Меню Рубрики

Активированный уголь для конденсаторов

научная статья по теме АКТИВИРОВАННЫЙ УГОЛЬ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДОВ СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ С ВОДНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ Физика

Авторы работы:

Научный журнал:

Текст научной статьи на тему «АКТИВИРОВАННЫЙ УГОЛЬ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДОВ СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ С ВОДНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ»

ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 5, с. 799-806

АКТИВИРОВАННЫЙ УГОЛЬ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДОВ СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ С ВОДНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ

© 2015 г. Д. Е. Вервикишко1, 2, И. В. Янилкин1, Г. В. Добеле3, А. Вольпертс3, И. Н. Атаманюк1, А. А. Саметов1, Е. И. Школьников1

Объединенный институт высоких температур РАН, Москва 2Московский физико-технический институт (ГУ) 3Латвийский государственный институт химии древесины, г. Рига E-mail: Vitkina-Darya@yandex.ru Поступила в редакцию 30.04.2014 г.

Получены активированные угли на основе древесины, обладающие оптимальными характеристиками для применения в суперконденсаторах с электролитом на основе серной кислоты. Проведено комплексное исследование их свойств, включающее детальное изучение пористой структуры методом лимитированного испарения и электрохимических параметров активированных углей в составе суперконденсаторов. Установлены корреляции между режимными факторами при синтезе данных материалов, их пористой структурой и функциональными характеристиками суперконденсаторов на их основе. Высказаны предположения об особенностях формирования пористой структуры активированных углей, полученных методом термохимического синтеза с использованием щелочи в качестве активатора, и влиянии параметров синтеза на электрохимические характеристики суперконденсаторов.

Проблема аккумулирования и передачи электрической энергии в настоящее время является актуальной и требует своего решения. Существующие на сегодняшний день способы хранения энергии не соответствуют интенсивности развития современных энергетических систем, поэтому имеется потребность в разработке и создании новых систем, отвечающих требованиям современной энергетики.

Одним из возможных решений проблемы сглаживания пиковых нагрузок в сетях традиционной энергетики, подавления флуктуаций дизель-генераторов, рекуперации энергии торможения на транспорте может являться использование двойнослойных электрохимических накопителей энергии — суперконденсаторов (СК). Разработка и исследование данных устройств активно ведется как в России, так и во всем мире [1—4].

Многие исследователи рассматривают в качестве углеродного материала (УМ) для электродов СК различные типы активированных углей (АУ), которые стабильны в различных средах, обладают развитой удельной поверхностью, достаточной электропроводностью и сравнительно низкой стоимостью [5—7]. Свойства УМ зависят от типа исходного сырья и условий его модификации, режимов предпиролиза и активации [8—20].

На энергоемкость угольного электрода влияют такие свойства УМ, как дисперсность, элементный состав, распределение микро- и мезопор по размерам и др. Электроды должны обеспечить высокую емкость конденсатора, минимальное падение энергоемкости при увеличении мощности и стабильную работу при большом числе циклов заряда—разряда [21].

В качестве сырья для активации можно использовать различные материалы: полимеры, нефтяной пек, ископаемый уголь, растительную биомассу (древесину и ее компоненты, торф, скорлупу орехов) и др. [5—7]. Важными условиями с технико-экономических позиций являются однородность свойств сырья, низкая стоимость и доступность.

Термохимическая активация органического сырья — наиболее распространенный метод получения УМ с развитой пористой структурой. Основой метода являются смешение прекурсора с активирующим агентом, например Н3Р04, ZnCl2, щелочами и их солями, и последующий пиролиз в инертной атмосфере [22]. В зависимости от активирующего агента и целей процесса температура варьируется от 500 до 900°С.

Щелочная (КОН, №0Н) активация является наиболее распространенной [23—26]. На начальной стадии процесса сырье обычно подвергают карбонизации при 300—500°С, причем темпера-

Таблица 1. Сравнение характеристик СК с электродами на основе АУ и ткани из углеродных нитей

Марка угля Емкость, Ф/г Удельное сопротивление, Ом см Объем пор радиусом менее 10 нм, см3/г Объем электролита, см3/г Удельная энергоемкость в расчете на массу ячейки, Вт ч/кг

YP-50F Кигагау (Япония) 182 4 0.8 1.35 1.81

ЕпеЮ2 (США) 182 4 0.8 1.29 1.85

ХН-00Ш (Китай) 254 4.4 1 1.67 2.4

Ткань УВИС-АК Т-0.41 (Россия) 211 7.5 0.37 1.17 2.35

МахБогЪ-3 [8] (Япония) 320 — — 2.8 —

Т-0 (Латвия—Россия) 310 4.5 1.55 2.3 1.98

Примечание. Электроды изготовлены методом каландрирования. Емкость и энергоемкость определены при малых токах (0.3 А/г) для СК с сернокислотным электролитом.

тура карбонизации значительно влияет на пористую структуру угля [8, 27]. При работе с ископаемым углем эту стадию исключают. Карбонизат смешивают со щелочью (раствором или в сухом состоянии) при соотношении масс щелочь/уголь (1—7)/1 и помещают в печь. Активацию проводят в инертной атмосфере (обычно N или Аг). В печи смесь выдерживают при 600—1000°С в течение 0.5—3 ч, затем охлаждают и промывают для удаления образовавшихся карбонатов. Для активации эффективно используют также микроволновой нагрев сухих смесей [10, 11]. Реакция щелочи с органическим сырьем начинается уже при комнатной температуре [12]. При нагреве смеси щелочь плавится (температура плавления в нормальных условиях ШОН и КОН — 318°С и 360°С соответственно). Среди огромного количества сопутствующих реакций [12] основную реакцию можно записать как [9, 12]

6МОН + 2С ^ 2М + 3Н2 + 2М2СО3, где М — На или К.

Смешивая щелочь с углем в существенно меньшем соотношении, чем по стехиометрии реакции (для №ОН, например, соотношение масс щелочь/уголь для соблюдения стехиометрии реакции равно 10), можно получить высокопористый уголь [12]. При увеличении массового соотношения щелочь/уголь, температуры нагрева и времени выдержки повышается пористость угля и увеличивается удельная поверхность полученного угля [8, 9, 14, 16—20]. Варьируя данные параметры, некоторые исследователи получили высокие емкостные характеристики угля 320—370 Ф/г [14, 16] в водном и 170—195 Ф/г [20] в неводном электролитах.

Авторами разработан метод получения АУ на основе древесины, который использован для электродов СК (образец Т-0) [28—30]. При испытаниях суперконденсатора с электродами из по-

лученного УМ была показана достаточно высокая удельная емкость СК 310 Ф/г в расчете на массу сухого АУ (табл. 1). Однако большой объем пор АУ Т-0 привел к низкой плотности электродов и, соответственно, большой паразитной массе электролита. В результате положительный эффект повышенной емкости электродов из АУ Т-0 в расчете на сухую массу нивелировался увеличенной массой электролита в порах УМ электродов (АУ Мах80гЪ-3 [8] с высокой удельной емкостью 320 Ф/г имеет похожий недостаток (табл. 1)). Это привело к уменьшению удельных характеристик в расчете на массу единичной ячейки СК. Ячейка в данном случае состояла из угольных электродов и сепаратора, пропитанных электролитом (серная кислота), а также фольги из терморасширенного графита в качестве токосъемной подложки. Как показало сравнение с другими образцами углеродных материалов, представленными на рынке (табл. 1), несмотря на то что удельная емкость угля Т-0 была в 1.5 раза больше, чем у углеродной ткани УВИС-АК Т-0.41, удельная энергоемкость в расчете на массу ячейки оказалась даже ниже, чем при использовании ткани (табл. 1).

В связи с этим целью данного исследования являлось сохранение емкостных характеристик СК при изменении параметров пористой структуры активированных углей, обеспечивающих меньшую паразитную массу электролита.

Метод получения углеродных сорбентов, схематически показанный на рис. 1, предусматривал двухстадийную термическую обработку.

На первой стадии исходный материал (опилки древесины березы, фракция 0.2—0.4 мм) подвергался предпиролизу в атмосфере азота при 400°С в течение 150 мин. Скорость подъема температуры — 4°С/мин.

На второй стадии карбонизованный материал импрегнировался водным раствором №0Н (50 вес. %). Массовое отношение исходного кар-бонизованного материала к активатору варьировалось в пределах 1 : 1—3.75. Полученная смесь подвергалась активации при температурах 600— 850°С в течение 90—180 мин. Продукт пиролиза промывался деионизованной водой, кислотой и затем водой до рН фильтрата 5. АУ сушился при 105°С. Содержание золы в полученных АУ составляло 0.1—0.4%. Основными варьируемыми параметрами в экспериментах были температура активации и массовое соотношение карбони-зат/активатор (обозначение К).

Электроды изготавливались методом каландрирования. В качестве связующего использовалась водная суспензия фторопласта Ф-4Д. АУ смешивался с этиловым спиртом, затем добавлялась суспензия фторопласта. Смесь перемешивалась до тестообразного состояния и затем раскатывалась на валках. Объем пор в электроде рассчитывался исходя из его геометрических размеров и массы.

После изготовления электроды высушивались и пропитывались в растворе 4.9 М серной кислоты под вакуумом. В качестве межэлектродного сепаратора использовалась пористая полипропиленовая мембрана толщиной 10 мкм. Для подложки-токосъема применялась фольга из терморасширенного графита толщиной 200 мкм, пропитанная специальным наполнителем, чтобы стать непроницаемой для электролита. Активная площадь электродов составляла 4.15 см2.

Сборка электродов осуществлялась следующим образом. К электродам, разделенным пропитанным электролитом сепаратором, с обеих сторон прижималась фольга из терморасширенного графита. Ячейка зажималась (при давлении 1 МПа) между позолоченными пластинами, к которым присоединялись клеммы потенциостата 30^ фирмы ЕИш. Контактное сопротивление между позолоченными пластинами и ячейкой СК, а также остальных электрических коммутаций составляло не более 2% от внутреннего сопротивления СК. В расчетах вклад данного сопротивления не учитывался.

Энергоемкость СК определялась при его полном разряде постоянным током после пятиминутной выдержки при разности потенциалов 1 В. Внутреннее сопротивление рассчитывалось по падению напряжения при скачке тока в начале разряда СК.

Пористая структура активированных углей исследовалась методом лимитированного испа

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

АТАМАНЮК ИРИНА НИКОЛАЕВНА, ВЕРВИКИШКО ДАРЬЯ ЕВГЕНЬЕВНА, САМЕТОВ АНАТОЛИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ, ТАРАСЕНКО АЛЕКСЕЙ БОРИСОВИЧ, ШКОЛЬНИКОВ ЕВГЕНИЙ ИОСИФОВИЧ, ЯНИЛКИН ИГОРЬ ВИТАЛЬЕВИЧ — 2013 г.

РОСТОКИН ВИКТОР ИВАНОВИЧ, ЧИРКОВ ЮРИЙ ГЕОРГИЕВИЧ — 2014 г.

РОСТОКИН ВИКТОР ИВАНОВИЧ, ЧИРКОВ ЮРИЙ ГЕОРГИЕВИЧ — 2015 г.

ДЕНЬЩИКОВ К.К., ИЗМАЙЛОВА М.Ю., НОВИКОВ В.Т. — 2009 г.

источник

электродный материал для конденсатора электрического, способ его изготовления и суперконденсатор электрический

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электродному материалу для изготовления электродов электролитических двухслойных конденсаторов. Техническим результатом изобретения является повышение удельной электрической емкости электродного материала в неводном электролите до 80-90 Ф/г, снижение внутреннего сопротивления электродного материла до 0,3 Ом и менее, повышение механической прочности электродного материала. Согласно изобретению электродный материал имеет металлизированную активную углеродную основу из смеси активный уголь 70-90%, электронопроводящая добавка 5-20%, полимерное связующее с органическим растворителем 5-10%. Электронопроводящая добавка состоит из многостенных углеродных нанотрубок длиной 2 мкм и наружным диаметром 15-40 нм и/или технического углерода с размером частиц 13-120 нм. Для получения электродного материала смесь перед уплотнением подвергают фибриллизации при температуре 50°С. Затем формуют активную углеродную основу и термообрабатывают при температуре 100°С с последующей металлизацией. Суперконденсатор электрический содержит электроды, выполненные из электродного материала. 3 н. и 15 з.п. ф-лы.

Группа изобретений относится к электротехнике, а именно к электродному материалу для изготовления электродов электролитических двухслойных конденсаторов, и может быть использовано при создании высокоэффективных накопителей электрической энергии, например источников бесперебойного питания для телекоммуникационных систем, источников энергии для силовых приводов и трансмиссий и т.п.

Современная электротехника, в том числе системы рекуперации энергии, требуют более высоких значений удельной мощности суперконденсатора, обеспечить которые могут только суперконденсаторы идеального типа, где отсутствуют электрохимические реакции при разряде/заряде. Суперконденсаторы являются незаменимыми элементами питания не только по причине высокой плотности мощности, но и из-за практически бесконечного числа циклов заряд-разряд без изменения структуры. При совместном использовании батареи и суперконденсатора последний поддерживает недостающее напряжение батареи, когда это необходимо, позволяет использовать ее полную емкость, предотвращает перепады напряжения. Суперконденсаторы являются надежными источниками бесперебойного питания для телекоммуникационных систем, энергии для силовых приводов и трансмиссий, повышения качества электроэнергии за счет фильтрации и стабилизация импульсов тока.

Идеальный суперконденсатор состоит из двух идеально поляризуемых электродов, разделенных ионопроницаемым сепаратором, пропитанным электролитом.

Электроды суперконденсатора должны удовлетворять, по крайней мере, двум условиям — большой поверхности контакта электродного материала с электролитом и их значительной поляризуемости (что обеспечивает емкость прибора) и высокой проводимости материала электрода. Наиболее широко в качестве электродного материала, отвечающего названным условиям, используются металлизированные активные углеродные основы, включающие активные порошковые угли, активные углеродные ткани, волокна, а также полимерное связующее для повышения механической прочности.

Так, известно использование в качестве электродного материала углеродного волокнистого материала, металлизированного никелем (RU 2058054, МПК H01G 9/04 от 03.06.92).

Известны электроды конденсатора с двойным электрическим слоем, выполненные из эластичного материала, состоящего из смеси частиц активированного угля, содержащего крупные и мелкие частицы, пористого эластичного диэлектрика и полимерного связующего (РСТ, WO 94/10698 от 27.10.92).

Конденсатор, собранный из известных электродов, обладает невысокой емкостью, достаточно большим сопротивлением из-за использования в их составе пористого эластичного диэлектрика и сравнительно небольшой механической прочностью.

В качестве прототипа выбран известный электродный материал, включающий металлизированную активную углеродную основу из смеси активного угля, электронопроводящей добавки в виде технического углерода и полимерного связующего (описание к патенту RU 2172037, МПК7 H01G 9/058, H01G 9/155 (1)).

Известный способ изготовления электродного материала предусматривает получение активной угольной основы, при котором смешивают активированный уголь, порошок графита или сажи и частиц полимера с последующим формованием смеси путем прессования и термообработки до температуры размягчения полимера, и соединение основы с токоотводящей пластиной (1).

Известный способ изготовления электродного материала, используемого для получения электродов-конденсаторов с двойным электрическим слоем, требуют добавления большого количества связующего материала.

Использование большего количества связующего приводит к соответствующему снижению количества активированного углеродного материала, содержащегося в получающемся электроде. Сокращение количества присутствующего в электроде активированного углерода впоследствии уменьшает емкостные и энергонакопительные характеристики конденсатора, в котором установлен этот электрод.

Известен конденсатор большой мощности на двойном электрическом слое, состоящий из спрессованных в единый блок поляризуемых электродов, включающих металлизированную активную углеродную основу, сепаратор и электролит на водной основе, размещенные в корпусе. В качестве активной углеродной основы использованы углеродные волокна с совершенной гексагональной кристаллической структурой графита и упорядоченной системой внутренних пор с характерными двойными ямами адиабатического потенциала, поверхность волокон непосредственно покрыта тонкими проводящими металлическими пленками путем осаждения из газовой фазы без использования связующего вещества (описание к патенту RU № 2098879, МПК 6 H01G 9/155).

Недостатком известного конденсатора является низкая механическая прочность электродов, создающая проблему сохранения их целостности и усложняющая сборку блоков. Кроме того, ограничиваются технические возможности по конструированию блоков и использованием электролитов на водной основе. Использование водного электролита накладывает ограничения на максимальное рабочее напряжение одного элемента суперконденсатора (до 1,4 В), это связано с процессом разложения воды.

Поэтому наиболее перспективными являются суперконденсаторы на основе неводного (органического) электролита.

Задача изобретения — усовершенствование состава и способа изготовления композитного электродного материала для электродов конденсатора электрического с двойным электрическим слоем и создание с их использованием малогабаритного суперконденсатора электрического с возможностью использования как водного, так и неводного (органического) электролита.

Технический результат — повышение удельной электрической емкости электродного материала в неводном электролите до 80-90 Ф/г, снижение внутреннего сопротивления электродного материла до 0,3 Ом и менее, повышение механической прочности электродного материала при резке и скручивании и срока службы и устойчивости работы конденсатора в условиях высоких и низких температур наружного воздуха.

Технический результат достигается тем, что электродный материал конденсатора электрического, включающий металлизированную активную углеродную основу из смеси активного угля, электронопроводящей добавки и полимерного связующего, содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: активный уголь 70-90, электронопроводящая добавка 5-20, полимерное связующее с органическим растворителем 5-10, а электронопроводящая добавка состоит из многостенных углеродных нанотрубок и/или технического углерода.

При этом в электронопроводящей добавке могут быть использованы многостенные углеродные нанотрубки длиной 2 мкм и наружным диаметром 15-40 нм, а технический углерод с размером частиц 13-120 нм. В качестве активного угля может быть использован пористый уголь с размером частиц 1-20 мкм, общей площадью поверхности не менее 1900 м 2 /г и площадью поверхности мезопор не менее 100 м 2 /г из числа: древесный, кокосовый, каменноугольный с содержанием хлоридов до 50 ppm, железа до 100 ppm.

В качестве полимерного связующего могут быть использованы поливиниловый спирт, или каучуки, или фторопласты высокой дисперсности, а в качестве органического растворителя метиловый, или этиловый, или изопропиловый спирты или ацетон.

В способе изготовления электродного материала, включающем смешивание активного угля, электронопроводящей добавки и полимерного связующего с органическим растворителем, уплотнение смеси с последующими формованием активной углеродной основы, термообработкой и металлизацией последней, смесь перед уплотнением подвергают фибриллизации при температуре 50°С, а термообработку ведут при температуре 100°С, при этом смесь для получения активной углеродной основы содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: активный уголь 70-90, электронопроводящая добавка 5-20, полимерное связующее 5-10, при этом электронопроводящая добавка состоит из многостенных углеродных нанотрубок и/или технического углерода, а полимерное связующее перед введением в смесь перемешивают с органическим растворителем до пастообразного состояния.

При этом в электронопроводящей добавке могут быть использованы многостенные углеродные нанотрубки длиной 2 мкм и наружным диаметром 15-40 нм, а технический углерод с размером частиц 13-120 нм.

В качестве активного угля может быть использован пористый уголь с размером частиц 1-20 мкм, общей площадью поверхности не менее 1900 м 2 /г и площадью поверхности мезопор не менее 100 м 2 /г из числа: древесный, кокосовый, каменноугольный с содержанием хлоридов до 50 ppm, железа до 100 ppm.

В качестве полимерного связующего могут быть использованы поливиниловый спирт, или каучуки, или фторопласты высокой дисперсности, а в качестве органического растворителя метиловый, или этиловый, или изопропиловый спирты или ацетон.

Активная углеродная основа может быть сформована в виде ленты, а ее металлизация осуществлена прессованием с алюминиевой фольгой между двумя валками.

Активная углеродная основа может быть сформована в виде ткани из нитевидной активной углеродной основы с металлизированным покрытием или с вплетенными металлическими волокнами.

В суперконденсаторе электрическом, включающем размещенные в корпусе, по меньшей мере, одну секцию электродов, пропитанных электролитом и разделенных ионопроницаемым сепаратором, электроды выполнены из материала, включающего металлизированную активную углеродную основу из смеси активного угля, электронопроводящей добавки и полимерного связующего при следующем соотношении, мас.%: активный уголь 70-90, электронопроводящая добавка 5-20, полимерное связующее 5-10, а электронопроводящая добавка состоит из многостенных углеродных нанотрубок и/или технического углерода.

При этом в электронопроводящей добавке могут быть использованы многостенные углеродные нанотрубки длиной 2 мкм и наружным диаметром 15-40 нм, а технический углерод с размером частиц 13-120 нм.

В качестве активного угля может быть использован пористый уголь с размером частиц 1-20 мкм, общей площадью поверхности не менее 1900 м 2 /г и площадью поверхности мезопор не менее 100 м 2 /г из числа: древесный, кокосовый, каменноугольный с содержанием хлоридов до 50 ppm, железа до 100 ppm.

В качестве полимерного связующего могут быть использованы поливиниловый спирт, или каучуки, или фторопласты высокой дисперсности.

Активная углеродная основа электродов может быть пропитана электролитом на основе ионной жидкости состава в виде 1 М раствора N,N-диэтил-N-метоксиэтил-N-метиламмония тетрафторбората в ацетонитриле, или 1 М раствор метил-триэтиламмония гексафторфосфата в пропионитриле, или 0,5 М раствор тетраэтиламмония тетрафторбората в ацетонитриле, или 30%-ный водный раствор серной кислоты, или 30%-ный водный раствор гидроксида калия.

Электроды могут быть выполнены в виде двухслойной ленты, состоящей из спрессованных слоев активной углеродной основы и алюминиевой фольги и скрученной в рулон.

Электроды могут быть выполнены в виде ткани из нитевидной активной углеродной основы с металлизированным покрытием или с вплетенными металлическими волокнами, скрученной в рулон.

Ионопроницаемый сепаратор может быть выполнен из целлюлозной или асбестовой бумаги, или пористой полиэтиленовой или полипропиленовой пленки, или фторопластовой мембраны.

Примеры, иллюстрирующие возможность реализации состава и способа изготовления электродного материала и суперконденсатора электрического с использованием последнего.

Активную углеродную массу, состоящую из активного угля (80 мас.%), многостенных углеродных нанотрубок (10 мас.%) и дисперсного фторопласта (10 мас.%), перемешанного с ацетоном до пастообразного состояния в течение 20 мин при 1000 об/мин, подвергали фибриллизации при 20 об/мин при температуре 50°С. После уплотнения и раскатки до 150 мкм ленту активной массы наносили на алюминиевую фольгу (30 мкм) путем прессования между двумя валками с последующей сушкой при температуре 100°С. На основе полученного электродного материала собирали суперконденсатор таблеточной формы (площадь электродов 2 см 2 ). В качестве сепаратора использовали полипропиленовую пленку толщиной 12 мкм. В качестве электролита использовали 0,5 М раствор тетраэтиламмония тетрафторбората в ацетонитриле. Полученный суперконденсатор обладает внутренним сопротивлением 0,3 Ом с удельной емкостью электродного материала 80-90 Ф/г.

В активной углеродной массе по примеру 1 в качестве электронопроводящей добавки использовали смесь многостенных углеродных нанотрубок (30 мас.%) и технического углерода (70 мас.%), которую вводили в количестве 15 мас.%.

В активной углеродной массе по примеру 1 в качестве электронопроводящей добавки использовали технический углерод, который вводили в активную углеродную массу в количестве 20 мас.%.

Два композитных электрода суперконденсатора, состоящие из алюминиевой подложки (толщина 30 мкм) с нанесенной на нее активной углеродной массой (толщина 150 мкм), в состав которой входят активный уголь, сажа и полимерное связующее, разделялись полипропиленовым сепаратором (толщина 25 мкм) и скручивались в рулон. К электродам суперконденсатора присоединялись токосъемные выводы путем механического контакта. Кроме того, в качестве метода присоединения токосъемного вывода к электроду суперконденсатора может использоваться ультразвуковое сваривание, или термическое спекание, или химическое присоединение, или использование токопроводящих клеев.

Далее собранная секция суперконденсатора подвергалась вакуумной пропитке высокоэффективным органическим электролитом на основе ионной жидкости состава 1 М N,N-диэтил-N-метоксиэтил-N-метиламмония тетрафторборат в ацетонитриле в течение 10 мин. В качестве метода пропитки секции суперконденсатора может использоваться также пропитка на воздухе, но более предпочтительной является вакуумная пропитка.

Пропитанная секция помещалась в корпус и герметизировалась с помощью резиновой втулки путем механической зиговки и завальцовки. Для герметизации секции суперконденсатора от внешней среды также могут использоваться операции заливки компаундом корпуса, термического заваривания корпуса и др.

Полученный элемент суперконденсатора имел рабочее напряжение 3 В, электрическую емкость от 1 до 100 Ф и эквивалентное последовательное сопротивление от 10 до 200 мОм.

В высокоэффективном малогабаритном суперконденсаторе рулонной конструкции по примеру 4 в качестве рабочего электролита используется 1 М раствор метил-триэтиламмония гексафторфосфата в пропионитриле. Полученный элемент суперконденсатора имел рабочее напряжение 2,7 В, электрическую емкость от 1 до 100 Ф и эквивалентное последовательное сопротивление от 20 до 230 мОм.

В высокоэффективном малогабаритном суперконденсаторе рулонной конструкции по примеру 4 в качестве электродов суперконденсатора использовали металлизированную активированную углеродную ткань. Полученный элемент суперконденсатора имел рабочее напряжение 3 В, электрическую емкость от 1 до 140 Ф и эквивалентное последовательное сопротивление от 50 до 310 мОм.

1. Электродный материал конденсатора, включающий металлизированную активную углеродную основу из смеси активного угля, электронопроводящей добавки и полимерного связующего, отличающийся тем, что активная углеродная основа содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Классы МПК: H01G9/058 специально предназначенные для двухслойных конденсаторов
H01G9/155 двухслойные конденсаторы
Автор(ы): Агупов Владимир Кузьмич (RU) , Чайка Михаил Юрьевич (RU) , Беседин Владимир Викторович (RU) , Глотов Антон Валерьевич (RU) , Четвериков Сергей Николаевич (RU)
Патентообладатель(и): Открытое акционерное общество Воронежское специальное конструкторское бюро «Рикон» (ОАО ВСКБ «Рикон») (RU)
Приоритеты:
активный уголь 70-90
электронопроводящая добавка 5-20
полимерное связующее 5-10,

при этом электронопроводящая добавка состоит из многостенных углеродных нанотрубок и/или технического углерода.

2. Материал по п.1, отличающийся тем, что в электронопроводящей добавке использованы многостенные углеродные нанотрубки длиной 2 мкм и наружным диаметром 15-40 нм, а технический углерод с размером частиц 13-120 нм.

3. Материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве активного угля использован пористый уголь с размером частиц 1-20 мкм, общей площадью поверхности не менее 1900 м 2 /г и площадью поверхности мезопор не менее 100 м 2 /г из числа древесный, кокосовый, каменноугольный с содержанием хлоридов до 50 ppm, железа до 100 ppm.

4. Материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве полимерного связующего используются поливиниловый спирт или каучуки или фторопласты высокой дисперсности, а в качестве органического растворителя метиловый, или этиловый, или изопропиловый спирты или ацетон.

5. Способ изготовления электродного материала, включающий смешивание активного угля, электронопроводящей добавки и полимерного связующего с органическим растворителем, уплотнение смеси с последующими формованием активной углеродной основы, термообработкой и металлизацией последней, отличающийся тем, что смесь перед уплотнением подвергают фибриллизации при температуре 50°С, а термообработку ведут при температуре 100°С, при этом смесь для получения активной углеродной основы содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

активный уголь 70-90
электронопроводящая добавка 5-20
полимерное связующее 5-10,

при этом электронопроводящая добавка состоит из многостенных углеродных нанотрубок и/или технического углерода.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что в электронопроводящей добавке используют многостенные углеродные нанотрубки длиной 2 мкм и наружным диаметром 15-40 нм, а технический углерод с размером частиц 13-120 нм.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что в качестве активного угля используют пористый уголь с размером частиц 1-20 мкм, общей площадью поверхности не менее 1900 м 2 /г и площадью поверхности мезопор не менее 100 м 2 /г из числа древесный, кокосовый, каменноугольный с содержанием хлоридов до 50 ppm, железа до 100 ppm.

8. Способ по п.5, отличающийся тем, что в качестве полимерного связующего используют поливиниловый спирт, или каучуки, или фторопласты высокой дисперсности, а в качестве органического растворителя метиловый, или этиловый, или изопропиловый спирты или ацетон.

9. Способ по п.5, отличающийся тем, что формуют активную углеродную основу в виде ленты, а ее металлизацию осуществляют прессованием с алюминиевой фольгой между двумя валками.

10. Способ по п.5, отличающийся тем, что формуют активную углеродную основу в виде ткани из нитевидной активной углеродной основы с металлизированным покрытием или с вплетенными металлическими волокнами.

11. Суперконденсатор электрический, включающий размещенные в корпусе, по меньшей мере, одну секцию электродов, пропитанных электролитом и разделенных ионопроницаемым сепаратором, отличающийся тем, электроды выполнены из материала, включающего металлизированную активную углеродную основу из смеси активного угля, электронопроводящей добавки и полимерного связующего при следующем соотношении, мас.%:

активный уголь 70-90
электронопроводящая добавка 5-20
полимерное связующее 5-10,

при этом электронопроводящая добавка состоит из многостенных углеродных нанотрубок и/или технического углерода.

12. Суперконденсатор по п.11, отличающийся тем, что в электронопроводящей добавке использованы многостенные углеродные нанотрубки длиной 2 мкм и наружным диаметром 15-40 нм, а технический углерод с размером частиц 13-120 нм.

13. Суперконденсатор по п.11, отличающийся тем, что в качестве активного угля использован пористый уголь с размером частиц 1-20 мкм, общей площадью поверхности не менее 1900 м 2 /г и площадью поверхности мезопор не менее 100 м 2 /г из числа древесный, кокосовый, каменноугольный с содержанием хлоридов до 50 ppm, железа до 100 ppm.

14. Суперконденсатор по п.11, отличающийся тем, что в качестве полимерного связующего используются поливиниловый спирт, или каучуки, или фторопласты высокой дисперсности, а в качестве органического растворителя метиловый, или этиловый, или изопропиловый спирты или ацетон.

15. Суперконденсатор по п.11, отличающийся тем, что углеродная основа электродов пропитана электролитом на основе ионной жидкости состава в виде 1 М раствора N,N-диэтил-N-метоксиэтил-N-метиламмония тетрафторборат в ацетонитриле или 1 М раствор метил-триэтиламмония гексафторфосфата в пропионитриле или 0,5 М раствор тетраэтиламмония тетрафторбората в ацетонитриле или 30%-ный водный раствор серной кислоты или 30%-ный водный раствор гидроксида калия.

16. Суперконденсатор по п.11, отличающийся тем, что электроды выполнены в виде двухслойной ленты, состоящей из спрессованных слоев активной углеродной основы и алюминиевой фольги и скрученной в рулон.

17. Суперконденсатор по п.11, отличающийся тем, что электроды выполнены в виде ткани из нитевидной активной углеродной основы с металлизированным покрытием или с вплетенными металлическими волокнами, скрученной в рулон.

18. Суперконденсатор по п.11, отличающийся тем, что ионопроницаемый сепаратор выполнен из целлюлозной, или асбестовой бумаги, или пористой полиэтиленовой, или полипропиленовой пленки, или фторопластовой мембраны.

источник

Изобретение относится к производству активных углей для электротехнических целей и может быть использовано для создания устройств, аккумулирующих электрическую энергию. Предложен способ получения модифицированного активного угля для изготовления электродов конденсаторов, включающий обработку угля раствором щелочи с концентрацией 1,0-10,0%, затем обработку азотной кислотой с концентрацией 0,2-10,0%, отмывку и сушку. После сушки уголь можно прокалить при 135-950°С в инертной или слабоокисляющей среде или при 135-350°С в атмосфере воздуха, водяного пара или в среде отходящих газов. Промывку угля можно проводить аммиачным раствором до рН 4-10, и при этом после сушки его прокаливают при 135-950°С в среде инертных или отходящих газов. Способ позволяет значительно увеличить электрическую емкость и стабильность полученного угля. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к области производства активных углей для электротехнических целей и может быть использовано для создания устройств, аккумулирующих электрическую энергию.

Известен способ получения рекуперационного гранулированного активного угля, включающий измельчение полукокса с суммарным объемом пор 0,20-0,40 см 3 /г, зольностью 1,5-4,0% и содержанием фосфора 0,6-1,2%, полученного из древесных отходов гидролизных производств, модифицированных ортофосфорной кислотой в количестве 0,75-1,5 маc.%, его смешивание со связующим, гранулирование смеси, сушку гранул, их карбонизацию и парогазовую активацию до достижения суммарного объема пор 0,60-0,75 см 3 /г (РФ, пат. N 2038295 от 8.12.92, C 01 B 31/08).

Активный уголь, полученный данным способом, имеет недостаточную электрическую емкость.

Известен способ получения активного угля, включающий смешивание целлолигнина или лигнина с раствором ортофосфорной кислоты, взятой в количестве 0,3-1,0% в пересчете на сухую массу, брикетирование, сушку, карбонизацию со скоростью подъема температуры 20-50 o C до 500-700 o C, дробление и активацию до достижения суммарного объема пор 0,8-1,2 см 3 /г (РФ, пат. N 2031837 от 15.03.93, C 01 B 31/08).

Близким по назначению является способ получения активного угля для электродов конденсаторов, включающий последовательную обработку активного угля цианистыми соединениями и 1М фосфорной кислотой (см. J «Carbon» V 28, N 2/3, с. 301-309).

Недостатком данного способа является наличие в модифицированном активном угле комплексных водонерастворимых соединений железа, приводящих к снижению объема микропор и, следовательно, электрической емкости активного угля. Кроме того, в качестве модификаторов используются токсичные цианистые соединения, работа с которыми требует дополнительных мер предосторожности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ обработки активированного угля, разработанный группой под руководством И.А. Кузина, включающий обработку угля раствором азотной кислоты высокой концентрации, промывку и сушку (см. И.А.Тарковская «Окисленный уголь». K., 1981, с. 123-132, 164). Этот способ принят за прототип предлагаемого изобретения.

Недостатком прототипа является нестабильность электрических характеристик и потеря электрической емкости за счет изменения пористой структуры и образования в угле значительного количества водорастворимых органических соединений. Кроме того, происходит значительное разрушение и потери углеродного материала за счет использования высококонцентрированных растворов HNO3.

Целью предлагаемого изобретения является получение активного угля с большой электрической емкостью и стабильными электрическими характеристиками.

Поставленная цель достигается предложенным способом, включающим обработку активированного угля раствором щелочи с концентрацией 1,0-10,0%, затем обработку азотной кислотой с концентрацией 0,2-10,0%, промывку и сушку. После сушки уголь может быть прокален при температуре 135-950 o C в инертной или слабоокисляющей среде или при температуре 135-350 o C в атмосфере воздуха, водяного пара или в среде отходящих газов. Кроме того, после обработки кислотой промывка угля может производиться аммиачным раствором до pH 4-10, и после сушки его прокаливают при температуре 135-950 o C в среде инертных или отходящих газов.

Отличие предложенного способа от прототипа заключается в том, что перед обработкой азотной кислотой уголь обрабатывают раствором щелочи с концентрацией 1,0-10,0%, а азотную кислоту берут с концентрацией 0,2-10,0%. Кроме того, после сушки уголь может быть прокален при температуре 135-950 o C в инертной или слабоокисляющей среде, или при температуре 135-350 o C в атмосфере воздуха, водяного пара или в среде отходящих газов. После обработки кислотой промывку угля можно провести аммиачным раствором до pH 4-10 и после его прокалить при температуре 135- 950 o C в среде инертных или отходящих газов.

Из научно-технической литературы авторам не известен способ получения модифицированного активного угля для изготовления электродов конденсаторов, подобный предлагаемому.

Использование указанных выше признаков в предложенном способе позволяет значительно увеличить электрическую емкость и стабилизировать электрические характеристики получаемого угля, а следовательно, изготовить на его основе электроды для суперконденсаторов, обладающих максимальной электрической емкостью и стабильностью работы.

Сущность предлагаемого способа заключается в формировании углеродной поверхности, устойчивой к окислительно-восстановительным процессам, проходящим в электролите, если электрод конденсатора является биполярным и работает с образованием двойного электрического слоя. В случае монополярного электрода увеличение электрической емкости возможно при образовании ионного соединения электролита с углеродной матрицей, а также за счет образования функциональных групп, способных протонироваться и депротонироваться.

В результате многочисленных экспериментов авторами установлено, что для достижения поставленной цели изобретения определяющими факторами являются концентрация щелочи и кислоты, а также выбор среды и температурного интервала термообработки.

Опытным путем установлено, что исходный уголь необходимо обработать раствором щелочи с концентрацией 1,0-10,0%. Концентрация щелочи определяется необходимостью растворения фосфора, алюминия, кремния, железа при сохранении pH, исключающего гидролиз растворов этих элементов, наличие которых снижает электрическую емкость.

Повышение концентрации щелочи выше 10% приводит к неоправданным экономическим затратам, а понижение концентрации менее 1,0% снимет растворимость P, Al, Si, Fe и нарушит процесс растворения.

Азотную кислоту берут с концентрацией 0,2-10,0%, так как при концентрации менее 0,2% получается низкая производительность получения активного угля — приходится работать с большими количествами жидкости, процесс нерентабелен и требует больших энергозатрат, а при концентрации более 10% — нестабильный окислительно-восстановительный процесс с электрохимическим потенциалом выше допустимого, что приводит к деструкции угля и потере электрической емкости.

Для улучшения электрических характеристик после сушки уголь может быть прокален в инертной или слабоокисляющей среде при 135-950 o C. Прокаливание при температуре ниже 135 o C приводит практически только к сушке активного угля, что не обеспечивает достаточных емкостных характеристик угля, а выше 950 o C — приводит к полной деструкции активных поверхностных соединений на угле, следствием чего является частичная потеря электрической емкости, что в конечном итоге приводит к резкому росту энергозатрат при формовании электродов в конденсаторе.

Если прокаливание в атмосфере воздуха, водяного пара или в среде отходящих газов ведут при температуре ниже 135 o C, то невозможно получить уголь с необходимыми свойствами, т.к. не происходит изменения поверхностных групп, а если выше 350 o C — теряется приобретенная емкость за счет процесса окислительной деструкции.

После обработки азотной кислотой уголь можно нейтрализовать промывкой аммиачным раствором до pH 4-10. Если нейтрализовать до pH ниже 4, то при сушке активного угля выделяется азотная кислота и не достигается необходимый эффект. Если pH будет выше 10, то выделяется чистый аммиак, что нарушает экологию и приводит к неоправданным затратам аммиака.

В данном случае уголь прокаливают при температуре 135-950 o C, так как при температуре ниже 135 o C не происходит разложения поверхностных соединений аммиака, что не обеспечивает заданных высоких емкостных характеристик получаемого угля. Прокалка при температуре выше 950 o C приводит к полной деструкции активных поверхностных соединений на угле, что снижает его электрическую емкость.

Способ осуществляют следующим образом.

Берут исходный активный уголь. Модифицируют его 1,0-10,0% раствором щелочи, отмывают, а затем помещают в колонку, обрабатывают 1,0-10,0% раствором азотной кислоты, промывают от свободной азотной кислоты и сушат.

После сушки уголь может быть прокален при температуре 135-950 o C в инертной или слабоокисляющей среде или при температуре 200-350 o C в атмосфере воздуха, водяного пара или в среде отходящих газов.

После обработки кислотой уголь может быть нейтрализован промывкой аммиачным раствором до pH 4-10 и после сушки прокален в среде инертных или отходящих газов при 135-950 o C.

Пример 1. Берут 1 кг активного угля, обрабатывают 3 л 5% раствора NaOH и промывают от щелочи водой. После этого уголь помещают в колонку со стационарным слоем угля и обрабатывают 2% раствором HNO3. Проводят промывку от свободной азотной кислоты с последующей сушкой. После этого колонку останавливают и выгружают охлажденный уголь.

Полученный таким способом уголь в электроде в процессе введения в режим начинает расходовать необратимо на формование электроэнергию при достижении потенциала +1,1 В в 5-7 раз меньше, чем электрод из того же, но просто обеззоленного кислотой (HCl) угля и при потенциале уже +0,8 В.

При работе электрода в одномерном режиме +0,9. -0,1 В интегральная емкость достигает 520-550 фарад/г против 180-200 фарад/г.

Полученный уголь в режиме катодной поляризации имеет два максимума емкости в диапазонах 0,5. 0,7 В и 0,2. 0,1 В.

Пример 2. Уголь, полученный в примере 1, прокаливают в токе CO2 при температуре 400 o C.

Пример 3. Уголь, полученный в примере 1, прокаливают в атмосфере водяного пара при температуре 275 o C.

Пример 4. Уголь, полученный в примере 1, прокаливают в атмосфере аргона при температуре 600 o C.

Пример 5. Уголь, полученный в примере 1, прокаливают в атмосфере воздуха при температуре 250 o C.

Пример 6. Уголь, полученный в примере 1, прокаливают в среде отходящих газов при температуре 320 o C.

При работе электродов, полученных с использованием угля по примеру 2-6, в интервале -0,1. +0,9 В интегральная емкость составляет 500. 540 фарад/г. При катодной поляризации уголь практически имеет максимум емкости, лежащий в интервале +0,4. -0,1 В.

Пример 7. Берут 1 кг активного угля, обрабатывают 3 л 5% раствора NaOH и промывают от щелочи водой. После этого помещают в колонку со стационарным слоем угля, обрабатывают 2% раствором HNO3. Затем уголь промывают для нейтрализации 1% аммиачным раствором до pH 9,0, сушат при t = 105 o C, а затем прокаливают при температуре 380 o C в среде инертных или отходящих газов.

При работе электрода в том же режиме достигается интегральная емкость 500. . . 550 фарад/г при максимуме при катодной поляризации в области 0,0. +0,5 В.

В таблице приведены данные испытаний углей, входящих во Всероссийский каталог, полученных обработкой в 1M H2SO4 и предлагаемым способом.

Из таблицы видно, что электрическая емкость углей, полученных предлагаемым способом, значительно выше, чем у исходных, саморазряд (изменение электрохимического потенциала углем в изолированных условиях) — значительно ниже, чем у исходных, что говорит об их высокой электрической стабильности.

Уголь, полученный комбинацией режимов обработки по пунктам 1, 2 и 3, является многоцелевым и может использоваться при изготовлении композиционных электродов для кислотных и щелочных моно- и биполярных конденсаторов, а также для конденсаторов с нейтральным и неводным электролитом.

Основное же преимущество угля приобретается в монополярном режиме гибридных конденсаторов накопителей, таких как, например, углерод — свинец.

Из изложенного следует, что каждый из признаков заявленной совокупности в большей или меньшей степени влияет на достижение поставленной цели, а именно получение активного угля с большой электрической емкостью и стабильными электрическими характеристиками, а вся совокупность является достаточной для характеристики заявленного технического решения.

1. Способ получения модифицированного активного угля для изготовления электродов конденсаторов, включающий обработку угля раствором азотной кислоты с последующей промывкой и сушкой, отличающийся тем, что перед кислотной обработкой уголь обрабатывают раствором щелочи с концентрацией 1,0 — 10,0%, а азотную кислоту берут с концентрацией 0,2 — 10,0%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после сушки уголь прокаливают при 135 — 950 o C в инертной или слабоокисляющей среде или при 135 — 350 o C в атмосфере воздуха, водяного пара или в среде отходящих газов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что промывку угля ведут аммиачным раствором до рН 4 — 10 и после сушки прокаливают при 135 — 950 o C в среде инертных или отходящих газов.

Другие изменения, связанные с зарегистрированными изобретениями

Изменения:Публикацию о досрочном прекращении действия патента считать недействительной.

Номер и год публикации бюллетеня: 21-2007

Извещение опубликовано: 20.10.2007 БИ: 29/2007

источник

Требования снизить размеры радиодеталей при увеличении их технических характеристиках послужило причиной появления большого количества приборов, которые сегодня используются повсеместно. Это в полной мере коснулось и конденсаторов. Так называемые ионистры или суперконденсаторы являются элементами с большой емкостью (разброс данного показателя достаточно широк от 0,01 до 30 фарад) с напряжением зарядки от 3 до 30 вольт. При этом их размеры очень малы. А так как предмет нашего разговора – это ионистр своими руками, то необходимо в первую очередь разобраться с самим элементом, то есть, что он собой представляет.

По сути, это обычный конденсатор с большой емкостью. Но у ионистров большое сопротивление, потому что в основе элемента лежит электролит. Это первое. Второе – это небольшое напряжение зарядки. Все дело в том, что в этом суперконденсаторе обкладки располагаются очень близко друг к другу. Именно это и является причиной сниженного напряжения, но именно по этой причине и увеличивается емкость конденсатора.

Заводские ионистры изготавливаются из разных материалов. Обкладки обычно делаются из фольги, которые разграничивает сухое вещество сепарирующего действия. К примеру, активированный уголь (для больших обкладок), оксиды металлов, полимерные вещества, у которых высокая электрическая проводимость.

Сборка ионистра своими руками – дело не самое простое, но в домашних условиях его сделать все же можно. Есть несколько конструкций, где присутствуют разные материалы. Предлагаем одну из них. Для этого вам понадобится:

  • металлическая баночка от кофе (50 г);
  • активированный уголь, который продается в аптеках, его можно заменить истолченными угольными электродами;
  • два круга из медной пластины;
  • вата.

В первую очередь необходимо приготовить электролит. Для этого сначала надо истолочь активированный уголь в порошок. Затем сделать солевой раствор, для чего в 100 г воды надо добавить 25 г соли, и все это хорошо перемешать. Далее, в раствор постепенно добавляется порошок активированного угля. Его количество определяет консистенция электролита, она должна быть плотностью, как замазка.

После чего готовый электролит наносится на медные круги (на одну из сторон). Обратите внимание, чем толще слой электролита, тем больше емкость ионистра. И еще один момент, толщина наносимого электролита на двух кругах должна быть одинаковая. Итак, электроды готовы, теперь их надо разграничить материалом, который бы пропускал электрический ток, но не пропускал угольный порошок. Для этого используется обычная вата, хотя вариантов и здесь немало. Толщина ватного слоя определяет диаметр металлической баночки от кофе, то есть, вся эта электродная конструкция должна в нее спокойно поместиться. Отсюда, в принципе, и придется подбирать размеры самих электродов (медных кругов).

Остается только сами электроды подключить к выводам. Все, ионистр, изготовленный своими руками, да еще в домашних условиях, готов. У такой конструкции не очень большая емкость – не выше 0,3 фарад, да и напряжение зарядки всего лишь один вольт, но это самый настоящий ионистр.

Что можно еще в дополнении сказать об этом элементе. Если его сравнивать, к примеру, с аккумулятором никель-металлгидридного типа, то ионистр спокойно может держать запас электроэнергии до 10% от аккумуляторной мощности. К тому же спад напряжения у него происходит линейно, а не скачкообразно. Но уровень зарядки элемента зависит от технологического его назначения.

источник

Изобретение относится к конденсаторам с двойным электрическим слоем. Техническим результатом изобретения являются повышение удельных электрических характеристик и упрощение технологии изготовления конденсаторов. Предложен высокоэффективный двухслойный конденсатор с электрическим двойным слоем, образованным на границе раздела между активированным углем и электролитом. Высокоэффективный двухслойный конденсатор включает два пропитанных алюминием угольных композитных электрода, имеющих равномерно распределенную непрерывную дорожку из алюминия, пропитывающего заготовку из волокна из активированного угля, насыщенных высокоэффективным электролитом. Конденсатор способен отдавать, по меньшей мере, 5 Втч/кг полезной энергии при номинальных значениях мощности по меньшей мере 600 Вт/кг. 2 с. и 40 з.п.ф-лы, 3 ил. , 3 табл.

Изобретение относится к электрическому двухслойному конденсатору, в частности к высокоэффективному двухслойному конденсатору, содержащему угольно-алюминиевые композитные электроды и высокоэффективный электролит, а также к способу его изготовления.

Двухслойные конденсаторы относятся к энергонакопительным устройствам, способным накапливать и хранить большее количество энергии на свой вес, чем традиционные конденсаторы, и они типично отдают электроэнергию при более высокой номинальной мощности, чем многие перезаряжаемые батареи. Двухслойные конденсаторы состоят из двух пористых электродов, изолированных от электрического контакта пористым разделителем. Разделитель и электроды пропитаны электролитом. Это позволяет ионному току протекать между электродами, но препятствует закорачиванию ячейки электрическим током. На обратной стороне каждого из этих активных электродов имеется токосъемная обкладка. Одной из целей токосъемной обкладки является снижение омических потерь в двухслойном конденсаторе. Если токосъемные обкладки выполнены не пористыми, они также могут использоваться как часть уплотнения конденсатора.

Когда к двум электродам двухслойного конденсатора прикладывается электрический потенциал, в результате притяжения анионов к положительному электроду, а катионов к отрицательному электроду, протекает ионный ток. Достигнув поверхности электрода, заряд абсорбируется в области границы раздела твердое тело — жидкость. Это происходит за счет аборбции самих разновидностей заряда или за счет переориентации диполей молекулы растворителя. Абсорбированный заряд удерживается в этой области противоположными зарядами в твердом электроде.

Использование угольных электродов в электрохимических конденсаторах обеспечивает существенное преимущество этой технологии, так как углерод имеет низкий атомный вес, и угольные электроды можно выполнять с очень большими площадями поверхности. Изготовление двухслойных конденсаторов с угольными электродами известно достаточно давно, о чем свидетельствуют патенты США N 2 800 616 (Becker) и 3 648 126 (Boos et al.).

Основной недостаток многих конденсаторов с угольными электродами состоит в том, что их рабочие характеристики часто ограничены из-за высокого внутреннего сопротивления большинства угольных электродов. Это высокое внутреннее сопротивление объясняется в первую очередь высоким контактным сопротивлением на контактах между углем. Это высокое сопротивление обуславливает большие омические потери в конденсаторе на этапе разряда. Снижение упомянутого внутреннего сопротивления в двухслойных конденсаторах достигается в основном путем уменьшения электронного сопротивления в электроде.

Существует также проблема одновременного обеспечения большой площади поверхности и соответствующего регулирования пористости угольного электрода. Пористость угольного электрода обуславливает степень доступности электролита для поверхностных атомов углерода.

Для повышения рабочего напряжения многих двухслойных конденсаторов отдельные ячейки часто собирают в последовательные наборы. Для уменьшения омических потерь необходимо минимизировать пути тока между ячейками. В оптимальной конструкции смежные ячейки должны быть разделены только одной токосъемной обкладкой. Эта обкладка не должна быть пористой, чтобы исключить совместное использование электролита между ячейками. Разделение предотвращает потери, вызванные шунтированным путем тока между ячейками. Конструкции такого типа известны как биполярные. В биполярном двухслойном конденсаторе одна сторона работает как положительный электрод, а другая — как отрицательный для соседней ячейки. Один из примеров биполярного двухслойного конденсатора описан в патенте США N 3 536 963 (Boos).

В последнее время получила распространение другая конструкция двухслойного конденсатора — ячейка со спиральной обмоткой. Пример такой ячейки со спиральной обмоткой раскрыт в патенте США N 5 150 283 (Yoshida et al.). Предложенный электрический двухслойный конденсатор содержит два поляризуемых электрода, выполненных из электропроводящих подложек. Подложки покрыты слоями смеси активированного угля со связующим на основе водорастворимого материала. Электроды обращены друг к другу, а между ними расположен разделитель, пропитанный электролитом. Такой конденсатор сочетает в себе преимущества традиционных конденсаторов с использованием водных электролитов и конденсаторов с органическим растворителем.

Использование ячейки со спиральной обмоткой в двухслойном конденсаторе обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что электроды с большой площадью поверхности могут быть свернуты в малом корпусе. Большие электроды существенно снижают внутреннее сопротивление конденсатора, наличие корпуса значительно упрощает уплотнение конденсатора или герметизацию, необходимую для двухслойного конденсатора. В биполярной конструкции каждая ячейка должна быть уплотнена по периметру электрода. Но в конструкции с обмоткой уплотнение требуется только для наружной стороны. Эта конструкция не так эффективна, как биполярная, когда ячейки собираются последовательно в наборы, так как сопротивление проводов дополняет омические потери.

Настоящее изобретение больше касается электрохимических или двухслойных конденсаторов, имеющих угольно-алюминиевые композитные электроды. Угольно-металлические композитные электроды, в частности, угольно-алюминиевые композитные электроды позволяют минимизировать внутреннее сопротивление электрода. В наиболее близких аналогах особую важность представляют способы изготовления угольно-алюминиевых композитных электродов, способы изготовления и присоединения токосъемника к композитному электроду и подходящие электролиты, которые можно использовать в высокоэффективных двухслойных конденсаторах.

В последнее время предлагались разные технологии изготовления, направленные на уменьшение внутреннего сопротивления угольных композитных электродов. Например, в патенте США N 5150283 (Yoshida et al.) раскрыт способ изготовления угольно-алюминиевого композитного электрода путем осаждения на алюминиевую подложку угольного порошка и других повышающих электропроводность добавок.

Другое аналогичное решение раскрыто в патенте США N 4 597 029 (Yoshida et al. ), в котором предложено вводить металлы, в частности, алюминий, в электроды из углеродного волокна посредством вплетения металлических волокон в заготовки из углеродного волокна.

В патенте США N 4 562 511 (Nishino et al.) описано еще одно решение, в котором углеродное волокно погружают в водный раствор, так что в порах углеродных волокон образуется слой электропроводного металлического оксида, предпочтительно оксида переходного металла. Nishino et al. также описывают образование металлических оксидов, таких как оксид олова или оксид индия, осаждением из паровой фазы.

Еще один родственный способ описан в патентах США N 5102745, 5304330 и 5080963 (Tatarchuk et al.). В этих решениях продемонстрировано, что металлические волокна можно переплетать с угольной заготовкой и спекать для получения электропроводящей матрицы со стабильной конструкцией, которую можно использовать как композитный электрод. Tatarchuk et al. в своих патентах также предложили способ, обеспечивающий снижение электрического сопротивления в композитном электроде за счет уменьшения количества контактов между углем, через которые должен протекать ток для достижения металлического проводника. Это решение достаточно эффективно, если в качестве металла используются волокна из нержавеющей стали или никеля, но оно не приносит успеха, если используются алюминиевые волокна, так как во время спекания или нагрева композитного электрода образуется карбид алюминия.

Использование алюминия в процессах изготовления двухслойных конденсаторов представляет большую важность, так как алюминий является оптимальным металлом с точки зрения стоимости, доступности и эффективности. Например, при использовании угольно- алюминиевого композитного электрода в двухслойном конденсаторе с безводным электролитом, вполне достижимо рабочее напряжение 3.0 В. Но если вместо алюминия использовать никель или нержавеющую сталь, рабочее напряжение снизится до величины менее 2.0 В.

Аналогичные конструкции двухслойных конденсаторов также описаны в патентах США N 4438481 (Phillips et al. ); N 4597028 (Joshida et al.); N 4709303 (Fujiwara et al.); N 4725927 (Morimoto) и N 5136472 (Tsuchiya et al. ).

Другим важным аспектом изготовления двухслойных конденсаторов является способ изготовления токосъемной обкладки и ее сцепления с электродом. Это обусловлено тем, что граница раздела между электродом и токосъемной обкладкой является еще одним источником внутреннего сопротивления двухслойного конденсатора.

В патенте США N 4562511 (Nishino et al.) предложено плазменное распыление расплавленных металлов, в частности, алюминия, на одну сторону поляризуемого электрода, чтобы сформировать соответствующий слой, выполняющий функцию токосъемника. В этом патенте также предложены альтернативные способы присоединения и/или формирования токосъемника, включающие дуговое напыление, вакуумное осаждение, распыление, неэлектролитическое осаждение и использование электропроводящих красителей.

В патентах Tatarchuk et al. (патенты США N N 5 102 745, 5 304 330 и 5 080 963) описано присоединение токосъемника из металлической фольги к электроду путем спекания металлической фольги с электродным элементом.

В патенте США N 5 142 451 (Kurabayashi et al.) описан способ соединения токосъемника с электродом в процессе термической выдержки, в результате которой материал токосъемника входит в поры электродных элементов.

В патенте США N 5 099 398 (Kurabayashi et al.) описан способ присоединения токосъемника к электроду за счет химического присоединения тонкопленочного токосъемника, при котором часть материала токосъемников входит в поры электродных элементов. В этом патенте также раскрыты некоторые другие традиционные методы присоединения токосъемника к электроду, включая использование электропроводящих клеев и термическое соединение под давлением.

Другие аналогичные способы изготовления и присоединения токосъемных обкладок можно найти в патентах США NN 5065286, 5072335, 5072336, 5072337 и 5121301, выданные на имя Kurabayashi et al.

Таким образом, существует потребность в усовершенствованных двухслойных конденсаторах с угольно-алюминиевыми композитными электродами. Эти усовершенствованные двухслойные конденсаторы должны отдавать большие количества полезной энергии с очень высокими номинальными значениями выходной мощности и плотности мощности. Они также должны иметь относительно низкое внутреннее сопротивление и при этом способны обеспечивать относительно высокое рабочее напряжение.

Кроме того, представляется также очевидным, что необходимо усовершенствовать технологии и способы изготовления двухслойных конденсаторов с угольно-алюминиевыми композитными электродами с целью снижения внутреннего сопротивления двухслойного конденсатора и получения максимального рабочего напряжения. Так как количество запасенной энергии на единицу веса конденсатора возрастает пропорционально квадрату рабочего напряжения, более высокие рабочие напряжения обеспечивают более высокоэффективные конденсаторы благодаря существенно увеличенным номинальным значениям выходной мощности и количества запасенной энергии на единицу веса.

Раскрытие изобретения Предложен высокоэффективный двухслойный конденсатор, имеющий электрический двойной слой, образованный на границе раздела между активированным углем и электролитом. Высокоэффективный двухслойный конденсатор содержит два пропитанных алюминием угольных композитных электрода, имеющих равномерно распределенную непрерывную дорожку из алюминия, пропитывающего заготовку из волокон из активированного угля, и насыщенных высокоэффективным электролитом. Высокоэффективный двухслойный конденсатор выполнен с возможностью отдачи по меньшей мере 5 Втчас/кг полезной энергии при номинальных значениях мощности по меньшей мере 600 Вт/кг. Также предложены способы изготовления высокоэффективного двухслойного конденсатора.

Согласно изобретению также предложен усовершенствованный способ изготовления высокоэффективных двухслойных конденсаторов посредством пропитки расплавленным алюминием заготовок из углеродного волокна. В изобретении также указаны разные усовершенствованные способы изготовления угольно-алюминиевых композитных электродов и технологии присоединения токосъемной обкладки к электроду.

Краткое описание чертежей В дальнейшем изобретение поясняется описанием примеров его воплощения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых: фиг. 1 изображает сечение одноячеечного высокоэффективного двухслойного конденсатора, выполненного в соответствии с изобретением; фиг. 2 — вид в сечении биполярного угольно-алюминиевого композитного электрода, выполненного в соответствии с изобретением; и фиг. 3 — вид в сечении последовательного набора высокоэффективных двухслойных конденсаторов биполярного типа.

Подробное описание изобретения Описанный ниже высокоэффективный двухслойный конденсатор предпочтительно является большим двухслойным конденсатором биполярного типа, который отдает большое количество полезной энергии с высокими номинальными значениями выходной мощности и плотности мощности. В частности, высокоэффективный двухслойный конденсатор выполнен с возможностью отдавать по меньшей мере 5 Втчас/кг полезной энергии при номинальных значениях мощности по меньшей мере 600 Вт/кг. Кроме того, предпочтительный высокоэффективный двухслойный конденсатор характеризуется относительно низким внутренним сопротивлением, номинальным значением отношения заряда к разряду по меньшей мере 90% и относительно высокими рабочими напряжениями порядка 3 В для одноячеечного конденсатора. При последовательной сборке двухслойных конденсаторов биполярного типа набор высокоэффективных конденсаторов обеспечивает до 350 В и накапливает около 1.8 МДж энергии.

Высокоэффективный двухслойный конденсатор предпочтительно содержит усовершенствованные угольно-алюминиевые композитные электроды с высокоэффективным электролитом. Особую важность представляет преимущественный способ изготовления угольно- алюминиевых композитных электродов и способ присоединения токосъемника, которые используются при изготовлении предложенных высокоэффективных двухслойных конденсаторов.

На фиг.1 изображен одноячеечный высокоэффективный двухслойный конденсатор 10, включающий контейнер 11 ячейки, два угольно-алюминиевых композитных электрода 12 и 14, ионопроводящий разделитель 18, электролит 20, две токосъемные обкладки 22 и 24 и электрические провода 28 и 29, проходящие от токосъемных обкладок 22 и 24.

Два угольно-алюминиевых композитных электрода 12 и 14 предпочтительно выполнены из заготовки из пористой углеродной ткани или бумаги, пропитанной расплавленным алюминием. Пористость угольно- алюминиевых композитных электродов 12 и 14 должна тщательно контролироваться во время процесса пропитки, чтобы позволить впоследствии ввести достаточное количество электролита 20 в двухслойный конденсатор 10 и дать электролиту проникнуть в поры углеродных волокон.

Две токосъемные обкладки 22 и 24 прикреплены к обратной стороне каждого угольно-алюминиевого композитного электрода 12 и 14. Предпочтительно токосъемные обкладки 22 и 24 выполнены в виде тонких слоев алюминиевой фольги. При одноячеечной конфигурации конденсатора токосъемные обкладки 22 и 24 предпочтительно не являются пористыми, чтобы их можно было использовать как часть наружного уплотнения конденсатора.

Ионопроводящий разделитель 18 помещен между противоположными угольно-алюминиевыми композитными электродами 12 и 14. Ионопроводящий разделитель 18 предпочтительно выполнен из высокопористого материала, который выполняет функцию электронного изолятора между угольно-алюминиевыми композитными электродами 12 и 14. Цель ионопроводящего разделителя 18 — гарантировать, чтобы противоположные электроды 12 и 14 никогда не контактировали друг с другом, так как контакт между ними приводит к короткому замыканию и быстрому истощению зарядов, накопленных в электродах. Пористость ионопроводящего разделителя 18 позволяет ионам двигаться в электролите 20. Предпочтительно, ионопроводящий разделитель 18 выполняют в виде пористого полипропиленового диска толщиной приблизительно 25.4 мкм. Полипропиленовый разделитель сначала пропитывают электролитом 20, прежде чем вставить его между угольно-алюминиевыми электродами 12 и 14.

Контейнер 11 ячейки может быть любым известным упаковочным средством, традиционно используемым для двухслойных конденсаторов. Для обеспечения максимального количества запасенной энергии на единицу веса двухслойных конденсаторов, целесообразно минимизировать вес упаковочного средства. Вес упакованных двухслойных конденсаторов типично не должен превосходить вес неупакованного двухслойного конденсатора более чем на 25%. Электрические провода 28 и 29 проходят от токосъемных обкладок 22 и 24 через контейнер 11 ячейки и могут быть выполнены с возможностью подсоединения к электрической схеме (не показанной на чертежах).

На фиг. 2 и фиг.3 изображены биполярный угольно-алюминиевый композитный электрод 30 и соответствующий последовательный набор высокоэффективных биполярных двухслойных конденсаторов 40. Биполярный угольно-алюминиевый композитный электрод 30 содержит корпус из поляризованного угольно-алюминиевого композита, разделенный непористой токосъемной обкладкой 36. К одной поверхности 37 токосъемной обкладки 36 прикреплен заряженный электрод 32 первой ячейки. К противоположной поверхности 38 токосъемной обкладки 36 прикреплен противоположно заряженный электрод 34 второй ячейки. Иными словами, если первый электрод 32 является отрицательным для первой конденсаторной ячейки «A», то второй электрод 34 является положительным электродом для смежной ячейки «В».

Как более наглядно показано на фиг. 3, последовательный набор 40 высокоэффективных биполярных двухслойных конденсаторов включает несколько ячеек (A, B, C и D), которые предпочтительно соединены последовательно. Каждая ячейка содержит два пропитанных алюминием угольных композитных пористых электрода 42 и 44, обращенных друг к другу, с ионопроводящим разделителем 46, помещенным между ними. Несколько непористых токосъемников 48 помещено между каждой ячейкой, причем каждый токосъемник 48 имеет два прилегающих к нему поляризованных электрода 42 и 44 разных ячеек, прикрепленных к нему, как будет описано ниже. Кроме того, в каждую ячейку введено достаточное количество электролита 50, чтобы электролит 50 насытил композитные электроды 42 и 44 и разделитель 46 в каждой ячейке. На каждом конце набора находятся наружные токосъемные обкладки 49.

Отдельные угольно-алюминиевые композитные электроды 42 и 44 предпочтительно выполнены по описанной ниже технологии. Каждый электрод изготавливают из заготовки из углеродной ткани или бумаги, которую пропитывают расплавленным алюминием. Как отмечалось выше, пористость угольно-алюминиевых композитных электродов 42 и 44 должна тщательно контролироваться во время процесса пропитки, чтобы позволить впоследствии ввести достаточное количество электролита 50 в конденсаторную ячейку и дать этому электролиту проникнуть в поры углеродных волокон.

Пропитанные алюминием угольные композитные электроды 42 и 44 достаточно пористые и имеют равномерно распределенную непрерывную дорожку из алюминия, пропитавшую волокна из активированного угля, так что эквивалентное последовательное сопротивление каждого электрода при использовании в трехвольтной ячейке составляет около 1.5 Ом на см 2 , а емкость каждого композитного электрода 42 и 44 составляет приблизительно 30 Ф/см 3 или выше.

Внутренние токосъемные обкладки 48 каждого биполярного электрода предпочтительно выполнены из непористых слоев алюминиевой фольги, предназначенных для разделения электролита 50 между соседними ячейками. Наружные токосъемные обкладки 49 также непористые, чтобы их можно было при необходимости использовать как часть наружного уплотнения конденсатора.

Ионопроводящий разделитель 46 помещен между противолежащими угольно-алюминиевыми композитными электродами 42 и 44 внутри конкретной конденсаторной ячейки. Ионопроводящий разделитель 46 предпочтительно выполнен в виде пористого полипропиленового диска, аналогичного ионопроводящим разделителям, используемым в одноячеечной конфигурации.

Многие дополнительные преимущества предложенного двухслойного конденсатора обеспечиваются предпочтительными способами изготовления угольно-алюминиевых композитных электродов, предпочтительным способом присоединения токосъемника и использованием высокоэффективных электролитов. В дальнейшем подробно обсуждается каждый из этих аспектов изобретения.

Угольно-алюминиевый композитный электрод Как было указано выше, угольно-алюминиевый композитный электрод предпочтительно изготавливают из заготовки, выполненной из пористой ткани или бумаги из углеродного волокна, которая пропитана расплавленным алюминием. Заготовку можно изготовить из любого подходящего материала из углеродного волокна, например, из войлока из углеродного волокна, или других подложек из волокна из активированного угля, имеющих достаточную пористость, чтобы принять пропитку из расплавленного алюминия и электролит.

Алюминиевая пропитка равномерно и непрерывно распределяется и проходит через заготовку, обеспечивая токопроводящую дорожку с низким сопротивлением внутри электрода. Угольно-алюминиевый композитный электрод остается также достаточно пористым, чтобы позволить электролиту, предпочтительно, безводному, просочиться в поры волокон из активированного угля.

Процесс изготовления угольно-алюминиевых композитных электродов двухслойного конденсатора начинается с изготовления электродной заготовки из углеродного волокна. Электродная заготовка из углеродного волокна типично представляет собой заготовку из бумаги или ткани с использованием углеродных волокон с большой площадью поверхности. Площадь поверхности таких волокон может колебаться в пределах приблизительно 500-3000 м 2 /г. Заготовку из бумаги из углеродного волокна получают на стандартной бумагоделательной машине с использованием углеродных волокон диаметром приблизительно 8-10 мкм, нарезанных на отрезки длиной приблизительно 2-7 мм. В заготовку также можно добавить целлюлозные волокна сопоставимых размеров в качестве связующего и для регулирования пористости полученной заготовки.

Заготовку из углеродно-волокнистой ткани предпочтительно выполняют из готовой ткани, в которой использованы переплетенные углеродные волокна с площадью поверхности приблизительно 500-3000 м 2 и диаметром приблизительно 8-10 мкм. Заготовка из углеродно- волокнистой ткани обычно дороже заготовки из бумаги из углеродного волокна, но заготовка из ткани обладает более высокой конструкционной устойчивостью, чем заготовка из бумаги. При этом площадь поверхности и другие параметры углеродных волокон можно легко адаптировать к требованиям, предъявляемым при конкретном применении.

Пропитка заготовок из углеродного волокна расплавленным алюминием предпочтительно осуществляется с помощью технологии плазменного распыления или, альтернативно, с помощью технологии инфильтрации жидкости или технологии погружения. При плазменном распылении расплавленный алюминий предпочтительно распыляется на обе стороны заготовки из углеродного волокна. Плазменное распыление расплавленного металла и раньше использовалось в производстве двухслойных конденсаторов, но обычно только как средство для формирования токосъемника.

Технология плазменного распыления оптимизируется, чтобы позволить алюминию проникнуть в заготовку из углеродно-волокнистой ткани и образовать пористую, равномерно распределенную алюминиевую матрицу. Эта оптимизация достигается посредством регулировки подачи электрического тока на установку распыления, температуры и давления расплавленного алюминия, расстояния между установкой плазменного распыления и заготовкой из углеродного волокна и качания установки плазменного распыления.

В технологии инфильтрации жидкости расплавленный алюминий пропитывается в структуру при погружении заготовки из углеродного волокна в расплав алюминия. Но расплавленный алюминий не смачивает поверхность углеродного волокна и поэтому не входит в его поры. Из-за низкой смачиваемости угля требуются специальные технологии, чтобы обеспечить соответствующую пропитку расплавленным алюминием промежутков между углеродными волокнами.

Такие технологии улучшения пропитки электрода включают разные варианты технологии пропитки, которые используются для получения алюминиево-графитовых композитов в космической промышленности. Такие технологии пропитки специально адаптированы и модифицированы для данного способа изготовления угольно- алюминиевых композитных электродов. Например, требуется точный контроль процесса пропитки, чтобы композитный электрод оставался достаточно пористым для пропускания электролитом ионного тока.

В одной из таких технологий улучшения пропитки используются ультразвуковые колебания для повышения смачиваемости углеродных волокон расплавленным алюминием. Когда заготовки из углеродного волокна погружаются в расплав для пропитки расплавленным алюминием, на зону пропитки направляются ультразвуковые колебания. Под действием этих колебаний давление в жидкости вызывается образованием локализованных кавитаций. При некоторых определенных частотах расплавленный алюминий закачивается в промежутки между углеродными волокнами. Посредством изменения частоты ультразвуковых колебаний можно регулировать уровень пропитки, обеспечивая тем самым пористый готовый продукт.

В другой технологии улучшения пропитки расплавленным алюминием заготовки из углеродного волокна во время изготовления угольно-алюминиевого композитного электрода используются другие средства для циклического приложения внешнего давления к пропитывающему расплавленному алюминию. Повышение и понижение давления создает накачивающее действие, которое помогает расплавленному алюминию входить в пространства между углеродными волокнами. Чтобы помочь алюминию заполнять пространства между углеродными волокнами, часто используют повышение температуры расплавленного алюминия.

В качестве средства, способствующего пропитке расплавленным алюминием угольной заготовки во время изготовления угольно- алюминиевого композитного электрода, используются также смачивающие реагенты. Смачиваемость углеродного волокна повышается, если сначала погрузить его в расплавленный металлический инфильтрат, состоящий из смачивающих реагентов, таких как сплав с оловом и титаном или с медью, оловом и титаном расплавленного натрия. После извлечения угольной заготовки из металлического инфильтрата, ее погружают в ванну расплавленного алюминия. Расплавленный алюминий выщелачивает смачивающий реагент из углеродных волокон, что позволяет алюминию заполнить промежутки между ними. В заготовки из углеродного волокна можно также вводить другие подходящие смачивающие реагенты, такие как тантал, титан-углерод, титан-азот, титан-азот-углерод или кремний-углерод, чтобы способствовать пропитке расплавленным алюминием.

В процессе изготовления угольно-алюминиевых композитных электродов для двухслойных конденсаторов можно также использовать альтернативные технологии для улучшения смачиваемости углеродных волокон. Также альтернативные средства улучшения смачиваемости включают, например, покрытие углеродных волокон тонким слоем металлов, таких как серебро, кобальт, медь или никель. Но при этом важно отметить, что любые посторонние реагенты или другие загрязнители, используемые при изготовлении композитных электродов для двухслойных конденсаторов, должны либо удаляться перед использованием конденсатора, либо присутствие таких агентов не должно существенно ограничивать физические характеристики или эксплуатационные свойства двухслойного конденсатора.

Можно также использовать ультразвуковые колебания, описанные выше, или циклическое приложение внешнего давления со смачивающим реагентом или без него в качестве средства улучшения процесса пропитки расплавленным алюминием. Кроме того, в качестве средства улучшения процесса пропитки расплавленным алюминием можно использовать варианты процесса плазменного распыления со смачивающим реагентом или без него.

Управление процессом пропитки позволяет регулировать пористость электрода. Пористость угольно-алюминиевого композитного электрода тщательно регулируется во время процесса пропитки, чтобы впоследствии позволить электролиту беспрепятственно входить в поры углеродных волокон и тем самым формировать достаточно большую область границы раздела между электролитом и углеродными волокнами.

Описанное выше введение алюминия в электрод изменяет электролитический путь ионного тока в область границы раздела электрода и электролита. Но этот измененный электролитический путь не приводит к существенному увеличению внутреннего сопротивления двухслойного конденсатора, потому что большая часть внутреннего сопротивления остается в маленьких порах углеродных волокон.

Пористость угольно-алюминиевого композитного электрода можно лучше всего выразить как весовое соотношение алюминия и активированного угля. Но при этом важно, чтобы алюминий равномерно и непрерывно распределялся по заготовке для формирования в композитном электроде пути тока с низким сопротивлением. Предпочтительное весовое соотношение алюминия с углем находится в пределах 1.3-0.5 и еще более предпочтительно, чтобы оно было меньше 1.0.

Как отмечалось выше, управление процессом пропитки и регулирование при этом пористости электрода может осуществляться несколькими способами, включая использование смачивающих агентов, циклическое приложение внешнего давления к расплавленному алюминию и/или введение ультразвуковых колебаний во время инфильтрации жидкости. За счет регулировки частоты и величины ультразвуковых колебаний во время инфильтрации жидкости можно варьировать пропитку расплавленным алюминием.

Кроме того регулирование внешних параметров в процессе плазменного распыления будет влиять на конечную пористость электрода. Например, за счет регулировки таких внешних параметров, как электрический ток, подаваемый на установку плазменного распыления, радиус действия установки плазменного распыления, расстояние между установкой плазменного распыления и заготовкой из углеродного волокна, температура и давление при подаче расплавленного алюминия, можно получить оптимальную пористость.

Альтернативно или в совокупности с предложенными выше вариантами можно контролировать пористость угольно-алюминиевых композитных электродов посредством изменения количества целлюлозы, используемой в заготовках из углеродно-волокнистой бумаги. В частности, пористость регулируют посредством карбонизации или спекания целлюлозных волокон, в результате чего они удаляются после того, как расплавленный алюминий пропитается в заготовку из углеродных волокон.

Пример 1 В дальнейшем описывается пример подготовки и изготовления угольно-алюминиевых композитных электродов и высокоэффективного двухслойного конденсатора. Этот пример, вместе с приведенным выше описанием, является предпочтительным способом осуществления изобретения на данный момент. Но это описание не следует рассматривать как ограничительное, а только как поясняющее некоторые общие принципы изобретения. Объем изобретения определяется формулой изобретения.

Заготовки из углеродных волокон получали при использовании волокон из активированного угля длиной приблизительно 5 мм и диаметром приблизительно 8 мкм. Волокна из активированного угля имеют площадь поверхности около 2500 м 2 /г. В заготовки из углеродного волокна также были включены целлюлозные волокна длиной приблизительно 5 мм и диаметром около 8 мкм. Целлюлозные волокна добавлялись в качестве связующего и для регулировки пористости электрода. Процент добавленных целлюлозных волокон составлял от 9.0 до 50% веса заготовки, предпочтительно около 15 вес.%.

Альтернативно заготовки из углеродного волокна выполняли из готового материала. Такие заготовки обычно получают из ткани из активированного угля, в которых отдельные углеродные волокна собраны в пучки, называемые куделью. В предпочтительной ткани с куделью из углеродных волокон используются углеродные волокна диаметром приблизительно 8 мкм и с площадью поверхности около 2500 м 2 /г. Кудель переплетают для получения ткани толщиной приблизительно 432 мкм.

Заготовки из углеродного волокна пропитывали расплавленным алюминием с использованием технологии плазменного распыления. Процесс распыления оптимизировали для обеспечения равномерного проникновения в заготовки из углеродного волокна путем регулировки подачи тока на установку плазменного распыления, давления распыления, расстояния между установкой плазменного распыления и заготовкой, вертикального шага и скорости качания установки плазменного распыления. При этом оптимальными условиями в данном примере были ток 65 A, подаваемый на установку плазменного распыления, давление распыления 3.52 кг/см 2 при расстоянии около 50.8 см. Скорость качания установки плазменного распыления составляла около 161.5 см в сек, а вертикальный шаг был около 2.54 см. Каждый угольно-алюминиевый композитный электрод содержал приблизительно 0.2 г углеродных волокон на приблизительно 0.24 г алюминия.

После завершения процесса распыления из пропитанной угольной заготовки штамповали диски композитных электродов. Каждый композитный электрод имел диаметр около 5.1 см (2 дюйма) и толщину около 432 мкм, что обеспечивало площадь поверхности около 20.3 см 2 .

Целлюлозные волокна удалялись из композитного электрода путем спекания электрода приблизительно при 200-300 o C в восстановительной среде.

Лист алюминиевой фольги толщиной 50.8 мкм присоединялся к каждому угольно-алюминиевому композитному электроду при температуре 360-600 o C, внешнем давлении 0.84 кг/см 2 в присутствии инертной или слегка восстановительной среды.

Готовые угольно-алюминиевые композитные электроды с токосъемной обкладкой представляли собой дискообразное устройство с площадью поверхности около 20.3 см 2 и толщиной около 0.048 см.

Блок одноячеечного конденсатора также включает в себя пористый полипропиленовый разделитель толщиной около 25.4 мкм, который помещают между угольно-алюминиевыми композитными электродами для выполнения функции ионопроводящего разделителя. Затем угольно- алюминиевые композитные электроды и разделитель пропитывали раствором электролита, состоящим из 1.4 М тетраэтиламмония тетрафторбората в ацетонитриле, с использованием технологии вакуумной инфильтрации. После этого конденсатор герметизировали снаружи.

В таблице 1 представлены несколько примеров активированных угольно-алюминиевых композитных электродов и их эксплуатационные характеристики. Важно отметить, что в электроде за номером 071994 A использована углеродная ткань, отличная от описанных выше заготовок из ткани, и ее толщина больше, чем в других примерах. Измерения сопротивления и емкости производились только в целях сравнения.

Прикрепление токосъемника к композитному электроду После пропитки алюминием заготовки из углеродного волокна на обратной стороне электрода закрепляют алюминиевую фольгу. В этом процессе применяется диффузионное соединение пропитанной алюминием угольной заготовки с алюминиевой фольгой, которое обеспечивает соединение с низким сопротивлением между композитным электродом и токосъемником. Алюминиевая фольга выполняет функцию токосъемника или проводящего электрода конденсатора. Конкретно, для диффузионного соединения сначала модифицируют или удаляют оксидный слой с алюминиевой фольги, а затем нагревают структуру электрода и фольги под давлением в инертной среде. Этот процесс соединения сочетает в себе высокую температуру с умеренным давлением в инертной среде для соединения поверхностей композитного электрода и токосъемника. Указанные выше операции выполняются таким образом, чтобы атомы алюминия заполнили пустоты на границе раздела для сцепления токосъемника с композитным электродом.

В наборе биполярных конденсаторов присоединенная фольга не должна быть пористой, чтобы разделить электролит между ячейками. Фольга должна быть достаточно толстой, чтобы гарантировать отсутствие микроотверстий или других дефектов. Предпочтительная толщина фольги для биполярных электродов должна быть приблизительно в интервале 12.7-76.2 мкм.

Алюминий не относится к материалам, достаточно пригодным для диффузионного соединения. Проблему создает прочный оксидный слой, обычно присутствующий на поверхности алюминия. Этот оксидный слой тормозит перенос алюминия между соединяемыми поверхностями. В большинстве технологий диффузионного соединения, связанных с алюминием, требуются высокое внешнее давление и температура соединения ниже точки плавления алюминия. Соединяемые элементы или конструкции обычно должны удерживаться в таком состоянии в инертной среде в течение продолжительного времени. Такой режим соединения не подходит для композитных электродов из активированного угля и алюминия, так как высокое внешнее давление распыляет волокна из активированного угля в электроде. Кроме того, воздействие высокой температуры в течение продолжительного времени приводит к образованию карбида алюминия. Образование карбида алюминия существенно ухудшает эксплуатационные характеристики электрода.

В предложенном способе угольно-алюминиевые композитные электроды соединяются с алюминиевой фольгой при низком внешнем давлении, низкой температуре и за относительно меньший период времени. При этом существенно уменьшается количество карбида алюминия, образующегося во время процесса соединения, и полученное соединение не вызывает физического повреждения волокон из активированного угля в электроде. Предложенный усовершенствованный способ позволяет присоединять алюминиевую фольгу к угольно- алюминиевому композитному электроду при температуре в интервале 300-600 o C, предпочтительно, при температуре 36050 o C. Соединение достигается при внешнем давлении около 0.84 кг/см 2 .

Усовершенствованный способ соединения, выполняемый при преимущественном режиме, реализуется благодаря физическому удалению или модифицированию оксидного слоя на алюминиевой фольге до присоединения фольги к электроду в инертной среде. Оксидный слой удаляется с применением технологии аргоно-ионного распыления. Альтернативно, оксидный слой можно модифицировать посредством травления алюминиевой фольги в растворе бихромата натрия в серной кислоте, например, [Na2(Cr2O2) в H2SO4]. Любой из этих способов обеспечивает существенное уменьшение слоя оксида алюминия.

Перед присоединением алюминиевой фольги к угольно-алюминиевому композитному электроду можно удалить любые целлюлозные волокна, присутствующие в угольно-алюминиевом композитном электроде, посредством карбонизации или спекания целлюлозных волокон за счет их нагрева в инертной среде или, альтернативно, их химического восстановления. Посредством варьирования количества целлюлозы, используемой в заготовках, можно регулировать конечную пористость угольно-алюминиевых композитных электродов.

В биполярном угольно-алюминиевом композитном электроде после извлечения каждой пары пропитанных алюминием заготовок из углеродного волокна из процесса пропитки, их выравнивают относительно друг друга и соединяют с одним слоем алюминиевой фольги. В предпочтительном способе применяется одновременное диффузионное соединение выровненной пары угольно-алюминиевых композитных электродов с токосъемником
из алюминиевой фольги при низком давлении, относительно низкой температуре и в инертной среде. Как и ранее, этот процесс не вызывает образования карбида алюминия и других загрязнений и исключает физическое повреждение углеродных волокон. Качество соединения повышается с помощью травления обеих поверхностей алюминиевой фольги или удаления любых слоев оксида алюминия, которые могут на них присутствовать.

Пример 2
В дальнейшем описывается пример осуществления способа диффузионного соединения и подготовки к нему. Этот пример, вместе с приведенным выше описанием, является предпочтительным способом осуществления изобретения на данный момент. Но данное описание не следует рассматривать как ограничительное, а только как поясняющее некоторые общие принципы изобретения. Объем изобретения определяется формулой изобретения.

Для травления алюминиевой фольги готовили травильную ванну, состоящую из приблизительно 60 г Na2(Cr2O2)2H2O с 173 мл концентрированной H2SO4, около 1.9 г порошкообразного алюминия и достаточного количества воды для получения 1 л раствора. Травильную ванну нагревали приблизительно до 60 o C. Кроме того, готовили водяную ванну для промывки протравленной алюминиевой фольги и нагревали ее приблизительно до 60 o C.

Алюминиевую фольгу погружали в травильную ванну приблизительно на 15 минут. Затем фольгу извлекали из травильной ванны и погружали в водяную ванну для промывки. После чего фольгу сушили в печи в течение приблизительно 30 мин.

Затем электроды и протравленную фольгу собирали для диффузионного соединения. Заготовку из углеродной ткани использовали как разделительный лист, а пластины из материала Hastoloy X использовали для приложения умеренного давления около 0.21-28.1 кг/см 2 , предпочтительно около 0.84 кг/см 2 , к сборке электрода с фольгой. Сборку электрода с фольгой помещали в реактор из нержавеющей стали для осуществления действительного диффузионного соединения.

Предложенный способ диффузионного соединения включает нагрев сборки из электрода с фольгой в реакторе из нержавеющей стали при умеренном давлении в инертной среде. После того, как алюминий пропитался в заготовку из углеродного волокна, образовав тем самым композитные электроды, электроды сушили в течение приблизительно 30 мин. Затем электроды продували водородом (550 мл/мин) и аргоном (1000 мл/мин) при приблизительно 100 o C. После этого целлюлозные волокна подвергали карбонизации при 300 o C в течение около 30 мин, продолжая продувать электроды водородом (550 мл/мин) и аргоном (1000 мл/мин). Затем подачу водорода отключали, а скорость подачи аргона увеличивали до приблизительно 1500 мл/мин.

Затем переходили к температуре соединения за счет плавного вывода температуры реактора с 300 o C на конечную температуру соединения или спекания, составляющую 300-600 o C (см. таблицу 2). Эту температуру соединения поддерживали в течение заданного времени соединения от 1 до 5 час, как показано в таблице 2. После этого реактор выключали и электродам давали остыть в течение около 90 мин, затем реактор охлаждали водой и электроды извлекали.

В таблице 2 показаны емкость, последовательное сопротивление и другие эксплуатационные характеристики для нескольких сборок электродов с фольгой, которые были подвергнуты диффузионному соединению в соответствии с описанной выше процедурой соединения. Параметры сопротивления и емкости приведены только в качестве примера.

Высокоэффективные электролиты
Эксплуатационные характеристики двухслойных конденсаторов в значительной степени зависят от выбора используемых электролитов. Традиционные водные электролиты типично характеризуются более низким сопротивлением, чем безводные электролиты. Но с другой стороны, безводные электролиты часто имеют более высокую ионную проводимость, и это повышает рабочее напряжение двухслойных конденсаторов. В частности, безводные электролиты позволили увеличить рабочее напряжение одноячеечных двухслойных конденсаторов приблизительно до 3 В.

В настоящем изобретении рассмотрена возможность использования некоторых усовершенствованных электролитов, которые можно разделить на три вида или класса. Во-первых, это растворы аммиаката, в которых газообразный аммиак используется как растворитель для электролита. Предпочтительные растворы аммиаката получаются при соединении некоторых солей с газообразным аммиаком, в результате чего образуются жидкости, обладающие высокой проводимостью при комнатной температуре. Благодаря высокой электропроводности, стабильности напряжения и температурному диапазону, эти растворы являются хорошими кандидатами для использования в качестве электролитов в высокоэффективных двухслойных конденсаторах. Примеры некоторых растворов аммиаката, пригодных для использования в качестве электролитов в высокоэффективных двухслойных конденсаторах, включают:
[NH4NO3]1.3[NH3]
[NaI]3.3[NH3] и
[LiClO4]4[NH3]
Второй класс электролитов включает растворы на основе двуокиси серы. Двуокись серы, имеющая газообразное состояние при комнатной температуре, используется как растворитель для электролита. Двуокись серы растворяет некоторые соли, образуя жидкие электролиты при комнатной температуре. Эти растворы на основе двуокиси серы имеют более высокую электропроводность, чем соответствующие растворы аммиаката, но отличаются более высокой коррозионной агрессивностью. Эти электролиты получаются при использовании двуокиси серы для растворения тетрахлоралюминатов лития, кальция, натрия или стронция. Такие электролиты в основном характеризуются следующим:
М[AlCl4]xSO2,
где x равно 2.5-6.0, а M выбирается из группы Li, Ca, Na или Sr.

Третий класс усовершенствованных электролитов, пригодных для использования в высокоэффективных двухслойных конденсаторах, — это электролиты из расплавленных солей.

Раствор электролита из расплавленной соли можно характеризовать формулой
[AlCl3]MX,
где M — щелочной металл, а
X выбран из группы, состоящей из хлора или брома.

Электролиты из расплавленных солей получают из ионных солей, разжиженных при повышенных температурах. Повышенные температуры типично составляют 450 o C и выше. Эти электролиты из расплавленных при высокой температуре солей обладают самыми высокими показателями ионной проводимости и напряжения пробоя из всех электролитов. Основной недостаток этих электролитов состоит в том, что для них требуются высокие рабочие температуры и многие из них являются высокоагрессивными жидкостями.

Примером электролита из расплавленной при высокой температуре соли, пригодного для использования в высокоэффективных двухслойных конденсаторах, является смесь хлорида калия и/или хлорида лития. Высокоэффективный двухслойный конденсатор с использованием таких электролитов должен иметь рабочее напряжение около 4 В и ионную проводимость приблизительно 1.6 См/см при приблизительно 450 o C.

Кроме того, существуют некоторые тетрахлоралюминаты и тетрабромалюминаты щелочных металлов, которые являются расплавленными солевыми электролитами, имеющими рабочие температуры между 100-400 o C с электропроводностью в диапазоне 0.15-0.45 См/см. Существует также несколько расплавленных солей хлоралюмината, имеющих жидкое состояние при комнатной температуре, которые считаются пригодными для использования в качестве электролитов в предложенном высокоэффективном двухслойном конденсаторе.

В таблице 3 приведены электролиты, оцененные для использования в трехвольтном высокоэффективном двухслойном конденсаторе. Пропитанные алюминием заготовки из углеродного волокна и разделитель насыщены описанными электролитами предпочтительно с помощью технологии вакуумной инфильтрации.

Исходя из вышеизложенного, следует понимать, что согласно изобретению предложен двухслойный конденсатор с угольно- алюминиевыми композитными электродами и высокоэффективными электролитами и способ его изготовления. Кроме того, подразумевается, что можно внести разные изменения в форму, конструкцию и компоновку его деталей, не выходя из рамки объема и идеи изобретения и без ущерба для существенных преимуществ, при этом описанные формы являются чисто иллюстративными примерами осуществления изобретения.

Следовательно, объем изобретения не ограничен описанными конкретными вариантами и способами, а определяется прилагаемой формулой изобретения и его эквивалентов.

1. Двухслойный конденсатор, содержащий два электрода, два токосъемника, каждый из которых расположен на не обращенных друг к другу поверхностях соответствующего электрода, ионопроводящий разделитель, расположенный между обращенными друг к другу поверхностями указанных двух электродов, и электролит, насыщающий указанные электроды и разделить, отличающийся тем, что указанные два электрода представляют собой два пористых, пропитанных алюминием угольных композитных электрода, содержащих заготовку из волокон из активированного угля, имеющих большую площадь поверхности, пропитанную расплавленным алюминием, а указанный электролит является безводным.

2. Двухслойный конденсатор по п.1, отличающийся тем, что каждый из пропитанных алюминием угольных композитных электродов содержит заготовку из волокон из активированного угля, имеющих большую площадь поверхности, содержащую равномерно распределенную непрерывную дорожку из алюминиевой пропитки и внутреннее сопротивление менее 1,5 Ом см 2 .

3. Двухслойный конденсатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что выполнен с возможностью отдачи по меньшей мере 5 Вт ч/кг полезной энергии при номинальных значениях мощности по меньшей мере 600 Вт/кг.

4. Двухслойный конденсатор по любому из пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что емкость композитного электрода составляет по меньшей мере 30 Ф/см 3 .

5. Двухслойный конденсатор по любому из пп.1 — 3 или 4, отличающийся тем, что пропитанные алюминием угольные композитные электроды содержат пористый электрод, имеющий равномерно распределенную непрерывную дорожку из алюминия, пропитывающего заготовку из волокон из углеродной ткани.

6. Двухслойный конденсатор по любому из пп.1 — 3 или 4, отличающийся тем, что из пропитанных алюминием угольных композитных электродов содержит пористый электрод, имеющий равномерно распределенную непрерывную дорожку из алюминия, пропитывающего заготовку из волокон из углеродной бумаги.

7. Двухслойный конденсатор по любому из пп.1 — 3 или 4, отличающийся тем, что пропитанные алюминием угольные композитные электроды содержат волокна из активированного угля, имеющие площадь поверхности приблизительно от 500 до 3000 м 2 /г.

8. Двухслойный конденсатор по любому из пп.1 — 3 или 4, отличающийся тем, что пропитанные алюминием угольные композитные электроды содержат волокна из активированного угля, имеющие площадь поверхности более 2000 м 2 /г.

9. Двухслойный конденсатор по любому из пп.1 — 3 или 4, отличающийся тем, что весовое соотношение алюминия с углем в пропитанных алюминием угольных композитных электродах составляет приблизительно от 1,3 до 0,5.

10. Двухслойный конденсатор по любому из пп.1 — 3 или 4, отличающийся тем, что весовое соотношение алюминия с углем в пропитанных алюминием угольных композитных электродах составляет менее 1,0.

11. Двухслойный конденсатор по п.1, который содержит корпус для герметичной упаковки двухслойного конденсатора.

12. Двухслойный конденсатор по любому из пп.1 — 3 или 4, отличающийся тем, что разделителем является пористый полипропиленовый разделитель, насыщенный безводным электролитом.

13. Двухслойный конденсатор по любому из пп.1 — 3 или 4, отличающийся тем, что каждый токосъемник содержит тонкий слой металлической фольги, присоединенный к не обращенным друг к другу поверхностям соответствующих электродов.

14. Двухслойный конденсатор по п.13, отличающийся тем, что токосъемник содержит тонкий слой алюминиевой фольги, присоединенный к не обращенным друг к другу поверхностям соответствующих электродов.

15. Двухслойный конденсатор по п.1, отличающийся тем, что электролит является раствором расплавленной соли.

16. Двухслойный конденсатор по п.15, отличающийся тем, что электролит из расплавленной соли является смесью хлорида калия и/или хлорида лития.

17. Двухслойный конденсатор по п.15, отличающийся тем, что электролит из расплавленной соли соответствует формуле
[AlCl3] MX,
где M — щелочной металл;
X — выбран из группы, состоящей из хлора или брома.

18. Двухслойный конденсатор по п.1, отличающийся тем, что электролит является раствором аммиаката.

19. Двухслойный конденсатор по п.18, отличающийся тем, что электролит из раствора аммиаката выбирается из группы, включающей [NH4NO3] 1,3 [NH3]; [NaI] 3,3 [NH3] и [LiClO4] 4 [NH3].

20. Двухслойный конденсатор по п.1, отличающийся тем, что электролитом служат растворы двуокиси серы, имеющие формулу
M [AlCl4]nxSO4,
где x = 2,5 — 6,0;
M выбирается из группы, включающей литий, кальций, натрий или стронций.

21. Способ изготовления двухслойного конденсатора, заключающийся в том, что образуют электрод, присоединяют токосъемную обкладку к поверхности указанного электрода, выравнивают два электрода относительно друг друга так, чтобы указанные два электрода были обращены друг к другу поверхностями, не имеющими указанного соединения, помещают ионопроводящий разделитель между указанными обращенными друг к другу поверхностями указанных двух электродов, насыщают указанные два электрода и разделитель электролитом, отличающийся тем, что этап образования электрода включает пропитку заготовки из волокон из активированного угля, имеющих большую площадь поверхности, равномерно распределенной непрерывной дорожкой из алюминия для образования пористого, пропитанного алюминием угольного композитного электрода, а указанный электролит является безводным.

22. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.21, отличающийся тем, что на этапе присоединения токосъемной обкладки к пропитанному алюминием угольному композитному электроду удаляют слои оксида алюминия с токосъемника из алюминиевой фольги и спрессовывают композитный электрод с алюминиевой фольгой в инертной среде при температуре соединения значительно ниже точки плавления алюминия, чтобы алюминий заполнил пустоты на границе раздела композитного электрода и алюминиевой фольги, обеспечив тем самым сцепление между алюминиевой фольгой и композитным электродом, но исключая образование карбида алюминия на границе раздела.

23. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.21 или 22, отличающийся тем, что двухслойный конденсатор герметично упаковывают в корпус.

24. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.21 или 22, отличающийся тем, что пористость пропитанных алюминием угольных композитных электродов регулируют во время пропитки.

25. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.24, отличающийся тем, что пропитку заготовки из волокон из активированного угля, имеющих большую площадь поверхности, равномерно распределенной непрерывной дорожкой из алюминия производят посредством плазменного распыления расплавленного алюминия в заготовку из волокон из активированного угля.

26. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.25, отличающийся тем, что регулирование пористости пропитанных алюминием угольных композитных электродов включает регулировку расстояния между установкой плазменного распыления и заготовкой из углеродных волокон.

27. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.25, отличающийся тем, что регулирование пористости пропитанных алюминием угольных композитных электродов включает регулирование скорости качания установки плазменного распыления относительно заготовки из углеродных волокон.

28. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.25, отличающийся тем, что регулирование пористости пропитанных алюминием угольных композитных электродов включает регулирование температуры и давления подачи расплавленного алюминия в заготовку из волокон из активированного угля.

29. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.24, отличающийся тем, что пропитка заготовки из волокон из активированного угля, имеющих большую площадь поверхности, равномерно распределенной непрерывной дорожкой из алюминия включает погружение заготовки из волокон из активированного угля в ванну расплавленного алюминия.

30. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.24, отличающийся тем, что регулирование пористости пропитанных алюминием угольных композитных электродов включает циклическое приложение давления к расплавленному алюминию во время пропитки заготовки из волокон из активированного угля.

31. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.24, отличающийся тем, что регулирование пористости пропитанных алюминием угольных композитных электродов включает приложение ультразвуковых колебаний к заготовке из волокон из активированного угля во время пропитки.

32. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.21 или 22, отличающийся тем, что заготовку из волокон из активированного угля, имеющих большую площадь поверхности, погружают в расплавленный металлический инфильтрат, состоящий из смачивающего реагента, перед ее пропиткой алюминием.

33. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.32, отличающийся тем, что смачивающий реагент выбирают из группы, включающей олово-титан, медь-олово-титан, тантал, титан-углерод, титан-азот, титан-азот-углерод, кремний-углерод и их смеси.

34. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.21 или 22, отличающийся тем, что насыщение пропитанных алюминием угольных композитных электродов и разделителя электролитом включает их насыщение электролитом с применением процесса вакуумной инфильтрации.

35. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.21 или 22, отличающийся тем, что соединение осуществляют при температуре 300 — 600 o C.

36. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.35, отличающийся тем, что соединение осуществляют при температуре приблизительно 360 o C.

37. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.22, отличающийся тем, что поверхности алюминиевой фольги протравливают перед соединением.

38. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.37, отличающийся тем, что травление алюминиевой фольги включает погружение фольги в раствор бихромата натрия в серной кислоте.

39. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.22, отличающийся тем, что удаляют любые слои оксида алюминия с алюминиевой фольги с применением технологии аргоноионного распыления.

40. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.22, отличающийся тем, что композитный электрод спрессовывают с алюминиевой фольгой, имеющей толщину приблизительно от 12,7 до 76,2 мкм.

41. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.22, отличающийся тем, что композитный электрод спрессовывают с алюминиевой фольгой при давлении соединения около 0,21 — 28,1 кг/см 2 .

42. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.41, отличающийся тем, что композитный электрод спрессовывают с алюминиевой фольгой при давлении соединения около 0,84 кг/см 2 .

источник

Читайте также:  Желатиновая маска с активированным углем в микроволновке