Способ накопления и хранения электрической энергии в ионисторе

Изобретение относится к способу накопления и хранения электрической энергии в ионисторах, обладающих повышенной удельной электроемкостью, мощностью и низкой плотностью тока утечки. Сущность изобретения заключается в том, что в качестве среды для переноса заряда в ионисторе используют ионизированные газообразные молекулы неорганических комплексных соединений металлов и/или солей. Данный способ характеризуется низкой плотностью тока утечки (1-20 мкА/см²) и позволяет использовать ионисторы в жестких температурных условиях (600-1000°C). 1 ил. 4 пр.

 

Изобретение относится к способу накопления и хранения электрической энергии в конденсаторах с двойным электрическим слоем (ионисторах), обладающих повышенной удельной электроемкостью и мощностью, и может найти широкое применение в современной энергетике, в автомобилестроении, авиационной и космической технике и др., в частности при создании источников питания, работающих в жестких температурных условиях.

Известны способы накопления электрической энергии в ионисторах путем его зарядки, в которых в качестве среды для переноса электрического заряда используют жидкие электролиты, такие как водные растворы различных солей, растворы солей в органических растворителях, растворы серной кислоты, твердые электролиты и др. (JPS 6184819, JPS 61287216, US 4813731, RU 2121727).

Основным недостатком данного способа накопления и хранения электроэнергии в ионисторах является невозможность его использования при температурах окружающей среды выше 70-80°С.

Другими недостатками данного способа являются:

- низкое рабочее напряжение (до ~1,5 V);

- низкая скорость накопления энергии (быстродействие).

Известен способ накопления и хранения электрической энергии в ионисторе путем его зарядки, в котором в качестве электролита (среды для переноса электрического заряда) используют расплавы соли или смеси солей, которые имеют низкое давление насыщенных паров при рабочих температурах 50-400°C (RU 2130211).

Основным недостатком данного способа накопления и хранения электроэнергии в ионисторах является невозможность его использования при температурах окружающей среды выше 400°C.

Другими недостатками данного способа являются:

- низкое рабочее напряжении (до ~1,5 V);

- низкая скорость накопления энергии (низкое быстродействие).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому способу (прототип) является способ накопления и сохранения энергии в ионисторах путем его зарядки, в котором в качестве среды для переноса электрического заряда используют ионизированные атомы элементов 18-й группы Периодической системы Д.И. Менделеева, т.е. инертные газы, находящиеся в состоянии плазмы (US 5319518).

В данном патенте отмечается, что рабочее напряжение при использовании такого способа может быть увеличено, по крайней мере, до 25,5 V (потенциал ионизации атомов гелия). Это, в свою очередь, в соответствии с формулой E=½C*V², свидетельствует о том, что ионисторы, использующие в качестве среды для переноса заряда ионизированный инертный газ, позволяют аккумулировать значительно больше электроэнергии, чем ионисторы, использующие в качестве электролита растворы и расплавы солей.

Другим преимуществом данного способа накопления и сохранения энергии в ионисторах является высокая скорость накопления энергии (быстродействие), которая обеспечивается большей подвижностью заряженных части, которая на 3-4 порядка выше по сравнению с подвижностью ионов в растворе и расплавах электролитов.

При всех преимуществах данного способа основным его недостатком является большая плотность тока утечки, которая для данного способа, использующего в качестве среды для переноса заряда ионизированные атомы инертного газа (смесь катионов и электронов), составляет не менее 2 мА/см². Такая высокая плотность тока утечки приводит к быстрой разрядке ионистора и не позволяет использовать данный способ на практике.

Технической задачей способа является уменьшение плотности тока утечки до значений, приемлемых для практической эксплуатации ионистора.

Технический результат достигается способом накопления и хранения электрической энергии в ионисторе путем его зарядки при использовании в качестве среды для переноса заряда ионизированных газообразных веществ, в котором в качестве газообразных веществ используют молекулы неорганических комплексных соединений металлов и/или солей.

В качестве комплексных соединений металлов могут быть использованы тетрагалобораты, тетрагалоалюминаты, тетрагалогаллаты металлов, а также их смеси. В частности, тетрафтор-, тетрахлор-, тетрабром-бораты лития, натрия, калия, серебра и меди; тетрафтор-, тетрахлор-, тетрабром-алюминаты лития, натрия и калия; тетрафтор-, тетрахлор-, тетрабром-галлаты лития, натрия, калия и меди.

В качестве солей могут быть использованы галогениды олова, титана, цинка и др., соли металлов и кислородсодержащих кислот (борной, фосфорной, серной и др.).

Данные соединения и соли при ионизации в газовой фазе образуют смесь катионов и анионов с низким содержанием электронов (Л.Г. Сидоров, Молекулы, ионы и кластеры в газовой фазе // Соросовский образовательный журнал, 2000, т.6, №11, с.46-51).

Сущность предлагаемого способа иллюстрируется описанием конструкции ионистора (Фигура), работающего по данному способу, и примерами.

Корпус ионистора выполнен в виде таблетки из жаропрочной стали, состоящей из двух частей (1) и (2) и герметически соединенных между собой фланцевым соединением через диэлектрик (3). Части (1) и (2) одновременно выполняют функции токосъемников для электродов (5) и (7), которые выполнены из пористого углеродного материала и размещены в «чашках» из графита (4) и (6). Между электродами имеется свободное пространство (8), в котором находится неорганическое комплексное соединение и/или соль. Все внутреннее пространство ионита находится под вакуумом (1*10^-1-1*10^-3 Па).

Основным условием работы ионистора по заявленному способу является нахождение неорганических комплексных соединений металлов и/или солей в газовой фазе в ионизированном состоянии.

Для перевода твердых при нормальных условиях неорганических комплексных соединений металлов и/или солей инонистор размещали в термостате, в котором его нагревали до температуры 600-1000°C. При такой температуре происходил переход (испарение) неорганических комплексных соединений металлов и/или солей в газовую фазу и последующая ионизация их молекул с образованием катионов и анионов.

После испарения и ионизации неорганических комплексных соединений металлов и/или солей и последующей подаче напряжения на токосъемники на отрицательном электроде формировался слой из катионов (9), а на положительном электроде - слой из анионов (10).

Следует отметить, что ионизация газообразных неорганических комплексных соединений металлов и/или солей может быть осуществлена и другими способами, например фотоионизацией, ионизацией электронным ударом, поверхностной ионизацией и др.

Следующие примеры иллюстрируют способ.

Пример 1

Для иллюстрации способа был изготовлен ионистор, в котором в качестве электродов использовали пластины из пористого углеродного материала (5) и (7) диаметром 60 мм и толщиной 4 мм. Удельная емкость материала пластины 800 Ф/г, удельная плотность 0.4 г/см³; удельное сопротивление 0.5 Ом/см. В свободном пространстве ионистора было размещено 0.1 г тетрафторбората лития.

При рабочем напряжении, равным U=15 В, и 780°C плотность тока утечки ионистора составила 1 мкА/см².

Пример 2

Использовали ионистор по примеру 1, но в качестве электролита использовали смесь тетрахлорида титана и тетрахлогаллата лития при массовом соотношении 1:6.

При 830°C и U=10 В плотность тока утечки - 9 мкА/см².

Пример 3

Использовали ионистор по примеру 1, но в качестве электролита использовали смесь тетрафторалюминат натрия и четыреххлористого олова при массовом соотношении 1:8.

При 890°C и U=6 В плотность тока утечки - 15 мкА/см².

Пример 4

Использовали ионистор по примеру 1, но в качестве электролита использовали смесь тетрахлорбората калия и фосфата лития при массовом соотношении 1:10.

При 950°C и U=5 В плотность тока утечки - 20 мкА/см².

Таким образом, использование в ионисторе в качестве среды для переноса заряда газообразных ионизированных молекул неорганических комплексных соединений металлов и/или солей позволяет существенно снизить плотность тока утечки с 2 мА/см² до 1-20 мкА/см².

Способ накопления и хранения электрической энергии в ионисторе путем его зарядки при использовании в качестве среды для переноса заряда ионизированных газообразных веществ, отличающийся тем, что в качестве газообразных веществ используют молекулы неорганических комплексных соединений металлов и/или солей.