CN101341562A - 超级电容器压力控制系统 - Google Patents

Abstract

超级电容设计(300)，通过单独利用气体消气剂(350，352)或者配合在所述封装上可再密封的通风口(308)一起，将所述电解槽封装(320)的内压降到最低。降低压力可以延长所述超级电容(300)的使用寿命。在一个特定超级电容中最初产生的气体类型可以在多种可能的使用条件下测得。这些条件可以包括温度的变化、使用电压、电解液类型、使用时间和使用次数。最初的气体成分可以被确定，从而可以通过计算得出适用于不同条件下的气体消气剂(350，352)。可以将所述气体消气剂(350，352)封装在所述超级电容封装(302)内，制成负极，掺杂在负集电器中，或者作为涂层覆在负集电器上。

Description

超级电容器压力控制系统

发明人

Porter Mitchell，加利福尼亚圣地亚哥

Robert Crawford，加利福尼亚姆利达

Xiaomei Xi，加利福尼亚卡尔斯贝

Linda Zhong，加利福尼亚圣地亚哥

相关申请交叉参考

本申请要求2005年11月22日提交的美国临时申请60/739,203，名为“电容器的可再密封通风口”以及2005年12月8日提交的美国临时申请60/784,897，名为“利用充气消气剂最小化高压超级电容器的内压”的优先权，其整体结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及降低超级电容器中的气体集结引起的压力的方法。

背景技术

在超级电容的高压充电过程中，尤其是结合着高温，由于热蒸发、化学反应和电化学反应，产生了气体。所产生的气体被限制在电容器的封装中。受限制的气体会引起电容的内部压力升高，最终引起电解槽封装破裂。经常有些电容器封装，在电解槽容器壁上会设有一次性的压力释放保险，当电解槽内部的压力超过预先设计的限定量时，会打开。一旦电解槽封装或者保险破裂，超级电容就不会起作用了。基于这个原因，通常会将超级电容限制在一定的使用电压，例如：水电解液电解槽1.0V，有机溶剂电解液电解槽2.5V。

为了使超级电容达到更高的使用电压，以及更高的能量和功率密度，在封装上设置气体释放阀，以预防封装破裂。这使得电容器可以在更高的电压下运行。然而，一旦阀门打开，化学反应产生的溶剂蒸汽和盐就会结晶并使通风口保持在打开的状态。如果通风口被卡在打开的位置，水蒸气就会进入电解槽，并污染电解液，从而降低电解槽的电压和寿命。而且，气体会在不受任何控制的情况下被释放到工作环境中。在很多情况下，释放出的气体对人或动物是有害的，或者会带来火灾或爆炸的风险。

本说明书的这一背景技术部分所包含的信息，包括所引用的任何对比文件及其中的描述或者讨论，都是仅仅出于技术参考的目的被收录，而不是为了限制本发明的保护范围。

发明内容

在此所描述的技术是一项超级电容设计，它可以通过单独使用气体消气剂或者与封装上的可再封口通风口结合，降低电解槽封装的内部压力。在一个特定超级电容中最初产生的气体类型可以在多种可能的使用条件下测得。这些条件可以包括温度的变化、使用电压、电解液类型、使用时间和使用周期。最初的气体成分可以被确定，从而可以通过计算得出适用于不同条件下的气体消气剂。可以将气体消气剂封装在超级电容封装内，制成负极，掺杂在负集电器中，或者作为涂层覆在负集电器上。

可以额外地添加可再封口通风口，用于降低电解槽中的气压以及将气体导向气体消气剂进行收集。所述电解槽可以是一个组件中的几个电解槽之一。气体消气剂可以放置在组件中，用于捕获通过组件中每个电解槽的通风口释放出的气体。组件可以是也可以不是与外界隔绝密封的，这取决于所使用的气体消气剂配方，以及其是否对空气和潮湿有抵抗力。通风口可以包含弹簧或者弹性或回弹材料，其在压力下可以压缩或者变形，而且能够使气体溢出。压力降低后，所述弹簧、弹性体或者其他回弹性材料会恢复到低压尺寸的状态，所述封装又重新被封口。作为安全措施，可以进一步在封装上设置压力释放保险，可以在万一通风口失效时发挥作用。

本摘要是用于简单地介绍在下述详细描述中会被进一步阐述的一些概念。本摘要的目的并不是确定所要求题目的关键特征或者基本特征，也不是用来限制所要求题目的范围。通过下列对于不同实施例得更加具体的文字描述，配合附图，当前发明的其它特征、细节、功用和优点会更加地明显，而且会通过附带的权利要求书来定义。

附图说明

图1是一个设置有气体消气剂和气体通风口的超级电容的等轴测视图。

图2是一个设置有气体消气剂的双层卷状超级电容的扁平绕组的示意图。

图3是一个示意图，表示的是扁平绕组不同的层，这扁平绕组设置在双层超级电容中，这具有掺杂了气体消气剂材料的负集电器的双层超级电容中的不同层的示意图。

图4是一个设置有通风口和气体消气剂的超级电容的部分剖视等轴测视图。

图5是超级电容通风口的主要部件的分解爆炸图。

图6A-6C分别是通风口处于关闭状态、受压状态和开启状态的局部剖视平面图。

图7A是另一实施例的具有偏置通风口的超级电容的等轴测视图。

图7B是进一步描述图7A所述超级电容中设置的气体消气剂的分截面平面图。

图8A是一个密封的超级电容模块的等轴测视图。

图8B是图8A所述超级电容模块进一步设置了气体消气剂材料后的剖视平面图。

具体实施方式

电容器在一对靠近并间隔开的导体(被称为“极板”)之间的电场储存能量。当向电容加载电压时，相同数量但极性相反的电荷，分别在两个极板上聚集，从而储存能量。通过在薄片浸泡在电解液中的电极膜的薄片与相关联的集电板之间形成的电压，“双层”电容器储存静电能量。当一个完整的电容电解槽浸入到电解液中时，会产生极化电极-电解液中间层。当极板薄片浸入到电解液中时，形成第一层电解液偶极子和第二层带电粒子。双层电容技术也被称为“超级电容”(“ultracapacitor”和“supercapacitor”)技术。这样的双层电容可以在Maxwell技术公司(加利福尼亚州圣地亚哥)获得。

与传统电容器相对比，相同体积和重量的双层电容具有更高的电容量。有两个主要原因导致了这样的体积和重量效率。首先，电荷分隔层非常地窄，其典型宽度是在纳米级的。其次，电极可以由多孔材料制成，每单位体积，具有很大的有效表面积。因为电容量与电极面积呈正比，与电荷分隔层宽度呈反比，所以大的有效表面积和窄的电荷分隔层结合起来，其效果就是与类似体积和重量的传统电容器相比具有更高的电容量。双层电容的高电容量使得电容可以接收、存储和释放大量的电能。

图1中绘出了包含本文揭示的技术改良的典型超级电容100的实例。超级电容100的电解槽被封装在容器102内，被盖子104盖住。超级电容100的容器102通常由铝制成，形式上类似电解槽。类似地，盖子104也可以由铝或其他材料(例如电绝缘的五孔塑料材料，比如尼龙)制成，这取决于超级电容100的构造的其他方面。可以利用盖子104的边缘沿着容器102的卷边106，将盖子104固定在容器102上，形成真空密封。衬垫或者其他密封材料(未在图中示出)可以沿着卷边106，设置在容器102的边缘和盖子104之间，从而有助于形成真空密封。

通风口端子108可以设置在盖子104中，它既可以作为端子将超级电容连接到引线，也可以作为通风口排出超级电容100充放电循环中在容器102中产生和聚集的气体。在可选实施例中，通风结构与端子分开设置。而且，超级电容在盖子里可以有两个端子，而不是像在图1中所示的利用壳体的底部110作为端子。在另一实施例中，整个的盖子104作为端子使用。另外，在图1所示的实施例中，通风口端子108还可以作为将电解液引入容器102中的电解槽电解液口，下面对超级电容容器中使用的典型形式的通风口作进一步说明。

图2示出了封装在容器102中的超级电容100的典型电解槽(cell)结构120。双层电解槽120可以被制成电极薄片和绝缘薄片的螺旋绕组。双层电解槽120可以包括第一极板薄片122a和第二极板薄片122b，两者由多孔分隔薄片124a分隔开。第二多孔分隔器薄片124b可以挨着第二极板薄片122b的外表面126设置，从而当极板薄片122a、122b一起滚动形成螺旋电解槽120时，将第二极薄片122b与第一极板薄片122a的外表面绝缘。随之，电容电解槽120的所述几何结构通常被称为“大大卷(一种软口香糖卷，jelly-roll)”。

要注意，在螺旋壳120的中心形成了圆柱状空腔118。在一个下述更详细地讨论的实施例中，在电容器100的制造过程中，气体消气剂材料150可以被置入圆柱状空腔118中，用以吸收先前的给超级电容100添加电解液、充放电过程中，化学和电化学反应释放出的主要气体。如上所述，在封闭容器102中气体形成导致的压力积聚，可以使容器102破裂并导致电容100失效。

在图3中，第一极板薄片122a和第二极板薄片122b分别以截面示出，并具有一个多空分隔器片124a。每一个极板薄片122a、122b都包含两个电极膜132，以及一个集电器片135。每个极板薄片122a、122b中的集电器片134可能比其他元件宽，使得集电器片134的例如一个端部138可以伸展到电极膜132的边缘之外。集电器片134的端部138从而可以与超级电容100的电子连接器电连接。

电极膜132的内表面可以与集电器片134在电连接和物理连接。在一个实施例中，电极膜132可以通过单独的导电粘结层136固定到集电器片134上。但是，并不是所有的应用中都需要有粘结固定层。

在一个实施例中，电极膜132可以由主要包括活性炭颗粒和粘结材料的混合物制成。可选地，混合物中可以包括少量的具有较低的杂质程度和较高的导电性的导电炭颗粒。在不同的实施例中，混合物可以是重量份约占80-97％的活性炭伴随重量份约占3-20％的PTFE。可选地，导电炭可以在重量份约为0-17％的范围内添加。一种或者更多钟粘结剂可以被使用，包括小颗粒粉末状态的聚四氟乙烯(PTFE)，一种或更多不同的含氟聚合物颗粒、聚丙烯、聚乙烯、共聚物以及/或者其他聚合体的混合物。

在另一个实施例中，电容100被极化，形成阴极的一个电极膜134可以掺杂有气体消气剂材料，用于吸收在电容内部化学和电化学反应产生的气体，下面将对此进一步描述。掺杂应该限制在阴极。下面更详细地描述气体消气的概念。

集电器片可以不会与容器102中的电解质溶液有化学影响的铝片或者其他导体。铝板可以是蚀刻的、表面粗糙的或者有开槽的，为的是增加电极膜和集电器之间的接触面积。

如上所述，第一和第二极板薄片122a、122b以及第一和第二分隔器片124a、124b可以被轧在一起。第一和第二极板薄片122a、122b可以以偏置的方式轧在一起，从而使第一极板薄片122a的集电器片134的暴露端138沿一个方向伸展，第二极板薄片122b的集电器片134的暴露端138沿另一个方向伸展。通过这种方式，电容100的相反的端子可以设置在相反的两端，例如，电容100的盖子104和底座110。

如上所述，电极膜132典型地被浸泡在电解液(电解溶液)中，为双层电容提供能量储备。目前双层电容中使用的电解液有两种。第一种包括水电解溶液，例如，氢氧化钾和硫磺酸溶液。双层电容也可以由有机电解液制成，例如，1.5M四甲基四氟硼酸铵，在诸如碳酸丙烯(PC)溶液和氰化甲烷(AN)溶液等有机溶液中。电解液也可以包括液体盐，通常被称作离子性液体，特定的液晶电解液，甚至固体电解液。

多孔分隔器片124a、124b可以是至少部分地浸泡和注入在电解液中。多孔分隔器片124a、124b也可以确保电极膜132不会彼此接触，防止在电极膜之间的直接电流流动。同时，多孔分隔器使离子电流能够在电极片之间由两个方向流过电解液。多孔分隔器片124a、124b可以由一个或多个陶瓷、纸、聚合体、聚合纤维或者玻璃纤维制成。多孔分隔器片进一步提供毛细作用，在整个电解槽中分配电解液。在电极片和电解液之间的分界面形成双层电荷。

在双层电容的一对电极之间加载电压时，电解液中存在的离子被吸引到加载了相反极性电荷的电极膜132的表面上，并向着电极膜132移动。从而在每个电极膜132的表面附近产生一层相反电荷的离子。电能以电压的形式储存在离子层(在电解液中)之间的电荷分隔层(即多孔分隔器片124a、124b)和对应的电极表面电荷层中。实际上，电荷分隔层基本上发挥了静电电容的作用。静电能量也可以在电压形成的电场影响下，通过电解溶液分子的定向和排列，被储存在双层电容中。但是，这种形式的能量储存是次要的。

在一个实施例中，集电器片134可以包括蚀刻或者粗糙的铝箔，厚度大约为30微米，粘结层136厚度为5到15微米，电极膜132厚度大约80到250微米，纸质分隔器片124a、124b厚度约为20-30微米。双层电容总体上有一些固有特性，将其最大充电电压限制在不超过4.0伏特的理论值。在一个实施例中，一个双层电容的最大充电电压在2.5到3.0伏特之间。

参照图1所述，电容100可以包括一个可再密封的通风口108，用于在积聚的压力撑破容器102使电容100失效之前，释放出容器102内产生的气体。在图1中，可再密封的通风口108也起到端子的作用。图4-6C更加详细地示出了超级电容200的可再密封端子通风口208的一个示例性实施例。如图4所示，可再密封通风口208可以安装在位于容器204顶端的盖子204上，该容器形成电容器电解槽220的外壳。盖子204可以是一个具有外围212的圆柱体，用于密封连接容器202的侧壁和端壁。容器202的顶端壁可以绕盖子204的外围212弯卷出卷边206，以形成气体密封。

如图4和5所示，通风口208可以包括盖子204、铆钉210以及扣环230等零件的组合。盖子204可以被描述为薄筒体，或者盘形体212，在其中心有凹陷214，并且具有平整的底壁216。在穿过本体212的凹陷214的底壁中心，设有孔218。直径稍大于凹陷214深度的O形圈240，以松弛的状态，围绕着孔218放置在平整的底壁216上。围绕凹陷214的本体212中心，可以是一个升起的环形壁217，其被两个凹槽217a、217b分为两半，如下进一步所述，这有助于气体由容器202中释放出来。

铆钉210可以有头部222和具有缩小的钉杆端部226的钉杆224。钉杆224穿过盖子204的本体212中的孔218。铆钉210的头部222直径可以稍大于凹陷214的直径，并且放置在O形圈240和环状壁217上面，从而覆盖和密封凹陷214。

扣环230可以由金属构成，其具有一个平整的垫圈状的部分232，以及向上延伸的衬套部分234。衬套部分234向上延伸穿过柱状体212中的孔218。扣环230的衬套部分234安装在铆钉钉杆224的外径上，位于铆钉钉杆224和孔218的侧壁之间。垫圈部分232的上表面与盖子204本体212的底表面平齐安装。

为了将铆钉210紧固到扣环230，铆钉210的缩小端226被向外弯折，以形成法兰228，盖在扣环230垫圈部分232外表面的邻近边缘上。铆钉210和扣环230从而被紧固地控制在一起，与盖子204的顶面和底面相对，形成通风口组件208。在铆钉钉杆224的外径和扣环230衬套部分234的内径之间留有空隙，从而可以使筒202内的气体进入凹陷214。衬套部分234的内径、铆钉钉杆224的外径、或者二者都可以沿纵向刻槽，为气体移动提供通道。扣环230垫圈部分232的底面可以类似地沿径向刻槽，一旦铆钉210缩小端226形成了与扣环230底面相对的法兰密封228，可以确保气体可以通过凹槽进入衬套部分234内径和铆钉钉杆224之间的空间或者通道。

如图6A、6B和6C所示，O形圈240设置在本体212的凹陷214内，其位于铆钉220头部222的下表面和凹陷214底壁216之间。O形圈240可以包括隔热回弹材料，例如氯丁橡胶；在它的正常松弛位置，在铆钉头部2围绕下表面和底壁216之间围绕铆钉220的钉杆224，在其中形成气体密封。

在一个实施例中，铆钉210可以是导体，铆钉210的法兰228可以被连接，例如通过激光焊接，到安装在集电器片的集电器242，集电器片由电容器电解槽顶部延伸出来。而且，可再密封通风口2008还可以作为超级容器200的端子使用。

如图6A所示，在超级电容200正常工作中，当筒202内的压力正常时，O形圈240在铆钉头部222下表面和凹陷214底壁216之间放松、收缩以及被压缩。在这一结构中，通风口208关闭。当筒内气体压力升高时，升高的压力通过铆钉210和扣环230之间的缝隙加载到O形圈240上。压力的升高迫使O形圈240向外进入凹陷214，离开铆钉210的钉杆224，从而延展了O形圈，并降低了O形圈240的横截面或者厚度，如图6B所示。随着压力的升高和O形圈240的伸展，O形圈240横截面或者厚度的降低会越来越大。

最终，O形圈240厚度的降低，在铆钉210头部222和凹陷214底壁216之间形成缝隙，使气体由超级电容电解槽释放出去，如图6C所示。一旦释放出去的气体足够多，从而降低压力，使电解槽内压恢复正常；或者基于O形圈240的伸展特性，在排气状态下，O形圈收缩，再次关闭通风口208，直至气体压力升高迫使通风口208打开时。

在超级电容中使用可再密封的通风口，可以有益于控制在超级电容内副产品气体产生的压力升高，但是气体的排出并不总是令人满意的。例如，氢气(H2)就经常是超级电容中产生气体的一个基本要素。氢气高度易燃。根据超级电容使用所在的环境，以及在环境中的额外气体排放，在讨论排气时，也要考虑安全。例如，超级电容经常被用于在混合动力汽车中储存能量。但是，这样的车辆仍然装有内燃机，也可以点燃发动机组范围之外的排放出来的氢气。

在所有条件下，在超级电容中使用通风口的另一可能缺陷，就是在最初排气过程中，通风口可能会被固定在打开位置。这一可能性的发生，是因为排出的气体经常会包括可以在通风口处结晶的盐，这会在压力降低后阻止通风口的关闭。如果通风口保持打开，水蒸气会进入电解槽，并污染电解液，而电解液通常是无机材料。如果电解液被污染，电解槽寿命会明显缩短，而且在剩余的电解槽寿命中，其性能也会降低。

如图2和4所示，气体消气剂150、250分别被放置在超级电容的筒内，用于吸收所产生的气体并且从而延长超级电容的寿命。气体消气剂材料可以用在替代上述以及本说明书其他地方所述的通风口排气系统，或则与之共同使用。所述的消气剂、除气剂、吸收剂或者净化剂等材料所具有的能力，可以以化学方式将气体约束在其自身内，而不是通过物理方式的表面吸附。可以在Nigrey.P.J.所著的An issue paper on the use of hydrogen getters in transportationpackaging(Sandia国家实验室，2000年2月)中，找到关于消气剂及其在运输行业的使用的详细论述，本说明书将其全部引用作为参考。

在气体与消气剂材料的反应中形成的化学键的强度是不同的。在化学反应发生在气体吸收过程中的情况下，即消气剂材料由原本的合成物转变为新的合成物时，会典型地形成较强的化学键，这样的消气剂被称为不可逆消气剂。当被吸附气体与消气剂材料形成较弱的键合的复合体(bonded complex)时，消气剂被称为可逆消气剂。这两种消气剂材料之间的区别在于，可逆消气剂在适当的物理处理下，可以复原位原本的化合物，这使其可以再生和重复利用。

所有情况下的再生都是通过提供足够的热量(加热)分解键合较弱的消气剂/被吸附物复合体来实现的。例如，气体被吸附物诸如水蒸气、二氧化碳、氮气和氢气及其同位素，可以与可逆消气剂一起，形成氢氧化物、碳酸盐、氮化物和氢化物(氘化物或者氚化物)合成物。由于可逆与不可逆消气剂都会消耗气态物质形成新的固体合成物，密封系统的净处理过程是对于局部压力的降低。

发生氢气的聚集通常是不被期望的，因为密封系统内氢气的积聚带来了在特定条件下爆炸的风险。氢气净化剂或消气剂可以通过将氢气由这些环境中移出而避免这些问题。氢气及其同位素可以与不同的化学化合物反应，生成富含氢的化学化合物，当这些化合物是由金属形成时，被称作金属氢化物。可选地，包含不饱和碳-碳键的化合物，诸如烯烃(碳-碳二键)和炔(碳-碳三键)，作为一部分化合物，当与氢气接触反应时，可以形成不饱和碳-碳键或者烷烃(碳-碳电键)。

但是，在没有催化剂的情况下，这样的反应不会在常温和常压下自然发生。典型地，这样的反应只会在高温(＞100℃)、高压(＞100大气压)下以明显的比率发生，而且是在有特定催化剂的情况下。这些氢化催化剂包括前面提到的金属氢化物，可将其作为触媒。在这样的反应中使用的最突出的金属氢化物是稀有金属氢化物，例如钌、铑和钯氢化物。但是，这些催化反应大多数在本质上是相同的，即氢化作用的反应发生在溶液中。不同的催化作用(发生在固体/气体分界面的催化作用)反应，形成了所有氢气消气剂材料反应的基础，不论是可逆的还是不可逆的。消气剂的有效利用，有赖于显现出较高氢-金属比例的材料，以及在相对较低的温度下，完全的氢气吸附/解吸附可逆性。对于消气剂的另一选取标准是对于特定小分子消气剂金属的潜在污染效应。

消气剂在化学反应中将氢气清除，所有的化学反应都是由热力学和动力学因素的组合所驱使的。驱使反应速度的成分产生了反应的动力。化学反应的动力通常表现出Arrhenius行为，即它们是由温度加速的。随着温度升高，通常可以观察到反应速率的提升。根据所采用消气剂材料的类型，对于最适宜的消气剂性能有着最适宜的温度范围。若使用可逆消气剂材料，最适宜的温度范围通常跨域几百摄氏度，而不可逆消气剂温度被限制在100℃附近。由于最适宜氢气消气剂温度取决于特定的材料，所以在此不可能详细说明。

但是，应该注意到，最适宜温度是由消气剂/被吸附物化合物的分解温度决定的。对于可逆金属氢化物消气剂，金属氢化物的分解温度为最高温度提出了指示，在这一温度这些材料可以使用，而不会显著降低消气剂性能。对于这些材料来说，分解温度超过500℃是很典型的。对于包括有机化合物的不可逆系统，分解温度通常高于150℃。之所以有这些相对较低的分解温度，是因为实际上所有的有机化合物都会在接近200℃的温度时发生一些热降解。如果预期温度明显低于150℃，不可逆消气剂是适当的选择。当正常条件超过那个温度时，相反物也当然是需要的。

一种全金属、气体操作、用于氢气的合成消气剂(可从PacificNorthwest national Laboratories获得)可以在常温或升高的温度下，对空气或者惰性气体中的氢气进行消气。所述合成消气剂方案是全金属的，涂有锆基消气剂，其金属涂层可以在进行氢气运输的同时提供保护性氧气屏障。可以采用特定参数的特定附着方法，涂上特定厚度的保护性金属层。涂层可以将消气剂在空气、氧气或者湿气重的钝化降至最低。消气剂可以在常温至150-200℃的空气中工作。所测得的氢气消气率，基于到目前的数据，是直接在空气中25-50ccSTP/天/kg(0.025-0.050cc STP/天/g)消气剂。在惰性气体中，不考虑大气压的情况下，比率要高出1000以上，消气剂的氢气承载能力被测定为160升STP/kg(0.160升STP/g)消气剂。在有涂层的双消气剂设计中，潜在的杂质气体，诸如卤化爆炸性有机烃、一氧化碳或者湿气，都不会影响消气剂的动力或者能力，这是因为空气永远不会接触到真正的消气剂表面。

五镍化镧是镧-镍合金，代表了一类AB5型金属。镁和镁合金是很好的氢气消气剂材料，因为与大多数金属氢化物相比，它们能够存储更大重量(3.6％)的氢气。

与氧化锰/氧化银消气剂相似的另一可用消气剂，包含三种不同活性消气剂材料在单一结构中结合成的组合。氧化钴提供对于氢气有效的吸附速度和能力。氧化钙成分是非常有效的干燥剂，可以截取和吸附湿气。另外，钡-锂合金吸收但其和其他活性气体，诸如氧气和二氧化碳。而且，这三种成分材料在室温下吸收气体。短暂的空气暴露(例如15分钟内)不会影响消气剂的吸附特性。这种类型的消气剂系统的一个优点就在于可以去除对活性氢气消气剂材料氧化钴的污染。

有很多标准可以用于决定对于特定超级电容应用的适当消气剂。这些标准可以包括下列：

吸收能力——决定消气剂对于潜在将要在超级电容预期寿命内产生的全部气体的吸收能力。

压力——决定超级电容的最高正常工作压力，以及消气剂的性能是否受压力影响。

污染性——决定期内是否有任何化学成分有可能污染消气剂。

可逆性——测定何种条件可以引起消气剂释放出氢气，以及这些条件是否会在拟定的用途或者环境下发生。

温度——测定消气剂相对于工作温度条件的有效温度范围。

湿度——测定水蒸气对消气剂的影响。

位置——测定消气剂位置的任何影响。

热量——测定消气剂是否释放或者吸收热量。

为了测定在特定超级电容应用中所使用的气体消气剂数量，需考虑如下因素：第一，在特定电压和预期工作温度下，超级电容产生的气体量需要测定。第二，需要测定每克气体消气剂所吸收的气体量。第三，应该测定超级电容的预期或者可期望使用寿命。下面紧接着的就是用在超级电容中的消气剂量的计算。

下面的是一个特定的，用于采用AN作为溶媒的典型超级电容电解槽内产生气体组合的消气剂。

气体	化学式	体积百分比
			氢气	H2	40.0
氧气	O2	6.9
			氮气	N2	29.8
甲烷	CH4	1.9
			一氧化碳	CO	4.5
氰化甲烷	CH3CN	11.7
			1，1，1三氟乙烷	CH3CF3	2.8
氩气/二氧化碳	Ar/CO2

注意：氮气量受到测量前氮气清除的影响。使用这些关于特定电极和电解液材料的信息，可以测定适当的气体消气剂配方，用于清除构成所产生的最大体积的气体。

现在参照图7A和7B，图中所示为卷式双层电容300，其包括套在筒302内的偏置集电器(例如图3中所示的集电器片134)。在制造过程中，卷成的双层电容电解槽320插入到筒302的开放端，并且将电解液加入到筒302之内。集电器342可以设置在电解槽320的顶端，并且与延伸到电解槽320上方的集电器片暴露边缘338a相连接。类似地，延伸至电容电解槽320下方的集电器片的暴露收集器边缘338b，与筒302底端310有内部接触。将绝缘材料344放置在集电器342外围，用于使集电器与筒302的侧壁绝缘。

可以将盖子304放置到集电器342顶部。集电器342和盖子302都可以是导电的。在一个实施例中，盖子304的外表面或者筒302的外部底面310可以包括或者连接到标准化接线或者连接器上，来实现与筒302内部的卷式电容电解槽320的电连接。盖子304的外表面可以被制成端子312，以辅助电连接。在另一实施例中，端子312可以是一个独立的元件，附着在盖子304上。在一个实施例中，端子312也可以作为口的密封，例如螺塞，以引导电解液流进入到电解槽320内。

在筒302的开放端，可以绕盖子304的外围设置绝缘体340。在制造过程中，筒302、绝缘体340以及盖子304可以机械地卷曲或者弯折在一起，形成围绕外围的密封卷边306，借此，在卷曲处理之后，筒302就会通过绝缘体330与盖子304电绝缘。在一个实施例中，垫圈或者O形圈348可以置于盖子304的外围边缘和筒302的壁之间，从而当筒302和盖子被卷在一起的时候，O形圈348额外地发挥绝缘体的作用，并且进一步将筒302密封。

在一个实施例中，盖子304卷入筒302后，通风口308可以被插入到盖子304内的孔中。在这个实施例中，插入通风口308的孔也可以作为筒302上给电解槽320填充电解液的口使用。一旦电解液被注入到筒302内，就会形成真空，然后可再密封通风口308可以插入到盖子302内的孔中，以完成密封。

同样要注意，筒302可以设计为在筒302的壁内包括安全保险(safety fuse)358。安全保险358可以通过在筒302上刻痕或者削薄(例如1mm)，来形成，以确保如果通风口308失效、压力超过设计限制时，筒302可以破裂。超级电容中典型的安全保险358被设计为失效的压力最大值是15巴。筒壁内的安全保险358可以用来避免盖子304由筒302顶端像子弹一样射出去。

注意：可再密封通风口308的使用可以优选地紧紧依靠安全保险358，即使是存在着上述讨论的通风口308的潜在问题。例如，即使由于盐的积聚或者其他原因，通风口308被保持在了开放位置，电容300可以继续工作很多次，虽然电容量降低。相反，如果筒302在安全保险358处破裂，电解槽320中的电解液迅速地蒸发，在短期内，电解槽不会再能运行。

在可再密封的通风口308和安全保险358之外，超级电容300还可以包括气体消气剂材料，其设置于筒302或者电解槽320内的一个或多个位置，用于延长超级电容300的寿命。正如以上对于优先实施例的描述，气体消气剂350可以是长的、圆柱形封装的形式，或者在卷状电解槽320的圆柱形空间318内适用的复合尺寸。在一个特定例子中，164mg的气体消气剂材料被装入大约30mm长、直径4mm的高密度聚乙烯袋中，以放置于圆柱形空间318内。

在另一特定例子中，1.4g氢气消气剂材料被装入60mm长、直径为4mm的高密度聚乙烯袋中，放置于超级电容的圆柱形空间内。氢气消气剂材料具有150Torr-L的吸附率，并可以用于高达120℃的充满空气的环境中。电解液加入筒内，筒被密封。电解液加入后，在超级电容被激活之前，可以观察到200小时的延迟时间。氢气消气剂材料在2.7V、65℃工作2000小时后，最终达到饱和点。所述电容电解槽的寿命明显长于不含气体消气剂的。

在另一特定例子中，0.7g氢气消气剂材料被装入43mm长、直径为2.8mm的高密度聚乙烯袋中，放置于超级电容的圆柱形空间内。空隙大约43mm长、直径6.5mm。氢气消气剂材料具有150Torr-L的吸附率，并可以用于高达120℃的充满空气的环境中。电解液加入筒内，筒被密封。电解液加入后，在超级电容被激活之前，可以观察到200小时的延迟时间。氢气消气剂材料在2.5V、65℃工作4000小时后，最终达到饱和点。再一次地，所述电容电解槽的寿命明显长于不含气体消气剂的。

在其他实施例中，集电器342可以被制成凹槽形或者凹陷354，在其中可以封装或者放置气体消气剂材料352。在另一实施例中，气体消气剂材料可以被制成筒302的内壁涂层356。通过在超级电容300内适用气体消气剂材料，超级电容300的寿命会显著延长。

各集电器延伸部338a、338b和筒302的内部底面310以及集电器342之间的接触，可以通过焊接、锡焊和/或者铜焊工艺加强。在一个实施例中，筒302、集电器342以及集电器延伸部338a、338b包括一样的金属，例如铝，可以在盖子304和筒302外面进行激光焊接处理。通过激光焊接，各内部相连的铝集电器延伸部338a、338b被连接到铝筒302和集电器342，而不采用而外的连接金属。在一些实施例中，集电器342可以被打孔，或者设有开口346，从而如果电解液在集电器342连接到集电器片330暴露边338a之后被加入的话，可以使电解液到达电解槽320。

注意，如果筒302、盖子304、集电器342和集电器片使用同样的金属并且彼此固定时，在固定或者焊接点，不会产生电偶效应。这与电解槽相反，电解槽在不同的正负极金属连接点通常会发生电偶效应。部分地由于电偶效应，电解槽被极化，继而一定会通过其端子以正确的正负极方向被连接。在一个实施例中，由于用激光焊接工艺连接的双层电容300不使用不同的金属，这样的电容器最初不会经历极化效应。但是，在电容300最初的使用之后，例如，在其首次充电过程后，超级电容300将会被极化，这是因为正电荷会在一个集电器极板上积聚，负电荷会在另一集电器极板上积聚。除非这样的已充电电容随后被彻底放电，建立起来的电容极化应该考虑持续使用。

图8A和8B表示由外套402封装的完整的超级电容模块400。模块400可以是一个独立的包围，限制了多个空腔414，在本实施例中有6个，6个空腔中包有卷式双层超级电容电解槽440。在其它类型中，模块可以被理解为一个盒子，在其中封装且密封着独立的电容容器，通常是以串联的形式连接。制造过程中，卷式双层电容电解槽420可以放置到模块400的每个开口之中。电解液也加入到空腔414内。

集电器盖子404可以放置在每个空腔414内的电解槽420顶部。集电器盖子404可以被设计为刚好能装入空腔414开口内的尺寸，以形成密封。集电器盖子416形成模块400中空腔414的底部。集电器盖子404、416与电容电解槽420的集电器片的暴露集电器边缘电连接。集电器盖子404的顶端和集电器盖子416可以分别由端子406、422形成。端子406、422是由一组棒状汇流条(bus)412连接的。三个汇流条412在模块顶部，并联到每对临近电解槽420的顶部端子406。两个汇流条412在模块底部，方向垂直于顶部汇流条，并且以此形式交错：每个汇流条只连接模块一侧的两个端子412，在模块400另一侧连接两个，其中，中间的电解槽420都连接到一个汇流条上，但是只有一组对角的电解槽420与一个汇流条连接。在这一构造中，所有的电解槽420都串联电连接。

超级电容模块400可以进一步包括气体消气剂材料450，并将其设置在壳体302中。在一个实施例中，气体消气剂材料450被设置于每个空腔414中的一个或多个位置，从而延长超级电容400的使用寿命。正如以上对于优先实施例的描述，气体消气剂450可以是长的、圆柱形封装的形式，或者是不同尺寸的复合以在每个空腔中卷状电解槽420的圆柱形空间418内适用。

在一个可选实施例中，每个集电器盖子404可以进一步包括压力释放通风口(为在图中示出)。通风口可以与端子406独立开并且偏置，并且设置于避免接触到相关汇流条的位置。通风口可以与图4-6C所示的通风口结构相似，或者也可以是不同的结构。在一个实施例中，模块可以在壳体上包括一个覆盖物，将空腔中时放出的气体封住，避免进入环境中。在这一实施例中，气体消气剂材料可以被放置在覆盖物和壳体之间的任何空旷位置。

虽然上文以一定的特定性或者参照一个或更多的个体实施例，描述了本发明的不同实施例，但是熟悉本领域的人仍然能够在不脱离本发明精神的范围内，对所揭露的实施例做出众多的更改。所有的方向参照(例如远近、上下、向上、向下、左右、横向、前后、顶部、底部、在上、在下、竖直、水平、顺时针和逆时针)都只是用于帮助读者立即本发明的识别目的，并不因此产生对于位置、方向或者发明使用的限制或者特定。连接参照(例如附着、联结、连接和结合)用于广义地解释，除非另有指明外，可能包括一组元件之间的中介成分以及元件之间的相对运动。同样地，连接参照并不表示两个元件直接相连并且彼此固定。其意图是上文包括的或者附图中所示的所有事件，都应该被解释为说明例证性的，而非限制性的。可以在不脱离权利要求书所限定的本发明基本元件的基础上做出细节或者结构上的改变现在参照附图来解释本发明所选的实施例。本领域技术人员从上述阐述中可以明显地认识到接下来对本发明的具体实施例的描述仅作说明之用，并非像权利要求书及其等同物一样用于限定本发明。

Claims (22)

1.一种超级电容，包括：

筒；

双层电容电解槽，容纳在所述筒内，以及

气体消气剂材料，设置于所述壳体内。

2.根据权利要求1所述的超级电容，进一步包括可再密封的通风口，所述通风孔安装在所述筒的筒壁上，用于将筒内产生的气体释放到所述筒的外部。

3.根据权利要求1所述的超级电容，其中

所述电容电解槽被制成膜卷，并且在卷的中部限定有中空区域。

所述气体消气剂材料设置在所述中空区域内。

4.根据权利要求1所述的超级电容，其中

所述筒进一步包括盖子；

所述盖子在内表面具有凹陷；而且

所述气体消气剂材料设置于所述盖子的所述凹陷内。

5.根据权利要求1所述的超级电容，其中所述气体消气剂材料包括阻止湿气和空气气体的钝化层。

6.根据权利要求1所述的超级电容，其中所述气体消气剂材料包括在所述筒的内表面的涂层。

7.根据权利要求1所述的超级电容，其中所述气体消气剂材料为合成物形式。

8.根据权利要求1所述的超级电容，其中

所述气体消气剂为粉末形式：而且

所述超级电容还进一步包括透气袋，其中装有所述气体消气剂材料。

9.根据权利要求1所述的超级电容，其中

所述电容电解槽包括负集电器；而且

所述负集电器包含所述气体消气剂材料。

10.根据权利要求1中所述的超级电容，其中所述气体消气剂材料包括吸收氢气的材料。

11.根据权利要求1中所述的超级电容，其中所述气体消气剂材料包括吸收湿气的材料。

12.一种超级电容模块，包括：

壳体，在一个封装内限定有多个电解槽空腔；

多个双层电容电解槽，设置在每个相应的电解槽空腔内；

气体消气剂材料，设置于所述壳体内；以及

多个汇流条，串联连接所述电解槽空腔。

13.根据权利要求12中所述的超级电容模块，其中所述模块是气体密封的。

14.根据权利要求12所述的超级电容模块，其中

每个电容电解槽被制成为膜卷，并且在卷的中心限定有中空区域；而且

所述气体消气剂材料设置在每个电容电解槽中的所述中空区域内。

15.根据权利要求12所述的超级电容模块，其中所述气体消气剂材料包括阻止湿气和空气气体的钝化层。

16.根据权利要求12所述的超级电容模块，其中

所述气体消气剂为粉末形式：而且

所述超级电容进一步包括透气袋，其中包含所述气体消气剂材料。

17.一种制造超级电容的方法，包括将气体消气剂材料装入所述超级电容的筒中。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述装入操作进一步包括将所述气体消气剂材料的合成物置入卷状电容电解槽中部的空区域。

19.根据权利要求17所述的方法，其中所述装入操作进一步包括将一袋所述气体消气剂材料置入卷状电容电解槽中部的空区域。

20.根据权利要求17所述的方法，其中所述装入操作进一步包括用所述气体消气剂材料在电容电解槽内涂一层负电极膜。

21.根据权利要求17所述的方法进一步包括：

在集电器内形成凹陷；以及

其中所述装入操作进一步包括用所述气体消气剂材料填充所述凹陷。

22.根据权利要求17所述的方法，其中所述装入操作进一步包括利用所述气体消气剂材料涂覆在所述筒的内表面上。

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