Батарея электрохимических конденсаторов и способ ее использования

Изобретение относится к области электротехники, касается особенностей конструктивного выполнения электрохимических конденсаторов с двойным электрическим слоем и может быть использовано для создания устройств, применяемых в транспортных средствах для обеспечения запуска двигателей внутреннего сгорания (ДВС), а также для комплектования энергетических блоков, работающих длительное время в буферном режиме. Сущность изобретения состоит в следующем. Батарея электрохимических конденсаторов включает корпус, положительный и отрицательный токоотводы, по меньшей мере, два электрических конденсатора, каждый из которых также содержит корпус, водный электролит, два электрода по крайней мере, один из которых является неполяризуемым, а другой - поляризуемым и выполнен в основном из активированного углеродного материала. При этом согласно изобретению батарея снабжена устройством сжатия конденсаторов, которые расположены в один или несколько рядов, а корпус каждого из конденсаторов имеет призматическую форму и выполнен из полимерного материала. Причем неполяризуемый электрод каждого конденсатора содержит в основном материал, электрохимически обратимо работающий в среде водного электролита. Предложен также способ использования охарактеризованной выше батареи электрохимических конденсаторов. Технический результат - увеличение удельной энергии батареи, повышение ее надежности при эксплуатации, а также обеспечение выравнивания напряжения конденсаторов в батарее и, как следствие, - обеспечение повышенного самозаряда батареи. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил., 3 табл.

 

Изобретение относится к области электротехники, конкретнее к электрохимическим конденсаторам (конденсаторам с двойным электрическим слоем) и к батарее на их основе, а также к способу ее использования.

Предлагаемое изобретение может быть использовано в транспортных средствах для обеспечения запуска двигателей внутреннего сгорания (ДВС), а также для комплектования энергетических блоков, работающих длительное время в буферном режиме.

На современном уровне развития техники уже известны конденсаторы и батареи на их основе, накапливающие энергию в двойном электрическом слое, образующемся на границе электронного проводника и электролита.

В качестве активного материала поляризуемого электрода таких конденсаторов используются, как правило, активированные углеродные материалы, а электролитом служат растворы на основе водных или органических растворителей.

Конденсаторы с органическим электролитом имеют более высокое рабочее напряжение (до 3 В), с водным - более дешевы и благодаря применению неполяризуемого электрода, на котором обратимо протекают окислительно-восстановительные процессы, не уступают по удельным характеристикам конденсатором с органическим электролитом. /Патент США №4697224, 1987 г., W.Halliop и др. \Дешевые суперконденсаторы\, Третий Международный семинар по конденсаторам с двойным электрическим слоем и аналогичным источникам аккумулирования энергии, Дирфилд-Бич, Флорида, 1993 (W.Halliop, The 3^th International seminar on Double Layer Capacitors and Similar Energy Storage Devices", Deerfield Beach, Florida, 1993), US Patent №5986876, 1999/.

Из отдельных конденсаторов могут быть собраны батареи на различные напряжения, которые находят применения в различных областях техники. Благодаря достаточно высокой удельной энергии, малому внутреннему сопротивлению и слабой его зависимости от температуры такие батареи могут успешно использовать для запуска ДВС.

Наиболее близким устройством к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является батарея конденсаторов с двойным электрическим слоем, включающая корпус, положительный и отрицательный токоотводы, по крайней мере два электрически соединенных конденсатора, каждый из которых содержит водный электролит и два поляризуемых электрода (А.И.Беляков. \Исследование и разработка конденсаторов с двойным электрическим слоем, предназначенных для запуска двигателей внутреннего сгорания и ускорительных систем с гибридным электропитанием\, Шестой Международный семинар по конденсаторам с двойным электрическим слоем и аналогичным устройствам накопления энергии, 9-11 декабря 1996, Дирфилд-Бич, Флорида, США).

Способ использования известной конструкции, включающий заряд и разряд конденсаторов батареи, является прототипом заявляемого способа.

Известная батарея биполярной конструкции с рабочим напряжением 16 В или 30 В состоит из последовательно и параллельно соединенных конденсаторов, в которых оба электрода являются поляризуемыми и выполненными из активированного углеродного материала, электролитом служит раствор щелочи.

Недостатками такой батареи являются:

- невысокая удельная энергия, не выше 0.4 Втч/кг (0.9 Втч/л).

- низкая надежность при эксплуатации, обусловленная применением биполярной конструкции и большого количества конденсаторов, герметизация которых трудно осуществима из-за большого периметра уплотнения;

- обеспечение выравнивания напряжения конденсаторов в батарее достигается с помощью внешней пассивной цепи, что приводит к повышенному саморазряду батареи.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является создание конструкции, исключающей вышеуказанные недостатки.

Технический результат в предлагаемом изобретении достигают созданием батареи электрохимических конденсаторов, включающей корпус, положительный и отрицательный токоотводы, по крайней мере два электрически соединенных конденсатора, каждый из которых содержит корпус, водный электролит, два электрода, по крайней мере один из которых является поляризуемым и выполнен в основном из активированного углеродного материала, которая согласно изобретению снабжена устройством сжатия конденсаторов, при этом конденсаторы расположены в один или несколько рядов, а корпус конденсаторов имеет призматическую форму и выполнен из полимерного материала, при этом второй электрод каждого конденсатора выполнен неполяризуемым и содержащим в основном материал, электрохимически обратимо работающий в среде водного электролита.

Изобретение характеризуется также тем, что устройство сжатия конденсаторов включает хомут, скрепляющий конденсаторы, пружину и по крайней мере одну пластину, контактирующую с пружиной и корпусом по крайней мере одного конденсатора и предназначенную для равномерного распределения нагрузки, направленной перпендикулярно плоскости расположенных внутри конденсатора электродов.

Это обеспечивает хороший контакт активного электродного материала с коллектором тока.

Выполнение хомута, скрепляющего конденсаторы из металла или полимерного материала, а корпус батареи из полимерного материала или из металла с защитным покрытием позволяет ...обеспечить надежное механическое закрепление конденсаторов в батарею и обеспечить защиту хомута от коррозии.

Для упрощения конструкции и уменьшения ее веса хомут, скрепляющий конденсаторы, является по существу корпусом батареи.

Соединение расположенных в один или несколько рядов конденсаторов электрически последовательно или соединение в каждом ряду конденсаторов электрически последовательно, а ряды конденсаторов соединены параллельно, позволяет при необходимости либо увеличить напряжение батареи, либо емкость при сохранении запасенной энергии.

Изобретение характеризуется также тем, что каждый конденсатор имеет водный щелочной электролит и не поляризуемый электрод, содержащий в основном гидроксиды никеля.

Благодаря применению неполяризуемого электрода такой конденсатор превосходит по своим удельным характеристикам конденсатор с двумя поляризуемыми электродами. Рабочее напряжение конденсатора в батарее электрохимических конденсаторов, содержащей водный электролит, определяется напряжением разложения водного электролита. Величина этого напряжения обусловлена не только термодинамической величиной разложения воды, но и кинетической величиной перенапряжения разложения электролита, которая ощутимо зависит от температуры. Поэтому рабочее напряжение конденсаторов, а следовательно, и батареи также зависит от температуры. Например, электрохимический конденсатор с щелочным электролитом и неполяризуемым электродом из гидроксидов никеля при температуре от 0 до 60°С может заряжаться до максимального рабочего напряжения 1,6 В, а при температуре от минус 15 до минус 50°С - до напряжения 2,0 В. При этом батарея, содержащая, например, 10 последовательно соединенных конденсаторов при температуре от 0 до 60°С имеет максимальное рабочее напряжение 16 В, а при температуре от минус 15 до минус 50°С рабочее напряжение составляет 20 В, а батарея из 20 последовательно соединенных конденсаторов при температуре от 0 до 60°С имеет максимальное рабочее напряжение 32 В, а при температуре от минус 15 до минус 50°С максимальное рабочее напряжение составляет 40 В. Более высокое рабочее напряжение позволяет запасать большую энергию конденсатора, а следовательно, и батареи электрохимических конденсаторов, при этом максимальное рабочее напряжение рассчитывают по полученной эмпирически формуле U_T=U₅₀(1+0,005(Т-50)), где

Uт - максимальное зарядное напряжение при данной температуре,

U₅₀ - максимальное зарядное напряжение при температуре плюс 50°С,

Т - температура в градусах Цельсия.

Предлагаемая батарея электрохимических конденсаторов обладает свойством самовыравнивания элементов по напряжению. При возрастании напряжения в конденсаторах возникает возможность протекания электрохимических процессов с участием водного электролита и образования на электродах водорода и кислорода, что приводит к возрастанию токов утечки и выравниванию элементов по напряжению. Данное явление позволяет избежать применения в батарее электрохимических конденсаторов внешней электронной системы выравнивания конденсаторов.

Технический результат в предлагаемом изобретении достигают созданием способа использования батареи электрохимических конденсаторов включающего заряд и разряд конденсаторов батареи, в котором согласно изобретению батарею подключают к внешнему источнику электропитания, при этом величину подаваемого напряжения выбирают равной 80-100% от максимального рабочего напряжения батареи, а время нахождения при данном напряжении составляет 60-95% от времени работы батареи.

Сущность предлагаемого изобретения описана в нижеследующем описании конструкции батареи электрохимических конденсаторов и способа ее использования и чертежами, где

на фиг.1 изображена батарея электрохимических конденсаторов, в которой конденсаторы расположены в один ряд, вид сбоку;

на фиг.2 изображена батарея электрохимических конденсаторов, в которой конденсаторы расположены в один ряд, вид сверху;

на фиг.3 изображена батарея электрохимических конденсаторов, в которой конденсаторы расположены в два ряда вид сбоку;

на фиг.4 изображена батарея электрохимических конденсаторов, в которой конденсаторы расположены в два ряда, вид сверху;

на фиг.5 приведен график, показывающий, как выравниваются напряжения на элементах в составе модуля из примера 7 при возрастании напряжения от 39 до 45 В.

Каждый конденсатор в батарее содержит призматический корпус 1 из полимерного материала, водный, например, щелочной электролит, поляризуемый электрод, выполненный в основном из активированного углеродного материала и неполяризуемый электрод, содержащий в основном материал, электрохимически обратимо работающий в среде водного электролита, например, содержащий в основном гидроксиды никеля.

Батарея электрохимических конденсаторов содержит корпус 2, 3 положительный 4 и отрицательный 5 токоотводы, по крайней мере два электрически соединенных конденсатора с помощью перемычек 6, расположенных в один или несколько рядов. Например, в каждом ряду конденсаторы электрически могут быть соединены последовательно, а ряды конденсаторов соединены параллельно.

Устройство сжатия конденсаторов включает хомут 7, скрепляющий конденсаторы, пружину 8 и по крайней мере одну пластину 9, контактирующую с пружиной и корпусом 1, по крайней мере одного конденсатора и предназначенную для равномерного распределения нагрузки, направленной перпендикулярно плоскости расположенных внутри конденсатора электродов.

При этом хомут 7 может быть выполнен из металла или полимерного материала, а корпус батареи изготовлен из полимерного материала или из металла с защитным покрытием.

В зависимости от технологической необходимости хомут 7, скрепляющий конденсаторы, может являться по существу корпусом батареи.

Работу батареи осуществляют следующим образом.

Подключают батарею к источнику электропитания и заряжают ее до напряжения, которое рассчитывается с учетом окружающей температуры по уравнению U_T=U₅₀(1+0,005(T-50)), где

Uт - максимальное зарядное напряжение при данной температуре,

U₅₀ - максимальное зарядное напряжение при температуре плюс 50°С,

Т - температура в градусах Цельсия.

При длительной эксплуатации батареи, например, в буферном режиме величину зарядного напряжения выбирают равной 80-100% от максимального рабочего напряжения батареи, а время нахождения при данном напряжении составляет 60-95% от времени работы батареи.

Рассмотрим несколько примеров выполнения предлагаемой конструкции батареи.

Пример 1. Батарея электрохимических конденсаторов состоит из 10 конденсаторов, содержащих водный электролит на основе гидроксида калия (плотностью 1,3 г/см³). Поляризуемый электрод толщиной 300 мкм выполнен из материала на основе активированного углеродного порошка.

Неполяризуемый фольговый электрод в качестве активного материала содержит гидроксид никеля и имеет толщину 100-120 мкм. Емкость конденсатора составляет 2900 Ф, а внутреннее сопротивление при комнатной температуре - 0.3 мОм.

Каждый конденсатор имеет призматическую конструкцию с габаритными размерами 60×25×126 мм.

Десять последовательно соединенных с помощью медных никелированных перемычек конденсаторов скреплены хомутом из полимерного материала, соединенным с пластинчатой пружиной и полимерный вкладыш для равномерного распределения давления по стенке конденсатора.

Корпус батареи изготовлен из металла с защитным покрытием, а крышка из полимерного материала. Токоотводы батареи выведены наверх через его крышку. Характеристики батареи в сравнении с прототипом представлены в таблице 1.

Пример 2. В отличие от примера 1 батарея электрохимических конденсаторов состоит из элементов с емкостью 6000 Ф и внутренним сопротивлением 0.3 мОм.

Каждый конденсатор содержит поляризуемый электрод толщиной 600 мкм, выполненный из материала на основе активированной углеродной ткани.

Не поляризуемый электрод в качестве активного материала содержит - гидроксид никеля и имеет спеченную конструкцию и толщину 300 мкм.

Конденсатор имеет призматическую конструкцию с габаритными размерами 83.5×31.5×148 мм.

В отличие от примера 1 десять последовательно соединенных конденсатора скреплены металлическим бандажом, а корпус батареи изготовлен из полимерного материала. Характеристики батареи в сравнении с прототипом представлены в таблице 1.

Пример 3. В отличие от примера 2 батарея состоит из 20 конденсаторов, которые расположены в два ряда, при этом в каждом ряду 10 конденсаторов электрически соединены последовательно, а ряды - соединены параллельно.

Характеристики модуля в сравнении с прототипом представлены в таблице 1.

Пример 4. В отличие от примера 1 батарея состоит из 20 последовательно соединенных конденсаторов, расположенных в два ряда.

Характеристики батареи электрохимических конденсаторов в сравнении с прототипом представлены в таблице 2.

Пример 5. В отличие от примера 2 батарея состоит из 20 последовательно соединенных конденсаторов, расположенных в два ряда. Характеристики батареи в сравнении с прототипом представлены в таблице 2.

Пример 6. В отличие от примера 5 батарея электрохимических конденсаторов состоит из конденсаторов с емкостью 10000 Ф, внутренним сопротивлением 0.3 мОм и габаритными размерами 83.5×31.5×208. Характеристики батареи электрохимических конденсаторов в сравнении с прототипом представлены в таблице 2.

Пример 7. В отличие от примера 2 батарея электрохимических конденсаторов состоит из 30 последовательно соединенных конденсаторов, расположенных в два ряда по 15 элементов. Хомут в данной батарее являет одновременно корпусом конденсаторов, а корпус батареи изготовлен из металла.

Характеристики батареи электрохимических конденсаторов в сравнении с прототипом представлены в таблице 3.

Как видно из таблиц, удельная мощность описанных в примерах батарей не уступает удельной мощности прототипа, а удельная энергия существенно превышает удельную энергию прототипа.

Повышение максимального напряжения при отрицательных температурах позволяет запасать значительно большую энергию по сравнению, например, с комнатной температурой.

При работе батареи, например, в буферном режиме, когда величину зарядного напряжения выбирают равной 80-100% от максимального рабочего напряжения батареи, а время нахождения при данном напряжении составляет 60-95% от времени работы батареи, можно избежать применения в батареи внешней электронной системы выравнивания конденсаторов.

1. Батарея электрохимических конденсаторов, которая включает корпус, положительный и отрицательный токоотводы, по крайней мере, два электрически соединенных конденсатора, каждый из которых содержит водный электролит, два электрода, по крайней мере, один из которых является поляризуемым и выполнен в основном из активированного углеродного материала, отличающаяся тем, что она снабжена устройством сжатия конденсаторов, при этом конденсаторы расположены в один или несколько рядов, а корпус конденсаторов имеет призматическую форму и выполнен из полимерного материала, при этом второй электрод каждого конденсатора выполнен неполяризуемым, содержащим в основном материал, электрохимически обратимо работающий в среде водного электролита.

2. Батарея электрохимических конденсаторов по п.1, отличающаяся тем, что устройство сжатия конденсаторов включает хомут, скрепляющий конденсаторы, пружину и, по крайней мере, одну пластину, контактирующую с пружиной и корпусом, по крайней мере, одного конденсатора и предназначенную для равномерного распределения нагрузки, направленной перпендикулярно плоскости расположенных внутри конденсатора электродов.

3. Батарея электрохимических конденсаторов по п.2, отличающаяся тем, что хомут, скрепляющий конденсаторы, выполнен из металла или полимерного материала, а корпус батареи изготовлен из полимерного материала или из металла с защитным покрытием.

4. Батарея электрохимических конденсаторов по п.2 или 3, отличающаяся тем, что хомут, скрепляющий конденсаторы, является, по существу, корпусом батареи.

5. Батарея электрохимических конденсаторов п.1, отличающаяся тем, что расположенные в один или несколько рядов конденсаторы соединены электрически последовательно.

6. Батарея электрохимических конденсаторов по п.1 или 5, отличающаяся тем, что в каждом ряду конденсаторы электрически соединены последовательно, а ряды конденсаторов соединены параллельно.

7. Батарея электрохимических конденсаторов по п.1, отличающаяся тем, что каждый конденсатор имеет водный щелочной электролит и неполяризуемый электрод, содержащий в основном гидроксиды никеля.

8. Способ использования батареи электрохимических конденсаторов, включающий заряд и разряд конденсаторов батареи, отличающийся тем, что батарею подключают к внешнему источнику электропитания, при этом величину подаваемого напряжения выбирают равной 80-100% от максимального рабочего напряжения батареи, а время нахождения при данном напряжении составляет 60-95% от времени работы батареи.

9. Способ использования батареи электрохимических конденсаторов по п.8, отличающийся тем, что максимальное рабочее напряжение выбирают равным U_T=U₅₀ (1+0,005(Т-50)), где U_T - максимальное зарядное напряжение при данной температуре, U₅₀ - максимальное зарядное напряжение при температуре 50°С, Т - температура в градусах Цельсия.