專(zhuān)利名稱(chēng)：帶雙電層的電容器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電工領(lǐng)域，更具體地涉及具有雙電層的電化學(xué)電容器，它可以用于構(gòu)建存儲(chǔ)電力的裝備并可用于-備用電源系統(tǒng)，此時(shí)它工作于恒定或補(bǔ)償浮充(compensatingfloating charge)方式；-在使用周期性工作的能源下例如風(fēng)能和太陽(yáng)能，提供恒定的電源；-在運(yùn)輸中積聚再生制動(dòng)功率的裝置中；-電氣運(yùn)輸中作為拖動(dòng)電池；-可靠地起動(dòng)內(nèi)燃機(jī)的裝置中。
背景技術(shù)：
具有液體電解質(zhì)和用各種有大的表面面積材料制成的電極的雙電層電容器，在現(xiàn)有技術(shù)條件下是已知的(美國(guó)專(zhuān)利4313084號(hào)，Int.Cl.H01G9/04，1982；德國(guó)專(zhuān)利3210240號(hào)Int.Cl.H01G9/04，1983)。
最佳結(jié)果是在利用各種活性碳材料以制造電極的情況下得到的。在這種電容器中單位體積的電容量超過(guò)了2F/cm3。
與此同時(shí)，使用質(zhì)子惰性的電解質(zhì)給出了將工作電壓增加到2-3V的可能性(美國(guó)專(zhuān)利4697224號(hào)，Int.Cl.H01G9/04，1987)。
但是，使用碳材料和有機(jī)電解質(zhì)對(duì)雙電層電容器而言并不能得到所需的高功率，因?yàn)樘己碗娊赓|(zhì)的低電導(dǎo)產(chǎn)生高的內(nèi)電阻。
由于電容器電極結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，例如對(duì)粘結(jié)材料使用導(dǎo)電添加劑和施加碳材料，充放電電流得以增加(見(jiàn)Carbon(碳)雜志，28，No.4，1990，477-482)。
包括兩個(gè)由活化的石墨纖維電極和電解質(zhì)的雙電層電容器的設(shè)計(jì)是已知的(W.Hallop等，“便宜的超級(jí)電容器”，“第三層雙層電容器和類(lèi)似的儲(chǔ)存電力的源的國(guó)際研討會(huì)”Florida，1993)。
在這種情況下，在電容器放電過(guò)程中，兩個(gè)電極的電位按相反方向變動(dòng)。因此，電容器的電壓以?xún)杀队诿總€(gè)電極上的電位的速度下降。如果電極具有相等的電容器，則電容器的電容量約為兩個(gè)電極電容量的一半。
從技術(shù)本質(zhì)上看與建議的解決方案最接近的是具有雙電層的電容器，它含有兩個(gè)電極，其中之一即極化的那個(gè)是由碳材料制成的，而另一個(gè)的活化材料含有氫氧化鎳，它們的引線和液態(tài)電解質(zhì)(WO97/07518，Int.Cl.H01G9/04，1995)。
同時(shí)用作正和負(fù)電極的電流引線的最優(yōu)選的結(jié)構(gòu)材料是鎳。
但是，由這樣的電容器產(chǎn)生的電力對(duì)于像電動(dòng)車(chē)電源這樣的用戶(hù)來(lái)說(shuō)是太小了。
發(fā)明概要本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是提供一種具有雙電層的新電容器，它允許因引線結(jié)構(gòu)而積聚大量存儲(chǔ)的能量。
在建議的結(jié)構(gòu)中，這種技術(shù)成果是通過(guò)建造一種具有雙電層的電容器而實(shí)現(xiàn)的，它包括兩個(gè)電極，其中之一是可極化電極，是由碳材料制成的，而另一電極的活性材料含有氫氧化鎳，它們的引線和液態(tài)電解質(zhì)，其中按照本發(fā)明，可極化電極的引線表面是由能耐受電解質(zhì)媒質(zhì)的金屬或碳制成的。
本發(fā)明的特征在于可極化電極的引線完全是由能耐受電解質(zhì)媒質(zhì)的金屬，例如由銅制成的。
利用銅作為負(fù)電極的引線材料允許增加電容器的工作電壓。在這種情況下，和鎳相比，由于增加了在銅上的對(duì)氫的過(guò)度抽取而提高了分解堿性電解質(zhì)的電壓。這樣做時(shí)，工作電壓的窗口是0.8到1.6V。
工作電壓的增加允許明顯地提高電容器的比能量。
為了降低制作成本，可極化電極的引線提供有例如由鎳制成的內(nèi)層。
鎳在寬闊的電位范圍內(nèi)對(duì)堿性媒質(zhì)是比較耐腐蝕的，因此，鍍層連續(xù)性的條件并不是必需的。和貴金屬相比鎳也是相對(duì)廉價(jià)的。
本發(fā)明的特征還在于可極化電極的引線表面是由銀或金制成的。在這種情況下鍍層的厚度為0.1到0.2μm。
這允許將電容器的工作電壓窗口擴(kuò)展到高達(dá)0.3-1.6V。
僅在引線表面使用昂貴金屬的鍍層使得建造成本明顯地較為低廉。
在專(zhuān)利檢索中，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)與所提解決方案相同的權(quán)利要求，因此本發(fā)明滿(mǎn)足“新穎性”的準(zhǔn)則。
本發(fā)明的本質(zhì)并不因循明顯地已知解決方案，因此本發(fā)明滿(mǎn)足“創(chuàng)造性”的準(zhǔn)則。


建議的雙電層電容器的本質(zhì)由下面的說(shuō)明和例子以及附圖來(lái)解釋?zhuān)渲袌D1從原理上表明電容器的結(jié)構(gòu)；圖2是說(shuō)明根據(jù)所建議的雙電層電容器組成的模塊的圖示。
本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例帶有雙電層的電容器包括兩個(gè)電極，其中之一即可極化電極1是由碳材料制成的，而另一電極2的活性材料中含有氫氧化鎳，它們的引線3、4，以及液態(tài)電解質(zhì)5?？蓸O化電極1的引線3的表面6是用可耐受電解質(zhì)媒質(zhì)的金屬或用碳制成的。它可以是銀、銅、金。
可極化電極1的引線3可以具有用例如鎳制成的內(nèi)部層7。
可極化電極1的引線3也可以完全用作耐受電解質(zhì)媒質(zhì)的金屬制成。
本發(fā)明用下面的實(shí)現(xiàn)雙電層電容器的典型例子來(lái)說(shuō)明。
例1雙電層電容器包括兩個(gè)電極，其中之一是可極化的負(fù)電極1。它可以用厚度為0.35mm及比表面積為900-2000m/g的碳片來(lái)制造。引線3位于碳片之間，它可以用厚度為0.05mm的多孔(perforated)鎳箔來(lái)制造。引線3也可以用銅、銀來(lái)制造，或者它的材料可以是鍍金或銀的鎳。
使用這樣的材料來(lái)制造引線比起具有鎳箔引線的電容器電壓來(lái)，可以明顯地增加電容器的工作電壓。由此，有可能增加電容器的比能量。
此外，電容器還包括非極化電極2，它可以包含氫氧化鎳作為活性材料。燃燒過(guò)的鎳可以用作為傳導(dǎo)電流的基礎(chǔ)以支持活性材料。
在放電過(guò)程中，充了電的氫氧化鎳(NiOOH)接受電子并轉(zhuǎn)移成低價(jià)狀態(tài)(NiOH)2。由氫氧化鎳構(gòu)成的電極2的厚度可以是0.35mm，它的比容量可以是0.4Ah/cm3。
在其中進(jìn)行反應(yīng)的電解質(zhì)可以是氫氧化鉀的水溶液，其濃度為6mole/l。在電極1和2之間的分隔片8可以用0.2mm厚度的尼龍片制成。
為了提供所需的單元電容量，電極可以裝在氣密的容器內(nèi)，其尺寸為50×24×11mm。
例2和例1不同0.5mm厚的可極化電極是用帶有粘結(jié)劑的碳粉制成的。粉的比表面積為1000-1200m/g。
引線是用0.05mm厚的多孔銅箔制成的。單元上有一個(gè)閥以釋放過(guò)大的壓力，其工作范圍為0.3-1.0atm。
例3與例1不同，可極化電極1是1.0mm厚，用帶粘結(jié)劑的碳粉制成。粉的比表面積為1000-1200m/g。
引線是用0.05mm的厚鍍銀鎳箔制成的(鍍層為0.5mm厚)。
含有氫氧化鎳的第二電極含有鍍鎳的聚合物氈作為電流傳導(dǎo)的基礎(chǔ)和活性材料的載體。電極厚度為0.5mm。單元具有閥以釋放過(guò)高的壓力，其工作范圍為0.3-1.0大氣壓。
例4與例1和3不同，引線是用0.05mm厚的鍍金鎳箔制成的(鍍層厚0.5mm)。
例5與例1和4不同，引線是用0.05mm厚度的鎳箔制成的，由高溫?zé)峤忮兲?鍍層厚0.7mm)。
給出的各例子的雙電層電容器的電特性示于表中(根據(jù)計(jì)算的原型參數(shù))。
表

工業(yè)可應(yīng)用性模塊8可以用所建議的雙電層電容器來(lái)組合而成(見(jiàn)圖2)。可能的模塊的電路包括由三個(gè)串聯(lián)連接的建議的電容器。每一單元包括約100個(gè)串聯(lián)連接的雙電層電容器。
例如，模塊可以包括按照實(shí)施例的第一例子的電容器。
模塊可以用于各種系統(tǒng)，例如備用電源的系統(tǒng)和不間斷電源的系統(tǒng)。
建議的雙電層電容器比常規(guī)的電容器能存儲(chǔ)多得多的能量。這從表上所列出的結(jié)果可以得到。
權(quán)利要求
1.一種具有雙電層的電容器，該電容器包括兩個(gè)電極，其中之一(1)即可極化電極是由碳材料制成的，而另一電極(2)的活性材料含有氫氧化鎳，它們的引線(3，4)以及液態(tài)電解質(zhì)(5)，其特征在于可極化電極(1)的引線(3)的表面(6)是由能耐受電解質(zhì)媒質(zhì)的金屬或由碳制成的。
2.按照權(quán)利要求1的帶雙電層的電容器，其特征在于可極化電極(1)的引線(3)的表面(6)是由銀制成的。
3.按照權(quán)利要求1、2中任何一項(xiàng)的帶雙電層的電容器，其特征在于可極化電極(1)的引線(3)的表面(6)是由銅制成的。
4.按照權(quán)利要求1-3中任何一項(xiàng)的帶雙電層的電容器，其特征在于可極化電極(1)的引線(3)的表面是由金制成的。
5.按照權(quán)利要求1-4中任何一項(xiàng)的帶雙電層的電容器，其特征在于可極化電極(1)的引線(3)的表面(6)具有例如由鎳制成的內(nèi)層(7)。
6.按照權(quán)利要求1-5中任何一項(xiàng)的帶雙電層的電容器，其特征在于可極化電極(1)的引線(3)完全是由能耐受電解質(zhì)媒質(zhì)的金屬制成的。
全文摘要
本發(fā)明屬于電技術(shù)工程,主要涉及帶雙電層的電化學(xué)電容器,其中所說(shuō)的發(fā)明可以用于制造聚積電能的裝置。這種電容器的功率得以提高,因?yàn)榭蓸O化電極是由碳材料制成的,而另一電極的活性材料包括氫氧化鎳?？蓸O化電極電流輸出的表面是用對(duì)電解質(zhì)能保持穩(wěn)定的金屬或碳介質(zhì)制成的。
文檔編號(hào)H01G9/155GK1348596SQ99815734
公開(kāi)日2002年5月8日 申請(qǐng)日期1999年8月3日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月19日
發(fā)明者伊戈里·尼科拉耶維奇·瓦拉金, 阿利克謝·博利索維奇·斯捷帕諾夫, 夫拉季米爾·瓦西列維奇·麥努霍夫 申請(qǐng)人:艾爾頓股份有限公司