CN101438431B - 能量存储装置 - Google Patents

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Abstract

一种能量存储装置，包括：第一电极，由第一集电片支撑；第二电极，由第二集电片支撑；以及位于第一电极与第二电极之间的介电隔离物；所有这些部件都螺旋地卷绕在一起。容器容纳该螺旋卷绕物，并且第一集电片具有与基座接触的端部，而第二集电片具有朝向与基座相对的开口定向的端部。集电板被置于在第二集电片与开口之间，并且通过容器中的卷曲部被限制在适当位置。盖安置在开口中，并具有与集电板电接触的一侧以及朝向容器外部定向的相反侧。通过将一个或多个容器壁卷到盖上来将盖被限制在适当位置中。

Description

能量存储装置 
技术领域
本发明涉及一种能量存储装置，并且更具体地，涉及一种元件数量少的能量存储装置。 
背景技术
能量存储装置在现代社会广泛使用，以在各种应用中提供能量，或者间歇地存储或释放能量以使动力供应稳定。这种电-化学装置包括电容器、燃料电池、以及蓄电池。具体地，与通过传统技术制成的例如电解电容器的电容器相比，双层电容器(也称作超电容器或超级电容器)是每单位重量和单位容积能够存储更多能量的能量存储装置。 
双层电容器在极化的电极/电解液界面层中存储电能。双层电容器包括两个或多个电极，该两个或多个电极通过防止电子(与离子相对)流在两个电极之间短路的介电隔离物来隔离接触。电极和多孔隔离物都浸入在电解液中，这容许电极之间的离子流的流动并使该离子流穿过隔离物。在电极/电解液的界面处，形成有第一层溶剂偶极子以及第二层带电种(因此，称为“双层”电容器)。 
对于每种能量存储装置而言，都具有相关的正特性和负特性，基于此而做出关于哪种装置更适于用于特殊应用中的决定。能量存储装置的总成本是决定使用或停止使用一种具体类型的能量存储装置的一个特性。
具体地，由于高容积应用而日渐增加的对双层电容器的需求，其中，在汽车、航空、手工工具以及发电行业中已经出现了这样一种需求，即，提供将高的工作可靠性以及增强的能量存储性能与低的制造成本结合起来的双层电容器，一般而言，即能量存储装置。 
发明内容
在一个实施例中，能量存储装置包括：存储负电荷的薄膜形式的第一电极；存储正电荷的薄膜形式的第二电极；以及位于第一电极与第二电极之间的介电隔离物。由导电材料制成的第一集电片支撑第一电极，并且同样由导电材料制成的第二集电片支撑第二电极。第一电极和第二电极与第一集电片和第二集电片、与位于第一电极和第二电极之间的介电隔离物的结合物螺旋地卷绕在一起，同时，第一集电片的自由端从该螺旋卷绕物的一个边缘延伸并且第二集电片的自由端从该螺旋卷绕物的相反边缘延伸。 
一容器容纳该螺旋卷绕物并且包括基座以及限定了开口的一个或多个壁。该螺旋卷绕物容纳在容器内部，以使得第一集电片的自由端接触基座并使得第二集电片的自由端朝向该开口定向。螺旋卷绕物浸入在电解液中，该电解液提供第一电极与第二电极的离子接触。 
被成型为在一侧接触第二集电片的自由端而相反侧朝向容器的开口定向的集电板被插入在第二集电片的自由端与开口之间。通过一个或多个容器壁中的卷曲部将集电板限制在适当位置中，并且该集电板与一个或多个容器壁电隔离。 
盖被安置在开口中并且位于卷曲部的与集电板相对的一侧上，并且该盖具有与集电板电接触的一侧以及朝向容器外部定向的相对侧。通过将一个或多个容器壁卷到盖的与集电板相对的一侧之上而将盖限制在适当位置中，并且盖与一个或多个容器壁电绝缘。 
第一终端柱自盖延伸并且被构造成运载来自第二电极的电流。该终端柱被塑造成用以连接外部负载并且可以具有带螺纹的或齐平的表面。 
在本发明的其它实施例中，第二终端自基座延伸，并且在容器表面上设置凹槽以吸收容器中的过压力，从而起到安全装置的作用。 
附图说明
附图组成了本说明书的一部分，并且包括可以体现为各种形式的本发明的示例性实施例。应该理解，在有些情形下本发明的各种方面可以被放大或扩大地示出以便于理解本发明。 
图1示出了本发明的一个实施例的纵向横截面图。 
图2A和图2B示出了包括在图1实施例中的“果冻卷”的不同视图，其中，图2A是俯视图而图2B是透视图。 
图3示出了从包括容器基座的角度观察的图1实施例的透视图。 
图4是图1实施例的上部的透视横截面图。 
具体实施方式
此处提供本发明实施例的详细描述。但是，应该理解，本发明可以以各种形式体现。因此，此处公开的具体细节不应理解成限制性的，而是应理解为用来教导本领域技术人员如何在实质上任何详细的系统、结构、或方式中利用本发明的代表性原则。 
首先参考图1，其示出了本发明的第一实施例。电容器10包括容纳了两个或多个电极的容器12，这些电极螺旋地卷绕在一起以形成工业中所称的“果冻卷(jellyroll)”并且这些电极被浸入电解液中。 
参考图2A-2B可以更好地理解果冻卷12的结构，图中示出了具有两个电极的果冻卷16，即，能够存储负电荷的第一电极18以及能够存储正电荷的第二电极20。第一电极和第二电极被介电隔离物(例如，多孔纸)隔离，并且如所述的，被浸入到与电极产生离子接触的电解液中。 
在本实施例的一个变型中，第一电极和第二电极由以结合混合料形式悬浮的活性碳颗粒的混合物形成。每个电极(图2B中以参考标号24和26示出)通过集电片(图2B中以参考标号28和30示出)支撑，该集电片由导电材料制成并且收集来自电极的电荷进而将电流传输给电容器终端。更具体的，集电片28运载负电荷并且具有延伸超出碳颗粒24的自由边缘，以限定出果冻卷16的一个侧端部。相反地，集电片30运载正电荷并具有延伸超出碳颗粒26的自由边缘，以限定出果冻卷16的相反的端部。 
容器12通常由诸如金属材料的导电材料制成，并且包括导电基座32以及限定了开口36的一个或多个壁34。果冻卷14被插入容器12中以使得第一集电片28的自由端与基座32接触，从而使得电流从第一电极18流向基座32。在本实施例的一个变型中，集电器28的自由端被挤压顶在基座32上，从而增加与基座32的接触面积，并且该自由端被进一步激光焊接至基座32。在本实施例的另一个变型中，如图3所示，基座38包括多个凹槽40，激光焊接 线就定位在这些凹槽中。由于激光焊接线42可能在某些点上刺穿基座38，所以在该变型中，将环氧树脂涂敷于激光焊接线上，并且基座帽44被安置在环氧树脂上方以填塞凹槽40。 
现在参考图4，通过围绕壁34引入有角度的卷曲部而将果冻卷14限制在容器12中。第一隔离环48在带负电荷的壁34与果冻卷14的带正电荷的端部之间产生电隔离屏障，从而防止电容器10电短路。在本实施例的一个变型中，隔离环48由氟代聚合物树脂(fluoro-polymerresin)制成。 
进一步，集电板50被安置成与果冻卷14的带正电荷的端部电接触，同时覆盖果冻卷14并通常被激光焊接至果冻卷。集电板50呈现出沿纵向延伸并到达容器10外部的伸出部52，而且集电板也通过卷曲部46被限制在适当位置中。 
盖54被安置在开口36中并且位于卷曲部46的与集电板50相对的端部处。盖54借助于盖54的面向伸出部52的面上的空腔而配合至集电极板50，上述空腔具有在室温下小于伸出部52的直径。当盖54被加热时，空腔膨胀，从而可以与伸出部52配合。当盖54冷却时，空腔与伸出部52接触并且与伸出部产生过盈配合，这不仅提供了集电板50与盖54之间的机械连接，而且提供了盖54与果冻卷14之间的电连接。 
O形环56(优选地，由橡胶复合物制成)被安置在集电板50与卷曲部46的下部边缘之间，以使得不仅在带正电荷的集电板50与带负电荷的卷曲部46之间产生隔离层，而且产生防止电解液泄漏的密封屏障。进一步，第二隔离环58(在本实施例的一个变型中，由含氟聚合物树脂制成)于一侧上在集电板50与盖54的结合之间产生电隔离层，而于另一侧上在集电极板与壁34的结合之间产生电隔离层。
第一终端柱60从盖54延伸，并且将该终端柱塑造为提供了外部负载的连接。该第一终端柱60可以具有不同长度和直径，并且在该实施例的各种变型中，该终端柱可以具有带螺纹的或光滑的外壁。 
最后，如图4所示，通过将一个或多个壁34卷到盖54之上而将盖54限制在适当位置中。第三隔离环68被安置在盖54与壁34的卷边之间，以在二者之间产生电屏障。 
容器12包括用于电解液注入容器10中的端口64。端口64可以如图1和图4所示的那样被安置在盖中、或者可以位于基座33中、或者位于容器12中。进一步，在注入电解液之后，可以采用不同方式密封端口64。在本实施例的一个变型中，端口64可以是有螺纹的并且可以借助于螺钉被密封，同时螺钉头与盖之间同心地设置有O形环和垫圈。在本实施例的另一个变型中，端口64可以通过铆钉密封。 
可以使用不同技术对容器10进行标记。在本实施例的一个变型中，标签收缩包裹在壁34的周围，除此以外，同时产生围绕壁34的电绝缘层。在另一个变型中，标签可以粘结在壁34上，或者壁34可以用适当的颜料被着色。 
本领域技术人员应该认识到，本发明的各种其它实施例也是可能的，且这些实施例都在被发明范围内。例如，在另一实施例中，第二终端柱从基座32延伸以提供与外部负载的方便的连接。这种第二终端柱也可以设有不同的长度和直径，并且具有可以是有螺纹的或光滑的外表面。 
在本发明的另一实施例中，容器12包括用作安全装置的凹槽64(图3示出)，该凹槽通过在压力在容器12中累积的情形下提供壁66的第一膨胀点，从而防止或至少延迟容器10的爆炸。 
尽管已经结合上述实施例描述了本发明，但是不旨在将本发明的范围限制为所描述的具体形式，而是相反地，旨在覆盖诸如可以包括在本发明范围内的替换、修改、以及等同物。 
工业实用性 
本发明适用于采用能量存储装置的所有工业应用中。一个这样的应用是电容器的生产，具体地为双层电容器。

Claims (25)

1.一种能量存储装置，包括：
能够存储电荷的第一电极、能够存储相反的电荷的第二电极、以及所述第一电极与第二电极之间的介电隔离物，所述第一电极和第二电极采用薄膜形式；
支撑所述第一电极的第一集电片、支撑所述第二电极的第二集电片，所述第一集电片与第二集电片中的每个均导电，所述第一电极与所述第一集电片的结合、所述介电隔离物的结合、以及所述第二电极与所述第二集电片的结合螺旋地卷绕在一起，所述第一集电片的自由端从螺旋卷绕件的一个边缘延伸，并且所述第二集电片的自由端从螺旋卷绕件的相反边缘延伸；
容器，适于容纳所述螺旋卷绕件，所述容器包括导电基座以及限定了开口的一个或多个壁，所述螺旋卷绕件容纳于所述容器中，以使得所述第一集电片的自由端接触所述基座并且使得所述第二集电片的自由端朝向所述开口定向；
与所述第一电极和所述第二电极离子接触的电解液；
集电板，被塑造成在一侧接触所述第二集电片的自由端而在相反侧朝向所述开口定向，所述集电板被置于所述第二集电片的自由端与所述开口之间，所述集电板通过所述一个或多个容器壁中的卷曲部被限制在适当位置中，所述集电板与所述一个或多个容器壁电隔离；
盖，安置在所述开口中且位于所述卷曲部的与所述集电板相对的一侧上，所述盖具有与所述集电板电接触的一侧以及朝向所述容器外部定向的相反侧，所述盖通过将所述一个或多个容器壁卷到所述盖的与所述集电板相对的一侧之上而被限制在适当位置中，并且所述盖与所述一个或多个容器壁电隔离；以及
第一终端柱，自所述盖延伸，所述第一终端柱被构造成运载来自所述第二电极的电流并且被塑造为连接至外部负载。
2.根据权利要求1所述的能量存储装置，其中，所述容器为圆柱形状的。
3.根据权利要求1所述的能量存储装置，其中，所述第一集电片的自由端被焊接至所述基座。
4.根据权利要求3所述的能量存储装置，其中，所述第一集电片的自由端被激光焊接至所述基座。
5.根据权利要求4所述的能量存储装置，其中，所述基座的外表面包括凹槽，在所述凹槽内执行所述激光焊接，并且其中，所述凹槽在焊接后被树脂填充。
6.根据权利要求5所述的能量存储装置，其中，在填充所述树脂后，将帽放置于所述凹槽上。
7.根据权利要求1所述的能量存储装置，其中，通过将第一隔离环置于所述集电极与所述一个或多个壁之间而将所述集电板与所述一个或多个容器壁隔离。
8.根据权利要求7所述的能量存储装置，其中，所述第一隔离环包含氟代聚合物树脂。
9.根据权利要求1所述的能量存储装置，其中，所述集电板的面向所述盖的一侧具有向外延伸的伸出部，其中所述盖的面向所述集电板的一侧具有对应的空腔，并且其中，通过将向外延伸的伸出部与所述空腔配合而连接所述集电板与所述盖。
10.根据权利要求9所述的能量存储装置，其中，通过加热所述盖并使得所述空腔膨胀而将所述向外延伸的伸出部与所述空腔配合，从而在所述空腔冷却的过程中当所述空腔收缩时造成所述向外延伸的伸出部与所述空腔过盈配合。
11.根据权利要求1所述的能量存储装置，其中，通过将一个或多个隔离环置于所述盖与所述一个或多个容器壁之间而使所述盖与所述一个或多个容器壁电绝缘。
12.根据权利要求11所述的能量存储装置，其中，所述一个或多个隔离环包括置于所述盖与所述卷曲部之间的可压缩O形环以及第二隔离环。
13.根据权利要求12所述的能量存储装置，其中，所述第二隔离环包含氟代聚合物树脂。
14.根据权利要求1所述的能量存储装置，其中，所述能量存储装置包括可密封的端口，所述可密封的端口适于将所述电解液注入所述容器中。
15.根据权利要求14所述的能量存储装置，其中，所述可密封的端口位于所述盖中。
16.根据权利要求14所述的能量存储装置，其中，所述可密封的端口位于所述基座中。
17.根据权利要求14所述的能量存储装置，其中，所述可密封的端口带有螺纹，并且通过将合适的螺钉配合至所述端口来密封所述可密封的端口。
18.根据权利要求14所述的能量存储装置，其中，所述可密封的端口通过铆钉被封闭。
19.根据权利要求1所述的能量存储装置，其中，所述第一终端柱带有螺纹。
20.根据权利要求1所述的能量存储装置，还包括从所述基座延伸的第二终端柱，所述第二终端柱被构造成运载来自所述第一电极的电流并且被塑造为连接至外部负载。
21.根据权利要求20所述的能量存储装置，其中，所述第二终端柱带有螺纹。
22.根据权利要求1所述的能量存储装置，其中，所述容器的所述一个或多个壁包括凹槽，所述凹槽被构造成当所述容器中压力增加时以比所述一个或多个壁的其余部分更快的速度膨胀。
23.根据权利要求1所述的能量存储装置，还包括标签，所述标签包裹所述一个或多个壁并具有电绝缘特性。
24.根据权利要求23所述的能量存储装置，其中，所述标签收缩包裹在所述一个或多个壁的周围。
25.根据权利要求1所述的能量存储装置，其中，所述能量存储装置为电容器。
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