RU2784889C2 - Supercapacitor for systems of autonomous power supply and portable start of motor vehicles - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of electrical engineering, namely to a supercapacitor for systems of autonomous power supply and portable start of motor vehicles. Current-conducting collectors and separators of the assembly have surfaces repeating relief of electrodes and a porous structure obtained by molding collectors with application to electrode material of a nickel layer with a thickness of 50-70 mcm by a galvanic method and separators by spraying an aqueous cellulose solution on electrodes with subsequent vacuum impregnation of the supercapacitor assembly with an electrolyte, which allows for optimal filling of porous structures with the electrolyte.

EFFECT: increase in stability of operation of a supercapacitor due to reduction in electrical resistance.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к автотранспортной технике, энергетике, электротехнике, электронике, в средствах сотовой и спутниковой связи.The invention relates to motor vehicles, energy, electrical engineering, electronics, cellular and satellite communications.

Известно устройство, представляющее собой многослойный конденсатор, 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 (патент РФ №98123037, А, МКИ H01G 4/30 опубл. 20.10.2000).A device is known, which is a multilayer capacitor, in a thin-layer version, containing n + 1 electrode layers and n dielectric ceramic layers placed alternately on a substrate in a layered structure, as well as a second contact layer separately from each other on the side of the multilayer structure, approximately vertically to the plane layers, and the electrode layers are electrically conductive connected alternately or by a second contact layer, and the number n is in the range 1<n<100 (RF patent No. 98123037, A, MKI H01G 4/30 publ. 20.10.2000).

Основным недостатком представленного изобретения является то, что удельная емкость конденсаторов при используемых диэлектрических или сегнетоэлектрических материалах теоретически уступает такому же параметру суперконденсаторов на основе двойного электрического слоя.The main disadvantage of the present invention is that the specific capacitance of the capacitors used in dielectric or ferroelectric materials is theoretically inferior to the same parameter of supercapacitors based on a double electric layer.

Известны конденсаторы имеющие высокое значение электрической емкости, содержащие два электрода, из которых один или оба являются поляризуемыми, электролит и сепаратор. Степень заполнения электролитом порового пространства сепаратора и обоих электродов находится в интервале от 90 до 40% от общего объема пор (патент РФ №2185675, С2, МКИ H01G 9/00, H01G 9/04 опубл. 20.07.2002).Known capacitors having a high electric capacitance value, containing two electrodes, one or both of which are polarizable, an electrolyte and a separator. The degree of electrolyte filling of the pore space of the separator and both electrodes is in the range from 90 to 40% of the total pore volume (RF patent No. 2185675, C2, MKI H01G 9/00, H01G 9/04 publ. 20.07.2002).

Недостатком указанных конденсаторов является то, что электролит состоит из жидкой фазы. Толщина двойного электрического слоя, формирующегося на границе электролита с электродами, ограничивает удельную емкость конденсатора.The disadvantage of these capacitors is that the electrolyte consists of a liquid phase. The thickness of the electrical double layer formed at the interface of the electrolyte with the electrodes limits the specific capacitance of the capacitor.

Известен суперконденсатор, состоящий из подложки из диэлектрического материала или высокоомного полупроводника, на котором последовательно расположены слои металла, который имеет структурно-сопряженную когерентную границу со следующим слоем, слой суперионного проводника и верхний электрод из проводящего материала, который имеет структурно сопряженную когерентную границу со слоем суперионного проводника (патент РФ №2298257).A supercapacitor is known, consisting of a substrate of a dielectric material or a high-resistance semiconductor, on which layers of metal are successively located, which has a structurally conjugated coherent boundary with the next layer, a superionic conductor layer and an upper electrode made of conductive material, which has a structurally conjugated coherent boundary with a superionic layer. conductor (RF patent No. 2298257).

Недостатком представленного устройства является сложность изготовления и необходимость применения чистых материалов не имеющих в своей структуре примесей. Также в устройстве отсутствуют защитные конструктивные элементы, обеспечивающие термостабилизацию, в условиях высоких температур или резких токовых нагрузках.The disadvantage of the presented device is the complexity of manufacturing and the need to use pure materials that do not have impurities in their structure. Also, the device does not have protective structural elements that provide thermal stabilization in conditions of high temperatures or sudden current loads.

Известен суперконденсатор на двойном электрическом слое, состоящий из электродов на основе активированного углерода, сепаратора, электролита, размещенных в корпусе. В качестве электродов использованы углеродные волокна с совершенной кристаллической структурой графита и упорядоченной системой внутренних пор (патент РФ №2098879).Known supercapacitor on a double electric layer, consisting of electrodes based on activated carbon, separator, electrolyte, placed in the housing. Carbon fibers with a perfect crystal structure of graphite and an ordered system of internal pores were used as electrodes (RF patent No. 2098879).

Недостатками данных устройств являются повышенные размеры, а применение активированного угля требует введения на производстве дополнительных средств его диагностики на предмет наличия примесей и стабильности структурных параметров. Также в устройстве отсутствуют защитные конструктивные элементы, обеспечивающие термостабилизацию в условиях высоких температур или резких токовых нагрузках. Немаловажным недостатком является сложность изготовления и отсутствие элементов регулирования для различных типов электрпотребления.The disadvantages of these devices are increased dimensions, and the use of activated carbon requires the introduction of additional means of its diagnostics in production for the presence of impurities and the stability of structural parameters. Also, the device lacks protective structural elements that provide thermal stabilization at high temperatures or sudden current loads. An important disadvantage is the complexity of manufacturing and the lack of control elements for various types of electricity consumption.

Известен суперконденсатор с двойным электрическим слоем, включающий корпус с силовыми прижимами, по крайней мере, один сжатый блок элементов, содержащий сепараторы, разнополярные эластичные пористые электроды из частиц углеродного материала, расположенные на одной поверхности сепараторов, пропитанных электролитом, электроннопроводящие коллекторы, охватывающие электроды и изолированные по периметру герметизирующим покрытием, состоящим из двух слоев, один из которых выполнен из не отверждающейся полимерной композиции, а второй слой выполнен из отдельных друг от друга частиц полимера, вдавленных в первый слой покрытия и герметик из не отверждающейся полимерной композиции, расположенный по контуру блока на герметизирующем покрытии коллекторов (патент РФ №2140680, МПК6 H01G 39/00, опубл. 1999 г.).A supercapacitor with a double electric layer is known, including a housing with force clamps, at least one compressed block of elements containing separators, bipolar elastic porous electrodes made of particles of carbon material located on one surface of the separators impregnated with an electrolyte, electronically conductive collectors covering the electrodes and insulated along the perimeter with a sealing coating consisting of two layers, one of which is made of a non-curing polymer composition, and the second layer is made of polymer particles separated from each other, pressed into the first layer of the coating and a sealant from a non-curing polymer composition, located along the contour of the block on sealing coating of collectors (RF patent No. 2140680, MPK6 H01G 39/00, publ. 1999).

Недостатком такого суперконденсатора является также его ненадежность из-за недостаточной герметичности, высокой вероятности токовой утечки по электролиту, что снижает срок службы суперконденсатора.The disadvantage of such a supercapacitor is also its unreliability due to insufficient tightness, high probability of current leakage through the electrolyte, which reduces the service life of the supercapacitor.

Известен суперконденсатор (патент РФ №2475879), при реализации, которого была решена техническая задача повышения надежности за счет увеличения герметичности и исключения вероятности образования электролитных перемычек между элементами накопительных ячеек (блоков) и между ячейками (блоками).A supercapacitor is known (RF patent No. 2475879), which, when implemented, solved the technical problem of improving reliability by increasing tightness and eliminating the possibility of formation of electrolyte bridges between elements of storage cells (blocks) and between cells (blocks).

Указанный технический результат достигается тем, что в электрохимическом суперконденсаторе, включающем корпус с силовыми прижимами, по крайней мере, один сжатый блок элементов, содержащий сепараторы, разнополярные эластичные пористые электроды из частиц углеродного материала, расположенных на одной поверхности сепараторов, пропитанных электролитом, электроннопроводящие коллекторы, охватывающие электроды и изолированные по периметру герметизирующим покрытием, состоящим из двух слоев, один из которых выполнен из не отверждающейся полимерной композиции, а второй слой выполнен из отдельных мелких частиц полимера, вдавленных в первый слой покрытия и не отверждающийся герметик, расположенный по контуру блока на герметизирующем покрытии коллекторов, второй слой герметизирующего покрытия выполнен из смеси открыто пористых крупных частиц полимера с размером, равным 0,5-1,0 расстояния между коллекторами и мелких частиц полимера.The specified technical result is achieved by the fact that in an electrochemical supercapacitor, including a housing with force clamps, at least one compressed block of elements containing separators, bipolar elastic porous electrodes made of particles of carbon material located on one surface of the separators impregnated with electrolyte, electronically conductive collectors, covering the electrodes and insulated along the perimeter with a sealing coating consisting of two layers, one of which is made of a non-curing polymer composition, and the second layer is made of separate small polymer particles pressed into the first coating layer and a non-curing sealant located along the contour of the block on the sealing covering the collectors, the second layer of the sealing coating is made of a mixture of open-porous large polymer particles with a size equal to 0.5-1.0 of the distance between the collectors and small polymer particles.

К недостатку следует отнести высокое электрическое сопротивление между электродами и электроннопроводящими коллекторами.The disadvantage is the high electrical resistance between the electrodes and the electronically conductive collectors.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание стабильного суперконденсатора обладающего более низким электрическим сопротивлением.The technical objective of the invention is to create a stable supercapacitor with a lower electrical resistance.

Технический результат достигается благодаря тому, что электроннопроводящие коллекторы и сепарторы выполнены с поверхностью, которая повторяет рельеф электродов и имеют пористую структуру.The technical result is achieved due to the fact that the electronically conductive collectors and separators are made with a surface that follows the relief of the electrodes and have a porous structure.

Суперконденсатор для систем автономного электроснабжения и портативного пуска автотранспортной техники содержит корпус (1), сепараторы (2), эластичные пористые электроды (3) из частиц углеродного материала (в том, числе графена, оксида графена и углеродных нанотрубок (однослойных и многослойных)), расположенных на поверхности сепараторов, пропитанных электролитом, электроннопроводящие коллекторы (4), расположенные между электродами и выступающих за края электродов и сепараторов, и токовыводы (5). Электроннопроводящие коллекторы с двухсторон по периметру имеют герметизирующее покрытие, состоящее из двух слоев разнородных материалов (см. фиг. 1).A supercapacitor for autonomous power supply systems and portable start-up of motor vehicles contains a housing (1), separators (2), elastic porous electrodes (3) made of particles of carbon material (including graphene, graphene oxide and carbon nanotubes (single-layer and multilayer)), located on the surface of the separators impregnated with electrolyte, electronically conductive collectors (4) located between the electrodes and protruding beyond the edges of the electrodes and separators, and current leads (5). Electronically conductive collectors on both sides around the perimeter have a sealing coating consisting of two layers of dissimilar materials (see Fig. 1).

При этом электронно-проводящие коллекторы нанесены на электродный материал с помощью гальванического способа, в качестве осаждаемого металла использован никель, который обеспечивает пористость поверхности и толщина осаждаемого слоя не более 50-70 мкм. Представленная технология обеспечивает повторение рельефа поверхности электрода. Сепараторы выполнены путем напыления диспергированной в воде целлюлозы (90% дистиллированной воды) на поверхность электрода, что позволяет повторить рельеф электродов и обеспечить пористую структуру. При изготовлении суперконденстаоров происходит вакуумная пропитка электролитом, которая позволяет оптимально заполнить суперконденсаторные секции за счет пористости структуры. В качестве электролитов могут быть использованы водные и не водные электролиты.At the same time, electronically conductive collectors are deposited on the electrode material using a galvanic method; nickel is used as the deposited metal, which ensures the surface porosity and the thickness of the deposited layer is not more than 50-70 μm. The presented technology ensures the repetition of the relief of the electrode surface. The separators are made by spraying cellulose dispersed in water (90% distilled water) onto the electrode surface, which makes it possible to repeat the relief of the electrodes and provide a porous structure. In the manufacture of supercapacitors, vacuum impregnation with electrolyte takes place, which makes it possible to optimally fill the supercapacitor sections due to the porosity of the structure. As electrolytes, aqueous and non-aqueous electrolytes can be used.

Claims (1)

Суперконденсатор для систем автономного электроснабжения и портативного пуска автотранспортной техники, содержащий корпус, в котором установлена по крайней мере одна суперконденсаторная секция, пропитанная электролитом, выполненная из эластичных углеродных пористых электродов, сепараторов, электропроводящих коллекторов, изолированных по периметру герметизирующим покрытием, и токовыводов, отличающийся тем, что электронно-проводящие коллекторы и сепараторы имеют поверхности, повторяющие рельеф электродов и пористую структуру, что является результатом формирования коллекторов путем нанесения на электродный материал слоя никеля толщиной 50-70 мкм - гальваническим методом, а для получения сепараторов использовано напыление водного раствора целлюлозы на электроды с последующей вакуумной пропиткой электролитом - суперконденсаторной сборки.Supercapacitor for autonomous power supply systems and portable start-up of motor vehicles, containing a housing in which at least one supercapacitor section is installed, impregnated with electrolyte, made of elastic porous carbon electrodes, separators, electrically conductive collectors insulated around the perimeter with a sealing coating, and current leads, characterized in that that the electronically conductive collectors and separators have surfaces that repeat the relief of the electrodes and the porous structure, which is the result of the formation of collectors by applying a nickel layer 50-70 μm thick on the electrode material - by the galvanic method, and to obtain separators, spraying of an aqueous solution of cellulose on the electrodes was used followed by vacuum impregnation with electrolyte - supercapacitor assembly.

Images