Результат интеллектуальной деятельности: СУПЕРКОНДЕНСАТОР

Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники и может применяться в приборостроении, энергетике, электронике, в приборах мобильной связи в качестве слаботочного источника питания.

Известен конденсатор большой мощности на двойном электрическом слое, состоящий из электродов на основе активированного углерода, сепаратора, электролита, размещенных в корпусе. В качестве электродов использованы углеродные волокна с совершенной кристаллической структурой графита и упорядоченной системой внутренних пор (RU 2098879 С1, МПК H01G 09/155, опубл. 10.12.1997 г.).

Известен суперконденсатор, состоящий из подложки из диэлектрического материала или высокоомного полупроводника, на котором последовательно расположены слои металла, который имеет структурно-сопряженную когерентную границу со следующим слоем, слой суперионного проводника и верхний электрод из проводящего материала, который имеет структурно сопряженную когерентную границу со слоем суперионного проводника (RU 2298257 С1, МПК H01L 29/92, опубл. 28.04.2007 г.).

Недостатками данных устройств являются повышенные размеры, а также недостаточное накопление заряда.

Наиболее близким аналогом изобретения, принятым за прототип, является ионистор, содержащий металлический или угольный поляризуемый и серебряный неполяризуемый электроды, разделенные пленочным слоем высокопроводящего твердого электролита на основе иодида серебра (RU 2012105 С1, МПК Н01М 6/18, опубл. 30.04.1994 г.).

Указанный ионистор также имеет повышенные размеры и недостаточное накопление заряда.

Задачей заявляемого изобретения является создание пленочного миниатюрного конденсатора, не нуждающегося в обслуживании, а также повышение его удельной энергии.

Технический результат достигается благодаря тому, что заявляемый суперконденсатор выполнен в виде тонкопленочной структуры, содержащей электроды, разделенные пленочным слоем твердого электролита, но в отличие от прототипа, один из электродов выполнен из наночастиц графена, а второй - из проводящего полимера. Кроме того, в качестве твердого электролита применен диоксид циркония, стабилизированный иттрием, а второй электрод изготовлен из полипиррола.

Это позволяет при одинаковых геометрических размерах получить электроды с различной абсолютной емкостью.

Выполнение электрохимического конденсатора асимметричным, то есть один из электродов выполнен из наночастиц графена, а второй - из проводящего полимера, позволяет в одной тонкопленочной структуре получить два конденсатора с различными удельными характеристиками.

Это позволяет уменьшить габариты и вес конденсатора.

Таким образом, предлагаемый электрохимический конденсатор имеет пару электродов с неэквивалентными абсолютными емкостями и электролит между ними.

Емкость асимметричного электрохимического конденсатора определяется в виде

где С1 - емкость первого электрода,

где С2 - емкость второго электрода.

Для симметричного электрохимического конденсатора с одинаковыми электродами выполняется условие С1=С2=С, тогда емкость конденсатора равна

Таким образом, асимметричный электрохимический конденсатор имеет примерно в два раза большую емкость по сравнению с симметричным электрохимическим конденсатором, имеющим одинаковые электроды.

Традиционные конденсаторы имеют многослойный слой из диэлектрика между обкладками. В предлагаемом суперконденсаторе используется двойной электрический слой, который работает аналогично заряженному диэлектрику. Процесс зарядки-разрядки происходит в слое ионов, сформированном на поверхностях положительного и отрицательного электродов, под действием приложенного напряжения катионы и анионы движутся к соответствующему электроду и накапливаются на поверхности электрода, образуя, таким образом, с зарядом электрода двойной электрический слой.

Пример. Суперконденсатор выполнен в виде тонкопленочной структуры толщиной менее 1×10^-6 нм. Предлагаемый суперконденсатор изготавливают следующим образом.

Для нанесения наночастиц графена на проводящий полимер, в качестве которого была выбрана пленка из проводящего полимера-полипиррола, использовали электрофоретический метод.

Химическое отшелушивание частиц графена происходит путем обработки графита 20% раствором азотной кислоты HNO₃. При этом получается монослой графена с размерами частиц 10-30 нм в количестве 80%.

Суспензию, которая в дальнейшем служит электролитом, готовят следующим образом. В 150 г изопропилового спирта вводят 15 г нанопорошка графена со средним размером частиц 10-30 нм. Далее частицы графена положительно заряжают, добавляя Mg (NO₃)₂×6 Н₂О, весовое соотношение частиц графена и добавки - 1:1. Полученную суспензию диспергируют на диспергаторе УЗГ-0.4/22 в течение 5 мин. После обработки получают однородную суспензию Mg²⁺ - абсорбированных частиц графена. Суспензия является седиментационно устойчивой и не оседает. Полученную суспензию сливают в емкость, где расположены пленка из полипиррола, служащая анодом.

Процесс электрофоретического осаждения наночастиц графена на пленки полипиррола проводится при напряжении 80-100 В, плотности тока 2,5 мА/см², время обработки 5-10 мин. В результате получается ровное покрытие из наночастиц графена. Водородный показатель суспензии рН 5,38-5,39, площадь пленок 4×6 мм. Затем образовавшиеся пленки помещают в гелеобразный полимерный твердый электролит диоксида циркония 0,9 ZrO₂+0,1 Y₂О₃ стабилизированного иттрием, который одновременно играет роль разделителя. В суперконденсаторе плотность энергии до 300 мФ/см², при напряжении зарядки 0,5 В. Суперкондесатор заряжают от источника постоянного напряжения. Удельная электрическая мощность суперконденсатора с твердым электролитом составляет 10×1000-20×1000 мкФ/см².

На чертеже представлена схема суперконденсатора. Суперконденсатор выполнен в виде тонкопленочной структуры, содержащей коллекторы 1, первый электрод из наночастиц графена 2, а второй электрод из проводящего полимера 3, разделенные пленочным слоем твердого электролита 4.

Суперконденсатор работает следующим образом.

При зарядке суперкондесатора от источника постоянного тока образуется двойной электрический слой из анионов на первом электроде из наночастиц графена 2 и катионов на втором электроде из проводящего полимера 3. После подключения нагрузки к коллекторам 1, анионы и катионы начинают перетекать навстречу друг другу. Электроды находятся в пленочном твердом электролите 4.

Суперконденсатор может быть использован в качестве источника постоянного тока, который работает в автономном и буферном режиме включения. При работе в буферном режиме включения он заряжается от источника постоянного тока малой мощности и разряжается, отдавая большую мощность.