專利名稱：多電極雙層電容器的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般地涉及一種雙層電容器，本發(fā)明尤其涉及由低阻抗鋁浸漬碳布電極和高性能電解液制成的高性能的雙層電容器。
也被稱為電化學(xué)電容器的雙層電容器是每單位重量和單位體積能夠存儲(chǔ)比傳統(tǒng)電容器更多能量的能量存儲(chǔ)裝置。另外，典型地，它們能夠以比可充電電池更高的功率傳送存儲(chǔ)的能量。雙層電容器由兩個(gè)通過多孔分離器相應(yīng)電絕緣的多孔電極構(gòu)成。隔離器和電極都由電解液浸漬。這允許離子電流通過隔離器在電極之間流動(dòng)，同時(shí)又防止了電流或電子流(不同于離子流)使元件短路。耦連到每一個(gè)作用電極背面的是一個(gè)電流集電片。該電流集電片的一個(gè)目的是減小雙層電容器中的電阻損失。如果這些電流集電片是非多孔的，它們還可以用作電容器密封的一部分。
雙層電容器將靜電能量存儲(chǔ)在極化液層中，當(dāng)在兩個(gè)浸漬在電解液中的電極之間存在電勢(shì)時(shí)，形成所述極化液層。當(dāng)將電勢(shì)施加到電極之間時(shí)，通過電解液離子的極化，在電極電解液交界面形成雙層的正負(fù)電荷(由此有了“雙層”電容器的名字)，原因是在施加的電場(chǎng)下的電荷的分離，還有的原因是在電極的整個(gè)表面上的電解液分子的偶極子的取向和排列。
對(duì)碳電極在具有高功率和高能量密度的電化學(xué)電容器中的使用表示了該技術(shù)中的一個(gè)顯著的進(jìn)步，因?yàn)樘嫉拿芏鹊停夷芗庸こ龇浅８叩谋砻娣e。加工帶碳電極的雙層電容器在該技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)被公知了好長(zhǎng)一段時(shí)間，如美國專利No.2,800,616(Becker)和No.3,648,126(Boos.等)。
許多碳電極電容器(包括雙層電容器)中的主要問題是電容器的性能經(jīng)常由于碳電極的高內(nèi)阻而受到限制。這種內(nèi)阻可能是由于幾個(gè)因素，包括內(nèi)部的碳-碳接觸的高接觸電阻和電極與電流集電器的接觸電阻。這種高電阻在電容器的充電和放電時(shí)帶來大電阻損失，這種損失還不利地影響了電容器的特性RC(電阻×電容)時(shí)間常數(shù)，并妨礙其在較短時(shí)間內(nèi)有效地充電和/或放電的能力。因此，現(xiàn)有技術(shù)中需要減小內(nèi)阻，并由此減小雙層電容器的時(shí)間常數(shù)。
近年來已經(jīng)揭示了各種電極制造技術(shù)。例如，Yoshida等人的專利(第5,150,283號(hào)美國專利)揭示了一種將碳電極連接到電流集電器的方法，它是通過在鋁制基片上沉淀碳粉和其它導(dǎo)電增強(qiáng)劑來實(shí)現(xiàn)的。
在Yoshida等人的第4,597,028號(hào)美國專利中揭示了用于減小碳電極內(nèi)阻的另一個(gè)方法，該專利揭示了可通過把金屬纖維織人到碳纖維預(yù)制品中，實(shí)現(xiàn)將諸如鋁之類的金屬結(jié)合到碳纖維電極中。
在Nishino等人的第4,562,511號(hào)美國專利中揭示了用于減小碳電極的內(nèi)阻的另一方法，該專利揭示了將碳纖維浸入水溶液中，以在碳纖維孔隙中形成一層導(dǎo)電金屬氧化物，最好是過渡金屬氧化物。Nishino等人還揭示了諸如通過氣相沉淀的氧化錫、氧化銦等。
在Tatarchuk等人的第5,102,745,5,304,330和5,080,963號(hào)美國專利中揭示了另一用于得到低阻的方法。Tatarchuk等人的專利揭示了金屬纖維可以與碳預(yù)制品交互混合，并燒結(jié)成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的導(dǎo)電導(dǎo)電基體，該導(dǎo)電基體可作為一電極。Tatarchuk等人的專利還揭示了減小電極中的電阻的工藝，它是通過減少碳-碳接觸的數(shù)量來達(dá)到的，其中電流必需通過碳-碳接觸流人金屬導(dǎo)電體。如果將不銹鋼或鎳?yán)w維用作金屬，則這種方法工作良好。但是，申請(qǐng)人已經(jīng)知道，當(dāng)由于在燒結(jié)或加熱電極時(shí)形成碳化鋁而使用鋁制纖維時(shí)，該方法不能湊效。
和雙層電容器的制造有關(guān)的另一個(gè)領(lǐng)域涉及將電流集電片連接到電極的方法。這一點(diǎn)是重要的，因?yàn)殡姌O和電流集電片之間的界面是雙層電容器的內(nèi)阻的另一個(gè)來源，并且這樣的內(nèi)阻必需保持盡可能地小。
Nishino等人的第4,562,511號(hào)美國專利中建議了將熔融金屬(如鋁)等離子噴涂到可以極化的電極的一面，以在電極表面上形成電流集電器層。在Nishino等人的‘511號(hào)專利中還考慮到另一種用于粘結(jié)和/或形成電流集電器的技術(shù)，包括電弧噴涂、真空沉淀、濺射、非電解涂敷以及導(dǎo)電涂料的使用等。
在上述Tatrchuk等人的專利中(美國專利號(hào)5,102745,5,304,330,和5,080,963)顯示了一種通過把金屬箔片燒結(jié)到電極元件來把金屬箔片電流集電器粘到電極的方法。
美國專利號(hào)5,142,451(Kurabayashi等)公開了一種通過熱固化過程使電流集電器材料進(jìn)入電極元件孔隙，從而將電流集電器粘結(jié)到電極的方法。
還有其他一些相關(guān)的制造和粘結(jié)電流集電器的方法，可以在美國專利號(hào)5,065,286,5,072,335,5,072,336,5,072,337和5,121,301(全部由Kurabayashi等人申請(qǐng))中見到。
由此，顯然仍然需要改進(jìn)雙層電容器。這樣的經(jīng)過改進(jìn)的雙層電容器需要在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)，以非常高的功率輸出和能量密速率，釋放大量有用的能量。這樣的經(jīng)過改進(jìn)的雙層電容器還應(yīng)該具有相對(duì)較低的內(nèi)阻，但卻能夠產(chǎn)生相對(duì)較高的工作電壓。
另外，還有一點(diǎn)是顯然的，即，制造雙層電容器的技術(shù)和方法需要改進(jìn)，以使雙層電容器的內(nèi)阻減低，并使工作電壓最大化。由于電容器能量密度隨工作電壓的二次冪增加，故更高的工作電壓直接地轉(zhuǎn)換為顯著更高的能量密度，結(jié)果，導(dǎo)致更高的功率輸出速率。由此，容易顯見，需要經(jīng)過改進(jìn)的技術(shù)和方法，減低用于雙層電容器中的電極的內(nèi)阻，并增加工作電壓。
發(fā)明概述本發(fā)明提出了上述的和其它的需要，通過提供一種具有多個(gè)電極的高性能雙層電容器，其中所述多個(gè)電極由用鋁體積浸漬的活性炭制成，以通過減小活性炭元素之間的接觸電阻，顯著地減小內(nèi)部的電極電阻。更具體地說，本發(fā)明的高性能的雙層電容器包括至少一對(duì)鋁浸漬的碳電極，每一個(gè)碳電極都是通過用鋁或其它適合的金屬(例如鈦)體積浸漬活性炭預(yù)制品而制成，其中每一個(gè)電極和其它的電極通過多孔隔離器分開，并且兩個(gè)電極都由高性能的電解液浸透。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種高性能的雙層電容器，它被制成一個(gè)單元，多個(gè)電極的電容器?！皢卧笔侵讣词故褂枚鄠€(gè)并聯(lián)的鋁浸漬的碳電極，也只需要一個(gè)電解液密封。在一個(gè)實(shí)施例中，這樣的單元多個(gè)電極雙層電容器包括第一和第二復(fù)合電極平片多層，它們適合于裝入可封閉的分成兩部分的電容器盒。有利的是，這種盒子表示只有電容器部件必需密封，以防止電解質(zhì)泄漏。每一個(gè)電極多層都具有多個(gè)鋁浸漬的碳電極，它們并聯(lián)，其中一個(gè)多層中的電極和另一個(gè)多層中的電極交錯(cuò)，以形成交錯(cuò)多層，并且每一多層的電極電氣連接到相應(yīng)的電容器接線端。多孔隔離器套筒在交錯(cuò)前被插在一多層電極上，以防止當(dāng)電極交錯(cuò)時(shí)在它們之間發(fā)生短路。在另一個(gè)實(shí)施例中，電極和隔離器可以螺旋地卷繞，而不必以平片多層相交錯(cuò)。
電極最好通過將一可壓縮、電阻非常低、金屬浸漬的碳布(碳布由活性炭纖維制成)繞電流集電器箔折疊。在平片多層實(shí)施例中，每一相應(yīng)多層的電流集電器箔相互并聯(lián)，并并聯(lián)到相應(yīng)電容器的接線端。在螺旋卷繞的實(shí)施例中，每一個(gè)電極的電流集電器箔連接到各個(gè)電容器接線端。碳布所浸漬的較好的金屬包含鋁，但是，還可以使用其它的金屬，例如鈦等。對(duì)于平片多層的實(shí)施例，未封人的交錯(cuò)多層的高度設(shè)計(jì)得大于封閉的電容器盒子的內(nèi)部高度，由此，交錯(cuò)的電極多層在放置到盒子內(nèi)部時(shí)需要稍微地加壓。這樣的稍微壓縮有利地使交錯(cuò)的電極多層在裝在盒子內(nèi)時(shí)保持適度的恒定壓力卻，10psi。在旋轉(zhuǎn)卷繞的實(shí)施例中，電極的繞制需要稍稍的徑向壓縮，以適應(yīng)放在封閉的電容器盒子中。在每一個(gè)實(shí)施例中，適度的壓力幫助確保了在電流集電器箔和鋁浸漬碳布電極之間低的接觸電阻。用適當(dāng)?shù)碾娊庖禾畛浞忾]的電容器盒子并密封。較好的電解液是以在甲基氰(CH3CN)中溶解選出的鹽而形成的。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，當(dāng)裝配電容器盒子時(shí)，電容器盒子的兩個(gè)部分可以相互導(dǎo)電或相互絕緣，由此允許盒子的每一半作為電容器接線端。
如上所述制造的高性能雙層電容器的一個(gè)實(shí)施例表現(xiàn)出大約2400Farads的電容，能量密度在工作電壓2.3伏特時(shí)，為2.9到3.5W-hr/kg的范圍內(nèi)，額定功率為大約1000W/Kg(400安培放電)，電極電阻為大約0.8mΩ，而時(shí)間常數(shù)為大約2秒。這樣的性能參數(shù)就申請(qǐng)人所知并和以前在雙層電容器技術(shù)中可達(dá)到的相比，具有重要而顯著的優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，平片多層電容器的設(shè)計(jì)使它得以持多個(gè)電極按比例增大或按比例縮小，以滿足特定的雙層電容器應(yīng)用的需要。由此，通過簡(jiǎn)單地增加或減小交錯(cuò)電極多層中使用的復(fù)合電極的尺寸和數(shù)量，以及通過使電容器的物理參數(shù)(尺寸、重量、體積)適當(dāng)?shù)陌幢壤兓?，可以提供一種高性能雙層電容器，定做給特定的應(yīng)用。有了這種電容器，對(duì)廣泛的各種應(yīng)用打開了大門，其中在相對(duì)短時(shí)間內(nèi)，相對(duì)大量的能量必需被存儲(chǔ)并從緊湊的存儲(chǔ)裝置中取出。類似的按比例縮放使用旋轉(zhuǎn)卷繞的實(shí)施例也可被容易地實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的目的還在于改進(jìn)高性能雙層電容器的制造方法。這樣的方法包括例如，將熔融鋁浸透買得到的包括活性炭纖維的編織束在內(nèi)的碳布中。碳布的橫向電阻顯著減小，例如，減小50倍，方法是通過將熔融鋁浸透到纖維束的絲纖維中。鋁浸漬的碳布用作雙層電容器中的每一個(gè)電極的關(guān)鍵元件。通過箔電流集電器和浸漬的碳布電接觸，它接觸箔兩側(cè)上碳布的被浸漬的一側(cè)，即，被浸漬的碳布折疊圍繞箔電流集電器，從而箔電流集電器的兩側(cè)都接觸折疊的碳布的被浸漬的一側(cè)。通過對(duì)被浸漬的碳布在其被安裝到電容器中之前施加壓力，以消除被浸漬的表面處的凹凸不平由此增加了接觸箔電流集電器的表面積，使箔電流集電器和碳布之間的接觸電阻減小。
通過交錯(cuò)大量的這樣的復(fù)合電極，例如54個(gè)電極，可以使本發(fā)明使用的每一個(gè)復(fù)合電極的碳布提供的大表面積被放大許多倍。交錯(cuò)的鋁浸漬電極由適當(dāng)?shù)亩嗫赘綦x器分離，它提供了電極之間的電氣絕緣，但允許電解液的離子容易地通過。電極的箔電流集電器，即27個(gè)電極的箔電流集電器相互并聯(lián)，并電氣連接到適合的電容器接線端。類似地，剩下的電極的箔電流集電器也并聯(lián)，并電氣連接到另一個(gè)電容器接線端。然后將電極的交錯(cuò)多層密封在適當(dāng)?shù)碾娙萜骱凶又?，這樣的盒子在適度的壓力下保持了交錯(cuò)多層，以減小接觸電阻。然后盒子的內(nèi)部被抽真空和干燥，并填入高導(dǎo)電非水質(zhì)電解液，所述電解液由適當(dāng)?shù)暮刑囟ǖ柠}的溶劑制成。
相應(yīng)地，本發(fā)明的一個(gè)特點(diǎn)是提供一種高性能的雙層電容器，以及制造這種電容器的方法，其中它具有大于3.4W-hr/kg(在工作電壓為2.3伏特時(shí))的相對(duì)高能量密度。
本發(fā)明的另一特點(diǎn)為提供一個(gè)改進(jìn)的雙層電容器，具有大于約1000W/kg的最大可用功率密度。
本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)是提供一種改進(jìn)的雙層電容器，它具有低內(nèi)阻，并具有高電容，從而電容器的特性RC時(shí)間常數(shù)保持在一個(gè)允許相對(duì)快的充電/放電時(shí)間的值。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，電容器的電阻小于大約0.9mΩ，同時(shí)電容為至少2350法，由此允許電容器的充電和放電(在零阻抗負(fù)載中，或短路)以時(shí)間常數(shù)大約2秒的速度發(fā)生。
本發(fā)明的另一個(gè)重要的特點(diǎn)是對(duì)先進(jìn)的非水質(zhì)電解液的認(rèn)定使用，這樣允許更高的電容器工作電壓。一種較好的電解液是例如，用甲基氰(CH3CN)溶液以及適合的鹽混合的，其電解液允許標(biāo)準(zhǔn)的工作電壓2.3伏特，并且峰值電壓高到3.0伏特或更高。
從下面參照附圖，對(duì)本發(fā)明更具體的描述，本發(fā)明的上述方面、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)更為顯然。


圖1根據(jù)本發(fā)明制造的單元高性能雙層電容器的截面圖；
圖2A是根據(jù)本發(fā)明制造的雙極鋁/碳復(fù)合電極的截面圖；圖2B描述了雙極多層的上部；圖2C描述了雙極多層的下部；圖3描述了圖2A所示的高性能雙極型雙層電容器的一組雙極多層的截面圖；圖4A概要地示出了根據(jù)本發(fā)明制造的基本雙層電容器；圖4B從概念上描述了活性炭纖維，它形成用于雙層電容器的電極中的碳布的部分，另外還幫助描述了雙層電容器怎樣實(shí)現(xiàn)這樣大的表面積，以及由此產(chǎn)生的大電容；圖5示出了圖4A和4B的基本雙層電容器的等效電路圖；圖6示出根據(jù)本發(fā)明的較佳實(shí)施例制造的多電極雙層電容器的等效電路圖；圖7是簡(jiǎn)化等效電路圖，描述了電容器的內(nèi)阻Rz在有效地傳送能量時(shí)扮演的角色；圖8A和8B概要地示出了可以用到用鋁等離子噴涂活性炭布中去的技術(shù)，由此將鋁浸透到碳布的碳纖維束的絲纖維中，如圖9A和9B所示；圖9A示出碳布的所述截面圖的概要表示，并描述了多個(gè)纖維束怎樣編織成碳布；圖9B概念上描述了碳布的各個(gè)纖維束的截面圖，另外概念地描述了鋁深入地較佳地浸透纖維束的絲纖維中；圖10A-10F描述了用于制造用于多電極雙層電容器中的兩個(gè)電極多層的較佳的方法；圖11A描述了如圖10A-10F所述的兩個(gè)電極多層的各個(gè)電極怎樣交錯(cuò)，以形成電極組合，其中一個(gè)電極多層具有多孔隔離器，放置在圖10F所示的每一個(gè)電極上；圖11B描述了圖11A的電極組合，這是在它被適合的隔離器材料纏繞以形成電極包之后；圖11C描述了電極組合另一個(gè)螺旋卷繞的結(jié)構(gòu)；圖12是較佳的“抓斗”雙層電容器的分解圖，描述了圖11B的電極包裝怎樣裝入上下導(dǎo)電殼體，所述殼體相互緊閉密封，以形成電容器組合；圖13A、13B和13C分別描述另一個(gè)電容器盒子的頂、底、和底截面圖，其中盒子可以是導(dǎo)電或不導(dǎo)電的盒子，在盒子的每一端具有電容器接線端；圖14A和14B是流程圖，描述了圖10A到圖12所示的“抓斗”雙層電容器的制造和裝配方法；圖15描述了關(guān)于測(cè)試根據(jù)圖14A和14B制造的雙層電容器的電流和電壓波形；及圖16A和16B示出根據(jù)本發(fā)明制造的雙層電容器的電流-電壓圖，還描述了在這種設(shè)計(jì)下的工作電壓(在電解液中的水雜質(zhì)的兩個(gè)不同值時(shí))。
相應(yīng)的標(biāo)號(hào)在幾個(gè)附圖中皆指相應(yīng)的元件。
發(fā)明詳述下面對(duì)目前想到的實(shí)施本發(fā)明的最佳模式的描述并沒有限制的意思，它僅僅是為了描述本發(fā)明的一般原理。本發(fā)明的范圍應(yīng)該參考權(quán)利要求確定。
參照?qǐng)D1，單元的高性能雙層電容器10被描述，其中包括單元容器11、一對(duì)鋁/碳復(fù)合電極12和14、電極隔離器18、電解液20、一對(duì)電流集電板22和24，以及電導(dǎo)線28和29，該電導(dǎo)線28和29從電流集電板22和24延伸出來。
鋁/碳復(fù)合電極對(duì)12和14最好由用熔融鋁浸透的多孔碳布或碳紙制成的預(yù)制品制成。在浸透處理中，必需嚴(yán)格地控制鋁/碳復(fù)合電極的孔隙度，從而允許足夠量的電解質(zhì)20進(jìn)入到雙層電容器10中，并透入碳纖維的孔。
將一對(duì)電流集電板22和24附加到每一個(gè)鋁/碳復(fù)合電極12和14的背面。較好地，電流集電板22和24是薄層的鋁箔。
將電子隔離器18放置在相對(duì)的鋁/碳復(fù)合電極12和14之間。電子隔離器18最好由高度的多孔材料制成，它作為鋁/碳復(fù)合電極12和14之間的電子絕緣體。電子隔離器18的目的是確保相對(duì)的電極12和14不會(huì)相互接觸。電極之間的接觸導(dǎo)致短路以及存儲(chǔ)在電極中的電荷快速減損。電子隔離器18的多孔性允許離子在電解液20中移動(dòng)。較好的電子隔離器18為接近于1mil(0.001inches)厚的多孔聚丙烯或聚乙烯薄片。如果需要的話，聚丙烯或聚乙烯隔離器可以在被插入鋁/碳復(fù)合電極12和14之間前，先浸透到電解液20中(雖然要這樣的預(yù)先浸透并非必須)。
單元容器11可以是任何已知的和雙層電容器一起使用的包裝裝置。使用扣緊在一起的上下殼體的包裝的較佳的類型被揭示如下。為了使雙層電容器的能量密度最大，將包裝物的重量最小化是有利的。包裝的雙層電容器典型地重量要不超出未包裝的雙層電容器的25％。電導(dǎo)線28和29從電流集電板22和24通過單元容器11延伸出來，并適合與電路連接(圖中未示)。
已知如圖2A中所示的雙極鋁/碳復(fù)合電極30可以在相應(yīng)的一組電極多層中和端部端口(圖2B和2C所示)一起使用，以形成高性能雙極雙層電容器40，如圖3中所示。鋁/碳復(fù)合電極30(圖2A)包含極化的鋁/碳復(fù)合體，由非多孔電流集電板36分離。貼到電流集電板36的一個(gè)表面37上的是經(jīng)過充電的電極32，用作第一電極。貼到電流集電板36的相對(duì)的表面38是的是相反極性地充電的電極34。然后這樣的電極結(jié)構(gòu)可以如圖3中所示地疊多層起來，其中一組如圖2A中所示的雙極電容器多層在如圖2B和2C所示的多層的兩個(gè)端部端口之間疊多層，由此形成雙極雙層電容器40。如圖3中所示，如果第一電極34是第一電極性相反地容器單元“A”的負(fù)電極，單元“A”的第二(或底部)電極，電極42則充電，即，變成陽極。電極42相同的電荷繼續(xù)充到單元“B”的第一電極44，即單元“B”的第一電極44相對(duì)電極34成為正充電。這使單元“B”的底部電極42變成正充電，即，相對(duì)單元“B”的電極44負(fù)地充電。因此，高性能雙極雙層電容器40的多層包括多個(gè)單元(A、B、C和D)，它們相互串聯(lián)。每一個(gè)單元包括一對(duì)鋁浸漬的碳復(fù)合多孔電極。單元“A”包括相互面對(duì)的電極34和42和設(shè)置在它們之間的離子導(dǎo)電隔離器46。單元“B”和“C”包括面對(duì)面的電極44和42，在它們之間設(shè)置離子導(dǎo)電的隔離器46。單元“D”包括面對(duì)面的電極44和32，它們之間設(shè)置有離子導(dǎo)電的隔離層46。多個(gè)內(nèi)部非多孔電流集電器48設(shè)置在每一個(gè)單元之間，其每一側(cè)具有兩個(gè)相鄰的極化電極42和44。將外部的電流集電板49放置在多層的每一端。將足夠量的電解質(zhì)50引入每一個(gè)單元中，從而使電極50浸透復(fù)合電極32、34、42或44，以及每一個(gè)單元中的隔離器46。
各個(gè)碳電極結(jié)構(gòu)32、34、42和/或44最好以和所述的相同的方式形成。每一個(gè)電極結(jié)構(gòu)都是從用熔融鋁體積浸透的碳布預(yù)制品或碳紙預(yù)制品制成的。下面將更完全地解釋，這樣的浸透用于顯著地減小電極電阻。
更具體地說，每一個(gè)電極結(jié)構(gòu)32、34、42和/或44是由用熔融鋁浸透的碳布預(yù)制品或碳紙預(yù)制品制成的。在浸透處理中，電極結(jié)構(gòu)32、34、42和/或44的孔隙度應(yīng)該受到控制，以允許足夠量的電解質(zhì)50被引入電容器單元中，并透入碳纖維的孔。
鋁浸漬的碳復(fù)合電極32、34、42和/或44足夠多孔，并且最好在活性炭纖維中具有足夠的鋁浸透，從而當(dāng)在2.3-3.0伏特單元中使用時(shí)，每一電極的某效串聯(lián)電阻大約是1.5歐姆cm2或更小，而每一個(gè)復(fù)合電極42和44的電容大約接近于30F/g或更大。這樣的大電容是能夠得到的，因?yàn)橥ㄟ^使用活性炭纖維，能夠得到大面積，以及電容器層之間非常小的分離距離，這將在下面被完全地描述。
每一個(gè)雙極電極的內(nèi)部電流集電板48最好是鋁箔的非多孔層，設(shè)計(jì)得可以分離相鄰的單元之間的電解質(zhì)50。外部電流集電板49也是非多孔的，從而如果需要的話，可以被用于外部電容器密封的部分。
將電子隔離器46放置在特定的內(nèi)部電容器單元中相對(duì)的電極結(jié)構(gòu)42和44之間，或在端部電容器單元相對(duì)的電極結(jié)構(gòu)34和42或44和32之間。電子隔離器46最好是多孔的聚丙烯或聚乙烯薄片。
本發(fā)明的雙層電容器的許多隨之而來的優(yōu)點(diǎn)是由加工碳電極結(jié)構(gòu)的較佳方法、電流集電器的較佳方法和對(duì)高性能電解質(zhì)的使用所引起的。本發(fā)明的每一個(gè)這樣的方面將在下面進(jìn)一步詳細(xì)地討論。
如上所述，碳電極結(jié)構(gòu)最好由用熔融鋁浸透的多孔碳纖維布預(yù)制品或碳纖維紙預(yù)制品制成。預(yù)制品可以由適合的活性炭纖維材料(諸如具有足夠的孔隙度的碳纖維氈或其它活性炭纖維基片)制成，以接收浸漬的熔融鋁和電解液。
鋁體積浸漬到碳布中的碳纖維束的絲纖維中，如在下面結(jié)合圖9A和9B所解釋的那樣。使鋁浸漬到纖維碳束的絲纖維中的結(jié)果是電極中活性炭元件之間的低電阻電路路徑。但是，有了這樣的低電阻電流路徑，電極結(jié)構(gòu)還保持得足夠多孔，從而電解液，最好是非水質(zhì)電解液，滲入到活性炭纖維的孔中。
雙層電容器的鋁/碳復(fù)合電極的制造過程以碳纖維電極預(yù)制品的制造開始。碳纖維電極預(yù)制品典型地是用高表面積碳纖維紙或碳布預(yù)制品制成的，較好的碳纖維預(yù)制品是碳纖維布碳纖維預(yù)制品較好地是采用以碳纖維織的可買到的布。其中的碳纖維具有表面積為接近于500到3000m2/g，直徑接近于8-10μm。碳纖維布預(yù)制品典型地比碳纖維紙預(yù)制品具有更高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。但是碳纖維的表面積和其它尺寸可以進(jìn)行定制，以滿足其應(yīng)用的需要。
用熔融鋁浸透碳纖維最好通過使用等離子噴涂技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，如下面結(jié)合圖8A和8B所進(jìn)行的完全的描述那樣。將熔融鋁等離子噴涂到碳纖維預(yù)制品的表面上已經(jīng)在雙層電容器構(gòu)成中率先使用，作為在碳纖維預(yù)制品的表面處形成電流集電器的裝置。但是，就申請(qǐng)人所知道的，等離子噴涂還未用于與噴涂金屬體積浸透碳纖維預(yù)制品，以減小活性碳元件之間的接觸電阻，由此形成非常低的電阻的碳/金屬復(fù)合電極，它由活性碳和浸漬的金屬兩者制成。
等離子噴涂技術(shù)受到控制，以穿透到碳纖維布預(yù)制品內(nèi)(如下面結(jié)合圖9A和9B所述)。通過調(diào)節(jié)到噴涂單元的電流，熔融鋁的溫度和壓力、等離子噴涂單元離開碳纖維預(yù)制品的距離、等離子噴涂單元的掃描、以及噴涂過程中的周圍空氣，來完成控制。有利的是，當(dāng)?shù)入x子噴涂用于用鋁浸透碳布時(shí)，碳布的體電阻率顯著減小，如下面將完全描述的那樣。
和圖3中所示的設(shè)計(jì)雙極雙層電容器多層以及其中使用的電極相關(guān)的另外的細(xì)節(jié)和信息，可以在序號(hào)為08、319,493號(hào)(提交日為10/07/94)的專利申請(qǐng)中找到，該申請(qǐng)也屬于本申請(qǐng)人，現(xiàn)在為第5,621,607號(hào)美國專利，該專利通過參照結(jié)合在這里。
現(xiàn)在，將結(jié)合對(duì)圖4A到16B更為詳細(xì)的描述，更加詳細(xì)地描述單元的多個(gè)電極雙層電容器。如從下面的描述將更加顯然的，這樣的電容器關(guān)鍵的特點(diǎn)是使用在電容器包裝中并聯(lián)的多個(gè)電極(或，在較佳實(shí)施例中，電極的“平片多層”)，這僅僅需要單個(gè)的電解質(zhì)封裝。因?yàn)橹恍枰粋€(gè)電解質(zhì)封裝，故可以理解將這樣的電容器稱為“單元”電容器，因?yàn)橥ǔＪ怯呻娊赓|(zhì)封裝來定義一個(gè)單元的電解液封裝。這樣的單個(gè)單元，多個(gè)電極雙層電容器裝配表現(xiàn)了在目前實(shí)施本發(fā)明的最佳實(shí)施例。然而要強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明無意限制在這樣的模式或?qū)嵤├?。而是打算本發(fā)明擴(kuò)展到所有雙層電容器，它們使用具有此處描述的類型的含鋁低阻碳電極，而不論最終用于制造電容器的特定的電極配置，也不論所用的特定的高導(dǎo)電電解液。這樣的電極配置可以包含例如，在單元中并聯(lián)的多個(gè)電極(如這里更為詳細(xì)地描述的)；一對(duì)電極，它們?cè)趩卧斜话才艦槁菪男螤?；在疊多層的單元中串聯(lián)的電極；或其它電極配置。
翻到圖4A，該圖為根據(jù)本發(fā)明制造的兩個(gè)電極的單元雙層電容器60的概要示圖。電容器包括兩個(gè)隔開鋁浸漬碳電極62和64，它們由一個(gè)多孔隔離器66電氣分開。如下文中詳細(xì)地解釋的，電極62和64包含活性炭纖維相對(duì)密集的編織，形成碳布，其中已經(jīng)浸透了熔融鋁。
電極62和電流集電板68接觸，板68然后連接到電容器60的第一電氣終端70。類似地，電極64接觸另一個(gè)電流集電板72，該板72連接到電容器60的第二電氣終端74。電極62和64之間的區(qū)域，以及電極62和64中所有可達(dá)到的空間和空隙都填充有高導(dǎo)電的非多孔電解液76。電解液76的離子自由通過隔離器66的多孔或孔65；然而，隔離器66防止了電極62和電極64物理地接觸，以及由此的短路。例如一個(gè)較佳的隔離器是聚丙烯。聚丙烯包括矩形的多孔開口，其尺寸數(shù)量級(jí)為0.04×0.12μm。這樣大小的多孔防止了碳布的纖維(其大小數(shù)量級(jí)為8-10μm)穿透過孔隙。另一種適合的隔離器材料是聚乙烯。聚乙烯通?？紫洞笮?shù)量級(jí)為0.1μm或更小，因此也防止了尺寸小到8μ，的碳纖維穿透過所述孔隙。
在工作中，當(dāng)在終端70和74間施加電壓，并因此也施加于串聯(lián)的電極62和64間時(shí)，在浸沒的每一個(gè)電極處產(chǎn)生極化的液層。這些極化的液層存儲(chǔ)靜電能量，并起雙層電容器的功能，即，作為兩個(gè)串聯(lián)的電容器。更具體地說，如圖4A中概念性地由“+”和“-”符號(hào)表示(表示每一個(gè)浸沒在電質(zhì)中的電極中電極-電解質(zhì)截面上的電荷)的，當(dāng)在電極之間施加電壓時(shí)，即，當(dāng)電極62被相對(duì)于電極64充負(fù)電時(shí)，由電解質(zhì)離子的極化形成雙層(由圖4A用符號(hào)所示的兩個(gè)“+/-”層表示)，這是由于施加的電場(chǎng)下的電荷分離以及電解質(zhì)分子在整個(gè)電極表面的偶極子取向和排列導(dǎo)致的。這樣的極化將能量存儲(chǔ)在電容器中，其中根據(jù)如下關(guān)系C=keA/d及E=CV2/2其中C是電容，ke是雙層的有效介電常數(shù)，d是層與層之間的分開距離，A是浸沒在電解液中的電極的表面積，V是施加在電極之間的電壓，而E是存儲(chǔ)在電容器中的能量。
在雙層電容器中，分開距離d非常小，以致其要以埃來計(jì)量，而表面積A，即，每克電極測(cè)量的表面積“A”可以非常大。因此，如可以從公式1中看出的，當(dāng)d非常小，并且A非常大時(shí)，電容將非常大。
由于構(gòu)成電極而使表面積“A”較大，其中每一個(gè)電極包含活性炭纖維束編織，以形成碳布。活性炭纖維不具有光滑的表面，但具有多孔和孔隙80，如圖4B指出的。即，圖4B概念上描述了其中具有多孔或孔隙80的活性炭纖維78的一小部分。纖維78，如預(yù)先指出的，典型地直徑具有數(shù)量級(jí)為8-10μm；而活性炭纖維的孔或孔隙具有典型的大小為大約40埃。纖維78浸沒在電解液76中。每一個(gè)孔或孔隙80顯著增加了暴露在電解液76中的纖維的表面積。因?yàn)樵诿恳皇芯哂写罅康睦w維80，并且因?yàn)樵谛纬商疾嫉木幙椫芯哂泻脦资?，故結(jié)果是形成允許電解液浸透到纖維編織中，并接觸所有的或幾乎所有的部分的三維電極結(jié)構(gòu)，于是顯著地增加了電極的表面積“A”，在其上形成充電分子的雙層。
作為例子，可以用于制造本發(fā)明的電極的適當(dāng)?shù)奶疾伎梢詮腖arrence的Spectracorp買到，其部件號(hào)為“2225碳布”。這樣的碳布的碳纖維(諸如圖4B中所示的纖維76和78)的直徑是數(shù)量級(jí)為8微米(8×10-6m)，其中碳布的總厚度是大約0.53微米(mm)?；钚蕴坷w維中孔隙的平均直徑是44埃，并且孔/孔隙體積為大約1.2ml/g。應(yīng)該注意到，孔/孔隙體積來自碳布中三個(gè)不同類型的孔或孔隙(1)各個(gè)活性炭纖維的孔或孔隙(諸如圖4B中所示的孔隙80，它覆蓋了幾乎所有的活性炭纖維的表面積)，(2)形成碳束的纖維之間的空間(為了本發(fā)明的目的，該空間在如圖9B中截面圖中被稱為纖維束的“粗纖維”)；以及(3)纖維束之間的孔隙，所述纖維束被編織，以形成碳布。這樣的孔體積導(dǎo)致了碳布的整個(gè)表面積為大約2500m2/g。由于碳布的孔/孔隙體積，碳布多少是多孔的，故由此它是可以壓縮的。碳布的密度典型地大約0.3g/cm3，這導(dǎo)致理論的有效面積/單位體積為大約750m2/cm3。在這樣的面積/單位體積下，見公式1，可以達(dá)到數(shù)量級(jí)為6F/cm3的電容。
但是，達(dá)到高電容只是本發(fā)明的一個(gè)部分。如果這樣的高電容用于實(shí)際使用中，它必需能夠在相對(duì)快速的時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)和釋放能量。電容器的充電/放電時(shí)間(下面將全面描述)由電容器的內(nèi)電阻控制。內(nèi)電阻越低，則充電/放電時(shí)間越短。
圖4A中所示的基本雙層電容器60的內(nèi)電阻由幾個(gè)元件制成，如圖5中所示的電容器60的等效電路圖中所描述的。如圖5中所示，雙層電容器60的內(nèi)電阻包括接觸電阻RC，它指在電容器接線端70到電極62之間(圖5這表示為電容器C1上面的板)電流路徑中所有的電阻，或者電容器接線端74和電極64之間(在圖5中表示為電容器C2的下面的板)電流路徑中的所有電阻。
如圖5中見到的，電容器60的內(nèi)電阻還包含電極電阻REL，它表示在用于制造電極的碳布的表面和在碳布中使用的所有的個(gè)別活性炭纖維之間的電極62(或者電極64內(nèi))內(nèi)的電阻，即，REL表示電極中的碳纖維之間的內(nèi)部接觸電阻。另外，電解液電阻，RES，相對(duì)于電解液76而存在；分離電阻RSEP，相對(duì)于多個(gè)分離器66而存在。
電容器60中存儲(chǔ)的任何能量都必需通過流過RC、REL、和RSEP的電流進(jìn)入或退出電容器?？梢姙榱诉_(dá)到實(shí)際充電/放電時(shí)間，RC、RE、RES、和RSEP(和定義電容器的時(shí)間常數(shù)τc的電容C)必需盡可能地保持低。
隔離器的電阻RSEp是隔離器的孔隙度和厚度的函數(shù)。較好的隔離器材料是聚丙烯，其厚度為大約0.001英寸(0.25mm)。另一種隔離器的材料是聚乙烯，它也具有約0.001英寸(0.25mm)的厚度。聚丙烯固有地具有大于聚乙烯的孔隙，這是由于聚丙烯的構(gòu)成方式造成的。聚丙烯典型地表現(xiàn)出25-40％的孔隙度為25-40％；而聚乙烯表現(xiàn)的孔隙度為40-60％。這樣，聚乙烯固有地示范了低于聚丙烯的隔離器電阻，僅僅是因?yàn)樗哂懈叩目紫抖?，即，具有更多的孔隙或者開口，讓電解質(zhì)離子可以流過即使孔平均較小，亦是如此。
電解液的電阻由所使用的具體的電解液的導(dǎo)電性決定。在選擇使用的電解液的類型時(shí)，可以考慮某些平衡。水性電解液通常比非水性電解液具有更高的導(dǎo)電性(例如高出10)。但是，水液將電容器單元的工作電壓限制在大約0.5到1.0伏特。因?yàn)榇鎯?chǔ)在單元中的能量是電壓的平方的函數(shù)，見上面的公式2，故高能量的應(yīng)用更好地是使用非水電解液，這允許單元電壓數(shù)量級(jí)在2.0到3.0伏特。如上面指出的，和這里所述的雙層電容器一起使用的較好的電解液由甲基氰(CH3CN)和適當(dāng)?shù)柠}的混合物制成。這種混合物顯示了數(shù)量級(jí)為50ohm-1/cm的導(dǎo)電性。但是，要強(qiáng)調(diào)，這里描述的本發(fā)明試圖使用除上述甲基氰溶液之外的其它的電解液，尤其是非水(或者有機(jī))電解液。例如，在第08/319,493號(hào)，94年10月7日提交的美國專利申請(qǐng)中揭示了幾個(gè)選擇性的電解液。
與電極電阻REL結(jié)合的接觸電阻RC表示電容器60的內(nèi)電阻的主要來源。因此，在商業(yè)上可行的、高能量密度、雙層電容器中，高電極電阻成為其主要障礙。本發(fā)明的一個(gè)關(guān)鍵的特點(diǎn)是提供了一種雙層電容器它具有非常低的電極電阻，而又有高能量密度。本發(fā)明的一個(gè)主要目的是將RC+REL減小到和RSEP相比較小的值。為了這個(gè)目的，下面的許多討論集中于減小電極電阻REL以及接觸電阻RC的生產(chǎn)和裝配技術(shù)。
為了進(jìn)一步描述電極電阻REL在本發(fā)明的多電極雙層電容器的工作中扮演的角色，下面參考圖6。圖6示出單個(gè)單元的等效電路圖，根據(jù)本發(fā)明的較佳實(shí)施例制造的并聯(lián)的多電極雙層電容器90。圖6和圖5中僅有的區(qū)別是圖5示出了雙層電容器(相應(yīng)于圖4A所示的雙層電容器)只使用兩個(gè)電極62和64。相比之下，本發(fā)明的較佳的雙層電容器使用許多的電極，例如54個(gè)電極，它們以交錯(cuò)平片多層安排在單個(gè)單元中。因此，在圖6所示的電容器90的等效電路圖中，多個(gè)電極表示為和n個(gè)電極并聯(lián)成兩個(gè)多層。第一個(gè)多層，多層A由電容C1A、C2A、C3A、…CnA表示。第二多層，多層B類似地由電容C1B、C2B、C3B、…CnB表示。有效電極電阻REL是和n個(gè)電容器相互連接的所有各個(gè)電阻的結(jié)合。類似地，電解溶液電阻RES是由所有n個(gè)電容器中每一個(gè)接觸的個(gè)別電阻的組合代表的。對(duì)A電容器通過所有電解液電阻RES和隔離器電阻RSEP的并聯(lián)結(jié)合，與多層B電容器相互連接。根據(jù)圖6所示的模式，并根據(jù)下面結(jié)合圖123描述的“抓斗”電容器設(shè)計(jì)，電容器總的電阻RZ可以表示為RZ=2RC+2REL+2RES+RSEP≌800μΩ。
圖7示出一個(gè)簡(jiǎn)化的電路，解釋將電容器用作電源，以將能量傳遞給負(fù)載。在圖7中，所有和多層A和多層B相連的電容器電阻，包括和兩個(gè)終端相連的接觸電阻RC，還包含電解液電阻RES和隔離器電阻RSEP(如果不足以低得可忽略)都被包括在電容器電阻RZ中。
圖7中的功率傳遞電路的總電阻RT是RT=TZ+RL。
(3)功率傳遞電路的總時(shí)間常數(shù)τ是τ=RTC， (5)負(fù)載VL上所建立的電壓是VL=VO(RL/RT)=VO(1-RC/RT) (6)而傳遞到負(fù)載的功率是P=IVL=IVO(1-RC/RT)=IVO(1-CRC/CRT)(7)或P=IVO(1-τC/τ)。(8)表達(dá)式(1-τC/τ)表示功率傳遞電路的有效速率ε，即ε=(1-τC/τ)。
(9)電源(在本情況下是充電至電壓VO的電容器C)能夠有效地將功率傳遞到負(fù)載RL的程度大大依賴于電容器τC的特性RC時(shí)間常數(shù)。電容器的特性RC時(shí)間常數(shù)直接和電容器RZ的電阻相關(guān)。對(duì)于使用雙層電容器C要得到的有效功率傳遞電路，顯然電容器RZ的電阻必需最小化，從而可以得到電容器τC的低時(shí)間常數(shù)。
有利地，本發(fā)明提供了一種圖6的等效電路圖表示的類型的多電極雙層電容器，其中，當(dāng)大致上結(jié)合圖9A-12如下地配置時(shí)，具有如表1中所示的性能規(guī)格。這樣的配置(即如圖12所示的配置)在此處可以稱為UC3000。明顯地，根據(jù)表1說明進(jìn)行工作的電容器表現(xiàn)大約2秒的時(shí)間常數(shù)τC。這樣的時(shí)間常數(shù)意味著在輸出電壓VO是例如2.3伏特，并且輸出電流是大約400A(這意味著RT的值將是大約55-60毫歐姆)時(shí)，電容器能作為有效的功率存儲(chǔ)裝置，它的有效速率ε大于大約0.80，并且在輸出電流為200A的時(shí)間，超過大約0.9。另外，得到的能量密度在2.9-3.5W-hr/kg的范圍中，功率速率超過1000W/kg(在400A)。就申請(qǐng)人所知，在單個(gè)單元的雙層電容器中的這種性能以前從未達(dá)到過。
表1UC3000的性能說明參數(shù) 值 單位電容 2,300 法拉容差度 ±10 ％額定電壓 2.3伏特額定能量 6,000 焦耳ESR*650μΩ(ESR*=電極串聯(lián)電阻)盒子類型 雙片加工鋁電氣連接 每半個(gè)盒子極性相反。電氣連接通過盒子表面連接盒子尺寸 2.28×2.62×5.80英寸57.9×66.5×147mm盒子重量 200g總重量 600g內(nèi)體積 375cm3電解質(zhì) 有機(jī)浸漬劑(溶劑+鹽)溶劑甲基氰(CH3CN)鹽四氟硼酸四乙銨(CH3CH2)4N+BFr鹽/溶劑比值303.8g/升翻到圖8A-14B，下面將描述制造本發(fā)明的雙層電容器中使用的基本技術(shù)。圖14A和14B是一個(gè)流程圖，描述了這種工藝中的主要步驟；而圖8A～12示出工藝的個(gè)別步驟。因此，在下面對(duì)裝配和制造的描述中，將參照?qǐng)D14A和14B流程圖的具體的塊或方框識(shí)別具體的步驟，同時(shí)，對(duì)圖8A-12各個(gè)相應(yīng)部分都進(jìn)行參照，以描述進(jìn)行的步驟。
參照?qǐng)D14A的第一塊，并參照?qǐng)D8A和8B，在制造根據(jù)本發(fā)明的電容器90(圖6)中進(jìn)行的初始步驟是用鋁等離子機(jī)94等離子噴涂適當(dāng)?shù)奶疾?2(圖8A)，從而將鋁深入地浸漬到碳布纖維的粗纖維內(nèi)。要噴涂的碳布92最好是能買到的碳布，諸如如上所述的部件號(hào)為“2225碳布”的碳布，它可從Spectracorp買到。當(dāng)然可以使用其它的適合碳布。如圖8A和8B所示，碳布92典型地在軋機(jī)96中得到。軋機(jī)典型地為36英寸寬。碳布92的一段從96中軋出，并保持在適當(dāng)?shù)目?8中?？虬蔚木W(wǎng)孔93。框位于等離子噴涂機(jī)噴管100的前面?？?8向著等離子噴涂機(jī)94，露出碳布的“窗口”，其尺寸為大約2.31英寸×34.25英寸。等離子噴涂機(jī)由X-Y控制器102控制，以在碳布上提供想要的噴涂圖案。
通過將鋁線104和106從鋁線的各個(gè)饋入卷筒以控制的速率饋送到噴管，形成鋁噴涂94。線的端頭在噴管中被保持以，特定的距離相隔。電源108使電流流過線，并以電弧通過線的端頭。電弧使鋁熔化和蒸發(fā)。當(dāng)鋁熔化和蒸發(fā)時(shí)，通過壓縮空氣將鋁以等離子流的形式噴出噴管100，所述壓縮空氣由空氣壓縮機(jī)110提供。當(dāng)鋁被用盡，并在等離子流94中帶走時(shí)，另外定量的鋁線104、106進(jìn)入噴管100，以保持電弧所需的間隙。以這種方法，鋁源被連續(xù)地定量進(jìn)入噴管，從而可以將恒定的蒸發(fā)鋁流導(dǎo)向碳布。
鋁的蒸發(fā)流噴涂到碳布92上和其內(nèi)部，接著是越過上面和后面的(over-up-and-back)噴涂形式，如圖8B所示。支撐網(wǎng)孔93(其網(wǎng)孔開口數(shù)量級(jí)為0.25 in2)，允許等離子流連續(xù)通過碳布，以使鋁的容積浸漬優(yōu)化?？?8的內(nèi)部尺寸大概是2.3英寸高×32英寸寬。鋁線104、106最好是99.5％的純鋁，直徑為大約一英寸的1/16。
在操作中，圖8A中所示的所有的操作設(shè)備，例如，噴管100、X-Y控制器102、框98以及線104、106，被設(shè)置在等離子噴涂腔內(nèi)(有以限制蒸發(fā)鋁)。腔中的空氣被干燥。排氣扇112通過離開噴管100方向的腔保持空氣的恒定流速。碳布92用手夾到框98中，并完成單個(gè)噴涂圖案。只噴涂碳布的一側(cè)。一當(dāng)噴涂好，碳布從框中取出。然后如果需要，將未噴涂碳布92的新的一段引入框中，用于下一個(gè)要噴涂的碳布帶。
在等離子噴涂處理中使用的工作參數(shù)如下用于使鋁蒸發(fā)的電流是60-65安培，其中弧電壓大約是26V。壓縮空氣的壓力保持為大約50psi。噴涂100的端頭和碳布之間的距離是20英寸。整個(gè)的噴涂圖案以恒定的速率在大約45秒的時(shí)間周期內(nèi)橫貫。對(duì)噴管進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而蒸發(fā)的鋁流以最小的重疊盡可能均勻地覆蓋碳布。當(dāng)鋁噴涂處理完成時(shí)，在碳布的前面出現(xiàn)鋁層，并且在碳布的背面上應(yīng)該有輕微可見的支撐網(wǎng)孔93的可見圖案。這種圖案提供了可見驗(yàn)證，即，至少一些鋁已經(jīng)全程滲入通過碳布，從而在噴涂處理中優(yōu)化了浸漬。
在圖8A中參照的所有設(shè)備都是傳統(tǒng)的。使這種設(shè)備工作的細(xì)節(jié)和方法對(duì)于熟悉現(xiàn)有技術(shù)的人是已知的。
用鋁噴涂碳布的目的是減小通過碳布92的橫向電阻。在等離子噴涂前和后測(cè)量的，以及具有各種量的鋁的電極串聯(lián)電阻(ESR)的數(shù)據(jù)在表2中概述。
表2鋁的密度(mg/cm3) 電容(F/g) 電容器的ESR(Ω-cm2)0(未經(jīng)噴涂的) 11552.0157 ＞130 1.509209 ＞140 1.299250 1471.26410 1441.08509 ＞130 1.308表2中的數(shù)據(jù)由這樣的電極得到，即，2500m2/g直徑切割至5.1cm，并且碳含有大約0.2g。未噴涂的碳布的碳密度為0.26g/cm3。
如從表2中的數(shù)據(jù)可見的，已經(jīng)用鋁等離子噴涂的碳布的電阻使碳布的電阻至多了減小至50倍。電阻中這種戲劇性的減小(這是由電極結(jié)構(gòu)的容積電阻率的減小導(dǎo)致的)直接影響電極電阻，REL，并因此顯著地改進(jìn)了電容器的能力，以顯示低時(shí)間常數(shù)。
如從表2中進(jìn)一步可見的，通過鋁的浸漬減小電極的電阻是這樣的工藝，即，它必需優(yōu)化，以對(duì)所需的鋁的量，產(chǎn)生最低的電阻率。如果鋁太少，則電阻保持太高。鋁太多，則電極的重量增加，足以使能量密度降級(jí)。鋁太多，還阻塞了電解質(zhì)滲入碳編織以接觸纖維的所有表面積，從而相當(dāng)?shù)販p小了可用表面積。
顯然，鋁噴涂94(向著碳布92)(如圖8所示)所作的大大超出了僅僅用鋁覆蓋碳布的表面。當(dāng)鋁確實(shí)是覆蓋了表面，它還滲入碳布內(nèi)，由此用鋁滲入碳布。用鋁滲入碳布的重要性參照?qǐng)D9A和9B很好地解釋。
圖9A示出了碳布92的側(cè)面剖面圖的概略表示。圖9A所示，碳布92由多個(gè)纖維束構(gòu)成，所述纖維束被編織，以形成碳布。為了簡(jiǎn)便，只有四個(gè)這樣的纖維束120示于圖9A中。每一個(gè)纖維束120由許多碳纖維122制成，見圖9B最清楚，該圖概念地描述了各個(gè)纖維束120的截面圖。
各個(gè)碳纖維的縱向電阻非常低，但是通過碳束120的橫向電阻相對(duì)高。橫向電阻，即，從碳布92上的一面的點(diǎn)“A”到碳布另一端面上的點(diǎn)“B”的電阻，是必需減小的，以減小電阻REL。用鋁噴涂94等離子噴涂碳布92有利地使鋁流入碳束120的纖維束120中，如圖9B所示。這樣的滲入，或浸漬到纖維束120的粗纖維內(nèi)部減小了各個(gè)纖維122之間的接觸電阻。所得到的碳纖維的低橫向接觸電阻和固有低縱向電阻允許在碳布92的全部的寬度上形成非常低的電阻路徑，即，在電極結(jié)構(gòu)上提供非常低的橫向電阻。
當(dāng)鋁噴涂94撞擊碳布92時(shí)，它不僅如上所述，用鋁浸漬纖維束120的粗纖維122，還在碳布的被噴涂的表面上形成一鋁層124。另外，一些鋁還填充纖維束之間的空間128。鋁層124幫助制造了與箔電流集電器68和72良好的電氣接觸(低電阻)(如圖4A)。即，鋁層124用于降低接觸電阻RC。在纖維束之間的空間128中的鋁的出現(xiàn)增加了電極重量，并應(yīng)該在達(dá)到適當(dāng)?shù)娜莘e電阻和低特性RC時(shí)間常數(shù)后最小化。
理想的鋁滲入碳纖維束120的粗纖維126中的深度還未定量。但是相信，當(dāng)從截面看時(shí)，滲入的形式類似于圖9B所示的情況，在纖維束露出在碳布的表面的點(diǎn)處，填充了可用粗纖維體積的2/3到3/4。
留在碳布上或碳布內(nèi)的鋁的重量保持在碳布加鋁的總重量的42-53％之間，例如48％，或大約總重量的15％，這包括電解質(zhì)在內(nèi)。
翻到圖14A，可見在已經(jīng)用鋁噴涂和滲入了碳布(塊200)后，被浸漬的碳布預(yù)切割為帶，所述帶的直徑大于2×10英寸(塊202)。預(yù)切割的浸漬的碳布帶隨后沖壓為更精確的多，它們是2×10英寸，并且?guī)У慕鞘菆A的，其半徑為接近于0.03英寸。沖壓后的浸漬的碳布帶然后被壓入機(jī)械壓機(jī)，以便接受大約1600帕斯卡的壓力。碳布92多少是多孔的，所以這種壓力的使用多少壓縮了纖維束120的編織，以使碳布薄大約15-20％。碳布的厚度的減小直接導(dǎo)致了當(dāng)裝配時(shí)電極結(jié)構(gòu)的厚度的減小，以及電極結(jié)構(gòu)的電阻的減小。另外，更為重要的是，對(duì)浸漬的碳布帶的壓力的使得碳布的噴涂面平滑(消除凹處和凸出點(diǎn))從而被噴涂的鋁層124的更大的表面積能夠接觸電流集電器箔132，這在下面結(jié)合圖10A-10D解釋，以便減小裝配后電容器的接觸電阻RC。
還是參照?qǐng)D14A，在與備制浸漬碳布帶的并列的路徑中，箔電流集電器也預(yù)制品。箔電流集電器制備的第一步要將鋁箔預(yù)切割為大致需要的尺寸塊(208)，并且然后沖壓鋁箔至精確的尺寸(塊210)。用于電流集電器的較好的鋁箔具有大致上接近于0.002英寸的厚度。鋁箔被切割為大致上如圖10A所示的形狀。這樣的形狀包括槳端132和翼端133。翼端133和槳端132由此構(gòu)成電流集電器箔130(有時(shí)稱為電流集電器板)。電流集電器箔130大約10英寸長(zhǎng)。槳端132大約6英寸長(zhǎng)，翼端133大約4英寸長(zhǎng)。槳端132寬大約2英寸，而翼端寬度大約1英寸。
然后以圖10B所示的方法裝配兩個(gè)多層27電流集電器箔(塊212，圖14A)。在每一個(gè)多層中，使用任何的適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合技術(shù)，例如燒結(jié)或超聲波焊接，使二十七個(gè)電流集電器箔130的翼端133結(jié)合為一固件翼端135，其中每一個(gè)電流集電器箔都由此以可靠的方式，電氣和機(jī)械地相互連接到多層中的另一個(gè)電流集電器箔。相比之下，多層中電流集電器箔130的槳端132保持和其它槳端的不連接。
參照?qǐng)D14A一下，可見除了制備浸漬碳布(塊200-206)，以及制備鋁電流集電器箔130(塊208-212)，絕緣套140(圖10F)必需也制備好。這樣的絕緣套140作為雙層電容器中的隔離器66(圖4)。絕緣套是通過將適當(dāng)?shù)慕^緣/隔離材料，諸如聚丙烯或聚乙烯預(yù)切割成帶而制成的。一種用作隔離器的適當(dāng)?shù)牟牧鲜荂elguard2400，可以從Charlotte的Howchst Celanese(北Caroline)買到。Celguard是一種聚丙烯基的材料，它接近于0.001英寸厚，并且平均的孔的尺寸為大約0.04×0.12μm。Celguard(或者其它的隔離器材料)形成為絕緣套或管，它們具有這樣的尺寸，允許絕緣套在電流集電器箔130上寬松地滑動(dòng)，后者有一層浸漬的碳布條136包裹，如圖10F所示。Celguard的邊緣可以可靠地相互結(jié)合，以通過使用任何適當(dāng)?shù)拿芊饧夹g(shù)形成絕緣套，諸如現(xiàn)有技術(shù)中所知道的熱結(jié)合。
當(dāng)已經(jīng)形成或已另外制成了，電流集電器箔130、鋁浸漬碳布帶136以及隔離器套140時(shí)，可以裝配電極包裝(圖14A塊218)。這樣的電極裝配包括用圖10C、10D和10E指所示的方法，用浸漬的碳布帶136，包裝或包敷每一個(gè)電極多層的每一個(gè)箔槳132。如這些圖中所示，碳布帶136在中心的折線137處折疊，其中碳布被噴涂的一面對(duì)著電流集電器箔130的槳端132的兩面。兩個(gè)電流集電器箔多層中的每一個(gè)的電流集電器箔具有折疊的碳布帶136這樣地位于其上，除一個(gè)多層中最上面的電流集電器箔，以及另一多層中最底下的電流集電器箔外，該箔具有一半的碳布帶136，位于多層中面向內(nèi)的電流集電器箔的面上。隔離器套140被放置在碳布帶136和兩個(gè)電流集電器箔多層中的一個(gè)的每一個(gè)電流集電器箔130的槳端132的組合上(即，多層“B”)。其中一個(gè)具有隔離器/絕緣器套140插在每一個(gè)葉片上，而另一個(gè)沒有隔離器/絕緣器套的兩個(gè)箔多層的“葉片”(其中一個(gè)葉片包含電流集電器箔和其相伴的碳布帶)相互插入，如圖11A所示，以形成交叉的電極裝配141。
完成的電極裝配141包括電極的平片多層，例如，54片電極。每一片電極由電流集電器箔130構(gòu)成，，它由鋁浸漬碳布帶136包圍。每一個(gè)碳布帶和相鄰的碳布帶通過隔離材料140分離并電氣絕緣。交替的電極由對(duì)應(yīng)的電流集電器箔的結(jié)合的翼端135(多層A)或142(多層B)電氣并聯(lián)。
在圖11C中指出了可以用于本發(fā)明的卷繞式實(shí)施例中的另一種電極裝配141’。在圖11C中，兩個(gè)延長(zhǎng)的電流集電器箔136‘(每一個(gè)都具有連接到適當(dāng)?shù)碾娙萜鹘泳€端70和74的翼部分133’，并且每一個(gè)都具有折疊在其上的相應(yīng)的延長(zhǎng)的鋁浸漬的碳布136’以使得布的噴涂的一面138’面對(duì)著箔132’，螺旋地卷繞在一起。一個(gè)絕緣器或隔離套140‘被放置在一個(gè)卷繞地裝配的箔/布電極上，以防止電極在它們被卷繞在一起時(shí)相互電氣短路。
圖11C所示的螺旋卷繞的電極裝配141’實(shí)施例的電流集電器箔132’、以及相應(yīng)的鋁浸漬碳布電極136’的長(zhǎng)度和寬可以如此選擇，從而得到接近于和使用交叉平片多層裝配141而得到的(如圖11A所示)相同的電極面積，或得到所需的性能標(biāo)準(zhǔn)。螺旋卷繞裝配141‘的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，和交叉平片多層裝配141相比，在裝配和制造上多少更為容易些。但是，交叉平片多層裝配141的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，電流集電器箔的電阻可以更低(因?yàn)樗褂迷S多并聯(lián)的短電流集電器替代一個(gè)長(zhǎng)電流集電器)。另外，交叉的平片多層裝配141因?yàn)檠b在矩形盒子中而能提供更有效的應(yīng)用，但是，螺旋卷繞裝配141’卻最適合用于柱狀盒子中。依賴于電容器的應(yīng)用，矩形的盒子可以證明比柱狀的盒子更為有效。
返回對(duì)交叉平片多層裝配141(圖11A)的裝配的描述，在兩個(gè)電極多層已經(jīng)交叉，以形成裝配141后，整個(gè)的裝配被包在一種合適的絕緣材料144(諸如Celguard)內(nèi)。絕緣材料144可以用適當(dāng)?shù)膸ё?46捆正確的位置上，所述帶子146也被緊緊地包圍在裝配144周圍，由此形成包好的平片多層電極包143。電流集電器接頭135和142從包143的每一端伸出。
當(dāng)已經(jīng)制造了平片多層電極包144時(shí)，可完成電容器的最后的機(jī)械裝配。這樣的機(jī)械裝配在圖12中描述，，該圖示出了較佳雙層電容器的實(shí)物元件的展開圖。這些元件包括下導(dǎo)電殼150和上導(dǎo)電殼154。電極包143的一個(gè)接頭，即，接頭135結(jié)合到下導(dǎo)電殼150的內(nèi)部的位置160。電極包143的另一個(gè)接頭，即，接頭142結(jié)合到上導(dǎo)電殼152內(nèi)部的相應(yīng)的位置。這樣的結(jié)合(塊224，圖14A)可以通過使用任何適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合技術(shù)，諸如點(diǎn)焊、超聲波焊接等等來達(dá)到。當(dāng)然如果想要保持電容器的整體的低電極電阻REL，則結(jié)合必需是低電阻結(jié)合，其電阻不超過大約5μΩ。
當(dāng)已經(jīng)將電極包143的接頭結(jié)合到相應(yīng)的上下導(dǎo)電殼后，電容器盒子裝配可通過將上導(dǎo)電殼152用任何適當(dāng)?shù)陌惭b/密封技術(shù)裝到并密封到下導(dǎo)電殼15來封閉(塊226，圖14A)。注意，上和下導(dǎo)電殼結(jié)合構(gòu)成了電容器裝配的盒子。如圖12所示的用于封閉電容器的盒子的較佳的技術(shù)結(jié)合絕緣尼龍襯墊162使用螺絲釘164，以可靠地將上導(dǎo)電殼152的凸緣153固定到下導(dǎo)電殼150的相應(yīng)的凸緣151。為了確保良好的密封當(dāng)將上下導(dǎo)電殼的凸緣結(jié)合在一起時(shí)，一個(gè)O-環(huán)154安裝到凸緣153的周圍的凹槽中，而另一個(gè)O-環(huán)156安裝到凸緣151的周圍的類似的凹槽中。另外，聚丙烯的墊片158使兩個(gè)導(dǎo)電殼相互電氣絕緣。
因?yàn)轭愃朴谧ザ罚娙萜鞯暮凶油ㄟ^將上導(dǎo)電殼152扣到下導(dǎo)電殼150來封閉，圖10A-12所示的包裝配有時(shí)被申請(qǐng)人稱為“抓斗”裝配或“抓斗”設(shè)計(jì)。
圖12所示的“抓斗”裝配的一個(gè)重要的特點(diǎn)是，電極包143(以包和交叉形式)和上下導(dǎo)電殼的內(nèi)部尺寸相比，具有多少要大些的尺寸。但是，因?yàn)樘疾际嵌嗫椎?，所以它被充分地壓縮，以安裝到封閉的上下導(dǎo)電殼中。因此，當(dāng)包143被裝到上下導(dǎo)電殼的內(nèi)部去時(shí)，需稍加壓縮。這導(dǎo)致了當(dāng)將上導(dǎo)電殼152和下導(dǎo)電殼150機(jī)械地安裝到一起時(shí)，電極包143保持在恒定的適度壓力(大約10帕斯卡)下。持續(xù)的適度壓力進(jìn)一步降低了電極裝配的接觸電阻和電極電阻，因?yàn)樗３蛛娏骷娖鞑?30和各個(gè)浸漬碳布帶136的噴涂面牢固的機(jī)械接觸。恒定適度壓力在附圖中由箭頭121表示，這象征性地表示電極裝配141保持在恒定的適度壓力下，“P”沿如此方向，從而迫使或按壓電極和電流集電器箔接觸(見圖11B)。對(duì)于圖11C所示的螺旋卷繞裝配141‘，恒定適度壓力“P”沿徑向施加，如箭頭121’所示。當(dāng)適度壓力是大約10帕斯卡時(shí)，在實(shí)際中，壓力可以在大約5帕斯卡到18帕斯卡中變化。上下導(dǎo)電殼(或其它電容器盒子)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雖本身并非壓力容器，依然設(shè)計(jì)得經(jīng)得起大到20帕斯卡的內(nèi)部壓力。
完成電容器的裝配所需的一個(gè)重要的元件是用于以適當(dāng)?shù)碾娊庖禾畛浞忾]的裝配，然后永久地封閉裝配的裝置。為了這個(gè)目的，如圖12所示，提供了密封塞168(該密封塞168塞人位于下導(dǎo)電殼150的一端的填充孔167中)。將O環(huán)襯墊166和塞頭168一起使用，以完成密封。類似的填充孔(圖中未示)位于上導(dǎo)電殼152的另一端。使用牢固填充孔幫助移動(dòng)氣體，流入和流出封閉的盒子。
再參照?qǐng)D14A，當(dāng)已經(jīng)封閉了裝配裝配后(塊226)，檢測(cè)其電氣短路。這樣的檢測(cè)簡(jiǎn)單地通過測(cè)量圖12中的這兩個(gè)導(dǎo)電殼之間的電阻完成，所述兩個(gè)導(dǎo)電殼都是導(dǎo)電的，并作為電容器的電氣接線端。在一個(gè)理想的電容器中，這樣的電阻(對(duì)于“干”裝配-無電解質(zhì)被導(dǎo)入封閉的盒子中)應(yīng)該是無限的。例如，在封閉的干裝配的上下導(dǎo)電殼之間僅僅幾個(gè)歐姆的低電阻的測(cè)量表示，在裝配的內(nèi)部發(fā)生了電氣的短路。實(shí)際中，至少20MΩ的干電阻才能夠通過這樣的電氣短路測(cè)試。
還是參照?qǐng)D14A，注意，在將箔接頭結(jié)合到盒子的導(dǎo)電殼(塊224)之前先執(zhí)行的步驟包括形成或以其它方法制造底導(dǎo)電殼150和頂導(dǎo)電殼152(塊220)。在目前使用的實(shí)施例中，每一個(gè)導(dǎo)電殼都由鋁制的實(shí)心的切塊加工而成。封閉裝配的外部尺寸，包括凸緣151和153，是2.25英寸高×2.62英寸寬×5.60英寸長(zhǎng)。盒子本體(不包括凸緣)寬度大約2.18英寸，這意味著凸緣151和153從盒子的本體延伸出大約0.22英寸。如上表1指出的，電容器盒子的內(nèi)部體積是大約375cm3，而盒子的重量是大約200g。
如上面指出的，對(duì)于圖12所示的抓斗，上下導(dǎo)電殼用作電容器的兩個(gè)接線端。試圖將來使用這樣的導(dǎo)電殼，即，使用相對(duì)便宜的壓印和/或按壓包銅，替代更為昂貴的加工的鋁塊而制成。包銅鋁最好代替鋁用于這種目的，因?yàn)楫?dāng)將幾個(gè)電容器多層在一起時(shí)，它將提供更低的外部接觸電阻。使用壓印和/或按壓材料形成電容器的裝配的導(dǎo)電殼有利地將盒子的重量減小到100g，并將能量密度從大約2.9W-hr/kg增加到大約3.5W-hr/kg。
還應(yīng)該注意，其它的包裝方案可以和本發(fā)明一起使用。例如，圖13A、13B和13C所示的雙端配置包括延伸的電容器盒子170(它通常具有正方形的截面)，并在其兩端具有接線端172。接線端172最好包括螺紋孔173，其中帶螺紋的螺栓或螺母安裝到所述螺紋孔173。盒子170的物料可以是導(dǎo)電的也可以是不導(dǎo)電的，如果導(dǎo)電，終端將和盒子以176和178電氣絕緣。用螺母將終端172安裝到雙端裝配的每一端。墊圈和/或墊片176可以和螺母174一起使用，以牢固地將終端固定在正確位置，并在需要時(shí)提供和盒子的電氣絕緣。絕緣墊片178用在盒子的內(nèi)側(cè)，用于密封終端172，并防止?jié)B漏。在雙頭設(shè)計(jì)的裝配過程中，平片多層內(nèi)部電極包裝143的接頭135和142(圖11B)結(jié)合到盒子170每一端的內(nèi)側(cè)。
注意，至少在雙端電容器的一端用得上密封塞子166和墊片168，如圖13B所示。較好地，密封塞子在電容器的兩端都是用得上的，以幫助用電解液填充裝配。
圖13A、13B和13C所示的雙端配置的主要的優(yōu)點(diǎn)是，導(dǎo)電殼材料不需是導(dǎo)電體(即使它和可以是導(dǎo)電的)，而可以是一種適當(dāng)?shù)妮p的非導(dǎo)電材料，諸如塑料等。圖13A、13B和13C所示的雙端電容器的裝置的整體的重量由此可以顯著小于電容器裝置的重量(就圖12所示的電容器配置而言)。盒子的重量是重要的，因?yàn)樗苯佑嘘P(guān)于電容器的能量密度。
因?yàn)橐恍┢渌陌b方案可以包括終端(如上結(jié)合了附圖13A、13B和13C所指出的)，故如果使用這樣的終端，圖14A的流程圖包括將終端安裝在盒子上的步驟(塊222)。
下面翻到圖14B，當(dāng)已經(jīng)如圖12(或圖13A、13B或13C)所示裝配了電容器，并測(cè)試了電氣短路(塊228，圖14A)，則用密封塞子168和墊片166密封盒子裝配或使其可以密封。然后將可以密封的盒子抽空，并且徹底地干燥內(nèi)部的元件(塊234)。這樣的干燥處理典型地進(jìn)行2或3天時(shí)間，包括通過填充孔167(圖12)將真空泵安裝到封閉的裝配，并在一特定的時(shí)間段，例如48到72小時(shí)中保持恒定的負(fù)壓力(大約10-6Torr)。當(dāng)干燥好時(shí)，裝配被測(cè)試滲漏(塊236)。這樣的滲漏測(cè)試可以用任何適當(dāng)?shù)囊阎夹g(shù)進(jìn)行。較佳的滲漏測(cè)試包括在盒子還連接到真空泵時(shí)，以及其中仍然保持了負(fù)壓力時(shí)，將惰性氣體，例如氦(He)噴涂在封閉的盒子上及其周圍。如果有滲漏，則盒子內(nèi)部的負(fù)壓力通過滲漏抽吸He氣體，He氣體可以在真空泵的輸出流中被檢測(cè)到。
如果成功地通過了滲漏測(cè)試，則盒子已準(zhǔn)備好通過填充孔由規(guī)定量的特定的電解液浸漬(塊248)。
通過在規(guī)定的溶劑中溶解選出的鹽混合電解液。由此，為了制備溶液，準(zhǔn)備好溶劑(塊238)，并取得特定的鹽(塊240)。如前面所指出的，較好的溶劑是已知為有機(jī)溶劑甲基氰(CH3CN)。較佳的鹽是四氟硼酸四乙銨，或(CH3CH2)4N+BF4。電解液通過先對(duì)鹽干燥至少12小時(shí)，然后將干燥的鹽溶解在溶液中來進(jìn)行混合(塊42)。鹽與溶劑的比值是303.8g/升，即，1.4摩爾/升。
當(dāng)混合后，檢測(cè)電解液的雜質(zhì)(塊244)。有一點(diǎn)是重要的，即，電解質(zhì)中的水的量減小到小于20ppm(parts每兆)，較好的是小于大約15ppm。如果電解質(zhì)中的雜質(zhì)水平，例如水，超過20ppm，則可以不利地影響電容器的工作電壓。例如，當(dāng)電解質(zhì)中的水的量達(dá)到40ppm的水平時(shí)，電容器的有用工作電壓減小到當(dāng)電解質(zhì)中的水只有140ppm時(shí)的70％，如圖16A和16B所示。由此可見，對(duì)于雜質(zhì)，尤其是水而言，有一點(diǎn)這重要的，即，在電解質(zhì)浸漬到封閉的盒子裝配內(nèi)前要從電解液中去除。(注意，一些添加劑可以加到電解質(zhì)中，例如用于增加其性能或改進(jìn)電容器的工作壽命；但是必需避免水)。
電解液的水的含量用電量滴定器測(cè)量，這在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的。用于這樣的目的典型的滴定器是LC3000滴定器，可從EM Science Aquastar買到。
不幸的是，盡管企圖徹底地干燥裝配的內(nèi)部，但是一些水可能已經(jīng)在封閉的盒子裝配內(nèi)。例如，水可以被俘虜在碳布的碳纖維中。這樣的被俘虜?shù)乃梢员会尫诺诫娊赓|(zhì)中，由此當(dāng)無雜質(zhì)電解液浸漬到盒子裝配中時(shí)變成電解質(zhì)中的雜質(zhì)。為了從碳中去除這樣的水(或類似的雜質(zhì))，試圖在用電解質(zhì)填充裝配前，用適當(dāng)?shù)娜軇缂谆?、電解質(zhì)或其它水凈化材料沖洗封閉的裝配。在封閉的裝配的每一端上具有填充孔使得沖洗封閉的裝配的內(nèi)部成為可能。還試圖將碳布在用鋁浸漬前以及/或在用鋁浸漬后，但是是在裝配成電極多層之前，還可以用選出用于去除雜質(zhì)，尤其是水的適當(dāng)?shù)牟牧蠜_洗或清洗(例如，找出并去除水的水凈化或添加劑)。
如果電解液成功地通過了雜質(zhì)的測(cè)試(塊244)，還要測(cè)試電導(dǎo)率(塊246)。電導(dǎo)率的測(cè)試是使用傳統(tǒng)的電導(dǎo)性測(cè)量計(jì)進(jìn)行的，它使用ac信號(hào)測(cè)量電導(dǎo)率。溶劑的電導(dǎo)率在22℃應(yīng)該至少為55-58mmho/cm。
當(dāng)已經(jīng)對(duì)電解液混合，并測(cè)試了雜質(zhì)和導(dǎo)電性時(shí)，它浸漬到封閉的盒子裝配中(塊248，圖14B)。最好通過如此放置電極盒子，從而使填充孔在底部上，而另一個(gè)填充孔在頂上，然后用電解質(zhì)在壓力下從底部到頂部填充盒子，來進(jìn)行浸漬，從而在盒子中出現(xiàn)的氣體不被俘虜在其中。應(yīng)該浸漬到封閉的盒子中的電解液的量對(duì)于圖12所示的抓斗盒子的設(shè)計(jì)而言是200ml(或205g)。
在將規(guī)定的量的電解液浸漬到封閉盒子后，塞子168被插入填充孔167，以最后將盒子密封(塊250，圖14B)。然后，進(jìn)行最后的電容器的電氣測(cè)試，(塊262)，以測(cè)試電容器是否符合其特定的性能判據(jù)，一般，驗(yàn)收測(cè)試包括將其充電至其特定工作電壓Vw(經(jīng)過6小時(shí))，然后允許電容器自放電超過十四小時(shí)。在這14小時(shí)的自放電時(shí)間內(nèi)發(fā)生的電壓降提供了電容器的等效并聯(lián)電阻的測(cè)量，這應(yīng)該是至少200homs，最好超過350-400歐姆，例如至少360歐姆。(200歐姆的自放電電阻相應(yīng)于時(shí)間常數(shù)至少5.8天的自放電)。
可以進(jìn)行的其它的驗(yàn)收測(cè)試包括使電容器接受恒流循環(huán)測(cè)試，以決定循環(huán)電容和穩(wěn)定狀態(tài)串聯(lián)電阻。該測(cè)試通過將二雙相性100安培和/或200安培電流施加給電容器來進(jìn)行測(cè)試，如圖15所示。測(cè)量由使用此電流而達(dá)到的電壓波形。從電流和電壓波形(包括時(shí)間的測(cè)量)，決定了許多參數(shù)表示電容器的特征。這樣的參數(shù)包含充電電容Cup；放電電容Cdown；半放電電容C1/2，以及穩(wěn)定狀態(tài)電阻R-。為了滿足目前使用的所需的性能標(biāo)準(zhǔn)，這些值應(yīng)該是Cdown＞2200法，C1/2≥Cdown大約1 50法；R-＜1毫歐姆，Cup/Cdown＞0.98；并且Cup/Cdown＜1.05。
對(duì)于第一組根據(jù)本發(fā)明制造的單個(gè)的單元多電極雙層電容器，即使用抓斗設(shè)計(jì)(如圖12所示)，表3中示出驗(yàn)收測(cè)試的數(shù)據(jù)最后的驗(yàn)收測(cè)試還包括ac阻抗測(cè)試。雙層電容器的非常低的阻抗使ac阻抗測(cè)量困難(它使用標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備和技術(shù))。測(cè)量的關(guān)鍵的設(shè)備是最初的電阻R0該電阻影響電容器可以傳送的峰值功率。在1000Hz用Solatronl250頻率響應(yīng)分析器和PARC273Poteniostat。R0應(yīng)該是R-的值的一半，或大約0.45mΩ。
表3參數(shù) 值 標(biāo)準(zhǔn)偏差Cdown2422f 44.6fR-0.908mΩ 0.058mΩCup/Cdown1.01Rparallel387Ω 53Ω
如上所述，可見由本發(fā)明提供的單個(gè)單元，多電極雙層電容器在雙層電容器技術(shù)中表現(xiàn)出顯著的優(yōu)點(diǎn)。使用浸漬了鋁、圍繞電流集電器箔板折疊的碳布形成有效電極結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)提供了非常低的電極電阻。通過將許多(例如27個(gè))這樣的電極并聯(lián)在第一電極多層中，以及將第一電極多層的電極和第二電極多層的電極交叉(其中每一個(gè)電極都由適當(dāng)?shù)母綦x器/絕緣器電極薄板圍繞)，并且然后通過將這樣的交叉的電極多層包裝在密封制造中(該盒子將電極包裝保持在適度的壓力下)，然后通過進(jìn)一步用規(guī)定量的高導(dǎo)電非水電解質(zhì)浸漬密封制造，實(shí)現(xiàn)了雙層電容器，該電雙層電容器在大約2.3伏特的正常工作電壓下表現(xiàn)了超過2200法的電容值，并且電極電阻大約0.8mΩ，時(shí)間常數(shù)大約2秒，能量密度的范圍是2.9-3.5W-hr/kg，功率速度超過1000W/kg(400安培放電)。有利地，當(dāng)電容器在更高的電壓，例如2.7伏特，或者3.0伏特(當(dāng)所有雜質(zhì)從電解液中去除時(shí)，這可以容易地達(dá)到)工作時(shí)，這些工作參數(shù)可以改進(jìn)得更好，并且重量還可減輕。例如，在3.0伏特額工作電壓下，能量密度升高到5.9W-hr/kg。另外，通過使用聚乙烯隔離器材料替代聚丙烯隔離器，可以進(jìn)一步減小有效電極電阻，允許電容器的時(shí)間常數(shù)減小到大約1.5秒。
雖然已經(jīng)通過具體的實(shí)施例和應(yīng)用描述了本發(fā)明，但對(duì)于熟悉本領(lǐng)域的人，在不背離本發(fā)明的范圍(由權(quán)利要求設(shè)定)的條件下可以有許多修改和各種變化。
權(quán)利要求
1．一種雙層電容器，包括電容器盒子，所述電容器盒子具有可以相互扣緊，以形成密封的電容器盒子的第一部分(150)和第二部分(152)，所述第一部分具有與之連接的第一電容器接線端，所述第二部分具有與之連接的第二電容器接線端；一對(duì)電極，在所述密封的盒子中由多孔隔離器隔離，所述電極對(duì)的每一個(gè)電極都分別耦聯(lián)到第一或第二電容器接線端；以及規(guī)定的電解液，密封在密封的電容器盒子中，電極由此被浸透和浸沒在電解液中；其中所述雙層電容器特征在于第一電極多層(多層A)包含多個(gè)電極，所述第一電極多層中每一個(gè)電極包含電流集電器箔(132,133)和可壓縮的鋁浸漬的碳布(136)，所述碳布和所述電流集電器箔直接物理接觸，其中每一個(gè)電極的電流集電器結(jié)合到第一電容器接線端，由此第一多層的電極都通過它們各自的電流集電器箔并聯(lián)到第一電容器接線端；第二電極多層(多層B)包含多個(gè)電極，所述第二電極多層的每一個(gè)電極都包含電流集電器箔(132,133)以及直接物理接觸到所述電流集電器的鋁浸漬的可壓縮的碳布(136)，其中每一個(gè)電極的電流集電器結(jié)合到第二電容器接線端，由此第二電極多層的電極都通過它們各自的電流集電器并聯(lián)到第二電容器接線端；多孔隔離器套(140)，圍繞放置在第二多層的每一個(gè)電極上，所述隔離器套中具有孔隙，離子可以容易的由孔隙通過；所述第一和第二多層電極相互交叉，以形成交叉的平面電極多層(141)，其中相鄰電極通過多孔隔離器套而避免了相互電氣連接；及交叉平面電極多層在密封的電容器盒子中保持適度的壓力。
2．如權(quán)利要求1所述的雙層電容器，其特征在于，電容器盒子的所述第一和第二部分由導(dǎo)電材料制成，其中電容器盒子包含電氣絕緣器，用于防止當(dāng)所述第一和第二部分相互扣緊以形成密封電容器盒子時(shí)，第一和第二部分相互電氣短路，并且所述第一電容器接線端包含電容盒子的第一部分，第二電容器接線端包含電容器盒子的第二部分。
3．如權(quán)利要求1或2所述的雙層電容器，其特征在于所述第一和第二電極多層的電流集電器箔具有接頭部分(133)和槳片部分(132)，其中浸漬的碳布(136)放置得和每一個(gè)電極多層的每一個(gè)電流集電器箔的槳片部分接觸，另外，在第一電極多層(多層A)中的每一個(gè)電極的電流集電器箔的接頭部分(133)結(jié)合到第一電極多層中使用的電流集器箔的另一個(gè)接頭部分，并形成第一結(jié)合接頭部分(135)，該部分連接到第一電容器接線端，并且其中第二電極多層(多層B)中的每一個(gè)電極的電流集電器箔的接頭部分(133)結(jié)合到第二電極多層中使用的電流集電器箔的另一個(gè)接頭部分，以形成連接到第二電容器終端的第二結(jié)合接頭部分(142)。
4．如權(quán)利要求3所述的雙層電容器，其特征在于電容器盒子的所述第一和第二部分由鋁加工而成，并且總重量不超過大約200g。
5．如權(quán)利要求3所述的雙層電容器，其特征在于電容器盒子的所述第一和第二部分由包銅鋁壓印和按壓，并且總重量不超過大約100g。
6．如權(quán)利要求1所述的雙層電容器，其特征在于電容器盒子的第一和第二部分由不導(dǎo)電材料制成，并且所述第一電容器接線端包含安裝在電容器盒子的第一部分上第一饋通接線端，并且所述第二電容器接線端包含安裝在電容器盒子的第二部分上的饋通接線端。
7．如權(quán)利要求6所述的雙層電容器，其特征在于所述第一和第二饋通接線端位于電容器盒子相對(duì)的兩端。
8．如權(quán)利要求1所述的雙層電容器，其特征在于電容器盒子還包含兩個(gè)位于電容器盒子的相對(duì)兩端上的可密封的填充孔。
9．如權(quán)利要求1所述的雙層電容器其特征在于可壓縮的鋁浸漬碳布，其中所述碳布在第一和的二電極多層中用作電極的一部分，包含由活性碳纖維制成的碳布，安排在碳纖維束中，碳纖維束中活性碳纖維之間的空間稱為纖維束的“粗纖維”，其中碳纖維束被編織，以形成碳布，另外，鋁浸漬到纖維束的粗纖維中，以減小碳布的橫向電阻。
10．如權(quán)利要求9所述的雙層電容器，其特征在于鋁浸漬碳布還由至少1500帕斯卡的壓力按壓，在其接觸第一和第二電極多層的電流集電器箔前將鋁浸漬碳布的厚度減小大約15％。
11．如權(quán)利要求10所述的雙層電容器，其特征在于交叉的平面電極多層的多數(shù)電極的鋁浸漬的經(jīng)過壓縮的碳布被折疊，從而接觸其各自電流集電器箔的兩面。
12．如權(quán)利要求11所述的雙層電容器，其特征在于由鋁浸漬的碳布的平位面積重量，在浸漬前，大約130-135g/m2，并接近于0.50-0.55mm厚，孔隙的容量大約1.0-1.5ml/g。
13．如權(quán)利要求12所述的雙層電容器，其特征在于浸漬到碳布中的鋁的重量不超過鋁浸漬碳布的總重量的53％。
14．如權(quán)利要求13所述的雙層電容器，其特征在于浸漬后和浸漬前碳布的橫向電阻相比，鋁浸漬的碳布的橫向電阻減小了至少50倍。
15．如權(quán)利要求14所述的雙層電容器，其特征在于電容器盒子的內(nèi)部容積不超過大約375cm3，總的重量不超過大約600g，其中交叉的平面電極多層包含至少50個(gè)電極，第一和第二電極多層中每一個(gè)包含25個(gè)電極。
16．如權(quán)利要求15所述的雙層電容器，其特征在于所述電容器在額定電壓2.3伏特下的表現(xiàn)的電容是2300法±10％。
17．如權(quán)利要求16所述的雙層電容器，其特征在于電容器表現(xiàn)的能量密度在大約3.4到3.5W-hr/kg之間，額定功率大約1000W/kg，其中電流放電為400安培，總的電極電阻小于大約0.8毫歐，而時(shí)間常數(shù)不大于大約2秒。
18．如權(quán)利要求1所述的雙層電容器，其特征在于這里使用的規(guī)定的電解液的特點(diǎn)在于特定的有機(jī)溶劑，在其中溶解規(guī)定量的規(guī)定的鹽，其中特定的有機(jī)溶劑包含甲基氰(CH3CN)，規(guī)定的鹽包含四氟硼酸四乙銨(CH3CH2)4N+BFr，其中規(guī)定的鹽和規(guī)定的溶液的規(guī)定的比值是大約300到305g/升。
19．如權(quán)利要求18所述的雙層電容器，其特征在于多孔隔離器套由聚丙烯制成，其厚度至少0.001英寸，而平均孔尺寸大約0.04×0.12μm。
20．一種雙層電容器，具有其上有第一和第二接線端的可密封的電容器盒子，將規(guī)定的電解液密封在所述盒子中，所述雙層電容器特征在于第一電極，包含第一電流集電器箔(132)和第一可壓縮碳布，所述碳布用規(guī)定的金屬(136)浸漬，和所述第一電流集電器箔直接物理接觸，其中所述第一電流集電器結(jié)合到第一電容器接線端；第二電極，包含第二電流集電器箔(132)和用規(guī)定的金屬(136)浸漬的第二壓縮碳布，所述碳布和所述第二電流集電器箔直接物理接觸，其中所述第二電流集電器結(jié)合到第二電容器接線端；放置在所述第二電極周圍的多孔隔離器套(140)；第一和第二電極，放置得相互對(duì)著，但通過多孔隔離器套防止所述第一電極和所述第二電極電氣接觸；所述第一和第二電極在密封的電容器盒子中以恒定的適度的壓力相互按壓；及規(guī)定的電解液密封在可密封的電容器盒子中，從而用規(guī)定的電解液將所述第一和第二電極以及多孔隔離器套浸透和浸沒。
21．如權(quán)利要求20所述的雙層電容器，其特征在于多孔隔離器由(1)厚度為至少0.001英寸，平均孔隙尺寸為大約0.04×0.12μm，孔隙度為25-40％的聚丙烯片，或(2)厚度至少0.001英寸，孔隙直徑小于0.5μm，孔隙度為40-60％的聚乙烯的其中一種制成。
22．如權(quán)利要求20或21所述的雙層電容器，其特征在于用于使第一和第二電極相互按壓的恒定的適度壓力包含在5和18帕斯卡之間的壓力。
23．如權(quán)利要求20、21或22所述的雙層電容器，其特征在于用于使第一和第二電極浸透和浸沒的規(guī)定的電解液包含規(guī)定的有機(jī)溶劑，其中規(guī)定數(shù)量的特定的鹽溶解在所述有機(jī)溶劑中；其中特定的有機(jī)溶劑包含甲基氰(CH3CN)，規(guī)定的鹽包含四氟硼酸四乙銨(CH3CH2)4N+BFr，特定的鹽和特定的溶劑的規(guī)定比是大約300到305g/升。
24．如權(quán)利要求23所述的雙層電容器，其特征在于用規(guī)定的金屬浸漬，并用作第一和第二電極的可壓縮碳布包含由活性碳纖維制成的碳布，它被安排為碳纖維束，碳纖維束中的活性炭纖維之間的空間被稱為纖維束的“粗纖維”，其中碳纖維束被編織，以形成碳布，并且規(guī)定的金屬浸漬到纖維束的粗纖維內(nèi)，以減小碳布的橫向電阻。
25．如權(quán)利要求24所述的雙層電容器，其特征在于浸漬到碳布的碳纖維束的粗纖維內(nèi)的規(guī)定的金屬包含鋁或鈦。
26．如權(quán)利要求25所述的雙層電容器，其特征在于用鋁或鈦浸漬的碳布的單位面積重量，在浸漬前，為大約130-135g/m2，并接近于0.50-0.55mm厚，并且孔隙度為大約1.0-1.5ml/g。
27．制造雙層電容器的方法，其特征在于包含a．用規(guī)定的金屬浸漬碳布，所述碳布由活性炭纖維制成，形成為碳纖維束，其中碳纖維束中的各個(gè)碳纖維之間的空間或空隙被稱為碳纖維束的“粗纖維”，并且通過以液體或蒸汽的形式將特定的金屬噴涂到碳纖維束中的粗纖維中，使碳纖維束被編織，以形成碳布；b．形成多個(gè)電流集電器箔，每一個(gè)所述箔具有接頭部分和槳片部分；c．將多個(gè)電流集電器箔的一半的接頭部分相互結(jié)合，并結(jié)合到第一電容器接線端，由此形成第一箔多層；d．將多個(gè)電流集電器箔的另一半的接頭部分相互結(jié)合，并結(jié)合到第二電容器接線端，由此形成第二箔多層；e．通過將如步驟a中制成的浸漬的碳布放置在第一和第二箔多層的每一個(gè)電流集電器箔的接頭部分，其中浸漬的碳布的噴涂面放置在電流集電器上，形成第一和第二電極多層；f．將多孔隔離器套放置在第二電極多層的每一個(gè)電極上，其中所述電極包含電流集電器箔和放置在其上的浸漬碳布；g．交叉第一和第二電極多層的電極，從而隔離器套用作相鄰的電極之間的電氣絕緣器，并防止相鄰的電極相互電氣短路，形成交叉的電極多層，在所述交叉電極多層中具有交叉電極的電流集電器箔，并聯(lián)到第一和第二電容器接線端中的一個(gè)；h．將適度的恒定壓力施加在交叉的電極多層上，迫使浸漬的碳布的噴涂面按壓每一個(gè)電極多層的電流集電器箔，由此降低電流集電器箔和它們各自按壓的浸漬碳布之間的接觸電阻；及i．用電解液浸透交叉的電極多層，并保持交叉的電極多層浸沒在電解液中，電解液包含規(guī)定的溶劑，規(guī)定量的特定的鹽溶解在所述溶劑中，離子能夠容易地通過多孔隔離器套的孔隙。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種單個(gè)單元，多電極高性能雙層電容器，包含第一和第二平片多層的交叉電極141，所述電極適合于安裝在可封閉的兩部分的電容器盒子內(nèi)(圖12)，它僅僅包含單個(gè)電解質(zhì)密封(154，156，158)。每一個(gè)電極多層具有多個(gè)并聯(lián)的電極，其中一個(gè)多層的電極和另一多層電極交叉，以形成交叉多層141，并且每一多層的電極電氣連接到相應(yīng)電容器接線端。多孔隔離器套140在交叉前插在一個(gè)多層(多層B)的電極上，以防止電極之間的電氣短路。電極通過折疊可壓縮、低電阻、鋁浸漬的碳布136制成，所述碳布由活性炭纖維制成，在電流集電器箔132的周圍，其中每一個(gè)多層的每一個(gè)電極的箔的翼片接頭133并聯(lián)。并聯(lián)的接頭(135，142)連接到相應(yīng)電容器接線端。交叉的多層的高度大于封閉的電容器電內(nèi)部高度，由此在放如入盒子內(nèi)時(shí)需要壓縮交叉的電極多層，并保持交叉電極多層在適度的恒定壓力下。封閉的電容器盒子用電解液填充和密封。較好的電解液通過將適當(dāng)?shù)柠}溶解到甲基氰(CH
文檔編號(hào)H01G9/02GK1238855SQ97180012
公開日1999年12月15日 申請(qǐng)日期1997年8月29日 優(yōu)先權(quán)日1996年10月7日
發(fā)明者C·J·法拉赫曼迪, J·M·迪斯潘尼特, E·布蘭克, A·C·科爾布 申請(qǐng)人:麥斯韋爾技術(shù)股份有限公司