專利名稱：具有雙導(dǎo)電層的電容器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電工技術(shù)，特別涉及電容器制造工業(yè)，可以在制造使用雙導(dǎo)電層(DEL)的高容量電容器中得到應(yīng)用。已發(fā)現(xiàn)具有DEL的電容器可用作例如計(jì)算機(jī)工程、通信設(shè)備、數(shù)控機(jī)床等在不間斷周期制造工藝中需要不間斷電源的系統(tǒng)中的備用電源；可用于柴油發(fā)電機(jī)的電發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)；用于病人用車、高爾夫車等的電源。
所屬領(lǐng)域目前已知為雙導(dǎo)電層(DEL)電容器的電能累積器。例如見美國(guó)專利4313084(1982)和4562511(1985)所公開的。所說電容器都包括兩個(gè)多孔可極化電極和由介質(zhì)材料構(gòu)成且設(shè)置在兩電極間的多孔隔板及電流引線。使用含水或無水電解質(zhì)(包括含水硫酸)的電容器中的液體電解液容納于電極和隔板的小孔中及電容器殼內(nèi)的某些自由空間內(nèi)。電荷累積于電極材料和電解質(zhì)間的小孔中的界面上?？蓸O化電極材料可采用各種常規(guī)多孔碳材料。為增大具有雙導(dǎo)電層的電容器容量，對(duì)所說碳材料進(jìn)行預(yù)激活處理，以便將它們的比表面積增大到高達(dá)300-3000m2/g。
DEL電容器具有遠(yuǎn)大于常規(guī)膜型和電解電容器的電容，即，高達(dá)每克活性電極材料幾十法拉第。然而，這種電容器的缺點(diǎn)是具有相當(dāng)小的比能量，即低至3W-h/lit。這種情況下，用最大電壓在3-3.5V的采用無水電解質(zhì)的雙導(dǎo)電層電容器，可以得到最大比能值。然而，由于無水電解質(zhì)的非常低導(dǎo)電率值，這種電容器能夠得到非常低的充電和放電電流值。關(guān)于特征在于最大電壓值為0.8V的采用水溶液電解質(zhì)的雙層電容器，仍然得到較低的比能值，即0.5-2W-h/lit。在這種雙層電容器用超過0.8V的電壓、以相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間周期進(jìn)行充電時(shí)，碳正極會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的氧化。
最接近本發(fā)明的技術(shù)要點(diǎn)和可實(shí)現(xiàn)的效果是包括兩個(gè)電極和液體電解質(zhì)(即，堿金屬的氫氧化物水溶液，濃度為3-7摩爾/升)的DEL電容器，具有由碳纖維材料構(gòu)成的可極化(負(fù))極，和由氧化鎳構(gòu)成的不可極化的電極。所說電容器的最大電壓等于1.4V，比電容和比能分別為46F/cm3和45J/cm3(WO97/07518，申請(qǐng)日為1997年2月27日)。
然而，所討論的這種電容具有許多缺點(diǎn)，例如不合適的高比能和由于利用大量氧化鎳造成的高成本。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種特征在于較高比能的DEL電容器。
本發(fā)明另一目的是降低所述電容器的制造成本。
本發(fā)明的上述目有可通過這里所公開的發(fā)明達(dá)到，本發(fā)明的要點(diǎn)在于，所討論的電容器具有由多孔碳材料構(gòu)成的可極化的電極和由包括硫酸鉛作活性成分的材料構(gòu)成的不可極化的電極，用含硫酸的水溶液作電解質(zhì)。
所說電容器較好是引入具有由浸漬有耐酸聚合物的石墨箔構(gòu)成的保護(hù)涂層的電流引線。
所說電容器還可以引入兩個(gè)可極化電極、一個(gè)不可極化電極和兩個(gè)隔板，所有所說部件都按以下順序設(shè)置第一可極化電極/第一隔板/不可極化電極/第二隔板/第二可極化電極，兩個(gè)負(fù)極彼此短路。利用這種電極和隔板的設(shè)置，可極化(負(fù))極的比容量明顯低于不可極化(正)極，因而負(fù)極的總厚度遠(yuǎn)大于正極的總厚度。因此，這里提出將一個(gè)負(fù)極分成具有一半厚度的兩個(gè)電極，就能量歐姆損耗實(shí)際減少一半而言，每個(gè)具有相當(dāng)高的電流密度值。
一個(gè)或所有電極的材料較好是摻雜有例如聚四氟乙烯或聚丙烯等特殊材料。首先，這不僅可以由碳纖維材料(例如已知電容器(即WO申請(qǐng)97/07518)情況下的碳纖維)而且可以由使用了聚合物粘合劑的碳粉類材料構(gòu)成負(fù)極。后一電極更便宜。第二，使用聚合物粘合劑可以增強(qiáng)負(fù)極和正極(硫酸鉛)的強(qiáng)度。
可以在殼體的載荷支撐蓋之間壓緊一個(gè)電容器或一組電容元件，以極大地減小電容器內(nèi)阻，尤其是在利用碳纖維或氈料構(gòu)成的的負(fù)極時(shí)，以防止正極活性材料脫落，這是限制根據(jù)WO申請(qǐng)97/07518制造的DEL電容器的可重復(fù)性的主要原因之一。由于上述專門技術(shù)方案的緣故，可以顯著增大比能，和降低電容器的成本。由于硫酸電解質(zhì)比堿性電解質(zhì)的導(dǎo)電率增大1.5倍，所以比能可以增大到高達(dá)2.0V。由于使用了比氧化鎳便宜得多的硫酸鉛電極，所以可以降低根據(jù)本發(fā)明制造的DEL電容器的成本。使用硫酸鉛作正極的活性材料允許使用稀釋的硫酸作電解質(zhì)，更方便了所涉及的DEL電容器的組裝。


圖1示出了本發(fā)明的電容器；圖2是電極的電壓和電位與放電時(shí)間的關(guān)系的曲線圖3是由本發(fā)明電容元件組裝的電容器組的示意圖。
附圖中的以下參考數(shù)字表示1-載荷支撐電容蓋；2-防止電容器電極彼此電接觸的絕緣體；3-金屬電流引線；4-由石墨箔構(gòu)成的電流引線保護(hù)涂層；5-可極化多孔碳負(fù)極；6-介質(zhì)隔板；7-正極；8-耐酸密封劑；9-電容器殼的載荷支撐壁。
例1根據(jù)本發(fā)明制造的DEL電容器(圖1)包括由十六層活性碳纖維構(gòu)成的負(fù)極(5)，“Viscumac”型，比表面積為1200m2/g，每層的厚度為300微米；正極(7)，厚度為2mm，具有含硫酸鉛的活性材料，被壓制成由含95％的鉛和5％的銻的合金構(gòu)成的柵形；多孔隔板(6)，ΦΠΠ-20CA級(jí)，由全氯乙烯構(gòu)成，總厚度為120微米；由片鋼構(gòu)成的電流引線(3，4)；殼體的3mm厚的鋼載荷支撐蓋(1)；殼體的0.3mm厚的鋼載荷支撐側(cè)板(9)；介質(zhì)密封劑(8)。
多孔負(fù)和正極及多孔隔板浸漬有電解質(zhì)，即，密度為1.05g/cm3的硫酸水溶液。電流引線的保護(hù)涂層(4)由0.3mm厚的石墨箔構(gòu)成，其浸有耐酸聚合物，并在數(shù)點(diǎn)上粘合于電流引線的金屬電極上。兩電極為板形，每個(gè)大小為123×143mm。在10kg/cm2的壓力下壓緊一組電極和隔板。
圖2示出了電壓Uc和正極電位Ea及負(fù)極電位Ec(相對(duì)于相同溶液中的氫電極)與放電時(shí)間t間的關(guān)系曲線圖。在20℃和電流為10A條件下測(cè)量特性曲線。
上述關(guān)系可以得出以下結(jié)論(1)放電過程期間，正極電位下降，但非常小。
(2)放電過程期間，負(fù)極電位幾乎線性增加，直到E為1.0V。
(3)結(jié)果，電壓間隔為1.8V以下的放電曲線幾乎為電容器所固有的直線情況。
(4)最大電壓(Umax)約為2V。
就電位超過1V而言，碳電極容易以相當(dāng)高的速率氧化，所以最小放電電壓Umin發(fā)生在(E)max=1V時(shí)。從圖2顯然可以看出，對(duì)于給定電容器Umin=0.7V。
試驗(yàn)得到以下特性比能，53.4W-h/lit；可得到的充放電周期次數(shù)，6500(之后試驗(yàn)繼續(xù))。
例2制造一組DEL電容器，包括根據(jù)本發(fā)明制造的七個(gè)類似串聯(lián)的元件電容器，它們一起被壓緊在殼體的引線支撐蓋和側(cè)板之間。圖3示出了這樣一組電容器。每個(gè)元件電容器都包括兩個(gè)相同的負(fù)極和一個(gè)夾在其間的正極。正極設(shè)置在外套形的隔板中。兩個(gè)負(fù)極一起通過外部開關(guān)電閉合。整個(gè)組件的總體尺寸為130×150×64.4mm。負(fù)極通過模制和燒結(jié)包括8wt％的粉狀聚乙烯和92wt％的AΓ-3級(jí)粉狀活性碳的混合物制造，比表面積為1100m3/g，負(fù)極厚度為3mm。正極包括由含95％鉛和5％銻的合金構(gòu)成的柵。柵單元內(nèi)放置有含93％硫酸鉛和7％聚四氟乙烯的混合物。使用60微米厚、ΦΠΠ-20CA級(jí)的全氯乙烯構(gòu)成的隔板。負(fù)極的電流引線保護(hù)涂層與例1類似。
試驗(yàn)得到以下特性放電電流為2.5A時(shí)的比能，51W-h/lit；能實(shí)現(xiàn)的充放電周期數(shù)，6500；內(nèi)阻，18mΩ。
應(yīng)用本發(fā)明可以使所提出的電容器的比能超過已知DEL電容器的幾倍，同時(shí)其成本比已知電容器低幾倍。所提出的電容器允許元件串聯(lián)和并聯(lián)，從而提供各種電容器組。
權(quán)利要求
1.一種雙導(dǎo)電層電容器，其特征在于，包括至少一個(gè)由多孔碳材料構(gòu)成的可極化電極；由含硫酸鉛材料構(gòu)成的不可極化電極；及表現(xiàn)為含硫酸的水溶液的電解質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電容器，其特征在于，還包括具有保護(hù)涂層的電流引線，所述保護(hù)涂層由浸漬了耐酸聚合物的石墨箔構(gòu)成。
3.根據(jù)以上任一項(xiàng)權(quán)利要求的電容器，其特征在于，還包括兩個(gè)可極化電極，一個(gè)不可極化電極和兩個(gè)隔板，所有所說構(gòu)件按以下順序設(shè)置第一可極化電極/第一隔板/不可極化電極/第二隔板/第二可極化電極，兩負(fù)極彼此短路。
4.根據(jù)以上任一項(xiàng)權(quán)利要求的電容器，其特征在于，至少一個(gè)電極的材料摻雜有特殊材料，例如聚四氟乙烯或聚乙烯。
5.根據(jù)以上任一項(xiàng)權(quán)利要求的電容器，其特征在于，電容器被壓緊。
全文摘要
一種雙導(dǎo)電層電容器,其中至少一個(gè)電極由多孔碳材料構(gòu)成,另一電極由含硫酸鉛材料構(gòu)成。所說電容器的特征在于增強(qiáng)的特性和降低的成本。
文檔編號(hào)H01G9/155GK1295715SQ97182526
公開日2001年5月16日 申請(qǐng)日期1997年12月18日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月18日
發(fā)明者V·I·K·瓦賽克金, J·M·M·沃爾夫克維奇, P·A·K·施馬特科, E·A·K·阿施馬林, A·V·F·巴斯卡科夫, A·F·S·布爾德耶夫, O·G·K·達(dá)施科 申請(qǐng)人:科學(xué)生產(chǎn)企業(yè)(埃克信)