專利名稱：雙電荷層電容器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用由活性碳和電解質(zhì)之間的界面組成的雙電荷層原理、具有大靜電電容量的雙電荷層電容器。
近來，已經(jīng)研制出用作電子系統(tǒng)存儲(chǔ)器備用電源的基于雙電荷層原理的大容量電容器，并將其廣泛應(yīng)用于微計(jì)算機(jī)和集成電路(IC)存儲(chǔ)器。
例如，在美國專利第3，536，963號(hào)中公開了一種雙電荷層電容器。所公開的雙電荷層電容器包含一個(gè)框架形密封墊，一對(duì)用活性碳粒子制成的并放置在密封墊中的極化電極，用以防止電子在電極間移動(dòng)、放置在極化電極之間的隔離板，以及一對(duì)分別安裝在極化電極的相對(duì)表面并具有接合于密封墊的外圍邊緣的集電極。極化電極是由粉末狀或顆粒狀活性碳和一種電解質(zhì)混合物的凝縮懸浮液制成的糊狀電極。
減小這種具有糊狀電極的雙電荷層電容器的內(nèi)阻是重要的。雙電荷層電容器的內(nèi)阻受極化電極的活性碳的接觸電阻和集電極與極化電極之間的接觸電阻的影響很大。
因此，為減小極化電極的內(nèi)阻和集電極與極化電極間的接觸電阻，雙電荷層電容器的每個(gè)基本單元應(yīng)保持在垂直壓力之下，使糊狀活性碳的粒子處在良好的相互電接觸狀態(tài)。常規(guī)雙電荷層電容器對(duì)每一基本單元所需加上的壓力雖然取決于電極的尺寸、碳材料粒子的尺寸或所用電解質(zhì)的種類，但應(yīng)保持在約100kg/cm2壓強(qiáng)下。在先有的雙電荷層電容器中，通過使電容器外殼變形或?qū)⒓姌O牢牢地接合于密封墊上而使該單元保持在受壓狀態(tài)。如果準(zhǔn)備將一個(gè)雙電荷層電容器用作大容量電容器，例如，用以驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的電源，則必須增大基本單元電極的橫截面面積。因此，施加于該基本單元的壓力也必須增大。然而，增大壓力會(huì)導(dǎo)致一些實(shí)際問題，諸如對(duì)施加壓力裝置的選擇和對(duì)裝有基本單元的外殼的高剛性要求。
在常規(guī)雙電荷層電容器的極化電極和集電集之間的接觸電阻是如此之大以致于引起高內(nèi)阻。在日本特許公開公報(bào)第63(1988)-232309號(hào)中公開了一種雙電荷層電容器，這種電容器減小了極化電極和集電極之間的接觸電阻因而減小了內(nèi)阻。
按照上述公報(bào)所公開的，將一種熱塑樹脂加熱并溶解在電解液中，然后將該液體冷卻成不流動(dòng)或不變型的凝膠體并保持在一固定相位，除非對(duì)其施加外力。然后，將活性碳粉末加到該凝膠體上，用軋鋼機(jī)捏和該混合物。捏和的混合物成型為板片狀，將之切割為極化電極。將不銹鋼的金屬粉末撒在每個(gè)極化電極的一個(gè)表面上，撒下的粉末粒子由軋鋼機(jī)加壓埋入極化電極的表面，由此提供一種減小極化電極和集電極之間接觸電阻的導(dǎo)電層。但是，由于在制造極化電極之后形成該導(dǎo)電層，所以需要增加制造雙電荷層電容器的處理過程個(gè)數(shù)。另外，極化電極和導(dǎo)電層之間的接觸電阻不夠滿意，因?yàn)樗鼈兪峭ㄟ^粒子之間的接觸相互進(jìn)行電耦合的。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種利用由活性碳和電解質(zhì)之間的界面組成的雙電荷層原理的雙電荷層電容器，該雙電荷層電容器在電極體的表面上具有導(dǎo)電層以減小電極體和集電極之間的接觸電阻，電極體和導(dǎo)電層之間具有減小的接觸電阻使得電容器的內(nèi)部電阻減小。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供制造雙電荷層電容器的電極的方法，該方法能夠在電極體的表面可靠形成導(dǎo)電層。
按照本發(fā)明，提供有一種具有由活性碳和電解質(zhì)之間的界面組成的雙電荷層的雙電荷層電容器，它包含一對(duì)具有彼此相對(duì)的表面的電極體，每個(gè)電極體含有接合活性碳粒子的多孔燒結(jié)體;一對(duì)在燒結(jié)電極體時(shí)形成于電極體的相反表面的導(dǎo)電層;一塊放置于電極體之間的隔離板;一個(gè)容納電極體和隔離板的密封墊;以及一對(duì)分別位于所述電極體的各自相反表面、與導(dǎo)電層接觸的集電極，該集電極具有接合于密封墊的各自周邊邊緣。
按照本發(fā)明，還提供有一種具有由活性碳和電解質(zhì)之間的界面組成的雙電荷層的雙電荷層電容器極化電極的制造方法。該方法包括以下步驟將導(dǎo)電材料置于燒結(jié)模具中，將細(xì)微活性碳粒子放在燒結(jié)模具中的導(dǎo)電材料上，對(duì)燒結(jié)模具中的導(dǎo)電材料和細(xì)微活性碳粒子施壓，在壓力下燒結(jié)細(xì)微活性碳粒子和導(dǎo)電材料，從而分別形成相互緊密接合的導(dǎo)電層和電極體。
本發(fā)明的上述以及其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)通過下面描述并結(jié)合以圖示實(shí)例的方法來表示本發(fā)明的最佳實(shí)施例的附圖將變得更加明確。


圖1是按照本發(fā)明的雙電荷層電容器的橫截面圖;
圖2是在雙電荷層電容器中用作極化電極的電極的橫截面圖;
圖3是表示按照本發(fā)明的用于制造作為電極體的多孔燒結(jié)體的裝置的電路圖;
圖4是表示施加于細(xì)微活性碳粒子的壓力、流過細(xì)微活性碳粒子的平均電流和細(xì)微活性碳粒子的溫度隨時(shí)間變化的曲線圖;以及圖5是按照發(fā)明和對(duì)比實(shí)例的雙電荷層電容器的靜電電容和內(nèi)阻的表格。
圖1示出按照本發(fā)明的雙電荷層電容器的橫截面。
該雙電荷層電容器包括一對(duì)表面彼此相對(duì)的極化電極1。每個(gè)極化電極1可由如圖3所示出的燒結(jié)裝置制造。特別地，具有大約20μm平均粒子半徑的細(xì)微活性碳粒子的粉末被燒結(jié)成多孔燒結(jié)電極體，然后浸漬在稀硫酸中。
該雙電荷層電容器還包括燒結(jié)電極體時(shí)分別形成在極化電極1的電極體的相反表面的一對(duì)導(dǎo)電層2。該導(dǎo)電層2中的每一個(gè)均由用后面將要描述的方式整體接合于電極體的金屬粉末或箔形成。
極化電極1裝在由非導(dǎo)電橡膠或合成樹脂制成的環(huán)狀密封墊5中。極化電極1由置于其中的隔離板4相互隔開。隔離板4可以是用電解液浸漬的非紡織多孔聚丙烯片的形式。隔離板4允許離子穿過，但不讓電子從其中穿過。雙電荷層電容器還包括一對(duì)分別置于極化電極1上導(dǎo)電層2的外表面上的集電極3。每個(gè)集電極3由用導(dǎo)電材料和合成樹脂捏和產(chǎn)生的導(dǎo)電薄膜制成。集電極3具有接合于密封墊5的周邊邊緣。
制造每個(gè)帶有導(dǎo)電層2的極化電極1(如圖2所示)的方法參照?qǐng)D3中的燒結(jié)裝置描述如下。
如圖3所示，細(xì)微活性碳粒子粉末放置在燒結(jié)模具10中，燒結(jié)模具10是由高強(qiáng)度金屬(比如鎢鋼)制成的并具有用于放置活性碳粒子于其中的中心孔。孔的內(nèi)壁涂覆有絕緣層11，該絕緣層11是用諸如氧化硅(SiO2)或四氮化三硅(Si3N4)的絕緣材料制成并用諸如汽相生長的熟知過程淀積。上、下柱塞(plunger)12和13分別將其下端和上端插在燒結(jié)模具10的孔中。上、下柱塞12和13由諸如鎢、鉬、或類似物的熱阻金屬制成。上和下柱塞12和13分別接到上部和下部電極14、15上。
盡管在圖3中未示出，但以箭頭F所指示方向由水壓機(jī)對(duì)上部和下部柱塞12和13以及上部和下部電極14和15實(shí)行可控加壓，以將要求的壓力施加于放置在燒結(jié)模具10中用于形成極化電極1的細(xì)微粒子和用于形成導(dǎo)電層2的導(dǎo)電材料上。容納于燒結(jié)模具10中的細(xì)微粒子和導(dǎo)電材料放置在要求的大氣壓下。上部和下部電極14和15與開關(guān)SW1、SW2和電容器C的串聯(lián)電路作電氣連接，可變電阻器R和可變電壓源16的串聯(lián)電路并聯(lián)連接到電容器C和開關(guān)SW2的串聯(lián)電路上。開關(guān)SW1、SW2的通和斷狀態(tài)由開關(guān)控制電路17控制。開關(guān)SW1包含一常開開關(guān)，開關(guān)SW2包含一常閉開關(guān)。
燒結(jié)模具10可以由諸如氧化硅(SiO2)，四氮化三硅(Si3N4)，碳化硅(SiC)或類似物的陶瓷材料制成。
下面描述圖3所示裝置制造形成按照第一發(fā)明實(shí)例的雙電荷層電容器極化電極的電極體的操作。
對(duì)于僅有下部柱塞13插在燒結(jié)模具10的孔中時(shí)，將形成導(dǎo)電層2的具有約5μm平均半徑的不銹鋼粉末放置于達(dá)50至100μm范圍厚度的下部柱塞13上。然后將上部柱塞12插入燒結(jié)模具10的孔中以壓迫淀積的不銹鋼粉末。隨后，將上部柱塞12提出燒結(jié)模具10的孔。然后在壓緊的不銹鋼粉末上放置具有約20μm平均半徑的細(xì)微活性碳粒子，直到淀積的粉末厚度為1.5mm。將上部柱塞12再次插入燒結(jié)裝置10的孔中以便在預(yù)定壓力下對(duì)淀積的細(xì)微活性碳粒子和不銹鋼粉末施壓。然后，在對(duì)細(xì)微活性碳粒子壓緊的粉末和不銹鋼粉末施加壓力時(shí)，控制開關(guān)SW1重復(fù)接通和斷開。
控制開關(guān)SW1的接通時(shí)間使得它等于或小于電容器C中電荷在上部電極14和下部電極15之間放電的放電時(shí)間。控制開關(guān)SW1的斷開時(shí)間使得它基本上等于或長于電容器C可充電的充電時(shí)間。因此，在上部電極14和下部電極15間流過的電流可從最大值到最小值變化。
當(dāng)開關(guān)SW1由此重復(fù)接通和斷開時(shí)，上部柱塞12和下部柱塞13之間流過的尖脈沖沖擊電流如圖4所示。
在上、下柱塞12和13之間提供脈沖沖擊電流直到幾乎所有夾在上下柱塞之間的活性碳的細(xì)微粒子相接觸并相互熔合。隨后，當(dāng)施加于細(xì)微粒子的壓力保持在恒定值時(shí)，開關(guān)SW2繼續(xù)斷開而開關(guān)SW1繼續(xù)接通，調(diào)節(jié)可變電阻器R的阻值以及可變電壓源16的電壓以在上部電極14和下部電極15之間連續(xù)通過一定值的加熱電流。
達(dá)到目標(biāo)溫度以后，提供的加熱電流保持于恒定值，從而將至此已增加的活性碳多孔燒結(jié)體的溫度維持在一恒溫(見圖4)。
在這種情況下，多孔燒結(jié)體的細(xì)微活性碳粒子穩(wěn)定地相接合，用于在多孔燒結(jié)體的一個(gè)表面形成導(dǎo)電層的不銹鋼粒子進(jìn)入多孔燒結(jié)體的孔隙并保持與之緊密的接觸?，F(xiàn)在，斷開加在上部電極14和下部電極15之間的放電電壓，施加于此間的壓力也被去掉。當(dāng)多孔燒結(jié)體的溫度下降為常溫時(shí)，將多孔燒結(jié)體10從燒結(jié)模具10取出。
如圖2所示，以1a表示的這樣構(gòu)造的電極體在其一表面上支撐燒結(jié)不銹鋼粉末的導(dǎo)電層2。將兩個(gè)這樣的電極體結(jié)合在一起，并用稀硫酸浸漬。利用這樣制造的極化電極1，即可制成構(gòu)造如圖1所示的雙電荷層電容器。
按照第二發(fā)明實(shí)例的雙電荷層電容器如下面所述進(jìn)行制造。
除了用銅粉代替在第一發(fā)明實(shí)例中的不銹鋼粉末之外，使用與第一發(fā)明實(shí)例相同的材料，并以與第一發(fā)明實(shí)例同樣的方式用圖3示出的燒結(jié)裝置來制造電極體。
按照第三發(fā)明實(shí)例的雙電荷層電容器，除了用金粉代替第一發(fā)明實(shí)例中的不銹鋼粉末之外，基本上與第一發(fā)明實(shí)例相同。
按照第四發(fā)明實(shí)例的雙電荷層電容器，除了用不銹鋼箔來代替第一發(fā)明實(shí)例中的不銹鋼粉末之外，基本上與第一發(fā)明實(shí)例一樣。
圖5示出第一至第四發(fā)明實(shí)例的雙電荷層電容器與對(duì)比實(shí)例的雙電荷層電容器的靜電電容量和內(nèi)阻的表格。按照對(duì)比實(shí)例的雙電荷層電容器包括一對(duì)極化電極，每一個(gè)極化電極含有由具有20μm平均粒子半徑并涂覆有乙炔黑的活性碳粉末燒結(jié)體組成的電極體。在發(fā)明實(shí)例和對(duì)比實(shí)例中，電極體具有20mm的半徑。
圖5的研究指出，本發(fā)明實(shí)例和對(duì)比實(shí)例的雙電荷層電容器的靜電電容量基本上是相同的。但是，按照第一至第四實(shí)例的雙電荷層電容器的內(nèi)阻分別是按照對(duì)比實(shí)例的雙電荷層電容器內(nèi)阻的1/4、2/15、1/10和1/15，其原因在于電極體通過與該電極體保持緊密接觸的導(dǎo)電層與集電極保持接觸。
如上所述，對(duì)于本發(fā)明，將用電解液浸漬以形成極化電極的電極體通過一由金屬粉末或金屬箔制成并在燒結(jié)電極體時(shí)緊密接合到該電極體上的導(dǎo)電層與集電極保持接觸。因此，導(dǎo)電層與燒結(jié)電極體的粗糙多孔表面保持緊密接觸。由此降低了在電極體和集電極之間通過該導(dǎo)電層的電阻值，因此，減小了雙電荷層電容器的內(nèi)阻。
如上所述，在電極體上形成導(dǎo)電層的同時(shí)由燒結(jié)模具燒結(jié)該電極體。因此，不需要專門的裝置用來在電極體上形成導(dǎo)電層。結(jié)果，根據(jù)簡單的制造過程可制造出良好性能的雙電荷層電容器。
盡管已示出并描述了某些較佳實(shí)施例，應(yīng)該理解其中可以進(jìn)行許多變更和修改，而不偏離所附權(quán)利要求書的范圍。
權(quán)利要求
1.一種具有由活性碳和電解質(zhì)間的界面組成的雙電荷層的雙電荷層電容器，它包括一對(duì)具有彼此相對(duì)的表面的電極體，所述每個(gè)電極體含有接合活性碳粒子的多孔燒結(jié)體，一對(duì)在燒結(jié)電極體時(shí)形成于所述電極體的各自相反表面上的導(dǎo)電層，一插在所述電極體中間的隔離板，一容納所述電極體和所述隔離板的密封墊，以及一對(duì)分別置于所述電極體的各自相反表面、與所述導(dǎo)電層相接觸的集電極，所述集電極具有接合于所述密封墊的各自周邊邊緣。
2.如權(quán)利要求1所述的雙電荷層電容器，其特征在于所述每一導(dǎo)電層包含金屬粉末的燒結(jié)層。
3.如權(quán)利要求1所述的雙電荷層電容器，其特征在于所述每一導(dǎo)電層包含金屬箔。
4.一種制造其雙電荷層由活性碳和電解質(zhì)間的界面組成的雙電荷層電容器的極化電極的方法，所述方法包括的步驟為在燒結(jié)模具中放置導(dǎo)電材料，在燒結(jié)模具中的所述導(dǎo)電材料上放置細(xì)微活性碳粒子的粉末，對(duì)燒結(jié)模具中的細(xì)微活性碳粒子粉末和導(dǎo)電材料施加壓力，以及在壓力下燒結(jié)細(xì)微活性碳粒子粉末和導(dǎo)電材料，從而分別形成相互緊密接合的導(dǎo)電層和電極體。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述燒結(jié)步驟包括施加脈沖電流于細(xì)微活性碳粒子和導(dǎo)電材料的步驟，并隨后施加加熱電流于細(xì)微活性碳粒子和導(dǎo)電材料。
全文摘要
一種雙電荷層電容器具有由活性炭和電解質(zhì)間的界面組成的雙電荷層。該雙電荷層電容器包括一對(duì)含有呈接合活性炭粒子的多孔燒結(jié)體狀態(tài)的電極體的極化電極。當(dāng)燒結(jié)該電極體時(shí)，該電極體的表面形成一導(dǎo)電層。由于這種構(gòu)造，減小了在電極體和集電極之間通過導(dǎo)電層的接觸電阻值，從而減小了該雙電荷層的內(nèi)阻。
文檔編號(hào)H01G9/155GK1053967SQ9110102
公開日1991年8月21日 申請(qǐng)日期1991年2月9日 優(yōu)先權(quán)日1990年2月9日
發(fā)明者土屋善信, 倉林研, 木藤誠一路, 仁井田賴明 申請(qǐng)人:五十鈴汽車有限公司