專利名稱：超級(jí)電容器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電容器，尤其涉及一種電極比面積較大且不使用電解液的大容量的超級(jí)電容。
背景技術(shù)：
電容雖小，但用途很廣，大到航天航空設(shè)備，小到一個(gè)移動(dòng)存儲(chǔ)盤，尤其是電源領(lǐng)域，更少不了電容。但應(yīng)用于電源領(lǐng)域的電容通常要求容量大，根據(jù)電容量公式C＝εS/d可知，電容量和介電常數(shù)ε、電極與介電質(zhì)的接觸面積S成正比，和電極間的距離d成反比，所以要增大電容的容量，通常從這三個(gè)方面考慮。例如現(xiàn)在常見的平板電容，由于其比面積小，通常采用增加電極板的面積和減小電極間的距離的方法，但電極板面積的增加會(huì)導(dǎo)致電容體積的增加，電極間距離的減小也是有限的，所以并不能將電容量做到很大。再有專利申請(qǐng)?zhí)枮?0136008(申請(qǐng)日為2000年12月21日，
公開日為2001年8月15日)、發(fā)明名稱為“摻碳納米管超大容量電容器”中公開了一種雙電層電容，雖然其利用摻碳納米管做極化電極，使極化電極比面積較大，但其采用了電解液，而電解液在高電壓下易發(fā)生分解反應(yīng)，如果出現(xiàn)過壓現(xiàn)象，這時(shí)電容的漏電流增大，電容會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速發(fā)熱，導(dǎo)致電容的溫度升高，電容內(nèi)部的電解液會(huì)因高溫變成氣體致使電容內(nèi)部的壓力增大。當(dāng)這個(gè)壓力超過電解電容的鋁外殼承受壓力的時(shí)候，電容就會(huì)發(fā)生爆炸。所以雙電層電容的耐壓較低，只有2-3V，為了既獲得大電容，又能耐高壓，就必須將很多雙電層電容串聯(lián)以提高耐壓，但這樣又增加了總體電容的體積。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要目的就是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提供一種超級(jí)電容器，既能做到電容量、耐壓高，又能使其體積不隨著電容量的增加而增大，可安全使用于電源等需要大電容的領(lǐng)域。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的一種超級(jí)電容器，包括相互面對(duì)的第一電極、第二電極和位于第一電極和第二電極之間的電介質(zhì)，第一電極和第二電極中的至少一個(gè)具有與其相連的用于擴(kuò)大表面積的電極延伸體。
第一種方案是還包括與電介質(zhì)相連的電介質(zhì)延伸體，所述電介質(zhì)延伸體和電極延伸體交織混合在一起。電介質(zhì)延伸體和電極延伸體交織混合在一起可以通過多種方案，例如電介質(zhì)延伸體和電極延伸體可以制造成“E”狀結(jié)構(gòu)，如圖1所示，沒有陰影的為電極延伸體，有陰影的為電介質(zhì)延伸體，電介質(zhì)延伸體和電極延伸體都有很多分支，電介質(zhì)延伸體的分支和電極延伸體的分支交錯(cuò)混合在一起，使電極與介電質(zhì)的接觸面積S增加，從而增大電容量。電介質(zhì)延伸體和電極延伸體交織混合還可以將作為電介質(zhì)延伸體的粉末和作為電極延伸體的粉末充分混合在一起，用粘接劑粘在一起或?qū)⑵淙刍笤倌坛梢惑w，并將該混合體與電介質(zhì)、電極通過粘接劑粘在一起。
優(yōu)選地，所述電極延伸體和電介質(zhì)延伸體交織混合成互為蜂窩狀結(jié)構(gòu)，電介質(zhì)延伸體和電極延伸體交織混合成互為蜂窩狀結(jié)構(gòu)的方法可以是電介質(zhì)延伸體和電極延伸體其中之一是微米級(jí)或納米級(jí)結(jié)構(gòu)的納米材料，本身是孔狀結(jié)構(gòu)，而另一個(gè)采用高壓方法注入并充滿在納米材料的蜂窩狀結(jié)構(gòu)中，這種情況下電介質(zhì)延伸體的顆粒被電極延伸體的顆粒包圍，電極延伸體的顆粒同時(shí)也被電介質(zhì)延伸體的顆粒包圍，從而形成互為蜂窩狀結(jié)構(gòu)。微米級(jí)或納米級(jí)結(jié)構(gòu)的納米材料是利用納米技術(shù)制成的物質(zhì)，納米材料的顆粒尺寸＜100nm，具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)，它的比表面積很大，從而大大增加了電極與電介質(zhì)的接觸面積S。
較佳的方案是電介質(zhì)延伸體和電極延伸體都是微米級(jí)或納米級(jí)結(jié)構(gòu)的材料，當(dāng)將兩種材料混合熔化并充分?jǐn)嚢杈鶆?，然后再冷卻成一體，形成互為蜂窩狀結(jié)構(gòu)，接觸面積更大。
電介質(zhì)延伸體可以是只與電介質(zhì)與一個(gè)電極相對(duì)的一個(gè)側(cè)面相連，也可以是電介質(zhì)延伸體與電介質(zhì)面對(duì)第一電極和第二電極的兩側(cè)面相連，即所述電介質(zhì)延伸體包括第一電介質(zhì)延伸體和第二電介質(zhì)延伸體，所述第一電介質(zhì)延伸體和第二電介質(zhì)延伸體分別連接在電介質(zhì)與第一電極和第二電極相面對(duì)的兩側(cè)面，所述電極延伸體包括第一電極延伸體和第二電極延伸體，所述第一電極延伸體與第一電極相連，所述第二電極延伸體與第二電極相連，所述第一電極延伸體和第一電介質(zhì)延伸體交織混合，所述第二電極延伸體和第二電介質(zhì)延伸體交織混合。
優(yōu)選地，所述電極延伸體為微米級(jí)或納米級(jí)結(jié)構(gòu)的汞，所述電介質(zhì)為陶瓷薄膜，所述電介質(zhì)延伸體為微米級(jí)或納米級(jí)結(jié)構(gòu)的陶瓷。
第二種方案是所述電介質(zhì)為絕緣材料，所述電極延伸體為導(dǎo)電材料，所述電極延伸體包括第一電極延伸體和第二電極延伸體，所述第一電極延伸體與第一電極相連，所述第二電極延伸體與第二電極相連，所述電介質(zhì)、第一電極延伸體和第二電極延伸體交織混合在一起。電介質(zhì)和電極延伸體交織混合在一起可以通過多種方案，例如電介質(zhì)和電極延伸體可以制造成“E”狀結(jié)構(gòu)，電介質(zhì)、第一電極延伸體和第二電極延伸體都有很多分支，電介質(zhì)的分支、第一電極延伸體的分支和第二電極延伸體的分支交錯(cuò)混合在一起，使電極與電介質(zhì)的接觸面積S增加，從而增大電容量。電介質(zhì)、第一電極延伸體和第二電極延伸體交織混合還可以將作為電介質(zhì)的粉末和作為電極延伸體的粉末充分混合在一起，用粘接劑粘在一起或?qū)⑵淙刍笤倌坛梢惑w，并將該混合體與電極通過粘接劑粘在一起。
優(yōu)選地，所述電介質(zhì)、第一電極延伸體和第二電極延伸體交織混合成互為蜂窩狀結(jié)構(gòu)，例如電介質(zhì)第一電極延伸體和第二電極延伸體中至少有一個(gè)是微米級(jí)或納米級(jí)結(jié)構(gòu)的納米材料，本身是孔狀結(jié)構(gòu)，而另一個(gè)或兩個(gè)采用高壓方法注入并充滿在納米材料的蜂窩狀結(jié)構(gòu)中，這種情況下電介質(zhì)的顆粒被電極延伸體的顆粒包圍，電極延伸體的顆粒同時(shí)也被電介質(zhì)的顆粒包圍，從而形成互為蜂窩狀結(jié)構(gòu)。
所述第一電極、第一電極延伸體、第二電極和第二電極延伸體為半導(dǎo)體或?qū)w。
所述第一電極和第一電極延伸體為P型半導(dǎo)體，所述第二電極和第二電極延伸體為N型半導(dǎo)體。
當(dāng)所述第一電極和第一電極延伸體為P型半導(dǎo)體，第二電極和第二電極延伸體為N型半導(dǎo)體時(shí)，如果在P型半導(dǎo)體上加負(fù)電位，在N型半導(dǎo)體上加正電位，則P型半導(dǎo)體中的孔穴向低電位的地方移動(dòng)，N型半導(dǎo)體中的電子向高電位的地方移動(dòng)，從而在中間形成一個(gè)空帶，使P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體分別形成電容的正負(fù)兩極。此時(shí)電容兩極在電介質(zhì)上就加有一電勢(shì)，使得電介質(zhì)的電偶極距改變，充上電。如果對(duì)該結(jié)構(gòu)加上正向電壓或者該結(jié)構(gòu)中的半導(dǎo)體部分或全部被導(dǎo)體替代時(shí)，該結(jié)構(gòu)就可能導(dǎo)通。在導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通的部分周圍也會(huì)有一個(gè)電場(chǎng)，并通過該電場(chǎng)改變沒參與導(dǎo)通的部分。該結(jié)構(gòu)中主要是使電介質(zhì)電偶極距改變。
優(yōu)選的，所述電介質(zhì)、第一電極延伸體和第二電極延伸體交織混合成互為蜂窩狀結(jié)構(gòu)，接觸面積更大。所述電介質(zhì)為微米級(jí)或納米級(jí)結(jié)構(gòu)的絕緣材料，所述第一電極延伸體和第二電極延伸體填充在所述電介質(zhì)內(nèi)。當(dāng)然也可以是所述第一電極延伸體和第二電極延伸體為微米級(jí)或納米級(jí)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電材料，所述電介質(zhì)填充在所述第一電極延伸體和第二電極延伸體內(nèi)。較佳的方案是所述電介質(zhì)為微米級(jí)或納米級(jí)結(jié)構(gòu)的絕緣材料，所述第一電極延伸體和第二電極延伸體為微米級(jí)或納米級(jí)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電材料，當(dāng)將兩種材料混合熔化并充分?jǐn)嚢杈鶆颍缓笤倮鋮s，從而使電介質(zhì)的顆粒被電極延伸體的顆粒包圍，電極延伸體的顆粒同時(shí)也被電介質(zhì)的顆粒包圍，電介質(zhì)和電極的接觸面積更大。
本發(fā)明的有益效果是1)在第一電極和第二電極之間增加了與電極相連的電極延伸體和與電介質(zhì)相連的電介質(zhì)延伸體，因?yàn)樵诠δ苌想姌O延伸體也相當(dāng)于電極，電介質(zhì)延伸體相當(dāng)于電介質(zhì)，所以將電極延伸體和電介質(zhì)延伸體交織混合接觸，即相當(dāng)于增加了電極與介電質(zhì)的接觸面積S，根據(jù)C＝εS/d，S增加，電容量C比現(xiàn)有電容的容量大大增加，屬于超級(jí)大容量電容器。同時(shí)本發(fā)明可看作是對(duì)平板電容的改善，不必使用電解液，所以可以做到很高的耐壓而不必?fù)?dān)心會(huì)發(fā)生漏夜等不安全事故。2)用微米級(jí)或納米級(jí)材料來制作電極延伸體和電介質(zhì)延伸體，利用納米材料本身所具有的較大比表面積來增加電極與介電質(zhì)的接觸面積S，并不需要增加電容的體積，所以電容的整個(gè)體積可以做到較小。3)由于電極延伸體和電介質(zhì)延伸體交織混合接觸，而電極延伸體相當(dāng)于電極，電介質(zhì)延伸體相當(dāng)于電介質(zhì)，所以兩個(gè)電極之間的距離d比現(xiàn)有技術(shù)中的距離要小很多，根據(jù)C＝εS/d，d減小，電容量C增加，從而使電容成為超大容量電容。4)利用半導(dǎo)體作為電極和電極延伸體，通過加以適當(dāng)電壓，可使電介質(zhì)和電極延伸體混合在一起，從而使兩個(gè)電極之間的距離d為P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間的距離，距離非常小，從而可使電容量很大。
本發(fā)明的特征及優(yōu)點(diǎn)將通過實(shí)施例結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖1表示本發(fā)明的電極延伸體和電介質(zhì)延伸體為“E”型交織混合的示意圖；圖2表示本發(fā)明的一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖；圖3表示本發(fā)明的又一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式具體實(shí)施例一、如圖2所示，超大電容包括第一電極1、與第一電極1相連的第一引出端11、與第一電極1相面對(duì)的第二電極2、與第二電極2相連的第二引出端21和電介質(zhì)3，所述電介質(zhì)3位于第一電極1和第二電極2之間，電介質(zhì)3與電極相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面向兩個(gè)電極方向分別具有第一電介質(zhì)延伸體31和第二電介質(zhì)延伸體32，第一電介質(zhì)延伸體31和第二電介質(zhì)延伸體32分別與電介質(zhì)3的兩側(cè)面相連，在第一電極1面向電介質(zhì)3連接有第一電極延伸體12，第二電極2面向電介質(zhì)3連接有第二電極延伸體22。第一電極1和第二電極2為相同材質(zhì)的導(dǎo)體或半導(dǎo)體，電介質(zhì)3為介電薄膜，第一電介質(zhì)延伸體31和第二電介質(zhì)延伸體32為微米級(jí)或納米級(jí)結(jié)構(gòu)的絕緣材料，例如利用納米技術(shù)制成的具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的陶瓷，第一電極延伸體12和第二電極延伸體22為微米級(jí)或納米級(jí)結(jié)構(gòu)的相同材質(zhì)的導(dǎo)體或半導(dǎo)體，例如利用納米技術(shù)制成的具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的汞，第一電極延伸體12和第一電介質(zhì)延伸體31交織混合成互為蜂窩狀的結(jié)構(gòu)，第二電極延伸體22和第二電介質(zhì)延伸體32交織混合成互為蜂窩狀的結(jié)構(gòu)，其混合的方式可以通過將微米級(jí)或納米級(jí)材料的第一電介質(zhì)延伸體31和第一電極延伸體12混合熔化、充分?jǐn)嚢杈鶆蚝罄鋮s得到，第二電介質(zhì)延伸體32和第二電極延伸體22混合熔化、充分?jǐn)嚢杈鶆蚝罄鋮s得到，或通過將第一電介質(zhì)延伸體31和第一電極延伸體12或第二電介質(zhì)延伸體32和第二電極延伸體22粘結(jié)得到。
該實(shí)施例中的兩個(gè)電極之間的距離d為電介質(zhì)3的厚度，顯然要比現(xiàn)有技術(shù)中的電容的兩個(gè)電極之間的距離小得多，而結(jié)構(gòu)中的電介質(zhì)3及電介質(zhì)延伸體31更可以是高介物質(zhì)。所以該結(jié)構(gòu)的電容器C就相當(dāng)大。
具體實(shí)施例二、包括第一電極1、與第一電極1相連的第一引出端11、與第一電極1相面對(duì)的第二電極2、與第二電極2相連的第二引出端21和電介質(zhì)3，所述電介質(zhì)3位于第一電極1和第二電極2之間，在第一電極1面向電介質(zhì)3連接有第一電極延伸體12，第二電極2面向電介質(zhì)3連接有第二電極延伸體22。第一電極1和第一電極延伸體12為P型半導(dǎo)體，第二電極2和第二電極延伸體22為N型半導(dǎo)體。更好的方案是第一電極延伸體12為微米級(jí)或納米級(jí)結(jié)構(gòu)的P型半導(dǎo)體，例如利用納米技術(shù)制成的具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的P型半導(dǎo)體，第二電極延伸體22為微米級(jí)或納米級(jí)結(jié)構(gòu)的N型半導(dǎo)體，例如利用納米技術(shù)制成的具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的N型半導(dǎo)體，電介質(zhì)3也為微米級(jí)或納米級(jí)結(jié)構(gòu)的介質(zhì)，例如利用納米技術(shù)制成的具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的陶瓷。在工作狀態(tài)時(shí)，第一引出端11、第一電極1、第一電極延伸體12構(gòu)成電容的一電極，第二引出端21、第二電極2、第二電極延伸體22構(gòu)成另一電極，這兩極分別是P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，由于因?yàn)榘雽?dǎo)體在反向電壓下，P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體基本上不導(dǎo)通，所以在工作狀態(tài)時(shí)，在電容兩端加上反向電壓，使電容兩極基本不導(dǎo)通。第一電極延伸體12、第二電極延伸體22和電介質(zhì)3形成的整體交織混合成互為蜂窩狀的結(jié)構(gòu)，如圖3所示，由于第一電極延伸體12和第二電極延伸體22上加有不同的電位時(shí)，第一電極延伸體12的顆粒和第二電極延伸體22的顆粒之間會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，該電場(chǎng)會(huì)使第一電極延伸體12的顆粒和第二電極延伸體22的顆粒之間或附近的電介質(zhì)3顆粒極化，起到電容作用。第一電極延伸體12、第二電極延伸體22和電介質(zhì)3混合的方式可以通過實(shí)施例一中的同樣方式得到。
本實(shí)施例中的第一電極1和第一電極延伸體12或第二電極2和第二電極延伸體22還可為導(dǎo)體，或第一電極1、第一電極延伸體12和第二電極2、第二電極延伸體22同時(shí)為導(dǎo)體。當(dāng)本實(shí)施例中的P型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體部份或全部被導(dǎo)體替代，電容的兩個(gè)電極就會(huì)導(dǎo)通藕合出一定電壓，使電介質(zhì)的電偶極距改變從而帶上電壓。
該實(shí)施例中的兩個(gè)電極之間的距離d為第一電極延伸體12和第二電極延伸體22之間的距離，比實(shí)施例一減小了一個(gè)電介質(zhì)層的厚度，比現(xiàn)有技術(shù)中的電容的兩個(gè)電極之間的距離要小得多。而結(jié)構(gòu)中的電介質(zhì)3更可以是高介物質(zhì)。所以該結(jié)構(gòu)的電容器C就相當(dāng)大。
綜上所述，本發(fā)明的電容電容量大，可做到高耐壓、小體積，優(yōu)于現(xiàn)有的雙電層電容，能為電動(dòng)汽車等很多需要大容量電容的設(shè)備提供動(dòng)力能源。
權(quán)利要求1.一種超級(jí)電容器，包括相互面對(duì)的第一電極、第二電極和位于第一電極和第二電極之間的電介質(zhì)，其特征在于第一電極和第二電極中的至少一個(gè)具有與其相連的用于擴(kuò)大表面積的電極延伸體。
2.如權(quán)利要求1所述的超級(jí)電容器，其特征在于還包括與電介質(zhì)相連的電介質(zhì)延伸體，所述電介質(zhì)延伸體和電極延伸體交織混合在一起。
3.如權(quán)利要求2所述的超級(jí)電容器，其特征在于所述電極延伸體和電介質(zhì)延伸體交織混合成互為蜂窩狀結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求3所述的超級(jí)電容器，其特征在于所述電極延伸體和電介質(zhì)延伸體為微米級(jí)或納米級(jí)結(jié)構(gòu)的材料構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)所述的超級(jí)電容器，其特征在于所述電介質(zhì)延伸體包括第一電介質(zhì)延伸體和第二電介質(zhì)延伸體，所述第一電介質(zhì)延伸體和第二電介質(zhì)延伸體分別連接在電介質(zhì)與第一電極和第二電極相面對(duì)的兩側(cè)面，所述電極延伸體包括第一電極延伸體和第二電極延伸體，所述第一電極延伸體與第一電極相連，所述第二電極延伸體與第二電極相連，所述第一電極延伸體和第一電介質(zhì)延伸體交織混合，所述第二電極延伸體和第二電介質(zhì)延伸體交織混合。
6.如權(quán)利要求1所述的超級(jí)電容器，其特征在于所述電極延伸體包括第一電極延伸體和第二電極延伸體，所述第一電極延伸體與第一電極相連，所述第二電極延伸體與第二電極的相連，所述電介質(zhì)、第一電極延伸體和第二電極延伸體交織混合在一起。
7.如權(quán)利要求6所述的超級(jí)電容器，其特征在于所述第一電極、第一電極延伸體、第二電極和第二電極延伸體為半導(dǎo)體或?qū)w。
8.如權(quán)利要求7所述的超級(jí)電容器，其特征在于所述第一電極和第一電極延伸體為P型半導(dǎo)體，所述第二電極和第二電極延伸體為N型半導(dǎo)體。
9.如權(quán)利要求7或8所述的超級(jí)電容器，其特征在于所述電介質(zhì)、第一電極延伸體和第二電極延伸體交織混合成互為蜂窩狀結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求9所述的超級(jí)電容器，其特征在于所述電介質(zhì)、第一電極延伸體和第二電極延伸體為微米級(jí)或納米級(jí)結(jié)構(gòu)的材料構(gòu)成。
專利摘要本實(shí)用新型涉及電容器，公開了一種超級(jí)電容器，包括相互面對(duì)的第一電極和第二電極、位于第一電極和第二電極之間的電介質(zhì)，第一電極和第二電極中的至少一個(gè)具有與其相連的用于擴(kuò)大表面積的電極延伸體，所述電介質(zhì)和電極延伸體交織混合在一起。所述電介質(zhì)和電極延伸體交織混合成互為蜂窩狀結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型具有較大的比表面積，增加了電極與介電質(zhì)的接觸面積，可將電容做到超大容量、高耐壓、小體積。
文檔編號(hào)H01G9/00GK2708468SQ200420092280
公開日2005年7月6日 申請(qǐng)日期2004年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月19日
發(fā)明者銀富強(qiáng) 申請(qǐng)人:銀富強(qiáng)