Исследование электрических характеристик электродов из пористых углеродных материалов для накопителей энергии с двойным электрическим слоем

Закрыть

3 июля 2017 года Исследование электрических характеристик электродов из пористых углеродных материалов для накопителей энергии с двойным электрическим слоем

3 июля 2017 г.

Термины и определения.

Пористый углеродный материал - пористое вещество или несколько пористых веществ, которые получают из одного или различных углеродосодержащих материалов органического происхождения.

В качестве сырья в производстве пористого углеродного материала используют твердые, жидкие, газообразные углеродосодержащие материалы органического происхождения: древесный уголь, каменный уголь, каменноугольный кокс, нефтяной кокс, карбонизированную фенольную смолу, природный газ, смесь природного газа и масел, скорлупу орехов, в частности, кокосовых орехов и др.

Указанное выше сырьё обугливают и активируют.

Обугливание — преобразование (превращение) в углеродный материал.

Сущность активации состоит в образовании открытых пор в углеродном материале. В частности, активацию осуществляют термически (например, пиролизом) или термохимически, либо путём обработки перегретым паром, или углекислым газом, или их смесью при высокой температуре и др.

Пористый материал - тело, содержащее в своем объёме свободное пространство в виде полостей, каналов или пор (в тексте для простоты будем писать поры).

Высокопористые углеродные материалы – разновидность пористых углеродных материалов.

Углеродный материал - материал на основе углерода.

На основе пористых углеродных материалов могут изготавливаться накопители электрической энергии емкостью от единиц Фарад – до сотен тысяч Фарад и более. Заметим, что на основе не пористых углеродных материалов возможно изготовление накопителей электрической энергии емкостью от пико Фарад до нано Фарад.

Материал — вещество или несколько веществ, из которых изготавливается продукт, изделие.

Вещество — одна из форм материи.

Изделие - изготавливаемый предмет или несколько предметов. Изделие является результатом производственного процесса. В частности, изделиями являются электроды для накопителей энергии, токосъемники, сепараторы, корпуса и др.

Предмет - конкретный материальный объект.

Продукт — произведение труда.

Пиролиз — термическое разложение органических веществ. В узком смысле, разложение органических природных соединений при недостатке кислорода.

В статье рассматриваются электроды, выполненные с использованием пористого углеродного материала. Такие электроды еще называют пористыми углеродными электродами или пористыми электродами.

Термин «выполнены с использованием пористого углеродного материала» означает, что электрод может быть выполнен из пористых углеродных материалов или выполнен из пористых углеродных материалов с наполнителем или наполнителями. В качестве наполнителей могут использоваться частички связующего (например, фторопласта), частички металлов или окислов металлов, частички (элементы) со свойствами химического источника тока и др.

Наполнители, в частности, служат для повышения пластичности электрода, повышения электропроводности или для заполнения свободного пространства между частичками пористого углеродного материала с целью экономии электролита.

Сепаратор – устройство для разделения электродов. Сепаратор выполняют, в частности, с использованием асбеста, и/или целлюлозы, и/или полимеров, например, полипропилена.

Токосъемник – устройство, выполненное с использованием металла или других электропроводных материалов, например, электропроводных резин и пластиков.

В статье пойдет речь о накопителях электрической энергии с двойным электрическим слоем, электроды которых выполнены с использованием пористого углеродного материала.

Накопитель электрической энергии с двойным электрическим слоем – устройство, в частности, для накопления заряда и энергии электрического поля. Накопители, в частности, предназначены для того чтобы сохранять энергию и отдавать её потребителю.

Накопитель электрической энергии с двойным электрическим слоем содержит электроды, разделенные сепаратором и электроды выполнены с использованием пористого углеродного материала.

Как указывалось, выше, конструктивно электрод или электроды могут содержать элементы (частички), придающие накопителю энергии дополнительное свойство химического источника тока. Это делается с целью улучшения энергетических характеристик накопителя энергии. Чем больше элементов химического источника тока введено в электрод, тем больше в накопителе протекает химических реакций.

Накопитель электрической энергии с двойным электрическим слоем – устройство, в котором накопление энергии осуществляется посредством двойного электрического слоя. Функционально накопитель может представлять собой конденсатор или гибрид конденсатора и химического источника тока.

Накопитель электрической энергии с двойным электрическим слоем в источниках еще называют суперконденсатором, ультраконденсатором, двухслойным электрохимическим конденсатором, накопителем электрической энергии, накопителем энергии, накопителем энергии с двойным электрическим слоем, накопителем с двойным электрическим слоем, двухслойным накопителем энергии, двухслойным накопителем или просто накопителем, конденсатором с двойным электрическим слоем, электролитическим конденсатором с двойным электрическим слоем, просто конденсатором и др.

В формализованном виде накопитель электрической энергии с двойным электрическим слоем может быть записан следующим образом:

накопитель электрической энергии с двойным электрическим слоем, содержащий, пропитанные электролитом электроды, разделенные сепаратором, электроды выполнены с использованием пористого углеродного материала и расположены между токосъемниками.

Важным свойством накопителя энергии является его свойство разряжаться не на внешнюю нагрузку, а на себя во время хранения.

Саморазряд накопителя энергии – является электрической характеристикой накопителя электрической энергии и, в общем случае, характеризуется зависимостью напряжения на электрических выводах накопителя энергии от времени при хранении в заряженном виде.

Кроме того, саморазряд характеризуется интенсивностью саморазряда, током и мощностью саморазряда в определенный промежуток времени саморазряда.

Интенсивность саморазряда характеризуется скоростью снижения напряжения при саморазряде в определенный промежуток времени саморазряда.

Причин саморазряда накопителя энергии много, в частности, реагирование примесей с компонентами электролита, появление, при этом, внутренних шунтирующих замыканий, «отрывание» заряженных частиц электролита с границы двойного электрического слоя и др.

Традиционными путями борьбы с саморазрядом в накопителях электрической энергии с двойным электрическим слоем является использование чистых электролитов, не содержащих посторонних примесей.

Исследования, описанные в статье, показывают, что саморазряд интенсифицируется при росте температуры электролита, а также при росте сжимающей нагрузки на элементы накопителя энергии, росте давления внутри электролита.

Возможные конструктивные схемы накопителей энергии с двойным электрическим слоем

На фиг.1-12 представлены наиболее распространенные схемы накопителей электрической энергии с двойным электрическим слоем.

На фиг.1 изображен конденсаторный элемент. Конденсаторный элемент содержит элементы. На фигуре обозначены следующие элементы:

1 – токосъемник (положительный). Токосъемник может быть выполнен с использованием металла, электропроводной резины, электропроводного пластика и других электропроводных элементов;

2 – электрод. Электрод выполнен с использованием пористого углеродного материала;

3 – сепаратор;

4 – электрод. Электрод выполнен с использованием пористого углеродного материала;

5 – токосъемник (отрицательный). Токосъемник может быть выполнен с использованием металла, электропроводной резины, электропроводного пластика и др. электропроводных элементов.

Конденсаторный элемент является частным вариантом накопителя электрической энергии с двойным электрическим слоем. Конденсаторный элемент содержит электроды, разделенные сепаратором, электроды выполнены с использованием пористого углеродного материала и расположены между токосъемниками.

В технической литературе конденсаторный элемент еще называют конденсаторная ячейка, элементарная конденсаторная ячейка.

На фиг.2 изображен пакет, соединенных последовательно, двух конденсаторных элементов. На фигуре обозначены:

6 – токосъемник;

7 – электрод;

8 – сепаратор;

9 – электрод;

10 – токосъемник;

11 – электрод;

12 – сепаратор;

13 – электрод;

14 – токосъемник.

Один конденсаторный элемент образован элементами, обозначенными позициями 6, 7, 8, 9 и 10, другой конденсаторный элемент образован элементами, обозначенными позициями 10, 11, 12, 13 и 14. Таким образом, при последовательном соединении конденсаторных элементов у них может быть общий элемент, в данном случае, токосъемник 10.

Конструктивно токосъемник может быть выполнен из одной, двух и более металлических листов (пластин, лент и др.).

На фиг.3 изображен пакет конденсаторных элементов. Токосъемники 15, 19, 23, 27, 31 и 35 выполнены с возможностью обеспечить параллельное соединение конденсаторных элементов.

Для параллельного соединения конденсаторных элементов необходимо соединить между собой токосъемники 15, 23 и 31, образуя положительный вывод накопителя энергии. Для образования отрицательного вывода необходимо соединить между собой токосъемники 19, 27 и 35.

Если конденсаторные элементы соединены параллельно, то пакет конденсаторных элементов называют «пакет, соединенных параллельно конденсаторных элементов».

Если токосъемники находятся в разомкнутом состоянии, как показано на фиг.3, то это пакет конденсаторных элементов, соединенных последовательно. Такой пакет называют «пакет, соединенных последовательно конденсаторных элементов».

На фиг.3 позициями 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34 обозначены электроды. Позициями 17, 21, 25, 29, 33 обозначены сепараторы.

На фиг. 3 элементы, обозначенные позициями 15, 16, 17, 18 и 19 образуют конденсаторный элемент.

На фиг. 3 элементы, обозначенные позициями 19, 20, 21, 22 и 23 образуют другой конденсаторный элемент.

Всего на фиг.3 изображено пять конденсаторных элементов.

На фиг.4 изображен конденсаторный элемент.

Позициями 36 и 40 обозначены токосъемники, позициями 37 и 39 обозначены электроды, позицией 38 обозначен сепаратор.

На фиг.5 обозначен токосъемник 42 с электродами 41 и 43.

Позицией 89 обозначен сепаратор.

На фиг.5 обозначен токосъемник 45 с электродами 44 и 46.

Соединив (сжав) между собой элементы, изображенные на фиг. 5 получают конденсаторный элемент с токосъемниками 42 и 45, электродами 43 и 44, сепаратором 89.

На фиг.6 изображен конденсаторный элемент. Токосъемники 74 и 78 выполнены в виде лент. Сепаратор 76 также выполнен в виде ленты. Между токосъемниками и сепаратором расположены электроды 75 и 77.

Протяженность 73 токосъемника может превышать ширину токосъемника на величину ∆.

Величина ∆ = 10…1000 и более.

На фиг.7 изображен пакет из двух конденсаторных элемента.

Токосъемники 80, 84 и 88 выполнены в виде лент. Сепараторы 82 и 86 также выполнены в виде лент. Между токосъемниками и сепараторами расположены электроды 81, 83, 85, 87.

Протяженность 79 токосъемника может превышать ширину токосъемника на величину ∆.

Величина ∆ = 10…1000 и более.

На фиг.8 изображен конденсаторный элемент с токосъемниками 47 и 51, электродами 49 и 50, сепаратором 53. Кроме того, позициями 48, 52 также обозначены электроды.

На фиг.9 изображен токосъемник 57, электроды 56 и 58, а также два сепаратора 54 и 59.

На фиг.10 изображен токосъемник 62, электроды 61 и 63, а также два сепаратора 60 и 64.

На фиг.11 изображен токосъемник 66, электроды 65 и 67, а также сепаратор 68.

На фиг.12 изображен токосъемник 70, электроды 69 и 71, а также сепаратор 72.

Зависимость электрического сопротивления электрода, выполненного с использованием пористого углеродного материала, от давления сжатия

Ниже представлены результаты исследований электрического сопротивления различных электродов, выполненных с использованием пористых углеродных материалов (упрощенно, - пористых электродов).

В таблицах 1 и 2 представлен элементный и фракционный состав пористых электродов.

Активированные угли с размерами частиц до 50 мкм, размерами активных пор до 50 нм и удельной поверхностью до 2500 м² /г и более обладают существенным преимуществом над другими пористыми материалами – это его дешевизна.

Пористые электроды получали помолом активированных углей, отвечающим требованиям ГОСТ 6217-74 и соответствующих маркам БАУ, БАУ-А и БАУ-МФ. После помола осуществляли просеивание через сита с определенным размером проходной ячейки.

Для просеивания использовали сита SWECO №300 с размером проходной ячейки сита 50 мкм и сито SWECO №635 с размером проходной ячейки сита 20 мкм.

Пористые электроды 1 - 9 получены с использованием молотого активированного угля марки ДАК.

Пористые электроды 10 - 11 получены с использованием молотого активированного угля марки БАУ-А.

Пористый электрод 12 получен с использованием молотого активированного угля марки БАУ-МФ.

Пористые электроды 13-18 получены с использованием углеродных аэрогелей, мезо/микропористого углерода, сажи, пористого углеродного материала, полученного термическим разложением фенольной смолы.

Изотопный анализ элементов, входящих в состав пористых углеродных электродов, показал, что они содержат только изотопы углерода ¹²С.

Таблица 1

Элементный и фракционный состав пористых углеродных электродов, %

Элементы пористого электрода	Порядковый номер пористого электрода
Элементы пористого электрода	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Частицы активированного угля размером 20 мкм и менее*)	50	-	10	20	30	70	100	90	99
Частицы активированного угля размером более 20 мкм и менее 50 мкм**)	50	100	90	80	70	30	-	-
Частицы диоксида титана TiO₂ размером 20 мкм и менее*)	-	-	-	-	-	-	-	-	1
Частицы диоксида титана TiO₂ размером 20 мкм и менее	-	-	-	-	-	-	-	10

*) частицы, прошедшие через сито SWECO №635 с размером проходной ячейки сита 20 мкм.

**) частицы, прошедшие через сито SWECO №300 с размером проходной ячейки сита 50 мкм и не прошедшие через сито SWECO №635 с размером проходной ячейки сита 20 мкм.

Таблица 2

Элементный и фракционный состав пористых электродов, %

Элементы пористого электрода	Порядковый номер пористого электрода
Элементы пористого электрода	10	11	12	13	14	15	16	17	18
Частицы активированного угля размером 20 мкм и менее	10	30	10	-	-	-	-	-	50
Частицы активированного угля размером более 20 мкм и менее 50 мкм	90	70	90	-	-	-	-	-	-
Активированный уголь из скорлупы костянки.				100
Частички углеродных аэрогелей размером до 1мкм	-	-	-	-	100	-	-	-	50
Частички мезо/микропористого углерода с размером пор от 0,7 до 50 нм. Размеры частиц до 20 мкм	-	-	-	-	-	100	-	-	-
Частички сажи размером до 100 нм	-	-	-	-	-	-	100	-	-
Частички углеродного пористого материала, полученного термическим разложением фенольной смолы. Размер частиц до 50 мкм	-	-	-	-	-	-	-	100	-

В таблицах 3, 4 и 5 представлены зависимости удельного электрического сопротивления электродов (с порядковыми номерами 1 - 18) на базе пористых углеродных материалов от давления сжатия. Значение электрического сопротивления электрода определяли посредством измерителя UT603 и микроомметра Ф4104-М1 в воздушной среде при температуре 20⁰С.

В процессе исследований пористый электрод размещали в сжимающем устройстве, позволяющем развивать избыточное сжимающее давление

до 100^.10⁵ Па. Для экспериментов применяли сжимающие устройства поршневого типа с диаметром поршней 25, 50, 75 мм. Высота навески углеродного материала в устройствах составляла до 50 мм.

Особый интерес для исследования представляли диапазоны давлений от 1^.10⁵ Па до 20^.10⁵ Па. Эти диапазоны давлений широко используют при изготовлении накопителей электрической энергии с двойным электрическим слоем.

Таблица 3

Зависимость удельного электрического сопротивления пористого электрода от давления сжатия, Ом^.см

Давление сжатия, 10⁵ Па	Порядковый номер пористого электрода
Давление сжатия, 10⁵ Па	1	2	3	4	5	6
-	560***)	743	703	661	619	470
3	272	505	444	384	324	241
5	225	351	330	301	281	202
10	136	252	241	214	184	111
15	44	166	151	123	94	36
20	25	77	63	44	30	15
… 100	2	2

***) среднее арифметическое значения удельного электрического сопротивления пористого электрода по результатам 25 замеров (циклов сжатия), с округлением до 1 Ом см. Максимальное отклонение от среднего арифметического значения не превышало 3%.

Таблица 4

Зависимость удельного электрического сопротивления пористого электрода от давления сжатия, Ом^.см

Давление сжатия, 10⁵ Па	Порядковый номер пористого электрода
Давление сжатия, 10⁵ Па	7	8	9	10	11	12
-	301	240	294	772	652	822
3	183	163	181	547	381	602
5	152	132	146	373	294	480
10	66	47	61	274	211	290
15	20	17	18	186	119	202
20	12	9	10	90	40	101
… 100					3	3

Таблица 5

Зависимость удельного электрического сопротивления пористого электрода от давления сжатия, Ом^.см

Давление сжатия, 10⁵ Па	Порядковый номер пористого электрода
Давление сжатия, 10⁵ Па	13	14	15	16	17	18
-	180	270	398	379	112	503
3	139	183	265	191	63	312
5	111	151	212	125	40	259
10	63	80	132	54	11	180
15	19	32	71	14	9	102
20	11	14	29	9	7	40
… 100			1			2

Анализ таблиц 3 – 5 показывает, что с увеличением давления сжатия удельное электрическое сопротивление (а, следовательно, и электрическое сопротивление) электродов из пористых углеродных материалов снижается.

Для пористых электродов 1 – 18 при увеличении давления сжатия

до 20^. 10⁵ Па удельное электрическое сопротивление снижается в 8 – 42 раза, в зависимости от состава электрода.

Учитывая то, что электрическое сопротивление пористого электрода занимает важное место в общем электрическом сопротивлении накопителя энергии с двойным электрическим слоем, снижение величины электрического сопротивления электрода является важной задачей, которая традиционно решается увеличением давления сжатия электрода, а также уменьшением толщины электрода.

Кроме углей марки ДАК, БАУ-А, БАУ-МФ испытывали и другие марки углей, в частности, БАУ, БАУ-К, ОУ-ВК, ОДУ-1, ДАК-5, ОУ-А (Б, В), АГ-3, АР, СКТ и др. У этих углей наблюдалась аналогичная зависимость электрического сопротивления от давления сжатия.

Кроме того, проведены исследования электрического сопротивления пористых электродов от давления сжатия при отрицательных (-50⁰С) и положительных (+70⁰С) температурах. Установлено, что зависимости практически не изменились по сравнению с зависимостями, полученными при +20⁰С.

Исследование саморазряда накопителей электрической энергии с электродами из пористых углеродных материалов

Ниже представлены результаты исследований саморазряда накопителей энергии от давления сжатия электродов и температуры электродов. В качестве характеристики саморазряда использована зависимость напряжения на выводах накопителя энергии (на накопителе энергии) от величины давления сжатия, температуры электродов и времени.

На фиг. 13 представлен накопитель электрической энергии с двойным электрическим слоем, выполненный в виде пакета конденсаторных элементов. Конденсаторные элементы соединены параллельно. На фигуре позициями обозначены:

95 – токосъемник;

90 – электрод;

91 – сепаратор;

92 – электрод;

93 – токосъемник;

94 – электрод;

91 – сепаратор;

96 – электрод;

97 – токосъемник.

Сепаратор выполнен из стойкого к электролиту материала. В экспериментах в качестве сепараторов использовали асбестовую бумагу и полиамидную пленку (мембрану).

Токосъемники выполнены из стальной фольги, толщиной 0.02 мм.

При экспериментах с кислотными электролитами в качестве материала токосъемника использовали пластины из электропроводной резины и стальную фольгу. Пластина из электропроводной резины одной поверхностью контактировала с электродом (пропитанным электролитом), другой поверхностью контактировала со стальной фольгой. Токосъем с электрода осуществлялся посредством электропроводной резины через стальную фольгу.

Толщина пластины из электропроводной резины составляла 2 мм.

Площадь поверхности контакта токосъемника 95 с электродом 90 составляет 4225 мм² (65мм х 65мм). Токосъемники 95 и 97 соединены электрической связью, образуя положительный электрический вывод (для простоты изложения - вывод). Токосъемник 93 – отрицательный вывод.

Электроды 90, 92, 94 и 96 по размерам аналогичны.

Толщина электрода 0.04 мм, площадь соприкосновения с токосъемником 4225 мм², объем электрода 169 мм³.

На фиг.17-24 представлены результаты исследований саморазряда экспериментальных накопителей энергии. В экспериментальных накопителях в качестве электродов использовали активированный уголь из скорлупы костянки (см. таблицу 2, пористый электрод 13). Аналогичные по виду характеристики саморазряда получены и при использовании пористых электродов 1-12 и 14-18 (см. таблицы 1 и 2).

Экспериментальный накопитель энергии (пакет конденсаторных элементов, изображенный на фиг.13) в формализованном виде может быть описан следующим образом: накопитель электрической энергии с двойным электрическим слоем, содержащий электроды, разделенные сепаратором и электроды выполнены с использованием пористого углеродного материала, электроды пропитаны электролитом и расположены между токосъемниками.

На фиг. 14 изображена схема экспериментального накопителя энергии с 5 пакетами. При экспериментах, количество пакетов варьировалось от 1 до 100 штук. Количеством пакетов обеспечивалась требуемая емкость накопителя энергии при заданном рабочем напряжении и типе электролита.

На фиг.14 позицией 98 обозначена сжимающая сила, позицией 109 обозначена опорная плита.

На фиг.14 позициями обозначены:

99 – отрицательный вывод пакета конденсаторных элементов, соединенных параллельно. Позиция 99 также обозначает отрицательный вывод конденсаторного элемента, расположенного в пакете. Кроме того, позиция 99 обозначает отрицательный вывод накопителя энергии в целом;

100 – соединительная шина;

101 – электрическая связь между пакетами;

102 – изолирующая плита, выполнена из гетинакса толщиной 5 мм;

103 – изолирующая плита, выполнена из гетинакса толщиной 5 мм;

104 – пакет конденсаторных элементов. Герметизирован термоусадочной пленкой из поливинилхлорида;

105 – электрическая связь между пакетами;

106 – пакет конденсаторных элементов. Герметизирован термоусадочной пленкой из поливинилхлорида;

107 – пакет конденсаторных элементов. Герметизирован термоусадочной пленкой из поливинилхлорида;

108 – положительный вывод накопителя энергии;

110 – электрическая связь между пакетами;

111 – электрическая связь между пакетами;

112 – пакет конденсаторных элементов. Герметизирован термоусадочной пленкой из поливинилхлорида.

На фиг.15 представлен пакет из экспериментальных накопителей энергии. Накопители энергии выполнены с возможностью заряда каждого пакета в отдельности.

На фиг.15 позициями обозначены:

99 – отрицательный вывод пакета конденсаторных элементов, соединенных параллельно;

108 – положительный вывод пакета конденсаторных элементов, соединенных параллельно;

113 – положительный вывод пакета конденсаторных элементов, соединенных параллельно;

114 – положительный вывод пакета конденсаторных элементов, соединенных параллельно;

115 – отрицательный вывод пакета конденсаторных элементов, соединенных параллельно;

116 – отрицательный вывод пакета конденсаторных элементов, соединенных параллельно;

117 – положительный вывод пакета конденсаторных элементов, соединенных параллельно;

118 – отрицательный вывод пакета конденсаторных элементов, соединенных параллельно;

119 – отрицательный вывод пакета конденсаторных элементов, соединенных параллельно;

120 – положительный вывод пакета конденсаторных элементов, соединенных параллельно.

При экспериментах заряд накопителей энергии до рабочего напряжения осуществляли в течение 24 часов. Замеры напряжения в экспериментах осуществляли каждый час.

На фиг.16 представлен экспериментальный накопитель энергии с радиатором на отрицательном токосъемнике. Радиатор служит для охлаждения и нагревания накопителя энергии (в частности, для охлаждения и нагревания электродов). Аналогичные радиаторы могут выполняться на всех токосъемниках.

Ниже на фиг.17 – 24 представлены характеристики саморазряда накопителей электрической энергии с двойным электрическим слоем с различными электролитами, а именно, графики зависимости напряжения на электрических выводах накопителей энергии от времени хранения в заряженном виде при различных температурах электродов и различных сжимающих нагрузках (давлениях сжатия) на электроды. На графиках (фиг.17-24) на оси абсцисс откладывается время в сутках, на оси ординат – напряжение в Вольтах.

На фиг.17-24 представлены результаты исследований накопителей энергии,

у которых электроды выполнены с использованием активированного угля из скорлупы костянки (см. таблицу 2, порядковый номер пористого электрода 13).

Изотопный анализ активированного угля показал, что от состоит только из изотопов углерода ¹²С.

Аналогичные результаты по саморазряду получены при использовании у накопителей энергии пористых электродов с порядковыми номерами 1-12 и 14-18.

Изотопный анализ этих пористых электродов показал, что они состоят только из изотопов углерода ¹²С.

Более подробно опишем графики, представленные на фиг.17-24.

На фиг.17 представлена характеристика саморазряда накопителя электрической энергии с двойным электрическим слоем, а именно, график зависимости напряжения на электрических выводах накопителя энергии от времени хранения в заряженном виде при различных температурах электродов. Электролит выполнен с использованием щелочи. В частности, использован щелочной электролит на основе КОН (30%-ый раствор КОН в дистиллированной воде).

Рабочее напряжения накопителя энергии выбрано на уровне 3.0 В (на конденсаторной ячейке 1.0 В), электрическая емкость 50 Ф.

Позицией 121 обозначена кривая зависимости напряжения на выводах накопителя энергии от времени при температуре электродов 20⁰С. Элементы накопителя энергии находятся под действием сжимающей нагрузки 3^.10⁵ Па.

Позицией 122 обозначена кривая зависимости напряжения на выводах накопителя энергии от времени при температуре электродов 70⁰С. Элементы накопителя энергии находятся под действием сжимающей нагрузки 3^.10⁵ Па.

Аналогичные по виду характеристики саморазряда получены при других концентрациях КОН в воде, а также при использовании NaOH, Ba(OH)₂ и других щелочей, применяемых в электролитах.

Кроме того, исследовали электролиты, выполненные с использованием нескольких щелочей. Вид характеристик саморазряда был аналогичен кривым, изображенным на фиг.17.

На фиг.18 представлена характеристика саморазряда накопителя электрической энергии с двойным электрическим слоем, а именно, график зависимости напряжения на электрических выводах накопителя энергии от времени хранения в заряженном виде при различных сжимающих нагрузках. Электролит выполнен с использованием щелочи. В частности, использован щелочной электролит на основе КОН (30%-ый раствор КОН в дистиллированной воде).

Позицией 123 обозначена кривая зависимости напряжения на выводах накопителя энергии от времени при температуре электродов 20⁰С. Элементы накопителя энергии находятся под действием сжимающей нагрузки 10^.10⁵ Па.

Позицией 124 обозначена кривая зависимости напряжения на выводах накопителя энергии от времени при температуре электродов 20⁰С. Элементы накопителя энергии находятся под действием сжимающей нагрузки 20^.10⁵ Па.

Кроме того, исследовали электролиты, выполненные с использованием нескольких щелочей. Вид характеристик саморазряда был аналогичен кривым, изображенным на фиг.18.

Анализ графиков, изображенных на фиг. 17 и 18 показывает, что саморазряд увеличивается при повышении температуры электродов с 20⁰С до 70⁰С и увеличении сжимающих нагрузок от 3^.10⁵ Па до 20^.10⁵ Па.

В формализованном виде вышеописанный экспериментальный накопитель электрической энергии (с характеристиками саморазряда, изображенными на фиг. 17 и 18) может быть описан следующим образом:

накопитель электрической энергии с двойным электрическим слоем, содержащий электроды, разделенные сепаратором и электроды выполнены с использованием пористого углеродного материала, пропитаны водным электролитом на основе щелочи и расположены между токосъемниками.

Или другая формализованная запись:

Или другая формализованная запись: накопитель электрической энергии с двойным электрическим слоем, содержащий пропитанные щелочным электролитом электроды, разделенные сепаратором, при этом электроды выполнены с использованием пористого углеродного материала и электроды расположены между токосъемниками.

Щелочной электролит – это раствор щелочи или щелочей в растворителе. В качестве растворителя используют воду или жидкую смесь, одним из компонентов которой является вода. Как правило, в растворителе от 50% до 100% воды.

В качестве воды может использоваться питьевая вода, техническая вода, обессоленная вода, дистиллированная вода.

Примерами щелочного электролита, в частности, могут служить: водный раствор КОН или водный раствор NaOH.

На фиг.19 представлена характеристика саморазряда накопителя электрической энергии с двойным электрическим слоем, а именно, график зависимости напряжения на электрических выводах накопителя энергии от времени хранения в заряженном виде при различных температурах электродов. Электролит выполнен с использованием ионной жидкости

(МеВu-im)BF4 (1-метил-3-бутил-имидазолий тетрафторборат)

и растворителя. В качестве растворителя использовали ацетонитрил. Концентрация ионной жидкости в электролите составляло 75%.

Рабочее напряжения накопителя энергии выбрано на уровне 2.7 В (напряжение на конденсаторной ячейке 2.7 В), электрическая емкость 50 Ф.

Позицией 125 обозначена кривая зависимости напряжения на выводах накопителя энергии от времени при температуре электродов 20⁰С. Элементы накопителя энергии находятся под действием сжимающей нагрузки 3^.10⁵ Па.

Позицией 126 обозначена кривая зависимости напряжения на выводах накопителя энергии от времени при температуре электродов 70⁰С. Элементы накопителя энергии находятся под действием сжимающей нагрузки 3^.10⁵ Па.

Аналогичные по виду характеристики саморазряда получены при использовании и других ионных жидкостей, в частности,

(MeEth-im)BF4 (1-метил-3-этил-имидазолий тетрафторборат),

(MeEth-im)N(CN)2 (1-метил-3-этил-имидазолий дицианамид),

(MeEth-im)N(CF3SO2)2 (1-метил-3-этил-имидазолий бис(трифторметилсульфонил)имид) и др., а также их комбинаций.

В качестве альтернативных растворителей для ионных жидкостей

использовали этиленкарбонат, пропиленкарбонат, метилформиат, N,N-диметилформамид, дихлорметан и др., а также их комбинации.

Концентрации ионных жидкостей в электролитах составляли от 10 до 95%.

Проведены эксперименты с использованием в качестве электролита только ионной жидкости (без растворителя), а также ионных жидкостей (без растворителя).

На фиг.20 представлена характеристика саморазряда накопителя электрической энергии с двойным электрическим слоем, а именно, график зависимости напряжения на электрических выводах накопителя энергии от времени хранения в заряженном виде при различных сжимающих нагрузках.

Электролит выполнен с использованием ионной жидкости

(МеВu-im)BF4 (1-метил-3-бутил-имидазолий тетрафторборат) и растворителя.

Концентация ионной жидкости в электролите составляло 75%.

Позицией 127 обозначена кривая зависимости напряжения на выводах накопителя энергии от времени при температуре электродов 20⁰С. Элементы накопителя энергии находятся под действием сжимающей нагрузки 20^.10⁵ Па.

Позицией 128 обозначена кривая зависимости напряжения на выводах накопителя энергии от времени при температуре электродов 20⁰С. Элементы накопителя энергии находятся под действием сжимающей нагрузки 10^.10⁵ Па.

(MeEth-im)BF4 (1-метил-3-этил-имидазолий тетрафторборат),

(MeEth-im)N(CN)2 (1-метил-3-этил-имидазолий дицианамид),

(MeEth-im)N(CF3SO2)2 (1-метил-3-этил-имидазолий бис(трифторметилсульфонил)имид) и др., а также их комбинаций.

В качестве альтернативных растворителей для ионных жидкостей

использовали этиленкарбонат, пропиленкарбонат, метилформиат, N,N-диметилформамид, дихлорметан и др.

В качестве альтернативных растворителей для ионных жидкостей

использовали этиленкарбонат, пропиленкарбонат, метилформиат, N,N-диметилформамид, дихлорметан и др.

Анализ графиков, изображенных на фиг. 19 и 20 показывает, что саморазряд увеличивается при повышении температуры электродов с 20⁰С до 70⁰С и увеличении сжимающих нагрузок от 3^.10⁵ Па до 20^.10⁵ Па.

В формализованном виде вышеописанный экспериментальный накопитель электрической энергии (с характеристиками саморазряда, изображенными на фиг. 19 и 20) может быть описан следующим образом:

Термин «электролит выполнен с использованием ионной жидкости или ионных жидкостей» означает, что электролит может быть выполнен только из ионной жидкости или ионных жидкостей, а также, что электролит может быть выполнен из ионной жидкости с растворителем или ионных жидкостей с растворителем. При этом, растворитель может быть выполнен с использованием одного вещества или нескольких веществ.

Или другая формализованная запись:

накопитель электрической энергии с двойным электрическим слоем, содержащий пропитанные электролитом электроды, разделенные сепаратором, при этом электроды выполнены с использованием пористого углеродного материала и электроды расположены между токосъемниками, а электролит выполнен с использованием ионной жидкости.

Под термином «электролит выполнен с использованием ионной жидкости» понимается: электролит выполнен из одной или нескольких ионных жидкостей, или электролит выполнен из жидкой смеси, компонентами которой, по крайней мере, являются ионная жидкость и растворитель.

На фиг.21 представлена характеристика саморазряда накопителя электрической энергии с двойным электрическим слоем, а именно, график зависимости напряжения на электрических выводах накопителя энергии от времени хранения в заряженном виде при различных температурах электродов. Электролит выполнен с использованием кислоты. В частности, использован кислотный электролит на основе Н₂SО₄ (20%-ый раствор Н₂SО₄ в дистиллированной воде).

Рабочее напряжения накопителя энергии выбрано на уровне 3.0 В (напряжение на конденсаторной ячейке 0.75 В), электрическая емкость 50 Ф.

Позицией 130 обозначена кривая зависимости напряжения на выводах накопителя энергии от времени при температуре электродов 20⁰С. Элементы накопителя энергии находятся под действием сжимающей нагрузки 3^.10⁵ Па.

Позицией 131 обозначена кривая зависимости напряжения на выводах накопителя энергии от времени при температуре электродов 70⁰С. Элементы накопителя энергии находятся под действием сжимающей нагрузки 3^.10⁵ Па.

Аналогичные по виду характеристики саморазряда получены при использовании электролитов на основе серной кислоты с концентрациями в воде до 40%, а также при использовании электролитов на основе других кислот и комбинированных кислотных растворов.

На фиг.22 представлена характеристика саморазряда накопителя электрической энергии с двойным электрическим слоем, а именно, график зависимости напряжения на электрических выводах накопителя энергии от времени хранения в заряженном виде при различных сжимающих нагрузках. Электролит выполнен с использованием кислоты. В частности, использован кислотный электролит на основе Н₂SО₄ (20%-ый раствор Н₂SО₄ в дистиллированной воде).

Позицией 132 обозначена кривая зависимости напряжения на выводах накопителя энергии от времени при температуре электродов 20⁰С. Элементы накопителя энергии находятся под действием сжимающей нагрузки 10^.10⁵ Па.

Позицией 133 обозначена кривая зависимости напряжения на выводах накопителя энергии от времени при температуре электродов 20⁰С. Элементы накопителя энергии находятся под действием сжимающей нагрузки 20^.10⁵ Па.

Анализ графиков, изображенных на фиг. 21 и 22 показывает, что саморазряд увеличивается при повышении температуры электродов с 20⁰С до 70⁰С и увеличении сжимающих нагрузок от 3^.10⁵ Па до 20^.10⁵ Па.

В формализованном виде вышеописанный экспериментальный накопитель электрической энергии (с характеристиками саморазряда, изображенными на фиг. 21 и 22) может быть описан следующим образом:

Или другая формализованная запись:

накопитель электрической энергии с двойным электрическим слоем, содержащий пропитанные кислотным электролитом электроды, разделенные сепаратором, при этом электроды выполнены с использованием пористого углеродного материала и электроды расположены между токосъемниками.

Кислотный электролит – это раствор кислоты или кислот в растворителе. В качестве растворителя используют воду или жидкую смесь, одним из компонентов которой является вода. Как правило, в растворителе от 50% до 100% воды.

На фиг.23 представлена характеристика саморазряда накопителя электрической энергии с двойным электрическим слоем, а именно, график зависимости напряжения на электрических выводах накопителя энергии от времени хранения в заряженном виде при различных температурах электродов.

Электролит выполнен с использованием органического растворителя. В частности, использован электролит на основе ацетонитрила СН₃СN и тетрафторборат тетраэтиламмония C₈H₂₀BF₄N.

Рабочее напряжения накопителя энергии выбрано на уровне 2.5 В (напряжение на конденсаторной ячейке 2.5 В), электрическая емкость 50 Ф.

Позицией 134 обозначена кривая зависимости напряжения на выводах накопителя энергии от времени при температуре электродов 20⁰С. Элементы накопителя энергии находятся под действием сжимающей нагрузки 3^.10⁵ Па.

Позицией 135 обозначена кривая зависимости напряжения на выводах накопителя энергии от времени при температуре электродов 70⁰С. Элементы накопителя энергии находятся под действием сжимающей нагрузки 3^.10⁵ Па.

Аналогичные по виду характеристики саморазряда получены при использовании и других электролитов данного вида, в частности, на основе ацетонитрила и тетрафторборат натрия Na[BF₄], тетрафторборат калия K[BF₄] и др. В экспериментах в качестве альтернативных растворителей использовали этиленкарбонат, пропиленкарбонат, метилформиат, N,N-диметилформамид, дихлорметан и др.

На фиг.24 представлена характеристика саморазряда накопителя электрической энергии с двойным электрическим слоем, а именно, график зависимости напряжения на электрических выводах накопителя энергии от времени хранения в заряженном виде при различных сжимающих нагрузках. Электролит выполнен с использованием органического растворителя. В частности, использован электролит на основе СН₃СN и C₈H₂₀BF₄N.

Позицией 136 обозначена кривая зависимости напряжения на выводах накопителя энергии от времени при температуре электродов 20⁰С. Элементы накопителя энергии находятся под действием сжимающей нагрузки 10^.10⁵ Па.

Позицией 137 обозначена кривая зависимости напряжения на выводах накопителя энергии от времени при температуре электродов 20⁰С. Элементы накопителя энергии находятся под действием сжимающей нагрузки 20^.10⁵ Па.

Аналогичные по виду характеристики саморазряда получены при использовании и других электролитов данного вида, в частности, на основе ацетонитрила и Na[BF₄], K[BF₄] и др. В качестве альтернативных растворителей использовали этиленкарбонат, пропиленкарбонат и др.

Анализ графиков, изображенных на фиг. 23 и 24 показывает, что саморазряд увеличивается при повышении температуры электродов с 20⁰С до 70⁰С и увеличении сжимающих нагрузок от 3^.10⁵ Па до 20^.10⁵ Па.

В формализованном виде вышеописанный экспериментальный накопитель электрической энергии (с характеристиками саморазряда, изображенными на фиг. 23 и 24) может быть описан следующим образом:

накопитель электрической энергии с двойным электрическим слоем, содержащий электроды, разделенные сепаратором и электроды выполнены с использованием пористого углеродного материала, пропитаны электролитом и расположены между токосъемниками, причем электролит выполнен с использованием органического растворителя.

Или другая формализованная запись:

Накопитель электрической энергии с двойным электрическим слоем, содержащий пропитанные электролитом электроды, разделенные сепаратором, при этом электроды выполнены с использованием пористого углеродного материала и электроды расположены между токосъемниками, а электролит выполнен с использованием органического растворителя.

Под термином «электролит выполнен с использованием органического растворителя» понимается: электролит выполнен с использованием одного или нескольких органических растворителей, или электролит выполнен из жидкой смеси, компонентом которой, по крайней мере, являются органический растворитель.

В формализованном виде вышеописанные экспериментальные накопители электрической энергии (с характеристиками саморазряда, изображенными на фиг. 17- 24) могут быть описаны следующим образом:

накопитель электрической энергии с двойным электрическим слоем, содержащий электроды, разделенные сепаратором и электроды выполнены с использованием пористого углеродного материала, пропитаны электролитом и расположены между токосъемниками.

Приведем еще одну формализованную характеристику вышеописанных экспериментальных накопителей электрической энергии (с характеристиками саморазряда, изображенными на фиг. 17- 24):

Выводы.

1. В статье приведены результаты исследований электрических характеристик электродов из пористых углеродных материалов для накопителей энергии с двойным электрическим слоем. Даны определения терминам, используемым при описании накопителей электрической энергии с двойным электрическим слоем. Представлены возможные схемы накопителей энергии с двойным электрическим слоем.

2. Приведены зависимости электрического сопротивления электродов, выполненных с использованием пористого углеродного материала, от давления сжатия. Показано, что с увеличением давления сжатия удельное электрическое сопротивление (а, следовательно, и электрическое сопротивление) электродов из пористых углеродных материалов снижается.

3. Представлены характеристики саморазряда накопителей электрической энергии с различными электролитами, а именно, графики зависимости напряжения на электрических выводах накопителей энергии от времени хранения в заряженном виде при различных температурах электродов и различных сжимающих нагрузках на электроды.

Авторы статьи:

Курилов С.В.

Лифшиц М.В.

ктн, снс Лобко В.П.

Изображения

Фиг. 1-24.pdf (PDF, 4.45 Мб)