CN102129917A - 双电层电容器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双电层电容器，所述双电层电容器包括：外壳，具有设置在外壳中的容纳空间并由绝缘树脂形成；第一外部端子和第二外部端子，掩埋在外壳中，第一外部端子和第二外部端子均具有暴露到容纳空间的第一表面和暴露到外壳外部的第二表面；芯片型双电层电容器单体，设置在容纳空间中并电连接到第一表面。芯片型双电层电容器单体包括：第一电极和第二电极，彼此面对并具有施加到第一电极和第二电极的相反的极性的电；至少一个感应电极层，设置在第一电极和第二电极之间，并且电不施加到感应电极层；第一分隔件和第二分隔件，第一分隔件设置在第一电极和感应电极层之间，第二分隔件设置在第二电极和感应电极层之间。
Description
本申请要求于2010年1月12日提交到韩国知识产权局的第10-2010-0002879号韩国专利申请的优先权，该申请的公开通过引用包含与此。
技术领域
本发明涉及一种双电层电容器及其制造方法，更具体地说，涉及一种具有高能量存储密度的允许浪涌电压和工作电压升高的双电层电容器(EDLC)及其制造方法。
背景技术
双电层电容器(EDLC)是一种能量存储介质，在EDLC中，阳极和阴极这两个电极被设置为彼此面对并在阳极和阴极之间插入分隔件，从而能够在电极的面对的表面上产生一对具有不同信号的电荷层(双电层)。
EDLC主要用作各种用电装置和电子装置的辅助电源、IC备用电源等。近年来，EDLC已经广泛地用于包括玩具、工业电源、不间断电源(UPS)、太阳能储能器、HEV/EV补充电源等的应用中。
通常通过将单元单体(cell)容纳在壳体中并然后用电解质填充壳体来制造EDLC。这里，通过交替地堆叠电极以及多片分隔件来构成单元单体。
典型地，为了建立EDLC所需的合适的电压和电容，将两个或多个单元单体串联和并联连接来形成EDLC。
一对电极根据施加到其上的外部电信号而具有正极性(+)或负极性(-)。端子从所述一对电极延伸，外部电施加到所述端子。
在所述一对电极中，正(+)电荷和负(-)电荷被极化，因此，在单个单元单体中形成两个电荷层(双电层)。
然而，在传统的单元单体中，浪涌电压低(即，小于3.0V)，工作电压也低(即，2.3V至2.7V)。因此，问题在于需要将两个或多个单元单体串联连接来建立能够施加到电子产品的工作电压。
EDLC通过使用活性炭电极而具有增大的面对的表面的面积(比表面积)，并通过使用电解质而具有增大了的电容。增大电极的面对的表面的面积可增大电容。
此外，作为能够快速充电/放电的储能介质的EDLC具有与电池的输出特性相比的优良的输出特性，然而由于EDLC的电压在放电的同时逐渐降低，所以每单元单体具有低的电压。因此，EDLC的能量存储密度比电池的能量存储密度小。因此，EDLC已经通常被用于电池的输出的辅助电源，以及其他用电装置和电子装置的辅助电源。
大多数包括IC的电子产品和备用电源产品需要1.8V或更高(优选地，3V至48V的宽电压范围)的工作电压。因此，为了将EDLC用于这些产品，将两个或多个单元单体串联连接以提高工作电压。
然而，在两个或多个单元单体串联连接以提高电容器的工作电压的情况下，存在需要解决的单元单体之间不可避免地出现的平衡问题的另一问题。具体地说，考虑到单元单体的电容、串联等效电阻(ESR)、漏电流等，需要诸如电阻器、二级管和另一IC的电压平衡保护电路以使电容器的总工作电压不集中到个单元单体。
同时，在能量存储介质中，使用唯一值来表示能够存储在能量存储介质中的能量的量。在电池的情况下，由于电池具有稳定的电压范围，所以使用1AH(能够供应1A的电流使用1小时的储存容量)来表示能量的量。
然而，在EDLC的情况下，使用法拉(F)。由于EDLC的电压随着放电同时变化，所以使用根据普通电容器的电容单位的符号F。此外，超高电容EDLC具有比有着mF、μF等的电容的普通电容器的电容高一千倍至一百万倍的电容。然而，传统的EDLC的工作电压显著低于如上所述的现有的电池或电容器的工作电压。
以与电池和电容器相同的方式，作为与能量存储相关的一条数据的能量存储量可被考虑为即使在EDLC中对比较能量的量有用的良好的指标。可通过下式获得能量存储量：
最大能量存储量(J)＝1/2CV2
其中，C是每个单体的电容(F)，V是能施加到单体的电压。
通过上面的等式，可见最大能量存储量与电容成比例，而也与电压的平方成比例。换言之，如果对相同的面积，电压增大至两倍，则最大能量存储量增大至四倍。然而，如果电容增大至两倍，则最大能量存储量增大至两倍。因此，可以考虑增大EDLC中可能的最大能量存储量的值的最佳方式是增大电压。
然而，如上所述，在现有技术中，单元单体串联地连接来增大工作电压。这种方法的问题在于由于多个单元单体之间的电压平衡因单元单体的电容、电容变化率、ESR、电阻变化率、漏电流和漏电流变化率的反复循环而被破坏，所以高电压被施加到单元单体中的任一个。这导致电解质被分解(电解质在施加3.0V或更高的电压时被分解)。这也导致内阻增大、电容降低等。
发明内容
本发明的一方面提供一种允许浪涌电压和工作电压升高并具有高能量存储密度的双电层电容器及其制造方法。
根据本发明的一方面，提供一种芯片型双电层电容器单体，所述芯片型双电层电容器单体包括：第一电极和第二电极，彼此面对并具有施加到第一电极和第二电极的相反的极性的电；至少一个感应电极层，设置在第一电极和第二电极之间，并且电不施加到感应电极层；第一分隔件和第二分隔件，第一分隔件设置在第一电极和感应电极层之间，第二分隔件设置在第二电极和感应电极层之间。
感应电极层可包括集流体和形成在集流体的两个表面上的电极材料。
根据本发明的另一方面，提供一种双电层电容器，所述双电层电容器包括：外壳，具有设置在外壳中的容纳空间并由绝缘树脂形成；第一外部端子和第二外部端子，掩埋在外壳中，第一外部端子和第二外部端子均具有暴露到容纳空间的第一表面和暴露到外壳外部的第二表面；芯片型双电层电容器单体，设置在容纳空间中并电连接到第一表面，其中，芯片型双电层电容器单体包括：第一电极和第二电极，彼此面对并具有施加到第一电极和第二电极的相反的极性的电；至少一个感应电极层，设置在第一电极和第二电极之间，并且电不施加到感应电极层；第一分隔件和第二分隔件，第一分隔件设置在第一电极和感应电极层之间，第二分隔件设置在第二电极和感应电极层之间。
感应电极层可包括集流体和形成在集流体的两个表面上的电极材料。
芯片型双电层电容器单体可包括堆叠的单元单体，每个单元单体包括：第一电极和第二电极，彼此面对并具有施加到第一电极和第二电极的相反的极性的电；至少一个感应电极层，设置在第一电极和第二电极之间，并且电不施加到感应电极层；第一分隔件和第二分隔件，第一分隔件设置在第一电极和感应电极层之间，第二分隔件设置在第二电极和感应电极层之间。
外壳可被形成为使得绝缘树脂与第一外部端子和第二外部端子成为一体。
第一外部端子和第二外部端子可形成在外壳的同一表面上。
外壳可包括：下壳，具有顶表面敞开的容纳空间和掩埋在下壳中的第一外部端子和第二外部端子；上盖，安装在下壳上，以覆盖容纳空间。
根据本发明的另一方面，提供一种制造双电层电容器的方法，该方法包括以下步骤：通过使绝缘树脂与第一外部端子和第二外部端子一体化来形成下壳，所述下壳包括表面敞开的容纳空间，第一外部端子和第二外部端子均具有暴露到容纳空间的第一表面和暴露到下壳外部的第二表面；准备芯片型双电层电容器单体，所述双电层电容器单体包括：第一电极和第二电极，彼此面对并具有施加到第一电极和第二电极的相反的极性的电；至少一个感应电极层，设置在第一电极和第二电极之间，并且电不施加到感应电极层；第一分隔件和第二分隔件，第一分隔件设置在第一电极和感应电极层之间，第二分隔件设置在第二电极和感应电极层之间；将所述芯片型双电层电容器单体安装在容纳空间中，使芯片型双电层电容器单体电连接到暴露到容纳空间的第一表面；将上盖安装在下壳上以覆盖容纳空间。
感应电极层可包括集流体和形成在集流体的两个表面上的电极材料。
芯片型双电层电容器单体可包括堆叠的单元单体，每个单元单体包括：第一电极和第二电极，彼此面对并具有施加到第一电极和第二电极的相反的极性的电；至少一个感应电极层，设置在第一电极和第二电极之间，并且电不施加到感应电极层；第一分隔件和第二分隔件，第一分隔件设置在第一电极和感应电极层之间，第二分隔件设置在第二电极和感应电极层之间。
可通过嵌件注射成型来执行形成下壳的步骤。
附图说明
通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的其它方面、特征和其它优点将被更清楚地理解，其中：
图1A是示出根据本发明示例性实施例的双电层电容器的示意性透视图；
图1B是示出沿线I-I′截取的图1A的双电层电容器的示意性剖视图；
图2A是示出包括在根据本发明示例性实施例的双电层电容器单体中的单元单体的示意性剖视图；
图2B是示出图2A的单元单体中的电荷分布和极化状态的示意图；
图3A至图3C是示出根据本发明示例性实施例的制造双电层电容器的方法的剖视图。
具体实施方式
现在将参照附图详细描述本发明的示例性实施例。
然而，本发明可以以许多不同的形式实施，而不应理解为局限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底的和完全的，并将把本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。应该理解的是，为了清楚起见，可夸大附图中的元件的形状和尺寸。在整个附图中，相同的标号将用来表示相同或相似的元件。
图1A是示出根据本发明示例性实施例的双电层电容器的示意性透视图。图1B是示出沿线I-I′截取的图1A的双电层电容器的示意性剖视图。
参照图1A和图1B，根据该实施例的双电层电容器包括：外壳110，在外壳110中具有容纳空间111并且由绝缘树脂形成；芯片型双电层电容器单体120，设置在外壳110的容纳空间111中。
外壳110包括掩埋在其中的第一外部端子130a和第二外部端子130b。第一外部端子130具有暴露到容纳空间111的第一表面131a和暴露到外壳110外部的第二表面132a，第二外部端子130b具有暴露到容纳空间111的第一表面131b和暴露到外壳110外部的第二表面132b。即，第一外部端子130a和第二外部端子130b是用于连接外壳110的外部和容纳空间111的结构。
外壳110可通过嵌件注射成型(insert injection molding)等被形成为使得绝缘树脂与第一外部端子130a和第二外部端子130b成为一体。
芯片型双电层电容器单体120设置在外壳110的容纳空间111中。芯片型双电层电容器单体120电连接到第一外部端子130a和第二外部端子130b的暴露到容纳空间111的第一表面131a和131b。
第一外部端子130a的第二表面132a和第二外部端子130b的第二表面132b可用于将芯片型双电层电容器单体120电连接到外部电源。
第一外部端子130a和第二外部端子130b可形成在外壳110的同一表面上。另外，虽然未示出，但是第一外部端子130a和第二外部端子130b可单独地形成在外壳110的不同表面上。
当第一外部端子130a和第二外部端子130b形成在同一表面上时，可以使用表面安装技术(SMT)在没有任何额外结构的情况下对双电层电容器本身进行表面安装。为了实现这种结构，第一外部端子130a、第二外部端子130b和外壳110可形成单个平面。
芯片型双电层电容器单体120可包括：第一电极123a和第二电极123b；感应电极层123c，设置在第一电极123a和第二电极123b之间；第一分隔件124a和第二分隔件124b，第一分隔件124a设置在第一电极123a和感应电极层123c之间，第二分隔件124b设置在第二电极123b和感应电极层123c之间。
更具体地说，芯片型双电层电容器单体120可通过堆叠以下部件来形成：包括第一电极123a和第二电极123b的单元单体120A、120B和120C中的至少一个；至少一个感应电极层123c，设置在第一电极123a和第二电极123b之间；第一分隔件124a和第二分隔件124b，第一分隔件124a设置在第一电极123a和感应电极层123c之间，第二分隔件124b设置在第二电极123b和感应电极层123c之间。虽然未示出，但是芯片型双电层电容器单体120可被构造为单个单元单体。
图2A是示出根据本发明示例性实施例的包括在芯片型双电层电容器单体中的单元单体的示意性剖视图。图2B是示出在图2A的单元单体中的电荷分布和极化状态的示意图。
参照图2A和图2B，芯片型双电层电容器单体120A包括：第一电极123a和第二电极123b；感应电极层123c，设置在第一电极123a和第二电极123b之间；第一分隔件124a和第二分隔件124b，第一分隔件124a设置在第一电极123a和感应电极层123c之间，第二分隔件124b设置在第二电极123b和感应电极层123c之间。
第一电极123a和第二电极123b彼此面对并具有施加到其上的不同极性的电。第一电极123a可包括第一集流体121a和形成在第一集流体121a上的第一电极材料122a。第二电极123a可包括第二集流体121b和形成在第二集流体121b上的第二电极材料122b。另外，为了如图1B所示那样堆叠单元单体，第一电极123a和第二电极123b可以是具有形成在集流体的两面上的电极材料的双面电极。
第一集流体121a和第二集流体121b是用于将电信号分别传递到第一电极材料122a和第二电极材料122b的导电板。第一集流体121a和第二集流体121b可由导电聚合物、橡胶板或金属箔形成。在本实施例中，芯片型双电层电容器单体120A通过第一集流体121a和第二集流体121b电连接到第一外部端子130a和第二外部端子130b。可分别以这样的方式修改第一集流体121a和第二集流体121b的形状，即，使第一集流体121a和第二集流体121b分别电连接到第一外部端子130a和第二外部端子130b。这样的修改可受芯片型双电层电容器单体120A的形状或尺寸的影响。
当第一电极123a和第二电极123b不包括第一集流体121a和第二集流体121b时，可利用固态板形成第一电极材料122a和第二电极材料122b。
第一电极材料122a和第二电极材料122b可以是可极化电极材料。例如，可使用具有相对高的比表面积的活性炭。可通过将主要由粉末活性炭组成的电极材料浆料粘附到第一集流体121a和第二集流体121b上来制造第一电极123a和第二电极123b。
感应电极层123c设置在第一电极123a和第二电极123b之间，其中，电不施加到感应电极层123c。感应电极层123c可包括第三集流体121c和形成在第三集流体121c上的电极材料122c。电极材料122c可形成在第三集流体121c的两个表面上。
第一分隔件124a和第二分隔件124b第一分隔件124a设置在第一电极123a和感应电极层123c之间，第二分隔件124b设置在第二电极123b和感应电极层123c之间。
第一分隔件124a和第二分隔件124b可由离子可穿透的多孔材料形成。例如，可使用诸如聚丙烯、聚乙烯或玻璃纤维的多孔材料。然而，材料不限于此。
参照图2B，芯片型双电层电容器单体包括四个双电层。当电施加到第一电极123a和第二电极123b时，第一电极123a和第二电极123b可被极化以分别具有正极性和负极性，从而在第一电极123a和第二电极123b的面对的表面上形成双电层。另外，即使电未施加到感应电极层123c，由于通过将感应电极层123c设置在第一电极123a和第二电极123b之间而引起的感应电也会在感应电极层123c上形成电荷层(双电层)。
根据本发明，彼此面对的电极的数量增加并且电极的面对的表面的面积增大，使得电荷层的数量增加。因此，这使得在芯片型双电层电容器单体中的浪涌电压和工作电压升高。
设置在第一电极123a和第二电极123b之间的感应电极层123c的数量没有限制。可设置至少一个感应电极层123c。当设置超过一个感应电极层123c时，可在感应电极层123c之间设置分隔件。随着感应电极层123c的数量增多，电极的面对的表面的面积增大，因此，浪涌电压和工作电压升高。
根据该实施例，外壳110可包括：下壳110，下壳110具有顶表面敞开的容纳空间111和掩埋在下壳110中的第一外部电子130a和第二外部电子130b；上盖110b，安装在下壳110a上以覆盖容纳空间111。
外壳110可由绝缘树脂形成。绝缘树脂可以是聚苯硫醚(PPS)或液晶聚合物(LCP)。然而，绝缘树脂不限于此。因此，双电层电容器可在以大约240℃至大约270℃执行的表面安装(SMT)工艺过程中保护其内部结构。
图3A至图3C是示出根据本发明示例性实施例的制造双电层电容器的方法的剖视图。
首先，如图3A所示，形成下壳110a，使得下壳110a具有敞开的容纳空间111并包括掩埋在下壳110a中的第一外部端子130a和第二外部端子130b。第一外部端子130a具有暴露到容纳空间111的第一表面131a和暴露到下壳110a外部的第二表面132a。第二外部端子130b具有暴露到容纳空间111的第一表面131b和暴露到下壳110a外部的第二表面132b。
只要绝缘树脂与第一外部端子130a和第二外部端子130b可以一体成型，以使第一外部端子130a和第二外部端子130b掩埋在绝缘树脂中，则形成下壳110a的工艺不受具体限制。例如，可应用嵌件注射成型。
更具体地说，将第一外部端子130a和第二外部端子130b设置在具有期望的下壳形状的模具中，并将绝缘树脂注射到模具中。注射到模具中的绝缘树脂在模具中通过冷却或交联而与第一外部端子130a和第二外部端子130b硬化到一起。即使第一外部端子130a和第二外部端子130b由与绝缘树脂不同的材料形成，绝缘树脂以及第一外部端子130a和第二外部端子130b也通过嵌件注射成型而成为一体。
下面，如图3B所示，芯片型双电层电容器单体120安装在容纳空间111中以电连接到第一外部端子130a的暴露到下壳110a的容纳空间111的第一表面131a和第二外部端子130b的暴露到下壳110a的容纳空间111的第一表面131b。
可通过顺序地堆叠第一电极123a、第一分隔件124a、感应电极层123c、第二分隔件124b和第二电极123b来制造芯片型双电层电容器单体120A。
如上所述，可通过在第一集流体121a上形成第一电极材料122a并在第二集流体121b上形成第二电极材料122b来制造第一电极123a和第二电极123b。
另外，可在第一电极123a和第二电极123b之间堆叠一个或多个感应电极层123c。可使感应电极层123c形成为包括第三集流体121c和形成在第三集流体121c的两个表面上的电极材料122c。
可通过堆叠至少一个单元单体120A、120B和120C来制造芯片型双电层电容器单体120，单元单体120A、120B和120C均包括：第一电极123a和第二电极123b；感应电极层123c，设置在第一电极123a和第二电极123b之间；第一分隔件124a和第二分隔件124b，第一分隔件124a设置在第一电极123a和感应电极123c之间，第二分隔件124b设置在第二电极123b和感应电极123c之间。
虽然未示出，但是可将芯片型双电层电容器单体120构造为单个单元单体。
然后，如图3C所示，具有安装在其中的芯片型双电层电容器单体120的下壳110a填充有电解质。这里，可使用水性电解质或非水性电解质作为电解质。最后，将上盖110b安装在下壳110a上以覆盖容纳空间111。
如上所述，根据本发明的示例性实施例，芯片型双电层电容器单体包括施加了电的第一电极和第二电极以及不施加电的至少一个感应电极层。由于电极的数量增多且电极的面对的表面的面积增大，所以芯片型双电层电容器单体的电荷层的数量增多。因此，这使得芯片型双电层电容器单体中的浪涌电压和工作电压升高。
形成包括芯片型双电层电容器单体的双电层电容器，使其外壳和外部端子成为一体，从而具有高的空间利用效率。因此，该双电层电容器可以小型化并由于浪涌电压和工作电压升高而具有高的能量存储密度。
虽然已经结合示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该明白，在不脱离如权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行修改和改变。
Claims (12)
1.一种芯片型双电层电容器单体，所述芯片型双电层电容器单体包括：
第一电极和第二电极，彼此面对并具有施加到第一电极和第二电极的相反的极性的电；
至少一个感应电极层，设置在第一电极和第二电极之间，并且电不施加到感应电极层；
第一分隔件和第二分隔件，第一分隔件设置在第一电极和感应电极层之间，第二分隔件设置在第二电极和感应电极层之间。
2.如权利要求1所述的芯片型双电层电容器单体，其中，感应电极层包括集流体和形成在集流体的两个表面上的电极材料。
3.一种双电层电容器，所述双电层电容器包括：
外壳，具有设置在外壳中的容纳空间并由绝缘树脂形成；
第一外部端子和第二外部端子，掩埋在外壳中，第一外部端子和第二外部端子均具有暴露到容纳空间的第一表面和暴露到外壳外部的第二表面；
芯片型双电层电容器单体，设置在容纳空间中并电连接到第一表面，
其中，芯片型双电层电容器单体包括：
第一电极和第二电极，彼此面对并具有施加到第一电极和第二电极的相反的极性的电；
至少一个感应电极层，设置在第一电极和第二电极之间，并且电不施加到感应电极层；
第一分隔件和第二分隔件，第一分隔件设置在第一电极和感应电极层之间第二分隔件设置在第二电极和感应电极层之间。
4.如权利要求3所述的双电层电容器，其中，感应电极层包括集流体和形成在集流体的两个表面上的电极材料。
5.如权利要求3所述的双电层电容器，芯片型双电层电容器单体包括堆叠的单元单体，每个单元单体包括：第一电极和第二电极，彼此面对并具有施加到第一电极和第二电极的相反的极性的电；至少一个感应电极层，设置在第一电极和第二电极之间，并且电不施加到感应电极层；第一分隔件和第二分隔件，第一分隔件设置在第一电极和感应电极层之间，第二分隔件设置在第二电极和感应电极层之间。
6.如权利要求3所述的双电层电容器，其中，外壳被形成为使得绝缘树脂与第一外部端子和第二外部端子成为一体。
7.如权利要求3所述的双电层电容器，其中，第一外部端子和第二外部端子形成在外壳的同一表面上。
8.如权利要求3所述的双电层电容器，其中，外壳包括：
下壳，具有顶表面敞开的容纳空间和掩埋在下壳中的第一外部端子和第二外部端子；
上盖，安装在下壳上，以覆盖容纳空间。
9.一种制造双电层电容器的方法，该方法包括以下步骤：
通过使绝缘树脂与第一外部端子和第二外部端子一体化来形成下壳，所述下壳包括顶表面敞开的容纳空间，第一外部端子和第二外部端子均具有暴露到容纳空间的第一表面和暴露到下壳外部的第二表面；
准备芯片型双电层电容器单体，所述双电层电容器单体包括：第一电极和第二电极，彼此面对并具有施加到第一电极和第二电极的相反的极性的电；至少一个感应电极层，设置在第一电极和第二电极之间，并且电不施加到感应电极层；第一分隔件和第二分隔件，第一分隔件设置在第一电极和感应电极层之间，第二分隔件设置在第二电极和感应电极层之间；
将所述芯片型双电层电容器单体安装在容纳空间中，使芯片型双电层电容器单体电连接到暴露到容纳空间的第一表面；
将上盖安装在下壳上以覆盖容纳空间。
10.如权利要求9所述的方法，其中，感应电极层包括集流体和形成在集流体的两个表面上的电极材料。
11.如权利要求9所述的方法，其中，芯片型双电层电容器单体包括堆叠的单元单体，每个单元单体包括：第一电极和第二电极，彼此面对并具有施加到第一电极和第二电极的相反的极性的电；至少一个感应电极层，设置在第一电极和第二电极之间，并且电不施加到感应电极层；第一分隔件和第二分隔件，第一分隔件设置在第一电极和感应电极层之间，第二分隔件设置在第二电极和感应电极层之间。
12.如权利要求9所述的方法，其中，通过嵌件注射成型来执行形成下壳的步骤。
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