Материал: 687_Sazhnev_A.M._Sistemy_ehlektropitanija_

Рисунок 1.19 Схема элементарного суперконденсатора

Рисунок 1.20 Технологии изготовления суперконденсаторов

Наборная технология предусматривает создание суперконденсатора с необходимыми характеристиками (напряжение и мощность) в едином модуле путем набора из необходимого количества последовательно-параллельно соединенных элементарных ячеек. Эта технология разработана впервые в мире

31

в России в семидесятых годах прошлого века [13]. Намоточная технология разработана в тридцатых годах прошлого века фирмой Maxwell (США) для обычных конденсаторов и в девяностых годах прошлого века была применена для создания суперконденсатора [14]. При этом базовым изделием является элементарный суперконденсатор с напряжением порядка трех вольт, а необходимое заказчику напряжение, например, 300 В обеспечивается использованием ста элементарных суперконденсаторов, коммутируемых с учётом балансировки разброса их характеристик. Эта технология нашла широкое распространение несмотря на то, что намоточные суперконденсаторы не соответствуют экологическим нормам в связи с использованием высокотоксичного органического электролита. Кроме того, суперконденсаторы наборной и намоточной технологий в основном применяются в разных областях техники: суперконденсаторы наборной технологии используется в основном для создания мощных высоковольтных систем, которые и определяют будущее использования суперконденсаторов. Поэтому перспективными являются суперконденсаторы наборной технологии.

Принцип построения наборных суперконденсаторов состоит в соединении в едином герметичном корпусе элементарных суперконденсаторов для достижения заданных рабочего напряжения, электрической емкости (запасенной энергии) и мощности. Пакет последовательно-параллельно соединенных элементарных суперконденсаторов (рис. 1.21 и 1.22) тщательно герметизируется и изолируется от корпуса. Силовой корпус обеспечивает предварительное сжатие пакета [15].

Рисунок 1.21 Схема конструкции наборного суперконденсатора

32

Рисунок 1.22 Схема внутренней коммутации наборного суперконденсатора

Следует отметить, что производимые в настоящее время наборные суперконденсаторы на водных электролита с удельной запасенной энергией до 2,5 кДж/кг и удельной мощностью до 5,0 кВт/кг полностью соответствуют их применениям в качестве источников импульсной мощности. На рис. 1.23 приведен общий вид конструктивного решения наборного суперконденсатора ЗАО НПО «ТехноКор».

Рисунок 1.23 Наборный суперконденсатор

НПО «ТехноКор» производит наборные суперконденсаторы с номинальным напряжением от 12 до 420 В, емкостью от 0,1 до 500 фарад, запасенной энергией от 5 до 150 кДж, мощностью импульсного разряда до 100 кВт при токе разряда до 5000 А. и сохраняющими свои характеристики при практически неограниченным количестве циклов заряд-разряд. Эти наборные суперконденсаторы работают в температурном диапазоне – 45 + 60 0С, устойчивы к воздействию токов короткого замыкания, кратковременных перенапряжений и напряжений обратной полярности, пожаро- и

33

взрывобезопасны, обладают необходимой вибро- и ударопрочностью, не требуют технического обслуживания во время всего срока эксплуатации. Номенклатура наборных суперконденсаторов «ТехноКор» приведена в таблице

1.8 [16].

Основным направлением для повышения удельных энергетических характеристик наборных суперконденсаторов является замена водного электролита на органический, а также оптимизация характеристик пор активной массы: структуры пористости и химии поверхности углеродного пористого материала [17].

В настоящее время в мировой практике широко распространен органический электролит на основе ацетонитрила. Однако, поскольку это высокотоксичный взрыво- и пожароопасный материал, в работе ОИВТ РАН по принципиальным и прагматическим соображениям он не рассматривается в качестве перспективного электролита. Задачей проведенных исследований была разработка нового нетоксичного электролита с рабочим напряжением не менее 3,5 вольт и приемлемыми эксплуатационными характеристиками. Альтернативой электролиту на основе ацетонитрила является экологически чистый органический электролит на основе ионной жидкости. Для достижения максимальных значений электроэнергетических характеристик суперконденсаторов, а именно запасенной энергии и мощности, к электролитам предъявляется ряд требований:

34

максимально достижимое напряжение декомпозиции;

максимально достижимая электрическая проводимость;

температурный диапазон - 40 …+50 0С;

экологические требования – отсутствие токсичности, взрывопожароопасности и влияния на экосферу;

диапазон высот применения до 5 км и т. д.

Исходя из этих требований, наиболее перспективными для использования в суперконденсаторах нового поколения являются ионные жидкости (ИЖ). Ионные жидкости – это органические соли, жидкие при комнатной или близкой к ней температуре. Они состоят из объемистого органического катиона и неорганического или органического аниона. Повышенное внимание к ИЖ обусловлено наличием у них таких свойств, как широкий интервал жидкого состояния (свыше 300 оС), некоторые ИЖ характеризуются высокой ионной проводимостью [свыше 10-4 (Ом·см)-1] и широким электрохимическим окном стабильности (свыше 4 В), что делает их особенно привлекательными для использования в электрохимических процессах. Особенностью ионных жидкостей является то, что их физико-химические свойства могут быть управляемы, путем изменением их структуры (изменение структур катиона и аниона). После проведенных исследований значительного числа органических электролитов в качестве перспективного электролита была выбрана ионная жидкость BMImi BF4 (таблица 1.9) [18, 19].

Следует подчеркнуть, что в таблице 1.9 приведены характеристики

Таблица 1.9 Ионная жидкость 1-метил-3-бутил имидазолий тетрафторборат

ионной жидкости, синтезированной в лаборатории профессора Я.С. Выгодского из Института элементоорганических соединений РАН, где были разработаны оригинальные методы синтеза и получены необходимые количества этих веществ [20]. Необходимость в получении лабораторных образцов связана с тем, что настоящая работа ориентирована на последующее промышленное производство сравнительно дешевого электролита. И в этом случае было необходимо изучить характеристики ионных жидкостей различной степени чистоты, получающихся при различных алгоритмах синтеза, которые определяют степень сложности процесса синтеза и, в конечном счете, стоимость полученных веществ.

На основании проведенных исследований была разработана конструкция наборного суперконденсатора с электролитом на основе ионной жидкости и

35