CN101609746B - 一种有机超级电容器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种有机超级电容器，包括壳体、卷绕式芯组和电解液；还包括设置于壳体开口侧上方的上盖、上盖与壳体之间的连接件；电容器的正、负极端子从两侧引出。壳体外侧连接有电容器端子，端子与壳体和上盖以激光焊接或电阻焊接或浇铸成型的方式连接。连接件设置在电容器芯组与上盖之间，一侧具有螺纹或卡口结构与上盖相连，另外一侧则与芯组通过激光焊接进行连接。芯组与壳体内侧封闭端、芯组与连接件的焊接面积为5～70％。电解液为四氟硼酸四乙基铵的有机溶液或者含有锂离子的有机溶液。本发明降低了有机超级电容器的内阻，显著提高了有机超级电容器的安全性能和寿命。

Description

一种有机超级电容器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种有机超级电容器及其组件，属于电化学储能元器件领域。

背景技术

随着全球能源危机的日益显现和环境污染的逐渐恶化，高效、节能、环保的电动交通工具成为世界各国竞相研发的焦点。而目前制约电动交通工具发展的瓶颈是动力驱动系统，其能量载体主要有石油、电池和超级电容器。由于超级电容器具有高比功率(高达5kw/kg)和超长循环寿命(可充放10万次以上而不需要任何维护和保养)等显著特点在电动交通工具的驱动源中占有不可取代的地位，其应用广阔的应用前景日益显现。

目前，根据电解液体系划分，超级电容器可分为水系和有机体系两种；根据加工工艺来划分，可分为叠片式和卷绕式两种。相比较而言，有机卷绕式超级电容器工作电压高、能量密度大、环境污染小、机械化生产程度高，因此更具发展前景。但目前有机超级电容器技术在某种程度上还存在缺陷，导致有机超级电容器有一定的安全隐患，这些安全隐患主要表现为：大电流放电时，电容器端子过热而可能导致端子与电容器的脱离；同时，大电流放电时，电容器体过热，内部气压增大而可能使电容器破裂。另一方面，目前超级电容器极耳与电容器芯组接触面积小并且端子从同侧引出，这既增加了电容器在大电流放电时的热效应，也不利于电容器的个性化设计。电容器芯组的集流体与外部端子接触面积过小，会导致电容器在大电流放电时产生大量的热，热量的聚集致使电容器的温度升高，严重时将使有机电解液的分解，进而严重降低了电容器的寿命，使电容器存在较大的安全隐患。

发明内容

针对现有技术中的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提出一种安全性高、寿命长、大容量的有机超级电容器，在不改变现有超级电容器主要结构的基础上，降低有机超级电容器的内阻，以延长有机超级电容器的寿命，提高有机超级电容器的安全性。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种有机超级电容器，包括壳体、卷绕式芯组和电解液；所述的壳体一端开口，一端封闭。

还包括设置于所述壳体开口侧的上盖，壳体与所述上盖之间衬有使上盖与壳体绝缘的绝缘环；所述芯组与上盖之间通过一个连接件进行连接。

所述芯组与连接件、芯组与壳体的封闭端内侧采用激光焊进行连接。

所述的连接件设置在壳体内的芯组上方，其外形大致呈与芯组的横截面相适应的圆片状，连接件设置有贯通的导液孔。

所述连接件一侧的中部和上盖的一侧的中部，分别对应地设有供二者相互连接的一个连接部，连接部可为互相配合的螺纹连接结构或卡口结构。

所述芯组与连接件、芯组与壳体的封闭端内侧的激光焊接面积为所述芯组横截面积的5～70％。

所述的电容器的正、负极端子分别设置于所述壳体的封闭端外侧和所述上盖上。

所述的电容器正、负极端子与壳体封闭端外侧和上盖的连接，可采用激光焊接、电阻焊接或浇铸成型的方式。

所述上盖和壳体以机械压接的方式组装成整体。

所述的芯组由双面涂有碳材料的铝箔、纤维素隔膜和双面涂有碳材料的铝箔依次放置并卷绕而成；或者由双面涂有碳材料的铜箔、聚丙烯膜或聚乙烯膜或聚丙烯聚乙烯复合膜、双面涂有过渡金属氧化物或过渡金属氧化物的锂盐的铝箔依次放置并卷绕而成。

所述的电解液为含有四氟硼酸四乙基铵的有机溶液或者含有锂离子的有机溶液。

所述的绝缘环为聚四氟乙烯或改性聚四氟乙烯材质。

所述壳体、上盖、连接件和注液孔密封螺栓均为铝或铝合金材质。

制造上述的有机超级电容器的方法包括以下步骤：

通过激光焊、电阻焊或浇铸成型的方式，将所述端子分别设置在壳体封闭端的外侧和上盖无卡口结构或螺纹连接结构的一侧；

将所述连接件与卷绕式芯组的任意一端通过激光焊进行焊接，焊接面积为所述芯组横截面积的5～70％；

将所述焊接有连接件的芯组从所述壳体的开口端装进壳体，并使连接件朝向壳体的开口端；

将所述绝缘环套在上盖的圆周上；

将所述连接件与所述上盖通过螺纹连接结构或卡口结构进行连接；

将所述上盖和壳体压接；

通过激光焊，将壳体封闭端的内侧与芯组进行焊接；

经以上步骤即完成了未注液的超级电容器的制作。

之后，将以上制作的超级电容器放置在高温真空烘箱110℃保持6小时；

将电解液从上盖的注液孔处注入电容器，注液完成后用螺栓将注液孔密封，使电容器内部与空气隔离，静置12小时；

最后经化成工序，经首次充放电之后就完成了本发明的有机超级电容器的制造。

由于采用了以上的技术方案，本发明所具有的有益效果是：

1、卷绕式芯组与电容器负极端子之间通过一个连接件进行连接，该连接件一侧与电容器芯组通过激光焊直接焊接，连接件的另一侧与电容器壳体的上盖通过螺纹结构连接或卡口结构连接，这样就保证了电容器芯组与负极端子之间的紧密连接；同时，芯组与壳体下部的封闭端之间采用激光焊接的方式，也保证了电容器芯组与正极端子之间的良好接触，这些结构措施可有效抑制电容器内部的热效应。

2、电容器芯组的制作采用卷绕式，机械化生产程度高，产能大。

3、电容器的正、负极端子分别从壳体的两侧引出，与从壳体同侧引出的方式相比，可为电容器的安全化、结构化和模块化设计提供更大的空间。

本发明有效抑制了超级电容器在大电流和超大电流放电时其内部和外部的热效应，从根本上保证了电容器单体和组件的安全性，同时还为电容器的结构化和模块化设计提供了更广阔的空间。

附图说明

图1是本发明的一种有机超级电容器的结构示意图。

图2是本发明的一种有机超级电容器的连接件的结构示意图。

具体实施方式

下面，结合附图详细描述根据本发明的具体优选实施例。为了便于描述和突出显示本发明，附图中省略了现有技术中已有的相关部件，并将省略对这些公知部件的描述。

如图1和2所示，一种有机超级电容器，包括壳体1、卷绕式芯组3和电解液2；壳体1一端开口，一端封闭。

还包括设置于壳体1开口侧的上盖7，壳体1与上盖7之间衬有使壳体与上盖绝缘的绝缘环5；芯组3与上盖7之间通过一个连接件4进行连接，连接件4设置在壳体1内的芯组3上方，其外形大致呈与芯组3的横截面相适应的圆片状。连接件4设置有贯通的注液孔6，注液孔6可有一个或多个，目的是使电解液2流通到芯组3和外壳1内。注液孔6中设有密封螺栓。

芯组3与连接件4、芯组3与壳体1的封闭端内侧采用激光焊进行焊接连接，焊接面积为芯组3的横截面积的5～70％。

电容器的正、负极端子分别设置于壳体1的封闭端外侧和上盖7上。电容器正、负极端子与壳体1封闭端外侧和上盖7的连接，可采用激光焊接、电阻焊接或浇铸成型的方式。

连接件4一侧的中部和上盖7的一侧的中部，分别对应地设有供二者相互连接的一个连接部，连接部可为互相配合的螺纹连接结构或卡口结构。

上盖7和壳体1以机械压接的方式组装成整体。

所述超级电容器上盖7和壳体1的连接方式为压接，壳体1与上盖7之间衬有绝缘环5，目的为使上盖7与壳体1之间绝缘。绝缘环5为聚四氟乙烯或改性聚四氟乙烯材质。

芯组3由双面涂有碳材料的铝箔、纤维素隔膜和双面涂有碳材料的铝箔依次放置并卷绕而成；或者由双面涂有碳材料的铜箔、聚丙烯膜或聚乙烯膜或聚丙烯聚乙烯复合膜、双面涂有过渡金属氧化物或过渡金属氧化物的锂盐的铝箔依次放置并卷绕而成。

电解液2为含有四氟硼酸四乙基铵的有机溶液或者含有锂离子的有机溶液。

壳体1、上盖7、连接件4和注液孔6的密封螺栓均为铝及其合金材质；

以下是本发明的有机超级电容器的五个优选实施例的具体参数。

实施例1：

一种有机超级电容器，壳体1内径为76mm高为140mm，连接件4为大致呈圆形的片状，直径为74mm，其中部有一个凸起的连接部，该凸起的连接部是螺纹连接结构，与上盖7中部所设置的螺纹连接结构对应设置。卷绕式芯组3由夹以纤维素隔膜的两层涂有活性炭材料的铝箔卷绕而成。电解液2为含有四氟硼酸四乙基铵的有机溶液。芯组3两端与壳体1和连接件4的焊接面积分别为15％，组装成3500F电容器。经测试，电容器内阻为0.25mΩ，以500A电流放电过程中正、负极端子温度最高为32℃。

实施例2：

一种有机超级电容器，壳体1内径90mm，高为160mm，连接件4大致呈圆形片状，直径为88mm，其中部有一个凸起的连接部，该凸起的连接部是卡口连接结构，与上盖7中部所设置的卡口连接结构对应设置。卷绕式芯组3由夹以纤维素隔膜的两层涂有活性炭材料的铝箔卷绕而成。电解液2为含有四氟硼酸四乙基铵的有机溶液。芯组3两端与壳体1和连接件4的焊接面积分别为70％，组装成5000F的电容。经测试，电容器内阻为0.15mΩ，500A电流放电过程中正、负极端子温度最高为33℃。

实施例3：

一种有机超级电容器，壳体1内径75mm，高为50mm，连接件4大致呈圆形片状，直径为73mm。芯组3由夹以纤维素隔膜的两层涂有活性炭材料的铝箔卷绕而成。电解液2为含有四氟硼酸四乙基铵的有机溶液。芯组3两端与壳体1和连接件4的焊接面积分别为5％，组装成650F的电容。经测试，电容器内阻为0.6mΩ，150A电流放电过程中正、负极端子温度最高为28℃。

实施例4：

一种有机超级电容器，壳体1内径76mm，高为50mm，连接件4为圆形，外径为74mm。卷绕式芯组3由涂有炭材料的铜箔、聚丙烯聚乙烯复合膜和涂有尖晶石锰酸锂的铝箔卷绕而成。电解液2为含有锂离子的有机溶液。芯组3两端与壳体1和连接件4的焊接面积分别为30％，组装成5000F的电容。经测试，电容器内阻为3.0mΩ，500A电流放电过程中正、负极端子温度最高为36℃。

实施例5：

一种有机超级电容器，壳体1内径76mm，高为50mm，连接件4大致呈圆形片状，外径为74mm。卷绕式芯组3由涂有炭材料的铜箔、聚丙烯聚乙烯复合膜和涂有层状镍钴锰酸锂的铝箔卷绕而成。电解液2为含有锂离子的有机溶液。芯组3两端与壳体1和连接件4的焊接面积分别为45％，组装成5000F的电容。经测试，电容器内阻为3.1mΩ，500A电流放电过程中正、负极端子温度最高为34℃。

本说明书中所述的只是本发明的几种较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (11)

1.一种有机超级电容器，包括壳体、卷绕式芯组和电解液；所述的壳体一端开口，一端封闭；其特征在于：

还包括设置于所述壳体开口侧的上盖，壳体与所述上盖之间衬有使上盖与壳体绝缘的绝缘环；所述芯组与上盖之间通过一个连接件进行连接；

其中，所述芯组与连接件、芯组与壳体的封闭端内侧采用激光焊进行连接，焊接面积为所述芯组横截面积的5～70％。

2.根据权利要求1所述的一种有机超级电容器，其特征在于：所述的连接件设置在壳体内的芯组上方，其外形大致呈与芯组的横截面相适应的圆片状，连接件设置有贯通的导液孔。

3.根据权利要求2所述的一种有机超级电容器，其特征在于：所述连接件一侧的中部和上盖的一侧的中部，分别对应地设有供二者相互连接的一个连接部，连接部可为互相配合的螺纹连接结构或卡口结构。

4.根据权利要求1所述的一种有机超级电容器，其特征在于：电容器的正、负极端子分别设置于所述壳体的封闭端外侧和所述上盖上。

5.根据权利要求4所述的一种有机超级电容器，其特征在于：所述的电容器正、负极端子与壳体封闭端外侧和上盖的连接，可采用激光焊接、电阻焊接或浇铸成型的方式。

6.根据权利要求1所述的一种有机超级电容器，其特征在于：所述上盖和壳体以机械压接的方式组装成整体。

7.根据权利要求1所述的一种有机超级电容器，其特征在于：所述的芯组由双面涂有碳材料的铝箔、纤维素隔膜和双面涂有碳材料的铝箔依次放置并卷绕而成；或者由双面涂有碳材料的铜箔、聚丙烯膜或聚乙烯膜或聚丙烯聚乙烯复合膜、双面涂有过渡金属氧化物或过渡金属氧化物的锂盐的铝箔依次放置并卷绕而成。

8.根据权利要求1所述的一种有机超级电容器，其特征在于：所述的电解液为含有四氟硼酸四乙基铵的有机溶液或者含有锂离子的有机溶液。

9.根据权利要求1所述的一种有机超级电容器，其特征在于：所述的绝缘环为聚四氟乙烯或改性聚四氟乙烯材质。

10.根据权利要求2所述的一种有机超级电容器，其特征在于：所述壳体、上盖、连接件和导液孔密封螺栓均为铝或铝合金材质。

11.一种制造如权利要求1-10之一所述的有机超级电容器的方法，其特征在于：

第一步，通过激光焊、电阻焊或浇铸成型的方式，将电容器正、负极端子分别设置在壳体封闭端的外侧和上盖无卡口结构或螺纹连接结构的一侧；

第二步，将所述连接件与卷绕式芯组的任意一端通过激光焊进行焊接，焊接面积为所述芯组横截面积的5～70％；

第三步，将所述焊接有连接件的芯组从所述壳体的开口端装进壳体，并使连接件朝向壳体的开口端；

第四步，将所述绝缘环套在上盖的圆周上；

第五步，将所述连接件与所述上盖通过螺纹连接结构或卡口结构进行连接；

第六步，将所述上盖和壳体压接；

第七步，通过激光焊，将壳体封闭端的内侧与芯组进行焊接；

第八步，将以上制作的超级电容器放置在高温真空烘箱110℃环境中保持6小时；

第九步，将电解液从上盖的注液孔处注入电容器，注液完成后用螺栓将注液孔密封，使电容器内部与空气隔离，静置12小时；

最后经化成工序，经首次充放电之后就完成了本发明的有机超级电容器的制造。

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