродов расплавы различного состава с общим ионом - ионом проводимости сепаратора, что может оказаться целесообразным с точки зрения свойств конденсатора. В случае необходимости вследствие высокой ионной проводимости расплавов возможно применение конструкции конденсатора с межэлектродным зазором и без сепаратора. Высокая ионная проводимость расплавов, как правило, превышающая электропроводность наиболее электропроводных электролитов, содержащих растворитель (более 100 См/м) дает возможность повысить мощность двойнослойного конденсатора с расплавленным электролитом.

Конденсатор может содержать два поляризуемых электрода из электрохимически инертного проводника 1 рода или один электрод, причем во втором случае второй электрод конденсатора является неполяризуемым (см. /1/). Неполяризуемым электродом может быть, например, металлический электрод с высоким катодным потенциалом восстановления в расплаве своих ионов, аналогичный электродам, применяемым в аккумуляторах с расплавленным электролитом (Na+, Li+). Емкость двойнослойного конденсатора с одним неполяризуемым электродом в 2 раза выше. В качестве поляризуемого электрода (электродов) целесообразно использовать активированный углеродный материал в любом конструктивном исполнении (волокна, порошок, гранулы, пластины и т.п.) или/и дисперсный углерод (сажу), карбиды, нитриды металлов, инертные металлы с высокоразвитой поверхностью (например, Ni, Pt, Pd, Rh, Ru), электропроводящие оксиды. Для подтверждения возможности реализации изобретения был изготовлен двойнослойный конденсатор с электродами из активной ткани ТСА, асбестовым сепаратором, графитовыми токопроводами и расплавом KCl (0,51 мольн.д) - ZnCl2 в качестве электролита. При 250oC были получены Uмакс. 1,5 В, уд. энергия 35 Дж/см3, мощность 6 Вт/см3.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Конденсатор с двойным электрическим слоем, содержащий корпус, положительный и отрицательный электроды, ионпроводящий сепаратор и электролит, отличающийся тем, что в качестве электролита взят не содержащий растворителя расплав соли или смеси солей.

2. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве электролита взята эвтектическая смесь расплава галогенидов.

Версия для печати
Дата публикации 05.04.2007гг


вверх