CC BY
253
УДК 541.136
ВАРИАНТЫ КОНСТРУКТИВНЫХ ИСПОЛНЕНИЙ СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ
Д.Е. Силютин, М.Ю. Чайка, В.С. Горшков, А.И. Дунаев
В работе рассмотрены основные конструктивные исполнения суперконденсаторов: радиальная, аксиальная и призматическая. Показаны конструкции секций различных исполнений. Показаны конструктивные особенности энергоемких суперконденсаторов
Ключевые слова: суперконденсатор, секция, радиальная конструкция, аксиальная конструкция,
призматическая конструкция
При разработке электронных приборов и устройств, требующих резервного питания, автомобильных систем гибридного привода, использующих принципы рекуперации энергии, и других подобных устройств, нуждающихся в перезаряжаемых источниках постоянного тока, все чаще используют суперконденсаторы
(электрохимические конденсаторы с двойным электрическим слоем) [1-3].
Цель настоящей работы разработать оптимальную конструкцию сперконденсатора, наиболее полно отвечающую требованиям эффективности его функционирования.
Выбор конструкции суперконденсатора
На основе анализа возможных конструкций в качестве базовой для разработки была выбрана радиальная конструкция малогабаритного суперконденсатора (рисунок 1). Данная конструкция имеет ряд преимуществ по сравнению с другими возможными вариантами, т.к. является наиболее технологичной и удовлетворяющей всем требованиям к серийному производству.
Из научно-технической литературы, информационных источников известно несколько основных типов конструкций суперконденсаторов:
- радиальная (суперконденсатор имеет цилиндрический вид). Состоит из корпуса, как правило, алюминиевого, с помещенной в него секцией. Секция имеет рулонную конструкцию, и представляет собой два электрода (анод и катод), разделенных друг от друга двумя бумажными прокладками, выполняющими роль
электроизолятора. Секция герметизирована или уплотнена в корпусе и имеет два внешних вывода для включения в электрическую цепь;
Силютин Дмитрий Евгеньевич - ОАО ВСКБ «Рикон», инженер-конструктор НИЛ, тел. (473) 246-35-60, e-mail: dsilvutin@vandex. ru
Чайка Михаил Юрьевич - ОАО ВСКБ «Рикон», канд. хим. наук, начальник НИЛ, тел. (473) 246-35-60, e-mail: chavka@ricon.ru
Горшков Владислав Сергеевич - ВГУ, аспирант, тел. (473) 246-35-60, e-mail: vgorsh88@gmail .com Дунаев Александр Игоревич - ВГТУ, ст. науч. сотрудник, тел. (473) 254-57-99
- аксиальная (отличием данной конструкции от радиальной является иное строение секции суперконденсатора. Выводы в данном случае направлены противоположно друг другу, одним из выводов может служить электропроводящий корпус конденсатора);
- призматическая (суперконденсатор имеет вид параллелепипеда с двумя выводами для включения в электрическую цепь. Секция состоит из набора прямоугольных элементов, половина из которых электрически соединена между собой и имеет один общий вывод, также выполнена и вторая половина; обе половины разделены между собой изолятором);
- овальная (секция суперконденсатора в данной конструкции намотана на двух оправках, что обуславливает овальный или вытянутый вид прибора).
D
Рис. 1. Эскизный чертеж конструкции суперконденсатора
На основе анализа данных конструкций для разработки была выбрана радиальная конструкция малогабаритного суперконденсатора. Данная конструкция имеет ряд преимуществ по сравнению с другими возможными вариантами, т.к. является наиболее технологичной и удовлетворяющей всем требованиям к серийному производству.
Недостатком призматического исполнения суперконденсатора, является сложность
изготовления секции, заключающаяся в необходимости изготовления большого числа электродных элементов и их соединения. Кроме того, при прочих равных условиях, внутреннее сопротивление такого суперконденсатора больше чем у радиального за счет контактного сопротивления отдельных элементов. Это приводит в свою очередь к ухудшению основных характеристик прибора (уменьшению мощности, увеличению тока утечки).
Овальная конструкция не является технологичной из-за операции намотки. Использование секции овальной формы вызывает необходимость использования на порядок более сложного намоточного оборудования, что негативно сказывается на себестоимости конечного продукта, при этом использование данной конструкции не ведет к улучшению характеристик прибора.
Большинство современных устройств и комплексов, нуждающихся в перезаряжаемых источниках тока, таких как суперконденсаторы, предъявляют определенные требования к поверхностному монтажу. Одним из основных требований является однонаправленность выводов, поэтому аксиальная конструкция
суперконденсаторов неактуальна.
Разработка конструкции электрохимии-ческого конденсатора
В состав разрабатываемой конструкции суперконденсатора включены следующие сборочные единицы и детали (рисунок 1): 1 -секция; 2 (3) - втулка; 4 - корпус; 5 - трубка очехления. Разрабатываемый суперконденсатор состоит из корпуса 4, алюминиевого, с помещенной в него секцией 1. Секция имеет рулонную конструкцию, и представляет собой два электрода (анод и катод), разделенных друг от друга двумя бумажными прокладками, выполняющими роль электроизолятора. Секция имеет два однонаправленных вывода для включения в электрическую цепь. Для защиты от испарения летучих фракций электролита, от загрязнений и атмосферных явлений секция уплотнена
завальцовкой корпуса на резиновую втулку 2 или 3. На суперконденсатор надета термоусаживающаяся трубка очехления 5.
Секция разрабатываемого суперконденсатора представляет сборочную единицу,
состоящую из двух противоположно заряженных электродов, двух прокладок сепаратора (электроизоляционного материала), помещенных между ними, выводов для включения в электрическую цепь и пропитанную рабочим электролитом. Секция является основным
конструктивным элементом суперконденсатора,
обеспечивающим все его электрические и
эксплуатационные характеристики и показатели. Форма и вид секции суперконденсатора определяет тип конструкции суперконденсатора.
Электроды суперконденсатора являются сборочными единицами, состоящими из
алюминиевой фольги с приклеенным к ней углеродным слоем и пришитым холодной сваркой выводом.
В разработанной конструкции суперконденсатора приклейка углеродного материала к фольге осуществляется посредством электропроводящего адгезива. Для подклейки углеродного материала к фольге рекомендуется холодная сварка. Холодная сварка - способ соединения деталей при комнатной (и даже отрицательной) температуре без нагрева внешними источниками. Сварка осуществляется с помощью специальных устройств, вызывающих одновременную направленную деформацию предварительно очищенных поверхностей и нарастающее (до определенной границы) напряженное состояние, при котором образуется монолитное высокопрочное соединение.
Холодной сваркой можно соединять
алюминий, медь, свинец, цинк, никель, серебро, кадмий, железо и т.д. Особенно велико
преимущество холодной сварки перед другими способами сварки при соединении разнородных металлов, чувствительных к нагреву или
образующих интерметаллиды. По природе холодная сварка - сложный физико-химический процесс, протекающий только в условиях пластической деформации. Без пластической деформации в обычных атмосферных условиях, даже прилагая любые удельные сжимающие давления на соединяемые заготовки, практически невозможно получить полноценное монолитное соединение.
Роль деформации при холодной сварке заключается в предельном утонении или удалении слоя оксидов, в сближении свариваемых поверхностей до расстояния, соизмеримого с параметром кристаллической решетки, а также в повышении энергетического уровня поверхностных атомов, обеспечивающем возможность образования химических связей. Качество сварного соединения определяется исходным физико-химическим состоянием контактных поверхностей, давлением (усилием сжатия) и степенью деформации при сварке. Оно также зависит от схемы деформации и способа приложения давления (статического, вибрационного). Точечная сварка позволяет заменить трудоемкую клепку и контактную точечную сварку.
На основе анализа результатов предварительных расчетов и экспериментальных данных о параметрах суперконденсаторов с применением углеродных одностенных нанотрубок определены геометрические размеры секций для каждого исполнения (таблица 1).
Таблица 1
Расчетные геометрические параметры секций суперконденсаторов различных номиналов по емкости
Параметр Значение параметра
Емкость, Ф 5 10 25 50 100
Диаметр Осек, мм 8 12 16 18 21
Высота Нсек, мм 12 20 25 40 47
Удельная энергия, Втч/кг 2,78 2,8 3,9 4,2 5
Удельная мощность, кВт/кг 6,25 7,5 8,5 8,6 8,1
Завальцовка корпуса на резиновую втулку являлась наиболее технологичным и применяемым способом фиксации и герметизации секций. Кроме того, завальцовка хорошо изолирует секцию от поглощения воды из внешней среды и от потерь летучих фракций электролита вследствие испарения во внешнюю среду. Уплотненные конденсаторы разрабатывались с учетом пригодности для эксплуатации в условиях повышенной влажности и повышенной температуры.
Для уменьшения повреждений других деталей и травматизма персонала вследствие возможного взрыва суперконденсатора в
конструкции суперконденсатора был предусмотрен клапан.
Для предупреждения и избежания
возможного взрыва суперконденсатора в период эксплуатации конструкция клапана позволяет
обеспечить выравнивание избыточного давления внутри корпуса, устанавливающееся с течением времени при прохождении тока через конденсатор. При повышении внутреннего давления открывается клапан, испарившийся электролит выходит в виде едкого газа и иногда даже жидкости, и давление спадает без взрыва и осколков.
Конструктивно клапан представляет собой отверстие затянутое тонким слоем резины с тремя насечками.
В целях унификации, совместимости и взаимозаменяемости были использованы втулки, изготовленные с помощью технологического оборудования и инструментов (матриц, пуансонов) производства оксидно-электролитических
конденсаторов.
суперконденсатора, определяющим его
электрические характеристики и параметры.
В выбранной конструкции секция имеет рулонную конструкцию, и представляет собой узел (сборочную единицу), состоящую из сборочных единиц: анода поз. 1 (рис. 1 ) и катода поз. 2, и двух электроизоляционных прокладок поз. 3, 4. Секция изготавливается методом намотки на намоточном станке на оправку диаметром 4 мм. Секция должна быть плотно намотана, вывода должны быть центрированы и радиально расположены.
Анод и катод представляют собой неразборную сборочную единицу, состоящую из алюминиевой пластины поз. 1 (рис. 1 ), двух углеродных лент поз. 2 и вывода поз. 3.
Алюминиевая пластина является токопроводящей подложкой, и изготавливается порезкой из рулона фольги марки А5 толщиной 30 мкм. Углеродная лента является основным элементом суперконденсатора, и состоит из таких компонентов как активный уголь,
электропроводящая сажа и полимерное связующее. Углеродная лента толщиной 150 мкм нанесена на алюминиевую пластину с двух сторон прессованием при повышенной температуре. Вывод секции суперконденсатора изготавливается из
алюминиевой проволоки марки АД1 диаметром 0,8 мм плющением одного из ее концов. Плоская часть вывода приварена к алюминиевой пластине ультразвуковой сваркой.
Для обеспечения требуемой емкости суперконденсатора, необходимо определить габариты секции.
Объем секции, можно определить как
=
кНс
4
2
сек
(1)
где Нсек - высота секции, мм; Бсек - диаметр секции, мм; - диаметр оправки, мм.
Емкость суперконденсатора определяется формулой
С = V - 0 - С /4, (2)
угл оугл удел '
где У;ек - объем углеродной ленты в секции, мм3; Ругл - плотность углеродной ленты, г/мм3; Судел удельная емкость углеродной ленты, Ф/г.
В первом приближении относительную объемную долю углеродного материала в секции можно определить как
2 -(150 + 150) угл = 2- (150 + 150 + 30 + 30)
V ==v (3)
сек сек
6
Разработка конструкции секции суперконденсатора
Секция суперконденсатора поз. 1 (рис. 1) является основным рабочим элементом
Подставляя полученное выражение в формулу для вычисления емкости, и выражая из последней Усек, получим:
V = 24С (4)
сек ^
оугл удел
Задаваясь необходимыми значениями емкости (5 Ф, 10 Ф, 25 Ф, 50 Ф, 100 Ф) и учитывая значения ругл = 5-10-4 г/мм3 и Судел = 55 Ф/г можно определить объем секции (таблица 2).
Таблица 2
Результаты расчета объема секции.
Значение емкости, Ф 5 10 25 50 100
Объем секции, мм3 873 1745 4364 8727 17454
Разработка конструкции корпуса суперконденсатора
Корпус суперконденсатора (рис. 2) представляет собой цилиндрическую полую деталь, выполненную из алюминия марки А5.
Из технологий машиностроения известно несколько способов изготовления деталей и заготовок: точение, литье, штамповка. Учитывая материал детали, серийность производства, технологичность детали можно заключить что наиболее целесообразным способом изготовления корпуса суперконденсатора является штамповка, предположительно ротационная вытяжка из листового материала.
0,5 й
Рис. 2. Корпус суперконденсатора
Для изготовления макетов
суперконденсаторов были использованы корпуса алюминиевых оксидно-электролитических
конденсаторов, близкие по своим габаритным размерам к требуемым значениям (таблица 3 ).
Таблица 3
Геометрические параметры корпуса алюминиевых
оксидно-электролитических конденсаторов
Значение емкости, Ф 5 10 25 50 100
Димаетр корпуса 4 мм 9,2 11,2 15,2 17,2 20
Высота корпуса Н, мм 22 26 32 46 63
Разработка втулки суперконденсатора
Известно несколько возможных конструкций конденсаторов, обеспечивающих фиксацию секции внутри корпуса. Основными из них являются герметизация корпуса пайкой и уплотнение секции завальцовкой корпуса на резиновую втулку. При конструировании малогабаритного суперконденсатора был выбран последний способ, т.к. он является более технологичным и применяемым. Кроме того, он хорошо изолирует секцию от поглощения воды из внешней среды и от потерь летучих фракций электролита вследствие испарения во внешнюю среду. Уплотненные конденсаторы пригодны для эксплуатации в условиях повышенной влажности и повышенной температуры.
Втулка суперконденсатора (рисунок 3) изготовлена из сырой резиновой смеси марки 512836 методом прессования.
2
Рис. 3. Втулка суперконденсатора
Для предупреждения взрыва в конструкции втулки предусмотрен клапан (рисунок 3, вид
справа), служащий для выравнивания избыточного давления внутри корпуса, устанавливающееся с течением времени при прохождении тока через конденсатор. Клапан представляет собой отверстие затянутое тонким слоем резины с тремя насечками.
Конструкция суперконденсатора приведенная на рисунке 1 имеет проволочные внешние выводы. Соединение вывода секции с алюминиевой фольгой производят посредством пришивки вывода. Под пришивкой вывода понимают процесс холодной (точечной) сварки (рис. 4). Площадь такого вывода обычно не более 1,5 мм2. С другой стороны главным достоинством суперконденсаторов является большая пиковая мощность, т.е. возможность заряжаться и разряжаться токами большой величины.
Рис. 4. Проволочный вывод суперконденсатора
Разгерметизирование суперконденсаторов — довольно распространённое явление. Основной причиной данного явления является перегрев суперконденсатора, вызываемый в большинстве случаев утечкой или повышением эквивалентного последовательного сопротивления вследствие старения.
Для уменьшения повреждений других деталей в суперконденсаторах устанавливают клапан или выполняют насечку на корпусе (в форме буквы X, K или Т). При повышении внутреннего давления открывается клапан или корпус разрушается по насечке, испарившийся электролит выходит в виде едкого газа и иногда даже жидкости, и давление спадает без взрыва и осколков.
Заключение
Разработана радиальная конструкция
электрохимического наноструктурного суперконденсатора с номиналами З, іО, 2З, ЗО и іОО Ф, имеющего алюминиевые проволочные выводы и алюминиевый корпус, снабженный клапаном сброса давления. Разработанная конструкция отличается минимальными габаритными размерами при высоких энергомощностных параметрах
суперконденсатора.
Работа выполнена в рамках госконтракта № і6.552.іі.7048.
Литература
1. Burke A.F. Supercapacitors and advanced batteries: what is the future of supercapacitors as battery technology continues to advance? // Proc. Advanced capacitor world summit. USA. San Diego. 2009.
2. Шурыгина В. Суперконденсаторы-помощники или конкуренты батарейным источникам питания. //ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2ОО3. Т.З. С.2О-24.
3. Беляков А. И. Электрохимические
суперконденсаторы: текущее состояние и проблемы
развития. // Электрохимическая энергетика. 2ОО6. Т.6. № 3. СЛ46-149.
Воронежский государственный технический университет
Воронежский государственный университет
ОАО Воронежское специальное конструкторское бюро «Рикон»
OPTIONS DESIGN SUPERCAPACITORS
D.E. Silyutin, M.Yu. Chayka, V.S. Gorshkov, A.I. Dunaev
The paper discusses the main structural performance of supercapacitors: radial, axial, and prismatic. Showing the construction of sections of different performances. Showing design features energy goemkih supercapacitors
Key words: supercapacitor, a section, the radial design, the axial structure, prismatic structure
101
