CN102099881A - 双层多卷绕元件超级电容器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有双电化学层的超级电容器，包括至少两个复合体(2，3)和两个复合体(2，3)之间的至少一个隔离物(4)，所述复合体(2，3)和所述隔离物(4)被螺旋的卷绕在一起，以便形成卷绕元件(10)，其特征在于，所述超级电容器进一步包括至少一个其他复合体(1)和至少一个其他隔离物(4)，所述其他复合体(1)和所述其他隔离物(4)围绕所述卷绕元件(10)被螺旋的卷绕在一起，以便形成至少一个连续的卷绕元件(20)，这些接连的卷绕元件(10，20)被电绝缘空间隔开。
Description
技术领域
本发明涉及超级电容器的一般技术领域，即具有双电化学层(double electrochemical layer)的电容器(或EDLC，“Electrochemical Double Layer Capacitor，电化学双层电容器”的缩写)。
背景技术
超级电容器是一种可获得介于电介质电容器和电池之间的功率密度和中间能量密度的储能装置。其充电时间通常为几秒钟数量级。
超级电容器通常包括圆柱形卷绕元件，所述卷绕元件包括至少两个电极。每个电极由炭黑和聚合物的活性炭(也被称为“活性材料”)混合物制成。在所谓的挤压步骤中，将导电胶沉积在用作集流体(current collector)的铝集电器(collector)上。两个电极被多孔隔离物隔开，以免两个电极之间短路。在所谓的注入步骤中，用电解质填充超级电容器。该电解质由溶解在溶剂中的盐构成，溶剂通常为乙腈。该盐被分成两种被称为离子的带电物质(例如BF4-和TEA+)。
电极的厚度典型为100μm。离子的大小为1/1000thμm数量级，即比电极的厚度小100，000倍。活性炭(或活性材料)是极多孔的材料。
当通过直流发电机在超级电容器的两个电极间施加电压时，离子在多孔结构中移动到离碳表面很近的位置。碳表面处存在的离子数量越多，电容越大。
超级电容器中储存的能量的数量取决于两个电极之间所施加的电压以及超级电容器的总电容。
很多研究显示，超级电容器的工作电压越高，使用寿命越短，原因在于在超级电容器中产生大量的气体。
这种气体的产生与构成电解质的物质的分解有关，该分解是超级电容器的电极之间所施加的电压的函数。
例如，纯乙腈的分解电压为5.9V。
目前，超级电容器的电极上施加的参考电压为2.7V(特别参见WO 9 815 962，其教导本领域技术人员应限制超级电容器的电压以免电解质过多地退化)。
为了克服该缺陷，已知怎样将几个超级电容器彼此电连接以便形成模块。这可以增大模块上所施加的电压。
为了电连接两个相邻的超级电容器，使用包括两个盖子和连接条的连接装置。
每个盖子能够盖在各个超级电容器上从而例如通过锡焊电连接到超级电容器上。
每个盖子还包括能够与连接条的通孔接触从而电连接两个相邻的超级电容器的连接端子。
但是，这种超级电容器存在缺陷。
特别地，通过连接条和两个盖子电连接的两个超级电容器的体积和质量非常大。
此外，用于连接两个超级电容器的连接条和盖子的购买和安装所涉及的制造成本非常高。
并且，两个电连接的超级电容器之间的串联电阻Rs非常大，其中串联电阻Rs相当于电容器的电阻和连接装置(连接条+盖子+焊料)的电阻的总和。
本发明的总体目的是提出一种超级电容器，该超级电容器在参考电压下的使用寿命得到延长。
本发明的另一目的是提出一种超级电容器，该超级电容器中的气体产生受到限制。
本发明的另一目的是提出一种超级电容器，其能够支持高于参考电压的电压，而不会发生任何退化。
发明内容
为此目的，提供了一种超级电容器，包括：至少两个电极和这两个电极之间的至少一个隔离物，所述电极和所述隔离物被卷绕在一起，以便形成卷绕元件，所述超级电容器进一步包括至少一个其他电极和至少一个其他隔离物，所述其他电极和所述其他隔离物围绕所述卷绕元件被卷绕在一起，从而形成至少一个连续的卷绕元件，这些接连的卷绕元件(wound element)被电绝缘空间隔开。
“复合体”表示集流体和至少一个电极的结合，所述集流体和所述电极具有共同的导电表面。
“接连的复合体”表示(在被卷绕以形成卷绕元件之前的)两个共面的复合体，在其卷绕过程中被宽度为d的电绝缘空间隔开。
“共用复合体”表示复合体的任何电连续性的结合。
隔离物超出每个复合体的彼此相对的电极延伸，但不超出用作对外连接的复合体的集流体。
根据本发明的模块具有下列优选但非限制性的方面：
-所述超级电容器的电极是两个接连的卷绕元件共用的。
-所述超级电容器进一步包括至少一个第二其他电极，所述其他电极和所述其他隔离物围绕所述卷绕元件被卷绕在一起，从而形成连续的卷绕元件，
-通过由至少一圈介电绝缘材料构成的强化物形成所述电绝缘空间。
-通过使第一卷绕元件的至少一个电极与第二卷绕元件的至少一个电极间隔距离q来形成所述电绝缘空间，
-距离q应至少等于1mm，
-所述隔离物是连续的，从而所述超级电容器包括单个隔离物，该单个隔离物是不同的卷绕元件共用的并且充当不同的卷绕元件之间的强化物，
-每个卷绕元件的高度是恒定的，
-所述卷绕元件具有不同的高度，
-所述卷绕元件沿其纵轴相对于彼此偏移，
-所述卷绕元件通过整个表面导电的第一导电盖子电连接，所述盖子位于卷绕元件的底面的其中之一上，
-所述第一盖子具有锯齿状截面，
-所述第一盖子基本在平面内延伸，
-所述卷绕元件通过整个表面导电的第二导电盖子电连接，所述盖子位于所述卷绕元件的另一个底面上，从而并联所述卷绕元件，
-所述卷绕元件通过包括导电部分的第二导电盖子电连接，所述导电部分被电绝缘部分互相隔开，每个导电部分分别与所述卷绕元件电接触，从而串联所述卷绕元件，
-所述导电部分的其中之一为圆盘形的，其他的导电部分是冠状的，所述导电部分通过冠状电绝缘部分互相隔开，
-所述第二盖子全部在平面内延伸，
-所述第二盖子具有锯齿状截面，
-每个导电部分是圆盘部分的形状，圆盘部分通过径向绝缘部分互相隔开，
-所述超级电容器通过至少两个连接条连接到同类型的至少一个其他超级电容器上，每个连接条包括分别用于与所述盖子的圆盘形导电部分接触的导电部分，
-所述超级电容器通过至少一个连接条电连接到同类型的另一超级电容器上，所述连接条包括通过至少一个电绝缘部分互相绝缘的至少两个导电部分，所述导电部分分别用于与所述盖子的一个导电部分接触，
-所述连接条实质上是扁平的，所述盖子包括在所述盖子和所述连接条之间的接触面延伸的电绝缘区域，所述电绝缘区域被布置成使所述连接条的每个导电部分与所述盖子的单一导电部分电接触，
-每个导电部分在所述连接条的端部包括突出的连接元件，每个突出的元件用于与所述盖子的分别的导电部分接触，
-所述强化物的高度介于第一卷绕元件的活性材料的高度与所述第一卷绕元件的总高度之间，
-所述卷绕元件的电极的宽度和/或长度不同，
-所述卷绕元件的电极的厚度不同，
-所述卷绕元件的电极的种类不同，
-所述卷绕元件的垂直于卷绕轴的底部是圆形的，
-所述卷绕元件的垂直于卷绕轴的底部是六边形的，
-所述卷绕元件的垂直于卷绕轴的底部是三角形的，
-所述卷绕元件的垂直于卷绕轴的底部是八边形的，
-所述卷绕元件的垂直于卷绕轴的底部是矩形的，
-所述卷绕元件的角是不突出的，
-所述卷绕元件的垂直于卷绕轴的底部是椭圆形的，
本发明还涉及一种包括壳体的模块，在所述壳体中放置至少一个如上文所述的超级电容器。
有利地，模块可以包括根据本发明的超级电容器和现有技术的超级电容器两者，如图11所示。换言之，所述模块可以进一步包括根据本发明的超级电容器、标准超级电容器以及用于封闭所述壳体的盖子，所述标准超级电容器包括圆柱形卷绕元件，所述卷绕元件包括被卷绕在一起以便形成置于壳体中的卷绕元件的至少两个电极和至少一个隔离物，该标准超级电容器通过至少一个连接条电连接到根据本发明的超级电容器。
附图说明
参考附图阅读下面的仅仅是例证性和非限制性的描述，本发明的其他特征、目的和优点将进一步显现，其中：
图1a-7显示了根据本发明的超级电容器的卷绕元件的不同实施例，
图8-13显示了根据本发明的超级电容器的盖子的不同实施例，
图14-16显示了用于连接相邻的超级电容器的连接条的不同实施例，
图17显示了现有技术的超级电容器，
图18-20是显示超级电容器的体积V与卷绕元件的数量之间的关系的曲线图，
图21-23是显示超级电容器的质量m与卷绕元件的数量之间的关系的曲线图，
图24-28显示了可由根据本发明的超级电容器组成的不同的电路。
具体实施方式
下面将参考图1-23描述根据本发明的超级电容器的不同实施例。在不同的图中，超级电容器的等效元件具有相同的附图标记。
参考图1a和图1b，显示了沿超级电容器的第一实施例的横轴的剖面图。
超级电容器包括彼此相对放置并被隔离物4隔开的两个复合体2，3。
复合体2，3和隔离物4被卷绕在一起，以便形成第一卷绕元件。
超级电容器还包括与复合体2，3中的一个复合体2接连的另一复合体1和另一隔离物4。所述另一电极和所述另一隔离物被围绕第一卷绕元件卷绕在一起，从而形成至少一个第二连续卷绕元件。
接连的复合体1，2沿环绕超级电容器纵轴的方向间隔距离q。
有利地，接连的复合体1，2之间的距离q应足够大，以使接连的复合体1，2彼此电绝缘。在图1所示的实施例中，距离q大于或等于1毫米。
1毫米的距离q实际上足以防止在两个接连的复合体1，2之间产生过大的电场，在超级电容器的正常使用条件下，电场过大会导致电解质分解的风险。
面向两个接连的复合体放置的复合体3被称为“共用复合体”。
通过隔离物4，可以电绝缘共用复合体3的接连的复合体1，2。其中一个隔离物位于共用复合体3和接连的复合体1，2之间。另一个隔离物4位于共用复合体3的另一个表面上，从而共用复合体3位于隔离物4之间。
每个复合体1，2，3包括集流体11，21，31以及至少一个由活性材料构成的电极，电极与集流体11，21，31具有共同的导电表面。
在图1a和1b所示的实施例中，每个复合体1，2，3在集流体11，21，31的任一侧包括两个相反的电极12，13，22，23，32，33。每个电极12，13，22，23，32，33与集流体11，21，31的分别的表面具有共同的导电表面。
面向接连的及共用的复合体的区域限定了两个超级电容器单元，两个超级电容器单元的电容由它们各自的长度确定。共用复合体3的连续性允许两个超级电容器单元串联布置。
复合体1，2，3和隔离物4分别由一个或多个叠置的薄片构成。
有利地，接连的复合体1，2、共用复合体3以及隔离物4被相继卷绕在一起，以便形成连续的第一卷绕元件和第二卷绕元件。
上面提出的方案的成本低于之前提到的现有技术的超级电容器。事实上，为了电连接两个超级电容器单元所需的连接条、盖子和套管(用作卷绕元件的壳体)的数量比电连接几个现有技术的超级电容器所需的连接条、盖子和套管的数量少。
此外，上面提出的方案可以(与连接现有技术的超级电容器所需的盖子和连接条的数量相比，减少连接超级电容器单元所需的盖子和连接条的数量)降低系统的串联电阻Rs，并且可以显著增加单位体积能够容纳的能量，同时使电容器最优化。
通过上文所述的超级电容器，可以获得小型化的卷绕结构：
-允许在相同的电源电压Un下工作的具有相同的电容C或不同的电容C、C’的超级电容器单元以串联或并联的方式电连接，目的是增加小型化结构的全局电流和/或电压，
-在应用(在任意电压下工作的具有任意电容的超级电容器单元的三角形或星形电路)中满足特殊的平衡要求，
-可以优化在相同的电压Un下工作的具有相同的电容C的超级电容器单元的组件的体积能量密度、质量能量密度、体积功率密度、以及质量功率密度(energy and power bulk and mass densities)。
与用于串联/并联两个超级电容器单元的连接条和盖子的去除相关的其他优点如下所述：
-超级电容器的体积减小
-与现有技术的两个串联的超级电容器相比，质量减小
-两个串联/并联的超级电容器的体积减小：因此，现有技术的超级电容器(通过将两个复合体和隔离物被卷绕在一起获得)的体积的两倍大于图1所示的根据本发明的超级电容器(通过将三个复合体和两个隔离物被卷绕在一起获得)的体积。
-体积能量密度、质量能量密度、体积功率密度、以及质量功率密度(energy and power bulk and mass densities)增加，
-与现有技术(标准)的超级电容器的串联相比，内部的自由体积不减少，
-由于单一卷绕、单一注入、单一加热处理和单一锡焊，从制造方法的观点来看(1个单一超级电容器中n个单元)，通过简化制造方法赢得了时间。
参考图2，显示了根据本发明的超级电容器的另一实施例。
图2所示的超级电容器与图1所示的超级电容器的不同之处在于包括四个复合体而不是三个。
两个第一复合体2，3a彼此相对放置。两个第一复合体中的复合体2位于两个隔离物4之间。两个第一复合体2，3a和隔离物4被卷绕在一起，以便形成第一卷绕元件。
两个其他复合体1，3b与两个第一复合体2，3a接连并沿超级电容器的圆周方向(与两个第一复合体)间隔距离q。
两个复合体1，3b被卷绕在由复合体2，3a构成的第一卷绕元件周围，从而形成至少一个第二连续卷绕元件。
在该实施例中，每个卷绕元件形成独立的超级电容器。通过盖子50确保这样形成的超级电容器的串联或并联电连接，下文将对其进行更详细的描述。
在图3中，显示了根据本发明的超级电容器的不同的卷绕元件10，20，30。接连的卷绕元件10，20，30与轴Z同轴。这些接连的卷绕元件10，20，30被电绝缘空间隔开。该电绝缘空间可以使卷绕元件彼此绝缘。
根据一可选实施例，通过隔开两个接连的卷绕元件的距离q形成电绝缘空间。有利地，该距离q应足够大以便防止两个接连的卷绕元件之间直接通电。例如，距离q可大于1毫米。
根据另一可选实施例，可通过由至少一圈介电绝缘材料构成的强化物40形成电绝缘空间。用于电分隔两个接连的卷绕元件的强化物的使用有助于制造超级电容器。
有利地，强化物的高度介于第一卷绕元件的活性材料的高度与所述第一卷绕元件的总高度之间。
如图4所示，隔离物4可以是连续的，从而超级电容器包括单一隔离物4，该单一隔离物4是不同的卷绕元件共用的并充当接连的卷绕元件之间的强化物。
在图3所示的实施例中，不同的卷绕元件10，20，30具有恒定的高度。此外，不同的卷绕元件10，20，30的底部是共面的。这样可以有助于接连的卷绕元件的卷绕。
在图5所示的其他实施例中，接连的卷绕元件10，20，30的高度不同，接连的卷绕元件具有共面的底部。
在另一些实施例中，接连的卷绕元件10，20，30具有相同的高度，但是它们的底部沿它们的纵轴相对于彼此偏移。图6和图7中显示了所述实施例。
在图6的实施例中，接连的卷绕元件10，20，30彼此适合。换言之，接连的卷绕元件是同轴的并且叠置在中心卷绕元件10周围。
在图7所示的实施例中，接连的卷绕元件10，20，30相对于彼此偏移，从而它们的底部沿纵剖图形成一组锯齿状缺口。
通过盖子50和/或连接条将超级电容器的接连的卷绕元件连接到一起或与其他相邻的超级电容器的卷绕元件连接。
现在将更详细地描述不同类型的盖子50，其可用于将超级电容器的卷绕元件或不同的相邻超级电容器的卷绕元件连接到一起。
参考图8，显示了盖子50的第一实施例，其允许同一个超级电容器的两个卷绕元件的电连接。盖子50具有锯齿状截面。
所述第一盖子实施例50被设计为盖在超级电容器上，该超级电容器的卷绕元件的底部相对于彼此偏移。为了电连接不相对于彼此偏移的(例如如图5所示)高度相同的卷绕元件，将使用基本在平面内延伸的盖子50。
有利地，盖子50在其整个表面上导电，并可以与超级电容器的接连的卷绕元件电接触，从而形成用于这些卷绕元件的公共端子。
超级电容器的另一个表面可被整个表面导电的盖子50覆盖，以便以并联方式电连接超级电容器的接连的卷绕元件。
超级电容器的另一个表面也可以被包括导电部分的盖子50覆盖，导电部分被电绝缘部分互相隔开，每个导电部分分别与一卷绕元件电接触，以便串联卷绕元件。
图9和图10显示了包括被设计为分别与卷绕元件的其中之一电接触的导电部分的盖子的实施例。
在图9所示的实施例中，盖子包括两个导电部分。第一导电部分S1是圆盘形的。第二导电部分S2是冠状的。导电部分S1，S2被冠状电绝缘部分60互相隔开。该盖子50用于盖在包括两个接连的卷绕元件的超级电容器上。第一导电部分S1电连接到超级电容器的中心卷绕元件10上。第二导电部分S2电连接到超级电容器的外周卷绕元件20上。
在图10所示的实施例中，盖子50包括三个导电部分S1，S2，S3。其中一个导电部分S1是圆盘形的。其他的导电部分S2，S3是冠状的。导电部分S1，S2，S3被冠状电绝缘部分60互相隔开。导电部分S1，S2，S3分别电连接到卷绕元件10，20，30上。该盖子50用于盖在包括三个接连的卷绕元件的超级电容器上。
当然，盖子50可包括三个以上的导电部分，导电部分的数量取决于超级电容器的卷绕元件的数量。
根据应用，盖子50可基本在平面内延伸，或如图11所示具有锯齿状截面。
此外，导电部分可以具有其他形状。图12和图13显示了盖子50，其中的导电部分分别是圆盘部分的形状。圆盘部分被径向绝缘部分互相隔开。
在图12所示的实施例中，盖子50包括两个半圆盘形的导电部分S1，S2。每个部分S1(S2分别地)在每个部分S1(S2分别地)的区域Z1(Z2分别地)中用于电连接到超级电容器的分别的卷绕元件10(20分别地)。该盖子50用于盖在包括两个卷绕元件的超级电容器上。
在图13所示的实施例中，盖子50包括具有第三种圆盘形状的三个导电部分S1，S2，S3。每个部分S1(S2分别地，S3分别地)在焊料Z1(Z2分别地，Z3分别地)电连接到超级电容器的分别的卷绕元件10(20分别地，30分别地)。该盖子50用于盖在包括三个卷绕元件10，20，30的超级电容器上。
一旦超级电容器被以上参考图9-13描述的盖子50的其中之一所覆盖，则通过使用导电连接条，超级电容器可以连接到相邻的超级电容器。
参考图14，显示了示意性连接条70。每个连接条70包括分别用于与参考图13描述的盖子50的圆盘形导电部分S1，S2，S3接触的导电部分。
更特别地，每个连接条70基本上是扁平的。连接条70的主体是矩形的。连接条的端部80是三角形的。这些端部80的大小和形状应足以用来与盖子50的分别的导电部分S1，S2，S3接触，而不会覆盖到隔开盖子50的两个导电部分的绝缘部分。因此，连接条70彼此绝缘。通过避免连接条70之间的接触来确保连接条70的电绝缘，从而避免短路。
参考图15，显示了一种可选的连接条70。该连接条70提供了参考图9和图10所述的类型的两个超级电容器的电连接。
连接条70包括彼此(一个和另一个之间分别)通过一个(或多个)电绝缘部分绝缘的两个(或多于两个)导电部分。每个导电部分分别用于与盖子50的导电部分S1，S2，S3接触。每个导电部分在连接条70的端部80包括突出的连接元件90。这些突出的元件中的每一个用于与盖子50的分别的导电部分S1，S2，S3接触。
参考图16，显示了连接条70和盖子的另一实施例。这种连接条70和这种盖子适于连接分别包括三个卷绕元件的两个超级电容器。当然，在超级电容器包括多于三个卷绕元件的情况下，这种盖子和这种连接条可以包括多于三个导电部分。
连接条70基本是扁平的。盖子包括在盖子和连接条之间的接触面延伸的电绝缘区域。这些电绝缘区域被布置成使连接条的每个导电部分与盖子的单一导电部分电接触。通过这种方式，通过其连接的超级电容器的卷绕元件两两电连接。
有利地，超级电容器可以是不对称的，即不同的复合体的电极在长度和/或厚度和/或构成复合体的材料种类这些方面可以有所不同。
通过使用不对称的超级电容器来工作，可以优化：
-一方面超级电容器的电容，以及
-另一方面超级电容器的老化，因为可以更好地控制每个电极的电位。
可以通过改变卷绕元件的电极厚度来实现超级电容器的例如不对称性，从而每个卷绕元件的正负电极具有不同的体积。
还可以通过改变卷绕元件的电极的厚度和/或长度来实现超级电容器的不对称性。
也可以通过改变卷绕元件的电极的组分的种类来实现不对称性。例如，在一个实施例中，卷绕元件的电极具有相同的厚度，但由不同的材料构成，从而具有不同的法拉第密度(faradic density)。
超级电容器可以具有不同的形状，例如超级电容器可以是圆柱形的。
与卷绕轴垂直地，超级电容器可以是六边形的或三角形的、或八边形的、或矩形的、或进一步为椭圆形的。这样，可以将死体积限制在两个相邻的超级电容器之间。卷绕元件的角可以是不突出的。
可论证同绕系统的体积增益的一般情形
如上文所述，与现有技术的模块相比，根据本发明的超级电容器可以减小与两个超级电容器的串联或并联电连接有关的体积。
图17显示了现有技术的这种模块。模块包括两个超级电容器120。每个超级电容器120包括圆柱形卷绕元件，所述圆柱形卷绕元件包括两个电极和一个隔离物。电极的一部分180向外突出。通过连接条170和盖子180串联超级电容器。每个盖子180盖在分别的超级电容器120上，从而在向外突出的电极部分190处电连接到超级电容器120。每个盖子180通过锡焊与连接条70接触，从而以串联方式电连接两个超级电容器120。
为了论证根据本发明的超级电容器与现有技术模块相比的体积增益，需要下列参数：
C：要获得的电容(F)
ξ：法拉第密度(F/cm3)
h：活性高度(cm)
H：总高度(cm)
e：卷绕的隔离物/电极/集流体/电极/隔离物/电极/集流体/电极的厚度(cm)
输出数据如下所列：
k：圈数
Cn：n个并联嵌套的卷绕元件的电容(F)
Vn：值Cn的n个嵌套的电容器的体积(cm3)
V：并联的n个值C的电容器的体积(cm3)
公式：
Cn＝nC
上面建立的公式的数值应用：
在下列数值实例中，假设每个卷绕元件的电容的值是相同的，这实际上表示：每个电容器的卷绕元件的长度相同，直径较大的卷绕元件的厚度比直径较小的卷绕元件的厚度小。
数值实例1
C＝600F ξ＝30F/cm3 h＝8cm H＝10cm
e＝0.05cm
图18显示了连接成模块的n个卷绕元件的体积V以及根据本发明的包含n个同绕的元件的单一超级电容器的等效Vn。体积用cm3表示(左侧纵坐标轴)。％ΔV表示卷绕在一起的元件与连接的元件之间的增益百分比(右侧纵坐标轴)。
数值实例2
C＝2600F ξ＝30F/cm3 h＝8cm H＝10cm
e＝0.05cm 
图19显示了连接成模块的n个卷绕元件的体积V以及根据本发明的包含n个同绕在一起的元件的单一超级电容器的等效Vn。体积用cm3表示(左侧纵坐标轴)。％ΔV表示卷绕在一起的元件与连接的元件之间的增益百分比(右侧纵坐标轴)。
数值实例3
C＝5000F ξ＝30F/cm3 h＝8cm H＝10cm
e＝0.05cm 
图20显示了连接成模块的n个卷绕元件的体积V以及根据本发明的包含n个同绕元件的单一超级电容器的等效Vn。体积用cm3表示(左侧纵坐标轴)。％ΔV表示卷绕在一起的元件与连接的元件之间的增益百分比(右侧纵坐标轴)。
结果：
图18、图19、图20显示，不管同绕的元件的数量和所采用的初始电容的数量是多少，都获得体积的增益。
可论证同绕系统的质量增益的一般情形
如上文所述，与现有技术的模块相比，根据本发明的超级电容器可以减小与两个超级电容器的串联或并联电连接有关的质量。
为了论证根据本发明的超级电容器与现有技术模块相比的质量增益，需要下列参数：
ec：盖子的厚度(cm)
et：套管的厚度(cm)
mu C：电容器C的质量(g)
d：套管的材料和盖子的材料的比重(g/cm3)
输出数据如下所列：
mc C：值C的电容器的盖子的质量(g)
mt C：值C的电容器的套管的质量(g)
m：并联的n个值C的电容器的总质量(g)
mn：值Cn的n个嵌套的电容器的总质量(g)
公式：
m＝n(mu C+2mc C+mt C)
mn＝mu Cn+2mc Cn+mt Cn
上面建立的公式的数信应用：
ec＝0.4cm et＝0.05cm
d(铝的比重)＝2.7g/cm3
mu 600F＝75g mu 2600F＝325g
数值实例1
ec＝0.4cm et＝0.05cm
d(铝的比重)＝2.7g/cm3
mu 600F＝75g
图21显示了连接成模块的n个卷绕元件的质量m以及根据本发明的包含n个同绕元件的单一超级电容器的等效mn。质量用克表示(左侧纵坐标轴)。％Δm表示卷绕在一起的元件与连接的元件之间的质量增益百分比(右侧纵坐标轴)。
数值实例2
ec＝0.4cm et＝0.05cm
d(铝的比重)＝2.7g/cm3
mu 2600F＝325g
图22显示了连接成模块的n个卷绕元件的质量m以及根据本发明的包含n个同绕元件的单一超级电容器的等效mn。质量用克表示(左侧纵坐标轴)。％Δm表示卷绕在一起的元件与连接的元件之间的质量增益百分比(右侧纵坐标轴)。
数值实例3
ec＝0.4cm et＝0.05cm
d(铝的比重)＝2.7g/cm3
mu 5000F＝650g
图23显示了连接成模块的n个卷绕元件的质量m以及根据本发明的包含n个同绕元件的单一超级电容器的等效mn。质量用克表示(左侧纵坐标轴)。％Δm表示卷绕在一起的元件与连接的元件之间的质量增益百分比(右侧纵坐标轴)。
结果：
图21、图22、图23显示，不管同绕的元件的数量和所采用的初始电容的数量是多少，都获得质量的增益。附加元件连接技术(连接条、盖子等等)进一步增加在质量方面获得的增益，所述质量增益不考虑附加元件连接技术引起的增益。
结论：
无论同绕的元件的数量是多少，相对于现有技术提出的几个卷绕元件的串联或并联组件在质量和体积方面同时存在增益。
因此，这种新颖的系统对应于体积能量密度和质量能量密度的明显增加。
重要的是需要说明，每个电极的质量、集流体的涂层厚度、碳的类型以及总的宽度可以不同，如不同的说明图所示。
在上述实例中，我们采取的是最简单的情形，容易一再增加它们的数量。无论设置的类型是什么，都有利地以质量和体积的增进为目标。根据图8所述的类型的设置，还可以在电压方面获得这种增进。
每个电极可以是相对于特定的集流体对称的(最简单的和常见的情况)，从而这样形成的电容的活性材料的数量加倍并大大增加组件的体积电容，因此大大增加可容纳的最大能量。不应排斥非对称的情况：
-相同的元件中电容不同的卷绕元件的情况，
-不同的活性材料的情况(例如不同的碳的多孔性)
-多轨同绕元件的组合，即超级电容器包括至少两个间隔距离d的并列复合体和至少一个面向这两个并列复合体并通过至少一个隔离物与其隔开的共用复合体，隔离物和复合体被卷绕在一起，以便通过多卷绕元件系统(本发明的目的)形成卷绕元件(另一专利申请的目的)。
在图24-28中显示了可通过根据本发明的超级电容器获得的电路的不同示例。
参考图24，显示了一种示意性电路，在该电路中，通过包括不同的导电和绝缘区域的特殊类型的盖子串联的卷绕元件10，20，30(每一个都构成超级电容器)的接连，可以获得不同卷绕元件的串联电连接。
参考图25，显示了另一示意性电路，其中第一超级电容器的每个卷绕元件10，20，30与另一超级电容器的卷绕元件10’，20’，30’串联，第一超级电容器的不同的卷绕元件并联。
更特别地，每个超级电容器的底部覆盖有(图10所示的类型的)包括被(冠状)电绝缘部分60互相隔开的三个导电部分S1，S2，S3(S1是圆盘形的，S2和S3是冠状的)的盖子。然后将两个超级电容器叠置，从而：
-第一超级电容器的中心卷绕元件10与第二超级电容器的中心卷绕元件10’串联
-第一超级电容器的外周卷绕元件30与第二超级电容器的外周卷绕元件30’串联，以及
-第一超级电容器的中间卷绕元件20与第二超级电容器的中间卷绕元件20’串联。
该电路的优点在于两个超级电容器之间的电连接不需要使用连接条。显而易见，在两个相邻的超级电容器电连接的情况下，可通过使用特殊的连接条(例如图16所示的连接条)来实现相同的电路，如图26所示。
参考图27，显示了连接超级电容器的接连的卷绕元件以形成星形电路的实施例。
更特别地，超级电容器的下底被整个表面导电的盖子覆盖，超级电容器的上底被图13显示的类型的包括三个连接到超级电容器的分别的卷绕元件的圆盘部分的盖子覆盖。参考图14描述的类型的连接条用于将超级电容器的卷绕元件连接到其他的相邻的超级电容器的卷绕元件。
参考图28，最后显示了一种示意性电路，其中两个超级电容器串联电连接，每个超级电容器的卷绕元件并联。
更特别地，每个超级电容器的底部被整个表面导电的盖子覆盖并通过在整个表面上导电的连接条连接。
因此，根据本发明的超级电容器可以制作很多比现有技术的超级电容器更符合人体工学的电路。
读者应理解，在实质上不脱离本文所述的新颖性教示和优点的情况下，可对上文所述的超级电容器进行多种变化。
因此，所有这类变化应落在权利要求所限定的超级电容器的范围内。
这类元件设计还可以像任意类型(锂离子、锂聚合物、Ni-Cd、Ni-MH)的电池或电池单元甚至燃料电池那样获得应用。
根据本发明的超级电容器具有许多优点：
-对于体积能量与两个标准超级电容器的体积能量相同的根据本发明的超级电容器，可以施加较低的电压，因此可以非常大大限制气体的产生，从而以非常有利的方式延长使用寿命。
-每个电路的根据本发明的超级电容器的内部容积可以有利地比两个串联的标准电容器的内部容积大。在这种情况下，也可以延长使用寿命。
最后，在包括多个互相连接的超级电容器的模块中，模块的串联电阻的至少一半是卷绕元件和盖子之间的连接技术电阻。在包括多个根据本发明的超级电容器的模块中，由于与包括多个标准超级电容器的模块相比减少了盖子和卷绕元件之间所需要的接头的数量，模块的串联电阻被大大减小。
Claims (36)
1.一种具有双电化学层的超级电容器，包括至少两个复合体(2，3)和两个复合体(2，3)之间的至少一个隔离物(4)，所述复合体(2，3)和所述隔离物(4)被卷绕在一起，以便形成卷绕元件(10)，其特征在于，所述超级电容器进一步包括至少一个其他复合体(1)和至少一个其他隔离物(4)，所述其他复合体(1)和所述其他隔离物(4)围绕所述卷绕元件(10)被卷绕在一起，从而形成至少一个连续的卷绕元件(20)，这些接连的卷绕元件(10，20)被电绝缘空间隔开。
2.如权利要求1所述的超级电容器，其特征在于，所述超级电容器的复合体(3)是两个接连的卷绕元件(10，20)共用的。
3.如权利要求1所述的超级电容器，其特征在于，所述超级电容器进一步包括至少一个第二其他复合体(3b)，所述其他复合体(3a，3b)和所述其他隔离物(4)围绕所述卷绕元件(10)被卷绕在一起，从而形成连续的卷绕元件(20)。
4.如权利要求1至3任一项所述的超级电容器，其特征在于，通过由至少一圈介电绝缘材料构成的强化物(40)形成所述电绝缘空间。
5.如权利要求1或2所述的超级电容器，其特征在于，通过使第一卷绕元件(10)的至少一个复合体(2)与第二卷绕元件(20)的至少一个复合体(1)间隔距离q来形成所述电绝缘空间
6.如权利要求5所述的超级电容器，其特征在于，其中所述距离q应至少等于1mm。
7.如权利要求1至6任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述隔离物(4)是连续的，从而所述超级电容器包括单个隔离物，该单个隔离物是不同的卷绕元件(10，20，30)共用的并且充当不同的卷绕元件(10，20，30)之间的强化物(40)。
8.如权利要求1至7任一项所述的超级电容器，其特征在于，每个卷绕元件(10，20，30)的高度是恒定的。
9.如权利要求1至7任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述卷绕元件(10，20，30)具有不同的高度。
10.如权利要求1至9任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述卷绕元件(10，20，30)沿其纵轴(Z)相对于彼此偏移。
11.如权利要求1至10任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述卷绕元件(10，20，30)通过整个表面导电的第一导电盖子(50)电连接，所述盖子(50)位于所述卷绕元件(10，20，30)的底面的其中之一上。
12.如权利要求11所述的超级电容器，其特征在于，所述第一盖子(50)具有锯齿状截面。
13.如权利要求11所述的超级电容器，其特征在于，所述第一盖子(50)实质上在平面内延伸。
14.如权利要求10至13任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述卷绕元件(10，20，30)通过整个表面导电的第二导电盖子(50)电连接，所述盖子(50)位于所述卷绕元件(10，20，30)的另一个底面上，从而并联所述卷绕元件(10，20，30)。
15.如权利要求10至13任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述卷绕元件(10，20，30)通过包括导电部分(S1，S2，S3)的第二导电盖子(50)电连接，所述导电部分(S1，S2，S3)被电绝缘部分(60)互相隔开，每个导电部分(S1，S2，S3)分别与所述卷绕元件(10，20，30)电接触，从而串联所述卷绕元件(10，20，30)。
16.如权利要求15所述的能量超级电容器，其特征在于，所述导电部分(S1，S2，S3)的其中之一(S1)为圆盘形的，其他的导电部分(S2，S3)是冠状的，所述导电部分(S1，S2，S3)被冠状电绝缘部分(60)互相隔开。
17.如权利要求14至16任一项所述的能量超级电容器，其特征在于，所述第二盖子(50)全部在平面内延伸。
18.如权利要求14至16任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述第二盖子(50)具有锯齿状截面。
19.如权利要求15所述的能量超级电容器，其特征在于，每个导电部分(S1，S2，S3)是圆盘部分的形状，圆盘部分(S1，S2，S3)通过径向绝缘部分(60)互相隔开。
20.如权利要求19所述的超级电容器，其特征在于，所述超级电容器通过至少两个连接条(70)连接到同类型的至少一个其他超级电容器上，每个连接条(70)包括分别用于与所述盖子(50)的圆盘形导电部分(S1，S2，S3)接触的导电部分。
21.如权利要求15至19任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述超级电容器通过至少一个连接条(70)电连接到同类型的另一超级电容器上，所述连接条(70)包括通过至少一个电绝缘部分互相绝缘的至少两个导电部分，所述导电部分分别用于与所述盖子(50)的导电部分(S1，S2，S3)接触。
22.如权利要求21所述的超级电容器，其特征在于，所述连接条(70)实质上是扁平的，所述盖子(50)包括在所述盖子(50)和所述连接条(70)之间的接触面延伸的电绝缘区域(60)，所述电绝缘区域(60)被布置成使所述连接条(70)的每个导电部分与所述盖子(50)的单一导电部分(S1，S2，S3)电接触。
23.如权利要求21所述的超级电容器，其特征在于，每个导电部分在所述连接条(70)的端部(80)包括突出的连接元件，每个突出的元件用于与所述盖子(50)的分别的导电部分(S1，S2，S3)接触。
24.如权利要求4至23任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述强化物(40)的高度介于第一卷绕元件(10)的活性材料的高度与所述第一卷绕元件(10)的总高度之间。
25.如权利要求1至23任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述卷绕元件(10，20，30)的复合体(1，2，3a，3b)的电极(12，13，22，23，32，33)的长度不同。
26.如权利要求1至25任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述卷绕元件(10，20，30)的复合体(1，2，3a，3b)的电极(12，13，22，23，32，33)的厚度不同。
27.如权利要求1至26任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述卷绕元件(10，20，30)的复合体(1，2，3，3b)的电极(12，13，22，23，32，33)的种类不同。
28.如权利要求1至27任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述卷绕元件(10，20，30)的垂直于卷绕轴(Z)的底部是圆形的。
29.如权利要求1至27任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述卷绕元件(10，20，30)的垂直于卷绕轴(Z)的底部是六边形的。
30.如权利要求1至27任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述卷绕元件(10，20，30)的垂直于卷绕轴(Z)的底部是三角形的。
31.如权利要求1至27任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述卷绕元件(10，20，30)的垂直于卷绕轴(Z)的底部是八边形的。
32.如权利要求1至27任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述卷绕元件(10，20，30)的垂直于卷绕轴(Z)的底部是矩形的。
33.如权利要求28至32任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述卷绕元件(10，20，30)的角是不突出的。
34.如权利要求1至27任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述卷绕元件(10，20，30)的垂直于卷绕轴的底部是椭圆形的。
35.一种模块，其特征在于，所述模块包括壳体，在所述壳体中放置至少一个如权利要求1至34任一项所述的超级电容器。
36.如权利要求35所述的模块，其特征在于，所述模块进一步包括至少一个标准超级电容器以及用于封闭所述壳体的盖子，所述标准超级电容器包括圆柱形卷绕元件，所述卷绕元件包括被卷绕在一起以便形成置于壳体中的卷绕元件的至少两个电极和至少一个隔离物，所述标准超级电容器通过至少一个连接条电连接到所述超级电容器。
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