Устройство для накопления и хранения электрической энергии (варианты)
Группа полезных моделей относится к электротехнике, а именно к устройствам для накопления и хранения электрической энергии. Техническим результатом группы полезных моделей является снижение саморазряда при увеличении плотности энергии на единицу массы. Предложены различные варианты конструктивного выполнения устройства. Первый вариант устройства для накопления и хранения электрической энергии содержит герметичный корпус, состоящий из основания 1 и крышки 2, электрические контакты 3 и 4, плоские электроды 5, 6, изолятор 7, ячеистые структуры 8, ионопроводящие слои 9, наполнитель 10, мембрану (сепаратор) 11 и электролит. Второй вариант отличается от первого наличием ионопроводящих подложек 12, разделяющих наполнитель 10 на слои. 2 н.п., 15 з.п. ф-лы, 7 ил.
Область техники
Группа полезных моделей относится к электротехнике, а именно к устройствам для накопления и хранения электрической энергии.
Уровень техники
Проблема хранения электрической энергии - одна из важнейших не только в энергетике, но и в экономике, а также в науке. Решение проблемы эффективного сохранения и накопления полученной электроэнергии позволит более продуктивно применять способы ее производства с использованием возобновляемых источников энергии, таких как гидроэнергетика, гелиоэнергетика или ветроэнергетика. Кроме того, эффективное накопление электроэнергии позволит решить проблемы пикового потребления в энергетике, связанные с суточными, сезонными или иными непрогнозируемыми изменениями в потребляемой мощности.
Наиболее распространенными устройствами для накопления и хранения электроэнергии являются твердотельные литиево-ионные аккумуляторы, обладающие хорошим соотношением энергия/масса, отсутствием эффекта памяти и высокой долговечностью при хранении. Тремя основными функциональными компонентами литиево-ионного аккумулятора являются анод, катод и электролит, для которого могут быть использованы различные материалы. Наиболее распространенным материалом для анода является графит. Катод может быть выполнен с использованием интеркалированных соединений лития, например кобальтита лития, фосфата лития-железа, перманганата лития и других.
Существуют также литиево-металлические аккумуляторы, или литий-металл-полимерные аккумуляторы, которые представляют собой перезаряжаемые аккумуляторы, являющиеся развитием литиево-ионных аккумуляторов. Структура литиево-металлического аккумулятора включает литиево-металлический анод, полимерный композитный электролит и катод. Литиево-металлические аккумуляторы могут быть сформированы посредством складывания тонких пленок этих материалов вместе. Получившаяся в результате структура устройства является гибкой, упругой и прочной. Преимущества литий-металл-полимерной структуры в сравнении с традиционной литиево-ионной конструкцией включают низкую стоимость изготовления и более высокую устойчивость к физическим повреждениям.
Недостатками известных типов аккумуляторов являются длительное время заряда, пожароопасность при перезарядке и/или перегреве, старение.
Одним из направлений в устройствах накопления и хранения электроэнергии являются суперконденсаторы (ионисторы), которые имеют сходство с обычными конденсаторами, за исключением того, что они обеспечивают очень высокую емкость в небольшом корпусе. Одним из типов суперконденсаторов является электрический двухслойный конденсатор (см., например, US 5453909 А, 26.09.1995). В электрическом двухслойном конденсаторе аккумулирование энергии осуществляется посредством статического заряда, а не электрохимического процесса, присущего аккумуляторам. Приложение разности потенциалов к положительной и отрицательной пластинам заряжает суперконденсатор. Хотя обычный конденсатор состоит из проводящей фольги и сухого разделителя, суперконденсатор пересекается с технологиями аккумуляторов посредством использования электродов и электролитов, аналогичных электродам и электролитам, используемым в литиево-ионных или литиево-металлических аккумуляторах. Преимущества суперконденсаторов заключаются в высокой скорости зарядки и разрядки, простоте зарядного устройства, долговечности, малый вес по сравнению с электролитическими конденсаторами подобной емкости, низкая токсичность материалов, неполярность.
В последнее время, для увеличения емкости и срока службы суперконденсаторов, в них используются наноструктурированные материалы (см. например, US 2011013344 A1, 20.01.2011; WO 2011159477 A1, 22.12.2011; US 7852612 B2, 14.12.2010).
В качестве наиболее близкого аналога взят суперконденсатор (см. US 2002048143 A1, 25.04.2002) состоящий из двух металлических электродов, на внутренних поверхностях которых нанесен слой углеродных нанотрубок, электролита в пространстве между электродами и сепаратора, разделяющего электролит между электродами.
Недостатками известных суперконденсаторов являются небольшая удельная энергия, по сравнению с аккумуляторами, зависимость напряжения от степени заряженности, возможность выгорания внутренних контактов при коротком замыкании, значительно больший, по сравнению с аккумуляторами, саморазряд.
Раскрытие полезной модели
Задачей, на решение которой направлена предложенная группа полезных моделей, является создание устройств накопления и хранения электрической энергии, лишенных недостатков известных средств (аккумуляторов и суперконденсаторов), и сочетающих в себе их преимущества. Техническим результатом группы полезных моделей является снижение саморазряда при увеличении плотности энергии на единицу массы.
Технический результат достигается в устройстве для накопления и хранения электрической энергии, включающем электроды, углеродный наноматериал, ионопроводящую мембрану (сепаратор) и электролит. При этом между электродами расположен изолятор, имеющий H-образные сечения в двух перпендикулярных плоскостях, с внешней стороны каждого электрода, в полостях изолятора, располагаются ячеистые структуры из изоляционного материала на стенки которых нанесены ионопроводящие слои, внутри ячеек находится спрессованный наполнитель, содержащий углеродный наноматериал, а ионопроводящая мембрана (сепаратор) обернута вокруг изолятора и выполнена с возможностью обеспечения ионной связи между наполнителем в ячеистых структурах.
Расстояние от поверхности электродов до соответствующих ионопроводящих слоев на стенках ячеек не превышает глубины А эффективного поглощения ионов слоем наполнителя внутри ячейки, а расстояние В между ионопроводящими слоями на противоположных стенках ячейки удовлетворяет условию: В=2А, причем толщина ячеистых структур не превышает 2А.
Технический результат достигается также в устройстве для накопления и хранения электрической энергии, включающем электроды, углеродный наноматериал, ионопроводящую мембрану (сепаратор) и электролит. При этом между электродами расположен изолятор, имеющий H-образные сечения в двух перпендикулярных плоскостях, с внешней стороны каждого электрода, в полостях изолятора, расположены два или более ячеистых слоев, разделенных ионопроводящими подложками, причем каждый слой включает ячеистую структуру из изоляционного материала, спрессованный наполнитель внутри ячеек, содержащий углеродный наноматериал. Начиная со вторых ячеистых слоев, на стенки ячеистых структур нанесены ионопроводящие слои, а ионопроводящая мембрана (сепаратор) обернута вокруг изолятора и выполнена с возможностью обеспечения ионной связи между наполнителем во внешних ячеистых слоях.
В одном из вариантов устройства с каждой стороны электрода все ячеистые слои имеют общую ячеистую структуру, разделяющие ионопроводящие подложки расположены в каждой ячейке, причем расстояние от поверхности электродов до вторых ячеистых слоев не превышает глубины А эффективного поглощения ионов слоем наполнителя внутри ячейки, а расстояние В между ионопроводящими слоями на противоположных стенках ячеек удовлетворяет условию: В=2А, при этом толщина ячеистых слоев не превышает А.
В другом варианте устройства с каждой стороны электрода все ячеистые слои имеют отдельную ячеистую структуру, ячейки в слое имеют общую разделяющую ионопроводящую положку, причем расстояние от поверхности электродов до вторых ячеистых слоев не превышает глубины А эффективного поглощения ионов слоем наполнителя внутри ячейки, а расстояние В между ионопроводящими слоями на противоположных стенках ячеек удовлетворяет условию: В=2А, при этом толщина ячеистых слоев не превышает А.
Во всех вариантах устройства в качестве углеродного наноматериала можно использовать углеродные нанотрубки.
Наполнитель дополнительно может содержать активированный уголь и/или ионопроводящие добавки, которыми могут быть микроцеллюлоза и/или наноцеллюлоза.
Электроды могут быть выполнены с развитой площадью поверхности, например, в виде ребер или игл, и изготовлены из металла или комбинации металла и графитовой ткани, а электролит может быть кислотным или щелочным.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схематичный вид фронтального разреза предложенного устройства в соответствии с первым вариантом конструктивного выполнения.
Фиг.2 - схематичный вид разреза предложенного устройства в горизонтальной плоскости в соответствии с первым вариантом конструктивного выполнения.
Фиг.3 - схематичный вид фронтального разреза предложенного устройства в соответствии со вторым вариантом конструктивного выполнения.
Фиг.4 - схематичный вид разреза предложенного устройства в горизонтальной плоскости в соответствии со вторым вариантом конструктивного выполнения.
Фиг.5 - схематичный вид фронтального разреза предложенного устройства в соответствии с третьим вариантом конструктивного выполнения.
Фиг.6 - схематичный вид разреза предложенного устройства в горизонтальной плоскости в соответствии с третьим вариантом конструктивного выполнения.
Фиг.7 - схематичный вид разреза устройства по первому варианту, поясняющий принцип работы и конструктивные особенности.
Осуществление полезной модели
Сущность группы полезных моделей поясняется чертежами. На Фиг.1, Фиг.2 показан схематичный вид устройства в соответствии с первым вариантом конструктивного выполнения. Устройство для накопления и хранения электрической энергии содержит герметичный корпус, состоящий из основания 1 и крышки 2, электрические контакты 3 и 4, плоские электроды 5, 6, изолятор 7, ячеистые структуры 8, ионопроводящие слои 9, наполнитель 10, мембрану (сепаратор) 11 и электролит (на чертеже не показан).
Основание 1 и крышка 2 корпуса выполняются из пластика и герметично свариваются между собой, при этом щели между электрическими контактами 3, и крышкой 1 загерметизированы, для предохранения устройства от внешних воздействий и вытекания электролита. Электрические контакты 3 и 4 связывают электроды 5, 6 с внешней стороной корпуса и являются выводами устройства. Электроды 5 и 6 выполняются из металла, или комбинации металла с графитовой тканью. Следует отметить, что электроды 5 и 6, помимо плоского варианта выполнения, могут быть выполнены и с развитой поверхностью, для увеличения их площади. В частности, развитая поверхность может быть выполнена в виде ребер или игл, проникающих в глубину наполнителя 10. Между электродами 5 и 6 расположен изолятор 7, имеющий H - образное поперечное сечение в двух перпендикулярных плоскостях (Фиг.1, Фиг.2) и снабженный отверстиями для прохождения электродов 5, 6 и последующего соединения их с электрическими контактами 3, 4. С внешних сторон электродов и 6, внутри полостей, сформированных изолятором 7, расположены ячеистые структуры 8 из изоляционного материала, которые образуют две группы ячеек. Материалом для изготовления ячеистых структур может служить пластик или любой другой материал с электроизоляционными свойствами. На стенках ячеек структур 8 расположены ионопроводящие слои 9, которые необходимы для проникновения ионов по всей глубине наполнителя 10 к электродам 5, 6. Различные средства и методы изготовления материалов с ионной проводимостью, из которых выполнены слои 9, широко известны в уровне техники. В качестве наполнителя 10 ячеистых структур 8 используется спрессованный углеродный наноматериал, например, углеродные нанотрубки (УНТ). Кроме того, наполнитель 10 может быть выполнен в виде спрессованной смеси из углеродных нанотрубок с добавлением микроцеллюлозы, наноцеллюлозы или активированного угля. Углеродный наноматериал, (например УНТ), активированный уголь, как и в обычных суперконденсаторах, служит для концентрации ионов на своей поверхности, а добавление микроцеллюлозы или наноцеллюлозы увеличивает ионную проводимость наполнителя 10, что в свою очередь увеличивает эффективную глубину проникновения ионов по всему объему наполнителя 10. Вокруг изолятора 7 обернута мембрана (сепаратор) 11, которая обеспечивает ионную связь между наполнителем 10 в каждой ячейки структур 8 и группами ячеек на каждом электроде 5,6. Ионопроводящие слои 9 и мембрана (сепаратор) 11 могут быть выполнены из одного и того же материала. Ионопроводящие слои 9, наполнитель 10 и мембрана (сепаратор) 11 пропитаны электролитом, который может быть как щелочным, так и кислотным.
Предложенное конструктивное выполнение позволяет увеличить плотность энергии на единицу веса за счет увеличения концентрации ионов, участвующих в образовании двойного электрического слоя, по всему объему наполнителя 10 со стороны каждого электрода.
Для достижения более эффективного и равномерного распределения плотности ионов по всей толщине наполнителя 10 и увеличения плотности энергии на единицу массы в его объеме расстояние L1 от поверхности электродов 5, 6 до соответствующих ионопроводящих слоев 9, меньше или равно глубине А эффективного поглощения ионов слоем наполнителя 10 внутри ячейки (т.е. расстояния на котором происходит резкое понижение концентрации ионов). При этом расстояние В между ионопроводящими слоями на противоположных стенках внутри каждой ячейки структур 8 должно удовлетворять условию: В=2А, а высота L2 ячеистых структур 8 много больше А.
На Фиг.3, Фиг.4 показан схематичный вид устройства в соответствии со вторым вариантом конструктивного выполнения. Данный вариант может быть использован, когда требуется сохранить напряжение при длительном разряде на согласованную нагрузку. В отличие от первого варианта, в данном варианте выполнено послойное распределение наполнителя 10 внутри ячеек. На Фиг.3, Фиг.4 показано двухслойное распределение, однако, в зависимости от требований к параметрам устройства, слоев может быть более двух. В данном варианте используется общая ячеистая структура 8 для всех слоев со стороны каждого электрода, а разделение слоев наполнителя 10 осуществляется посредством расположения в каждой ячейке структур 8 ионопроводящих подложек 12. Ионопроводящие подложки могут быть выполнены из того же материала, что и ионопроводящии слои 9 и ионопроводящая мембрана (сепаратор) 11. Выполнение послойного распределения наполнителя 10 позволяет более плотно распределять энергию по всей его толщине и осуществлять каскадный заряд/разряд устройства накопления. При этом обеспечивается возможность повышения объема накапливаемой энергии за счет увеличения эффективной толщины наполнителя 10 для концентрации ионов, участвующих в образовании двойного электрического слоя.
На Фиг.5, Фиг.6 показан схематичный вид устройства в соответствии с третьим вариантом конструктивного выполнения. В данном варианте устройства так же используется послойное распределение наполнителя 10. Отличием от второго варианта здесь является то, что каждый ячеистый слой со стороны каждого электрода имеет собственную ячеистую структуру 8, а ионопроводящие подложки 12 являются общими для всех ячеек в слое.
Во втором и третьем вариантах устройства для более эффективного и равномерного распределения плотности ионов по всей толщине наполнителя 10 и как следствие увеличения плотности энергии на единицу массы в его объеме расстояние от поверхности электродов 5, 6 до вторых ячеистых слоев не должно превышать глубины А эффективного поглощения ионов слоем наполнителя внутри ячейки, а расстояние В между ионопроводящими слоями на противоположных стенках ячеек удовлетворяет условию: В=2А, причем толщина ячеистых слоев не должна превышать А.
Работает устройство следующим образом. При приложении разности потенциалов к электрическим контактам 3, 4 ионы электролита начинают концентрироваться на поверхности углеродного наноматериала, входящего в составе наполнителя 10, в ячейках у внешних сторон соответствующих электродов 5, 6, и происходит образование ионного слоя с зарядом противоположного знака вблизи электродов (двойного электрического слоя). При отключении напряжения между заряженными электродами формируется электростатическое поле Е, силовые линии которого схематично показаны на Фиг.7. Изолятор 7 совместно с ячеистыми структурами 8 ограничивают свободное перемещение ионов в пространстве между электродами. Данное ограничение перемещения формирует области, в которых движение ионов от электродов с противоположными им зарядами возможно только против и/или поперек направления действия на них сил неоднородного электрического поля Е, образованного электродами 5 и 6. Таким образом, неоднородное электрическое поле 
удерживает ионы внутри ячеистых структур 8, что не позволяет им свободно перемещаться по объему электролита в пространстве между электродами 5, 6 и существенно снижает саморазряд устройства.
Дополнительно следует отметить, что, в отличие от известных устройств накопления и хранения электрической энергии, в которых путь между двумя ионными слоями с разными зарядами прямолинеен, в предложенных вариантах устройства, на данном пути сформированы криволинейные участки, посредством установки на пути движения ионов препятствий в виде изолятора 7 и ячеистых структур 8. Наличие вышеупомянутых криволинейных участков минимизирует движение ионов между ионными слоями с разными зарядами, вызванное силами кулоновского взаимодействия между ними. Кроме того, в отличие от классической структуры, например, суперконденсатора, в котором расстояние между ионными слоями составляет максимум десяток микрон, в предложенных вариантах устройства, за счет особенностей конструкции, данное расстояние является намного большим и, соответственно, силы кулоновского взаимодействия между ионами (которые, как известно, обратнопропорциональны квадрату расстояния) являются на порядки меньшими. Таким образом, саморазряд, вызванный кулоновским взаимодействием между разнозаряженными ионами, в предложенных вариантах устройства сведен к минимуму, при этом минимизация сил, действующих в противоположном от электрода направлении на ионы в слое, позволяет увеличить плотность ионного слоя и тем самым увеличить плотность энергии на единицу массы устройства.
В свете вышеизложенного, предложенные конструктивные решения вариантов устройства для накопления и хранения электрической энергии позволяют достичь указанный ранее технический результат, а именно снижение саморазряда при увеличении плотности энергии на единицу массы.
1. Устройство для накопления и хранения электрической энергии, включающее электроды, углеродный наноматериал, ионопроводящую мембрану (сепаратор) и электролит, отличающееся тем, что между электродами расположен изолятор, имеющий H-образные сечения в двух перпендикулярных плоскостях, с внешней стороны каждого электрода в полостях изолятора располагаются ячеистые структуры из изоляционного материала, на стенки которых нанесены ионопроводящие слои, внутри ячеек находится спрессованный наполнитель, содержащий углеродный наноматериал, а ионопроводящая мембрана (сепаратор) обернута вокруг изолятора и выполнена с возможностью обеспечения ионной связи между наполнителем в ячеистых структурах.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расстояние от поверхности электродов до соответствующих ионопроводящих слоев на стенках ячеек не превышает глубины A эффективного поглощения ионов слоем наполнителя внутри ячейки, а расстояние B между ионопроводящими слоями на противоположных стенках ячейки удовлетворяет условию: B=2A, причем толщина ячеистых структур не превышает 2A.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве углеродного наноматериала используют углеродные нанотрубки.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что наполнитель дополнительно содержит активированный уголь и/или ионопроводящие добавки.
5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что ионопроводящими добавками являются микроцеллюлоза и/или наноцеллюлоза.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электроды выполнены с развитой площадью поверхности.
7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что развитая площадь поверхности электродов выполнена в виде ребер или игл, проникающих в глубину наполнителя.
8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электроды выполнены из металла или комбинации металла и графитовой ткани, а электролит является кислотным или щелочным.
9. Устройство для накопления и хранения электрической энергии, включающее электроды, углеродный наноматериал, ионопроводящую мембрану (сепаратор) и электролит, отличающееся тем, что между электродами расположен изолятор, имеющий H-образные сечения в двух перпендикулярных плоскостях, с внешней стороны каждого электрода в полостях изолятора расположены два или более ячеистых слоя, разделенных ионопроводящими подложками, причем каждый слой включает ячеистую структуру из изоляционного материала, спрессованный наполнитель внутри ячеек, содержащий углеродный наноматериал, при этом начиная со вторых ячеистых слоев на стенки ячеистых структур нанесены ионопроводящие слои, а ионопроводящая мембрана (сепаратор) обернута вокруг изолятора и выполнена с возможностью обеспечения ионной связи между наполнителем во внешних ячеистых слоях.
10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что с каждой стороны электрода все ячеистые слои имеют общую ячеистую структуру, разделяющие ионопроводящие подложки расположены в каждой ячейке, причем расстояние
от поверхности электродов до вторых ячеистых слоев не превышает глубины A эффективного поглощения ионов слоем наполнителя внутри ячейки, а расстояние B между ионопроводящими слоями на противоположных стенках ячеек удовлетворяет условию: B=2A, при этом толщина ячеистых слоев не превышает A.
11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что с каждой стороны электрода все ячеистые слои имеют отдельную ячеистую структуру, ячейки в слое имеют общую разделяющую ионопроводящую положку, причем расстояние от поверхности электродов до вторых ячеистых слоев не превышает глубины A эффективного поглощения ионов слоем наполнителя внутри ячейки, а расстояние B между ионопроводящими слоями на противоположных стенках ячеек удовлетворяет условию: B=2A, при этом толщина ячеистых слоев не превышает A.
12. Устройство по п.9, отличающееся тем, что в качестве углеродного наноматериала используют углеродные нанотрубки.
13. Устройство по п.9, отличающееся тем, что наполнитель дополнительно содержит активированный уголь и/или ионопроводящие добавки.
14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что ионопроводящими добавками являются микроцеллюлоза и/или наноцеллюлоза.
15. Устройство по п.9, отличающееся тем, что электроды выполнены с развитой площадью поверхности.
16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что развитая площадь поверхности электродов выполнена в виде ребер или игл, проникающих в глубину наполнителя.
17. Устройство по п.9, отличающееся тем, что электроды выполнены из металла или комбинации металла и графитовой ткани, а электролит является кислотным или щелочным.
