CN102187415B - 高电压edlc电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造电极的方法，包括使用旋转平版印刷机将电极浆料印刷在基片的一部分上。允许所述电极浆料在所述基片上干燥。使用所述旋转平版印刷机将隔离片材料印刷在所述基片的所述部分上。使用所述旋转平版印刷机围绕所述基片的所述部分印刷密封壁。

Description

高电压EDLC电池及其制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2008年8月28日提交的标题为“High Voltage EDLCCell and Method for the Manufacture Thereof”的美国专利申请序列号12/229,922的优先权并为其延续部分，其全部内容在此引用作为参考。本申请也涉及2008年5月8日提交的标题为“Electrode Structurefor the Manufacture of an Electric Double Layer Capacitor”的待批准美国专利申请序列号12/151,811，其全部内容在此引用作为参考。
技术领域
本发明涉及高电压电化学双层电容器(EDLC)，更确切地说，涉及创建高电压EDLC的电极的原型设计、制造方法和材料，同时保持其高电容和低电阻。
背景技术
电化学双层电容器(EDLC)是包括两个电极的能量存储器件，其排列方式为一个用作阴极而另一个为阳极，创建的结构能够被模型化为串联的两个电容器。这种器件的特征是高功率密度，其数值能够由该器件的有效串联电阻(ESR)所指示(也就是说ESR越低，功率密度越高)。由于制造EDLC所用的活性炭的有效表面和电极与形成双层的电解液分子之间的间距，EDLC的电容量可以很大。EDLC的电容量能够使用公式C＝kA/d计算，其中k是比例常数，A是活性炭的有效表面积，而d是电极与电解液分子之间的间距。
EDLC器件可以通过将电极和隔离片材料封装在包中而制造，包装以电解液湿润并密封。最终器件是单个电池的EDLC器件。这些器件可用于多种多样的应用，包括但不限于工业电源、UPS(不间断电源)、电力车辆、蜂窝电话和电子器具。
已知的EDLC运行的标称电压等级约为2.7伏，这是由电解液的效力强加的限制。在某些应用中，需用多于单个EDLC电池以满足特定应用的需要。例如，一个或多个EDLC器件可以串联耦合以提供以更高电压运行的组合器件。不过，如果随着串联的电池数增加这些电池不均衡，那么该组合器件就可能发生过早的故障。另外，串行电池的ESR增大可能导致功率密度的降低。
发明内容
一种制造电极的方法包括使用旋转平版印刷机将电极浆料印刷在基片的一部分。允许所述电极浆料在所述基片上干燥。使用所述旋转平版印刷机将隔离片材料印刷在所述基片的所述部分上。使用所述旋转平版印刷机围绕所述基片的所述部分印刷密封壁。
附图说明
图1显示了根据某实施例，在分阶段形成电极的各个区域中所使用的基本组件形状；
图1A是根据某实施例的旋转平版印刷机的示意性展示；
图1B至图1D是使用图1A的旋转平版印刷机所印刷的各个电极阵列的示意性展示；
图1E是流程图，展示了根据某实施例的印刷电极的方法；
图2显示了根据某实施例，组件的选择及其特定的放置；
图3展示了根据某实施例，顺序地完成每个电池所使用的折叠组织图案；
图3A是根据某实施例，并联的三个电极堆的示意性展示；
图4显示了根据某实施例，一个电极的展开图，组件图案从正面到背面被顺序地显示，表明当折叠时它们如何呈现；
图5显示了根据某实施例，将电压堆叠递增所使用的高电压堆和接口组件的块结构；
图6是根据某实施例的高电压EDLC详细的示意图；
图7显示了根据某实施例的高电压EDLC的结构；
图8显示了根据某实施例，被添加到高电压EDLC中的热传递材料；
图9是根据某实施例的最终高电压设计包的示意图。
具体实施方式
在某些实施例中，制造电极的方法包括使用旋转平版印刷机将电极浆料印刷在基片的一部分上。允许电极浆料在基片上干燥。使用旋转平版印刷机将隔离片材料印刷在基片的所述部分上。使用所述旋转平版印刷机围绕所述基片的所述部分印刷密封壁。
在某些实施例中，旋转平版印刷机可以包括第一旋转鼓轮和第二旋转鼓轮。网格被耦接到第一旋转鼓轮。电极浆料可以被配置为由第一旋转鼓轮经由该网格被压印到基片的一部分上。类似的，隔离片材料也被配置为使用旋转平版印刷机被压印到基片上，覆盖浆料至少一的部分。
在某些实施例中，制造电极的方法包括将电极浆料印刷在基片的多个基本上形状类似的部分上，使得浆料限定在基片上的图案。所述多个基本上形状类似的部分的每一部分与所述多个基本上形状类似的部分的其它部分相互排斥。允许电极浆料在基片上干燥。隔离片材料被印刷在形成基片的所述多个基本上形状类似的部分的至少一个部分的顶部。
由于电解液的击穿限制，单个电化学电池具有有限的电压耐受力，一般来说在2.5-2.7伏的范围内。在某些实施例中，制造工艺允许在基片上生产许多独立的半电池(half-cell)，它们能够与另一个基片折叠以生产串联的低压电池堆。在某些实施例中，可以通过将电极浆料平版印刷在基片上基本上形状类似的部分的点阵中来制造这样的半电池。类似地，密封壁可以被印刷在形状类似的部分的周围，而隔离片材料可以被印刷在电极浆料上。电压耐受力取决于每个堆内这样的电池的数量并消除了电池的均衡问题。
在某些实施例中，单一电池复合器件被设计为在单一包中使用大量单个电池，从而生产出比常规的EDLC具有更高的电压耐受力的“单一电池”EDLC器件。这样的EDLC可以重量更轻，体积更小，并且内在地免除了由电池均衡所引发的复杂度。该EDLC具有单元电池的结构，带有交替插入的、平版印刷形成的电极，并且预先形成的隔离片布置在这些电极之间，同样由平版印刷形成。电解液被灌注在EDLC内。电极可以以准确间隔被平版印刷在基片上，称为半电池条。在印刷工艺的第一轮次，在基片上定义了正方形或长方形区域的阵列并印刷了电极浆料。印刷工艺允许碳层改变厚度，并且这会影响半电池条的整体能量密度。在第二轮次，在每个电极周围形成了密封剂材料的边界。在第三轮次，隔离片材料被印刷在半电池条的一半上。这些条然后接合形成完整的EDLC电池。还提供了单个电极堆的扩展，包含增加的电容，通过允许集流体的额外长度与这些电极之一接口并以组件安置或者将扩展部分声焊或热(点)焊在一起而向前延伸。
某些实施例包括单一高电压EDLC电池的制造步骤。下文使用58法拉电容和15伏电压耐受力的示例。并非试图将这个示例作为标准；而是应当理解这是为了展示概念的任意选择。该方法可以扩展到实际上任何其他的电容和电压堆。
图1展示了贯通制造工艺的各个阶段的电极(如半电池)。电极的制造阶段的平面图由附图标记10、11、12、13、14和15标识，显示在图1的上部，而单层和双层电极相应的横截面厚度由附图标记16、17、18、19、20、21、22、23和24标识，显示在图1的下部。
集流体(如基片)10、16可以由任何合适的材料构成。例如在某些实施例中，集流体10、16由电容器级铝(如99.99％纯铝)构成。在其他实施例中，集流体可以由钽和/或等构成。集流体10、16能够以薄片的形式获得。例如在某些实施例中，薄片可以具有30μm的厚度、50mm的宽度和50mm的长度。在其他实施例中，薄片可以是任何合适的大小。例如在其他实施例中，薄片可以具有40μm的厚度。基片材料可以以大卷的形式获得并可以被切分为适合的尺寸以制作特定的器件。在某些实施例中，使用固态刀具将基片材料切分为适当的尺寸。这样的固定刀具可以用于进行完全准确的切割，不会使基片上引起卷边。如上所述，该工艺可以用于实际上任何大小的电容器，并且器件电容取决于半电池结构的大小，本文将进一步详细介绍。
在某些实施例中，可以清洁集流体10、16。这样的清洁可以有助于防止集流体形成污染物，在集流体10、16上形成电极材料时，污染物可能降低电极材料与集流体10、16之间的接合强度，正如本文进一步的详细介绍。例如，当铝暴露在有氧大气中时，能够快速形成能够阻碍电极材料与铝集流体接合的污染物(如氧化铝)。在某些实施例中，等离子蚀刻可以用于清洁集流体10、16。在这样的实施例中，等离子蚀刻可以用作印刷工艺的一部分，正如本文进一步的详细介绍。因而，某装置(比如图1A所示的装置50)能够先等离子蚀刻集流体10、16，再将电极浆料印刷到集流体10、16上。在其他实施例中，高压电晕放电可以用于清洁集流体10、16。在更另外的实施例中，可以使用化学蚀刻剂浴槽除去这样的污染物。在这样的实施例中，将集流体从浴槽中移走后不久就可以将电极材料印刷在集流体上，因为几分钟内氧化物层就能够重新在铝集流体上形成。
孔11形成在集流体10、16中。使用任何合适的技术都能够形成孔11。例如在某些实施例中，孔11可以被钻出、切割出和/或等。孔11可以与其他集流体中形成的孔对齐。电解液能够经由这些孔填充到电池堆中，正如本文进一步的详细介绍。
密封剂材料12围绕在集流体13周围形成。密封剂材料12创建了将包围碳化材料的密封壁，如本文进一步的详细介绍。密封剂材料12可以是聚合物，被配置为附接到另一个集流体13上的密封剂材料，以便在电池与外部大气之间形成气密地封闭的屏障。以这样的方式，两个半电池组合成完整的电池。在某些实施例中，可以使用聚偏二氟乙烯(PVDF)材料，比如例如由Solvay-Solexis制造的Solef 1008。这样的材料可以包括所期望的性质，比如运行温度、表面附着度、挠性和化学溶解度。在其他实施例中，可以使用CL-5-1密封剂材料。在某些实施例中，对于单边组件19，密封剂材料12的厚度可以小于100μm，对于双边组件20小于170μm(如集流体13的两边上都印刷了密封剂材料12时)。可以通过层压工艺、丝网印刷和/或平版印刷涂布密封剂材料，如本文进一步的详细介绍。密封剂材料12形成围绕集流体13周围的壁，它暴露在电解液中而不腐蚀，并且防止电池渗漏电解液。
在某些实施例中，其上形成密封剂材料的集流体部分能够被打上微孔，使得在集流体第一表面上形成的密封剂材料可以与集流体第二表面上形成的密封剂材料耦接。例如在这样的实施例中，集流体第一表面上的密封剂材料能够单片地形成和/或与集流体第二表面上的密封剂材料融合。这可以帮助稳固由集流体两个表面上密封剂材料所建立的壁。
电极浆料被涂布到集流体14。图1显示了集流体14的单侧上涂布了电极浆料的集流体14的侧视图21，以及集流体14的双侧上涂布了电极浆料的集流体14的侧视图22。电极浆料可以是任何合适的电极浆料。例如在某些实施例中，电极浆料可以是碳悬浮夜，类似于2008年5月8日提交的标题为“Electrode Structure for the Manufacture ofan Electric Double Layer Capacitor”的美国专利申请序列号12/151,811中的描述，其全部内容在此引用作为参考。电极浆料可以主要包括活性碳(如MSP-20)、较少量的导电碳(如Super P)、橡胶液(如BM-440-B)、粘接剂(如聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP))、填充料(如硅石粉Cab-o-sil)、蒸馏水和/或其他添加剂(如羧甲基纤维素(CMC))。在某些实施例中，形成电极浆料的方式可以为以指定的次序混合适当比例的配料，一半与其自身混合一半与溶剂混合。电极浆料一旦被混合，就能够被涂布到集流体(如基片)。电极浆料混合物具有增强的电气性质，能够降低接合电阻而增加电极浆料的电容，促进了唯一投料组分(cast component)的溶液。在其他实施例中，电极浆料可以包括陶瓷和/或等。
在EDLC碳电极中占主导地位的配料活性碳，提供了大量的裸露表面积，用于在高电压EDLC应用中创建电容存储器。电池的电容与电池内活性碳的体积成正比。在某些实施例中，通过取电池体积乘每单位体积特定电容的乘积可以获得特定数值，其中每单位体积特定电容高至中等厚度都相对不变。在其他实施例中，使用每单位面积特定电容量乘电池的面积能够获得电容量。如本文进一步的详细讨论，安排多个电池串联和并联可以降低电极的ESR，从而提高电极的功率密度。这样的布置也可以增大器件的载流能力。
不同的应用表明了功率对功率密度的相对重要性。可以调节制造工艺以优先考虑两者中任一个。例如在某些实施例中，可以增加集流体上电极浆料的厚度和集流体上密封剂材料的粘合剂厚度，以便增加电池提供的能量。如本文进一步的详细介绍，利用平版印刷工艺中使用的丝网(如网格)厚度，可以改变集流体上电极浆料的厚度。如上所述，控制厚度又改变了各个半电池的功率密度。
为了使EDLC器件的工作电压最高，可以将质子导体或隔离片15布置在各个极化的半电池之间，以便使这些半电池电绝缘但却不化学地分开。隔离片15可以被配置为仅有特定的带电离子能够穿过隔离片15。隔离片15也可以储存未被吸收到活性碳中的有限量的自由电解液。隔离片15可以插入或者使用平版印刷技术印刷在半电池条之一上，如本文进一步的详细介绍。
EDLC在运行中充电和放电时，隔离片15在垂直和水平方向上都承受着高机械应力。隔离片15增加了其自身的电阻量，自身的电阻量在一个方向上或相反方向上测量为常数，并且作为频率相关量如同某种无功分量。在某些实施例中，平版印刷工艺可以用于将隔离片材料印刷到电极浆料上，因为进动位置、材料浓度、间距、大小和适应性都是重要的参数，而使用平版印刷工艺可以更容易地得到。
在某些实施例中，隔离片15可以由聚偏二氟乙烯(PVDF)构建，比如例如由Solvay-Solexis制造的Solef 6020构建。在其他实施例中，隔离片可以由橡胶液(如BM-400-B)、粘接剂(如聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP))、填充料(如硅石粉)、蒸馏水和/或其他添加剂构建。在这样的实施例中，硅石粉形成可渗透薄膜，被配置为允许电解液离子穿过隔离片材料。
在准备好的干燥后电极浆料上，可以丝网和/或平版印刷隔离片15，如本文进一步的详细介绍。例如在某些实施例中，隔离片15可以具有25μm的最大涂布厚度、25μm到50μm孔隙大小的均匀分布孔隙大小分布(PSD)和同质隔离片基质组成。孔隙大小可以指示电池中电解液迁移的速率。例如，小的孔隙大小可以降低电池中电解液迁移的速率，这能够减慢电容器的响应。根据最终高电压EDLC的功率或能量要求，丝网涂布工艺可以补偿其他材料或制造缺陷。图1显示了具有丝网隔离片的单侧电极23和具有丝网隔离片的双侧电极24(如印刷在集流体两个面上的半电池)。在某些实施例中，隔离片可以尽可能薄以提供足够绝缘以防止两个半电池短接在一起。在某些实施例中，每个半电池组合件之间仅仅需要一个隔离片15，从而有可能交替地放置丝网涂布器。所以，如本文进一步的详细介绍，不是在每个集流体上都印刷隔离片15。在集流体的第一表面上印刷了完整的半电池之后，使用类似的工艺可以在集流体的第二表面上印刷半电池。
在其他实施例中，可以使用不同于印刷的方法将隔离片放置在准备好的干燥后电极浆料上。例如，可以将预制的隔离片薄片放置和/或层压在干燥的电极浆料上。在这样的实施例中使用的某些隔离片材料先形成再被放置在干燥电极浆料上时运行最佳。这样的材料可以购自诸如Celgard和NKK的制造商。制造商可以预定义并测试这样的隔离片材料的运行参数，因而这些材料就能够按照在各种条件下所测试的情况运行。这样的隔离片可以在制造电极时物理地涂布到集流体上覆盖电极浆料，或者这样的隔离片也可以经过层压后再装配到电极。
图1A是根据某实施例的旋转平版印刷机50的示意性展示，用于制造电极，比如在图1B至图1D中所示和介绍的半电池。旋转平版印刷机50包括第一对旋转鼓轮57、第二对旋转鼓轮58和第三对旋转鼓轮59。第一对旋转鼓轮57包括顶鼓轮51和底鼓轮52。顶鼓轮51是包含电极浆料的印刷头。在某些实施例中，外网格层(图1A中未显示)耦接到顶鼓轮51。顶鼓轮被配置为在集流体在顶鼓轮51与底鼓轮52之间通过时将电极浆料经由外网格层印到集流体(如基片)上。
顶鼓轮51被配置为以图1A中箭头AA所示的方向围绕中心轴旋转。类似地，底鼓轮52被配置为以图1A中箭头BB所示的方向围绕中心轴旋转。所以，当基片在顶鼓轮51与底鼓轮52之间通过时，基片沿着图1A中箭头CC所示的方向运动。这就允许当基片沿着箭头CC所示的方向运动时，顶鼓轮51将电极浆料印刷在基片上。
在某些实施例中，顶鼓轮51以跨越基片的图案印刷电极浆料。例如在这样的实施例中，顶鼓轮51能够跨越基片的长条印刷长方形的阵列。这样的长方形阵列可以类似于图1B至图1D中所显示的阵列。在其他实施例中，可以印刷任何其他图案，比如例如三角形、圆、椭圆和/或等图案。
印刷到基片上的电极浆料的厚度可以通过改变耦接到顶鼓轮51的外网格层而改变。例如，假若期望较厚的电极浆料层，就可以增加外网格层的厚度。另外，如果期望较薄的电极浆料层，就可以降低外网格层的厚度。改变电极浆料的厚度就改变了器件的电容。通过印刷样本并测量该样本每单位体积的电容便能够确定电极浆料的最佳厚度。如果电极浆料太厚，离集流体间距远的电极浆料就不能按照所预期工作，并且可能降低电解液离子的迁移，从而降低跨越隔离片层的导电率。如果电极浆料太薄，器件的电容就可能低于具有最佳厚度电极浆料层的电极的电容。
类似于第一对旋转鼓轮57，第二对旋转鼓轮58包括顶鼓轮53和底鼓轮54。顶鼓轮53被配置为以图1A中箭头AA所示的方向围绕中心轴旋转。类似地，底鼓轮54被配置为以图1A中箭头BB所示的方向围绕中心轴旋转。所以，当基片在顶鼓轮53与底鼓轮54之间通过时，基片沿着图1A中箭头CC所示的方向运动。
顶鼓轮53是包含隔离片材料的印刷头。在某些实施例中，外网格层(图1A中未显示)耦接到顶鼓轮53。顶鼓轮53被配置为在基片在顶鼓轮53与底鼓轮54之间通过时将隔离片材料经由外网格层印到已经在其上印刷了电极浆料的基片上。
在某些实施例中，顶鼓轮53以跨越电极浆料的图案将隔离片材料印刷在基片上。例如在这样的实施例中，顶鼓轮51能够跨越一部分基片(其上已经印刷了电极浆料)印刷长方形条的阵列。这样的长方形条的阵列可以类似于图1B至图1D中所显示的阵列。在其他实施例中，可以印刷任何其他的图案。
正如以上的讨论，在某些实施例中，不是在每个集流体上都印刷隔离片材料。例如，图1C显示了具有半电池1030的基片条1020，在其上未印刷隔离片材料。为了实现这样的结果，顶鼓轮53可以被配置为将隔离片材料印刷在某些集流体上而其他的不印刷。
类似于第一对旋转鼓轮57和第二对旋转鼓轮58，第三对旋转鼓轮59包括顶鼓轮55和底鼓轮56。顶鼓轮55和底鼓轮56被配置为旋转，类似于以上介绍的顶鼓轮51和底鼓轮52。顶鼓轮55是包含密封剂材料的印刷头。在某些实施例中，外网格层(图1A中未显示)耦接到顶鼓轮55。顶鼓轮55被配置为在基片在顶鼓轮53与底鼓轮54之间通过时将密封剂材料经由外网格层压印到基片上。印刷密封剂材料的方式可以使密封剂材料包围着其上印刷着电极浆料的基片部分。
在使用中，将一片基片材料(如铝)在点60处插入装置50中。因为旋转鼓轮对57、58、59的旋转运动，基片材料按箭头CC所示的方向运动。当基片材料穿过第一对旋转鼓轮57时，顶旋转鼓轮51将电极浆料印刷在基片上。如以上的讨论，在某些实施例中，顶旋转鼓轮51能够在基片上印刷电极浆料的图案，比如例如长方形阵列。
基片材料片然后从第一对旋转鼓轮57传向第二对旋转鼓轮58。第一对旋转鼓轮57与第二对旋转鼓轮58之间的距离可以大到足以允许由第一对旋转鼓轮57印刷在基片上的电极浆料在基片上干燥后再使基片到达第二对旋转鼓轮58。在其他实施例中，在将隔离片材料印刷在基片上以前不要求电极浆料干燥。在基片接触第二对旋转鼓轮58后，顶旋转鼓轮53以所期望的图案和位置将隔离片材料印刷在基片上。例如在某些实施例中，隔离片材料仅仅被印刷在某些半电池上。基片材料片然后从第二对旋转鼓轮58传向第三对旋转鼓轮59。顶旋转鼓轮55围绕在其上印刷了电极浆料的基片部分周围印刷密封剂材料。
印刷后的基片(如完整的半电池条)然后能够在点62处退出装置。基片材料片然后能够翻转并插入通过装置50，使得电极浆料、密封剂材料以及可选地隔离片材料被印刷在基片的第二表面上。当这些组件印刷到基片的第二表面上时，可以使用装置50上放置的光传感器(未显示)监视在基片第一表面上已经印刷的组件(如电极浆料、隔离片材料和密封剂材料)的位置。这样的光传感器能够帮助确保在基片第二表面印刷的半电池与在基片第一表面印刷的半电池对齐。在其他实施例中，当这些组件印刷到基片的第二表面上时，使用任何其他适合的方法和/或设备监视在基片第一表面上已经印刷的组件的位置。在再另外的实施例中，当顶旋转鼓轮将半电池印刷到基片的第一表面上时，由底旋转鼓轮将半电池印刷到基片的第二表面上。在这样的实施例中，为了将半电池印刷在基片的两侧，只需穿过装置50一次。
在某些实施例中，当涂布每种组件(如电极浆料、隔离片材料和密封剂材料)时，可以修改干燥时间(如更长或更短)，因为基片被卷绕在可以用油加热以保持满意的干燥温度的大圆鼓轮上。大鼓轮也可以被视为存储工具，以在较短区域长度中允许更多基片材料，而不将其压缩为紧密卷，这可能破坏密封剂材料和电极浆料的完整性。
虽然如图1A所示，将电极浆料和隔离片印刷到基片上后，再将密封剂材料印刷到基片上，但是在印刷工艺的任何阶段都可以将密封剂材料印刷到基片上。例如在某些实施例中，先将密封剂材料印刷到基片上，再将电极浆料和密封剂材料印刷到基片上。在其他实施例中，在将电极浆料印刷到基片上之后，但是将密封剂材料印刷到基片上以前，密封剂材料被印刷到基片上。
虽然图1A显示为具有三个旋转鼓轮对57、58、59，但是在其他实施例中，该装置可以包括单一旋转鼓轮对。在这样的实施例中，顶旋转鼓轮能够在印刷工艺的每个阶段被重新配置。例如，顶旋转鼓轮可以首先被配置为将电极浆料印刷到基片上。基片然后可以在旋转鼓轮对之间通过，并且电极浆料可以被印刷到基片上。顶旋转鼓轮然后能够被重新配置为把隔离片材料印刷到基片上，并且基片能够在旋转鼓轮对之间第二次通过，使得隔离片材料被印刷到基片上。顶旋转鼓轮然后可以被重新配置为把密封剂材料印刷到基片上，并且基片可以在旋转鼓轮对之间第三次通过，使得密封剂材料被印刷到基片上。
图1B至图1D显示了使用图1A的装置50所印刷的半电池条的实例。例如图1B显示的基片1000具有四个半电池1010印刷其上。电极浆料、隔离片材料和密封剂材料都被印刷在四个半电池1010的每个上。图1C显示了其上印刷着四个半电池1030的基片1020。隔离片材料未被印刷在基片1020的四个半电池1030上。如本文进一步的详细介绍，基片1000能够与基片1020耦接以便形成串联的多个电极电池。
虽然图1B和图1C显示了在基片上印刷的单行半电池，但是图1D显示的基片1040具有两行印刷其上的半电池1050、1060。隔离片材料被印刷在某些半电池1060上，而未被印刷在其他半电池1050上。在某些实施例中，可以将基片1040折叠以便提供每行中的电极之间的串联连接以及两行电极之间的并联连接。在其他实施例中，多少行、多少列的多少个半电池都可以被印刷到基片上。例如，图3显示的两个基片，每个都具有五个半电池。
图1E是流程图，展示了在基片上印刷电极的半电池的方法1070。该方法包括在1072清洁基片。可以利用例如等离子蚀刻清洁基片。这样的清洁能够帮助防止集流体形成污染物，当电极材料被印刷在集流体上时，污染物可能降低电极材料与集流体之间的接合强度。
在1074，在基片中形成孔。如以上的讨论，通过任何适当的方法都能够形成孔，并且当器件完成后可以将电解液填充到孔中，正如以下进一步的详细介绍。在1076，使用旋转平版印刷机将电极浆料印刷在基片的一部分上。电极浆料可以包括活性碳，并且可以类似于以上显示和介绍的电极浆料。另外，旋转平版印刷机能够类似于关于图1A所显示和介绍的装置50。
在1078，允许电极浆料在基片上干燥。在1080，使用旋转平版印刷机将隔离片材料印刷在基片的该部分上。隔离片材料可以类似于以上显示和介绍的隔离片材料。不仅如此，隔离片材料可以以特定图案印刷到基片的该部分上，比如例如图1B中基片1000的半电池1010上所示的方格图案。在1082，使用旋转平版印刷机将密封壁印刷在基片的该部分周围。密封壁可以用于将半电池与另一个半电池气密地封闭，以创建完整的全电池。
图2详细描绘了平版印刷组件板，显示了在印刷工艺内的不同阶段，第一基片100的前侧105、110、115和后侧120、125、130以及第二基片150的前侧155、160和后侧165、170。印刷工艺的每个组件(如电极浆料、隔离片材料和密封剂材料)都顺序地涂布到基片100、150，直到组件完成。如以上介绍，这些组件能够被涂布到基片100、150的每侧。如图2所示，隔离片材料未被涂布到第二基片150。
至于如何将电极组件装配为高电压EDLC中的详细信息，初始参考了图3所示的90度样本平版印刷组件折叠模式。第一半电池条280包括元件115和130(图2)，而第二半电池条290包括元件160和170(图2)，按彼此偏离90度排列200，两个半电池条280、290都使相应的前侧向上。隔离片材料被印刷到第一半电池条280的半电池上，而隔离片材料未被印刷到第二半电池条290的半电池上。由于第一半电池条280的半电池耦接到第二半电池条290的半电池，所以每个全电池在电极浆料之间都将具有隔离片材料。
折叠模式演示了各个组件如何对齐。开始于半电池条280的折叠图案200，第一底组件201具有裸露的铝，准备块装配，本文进一步详细介绍。一开始半电池条290滑落在半电池条280的顶上，形成第一个全电池组件。然后在205，半电池条290以箭头206所示的方向被折叠在半电池条280之上。这次折叠形成了第二个全电池组件。然后在210，半电池条290以箭头211所示的方向被折叠在半电池条280之上。这次折叠形成了第三个全电池组件。这种折叠过程在步骤215、220、225、230和235被重复，直到最后的折叠模式240，以箭头241所示的方向将半电池条290折叠在半电池条280之上，并且该操作以半电池条290的顶端组件245在附加电容块的顶部而完成。这样的折叠过程产生了彼此串联的多个全电池的堆。例如在图3中，折叠过程产生了彼此串联的有9个全电池的堆。
随着这些电极组合件的每一个的建立，以指定部分为目标，定义为块和块接口耦接区域。最直接的是块区域。在这个区域中，两个电极相互缠绕，将碳与碳的接口耦接在一起，它们之间只层夹一个薄隔离片。随着每个电极前进，它与第二个电极成90度被折叠，其中每个电极依次被放置在另一个的下面。将电极向下放置每两次，就创建了附加电容组件。只要每个电极以这种串联方式与集流体匹配的连续长度接口，就增加了电容。
在电极的起始，提供了无碳质量的铝集流体组件(如图3中的底组件201)。在完成的EDLC块的最外端也如此(如图3中的组件245)。这些裸露的铝部分，至少在一侧，当EDLC第一次被连接到正负电源时，用作终端接口。
由图3的折叠过程200所产生的堆可以被并联耦接到其它类似的堆。例如，图3A显示了四个堆255，由导体260(如一片铝)彼此并联耦接。确切地说，导体260被耦接到每个堆255的顶部裸露组件(如图3中的组件245)。类似地，四个堆255中每个的底部裸露组件(如组件201)被导体(图3A中未显示)耦接到其他堆的底部裸露组件。这样的串联/并联配置(如每个堆内串联耦接的电池和每个堆之间并联耦接的电池)可以增加该器件的功率密度。这样的配置减少了ESR，从而增加了功率密度，并且提供的器件比单个电池堆具有更稳健的载流能力。
取决于这些组件面积的结构大小和组织，并联和/或串联隔间的定向长度、宽度和厚度分别提供了更大的电容和/或电压耐受力。为了展示目的，假设已经接合了多个半电池条，形成了有n个单独电池串联(如每个堆255中的电池数量)和m个堆并联(如堆255的数量)的EDLC器件。每个堆的电容可以等于每个电池的电容除以每个堆中电池的数量(Cstack＝Ccell/n)。每个堆的电压耐受力可以等于2.5乘以每个堆中电池数量(Vstandoff＝2.5×n)。器件的电容可以等于堆的数量乘以每个电池的电容除以每个堆中电池的数量(Ctotal＝(m×Ccell)/n)。这样的器件的ESR可以是每个堆的ESR除以堆的数量(ESRtotal＝ESRstrip/m)。
图4显示了单个电极电容段折叠图300，指示了层的细节。该段的一头或两头为不包括组件305的材料，取决于应用和所期望的端接方法。考虑只有一个电极边暴露，另一边可能具有仅仅包括碳混合物或另外组件比如隔离片的组件。
图5显示的器件400具有三个电池堆405、406、407串联耦接在一起。为了提高器件400的电压耐受力可以这样做。在某些实施例中，堆与堆的接口415可以用于将第一个电池堆405耦接到第二个电池堆406。在将第一个堆405耦接到第二个堆406时，堆与堆的接口415可以耦接到除了最外边裸露电极(如图3中组件245)以外的电极。例如，堆与堆的接口415可以耦接到第一个堆405中的第二电极，而不是最外边裸露的电极。
堆与堆的接口415被耦接到第二个堆406，将第一个堆405电气耦接到第二个堆406。堆与堆的接口415可以耦接到第二个堆406的最外边裸露电极或者第二个堆406中的第二电极。通过任何适宜的方法都可以将堆与堆的接口415耦接到第一个堆405和第二个堆406，比如超声波焊接等。最终连结的链接使得电压能够必要地划分，以能够堆加起来以完成EDLC的电压需求。
孔410由每个组件面积定义，无论组件是否包括隔离片材料。这些孔410允许电解液充满封闭的腔，以便渗入有气孔的活性炭，并浸透隔离片。由于这些孔410仅仅贯通每个堆的电池，而每个堆保持着其自身的电位，所以当将电解液被灌入到孔410之后，能够将孔410塞住。为了确保完全充满并保持氧的水平尽可能低，可以首先将该堆抽成真空再回充，用氮替代真空，使得空气污染物不能逗留，当再填充时在电解液中形成过早的击穿。一旦氮已经渗透了碳和隔离片材料，该过程就会逆转，允许电解液替代氮。可以提供Solef 1008进行封闭，形成段塞并通过洞注入到堆中。随着塞子的注入，它能够首先被加热，将进入洞的材料扩张，然后被冷却以便在洞的外表上提供平滑的薄轮廓。
为了获得所期望的电容，需要多少电池组件，堆就可以包括多少。堆之间的堆与堆的接口可以保持尽可能短。在某些实施例中，堆之间的堆与堆的接口可以为不多于一个组件的长度。为了提供特定应用所要求的电压耐受力，需要多少堆与堆的接口，就能够有多少。
图6中可以看到堆附接为一个串联堆的级联结果。在例如在一个实施例中，完整的发明示例组合件500可以具有15伏处58法拉的额定电容。在其他实施例中，通过改变每个电池的性质、堆中电池的数量以及串联连接的堆的数量，可以得到任何电压处任何额定电容。另外，如上所述，通过多个堆并联连接可以改变额定电容和电压。图6显示了六个堆505、510、515、520、525、530，具有相等的电容和结构，彼此串联耦接。根据该结构内堆的数量和电解液可以确定总电压540。在某些实施例中，电解液可以是例如TEABF4/氰化甲烷或TEABF4/碳酸丙烯脂和/或者TEMABF4/氰化甲烷或TEABF4/碳酸丙烯脂。在某些实施例中，当使用以上的电解液时，每个堆505、510、515、520、525、530可以具有2.7伏或2.5伏的额定电压。
在某些实施例中，电极590可以是50mm宽592和50mm高594。在其他实施例中，电极可以具有任何其他适合的宽度和/或高度。在某些实施例中，在每个电极周围印刷的密封剂材料596、598可以小于5mm宽。在其他实施例中，密封剂材料可以具有大于5mm的宽度。在某些实施例中，电极590可以大约162μm宽，包括在集流体的两侧印刷的电极浆料。使用共同待批准专利申请序列号12/151,811中公开的技术、活性碳混合物和所用的材料量测量表面积，可以确定特定电容。根据以上信息，算出的电容等于电极的工作体积乘以单个电极组合件的特定电容。例如在58法拉15伏的组合件中，算出的电容大约为10.14法拉。
电极组合件600显示了各个层和实际安置顺序。在两个表面都已经印刷了电极浆料的第一电极605、610、615，被部署在铝集流体610的顶上，邻近隔离片620。在两个表面都已经印刷了电极浆料的第二电极625、630、635，被部署在铝集流体630的顶上。例如在58法拉15伏的组合件中，可以获得和汇总标称厚度605-635，具有357μm或0.357mm的总电极组合件厚度结果640。
堆或电压段550显示了在某些实施例中350法拉堆组合件中可以使用的每个电极的35个组件或者总共70个半电池。在这样的实例中，堆585的总最终厚度可以是12.6mm。堆的每个端点都具有堆与堆的接口560、575(图6)。这样的堆与堆的接口560、575可以在结构上和功能上类似于图5中显示和介绍的堆与堆的接口415、420。每个堆端点都具有不同的电极极性延伸出来，从而形成串联连接。
在每个电极中定义的孔与在其他电极555、580中定义的孔对齐(图6)。如上所述，可以将电解液通过该孔灌入器件中。在某些实施例中，当单独块已经被充填了电解液之后，洞被PVDF均聚物塞住并被封闭，在表面上留下一致的表层。每个块部分都被类似的填充着电解液，直到整堆完成。由于每个块都机械地和电气地暂时安装，初始可接受性的试验，比如电容和电压承受力，可以在制造的这个阶段测量。图7显示了完整示例高电压堆700的半成品图。以分解图的细节显示了扩展的电端点集流体，负的为710而正的为715，堆与堆的接口705以及电容堆部分720、725、730、735、740、745。
在某些实施例中，具有多个堆部分720、725、730、735、740、745(如多个单元电池)串联耦接在一起的高电压堆700可以与一个或多个其他高电压堆并联耦接。这可以类似于关于图3A显示和介绍的并联连接。
在某些实施例中，高效的热传输机制可以用于将内部加热的量迁移到外部更凉爽的环境。例如，随着高电压EDLC的运行，连续的功率循环在结构内产生了不希望的热量。图8显示的器件800具有三个电极堆815经由两个堆与堆的接口820耦接在一起。传输材料825可以插入在堆与堆接口820的交叉点。在某些实施例中，传输材料825可以是薄的多孔且高效的热传导材料，比如传导的环氧树脂和/或等。在某些实施例中，传输材料可以预制以帮助引导和驱散不希望的热量。在某些实施例中，当某应用要求或者连续的功率循环或者需要大量的带电离子在EDLC的双层之间迁移的高电平的强电压脉冲时，可以添加传输材料825。另外，图3中介绍的90度偏离折叠模式和图7所示的两个暴露边710、715，创建了独特的自然散热器。这些暴露的铝边结束的区域将内部产生的热量传导到图9所示的容器壳中。
图9显示了压缩成其最终形式的完整堆900和在最终包915内部署的完整堆920。保留在左右边上进行终端连接的铝集流体组件通过声波或电点焊而连接，以便预先形成终端平板和/或电极片。正如图9中可见，完整堆900包括焊接的电极片905。这些电极片是最终包915的一部分，并且构造为允许高密度聚乙烯(HDPE)围绕在外围表面形成，以便确保最终包915的气密封闭。铝或不锈钢电极片905用于将端点固化到最终包915中，允许EDLC组件通过包接入电路。固态电极片905帮助从包内部到外部建立的内部热量交换。
由于为了适应特定运行需求和环境而变化的其他修改和改变对于本领域的技术人员将是显而易见的，所以本发明不应当被视为限于为公开的目的而选择的示例，而是覆盖了不构成脱离本发明的真实精神和范围的全部变化和修改。
虽然以上将方法和装置显示和介绍为EDLC印刷和装配的电极，但是在其他实施例中，这样的方法和装置可以用于印刷和/或装配用于伪电容器、电池和/或具有电极的任何其他器件的电极。例如，伪电容器具有与EDLC类似的结构和特征，从而能够使用以上介绍的方法制造。在伪电容器包括的电池中，一个电极以金属氧化物作为活性材料，而另一个电极以活性碳作为活性材料。使用以上介绍的方法和装置可以将金属氧化物印刷到基片上。伪电容器的金属氧化物电极除了使用类似于EDLC的表面区域存储之外，还使用电极表面上的法拉第反应(如类似于电池技术)存储能量。因此，在某些实施例中，伪电容器能够具有比类似大小的EDLC更高的功率密度。不仅如此，在某些实施例中，伪电容器的金属氧化物的负载是具有类似尺寸印刷电极的EDLC负载的三倍。所以，伪电容器电池占据的体积可以比具有相同电容的EDLC小得多。
虽然以上已经介绍了多种实施例，但是应当理解，它们仅仅是作为示例呈现，而不是限制。在以上介绍方法表明了以一定顺序发生的某些事件的情况下，某些事件的顺序可以被修改。另外，某些事件在可能时能够在并行工艺中同时进行，也可以按照以上的介绍顺序地进行。
尽管各种实施例已经介绍为具有组件的特定特征和/或组合，但是具有适宜时来自任何实施例的任何特征和/或组件的组合的其他实施例也是可能的。比如，电极的每个堆都可以包括任何数量的电池。

Claims (25)

1.一种用于制造电极的方法，包括：
将电极浆料印刷在基片的多个基本上形状类似的部分上，使得浆料在所述基片上限定图案，所述多个基本上形状类似的部分的每个部分与所述多个基本上形状类似的部分的其他部分相互间隔；
使所述电极浆料在所述基片上干燥；以及
在所述基片的所述多个基本上形状类似的部分的至少一个部分的顶上印刷隔离片材料。
2.根据权利要求1的方法，其中，所述将所述电极浆料印刷在所述基片的所述多个基本上形状类似的部分上包括将所述电极浆料印刷在所述基片的多个长方形形状的部分上，使得所述多个长方形部分的每个长方形部分与所述多个长方形部分的其他长方形部分基本上对齐。
3.根据权利要求1的方法，其中，所述将所述电极浆料印刷在所述基片的所述多个基本上形状类似的部分上包括将所述电极浆料印刷在所述基片的多个长方形形状的部分上，所述多个长方形形状的部分的每个长方形形状的部分与所述多个长方形形状的部分的至少一个其他长方形形状的部分间隔一距离。
4.根据权利要求1的方法，其中，所述将所述电极浆料印刷在所述基片的所述多个基本上形状类似的部分上包括：使用具有第一旋转鼓轮和第二旋转鼓轮的旋转平版印刷机印刷所述电极浆料，当所述基片在所述第一旋转鼓轮与所述第二旋转鼓轮之间通过时，所述第一旋转鼓轮将所述电极浆料通过网格压印到所述基片上。
5.根据权利要求1的方法，其中，所述将所述电极浆料印刷在所述基片的所述多个基本上形状类似的部分上包括：使用具有第一旋转鼓轮和第二旋转鼓轮的旋转平版印刷机印刷所述电极浆料，当所述基片在所述第一旋转鼓轮与所述第二旋转鼓轮之间通过时，所述第一旋转鼓轮将所述电极浆料通过网格压印到所述基片上，涂布到所述基片的电极浆料的量随着所述网格的厚度而变化。
6.根据权利要求1的方法，其中，所述基片是铝。
7.根据权利要求1的方法，进一步包括：
在所述多个基本上形状类似的部分的每个部分周围印刷密封壁。
8.根据权利要求1的方法，其中，所述基片是第一基片以及所述电极浆料是第一电极浆料，所述方法进一步包括：
将第二电极浆料印刷在第二基片的多个基本上形状类似的部分上；
使所述第二电极浆料在所述第二基片上干燥；以及
将所述第二基片的所述多个基本上形状类似的部分的一个部分与所述第一基片的至少一个部分耦接，使得所述第二电极浆料接触所述隔离片材料。
9.根据权利要求1的方法，其中，使用具有第一旋转鼓轮和第二旋转鼓轮的旋转平版印刷机将所述隔离片材料印刷在所述电极浆料的顶上，当所述基片在所述第一旋转鼓轮与所述第二旋转鼓轮之间通过时，所述第一旋转鼓轮将所述隔离片材料通过网格压印到所述电极浆料上，涂布到所述电极浆料的隔离片材料的量随着所述网格的厚度而变化。
10.根据权利要求1的方法，进一步包括：
将所述基片切割至所期望的大小。
11.根据权利要求1的方法，其中，所述电极浆料包括活性碳，当部署在所述基片上时，与所述基片电气连接。
12.一种用于制造电极的系统，包括：
具有第一旋转鼓轮和第二旋转鼓轮的旋转平版印刷机；
耦接到所述第一旋转鼓轮的网格；
电极浆料，被配置为由所述第一旋转鼓轮通过所述网格压印到基片的一部分上；以及
隔离片材料，被配置为使用所述旋转平版印刷机被压印到所述基片上覆盖至少一部分电极浆料。
13.根据权利要求12的系统，其中，所述旋转平版印刷机包括第三旋转鼓轮和第四旋转鼓轮，所述基片被配置为在所述第三旋转鼓轮与所述第四旋转鼓轮之间通过，所述隔离片材料被配置为由所述第三旋转鼓轮压印到所述基片上。
14.根据权利要求12的系统，其中，所述基片是铝。
15.根据权利要求12的系统，其中，所述电极浆料包括活性碳、粘接剂和蒸馏水。
16.根据权利要求12的系统，其中，所述基片的所述部分是所述基片的第一部分，所述电极浆料被配置为被压印到所述基片的多个基本上形状类似的部分上，所述多个基本上形状类似的部分的每个部分都与所述多个基本上形状类似的部分的其他部分相互间隔。
17.根据权利要求12的系统，其中，所述旋转平版印刷机包括第三旋转鼓轮和第四旋转鼓轮，所述基片被配置为在所述第三旋转鼓轮与所述第四旋转鼓轮之间通过，所述系统进一步包括：
密封剂材料，被配置为由所述第三旋转鼓轮压印到所述基片上，使得所述密封剂材料围绕所述基片的所述部分。
18.根据权利要求12的系统，其中，所述基片被配置为在所述第一旋转鼓轮与所述第二旋转鼓轮之间通过。
19.一种用于制造电极的方法，包括：
使用旋转平版印刷机将电极浆料印刷到基片的一部分上；
使所述电极浆料在所述基片上干燥；
使用所述旋转平版印刷机将隔离片材料印刷到所述基片的所述部分上；以及
使用所述旋转平版印刷机围绕所述基片的所述部分印刷密封壁。
20.根据权利要求19的方法，其中，所述将所述电极浆料印刷到所述基片的所述部分上包括：使用具有第一旋转鼓轮和第二旋转鼓轮的旋转平版印刷机印刷所述电极浆料，当所述基片在所述第一旋转鼓轮与所述第二旋转鼓轮之间通过时，所述第一旋转鼓轮将所述电极浆料通过网格压印到所述基片的所述部分上。
21.根据权利要求19的方法，其中，所述基片的所述部分是所述基片的第一部分，所述方法进一步包括：
与将所述电极浆料印刷到所述基片的所述第一部分上基本上同时，使用所述旋转平版印刷机将所述电极浆料印刷到所述基片的第二部分上，所述基片的所述第一部分与所述基片的所述第二部分间隔一距离。
22.根据权利要求19的方法，其中，所述基片是第一基片，所述方法进一步包括：
使用所述旋转平版印刷机将电极浆料印刷到第二基片的一部分上；
使所述电极浆料在所述第二基片上干燥；
使用所述旋转平版印刷机围绕所述第二基片的所述部分印刷密封壁；以及
将所述第一基片的所述部分与所述第二基片的所述部分耦接，使得所述第二基片的所述部分上印刷的电极浆料接触所述第一基片的所述部分上印刷的所述隔离片材料。
23.根据权利要求19的方法，其中，所述基片是铝。
24.根据权利要求19的方法，进一步包括：
将所述基片切割至所期望的大小。
25.根据权利要求19的方法，其中，所述将所述电极浆料印刷到所述基片的所述部分上包括：使用具有第一旋转鼓轮和第二旋转鼓轮的旋转平版印刷机印刷所述电极浆料，当所述基片在所述第一旋转鼓轮与所述第二旋转鼓轮之间通过时，所述第一旋转鼓轮将所述电极浆料通过网格压印到所述基片的所述部分上，涂布到所述基片的所述部分的电极浆料的量随着所述网格的厚度而变化。
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