Патент на изобретение №2163041

(54) ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ ДВУХСЛОЙНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ С УГОЛЬНО-АЛЮМИНИЕВЫМИ КОМПОЗИТНЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к конденсаторам с двойным электрическим слоем. Техническим результатом изобретения являются повышение удельных электрических характеристик и упрощение технологии изготовления конденсаторов. Предложен высокоэффективный двухслойный конденсатор с электрическим двойным слоем, образованным на границе раздела между активированным углем и электролитом. Высокоэффективный двухслойный конденсатор включает два пропитанных алюминием угольных композитных электрода, имеющих равномерно распределенную непрерывную дорожку из алюминия, пропитывающего заготовку из волокна из активированного угля, насыщенных высокоэффективным электролитом. Конденсатор способен отдавать, по меньшей мере, 5 Втч/кг полезной энергии при номинальных значениях мощности по меньшей мере 600 Вт/кг. 2 с. и 40 з.п.ф-лы, 3 ил. , 3 табл.

Изобретение относится к электрическому двухслойному конденсатору, в частности к высокоэффективному двухслойному конденсатору, содержащему угольно-алюминиевые композитные электроды и высокоэффективный электролит, а также к способу его изготовления.

Двухслойные конденсаторы относятся к энергонакопительным устройствам, способным накапливать и хранить большее количество энергии на свой вес, чем традиционные конденсаторы, и они типично отдают электроэнергию при более высокой номинальной мощности, чем многие перезаряжаемые батареи. Двухслойные конденсаторы состоят из двух пористых электродов, изолированных от электрического контакта пористым разделителем. Разделитель и электроды пропитаны электролитом. Это позволяет ионному току протекать между электродами, но препятствует закорачиванию ячейки электрическим током. На обратной стороне каждого из этих активных электродов имеется токосъемная обкладка. Одной из целей токосъемной обкладки является снижение омических потерь в двухслойном конденсаторе. Если токосъемные обкладки выполнены не пористыми, они также могут использоваться как часть уплотнения конденсатора.

Когда к двум электродам двухслойного конденсатора прикладывается электрический потенциал, в результате притяжения анионов к положительному электроду, а катионов к отрицательному электроду, протекает ионный ток. Достигнув поверхности электрода, заряд абсорбируется в области границы раздела твердое тело – жидкость. Это происходит за счет аборбции самих разновидностей заряда или за счет переориентации диполей молекулы растворителя. Абсорбированный заряд удерживается в этой области противоположными зарядами в твердом электроде.

Использование угольных электродов в электрохимических конденсаторах обеспечивает существенное преимущество этой технологии, так как углерод имеет низкий атомный вес, и угольные электроды можно выполнять с очень большими площадями поверхности. Изготовление двухслойных конденсаторов с угольными электродами известно достаточно давно, о чем свидетельствуют патенты США N 2 800 616 (Becker) и 3 648 126 (Boos et al.).

Основной недостаток многих конденсаторов с угольными электродами состоит в том, что их рабочие характеристики часто ограничены из-за высокого внутреннего сопротивления большинства угольных электродов. Это высокое внутреннее сопротивление объясняется в первую очередь высоким контактным сопротивлением на контактах между углем. Это высокое сопротивление обуславливает большие омические потери в конденсаторе на этапе разряда. Снижение упомянутого внутреннего сопротивления в двухслойных конденсаторах достигается в основном путем уменьшения электронного сопротивления в электроде.

Существует также проблема одновременного обеспечения большой площади поверхности и соответствующего регулирования пористости угольного электрода. Пористость угольного электрода обуславливает степень доступности электролита для поверхностных атомов углерода.

Для повышения рабочего напряжения многих двухслойных конденсаторов отдельные ячейки часто собирают в последовательные наборы. Для уменьшения омических потерь необходимо минимизировать пути тока между ячейками. В оптимальной конструкции смежные ячейки должны быть разделены только одной токосъемной обкладкой. Эта обкладка не должна быть пористой, чтобы исключить совместное использование электролита между ячейками. Разделение предотвращает потери, вызванные шунтированным путем тока между ячейками. Конструкции такого типа известны как биполярные. В биполярном двухслойном конденсаторе одна сторона работает как положительный электрод, а другая – как отрицательный для соседней ячейки. Один из примеров биполярного двухслойного конденсатора описан в патенте США N 3 536 963 (Boos).

В последнее время получила распространение другая конструкция двухслойного конденсатора – ячейка со спиральной обмоткой. Пример такой ячейки со спиральной обмоткой раскрыт в патенте США N 5 150 283 (Yoshida et al.). Предложенный электрический двухслойный конденсатор содержит два поляризуемых электрода, выполненных из электропроводящих подложек. Подложки покрыты слоями смеси активированного угля со связующим на основе водорастворимого материала. Электроды обращены друг к другу, а между ними расположен разделитель, пропитанный электролитом. Такой конденсатор сочетает в себе преимущества традиционных конденсаторов с использованием водных электролитов и конденсаторов с органическим растворителем.

Использование ячейки со спиральной обмоткой в двухслойном конденсаторе обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что электроды с большой площадью поверхности могут быть свернуты в малом корпусе. Большие электроды существенно снижают внутреннее сопротивление конденсатора, наличие корпуса значительно упрощает уплотнение конденсатора или герметизацию, необходимую для двухслойного конденсатора. В биполярной конструкции каждая ячейка должна быть уплотнена по периметру электрода. Но в конструкции с обмоткой уплотнение требуется только для наружной стороны. Эта конструкция не так эффективна, как биполярная, когда ячейки собираются последовательно в наборы, так как сопротивление проводов дополняет омические потери.

Настоящее изобретение больше касается электрохимических или двухслойных конденсаторов, имеющих угольно-алюминиевые композитные электроды. Угольно-металлические композитные электроды, в частности, угольно-алюминиевые композитные электроды позволяют минимизировать внутреннее сопротивление электрода. В наиболее близких аналогах особую важность представляют способы изготовления угольно-алюминиевых композитных электродов, способы изготовления и присоединения токосъемника к композитному электроду и подходящие электролиты, которые можно использовать в высокоэффективных двухслойных конденсаторах.

В последнее время предлагались разные технологии изготовления, направленные на уменьшение внутреннего сопротивления угольных композитных электродов. Например, в патенте США N 5150283 (Yoshida et al.) раскрыт способ изготовления угольно-алюминиевого композитного электрода путем осаждения на алюминиевую подложку угольного порошка и других повышающих электропроводность добавок.

Другое аналогичное решение раскрыто в патенте США N 4 597 029 (Yoshida et al. ), в котором предложено вводить металлы, в частности, алюминий, в электроды из углеродного волокна посредством вплетения металлических волокон в заготовки из углеродного волокна.

В патенте США N 4 562 511 (Nishino et al.) описано еще одно решение, в котором углеродное волокно погружают в водный раствор, так что в порах углеродных волокон образуется слой электропроводного металлического оксида, предпочтительно оксида переходного металла. Nishino et al. также описывают образование металлических оксидов, таких как оксид олова или оксид индия, осаждением из паровой фазы.

Еще один родственный способ описан в патентах США N 5102745, 5304330 и 5080963 (Tatarchuk et al.). В этих решениях продемонстрировано, что металлические волокна можно переплетать с угольной заготовкой и спекать для получения электропроводящей матрицы со стабильной конструкцией, которую можно использовать как композитный электрод. Tatarchuk et al. в своих патентах также предложили способ, обеспечивающий снижение электрического сопротивления в композитном электроде за счет уменьшения количества контактов между углем, через которые должен протекать ток для достижения металлического проводника. Это решение достаточно эффективно, если в качестве металла используются волокна из нержавеющей стали или никеля, но оно не приносит успеха, если используются алюминиевые волокна, так как во время спекания или нагрева композитного электрода образуется карбид алюминия.

Использование алюминия в процессах изготовления двухслойных конденсаторов представляет большую важность, так как алюминий является оптимальным металлом с точки зрения стоимости, доступности и эффективности. Например, при использовании угольно- алюминиевого композитного электрода в двухслойном конденсаторе с безводным электролитом, вполне достижимо рабочее напряжение 3.0 В. Но если вместо алюминия использовать никель или нержавеющую сталь, рабочее напряжение снизится до величины менее 2.0 В.

Аналогичные конструкции двухслойных конденсаторов также описаны в патентах США N 4438481 (Phillips et al. ); N 4597028 (Joshida et al.); N 4709303 (Fujiwara et al.); N 4725927 (Morimoto) и N 5136472 (Tsuchiya et al. ).

Другим важным аспектом изготовления двухслойных конденсаторов является способ изготовления токосъемной обкладки и ее сцепления с электродом. Это обусловлено тем, что граница раздела между электродом и токосъемной обкладкой является еще одним источником внутреннего сопротивления двухслойного конденсатора.

В патенте США N 4562511 (Nishino et al.) предложено плазменное распыление расплавленных металлов, в частности, алюминия, на одну сторону поляризуемого электрода, чтобы сформировать соответствующий слой, выполняющий функцию токосъемника. В этом патенте также предложены альтернативные способы присоединения и/или формирования токосъемника, включающие дуговое напыление, вакуумное осаждение, распыление, неэлектролитическое осаждение и использование электропроводящих красителей.

В патентах Tatarchuk et al. (патенты США N N 5 102 745, 5 304 330 и 5 080 963) описано присоединение токосъемника из металлической фольги к электроду путем спекания металлической фольги с электродным элементом.

В патенте США N 5 142 451 (Kurabayashi et al.) описан способ соединения токосъемника с электродом в процессе термической выдержки, в результате которой материал токосъемника входит в поры электродных элементов.

В патенте США N 5 099 398 (Kurabayashi et al.) описан способ присоединения токосъемника к электроду за счет химического присоединения тонкопленочного токосъемника, при котором часть материала токосъемников входит в поры электродных элементов. В этом патенте также раскрыты некоторые другие традиционные методы присоединения токосъемника к электроду, включая использование электропроводящих клеев и термическое соединение под давлением.

Другие аналогичные способы изготовления и присоединения токосъемных обкладок можно найти в патентах США NN 5065286, 5072335, 5072336, 5072337 и 5121301, выданные на имя Kurabayashi et al.

Таким образом, существует потребность в усовершенствованных двухслойных конденсаторах с угольно-алюминиевыми композитными электродами. Эти усовершенствованные двухслойные конденсаторы должны отдавать большие количества полезной энергии с очень высокими номинальными значениями выходной мощности и плотности мощности. Они также должны иметь относительно низкое внутреннее сопротивление и при этом способны обеспечивать относительно высокое рабочее напряжение.

Кроме того, представляется также очевидным, что необходимо усовершенствовать технологии и способы изготовления двухслойных конденсаторов с угольно-алюминиевыми композитными электродами с целью снижения внутреннего сопротивления двухслойного конденсатора и получения максимального рабочего напряжения. Так как количество запасенной энергии на единицу веса конденсатора возрастает пропорционально квадрату рабочего напряжения, более высокие рабочие напряжения обеспечивают более высокоэффективные конденсаторы благодаря существенно увеличенным номинальным значениям выходной мощности и количества запасенной энергии на единицу веса.

Раскрытие изобретения
Предложен высокоэффективный двухслойный конденсатор, имеющий электрический двойной слой, образованный на границе раздела между активированным углем и электролитом. Высокоэффективный двухслойный конденсатор содержит два пропитанных алюминием угольных композитных электрода, имеющих равномерно распределенную непрерывную дорожку из алюминия, пропитывающего заготовку из волокон из активированного угля, и насыщенных высокоэффективным электролитом. Высокоэффективный двухслойный конденсатор выполнен с возможностью отдачи по меньшей мере 5 Втчас/кг полезной энергии при номинальных значениях мощности по меньшей мере 600 Вт/кг. Также предложены способы изготовления высокоэффективного двухслойного конденсатора.

Согласно изобретению также предложен усовершенствованный способ изготовления высокоэффективных двухслойных конденсаторов посредством пропитки расплавленным алюминием заготовок из углеродного волокна. В изобретении также указаны разные усовершенствованные способы изготовления угольно-алюминиевых композитных электродов и технологии присоединения токосъемной обкладки к электроду.

Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием примеров его воплощения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает сечение одноячеечного высокоэффективного двухслойного конденсатора, выполненного в соответствии с изобретением;
фиг. 2 – вид в сечении биполярного угольно-алюминиевого композитного электрода, выполненного в соответствии с изобретением; и
фиг. 3 – вид в сечении последовательного набора высокоэффективных двухслойных конденсаторов биполярного типа.

Подробное описание изобретения
Описанный ниже высокоэффективный двухслойный конденсатор предпочтительно является большим двухслойным конденсатором биполярного типа, который отдает большое количество полезной энергии с высокими номинальными значениями выходной мощности и плотности мощности. В частности, высокоэффективный двухслойный конденсатор выполнен с возможностью отдавать по меньшей мере 5 Втчас/кг полезной энергии при номинальных значениях мощности по меньшей мере 600 Вт/кг. Кроме того, предпочтительный высокоэффективный двухслойный конденсатор характеризуется относительно низким внутренним сопротивлением, номинальным значением отношения заряда к разряду по меньшей мере 90% и относительно высокими рабочими напряжениями порядка 3 В для одноячеечного конденсатора. При последовательной сборке двухслойных конденсаторов биполярного типа набор высокоэффективных конденсаторов обеспечивает до 350 В и накапливает около 1.8 МДж энергии.

Высокоэффективный двухслойный конденсатор предпочтительно содержит усовершенствованные угольно-алюминиевые композитные электроды с высокоэффективным электролитом. Особую важность представляет преимущественный способ изготовления угольно- алюминиевых композитных электродов и способ присоединения токосъемника, которые используются при изготовлении предложенных высокоэффективных двухслойных конденсаторов.

На фиг.1 изображен одноячеечный высокоэффективный двухслойный конденсатор 10, включающий контейнер 11 ячейки, два угольно-алюминиевых композитных электрода 12 и 14, ионопроводящий разделитель 18, электролит 20, две токосъемные обкладки 22 и 24 и электрические провода 28 и 29, проходящие от токосъемных обкладок 22 и 24.

Два угольно-алюминиевых композитных электрода 12 и 14 предпочтительно выполнены из заготовки из пористой углеродной ткани или бумаги, пропитанной расплавленным алюминием. Пористость угольно- алюминиевых композитных электродов 12 и 14 должна тщательно контролироваться во время процесса пропитки, чтобы позволить впоследствии ввести достаточное количество электролита 20 в двухслойный конденсатор 10 и дать электролиту проникнуть в поры углеродных волокон.

Две токосъемные обкладки 22 и 24 прикреплены к обратной стороне каждого угольно-алюминиевого композитного электрода 12 и 14. Предпочтительно токосъемные обкладки 22 и 24 выполнены в виде тонких слоев алюминиевой фольги. При одноячеечной конфигурации конденсатора токосъемные обкладки 22 и 24 предпочтительно не являются пористыми, чтобы их можно было использовать как часть наружного уплотнения конденсатора.

Ионопроводящий разделитель 18 помещен между противоположными угольно-алюминиевыми композитными электродами 12 и 14. Ионопроводящий разделитель 18 предпочтительно выполнен из высокопористого материала, который выполняет функцию электронного изолятора между угольно-алюминиевыми композитными электродами 12 и 14. Цель ионопроводящего разделителя 18 – гарантировать, чтобы противоположные электроды 12 и 14 никогда не контактировали друг с другом, так как контакт между ними приводит к короткому замыканию и быстрому истощению зарядов, накопленных в электродах. Пористость ионопроводящего разделителя 18 позволяет ионам двигаться в электролите 20. Предпочтительно, ионопроводящий разделитель 18 выполняют в виде пористого полипропиленового диска толщиной приблизительно 25.4 мкм. Полипропиленовый разделитель сначала пропитывают электролитом 20, прежде чем вставить его между угольно-алюминиевыми электродами 12 и 14.

Контейнер 11 ячейки может быть любым известным упаковочным средством, традиционно используемым для двухслойных конденсаторов. Для обеспечения максимального количества запасенной энергии на единицу веса двухслойных конденсаторов, целесообразно минимизировать вес упаковочного средства. Вес упакованных двухслойных конденсаторов типично не должен превосходить вес неупакованного двухслойного конденсатора более чем на 25%. Электрические провода 28 и 29 проходят от токосъемных обкладок 22 и 24 через контейнер 11 ячейки и могут быть выполнены с возможностью подсоединения к электрической схеме (не показанной на чертежах).

На фиг. 2 и фиг.3 изображены биполярный угольно-алюминиевый композитный электрод 30 и соответствующий последовательный набор высокоэффективных биполярных двухслойных конденсаторов 40. Биполярный угольно-алюминиевый композитный электрод 30 содержит корпус из поляризованного угольно-алюминиевого композита, разделенный непористой токосъемной обкладкой 36. К одной поверхности 37 токосъемной обкладки 36 прикреплен заряженный электрод 32 первой ячейки. К противоположной поверхности 38 токосъемной обкладки 36 прикреплен противоположно заряженный электрод 34 второй ячейки. Иными словами, если первый электрод 32 является отрицательным для первой конденсаторной ячейки “A”, то второй электрод 34 является положительным электродом для смежной ячейки “В”.

Как более наглядно показано на фиг. 3, последовательный набор 40 высокоэффективных биполярных двухслойных конденсаторов включает несколько ячеек (A, B, C и D), которые предпочтительно соединены последовательно. Каждая ячейка содержит два пропитанных алюминием угольных композитных пористых электрода 42 и 44, обращенных друг к другу, с ионопроводящим разделителем 46, помещенным между ними. Несколько непористых токосъемников 48 помещено между каждой ячейкой, причем каждый токосъемник 48 имеет два прилегающих к нему поляризованных электрода 42 и 44 разных ячеек, прикрепленных к нему, как будет описано ниже. Кроме того, в каждую ячейку введено достаточное количество электролита 50, чтобы электролит 50 насытил композитные электроды 42 и 44 и разделитель 46 в каждой ячейке. На каждом конце набора находятся наружные токосъемные обкладки 49.

Отдельные угольно-алюминиевые композитные электроды 42 и 44 предпочтительно выполнены по описанной ниже технологии. Каждый электрод изготавливают из заготовки из углеродной ткани или бумаги, которую пропитывают расплавленным алюминием. Как отмечалось выше, пористость угольно-алюминиевых композитных электродов 42 и 44 должна тщательно контролироваться во время процесса пропитки, чтобы позволить впоследствии ввести достаточное количество электролита 50 в конденсаторную ячейку и дать этому электролиту проникнуть в поры углеродных волокон.

Пропитанные алюминием угольные композитные электроды 42 и 44 достаточно пористые и имеют равномерно распределенную непрерывную дорожку из алюминия, пропитавшую волокна из активированного угля, так что эквивалентное последовательное сопротивление каждого электрода при использовании в трехвольтной ячейке составляет около 1.5 Ом на см², а емкость каждого композитного электрода 42 и 44 составляет приблизительно 30 Ф/см³ или выше.

Внутренние токосъемные обкладки 48 каждого биполярного электрода предпочтительно выполнены из непористых слоев алюминиевой фольги, предназначенных для разделения электролита 50 между соседними ячейками. Наружные токосъемные обкладки 49 также непористые, чтобы их можно было при необходимости использовать как часть наружного уплотнения конденсатора.

Ионопроводящий разделитель 46 помещен между противолежащими угольно-алюминиевыми композитными электродами 42 и 44 внутри конкретной конденсаторной ячейки. Ионопроводящий разделитель 46 предпочтительно выполнен в виде пористого полипропиленового диска, аналогичного ионопроводящим разделителям, используемым в одноячеечной конфигурации.

Многие дополнительные преимущества предложенного двухслойного конденсатора обеспечиваются предпочтительными способами изготовления угольно-алюминиевых композитных электродов, предпочтительным способом присоединения токосъемника и использованием высокоэффективных электролитов. В дальнейшем подробно обсуждается каждый из этих аспектов изобретения.

Угольно-алюминиевый композитный электрод
Как было указано выше, угольно-алюминиевый композитный электрод предпочтительно изготавливают из заготовки, выполненной из пористой ткани или бумаги из углеродного волокна, которая пропитана расплавленным алюминием. Заготовку можно изготовить из любого подходящего материала из углеродного волокна, например, из войлока из углеродного волокна, или других подложек из волокна из активированного угля, имеющих достаточную пористость, чтобы принять пропитку из расплавленного алюминия и электролит.

Алюминиевая пропитка равномерно и непрерывно распределяется и проходит через заготовку, обеспечивая токопроводящую дорожку с низким сопротивлением внутри электрода. Угольно-алюминиевый композитный электрод остается также достаточно пористым, чтобы позволить электролиту, предпочтительно, безводному, просочиться в поры волокон из активированного угля.

Процесс изготовления угольно-алюминиевых композитных электродов двухслойного конденсатора начинается с изготовления электродной заготовки из углеродного волокна. Электродная заготовка из углеродного волокна типично представляет собой заготовку из бумаги или ткани с использованием углеродных волокон с большой площадью поверхности. Площадь поверхности таких волокон может колебаться в пределах приблизительно 500-3000 м²/г. Заготовку из бумаги из углеродного волокна получают на стандартной бумагоделательной машине с использованием углеродных волокон диаметром приблизительно 8-10 мкм, нарезанных на отрезки длиной приблизительно 2-7 мм. В заготовку также можно добавить целлюлозные волокна сопоставимых размеров в качестве связующего и для регулирования пористости полученной заготовки.

Заготовку из углеродно-волокнистой ткани предпочтительно выполняют из готовой ткани, в которой использованы переплетенные углеродные волокна с площадью поверхности приблизительно 500-3000 м² и диаметром приблизительно 8-10 мкм. Заготовка из углеродно- волокнистой ткани обычно дороже заготовки из бумаги из углеродного волокна, но заготовка из ткани обладает более высокой конструкционной устойчивостью, чем заготовка из бумаги. При этом площадь поверхности и другие параметры углеродных волокон можно легко адаптировать к требованиям, предъявляемым при конкретном применении.

Пропитка заготовок из углеродного волокна расплавленным алюминием предпочтительно осуществляется с помощью технологии плазменного распыления или, альтернативно, с помощью технологии инфильтрации жидкости или технологии погружения. При плазменном распылении расплавленный алюминий предпочтительно распыляется на обе стороны заготовки из углеродного волокна. Плазменное распыление расплавленного металла и раньше использовалось в производстве двухслойных конденсаторов, но обычно только как средство для формирования токосъемника.

Технология плазменного распыления оптимизируется, чтобы позволить алюминию проникнуть в заготовку из углеродно-волокнистой ткани и образовать пористую, равномерно распределенную алюминиевую матрицу. Эта оптимизация достигается посредством регулировки подачи электрического тока на установку распыления, температуры и давления расплавленного алюминия, расстояния между установкой плазменного распыления и заготовкой из углеродного волокна и качания установки плазменного распыления.

В технологии инфильтрации жидкости расплавленный алюминий пропитывается в структуру при погружении заготовки из углеродного волокна в расплав алюминия. Но расплавленный алюминий не смачивает поверхность углеродного волокна и поэтому не входит в его поры. Из-за низкой смачиваемости угля требуются специальные технологии, чтобы обеспечить соответствующую пропитку расплавленным алюминием промежутков между углеродными волокнами.

Такие технологии улучшения пропитки электрода включают разные варианты технологии пропитки, которые используются для получения алюминиево-графитовых композитов в космической промышленности. Такие технологии пропитки специально адаптированы и модифицированы для данного способа изготовления угольно- алюминиевых композитных электродов. Например, требуется точный контроль процесса пропитки, чтобы композитный электрод оставался достаточно пористым для пропускания электролитом ионного тока.

В одной из таких технологий улучшения пропитки используются ультразвуковые колебания для повышения смачиваемости углеродных волокон расплавленным алюминием. Когда заготовки из углеродного волокна погружаются в расплав для пропитки расплавленным алюминием, на зону пропитки направляются ультразвуковые колебания. Под действием этих колебаний давление в жидкости вызывается образованием локализованных кавитаций. При некоторых определенных частотах расплавленный алюминий закачивается в промежутки между углеродными волокнами. Посредством изменения частоты ультразвуковых колебаний можно регулировать уровень пропитки, обеспечивая тем самым пористый готовый продукт.

В другой технологии улучшения пропитки расплавленным алюминием заготовки из углеродного волокна во время изготовления угольно-алюминиевого композитного электрода используются другие средства для циклического приложения внешнего давления к пропитывающему расплавленному алюминию. Повышение и понижение давления создает накачивающее действие, которое помогает расплавленному алюминию входить в пространства между углеродными волокнами. Чтобы помочь алюминию заполнять пространства между углеродными волокнами, часто используют повышение температуры расплавленного алюминия.

В качестве средства, способствующего пропитке расплавленным алюминием угольной заготовки во время изготовления угольно- алюминиевого композитного электрода, используются также смачивающие реагенты. Смачиваемость углеродного волокна повышается, если сначала погрузить его в расплавленный металлический инфильтрат, состоящий из смачивающих реагентов, таких как сплав с оловом и титаном или с медью, оловом и титаном расплавленного натрия. После извлечения угольной заготовки из металлического инфильтрата, ее погружают в ванну расплавленного алюминия. Расплавленный алюминий выщелачивает смачивающий реагент из углеродных волокон, что позволяет алюминию заполнить промежутки между ними. В заготовки из углеродного волокна можно также вводить другие подходящие смачивающие реагенты, такие как тантал, титан-углерод, титан-азот, титан-азот-углерод или кремний-углерод, чтобы способствовать пропитке расплавленным алюминием.

В процессе изготовления угольно-алюминиевых композитных электродов для двухслойных конденсаторов можно также использовать альтернативные технологии для улучшения смачиваемости углеродных волокон. Также альтернативные средства улучшения смачиваемости включают, например, покрытие углеродных волокон тонким слоем металлов, таких как серебро, кобальт, медь или никель. Но при этом важно отметить, что любые посторонние реагенты или другие загрязнители, используемые при изготовлении композитных электродов для двухслойных конденсаторов, должны либо удаляться перед использованием конденсатора, либо присутствие таких агентов не должно существенно ограничивать физические характеристики или эксплуатационные свойства двухслойного конденсатора.

Можно также использовать ультразвуковые колебания, описанные выше, или циклическое приложение внешнего давления со смачивающим реагентом или без него в качестве средства улучшения процесса пропитки расплавленным алюминием. Кроме того, в качестве средства улучшения процесса пропитки расплавленным алюминием можно использовать варианты процесса плазменного распыления со смачивающим реагентом или без него.

Управление процессом пропитки позволяет регулировать пористость электрода. Пористость угольно-алюминиевого композитного электрода тщательно регулируется во время процесса пропитки, чтобы впоследствии позволить электролиту беспрепятственно входить в поры углеродных волокон и тем самым формировать достаточно большую область границы раздела между электролитом и углеродными волокнами.

Описанное выше введение алюминия в электрод изменяет электролитический путь ионного тока в область границы раздела электрода и электролита. Но этот измененный электролитический путь не приводит к существенному увеличению внутреннего сопротивления двухслойного конденсатора, потому что большая часть внутреннего сопротивления остается в маленьких порах углеродных волокон.

Пористость угольно-алюминиевого композитного электрода можно лучше всего выразить как весовое соотношение алюминия и активированного угля. Но при этом важно, чтобы алюминий равномерно и непрерывно распределялся по заготовке для формирования в композитном электроде пути тока с низким сопротивлением. Предпочтительное весовое соотношение алюминия с углем находится в пределах 1.3-0.5 и еще более предпочтительно, чтобы оно было меньше 1.0.

Как отмечалось выше, управление процессом пропитки и регулирование при этом пористости электрода может осуществляться несколькими способами, включая использование смачивающих агентов, циклическое приложение внешнего давления к расплавленному алюминию и/или введение ультразвуковых колебаний во время инфильтрации жидкости. За счет регулировки частоты и величины ультразвуковых колебаний во время инфильтрации жидкости можно варьировать пропитку расплавленным алюминием.

Кроме того регулирование внешних параметров в процессе плазменного распыления будет влиять на конечную пористость электрода. Например, за счет регулировки таких внешних параметров, как электрический ток, подаваемый на установку плазменного распыления, радиус действия установки плазменного распыления, расстояние между установкой плазменного распыления и заготовкой из углеродного волокна, температура и давление при подаче расплавленного алюминия, можно получить оптимальную пористость.

Альтернативно или в совокупности с предложенными выше вариантами можно контролировать пористость угольно-алюминиевых композитных электродов посредством изменения количества целлюлозы, используемой в заготовках из углеродно-волокнистой бумаги. В частности, пористость регулируют посредством карбонизации или спекания целлюлозных волокон, в результате чего они удаляются после того, как расплавленный алюминий пропитается в заготовку из углеродных волокон.

Пример 1
В дальнейшем описывается пример подготовки и изготовления угольно-алюминиевых композитных электродов и высокоэффективного двухслойного конденсатора. Этот пример, вместе с приведенным выше описанием, является предпочтительным способом осуществления изобретения на данный момент. Но это описание не следует рассматривать как ограничительное, а только как поясняющее некоторые общие принципы изобретения. Объем изобретения определяется формулой изобретения.

Заготовки из углеродных волокон получали при использовании волокон из активированного угля длиной приблизительно 5 мм и диаметром приблизительно 8 мкм. Волокна из активированного угля имеют площадь поверхности около 2500 м²/г. В заготовки из углеродного волокна также были включены целлюлозные волокна длиной приблизительно 5 мм и диаметром около 8 мкм. Целлюлозные волокна добавлялись в качестве связующего и для регулировки пористости электрода. Процент добавленных целлюлозных волокон составлял от 9.0 до 50% веса заготовки, предпочтительно около 15 вес.%.

Альтернативно заготовки из углеродного волокна выполняли из готового материала. Такие заготовки обычно получают из ткани из активированного угля, в которых отдельные углеродные волокна собраны в пучки, называемые куделью. В предпочтительной ткани с куделью из углеродных волокон используются углеродные волокна диаметром приблизительно 8 мкм и с площадью поверхности около 2500 м²/г. Кудель переплетают для получения ткани толщиной приблизительно 432 мкм.

Заготовки из углеродного волокна пропитывали расплавленным алюминием с использованием технологии плазменного распыления. Процесс распыления оптимизировали для обеспечения равномерного проникновения в заготовки из углеродного волокна путем регулировки подачи тока на установку плазменного распыления, давления распыления, расстояния между установкой плазменного распыления и заготовкой, вертикального шага и скорости качания установки плазменного распыления. При этом оптимальными условиями в данном примере были ток 65 A, подаваемый на установку плазменного распыления, давление распыления 3.52 кг/см² при расстоянии около 50.8 см. Скорость качания установки плазменного распыления составляла около 161.5 см в сек, а вертикальный шаг был около 2.54 см. Каждый угольно-алюминиевый композитный электрод содержал приблизительно 0.2 г углеродных волокон на приблизительно 0.24 г алюминия.

После завершения процесса распыления из пропитанной угольной заготовки штамповали диски композитных электродов. Каждый композитный электрод имел диаметр около 5.1 см (2 дюйма) и толщину около 432 мкм, что обеспечивало площадь поверхности около 20.3 см².

Целлюлозные волокна удалялись из композитного электрода путем спекания электрода приблизительно при 200-300^oC в восстановительной среде.

Лист алюминиевой фольги толщиной 50.8 мкм присоединялся к каждому угольно-алюминиевому композитному электроду при температуре 360-600^oC, внешнем давлении 0.84 кг/см² в присутствии инертной или слегка восстановительной среды.

Готовые угольно-алюминиевые композитные электроды с токосъемной обкладкой представляли собой дискообразное устройство с площадью поверхности около 20.3 см² и толщиной около 0.048 см.

Блок одноячеечного конденсатора также включает в себя пористый полипропиленовый разделитель толщиной около 25.4 мкм, который помещают между угольно-алюминиевыми композитными электродами для выполнения функции ионопроводящего разделителя. Затем угольно- алюминиевые композитные электроды и разделитель пропитывали раствором электролита, состоящим из 1.4 М тетраэтиламмония тетрафторбората в ацетонитриле, с использованием технологии вакуумной инфильтрации. После этого конденсатор герметизировали снаружи.

В таблице 1 представлены несколько примеров активированных угольно-алюминиевых композитных электродов и их эксплуатационные характеристики. Важно отметить, что в электроде за номером 071994 A использована углеродная ткань, отличная от описанных выше заготовок из ткани, и ее толщина больше, чем в других примерах. Измерения сопротивления и емкости производились только в целях сравнения.

Прикрепление токосъемника к композитному электроду
После пропитки алюминием заготовки из углеродного волокна на обратной стороне электрода закрепляют алюминиевую фольгу. В этом процессе применяется диффузионное соединение пропитанной алюминием угольной заготовки с алюминиевой фольгой, которое обеспечивает соединение с низким сопротивлением между композитным электродом и токосъемником. Алюминиевая фольга выполняет функцию токосъемника или проводящего электрода конденсатора. Конкретно, для диффузионного соединения сначала модифицируют или удаляют оксидный слой с алюминиевой фольги, а затем нагревают структуру электрода и фольги под давлением в инертной среде. Этот процесс соединения сочетает в себе высокую температуру с умеренным давлением в инертной среде для соединения поверхностей композитного электрода и токосъемника. Указанные выше операции выполняются таким образом, чтобы атомы алюминия заполнили пустоты на границе раздела для сцепления токосъемника с композитным электродом.

В наборе биполярных конденсаторов присоединенная фольга не должна быть пористой, чтобы разделить электролит между ячейками. Фольга должна быть достаточно толстой, чтобы гарантировать отсутствие микроотверстий или других дефектов. Предпочтительная толщина фольги для биполярных электродов должна быть приблизительно в интервале 12.7-76.2 мкм.

Алюминий не относится к материалам, достаточно пригодным для диффузионного соединения. Проблему создает прочный оксидный слой, обычно присутствующий на поверхности алюминия. Этот оксидный слой тормозит перенос алюминия между соединяемыми поверхностями. В большинстве технологий диффузионного соединения, связанных с алюминием, требуются высокое внешнее давление и температура соединения ниже точки плавления алюминия. Соединяемые элементы или конструкции обычно должны удерживаться в таком состоянии в инертной среде в течение продолжительного времени. Такой режим соединения не подходит для композитных электродов из активированного угля и алюминия, так как высокое внешнее давление распыляет волокна из активированного угля в электроде. Кроме того, воздействие высокой температуры в течение продолжительного времени приводит к образованию карбида алюминия. Образование карбида алюминия существенно ухудшает эксплуатационные характеристики электрода.

В предложенном способе угольно-алюминиевые композитные электроды соединяются с алюминиевой фольгой при низком внешнем давлении, низкой температуре и за относительно меньший период времени. При этом существенно уменьшается количество карбида алюминия, образующегося во время процесса соединения, и полученное соединение не вызывает физического повреждения волокон из активированного угля в электроде. Предложенный усовершенствованный способ позволяет присоединять алюминиевую фольгу к угольно- алюминиевому композитному электроду при температуре в интервале 300-600^oC, предпочтительно, при температуре 36050^oC. Соединение достигается при внешнем давлении около 0.84 кг/см².

Усовершенствованный способ соединения, выполняемый при преимущественном режиме, реализуется благодаря физическому удалению или модифицированию оксидного слоя на алюминиевой фольге до присоединения фольги к электроду в инертной среде. Оксидный слой удаляется с применением технологии аргоно-ионного распыления. Альтернативно, оксидный слой можно модифицировать посредством травления алюминиевой фольги в растворе бихромата натрия в серной кислоте, например, [Na₂(Cr₂O₂) в H₂SO₄]. Любой из этих способов обеспечивает существенное уменьшение слоя оксида алюминия.

Перед присоединением алюминиевой фольги к угольно-алюминиевому композитному электроду можно удалить любые целлюлозные волокна, присутствующие в угольно-алюминиевом композитном электроде, посредством карбонизации или спекания целлюлозных волокон за счет их нагрева в инертной среде или, альтернативно, их химического восстановления. Посредством варьирования количества целлюлозы, используемой в заготовках, можно регулировать конечную пористость угольно-алюминиевых композитных электродов.

В биполярном угольно-алюминиевом композитном электроде после извлечения каждой пары пропитанных алюминием заготовок из углеродного волокна из процесса пропитки, их выравнивают относительно друг друга и соединяют с одним слоем алюминиевой фольги. В предпочтительном способе применяется одновременное диффузионное соединение выровненной пары угольно-алюминиевых композитных электродов с токосъемником
из алюминиевой фольги при низком давлении, относительно низкой температуре и в инертной среде. Как и ранее, этот процесс не вызывает образования карбида алюминия и других загрязнений и исключает физическое повреждение углеродных волокон. Качество соединения повышается с помощью травления обеих поверхностей алюминиевой фольги или удаления любых слоев оксида алюминия, которые могут на них присутствовать.

Пример 2
В дальнейшем описывается пример осуществления способа диффузионного соединения и подготовки к нему. Этот пример, вместе с приведенным выше описанием, является предпочтительным способом осуществления изобретения на данный момент. Но данное описание не следует рассматривать как ограничительное, а только как поясняющее некоторые общие принципы изобретения. Объем изобретения определяется формулой изобретения.

Для травления алюминиевой фольги готовили травильную ванну, состоящую из приблизительно 60 г Na₂(Cr₂O₂)2H₂O с 173 мл концентрированной H₂SO₄, около 1.9 г порошкообразного алюминия и достаточного количества воды для получения 1 л раствора. Травильную ванну нагревали приблизительно до 60^oC. Кроме того, готовили водяную ванну для промывки протравленной алюминиевой фольги и нагревали ее приблизительно до 60^oC.

Алюминиевую фольгу погружали в травильную ванну приблизительно на 15 минут. Затем фольгу извлекали из травильной ванны и погружали в водяную ванну для промывки. После чего фольгу сушили в печи в течение приблизительно 30 мин.

Затем электроды и протравленную фольгу собирали для диффузионного соединения. Заготовку из углеродной ткани использовали как разделительный лист, а пластины из материала Hastoloy X использовали для приложения умеренного давления около 0.21-28.1 кг/см², предпочтительно около 0.84 кг/см², к сборке электрода с фольгой. Сборку электрода с фольгой помещали в реактор из нержавеющей стали для осуществления действительного диффузионного соединения.

Предложенный способ диффузионного соединения включает нагрев сборки из электрода с фольгой в реакторе из нержавеющей стали при умеренном давлении в инертной среде. После того, как алюминий пропитался в заготовку из углеродного волокна, образовав тем самым композитные электроды, электроды сушили в течение приблизительно 30 мин. Затем электроды продували водородом (550 мл/мин) и аргоном (1000 мл/мин) при приблизительно 100^oC. После этого целлюлозные волокна подвергали карбонизации при 300^oC в течение около 30 мин, продолжая продувать электроды водородом (550 мл/мин) и аргоном (1000 мл/мин). Затем подачу водорода отключали, а скорость подачи аргона увеличивали до приблизительно 1500 мл/мин.

Затем переходили к температуре соединения за счет плавного вывода температуры реактора с 300^oC на конечную температуру соединения или спекания, составляющую 300-600^oC (см. таблицу 2). Эту температуру соединения поддерживали в течение заданного времени соединения от 1 до 5 час, как показано в таблице 2. После этого реактор выключали и электродам давали остыть в течение около 90 мин, затем реактор охлаждали водой и электроды извлекали.

В таблице 2 показаны емкость, последовательное сопротивление и другие эксплуатационные характеристики для нескольких сборок электродов с фольгой, которые были подвергнуты диффузионному соединению в соответствии с описанной выше процедурой соединения. Параметры сопротивления и емкости приведены только в качестве примера.

Высокоэффективные электролиты
Эксплуатационные характеристики двухслойных конденсаторов в значительной степени зависят от выбора используемых электролитов. Традиционные водные электролиты типично характеризуются более низким сопротивлением, чем безводные электролиты. Но с другой стороны, безводные электролиты часто имеют более высокую ионную проводимость, и это повышает рабочее напряжение двухслойных конденсаторов. В частности, безводные электролиты позволили увеличить рабочее напряжение одноячеечных двухслойных конденсаторов приблизительно до 3 В.

В настоящем изобретении рассмотрена возможность использования некоторых усовершенствованных электролитов, которые можно разделить на три вида или класса. Во-первых, это растворы аммиаката, в которых газообразный аммиак используется как растворитель для электролита. Предпочтительные растворы аммиаката получаются при соединении некоторых солей с газообразным аммиаком, в результате чего образуются жидкости, обладающие высокой проводимостью при комнатной температуре. Благодаря высокой электропроводности, стабильности напряжения и температурному диапазону, эти растворы являются хорошими кандидатами для использования в качестве электролитов в высокоэффективных двухслойных конденсаторах. Примеры некоторых растворов аммиаката, пригодных для использования в качестве электролитов в высокоэффективных двухслойных конденсаторах, включают:
[NH₄NO₃]1.3[NH₃]
[NaI]3.3[NH₃] и
[LiClO₄]4[NH₃]
Второй класс электролитов включает растворы на основе двуокиси серы. Двуокись серы, имеющая газообразное состояние при комнатной температуре, используется как растворитель для электролита. Двуокись серы растворяет некоторые соли, образуя жидкие электролиты при комнатной температуре. Эти растворы на основе двуокиси серы имеют более высокую электропроводность, чем соответствующие растворы аммиаката, но отличаются более высокой коррозионной агрессивностью. Эти электролиты получаются при использовании двуокиси серы для растворения тетрахлоралюминатов лития, кальция, натрия или стронция. Такие электролиты в основном характеризуются следующим:
М[AlCl₄]xSO₂,
где x равно 2.5-6.0, а M выбирается из группы Li, Ca, Na или Sr.

Третий класс усовершенствованных электролитов, пригодных для использования в высокоэффективных двухслойных конденсаторах, – это электролиты из расплавленных солей.

Раствор электролита из расплавленной соли можно характеризовать формулой
[AlCl₃]MX,
где M – щелочной металл, а
X выбран из группы, состоящей из хлора или брома.

Электролиты из расплавленных солей получают из ионных солей, разжиженных при повышенных температурах. Повышенные температуры типично составляют 450^oC и выше. Эти электролиты из расплавленных при высокой температуре солей обладают самыми высокими показателями ионной проводимости и напряжения пробоя из всех электролитов. Основной недостаток этих электролитов состоит в том, что для них требуются высокие рабочие температуры и многие из них являются высокоагрессивными жидкостями.

Примером электролита из расплавленной при высокой температуре соли, пригодного для использования в высокоэффективных двухслойных конденсаторах, является смесь хлорида калия и/или хлорида лития. Высокоэффективный двухслойный конденсатор с использованием таких электролитов должен иметь рабочее напряжение около 4 В и ионную проводимость приблизительно 1.6 См/см при приблизительно 450^oC.

Кроме того, существуют некоторые тетрахлоралюминаты и тетрабромалюминаты щелочных металлов, которые являются расплавленными солевыми электролитами, имеющими рабочие температуры между 100-400^oC с электропроводностью в диапазоне 0.15-0.45 См/см. Существует также несколько расплавленных солей хлоралюмината, имеющих жидкое состояние при комнатной температуре, которые считаются пригодными для использования в качестве электролитов в предложенном высокоэффективном двухслойном конденсаторе.

В таблице 3 приведены электролиты, оцененные для использования в трехвольтном высокоэффективном двухслойном конденсаторе. Пропитанные алюминием заготовки из углеродного волокна и разделитель насыщены описанными электролитами предпочтительно с помощью технологии вакуумной инфильтрации.

Исходя из вышеизложенного, следует понимать, что согласно изобретению предложен двухслойный конденсатор с угольно- алюминиевыми композитными электродами и высокоэффективными электролитами и способ его изготовления. Кроме того, подразумевается, что можно внести разные изменения в форму, конструкцию и компоновку его деталей, не выходя из рамки объема и идеи изобретения и без ущерба для существенных преимуществ, при этом описанные формы являются чисто иллюстративными примерами осуществления изобретения.

Следовательно, объем изобретения не ограничен описанными конкретными вариантами и способами, а определяется прилагаемой формулой изобретения и его эквивалентов.

Формула изобретения

1. Двухслойный конденсатор, содержащий два электрода, два токосъемника, каждый из которых расположен на не обращенных друг к другу поверхностях соответствующего электрода, ионопроводящий разделитель, расположенный между обращенными друг к другу поверхностями указанных двух электродов, и электролит, насыщающий указанные электроды и разделить, отличающийся тем, что указанные два электрода представляют собой два пористых, пропитанных алюминием угольных композитных электрода, содержащих заготовку из волокон из активированного угля, имеющих большую площадь поверхности, пропитанную расплавленным алюминием, а указанный электролит является безводным.

2. Двухслойный конденсатор по п.1, отличающийся тем, что каждый из пропитанных алюминием угольных композитных электродов содержит заготовку из волокон из активированного угля, имеющих большую площадь поверхности, содержащую равномерно распределенную непрерывную дорожку из алюминиевой пропитки и внутреннее сопротивление менее 1,5 Ом см².

3. Двухслойный конденсатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что выполнен с возможностью отдачи по меньшей мере 5 Вт ч/кг полезной энергии при номинальных значениях мощности по меньшей мере 600 Вт/кг.

4. Двухслойный конденсатор по любому из пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что емкость композитного электрода составляет по меньшей мере 30 Ф/см³.

5. Двухслойный конденсатор по любому из пп.1 – 3 или 4, отличающийся тем, что пропитанные алюминием угольные композитные электроды содержат пористый электрод, имеющий равномерно распределенную непрерывную дорожку из алюминия, пропитывающего заготовку из волокон из углеродной ткани.

6. Двухслойный конденсатор по любому из пп.1 – 3 или 4, отличающийся тем, что из пропитанных алюминием угольных композитных электродов содержит пористый электрод, имеющий равномерно распределенную непрерывную дорожку из алюминия, пропитывающего заготовку из волокон из углеродной бумаги.

7. Двухслойный конденсатор по любому из пп.1 – 3 или 4, отличающийся тем, что пропитанные алюминием угольные композитные электроды содержат волокна из активированного угля, имеющие площадь поверхности приблизительно от 500 до 3000 м²/г.

8. Двухслойный конденсатор по любому из пп.1 – 3 или 4, отличающийся тем, что пропитанные алюминием угольные композитные электроды содержат волокна из активированного угля, имеющие площадь поверхности более 2000 м²/г.

9. Двухслойный конденсатор по любому из пп.1 – 3 или 4, отличающийся тем, что весовое соотношение алюминия с углем в пропитанных алюминием угольных композитных электродах составляет приблизительно от 1,3 до 0,5.

10. Двухслойный конденсатор по любому из пп.1 – 3 или 4, отличающийся тем, что весовое соотношение алюминия с углем в пропитанных алюминием угольных композитных электродах составляет менее 1,0.

11. Двухслойный конденсатор по п.1, который содержит корпус для герметичной упаковки двухслойного конденсатора.

12. Двухслойный конденсатор по любому из пп.1 – 3 или 4, отличающийся тем, что разделителем является пористый полипропиленовый разделитель, насыщенный безводным электролитом.

13. Двухслойный конденсатор по любому из пп.1 – 3 или 4, отличающийся тем, что каждый токосъемник содержит тонкий слой металлической фольги, присоединенный к не обращенным друг к другу поверхностям соответствующих электродов.

14. Двухслойный конденсатор по п.13, отличающийся тем, что токосъемник содержит тонкий слой алюминиевой фольги, присоединенный к не обращенным друг к другу поверхностям соответствующих электродов.

15. Двухслойный конденсатор по п.1, отличающийся тем, что электролит является раствором расплавленной соли.

16. Двухслойный конденсатор по п.15, отличающийся тем, что электролит из расплавленной соли является смесью хлорида калия и/или хлорида лития.

17. Двухслойный конденсатор по п.15, отличающийся тем, что электролит из расплавленной соли соответствует формуле
[AlCl₃] MX,
где M – щелочной металл;
X – выбран из группы, состоящей из хлора или брома.

18. Двухслойный конденсатор по п.1, отличающийся тем, что электролит является раствором аммиаката.

19. Двухслойный конденсатор по п.18, отличающийся тем, что электролит из раствора аммиаката выбирается из группы, включающей [NH₄NO₃] 1,3 [NH₃]; [NaI] 3,3 [NH₃] и [LiClO₄] 4 [NH₃].

20. Двухслойный конденсатор по п.1, отличающийся тем, что электролитом служат растворы двуокиси серы, имеющие формулу
M [AlCl₄]_n xSO₄,
где x = 2,5 – 6,0;
M выбирается из группы, включающей литий, кальций, натрий или стронций.

21. Способ изготовления двухслойного конденсатора, заключающийся в том, что образуют электрод, присоединяют токосъемную обкладку к поверхности указанного электрода, выравнивают два электрода относительно друг друга так, чтобы указанные два электрода были обращены друг к другу поверхностями, не имеющими указанного соединения, помещают ионопроводящий разделитель между указанными обращенными друг к другу поверхностями указанных двух электродов, насыщают указанные два электрода и разделитель электролитом, отличающийся тем, что этап образования электрода включает пропитку заготовки из волокон из активированного угля, имеющих большую площадь поверхности, равномерно распределенной непрерывной дорожкой из алюминия для образования пористого, пропитанного алюминием угольного композитного электрода, а указанный электролит является безводным.

22. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.21, отличающийся тем, что на этапе присоединения токосъемной обкладки к пропитанному алюминием угольному композитному электроду удаляют слои оксида алюминия с токосъемника из алюминиевой фольги и спрессовывают композитный электрод с алюминиевой фольгой в инертной среде при температуре соединения значительно ниже точки плавления алюминия, чтобы алюминий заполнил пустоты на границе раздела композитного электрода и алюминиевой фольги, обеспечив тем самым сцепление между алюминиевой фольгой и композитным электродом, но исключая образование карбида алюминия на границе раздела.

23. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.21 или 22, отличающийся тем, что двухслойный конденсатор герметично упаковывают в корпус.

24. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.21 или 22, отличающийся тем, что пористость пропитанных алюминием угольных композитных электродов регулируют во время пропитки.

25. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.24, отличающийся тем, что пропитку заготовки из волокон из активированного угля, имеющих большую площадь поверхности, равномерно распределенной непрерывной дорожкой из алюминия производят посредством плазменного распыления расплавленного алюминия в заготовку из волокон из активированного угля.

26. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.25, отличающийся тем, что регулирование пористости пропитанных алюминием угольных композитных электродов включает регулировку расстояния между установкой плазменного распыления и заготовкой из углеродных волокон.

27. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.25, отличающийся тем, что регулирование пористости пропитанных алюминием угольных композитных электродов включает регулирование скорости качания установки плазменного распыления относительно заготовки из углеродных волокон.

28. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.25, отличающийся тем, что регулирование пористости пропитанных алюминием угольных композитных электродов включает регулирование температуры и давления подачи расплавленного алюминия в заготовку из волокон из активированного угля.

29. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.24, отличающийся тем, что пропитка заготовки из волокон из активированного угля, имеющих большую площадь поверхности, равномерно распределенной непрерывной дорожкой из алюминия включает погружение заготовки из волокон из активированного угля в ванну расплавленного алюминия.

30. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.24, отличающийся тем, что регулирование пористости пропитанных алюминием угольных композитных электродов включает циклическое приложение давления к расплавленному алюминию во время пропитки заготовки из волокон из активированного угля.

31. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.24, отличающийся тем, что регулирование пористости пропитанных алюминием угольных композитных электродов включает приложение ультразвуковых колебаний к заготовке из волокон из активированного угля во время пропитки.

32. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.21 или 22, отличающийся тем, что заготовку из волокон из активированного угля, имеющих большую площадь поверхности, погружают в расплавленный металлический инфильтрат, состоящий из смачивающего реагента, перед ее пропиткой алюминием.

33. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.32, отличающийся тем, что смачивающий реагент выбирают из группы, включающей олово-титан, медь-олово-титан, тантал, титан-углерод, титан-азот, титан-азот-углерод, кремний-углерод и их смеси.

34. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.21 или 22, отличающийся тем, что насыщение пропитанных алюминием угольных композитных электродов и разделителя электролитом включает их насыщение электролитом с применением процесса вакуумной инфильтрации.

35. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.21 или 22, отличающийся тем, что соединение осуществляют при температуре 300 – 600^oC.

36. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.35, отличающийся тем, что соединение осуществляют при температуре приблизительно 360^oC.

37. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.22, отличающийся тем, что поверхности алюминиевой фольги протравливают перед соединением.

38. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.37, отличающийся тем, что травление алюминиевой фольги включает погружение фольги в раствор бихромата натрия в серной кислоте.

39. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.22, отличающийся тем, что удаляют любые слои оксида алюминия с алюминиевой фольги с применением технологии аргоноионного распыления.

40. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.22, отличающийся тем, что композитный электрод спрессовывают с алюминиевой фольгой, имеющей толщину приблизительно от 12,7 до 76,2 мкм.

41. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.22, отличающийся тем, что композитный электрод спрессовывают с алюминиевой фольгой при давлении соединения около 0,21 – 28,1 кг/см².

42. Способ изготовления двухслойного конденсатора по п.41, отличающийся тем, что композитный электрод спрессовывают с алюминиевой фольгой при давлении соединения около 0,84 кг/см².

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 05.10.2003

Извещение опубликовано: 20.10.2005 БИ: 29/2005