RU2646531C1 - Supercapacitor cell - Google Patents
Supercapacitor cell Download PDFInfo
- Publication number
- RU2646531C1 RU2646531C1 RU2016138067A RU2016138067A RU2646531C1 RU 2646531 C1 RU2646531 C1 RU 2646531C1 RU 2016138067 A RU2016138067 A RU 2016138067A RU 2016138067 A RU2016138067 A RU 2016138067A RU 2646531 C1 RU2646531 C1 RU 2646531C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- electrode
- superionic conductor
- metal
- substrate
- Prior art date
Links
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000002226 superionic conductor Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000011858 nanopowder Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 4
- 150000003109 potassium Chemical class 0.000 claims abstract description 4
- 230000021615 conjugation Effects 0.000 claims description 8
- CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N Fe2+ Chemical compound [Fe+2] CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 abstract description 12
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 34
- 239000000463 material Substances 0.000 description 17
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 12
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 9
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000010408 film Substances 0.000 description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 description 7
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 5
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 5
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 5
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 4
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 3
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 2
- 238000001566 impedance spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N niobium(5+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Nb+5].[Nb+5] URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 2
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 2
- JKFYKCYQEWQPTM-UHFFFAOYSA-N 2-azaniumyl-2-(4-fluorophenyl)acetate Chemical compound OC(=O)C(N)C1=CC=C(F)C=C1 JKFYKCYQEWQPTM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910015645 LiMn Inorganic materials 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021612 Silver iodide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 description 1
- DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N barium atom Chemical compound [Ba] DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012472 biological sample Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical group [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000002001 electrolyte material Substances 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- AEIXRCIKZIZYPM-UHFFFAOYSA-M hydroxy(oxo)iron Chemical compound [O][Fe]O AEIXRCIKZIZYPM-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- MHCFAGZWMAWTNR-UHFFFAOYSA-M lithium perchlorate Chemical compound [Li+].[O-]Cl(=O)(=O)=O MHCFAGZWMAWTNR-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910001486 lithium perchlorate Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 239000002985 plastic film Substances 0.000 description 1
- 229920006255 plastic film Polymers 0.000 description 1
- 229920000128 polypyrrole Polymers 0.000 description 1
- 229910001414 potassium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 229940045105 silver iodide Drugs 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- 229910002076 stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 1
- CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N strontium atom Chemical compound [Sr] CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium(II) oxide Chemical compound [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
- H01G9/004—Details
- H01G9/04—Electrodes or formation of dielectric layers thereon
- H01G9/042—Electrodes or formation of dielectric layers thereon characterised by the material
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/86—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
- H01L29/92—Capacitors with potential-jump barrier or surface barrier
-
- 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
Abstract
Description
Изобретение относится к области суперконденсаторов и может быть использовано в энергетических системах, функционирующих за счет запасаемой электрической энергии, в особенности солнечной энергетике, в качестве накопителей и автономных источников питания с управляемыми характеристиками заряда и разряда.The invention relates to the field of supercapacitors and can be used in energy systems that operate due to the stored electric energy, in particular solar energy, as storage devices and autonomous power sources with controlled charge and discharge characteristics.
Накопители электричества в соответствии с условиями применений делятся на несколько классов, в частности на малогабаритные (для радиоэлектронной аппаратуры) и крупногабаритные, например, для систем солнечных преобразователей, транспорта.Electricity storage devices are divided into several classes in accordance with the application conditions, in particular small-sized (for electronic equipment) and large-sized, for example, for solar converter systems, vehicles.
В настоящее время большие энергетические системы, в частности солнечной энергетики, используют практически исключительно обычные (кислотные и щелочные) аккумуляторы [1]. Крупногабаритные аккумуляторы на суперконденсаторах отсутствуют на рынке по тем причинам, что имеют меньшие емкости и значительные стоимости по сравнению с обычными. Многочисленные изобретатели и разработчики активно занимаются решением проблемы перехода на суперконденсаторы, поскольку они могут иметь существенные преимущества [2].Currently, large energy systems, in particular solar energy, use almost exclusively ordinary (acid and alkaline) batteries [1]. Large-sized batteries on supercapacitors are not available on the market for the reason that they have lower capacities and significant costs compared to conventional ones. Numerous inventors and developers are actively engaged in solving the problem of switching to supercapacitors, since they can have significant advantages [2].
Решению этой задачи посвящено предлагаемое в этом описании изобретение.The solution proposed in this description of the invention.
В его основе лежит использование твердого электролита в многослойной структуре на диэлектрической подложке. Суть решения состоит в выборе материала электролита и соответствующей этому материалу структуры. Этот вариант решения является наиболее распространенным. Известно большое число патентов-аналогов, например нижеследующие.It is based on the use of a solid electrolyte in a multilayer structure on a dielectric substrate. The essence of the solution is to select the electrolyte material and the structure corresponding to this material. This solution is the most common. A large number of patent patents are known, for example the following.
Суперконденсатор (патент RU 2522947, 20.07.2014) с неорганическим композиционным твердым электролитом, включающий электроды, разделенные высокопроводящим твердым электролитом, отличающийся тем, что положительный и отрицательный электроды выполнены из композита, содержащего наноразмерный оксид LiMn2-xMexO4, где Me=Ni2+, Mn3+, композиционный твердый электролит выполнен на основе перхлората лития 0,4LiClO4-0,6Al2O3, а токоподвод состоит из двух пластин металлического никеля, закрепленных на внешних сторонах электродов.A supercapacitor (patent RU 2522947, 07.20.2014) with an inorganic composite solid electrolyte, comprising electrodes separated by a highly conductive solid electrolyte, characterized in that the positive and negative electrodes are made of a composite containing nanoscale oxide LiMn 2-x Me x O 4 , where Me = Ni 2+, Mn 3+, composite solid electrolyte is based on lithium perchlorate 0,4LiClO 4 -0,6Al 2 O 3 and current feeder is composed of two nickel metal plates attached to the outer sides of the electrodes.
Суперконденсатор (патенты RU 2298257, 28.04.2007, RU 2012105, 30.04.1994), состоящий из подложки из диэлектрического материала, содержащий металлический или угольный поляризуемый и серебряный неполяризуемый электроды, разделенные пленочным слоем высокопроводящего твердого электролита на основе иодида серебра.A supercapacitor (patents RU 2298257, April 28, 2007, RU 2012105, April 30, 1994), consisting of a substrate of dielectric material containing metallic or carbon polarizable and silver non-polarizable electrodes separated by a film layer of a highly conductive solid electrolyte based on silver iodide.
Суперконденсатор (патент RU 2523425), выполненный в виде тонкопленочной структуры, содержащий электроды, разделенные пленочным слоем твердого электролита, отличающийся тем, что в качестве твердого электролита применен диоксид циркония, стабилизированный иттрием (0,9 ZrO2 + 0,1 Y2O3), один из электродов выполнен из наночастиц графена, а второй изготовлен из полипиррола.A supercapacitor (patent RU 2523425), made in the form of a thin-film structure, containing electrodes separated by a film layer of a solid electrolyte, characterized in that yttrium stabilized zirconia (0.9 ZrO2 + 0.1 Y2O3) is used as a solid electrolyte, one of the electrodes are made of graphene nanoparticles, and the second is made of polypyrrole.
Твердотельный электрохимический источник тока (патент RU 2449427, 27.04.2012) содержит анод, выполненный из металла, катод, выполненный в виде графитового слоя, нанесенного на анод, и токопроводящее покрытие графитового слоя, графитовый слой выполнен в виде дефектной ориентированной пленки со структурой кристаллического графита, при этом на аноде отсутствует окисный слой.A solid-state electrochemical current source (patent RU 2449427, 04/27/2012) contains an anode made of metal, a cathode made in the form of a graphite layer deposited on the anode, and a conductive coating of the graphite layer, the graphite layer is made in the form of a defective oriented film with crystalline graphite structure while there is no oxide layer on the anode.
Твердотельный наноструктурированный источник тока (патент RU 2394312, 10.07.2010) включает анод, выполненный из меди (или другого переходного металла) с различной формой и размерами, и катод, выполненный из наноструктурированного графитового покрытия на аноде, покрытый токопроводящей пленкой. Процесс токообразования внутри источника обусловлен твердофазным растворением меди (или других переходных металлов) в наноструктурированном графите.A solid state nanostructured current source (patent RU 2394312, July 10, 2010) includes an anode made of copper (or another transition metal) with various shapes and sizes, and a cathode made of a nanostructured graphite coating on the anode, coated with a conductive film. The process of current formation inside the source is due to the solid-phase dissolution of copper (or other transition metals) in nanostructured graphite.
Многослойный конденсатор (RU №98123037, 20.10.2000) в тонкослойном исполнении, содержащий размещенные на подложке попеременно в слоистой структуре n+1 электродных слоев и n диэлектрических керамических слоев, а также и второй контактный слой отдельно друг от друга сбоку от многослойной структуры, примерно вертикально к плоскости слоев, причем электродные слои электропроводяще соединены попеременно или вторым контактным слоем, а число n находится в пределах 1<n<100.A multilayer capacitor (RU No. 98123037, 10/20/2000) in a thin-layer design, comprising n + 1 electrode layers and n dielectric ceramic layers alternately arranged in a layered structure on a substrate, as well as a second contact layer separately from each other on the side of the multilayer structure, approximately vertically to the plane of the layers, the electrode layers being electrically conductively connected alternately or by the second contact layer, and the number n is in the
Кроме указанных в патентах материалов используются и другие, например нижеследующие.In addition to the materials indicated in the patents, others are used, for example, the following.
Танталовый порошок для изготовления конденсаторов с твердым электролитом (патент RU 2414990, 27.03.2011).Tantalum powder for the manufacture of capacitors with solid electrolyte (patent RU 2414990, 03/27/2011).
Порошок недоокиси ниобия, анод из недоокиси ниобия и конденсатор с твердым электролитом (патент RU 2369563, 10.10.2009).A powder of niobium niobium oxide, an anode of niobium niobium oxide and a solid electrolyte capacitor (
Анод с запирающим слоем на основе ниобия и конденсатор на его основе (патент RU 2284069, 20.09.2006).An anode with a locking layer based on niobium and a capacitor based on it (patent RU 2284069, 09.20.2006).
Ниобий для изготовления конденсатора и конденсатор, изготовленный с использованием спеченного ниобиевого продукта (патент RU 2269835 (10.02.2006).Niobium for the manufacture of a capacitor and a capacitor made using a sintered niobium product (patent RU 2269835 (02/10/2006).
Ниобиевый порошок, спеченный ниобиевый материал и конденсатор, выполненный с использованием спеченного материала (патент RU 2267182, 27.12.2005).Niobium powder, sintered niobium material and a capacitor made using sintered material (patent RU 2267182, 12.27.2005).
Порошок для конденсатора (патент RU 2253919, 10.06.2005).Powder for capacitor (patent RU 2253919, 10.06.2005).
Твердый электролит с рубидий-катионной проводимостью (патент RU 2415496 27.03.2011).Solid electrolyte with rubidium-cationic conductivity (patent RU 2415496 03/27/2011).
Техническим результатом всех этих изобретений является повышение емкости электрического накопителя-источника и технологичность его изготовления.The technical result of all these inventions is to increase the capacity of the electric drive source and the manufacturability of its manufacture.
Общим недостатком всех решений аналогов является их ограниченность в свойствах повышенной емкости, обусловленная применением плоской подложки и пленочной структуры на ней. Кроме того, все используемые материалы имеют относительно простую гомогенную структуру, ограниченную в модели конденсатора сравнительно небольшими значениями диэлектрической проницаемости.A common drawback of all analog solutions is their limited ability in the properties of increased capacitance due to the use of a flat substrate and a film structure on it. In addition, all the materials used have a relatively simple homogeneous structure, limited in the capacitor model by relatively small values of dielectric constant.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является суперконденсатор, состоящий из подложки из диэлектрического материала или высокоомного полупроводника, на которой последовательно расположены слой металла, который имеет структурно сопряженную когерентную границу со следующим слоем твердотельного электролита с суперионной проводимостью и верхний электрод из проводящего материала, который также имеет структурно сопряженную когерентную границу со слоем суперионного проводника [3].The closest technical solution (prototype) is a supercapacitor, consisting of a substrate of dielectric material or a high-resistance semiconductor, on which a metal layer is arranged sequentially, which has a structurally conjugated coherent boundary with the next layer of solid-state electrolyte with superionic conductivity and an upper electrode of conductive material, which also has a structurally conjugated coherent boundary with a layer of a superionic conductor [3].
Недостатком прототипа является существенное ограничение по величинам удельной емкости - в расчете на единицу объема (и веса) конденсатора. Это связано с выбором материала подложки (полупроводника) и структурным когерентным сопряжением слоев на границах, которые ограничивают всю конструкцию плоской формой. Полупроводниковые подложки бывают только в виде плоских пластин. Структурное когерентное сопряжение материалов возможно только в сплошных пленочных слоях.The disadvantage of the prototype is a significant limitation on the values of specific capacitance - per unit volume (and weight) of the capacitor. This is due to the choice of the substrate material (semiconductor) and the structural coherent conjugation of layers at the boundaries that limit the entire structure to a flat shape. Semiconductor substrates are only in the form of flat plates. Structural coherent conjugation of materials is possible only in continuous film layers.
Предлагаемое в описываемой заявке решение основывается на использовании 3D-подложки, выполненной как полый цилиндр, на поверхности которого нанесены слои нанопорошковых материалов, в том числе твердого электролита, в качестве которого использован модифицированный полититанат калия.The solution proposed in the described application is based on the use of a 3D substrate made as a hollow cylinder, on the surface of which layers of nanopowder materials, including solid electrolyte, are used, which is used as modified potassium polytitanate.
Полититанаты калия (ПТК) [4, 5] с мольными соотношениями TiO2/K2O от 3,7 до 6,6 представляют собой квазидвумерный материал, состоящий из слоистых частиц чешуйчатой формы с поперечным размером 200-800 нм и толщиной 10-40 нм. Кристаллическая структура самих частиц ПТК подобна искаженной структуре лепидокрокита и построена из двойных слоев, сформированных титан-кислородными октаэдрами. В межслойном пространстве ПТК расположены ионы калия, гидроксония и некоторое количество молекулярной воды. Величина межслоевого расстояния варьируется в пределах от 0,9 до 1,8 нм, в зависимости от соотношений TiO2/K2O. Материал наночастиц обладает аномально высокой диэлектрической проницаемостью - в относительных величинах, до 108.Potassium polytitanates (PTC) [4, 5] with molar ratios of TiO 2 / K 2 O from 3.7 to 6.6 are quasi-two-dimensional materials consisting of layered particles of scaly shape with a transverse size of 200-800 nm and a thickness of 10-40 nm The crystal structure of the PTC particles themselves is similar to the distorted structure of lepidocrocite and is built of double layers formed by titanium-oxygen octahedra. In the interlayer space of the PTC are potassium ions, hydroxonium ions and a certain amount of molecular water. The interlayer distance varies from 0.9 to 1.8 nm, depending on the ratio of TiO 2 / K 2 O. The material of the nanoparticles has an abnormally high dielectric constant - in relative values, up to 10 8 .
Конструкция, структура, оптимизация ячейки.Design, structure, cell optimization.
Конструкция и структура ячейки изображены на фиг. 1, где отображено:The construction and structure of the cell are shown in FIG. 1, where it is displayed:
1 - цилиндр,1 - cylinder
2 - первый электрод,2 - the first electrode,
3 - слой сопряжения3 - interface layer
4 - активный слой,4 - active layer,
5 - второй электрод,5 - second electrode,
6, 7 - электрические выводы.6, 7 - electrical findings.
Цилиндр 1 является 3D-подложкой с размерами образующей L и диаметра сечения-круга - D. Он может быть выполнен из разных диэлектрических материалов. Самым простым, технологически, материалом является стекло.
Первый электрод 2 - субмикронная пленка инертного металла. При термообработке структуры металл не должен взаимодействовать с материалом подложки и активным слоем. В качестве материала слоя могут быть никель, золото, серебро.The
Слой сопряжения 3 - нанопорошок активного металла, который при термообработке структуры имеет химическое взаимодействие с материалом активного слоя так, что происходит электрическое и структурное сопряжение слоев.The
Активный слой 4 состоит из наночастиц модифицированного полититаната калия. Толщина слоя - d.The
Второй электрод 5 - слой нанопорошка активного металла, создающего при термообработке сопряжение с активным слоем. Материалами могут быть алюминий, смеси алюминия с барием, магнием, стронцием.The
Электрические выводы 6 и 7 - например, металлизированная полиэтиленовая пленка.Electrical leads 6 and 7 - for example, metallized plastic film.
Важным вопросом для рассматриваемых вариантов суперконденсаторов является электрическое и структурное сопряжение электродов с твердым электролитом. Поскольку емкость слоя электролита чрезвычайно высока, отсутствие сопряжения, то есть надежного электрического и механического контакта, приводит к влиянию последовательно включенной емкости интерфейса значительно меньшей величины. При этом общая емкость последовательно включенных конденсаторов становится меньше меньшей величины. Эффект суперемкости структуры перестает действовать.An important issue for the considered options for supercapacitors is the electrical and structural conjugation of electrodes with solid electrolyte. Since the capacitance of the electrolyte layer is extremely high, the absence of coupling, that is, reliable electrical and mechanical contact, leads to the effect of a significantly smaller value of the interface capacitance of the interface. In this case, the total capacitance of the series-connected capacitors becomes less than a smaller value. The supercapacity effect of the structure ceases to act.
Для пленочных структур аналогов сопряжение происходит неизбежно при нанесении материалов молекулярно-кинетическими способами. Для порошковых материалов и структур этого не происходит. Для них необходимо принимать специальные конструктивно-технологические приемы.For film structures of analogues, conjugation is inevitable when applying materials by molecular kinetic methods. For powder materials and structures this does not happen. For them, it is necessary to take special design and technological methods.
В заявке это сопряжение предлагается делать благодаря нанопорошкам активных металлов. Нанопорошки, имея исключительно мелкую структуру и подвижность, хорошо заполняют межслойные неровности. Кроме того, благодаря термообработке происходит проникновение активного металла наночастиц в приповерхностные слои структуры относительно крупных частиц полититанатов. Происходит квазиспекание частиц.In the application, this conjugation is proposed to be made thanks to nanopowders of active metals. Nanopowders, having an extremely fine structure and mobility, fill well interlayer irregularities. In addition, due to heat treatment, the active metal of nanoparticles penetrates into the surface layers of the structure of relatively large particles of polytitanates. Particle quasiproducting occurs.
Пример исполнения, преимущества.Performance example, benefits.
Предлагаемая суперемкостная электрическая ячейка может быть использована как приборный элемент на основе микроканальной структуры (МКС) и полититанатов калия (ПТК).The proposed super-capacitive electric cell can be used as an instrument element based on a microchannel structure (ISS) and potassium polytitanates (PTC).
Микроканальные структуры представляют собой в поперечном разрезе соты, образованные большим числом микроканалов - микрокапилляров с внутренней поверхностью большой площади S [6]. Прибор формируется как микроканальная пластина площадью s и толщиной L. Аспектное отношение L/D обычно равно 100 и более. При этом отношение S/s будет 400 и более. Способы изготовления МКС известны - [7, 8].Microchannel structures are cross-sectional cells formed by a large number of microchannels - microcapillaries with an inner surface of a large area S [6]. The device is formed as a microchannel plate with area s and thickness L. The aspect ratio L / D is usually 100 or more. In this case, the S / s ratio will be 400 or more. Methods of manufacturing the ISS are known - [7, 8].
Способ изготовления полититанатов калия базируется на патентованных решениях - [9].A method of manufacturing potassium polytitanates is based on patented solutions - [9].
Для создания структуры слоев на поверхности микроканалов могут быть заимствованы способы из патента [10].To create a layer structure on the surface of microchannels, methods from the patent can be borrowed [10].
Изготовленные таким образом элементы накопителя электрической энергии будут иметь расчетные значения на 1 квадратный метр площади пластин примерно 1000 фарад емкости. При подаче на элементы напряжения до 30 В расчетная удельная емкость Э/М будет не менее 150 Вт-час/кг.The elements of the electric energy storage device made in this way will have design values per 1 square meter of plate area of approximately 1000 farads of capacitance. When applying voltage to the elements up to 30 V, the calculated specific capacity E / M will be at least 150 W-hour / kg.
Для автомобильных аккумуляторов, как хорошо известно, удельная электрическая емкость достигает (по максимуму) 70 Вт-час/кг, что в 2 раз меньше расчетных значений (по минимуму) по предлагаемому решению.For automobile batteries, as is well known, the specific electric capacity reaches (maximum) 70 Watt-hour / kg, which is 2 times less than the calculated values (minimum) for the proposed solution.
Для лучших продаваемых на рынке суперконденсаторов-ионисторов малой мощности Э/М не более 10 Вт-час/кг [11].For the best low-power E / M supercapacitors-ionistors sold on the market, no more than 10 W-hour / kg [11].
Для лучших силовых электрохимических суперконденсаторов фирмы Maxwell Э/М не более 5 Вт-час/кг [11].For the best power electrochemical supercapacitors from Maxwell E / M, no more than 5 W-hour / kg [11].
В таблице проведено сравнение параметров варианта по предложению и существующих на рынке с использованием данных [11].The table compares the options for the proposal and the existing ones on the market using data [11].
Использованные источники информацииInformation Sources Used
1. Аккумуляторы для солнечных батарей. http://slarkenergy.ru/solar/battery/akkumulyator.html; http://electrik.info/main/energy/860-akkumulyatory-dlya-solnechnyh-batarey; htmlhttp://slarkenergy.ru/solar/battery/akkumulyator.html1. Batteries for solar panels. http://slarkenergy.ru/solar/battery/akkumulyator.html; http://electrik.info/main/energy/860-akkumulyatory-dlya-solnechnyh-batarey; htmlhttp: //slarkenergy.ru/solar/battery/akkumulyator.html
2. Суперконденсаторы. https://market.yandex.ru/search.xml?cvredirect; http://www.insidecarelectronics.com/superkondensatori-ili-ionistori-vmesto-akkumulyatora-novaya-tehnologiya-yo-mobil/; https://geektimes.ru/post/259970/2. Supercapacitors. https://market.yandex.ru/search.xml?cvredirect; http://www.insidecarelectronics.com/superkondensatori-ili-ionistori-vmesto-akkumulyatora-novaya-tehnologiya-yo-mobil/; https://geektimes.ru/post/259970/
3. A.L. Despotuli, A.V. Andreeva, B. Rambabu. Nanoionics of advanced superionc conductors. Ionics, v. 11, 2005, стр. 1-9. Старков B.B., Деспотули А.Л., Левашов В.И. и др. Суперконденсатор. Патент RU 2298257.3. A.L. Despotuli, A.V. Andreeva, B. Rambabu. Nanoionics of advanced superionc conductors. Ionics, v. 11, 2005, pp. 1-9. Starkov B.B., Despotuli A.L., Levashov V.I. and other supercapacitor. Patent RU 2298257.
4. В.Г. Гофман, А.В. Гороховский, Н.В. Горшков и др. Импедансная спектроскопия полимерного композита на основе базового полититаната калия. Электрохимическая энергетика. 2014. Т. 14, №3, сс. 141-148.4. V.G. Hoffman, A.V. Gorokhovsky, N.V. Gorshkov et al. Impedance spectroscopy of a polymer composite based on basic potassium polytitanate. Electrochemical power. 2014.V. 14, No. 3, ss. 141-148.
5. А.В. Ковнев, В.Г. Гофман, А.В. Гороховский и др. Импедансная спектроскопия полититаната калия, модифицированного солями кобальта. Электрохимическая энергетика. 2014. Т. 14, №3, сс. 149-157.5. A.V. Kovnev, V.G. Hoffman, A.V. Gorokhovsky et al. Impedance spectroscopy of potassium polytitanate modified with cobalt salts. Electrochemical power. 2014.V. 14, No. 3, ss. 149-157.
6. Микроканальные пластины. http://profbeckman.narod.ru/radiometr.files/L10_10.pdf; www.ru.all.biz/mikrokanalnye-plastiny-bgg10808256. Microchannel plates. http://profbeckman.narod.ru/radiometr.files/L10_10.pdf; www.ru.all.biz/mikrokanalnye-plastiny-bgg1080825
7. Патент RU 2323978. Способ изготовления микроканальных пластин. http://patents.su/patents/skibina7. Patent RU 2323978. A method of manufacturing microchannel plates. http://patents.su/patents/skibina
8. Патент RU 2323978. Устройство доставки и анализа биологических проб и способ его изготовления. Приоритет: 10.07.2006. Авторы: Белоглазов В.И., Скибина Н.Б. Тучин В.В., Скибина Ю.С.8. Patent RU 2323978. A device for the delivery and analysis of biological samples and a method for its manufacture. Priority: 07/10/2006. Authors: Beloglazov V.I., Skibina NB Tuchin V.V., Skibina Yu.S.
9. Патент RU 2565688. Состав и способ получения полимерного протонпроводящего композиционного материала. Приоритет: 06.11.2014. Авторы: Гоффман В.Г., Гороховский А.В., Горшков Н.В., Слепцов В.В., Федоров Ф.С., Третьяченко Е.В.9. Patent RU 2565688. Composition and method for producing a polymer proton-conducting composite material. Priority: November 6, 2014. Authors: Goffman V.G., Gorokhovsky A.V., Gorshkov N.V., Sleptsov V.V., Fedorov F.S., Tretyachenko E.V.
10. Патент RU 2558331. Эмиссионный источник света и способ его изготовления. Приоритет: 28.03.2014. Автор: Жуков Н.Д.10. Patent RU 2558331. Emission light source and method for its manufacture. Priority: 03/28/2014. Author: Zhukov N.D.
11. Суперконденсаторы. http://www.electrosad.ru/Electronics/SuperCon.htm.11. Supercapacitors. http://www.electrosad.ru/Electronics/SuperCon.htm.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016138067A RU2646531C1 (en) | 2016-09-23 | 2016-09-23 | Supercapacitor cell |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016138067A RU2646531C1 (en) | 2016-09-23 | 2016-09-23 | Supercapacitor cell |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2646531C1 true RU2646531C1 (en) | 2018-03-05 |
Family
ID=61568837
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016138067A RU2646531C1 (en) | 2016-09-23 | 2016-09-23 | Supercapacitor cell |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2646531C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2751537C1 (en) * | 2020-12-22 | 2021-07-14 | Общество с ограниченной ответственностью "ЭкоПромКатализ" (ООО "ЭкоПромКатализ" ) | Multichannel electrode |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6454816B1 (en) * | 2000-04-12 | 2002-09-24 | Iljin Nanotech Co., Ltd. | Supercapacitor using electrode of new material and method of manufacturing the same |
| WO2005088657A2 (en) * | 2004-03-09 | 2005-09-22 | Arkema France | Method for making an electrode, resulting electrode and supercapacitor including same |
| RU2298257C1 (en) * | 2005-10-28 | 2007-04-27 | Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской Академии Наук (ИПТМ РАН) | Supercapacitor |
| US7623340B1 (en) * | 2006-08-07 | 2009-11-24 | Nanotek Instruments, Inc. | Nano-scaled graphene plate nanocomposites for supercapacitor electrodes |
| US7875219B2 (en) * | 2007-10-04 | 2011-01-25 | Nanotek Instruments, Inc. | Process for producing nano-scaled graphene platelet nanocomposite electrodes for supercapacitors |
| US20150028449A1 (en) * | 2013-07-25 | 2015-01-29 | International Business Machines Corporation | Nanoparticles for making supercapacitor and diode structures |
-
2016
- 2016-09-23 RU RU2016138067A patent/RU2646531C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6454816B1 (en) * | 2000-04-12 | 2002-09-24 | Iljin Nanotech Co., Ltd. | Supercapacitor using electrode of new material and method of manufacturing the same |
| WO2005088657A2 (en) * | 2004-03-09 | 2005-09-22 | Arkema France | Method for making an electrode, resulting electrode and supercapacitor including same |
| RU2298257C1 (en) * | 2005-10-28 | 2007-04-27 | Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской Академии Наук (ИПТМ РАН) | Supercapacitor |
| US7623340B1 (en) * | 2006-08-07 | 2009-11-24 | Nanotek Instruments, Inc. | Nano-scaled graphene plate nanocomposites for supercapacitor electrodes |
| US7875219B2 (en) * | 2007-10-04 | 2011-01-25 | Nanotek Instruments, Inc. | Process for producing nano-scaled graphene platelet nanocomposite electrodes for supercapacitors |
| US20150028449A1 (en) * | 2013-07-25 | 2015-01-29 | International Business Machines Corporation | Nanoparticles for making supercapacitor and diode structures |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2751537C1 (en) * | 2020-12-22 | 2021-07-14 | Общество с ограниченной ответственностью "ЭкоПромКатализ" (ООО "ЭкоПромКатализ" ) | Multichannel electrode |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11961667B2 (en) | Devices and methods for high voltage and solar applications | |
| TWI601330B (en) | Electrode material and energy storage apparatus | |
| Zhang et al. | Stimulus‐responsive micro‐supercapacitors with ultrahigh energy density and reversible electrochromic window | |
| Su et al. | Co-electro-deposition of the MnO 2–PEDOT: PSS nanostructured composite for high areal mass, flexible asymmetric supercapacitor devices | |
| Yang et al. | Flexible solid-state electrochemical supercapacitors | |
| KR102645603B1 (en) | high-voltage device | |
| US9331357B2 (en) | Electrochemically self assembled batteries | |
| Zhao et al. | All two-dimensional pseudocapacitive sheet materials for flexible asymmetric solid-state planar microsupercapacitors with high energy density | |
| US20130078510A1 (en) | Core-shell nanoparticles in electronic battery applications | |
| TW201117242A (en) | All solid-state electrochemical double layer supercapacitor | |
| KR20130076802A (en) | Lithium ion secondary battery | |
| Khorate et al. | An overview of patents and recent development in flexible supercapacitors | |
| Patnaik et al. | Porous RuO x N y S z electrodes for microsupercapacitors and microbatteries with enhanced areal performance | |
| EP2662337A1 (en) | Core-shell nanoparticles in electronic capacitor applications | |
| RU2646531C1 (en) | Supercapacitor cell | |
| RU2709487C1 (en) | Solid-state thin-film hybrid electrochemical current source | |
| CN102938321B (en) | A kind of manufacture method of high-power super accumulation power supply | |
| Gu et al. | Capacitive energy storage | |
| CN102646517A (en) | Supercapacitor and electrode thereof | |
| RU2523425C2 (en) | Supercapacitor | |
| US20230420193A1 (en) | Pseudocapacitive battery | |
| Murugan | DESIGN AND DEVELOPMENT OF NANOSTRUCTURED Cu2XSnS4 X Equal to Zn Co and Ni QUATERNARY THIN FILM ELECTRODES FOR ADVANCED ENERGY STORAGE SYSTEMS | |
| Kachhwaha et al. | Different Prospects of Electrode Material Selection of Ultracapacitor based Energy Storage System | |
| WO2024005735A1 (en) | Pge/ppy-mn oxide electrode and supercapacitor containing this electrode | |
| Jiang et al. | Two-Dimensional Materials for Flexible In-Plane Micro-Supercapacitors |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200924 |