[go: up one dir, main page]

RU2580510C2 - Linear energy accumulation and storage module for autonomous power supply of electrotechnical devices and equipment - Google Patents

Linear energy accumulation and storage module for autonomous power supply of electrotechnical devices and equipment Download PDF

Info

Publication number
RU2580510C2
RU2580510C2 RU2014117217/07A RU2014117217A RU2580510C2 RU 2580510 C2 RU2580510 C2 RU 2580510C2 RU 2014117217/07 A RU2014117217/07 A RU 2014117217/07A RU 2014117217 A RU2014117217 A RU 2014117217A RU 2580510 C2 RU2580510 C2 RU 2580510C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
linear
storage module
energy accumulation
power supply
equipment
Prior art date
Application number
RU2014117217/07A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2014117217A (en
Inventor
Андрей Владимирович Бабкин
Валерий Сергеевич Мухтарулин
Александр Александрович Логачев
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт вычислительных комплексов им. М.А. Карцева"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт вычислительных комплексов им. М.А. Карцева" filed Critical Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт вычислительных комплексов им. М.А. Карцева"
Priority to RU2014117217/07A priority Critical patent/RU2580510C2/en
Publication of RU2014117217A publication Critical patent/RU2014117217A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2580510C2 publication Critical patent/RU2580510C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering, in particular to an energy accumulation and storage device, which can be used as part of linear autonomous systems that convert sunlight directly into electricity. Linear energy accumulation and storage module for autonomous power supply of electrical devices and equipment consists of two electrodes, coated with metal-organic structure (MOF) based on copper, a porous separator, wherein entire surface of MOF-structure and porous separator are impregnated with ionic liquid.
EFFECT: use of MOF-structure with ionic liquid provides higher capacitance of module during its operation in wide range of operating temperatures.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к технологии и оборудованию накопления и хранения энергии для автономного электропитания электротехнических устройств и оборудования. Накопление энергии осуществляется электрохимическим способом. За счет нанесения на электроды линейного модуля накопления энергии высокопористого металл-органического каркаса с высокой удельной площадью ( J. Am. Chem. Soc., 2010, DOI: 10.1021/ja1074322) повышается его способность накапливать и удерживать электрический заряд. Накопитель изготавливается в виде отрезка кабеля фиксированной длины, зависящей от условий его практического применения.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to technology and equipment for storing and storing energy for autonomous power supply of electrical devices and equipment. The accumulation of energy is carried out by the electrochemical method. By applying a highly porous metal-organic framework with a high specific area (J. Am. Chem. Soc., 2010, DOI: 10.1021 / ja1074322) to the electrodes of the linear energy storage module, its ability to accumulate and retain an electric charge is increased. The drive is made in the form of a piece of cable of a fixed length, depending on the conditions of its practical application.

Уровень техники State of the art

Из современных аналогов, близких по способу накопления энергии, известны:Of the modern analogues, similar in the way of energy storage, are known:

1. Суперконденсатор на основе графена - ионистор. В ионисторах материалом, накапливающим электрический заряд, является графен (англ. graphene) представляющий собой один слой атомов углерода, соединенных посредством sp2 связей в гексагональную двумерную кристаллическую решетку. Накопление заряда происходит между соседними слоями графена. К существенным недостаткам ионисторов относятся ( http://www.powerinfo.ru/electric-layer.php):1. The graphene-based supercapacitor is an ionistor. In ionistors, the material that accumulates an electric charge is graphene (English graphene), which is a single layer of carbon atoms connected by sp 2 bonds into a hexagonal two-dimensional crystal lattice. Accumulation of charge occurs between adjacent graphene layers. Significant disadvantages of ionistors include (http://www.powerinfo.ru/electric-layer.php):

- маленькая энергетическая плотность;- low energy density;

- низкое рабочее напряжение;- low operating voltage;

- высокий уровень саморазряда.- high level of self-discharge.

Литиевые аккумуляторы, использующие различные классы катодных материалов и электро-химических схем компоновки. К существенным недостаткам данных аккумуляторов относятся:Lithium batteries using various classes of cathode materials and electro-chemical layout schemes. Significant disadvantages of these batteries include:

- эффект памяти;- memory effect;

- подверженность взрывному эффекту;- exposure to explosive effect;

- ограничения по глубине разряда;- restrictions on the depth of discharge;

- ограниченное количество (<1000) циклов заряда/разряда.- limited number (<1000) of charge / discharge cycles.

При объединении отдельных суперконденсаторов или литиевых аккумуляторов в линейную структуру длиной более метра для достижения требуемых эксплуатационных характеристик существенно снизится надежность их эксплуатации, так как выход из строя одного элемента повлечет за собой отказ всего оборудования.When individual supercapacitors or lithium batteries are combined into a linear structure more than a meter long, the reliability of their operation will significantly decrease to achieve the required operational characteristics, since failure of one element will entail a failure of all equipment.

Раскрытие изобретения: линейный модуль накопления и хранения энергии для автономного электропитания электротехнических устройств и оборудования содержит два покрытых металл-органической каркасной структурой типа Cu3(HITP) ( Batten S.R., Champness N.R., Chen X.-M., Garcia-Martinez J., Kitagawa S., Ohrstrom L., O′Keeffe M., Suh M.P., Reedijk J. Coordination polymers, metal-organic frameworks and the need for terminology guidelines // CrystEngComm. - 2012. - Vol. 14. - P. 3001-3004), разделенных сепаратором и пропитанных ионной жидкостью электрода. Соотношение толщин металл-органической каркасной структуры на электродах выбрано как: 1/1,62, где: 1 - толщина материала на внешнем электроде, а 1,62 - на внутреннем электроде. Данное соотношение толщины слоев выбрано для обеспечения равенства площадей рабочих поверхностей электродов накопителя. Два слоя металл-органической каркасной структуры разделены сепаратором толщиной 0,05 мм. Размер пор сепаратора меньше минимального размера частицы металл-органической каркасной структуры, представляющих собой черный нерастворимый порошок. Данный порошок наносится на электроды. Для получения высокоэластичного покрытия заданной толщины весь объем металл-органической каркасной структуры и сепаратор пропитаны ионной жидкостью 1Me3BuImBF4.SUMMARY OF THE INVENTION A linear energy storage and storage module for autonomous power supply of electrical devices and equipment comprises two Cu 3 (HITP) coated metal-organic frame structures (Batten SR, Champness NR, Chen X.-M., Garcia-Martinez J., Kitagawa S., Ohrstrom L., O'Keeffe M., Suh MP, Reedijk J. Coordination polymers, metal-organic frameworks and the need for terminology guidelines // CrystEngComm. - 2012 .-- Vol. 14. - P. 3001- 3004), separated by a separator and impregnated with an ionic liquid electrode. The ratio of the thicknesses of the metal-organic frame structure on the electrodes is selected as: 1 / 1.62, where: 1 is the thickness of the material on the external electrode, and 1.62 - on the internal electrode. This ratio of the thickness of the layers is chosen to ensure equality of the areas of the working surfaces of the drive electrodes. Two layers of a metal-organic frame structure are separated by a separator with a thickness of 0.05 mm. The pore size of the separator is smaller than the minimum particle size of the metal-organic frame structure, which is a black insoluble powder. This powder is applied to the electrodes. To obtain a highly elastic coating of a given thickness, the entire volume of the metal-organic frame structure and the separator are impregnated with 1Me3BuImBF 4 ionic liquid.

Принцип действия механизма накопления электрической энергии основан на концентрации заряженных от внешнего источника тока ионов в двух слоях металл-органической каркасной структуры и ионной жидкости (у каждого электрода). За счет большой удельной площади поверхности металл-органической каркасной структуры ( J. Am. Chem. Soc., 2010, DOI: 10.1021/ja1074322) происходит накопление значительного количества заряженных ионов и соответственно величины электрического заряда.The principle of operation of the electric energy storage mechanism is based on the concentration of ions charged from an external current source in two layers of a metal-organic frame structure and an ionic liquid (at each electrode). Due to the large specific surface area of the metal-organic frame structure (J. Am. Chem. Soc., 2010, DOI: 10.1021 / ja1074322), a significant amount of charged ions and, accordingly, the electric charge, accumulate.

Применяемые в линейном накопительном модуле материалы сохраняют свои параметры в диапазоне рабочих температур от -70 до +70°С и позволяют эксплуатировать модуль в жестких климатических условиях. Использование данных материалов также позволит устранить недостатки современных аккумуляторов в области экологии и взрывобезопасности.The materials used in the linear storage module retain their parameters in the operating temperature range from -70 to + 70 ° C and allow the module to be operated in harsh climatic conditions. The use of these materials will also eliminate the shortcomings of modern batteries in the field of ecology and explosion safety.

Техническим результатом изобретения является достижение значительных величин накопленной энергии и способности по ее отдаче по сравнению с аккумуляторами и суперконденсаторами. При этом наряду со значительным возрастанием удельной энергоемкости снижаются массогабаритные показатели линейного модуля накопителя. Это достигается посредством того, что в линейном модуле накопления и хранения энергии для получения инновационных электрических характеристик применен материал, ранее использующийся для транспортировки и хранения газов - металл-органическая каркасная структура с эквивалентной площадью поверхности одного грамма данного материала, равной около 16000,00 м2, что, например, для линейного накопительного модуля длиной 60 метров и массой используемой металл-органической каркасной структуры, равной 3 кг, позволит при рабочем напряжении модуля 12V накопить заряд до 5760000000000 кулон (при расчетной емкости линейного накопительного модуля, равной 1600000000 А·ч). При этом электрическая емкость (С) данного линейного накопительного модуля составит: С=S/d=480000000000 Ф, а расчетная величина саморазряда составит величину в пределах 2,08·10-9 А·Ф-1·V-1. Электроды линейного модуля накопления энергии рассчитаны на длительную работу с токами около 100000 А. Вес линейного накопительного модуля длиной 60 метров и диаметром 0,015 метров - около 16 кг (8,5 кг - внутренняя и внешняя токоведущая жилы, 3,5 кг - металл-органическая каркасная структура и ионная жидкость, 4 кг - конструктив (защитная оболочка, выводы модулей и пр.). Расчетное количество циклов заряда/разряда около 15000. Уровень отдаваемой энергии (Е) в джоулях: Е=C*U2p/2=115200 МДж.The technical result of the invention is the achievement of significant quantities of stored energy and the ability to return it compared to batteries and supercapacitors. At the same time, along with a significant increase in specific energy consumption, the overall dimensions of the linear drive module are reduced. This is achieved through the fact that in the linear module of energy storage and storage, to obtain innovative electrical characteristics, a material previously used for gas transportation and storage is used - a metal-organic frame structure with an equivalent surface area of one gram of this material equal to about 16,000.00 m 2 that, for example, for a linear storage module with a length of 60 meters and a mass of used metal-organic frame structure equal to 3 kg, will allow for a module operating voltage of 12V n save the charge up to 5760000000000 pendant (with the estimated capacity of the linear storage module equal to 1600000000 Ah). In this case, the electric capacitance (C) of this linear storage module will be: C = S / d = 480000000000 F, and the calculated value of self-discharge will be within 2.08 · 10 -9 A · Ф -1 · V -1 . The electrodes of the linear energy storage module are designed for continuous operation with currents of about 100,000 A. The weight of the linear storage module with a length of 60 meters and a diameter of 0.015 meters is about 16 kg (8.5 kg - internal and external current-carrying conductors, 3.5 kg - metal-organic frame structure and ionic liquid, 4 kg - constructive (protective shell, module leads, etc.). The estimated number of charge / discharge cycles is about 15,000. The level of energy supplied (E) in joules: E = C * U 2 p / 2 = 115200 MJ

Новизна технического результата заключается в создании необслуживаемого линейного модуля накопления и хранения энергии с использованием материалов, обладающих повышенной удельной площадью на один грамм веса, и изготовлении его в виде кабеля фиксированной длины. Применение материалов повышенной удельной площади повышает энергоемкость и возможности линейного модуля по мощности отдачи энергии по сравнению с существующими аналогами (суперконденсаторами и аккумуляторами). При этом его характеристики превышают известные аналоги на несколько порядков. Он может быть использован в системах электропитания электротранспорта, создания транспортируемых хранилищ электроэнергии больших объемов (энергоконтейнеров) и другого оборудования, требующего значительных энергоресурсов.The novelty of the technical result consists in the creation of a maintenance-free linear module for energy storage and storage using materials having an increased specific area per gram of weight, and its manufacture in the form of a cable of fixed length. The use of materials with an increased specific area increases the energy intensity and the capabilities of the linear module in terms of energy output in comparison with existing analogues (supercapacitors and batteries). Moreover, its characteristics exceed known analogues by several orders of magnitude. It can be used in power supply systems for electric vehicles, the creation of transportable large-capacity electric energy storage facilities (energy containers) and other equipment requiring significant energy resources.

На фиг. 1 представлен поперечный разрез линейного модуля накопления, хранения энергии для автономного электропитания электротехнических устройств и оборудования, где:In FIG. 1 is a cross-sectional view of a linear module of energy storage and storage for autonomous power supply of electrical devices and equipment, where:

1. Ионная жидкость (электролит).1. Ionic liquid (electrolyte).

2. Пористый сепаратор.2. The porous separator.

3. Центральный токопроводник.3. Central conductor.

4. Пластифицированная MOF-структура.4. Plasticized MOF structure.

5. Пластифицированная MOF-структура.5. Plasticized MOF structure.

6. Внешний токопроводник.6. External conductor.

7. Внешняя защитная оболочка.7. Outer containment.

Claims (1)

Линейный модуль накопления и хранения энергии, содержащий два электрода, образующих линейную цилиндрическую структуру, отличающийся конструкцией электродов и использованием материалов с MOF-структурой на основе меди. A linear energy storage and storage module containing two electrodes forming a linear cylindrical structure, characterized by the design of the electrodes and the use of materials with a MOF structure based on copper.
RU2014117217/07A 2014-04-29 2014-04-29 Linear energy accumulation and storage module for autonomous power supply of electrotechnical devices and equipment RU2580510C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014117217/07A RU2580510C2 (en) 2014-04-29 2014-04-29 Linear energy accumulation and storage module for autonomous power supply of electrotechnical devices and equipment

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014117217/07A RU2580510C2 (en) 2014-04-29 2014-04-29 Linear energy accumulation and storage module for autonomous power supply of electrotechnical devices and equipment

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2014117217A RU2014117217A (en) 2015-11-10
RU2580510C2 true RU2580510C2 (en) 2016-04-10

Family

ID=54536142

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014117217/07A RU2580510C2 (en) 2014-04-29 2014-04-29 Linear energy accumulation and storage module for autonomous power supply of electrotechnical devices and equipment

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2580510C2 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101604580A (en) * 2009-04-03 2009-12-16 中国科学院上海硅酸盐研究所 Method for preparing porous carbon electrode material by one-step decomposition method of single-source compound
WO2011100501A1 (en) * 2010-02-12 2011-08-18 Dow Global Technologies Llc Metal organic framework filled polymer based membranes
JP2013048176A (en) * 2011-08-29 2013-03-07 Tdk Corp Winding type electrochemical device
WO2013061789A1 (en) * 2011-10-27 2013-05-02 住友電気工業株式会社 Capacitor
CN103151524A (en) * 2013-03-04 2013-06-12 北京化工大学常州先进材料研究院 Positive pole material for high-performance lithium-sulfur battery and preparation method thereof
KR101309344B1 (en) * 2012-10-16 2013-09-17 다이요 유덴 가부시키가이샤 Electrochemical capacitor

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101604580A (en) * 2009-04-03 2009-12-16 中国科学院上海硅酸盐研究所 Method for preparing porous carbon electrode material by one-step decomposition method of single-source compound
WO2011100501A1 (en) * 2010-02-12 2011-08-18 Dow Global Technologies Llc Metal organic framework filled polymer based membranes
JP2013048176A (en) * 2011-08-29 2013-03-07 Tdk Corp Winding type electrochemical device
WO2013061789A1 (en) * 2011-10-27 2013-05-02 住友電気工業株式会社 Capacitor
KR101309344B1 (en) * 2012-10-16 2013-09-17 다이요 유덴 가부시키가이샤 Electrochemical capacitor
CN103151524A (en) * 2013-03-04 2013-06-12 北京化工大学常州先进材料研究院 Positive pole material for high-performance lithium-sulfur battery and preparation method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
RU2014117217A (en) 2015-11-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chung Development, design and applications of structural capacitors
Sikha et al. A mathematical model for a lithium-ion battery/electrochemical capacitor hybrid system
Zheng et al. Cathode performance as a function of inactive material and void fractions
Wen et al. Research on sodium sulfur battery for energy storage
Kim et al. High‐performance hybrid supercapacitor based on graphene‐wrapped Li4Ti5O12 and activated carbon
MY177214A (en) Electrode and electrical storage device for lead-acid system
JP2017539051A5 (en)
US10693188B2 (en) Thermally responsive electrolytes
Bondavalli et al. Supercapacitor electrode based on mixtures of graphite and carbon nanotubes deposited using a dynamic air-brush deposition technique
JP6638315B2 (en) Lithium ion capacitor
US7501788B2 (en) Quantum generator and related devices of energy extraction and conversion
Kolosnitsyn et al. Impedance spectroscopy studies of changes in the properties of lithium-sulfur cells in the course of cycling
WO2018013485A1 (en) Self-charging and/or self-cycling electrochemical cells
RU2580510C2 (en) Linear energy accumulation and storage module for autonomous power supply of electrotechnical devices and equipment
JPWO2016088535A1 (en) Power storage device
CN105071545A (en) Quantum physics storage battery and preparation method thereof
CN106653378B (en) Laminated device for storing and releasing electric energy
Gallant et al. Electrochemical Performance of Thin-Film Functionalized Carbon Nanotube Electrodes in Nonaqueous Cells
Ervin et al. Graphene-based and other electrochemical double layer capacitors for energy harvesting systems
JP7717094B2 (en) SYSTEM AND METHOD FOR MONITORING ONE OR MORE CHARACTERISTICS OF AN ULTRACAPACITOR - Patent application
US20140147772A1 (en) Polarizable ion-conducting material
JP2012143121A5 (en)
JP2020501332A (en) Device with supercapacitor and method of manufacturing the device
RU134695U1 (en) DEVICE FOR STORAGE AND STORAGE OF ELECTRIC ENERGY (OPTIONS)
KR102385369B1 (en) Energy storage device

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190430