CN102099882A - 多路超级电容器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超级电容器，包括间隔距离d的至少两个并列的复合体(1，2)和与所述两个并列的复合体(1，2)相对并通过至少一个隔离物(4)与它们隔开的至少一个共用复合体(3)，所述隔离物(4)和所述复合体(1，2，3)螺旋卷绕在一起，以便形成卷绕元件。
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实现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的铝集电器上。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。
每个盖子能够盖在分别的超级电容器上从而例如通过锡焊电连接到超级电容器上。
如图11所示，每个盖子90还包括能够与连接条70的通孔接触从而电连接两个相邻的超级电容器20的连接端子80。
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相当于超级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，而不会发生退化。
发明内容
为此目的，提供了一种超级电容器，包括：间隔距离d的至少两个并列的复合体和面向所述两个并列的复合体并通过至少一个隔离物与它们隔开的至少一个共用复合体，所述隔离物和所述复合体被卷绕在一起，以便形成卷绕元件。
“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。
“并列的复合体”表示(在被卷绕以形成卷绕元件之前的)两个共面的复合体，被宽度为d的电绝缘空间隔开。换言之，通过“并列的复合体”表示根据平行于卷绕元件的纵轴(即卷绕轴)的方向间隔距离d的两个复合体。
“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。
根据本发明的超级电容器具有下列优选但非限制性的方面：
-所述隔离物由间隔小于距离d的距离w的至少两部分组成，每个部分将彼此相对的复合体完全隔开，
-距离w大于1mm，
-每个复合体在集流体的每一侧包括两个相反的电极，从而每个电极具有与所述集流体的分别的表面共同的导电表面，
-所述共用复合体包括间隔距离g的至少两个并列的电极，每个电极面对并列的复合体的电极布置，
-距离g等于距离d，
-所述共用复合体的电极的厚度不同，
-所述共用复合体的电极的宽度不同，
-所述并列的复合体的电极的厚度不同，
-彼此面对的复合体的长度不同，
-所述并列的复合体的电极的宽度不同，
-所述复合体的电极的种类不同，
-所述并列的复合体的电极的长度、宽度、厚度和种类相同，
-所述卷绕元件的垂直于卷绕轴的底部是圆形的，或
-所述卷绕元件的垂直于卷绕轴的底部是六边形的，或
-所述卷绕元件的垂直于卷绕轴的底部是三角形的，或
-所述卷绕元件的垂直于卷绕轴的底部是八边形的，或
-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，
-所述超级电容器包括两个并列的复合体以及共用复合体，所述两个并列的复合体都对外连接，
-所述超级电容器包括对外连接且两两并列的三个复合体、以及共用复合体，
-所述超级电容器包括对外连接且对共用复合体并列的两组复合体，这两组彼此相对，从而第一组的共用复合体面对第二组的对外连接的复合体，
-所述超级电容器包括至少两个并列的复合体，其具有被至少一个隔离物隔开的至少一个面对的共用复合体，所述复合体和所述隔离物被卷绕在一起，从而形成第一卷绕元件，所述超级电容器进一步包括至少两个其他的并列的复合体，其具有被至少一个其他的隔离物隔开的至少一个其他的面对的共用复合体，所述其他的复合体和所述其他的隔离物在所述第一卷绕元件周围被卷绕在一起，以便形成至少一个第二卷绕元件，这些接连的卷绕元件被电绝缘空间隔开，
-所述超级电容器被布置成存在两个接连的卷绕元件所共用的复合体。
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储能组件和现有技术的储能组件两者，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1-10显示了根据本发明的超级电容器的不同实施例，
图11显示了现有技术的模块，
图12显示了根据本发明的超级电容器的实施例，此时组成该超级电容器的不同元件卷绕在一起以形成卷绕元件，
图13a-13c显示了现有技术的12个超级电容器、六个根据本发明的两路超级电容器、以及四个根据本发明的三路超级电容器分别占用的体积。
具体实施方式
下面将参考图1-13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1，显示了超级电容器的第一实施例的不同元件。
超级电容器包括间隔距离d的两个并列的复合体1，2。
有利地，并列的复合体1，2之间的距离d应足够大，以使并列的复合体1，2彼此电绝缘。
超级电容器还包括面向两个并列的复合体1，2放置的被称为“共用复合体”的复合体3。
超级电容器还包括两个隔离物4。隔离物4使并列的复合体1，2与共用复合体3电绝缘。其中一个隔离物位于共用复合体和并列的复合体之间。另一个隔离物位于共用复合体的另一个表面上，从而共用复合体位于隔离物之间。
面对图2，每个复合体1，2，3包括集流体11，21，31以及电极12，22，32(图中显示了电极32的两个部分32a和32b)，电极与集流体具有共同的导电表面。
面向并列的及共用的复合体的区域Z1和Z2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宽度确定。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，并列的复合体1，2、共用复合体3以及隔离物4被卷绕在一起，以便形成卷绕元件。
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(与连接现有技术的两个相邻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，从而)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。
与用于串联两个超级电容器单元的连接条和盖子的去除相关的优点如下所述：
-卷绕元件的单元电压增加，但先验的存储的总能量不增加，
-卷绕元件之间的连接最优化，
-两个串联的超级电容器单元之间的电阻Rs减小，
-与现有技术的两个串联的超级电容器相比，质量减小，
-与现有技术的两个串联的超级电容器相比，体积减小，
-因此能量和功率的体积和质量密度增加，
-与现有技术的(标准)一路超级电容器的串联相比，内部的自由体积不减少，
-从制造方法的观点来看(单一超级电容器中n个单元)，赢得了时间。
在图1所示的实施例中，每个并列的复合体1，2超出卷绕元件的分别的端部延伸，以便与外部电连接。并列的复合体1，2中的复合体1用作超级电容器的阳极，另一个复合体2用作超级电容器的阴极。
共用复合体3不与外部连接，并且没有隔离物4宽。本领域技术人员容易理解，共用复合体3作为：
-用于用作阳极的并列复合体1的阴极，
-用于用作阴极的并列复合体2的阳极，
图2是图1所示的总图的细节图。
有利地，每个复合体1，2，3可在集流体11，21，31的每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(图中通过间隔距离g的两个部分32a和32b显示电极32)，33(在图中共用复合体3本身也包括间隔距离g的两个并列的电极33a，33b，距离g可大于或等于距离d)与集流体11，21，31的分别的表面具有共同的导电表面。
这可以使构成超级电容器的活性材料的数量加倍，因此可以增加超级电容器的体积电容，从而增加超级电容器可容纳的能量。
通过这种方式可以有助于复合体和隔离物的一圈一圈的卷绕。
这些电极32a，32b中的每一个面对并列的复合体1，2的分别的电极12，22。
共用复合体3还包括与两个并列的电极32a，32b相反的两个其他的电极33a，33b。这两个电极与集流体3的另一表面电接触。
更确切地说，其他电极33a，33b中的每一个与共用复合体3的其他并列电极32a，32b的其中之一相反。
换言之，共用复合体3包括两两并列并相对于共用复合体3的集流体31对称布置的四个电极32a，32b，33a，33b。
在活性材料在集流体31上的涂布(或挤压)过程中，在集流体31的每一侧上设置掩模，在制作共用复合体的方法中，将掩模连续地去除，可通过这种方式来获得共用复合体3的电极32a/32b，33a/33b之间的空间g。
在一个实施例中，不同的复合体1，2，3的电极是相同的。换言之，不同的复合体的电极具有相等的长度、相等的宽度、相等的厚度并且由相同的材料制成。
通过这种方式，可以获得对称的两路超级电容器。
但是，不同的复合体1，2，3的电极(在长度和/或宽度和/或厚度和/或组成材料的种类方面)可以是不同的。
通过这种方式，可以获得不对称的超级电容器，即超级电容器的阳极的体积与超级电容器的阴极的体积不同的超级电容器。
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。
例如可以通过改变并列复合体上的电极的厚度，或改变电极的宽度，来实现超级电容器的不对称性，从而正负电极具有不同的体积。
参考图3，显示了其中超级电容器的阳极和阴极不对称的实施例。每个并列的复合体1，2包括两个电极12，13和22，23。共用复合体3也还包括四个电极32a，32b，33a，33b。
并列的复合体1，2中的第一复合体1的每个电极12，13均具有第一厚度e1，并列的复合体1，2中的第二复合体2的电极22，23均具有与第一厚度e1不同的第二厚度e2。
此外，共用复合体3面对并列的复合体1，2中的第一复合体1的电极32a，33a的厚度都等于第二厚度e2，共用复合体3面对并列的复合体1，2中的第二复合体2的电极32b，33b的厚度都等于第一厚度e1。
换言之，构成阳极的电极12，13和32b，33b的厚度不同于构成阴极的电极22，23和32a，33a的厚度。
通过这种方式，可以获得不对称的超级电容器，其包括两个串联的具有先验的不同电容的超级电容器。
参考图4，显示了另一实施例，其中超级电容器的阳极和阴极是不对称的。
在该实施例中，并列的复合体1，2的电极12，13，22，23的每一个的厚度是相同的。
此外，共用复合体3的所有电极32a，32b，33a，33b具有相同的厚度。
为了获得不对称性，共用复合体侧3上的电极厚度与并列的复合体侧1，2上的电极厚度不同。
此外，并列的复合体1，2中的第一复合体1的电极12，13的宽度L1与并列的复合体1，2中的第二复合体2的电极22，23的宽度L2不同，共用复合体3的电极32a，33a(32b，33b分别地)的宽度等于并列的复合体1(2分别地)的与其相对的电极的宽度L1(L2分别地)。
参考图5，显示了不对称的超级电容器的另一实施例。
在该实施例中，并列的复合体的电极12，13和22，23的宽度L1，L2不同，共用复合体3的电极32a，33a(32b，33b分别地)的宽度等于并列的复合体1(2分别地)的与其相对的电极的宽度L1(L2分别地)。
此外，两个并列复合体1，2中的第一复合体1的电极12，13的厚度不同于两个并列的复合体1，2中的第二复合体2的电极22，23的厚度。
共用复合体3的电极32a，32b，33a，33b的厚度相同。此外，共用复合体3的电极32a，32b，33a，33b的厚度不同于并列的复合体的电极12，13和22，23的厚度。
在该实施例中，第一超级电容器的总厚度不同于第二超级电容器的总厚度，其中第一超级电容器由两个并列的复合体1，2中的第一复合体1和共用复合体的面对两个并列的复合体1，2的部分构成，第二超级电容器由两个并列的复合体1，2中的第二复合体2和共用复合体的面对两个并列的复合体1，2的部分构成。
为了对超级电容器的总厚度差进行补偿，超级电容器可包括垫片(spacer)，以便于用于形成卷绕元件的隔离物4和三个复合体1，2，3的卷绕。有利地，这些垫片可包括由中性材料和/或与隔离物相同的材料制成的层。
在另一实施例中，并列的复合体1，2的电极12，13，22，23具有相同的厚度，但由不同的材料构成，从而呈现不同的法拉第密度。
在图6所示的实施例中，其中共用复合体3仅包括面对并列的复合体1，2放置的两个相反的电极32，33。在该实施例中，位于并列的复合体1，2之间的隔离物4以及共用复合体3是连续的。
复合体1，2，3的电极12，22，32可以是任意宽度的。有利地，每个复合体1，2，3的相反的电极13，23，33具有相同的宽度。
并列的复合体1，2的集流体11，21超出电极12，13，22，23向外延伸，从而允许超级电容器(一旦被卷绕)与其他电极的连接。
隔离物4超出面对的电极12，13，22，23，32，33延伸，以避免复合体1，2，3的电极的退化。
并列的复合体1，2间隔距离d，从而获得电间断区域。有利地，该距离d应足够大以避免并列的复合体1，2的其中之一与并列的复合体1，2中的另一个直接通电。例如，距离d可大于1毫米。1毫米的距离d实际上足以防止在两个并列的复合体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。实际上，这种系统的电压是现有技术的标准元件的电压的两倍，并且是在相同的壳体中，从而电极承受双倍电压，因此承受了更快分解的风险。因此选择并列的复合体1和2之间的距离d以便防止电极承受该双倍电压。
有利地，两个并列的复合体1，2之间限定的区域Z3可包括电绝缘体，例如真空、液体或气体。为了可以这样填充该区域，适当地选择电解液在壳体内的体积，以使其仅填充整个活性材料，而没有任何多余的量，以便使空余的空间空着。
共用复合体3的面对限定在两个并列的复合体1，2之间的区域Z3布置的集流体部分31c是共用复合体3的电连续区域。
该区域可以被如下形成：
-在共用复合体3包括同一单一集流体的情况下，如图6所示，该区域可被形成为共用复合体的集流体的一部分，
-或者，在共用复合体3包括焊在一起的两个并列的集流体31a，31b的情况下，如图7所示，该区域可被形成为电连接，例如焊料。
如图8所示，位于并列的复合体1，2之间的隔离物4以及共用复合体3可以是间断的，即由两个并列的隔离物4a，4b构成。在这种情况下，这些并列的隔离物4a，4b之间的距离有利地小于并列的复合体1，2之间的距离d。通过这种方式，可以确保并列的复合体1，2的电极12，22和共用复合体3的电极32a，32b之间的电绝缘，从而避免复合体1，2，3退化的风险。两个并列的隔离物4a，4b之间限定的区域可包括任意类型的绝缘材料，例如真空、气体或绝缘液体。
图9显示了图6的超级电容器的两个接连的卷绕元件，此时不同复合体和隔离物卷绕在一起以便形成卷绕元件。
不同的复合体1，2，3的电极12，13，22，23，32，33形成多个超级电容器。
并列的复合体1，2的面对共用复合体3的电极32的电极12，22与共用复合体3的该电极32和位于共用复合体3和并列的复合体1，2之间的隔离物4形成通过卷绕设计(彼此)串联电连接的第一超级电容器A和第二超级电容器B。
并列的复合体1，2的相反电极13，23和共用复合体3的相反电极33与位于不同的复合体1，2，3的相反电极13，23，33之间的隔离物4形成通过卷绕设计(彼此)串联电连接的第三超级电容器C和第四超级电容器D。
第一超级电容器A和第二超级电容器B通过卷绕设计与第三超级电容器C和第四超级电容器D并联电连接。
这样获得在同一卷绕元件中包括四个超级电容器A、B、C、D的超级电容器。
当然，不同的复合体1，2，3的电极12，13，22，23，32，33可由不同的活性材料构成，以便获得不对称性，如上文所述(不同的复合体的电极采用活性材料的不同的混合物)。有利地，通过调整炭的空隙的大小使之适应所采用的离子的大小，可以对不同的电极12，13，22，23，32，33采用不同的活性炭。
还可以对不同的复合体1，2，3的电极12，13，22，23，32，33的体积作用，以便获得不对称性。
图10显示了包括n个超级电容器的超级电容器。
超级电容器包括交替布置在隔离物4的上方和下方的多个复合体1，2，3a，3b。
多个复合体的两个邻近的复合体3a(3b分别地)被宽度非零的空余40a(40b分别地)隔开。位于隔离物4上方的并列的复合体3a之间的空余40a相对于位于隔离物4下方的并列的复合体3b之间的空余40b偏移。
两个邻近的复合体所共用的复合体的电连续性——通过面对空余40的到共用复合体的内部连接区域——确保两个通过它们形成的超级电容器的串联。
这样获得包括n个串联电连接的超级电容器的超级电容器。
对于图1-10所示的不同实施例，在卷绕机上卷绕的过程中，通过对被空余40所提供的宽度隔开的邻近的复合体同时进行卷绕来获得空余40。
在不连续的隔离物(即并列的复合体和共用复合体之间的若干并列的隔离物)的情况下，可使用相同的方法来产生隔离物之间的间隔。
空余40的宽度d——对应于并列的复合体之间的间隙——通过在开始卷绕操作时适当地放置复合体来用机械获得。
空余40的宽度“d”取决于所采用的绝缘材料。
如果空余40中含有气体(例如气体形式的电解质溶剂)，则在正常操作过程中施加到元件上的电压Un应小于该气体的击穿电场的“d”倍。
如果空余40中含有液体，则空余40的等于的总电阻应大于1kΩ，其中σ为电解质的导电率，N为总卷绕长度，ec为空余40的厚度。该约束设定了宽度d的容许值。
如果空余40中含有(电绝缘)固体，则并列的复合体之间的电压Un应小于绝缘材料的击穿电场。
如果空余40中含有混合结构(不同材料和/或不同相的混合物)，宽度d将被选择为所有值中的最大者。
有利地，超级电容器可包括复合体的叠层。
例如，在一个实施例中，超级电容器包括两个并列的复合体，其具有通过隔离物与并列的复合体隔开的至少一个面对的共用复合体。复合体和隔离物被卷绕在一起，从而形成第一卷绕元件。超级电容器还包括两个其他的并列的复合体，其具有被其他隔离物隔开的其他面对的共用复合体。所述其他复合体和所述其他隔离物在第一卷绕元件周围被卷绕在一起，以便形成第二卷绕元件。第一卷绕元件和第二卷绕元件被电绝缘空间隔开。
通过这种方式，与现有技术的包括通过连接条和盖子电连接的超级电容器的模块的体积和质量相比，可以减小超级电容器的体积和质量。
这还可以减小与连接条和盖子的购买和安装相关的制造成本，并且减小通过这种方式获得的超级电容器的串联电阻。
超级电容器可具有不同的形状。例如，超级电容器可以是圆柱形的。
超级电容器的底部可以是与卷绕轴垂直的六边形的、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。
可论证多路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电连接有关的体积。
图11显示了现有技术的这种模块。模块包括两个超级电容器20。每个超级电容器20包括圆柱形卷绕元件，而该卷绕元件包括两个电极和一个隔离物。电极的一部分85向外突出。通过连接条70和盖子90串联超级电容器。每个盖子90盖在分别的超级电容器20上，从而在向外突出的电极部分85处电连接到超级电容器20。每个盖子80进一步包括能够与连接条70的通孔接触的连接端子80，从而以串联方式电连接两个超级电容器20。
参考图12，显示了根据本发明的示意性超级电容器，其通过两个串联电连接的超级电容器的设计构成。该超级电容器能够通过连接条连接到相邻的相同类型的超级电容器上。
为了论证根据图12所示的超级电容器相对于图11所示的模块的体积增益，需要下列参数：
H：活性高度(cm)
e：超出卷绕元件延伸的电极部分的高度(cm)
ec：盖子的厚度(cm)
eb：连接条的厚度(cm)
d：空余的宽度(其中e＞d)(cm)
由这些参数可以计算现有技术的模块的体积以及根据本发明的超级电容器的体积：
Nn：等效值
的n路超级电容器的体积(cm3)
V：现有技术的包括串联的n个值C的超级电容器的模块体积(cm3).
对于图11和图12中相同的值h，ec，
e，et，eb，可以得到：
因此，现有技术的模块与根据本发明的超级电容器之间的体积差ΔV等于：
可论证多路系统的质量增益的一般情形
为了论证根据图12所示的超级电容器与图11所示的模块的相比的质量增益，还需要下列参数：
et：卷绕元件放置在其中的套管的厚度(cm)
mu：超级电容器C的质量(g)
mc：值C的超级电容器盖子的质量(g)
mb：连接条的质量(g)
ζ：套管和盖子的材料的比重(g/cm3)
由这些参数可以计算下列质量：
mt C：(现有技术的模块中的)值C的超级电容器的套管的质量(g)
mt C/n：(根据本发明的超级电容器中的)等效值
的n路超级电容器的套管的质量(g)
m：(现有技术模块中的)n个串联的值C的超级电容器的总质量(g)
mn：(根据本发明的超级电容器中的)等效值
的n路超级电容器的总质量(g)
对于图11和图12中相同的值h，ec，
e，et eb，可以得到：
m＝n(mu+mt C+2mc)+(n-1)mb
mn＝nmu+2mc+mt C/n
因此，现有技术的模块与根据本发明的超级电容器之间的质量差Δm等于：
在这些计算中假设n路卷绕电容的质量等于单元卷绕电容的质量的n倍。已知该假设是保守的，因为只有当d＝2e时该假设才为真。在实际情况下，e远大于d。
上面建立的公式的数值应用
2600F的标准超级电容器与根据本发明的2，600F的两路超级电容器之间的对比
mu＝370g
C＝2,600F
et＝0.05cm
h＝8cm
e＝0.7cm
ec＝0.3cm
eb＝0.4cm
d＝0.4cm
ζ＝2.7cm
结果
mc＝30g
mb＝15g
mt C＝30g
mt C/m＝55g
m＝935g(通过连接条连接的2个超级电容器的总质量)
mn＝855g(两路超级电容器的质量)
Vn＝900cm3
V＝1,020cm3
因此，根据本发明的超级电容器的与现有技术的模块相比的体积和质量的增益为：体积-11.7％，质量9％。
用于组成模块的本发明的多路元件的应用实例
我们考虑根据图13a布置的12个元件的模块。3000F元件的质量是469g，包括盖子和管子的质量。模块包括11个连接条，每个连接条为15g。元件的直径为6.85cm，单元高度为9cm。
根据计算，12个超级电容器的体积的值为3980.1cm3：
Vsupercapacitors＝12xπx9x3.4252＝3,980.1cm3
超级电容器之间间隔2mm(以避免短路)。整个超级电容器的下表面和上表面被3mm的下板和上板覆盖，中间有2mm的自由空间。这些板为铝制的(d＝2.7)。模块的侧面由2mm厚的铝制(d＝2.7)金属片构成。因此，模块的外部体积的值为：
Vexternal＝(6.85x6+0.2x7)x(6.85x2+0.2x3)x(9+(0.3+0.2)x2)
＝42.5x14.3x10
＝6,077.5cm3
因此，模块的总质量的值为：
mmodule＝(469x12)+11x15+(42.5x14.3x0.3x2.7)x2+(10x42.5x0.2x2.7)x2+(10x14.3x0.2x2.7)x2
＝5,628+165+985+459+154.5
＝7,391.5g
下面考虑与根据现有技术的系统相比承受双倍电压的两路1500F元件。通过保持与现有技术元件相同的(卷绕元件高度)/(卷绕元件直径)比值，得到两路元件的下列高度和直径参数：
Dwinding＝8.5cm
Hwinding＝11cm
两路元件单元的质量的值为863g，包括盖子和套管两者的质量。
根据图13b，现在有通过5个连接条串联在一起的6个两路元件。模块包括5个连接条，每个连接条为17g。
根据计算，6个两路超级电容器的体积的值为3745.2cm3：
Vsupercapacitors＝6xπx11x4.252＝3,745.2cm3
超级电容器之间间隔2mm(以避免短路)。整个超级电容器的下表面和上表面被3mm的下板和上板覆盖，中间有2mm的自由空间。这些板为铝制的(d＝2.7)。模块的侧面由2mm厚的铝片(d＝2.7)构成。因此，模块的外部体积的值为：
Vexternal＝(8.5x3+0.2x4)x(8.5x2+0.2x3)x(11+(0.3+0.2)x2)
＝26.3x17.6x12
＝5,554.6cm3
因此，模块的总质量的值为：
mmodule＝(863x6)+5x17+(26.3x17.6x0.3x2.7)x2+(12x
26.3x0.2x2.7)x2+(12x17.6x0.2x2.7)x2
＝5,178+85+750+341+228
＝6,582g
下面考虑与根据现有技术的系统相比承受三倍电压的三路1000F元件。通过保持与现有技术元件相同的(卷绕元件高度)/(卷绕元件直径)比值，得到三路元件的下列高度和直径参数：
Dwinding＝9.7cm
Hwinding＝12.3cm
三路元件单元的质量的值为1251g，包括盖子和套管两者的质量。
根据图13c，现在有通过3个连接条串联在一起的4个三路元件。模块包括3个连接条，每个连接条为20g。
根据计算，4个三路超级电容器的体积的值为3635.8cm3：
Vsupercapacitors＝4xπx12.2x4.852＝3,635.8cm3
超级电容器之间间隔2mm(以避免短路)。整个超级电容器的下表面和上表面被3mm的下板和上板覆盖，中间有2mm的自由空间。这些板为铝制的(d＝2.7)。模块的侧面由2mm厚的铝片(d＝2.7)构成。因此，模块的外部体积的值为：
Vexternal＝(9.7x2+0.2x3)x(9.7x2+0.2x3)x(12.3+(0.3+0.2)x2)
＝20x20x13.3
＝5,320cm3
因此，模块的总质量的值为：
Mmodule＝(1251x4)+3x20+(20x20x0.3x2.7)x2+(20x13.3x0.2x2.7)x2+(13.3x20x0.2x2.7)x2
＝5,004+60+648+287.3+287.3
＝6,286.6g
下表总结了包含两路或三路元件的模块与现有技术的模块相比的质量和体积的增益。由于模块的总电压没有改变，这些质量和体积的增益与于质量和体积比能量的增益相同：
电阻的总增益
电阻的增益是由于不存在连接条以及由于盖子的数量减少。
因此与两个不同的超级电容器的组件相比，电子的路径减少。
两个超级电容器的组件的等效电阻是0.4mΩ数量级的。估计两路元件的等效电阻等于0.2mΩ。
在这种特定情况中，电阻因此除以2。
因此电阻的增益给出了增加功率密度的可能性(V2/(4Rs))。
对超级电容器的应用具体解释了上文所述的实例，读者应理解，在实质上不脱离本文所述的新的教示和优点的情况下，原则上可对上文所述的超级电容器进行多种变化，以适合于各种其他设想的储能元件的配置，例如电池或电池单元。
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。
这里介绍两类超级电容器。
第一类超级电容器(下文称之为“多路超级电容器”)包括至少两个间隔距离d的并列的复合体以及将面对这两个并列的复合体并通过至少一个隔离物与其隔开的至少一个共用复合体，隔离物和复合体被卷绕在一起，以便形成卷绕元件。
第二类超级电容器(下文称之为“多卷超级电容器”)包括至少两个复合体和两个复合体之间的至少一个隔离物，复合体和隔离物被卷绕在一起，以便形成卷绕元件，多卷超级电容器的特别之处在于其进一步包括至少一个其他复合体和至少一个其他隔离物，所述其他复合体和所述其他隔离物在卷绕元件周围被卷绕在一起，以便形成至少一个连续的卷绕元件，接连的卷绕元件被电绝缘空间隔开。
多路超级电容器和多卷超级电容器具有许多优点：
-对于多路超级电容器或多卷超级电容器，在体积能量与两个标准超级电容器的体积能量相同的情况下，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。
-每个组件的多路超级电容器或多卷超级电容器的内部容积可以有利地比两个关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物和盖子之间的连接电阻。
在包括多个多路超级电容器或多卷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，减少了盖子和卷绕物之间所需要的接头的数量，模块的串联电阻被大大减小。
多路超级电容器与多卷超级电容器相比还具有优点。
特别地，多路超级电容器允许使用现有技术的盖子和连接条来电连接两个相邻的多路超级电容器。
因此，多路超级电容器的制造方法由于不需要应用锡焊或制造特殊的盖子的步骤，因此比多卷超级电容器的制造方法更容易适合现有的超级电容器制造方法。
Claims (27)
1.一种具有双电化学层的超级电容器，其特征在于，包括间隔距离d的至少两个并列的复合体(1，2)和面向所述两个并列的复合体(1，2)并通过至少一个隔离物(4)与所述两个并列的复合体(1，2)隔开的至少一个共用复合体(3)，所述隔离物(4)和所述复合体(1，2，3)被卷绕在一起，以便形成卷绕元件。
2.如权利要求1所述的超级电容器，其特征在于，所述隔离物(4)由间隔小于距离d的距离w的至少两部分组成，每个部分将彼此相对的复合体(1，2，3)完全隔开。
3.如权利要求2所述的超级电容器，其特征在于，距离w大于1mm。
4.如权利要求1-3任一项所述的超级电容器，其特征在于，每个复合体(1，2，3)在集流体(11，21，31)的每一侧包括两个相反的电极(12，13，22，23，32，33)，从而每个电极具有与所述集流体的分别的表面共同的导电表面。
5.如权利要求1-4任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述共用复合体(3)包括间隔距离g的至少两个并列的电极(32a，32b)，每个电极面对并列的复合体(1，2)的电极(12，22)布置。
6.如权利要求5所述的超级电容器，其特征在于，距离g等于距离d。
7.如权利要求4-6任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述共用复合体(3)的电极(32a，32b，33a，33b)的厚度不同。
8.如权利要求4-7任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述共用复合体(3)的电极(32a，32b，33a，33b)的宽度不同。
9.如权利要求1-8任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述并列的复合体(1，2)的电极(12，13，22，23)的厚度不同。
10.如权利要求1-9任一项所述的超级电容器，其特征在于，彼此面对的复合体(1，2，3)的长度不同。
11.如权利要求1-10任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述并列的复合体(1，2)的电极(12，13，22，23)的宽度不同。
12.如权利要求1-11任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述复合体(1，2，3)的电极的种类不同。
13.如权利要求1-6任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述并列的复合体(1，2)的电极的长度、宽度、厚度和种类相同。
14.如权利要求1-13任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述卷绕元件的垂直于卷绕轴的底部是圆形的。
15.如权利要求1-13任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述卷绕元件的垂直于卷绕轴的底部是六边形的。
16.如权利要求1-13任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述卷绕元件的垂直于卷绕轴的底部是三角形的。
17.如权利要求1-13任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述卷绕元件的垂直于卷绕轴的底部是八边形的。
18.如权利要求1-13任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述卷绕元件的垂直于卷绕轴的底部是矩形的。
19.如权利要求14-18任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述卷绕元件的角是不突出的。
20.如权利要求1-13任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述卷绕元件的垂直于卷绕轴的底部是椭圆形的。
21.如权利要求1-20任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述超级电容器包括两个并列的复合体以及共用复合体，所述两个并列的复合体对外连接。
22.如权利要求1-20任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述超级电容器包括对外连接且两两并列的三个复合体、以及共用复合体。
23.如权利要求1-20任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述超级电容器包括对外连接且对共用复合体并列的复合体的两个组件，这两个组件彼此相对，从而第一组件的共用复合体面对第二组件的对外连接的复合体。
24.如前述权利要求任一项所述的超级电容器，包括至少两个并列的复合体，其具有被至少一个隔离物隔开的至少一个面对的共用复合体，所述复合体和所述隔离物被卷绕在一起，从而形成第一卷绕元件，其特征在于，所述超级电容器进一步包括两个其他的并列的复合体，其具有被至少一个其他的隔离物隔开的至少一个其他的共用面对的复合体，所述其他的复合体和所述其他的隔离物在所述第一卷绕元件周围被卷绕在一起，以便形成至少第二卷绕元件，这些接连的卷绕元件被电绝缘空间隔开。
25.如权利要求21所述的超级电容器，其特征在于，存在两个接连的卷绕元件所共用的复合体。
26.一种模块，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25任一项所述的超级电容器。
27.如权利要求26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如权利要求1至25任一项所述的超级电容器。
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