CN1024059C - 双电荷层电容器 - Google Patents

Abstract

将两种直径分别为20微米和5微米的微细活性碳粒子粉末混合，混合比为10∶1，并将此混合物放入一模具中。在向模具中的混合物施加300kg/cm²的压力时，再在微细活性碳粒子之间加上脉冲电压以使其间产生750A的脉冲电流90秒钟，令微细活性碳粒子保持在800℃的温度2分钟从而将微细活性碳粒子烧结成用作电极的多孔烧结体。向两个这样的电极注入电解质以产生极化电极。一种双电荷层电容器包括两个夹在集电器之间并被隔离板隔开的极化电极。

Description

本发明涉及一种具有高静电电容的双电荷层电容器，它应用双电荷层原理，此双电荷层在活性碳和电解质之间的界面上形成。

近来，基于双电荷层原理的高容量电容器作为电子系统中存储器的备用电源已得到发展，并广泛应用在微计算机和集成电路存储器中。

例如，在美国专利3，536，936中披露了一种类型的双电荷层电容器。其图5示出了所披露的双电荷层电容器的结构，该双电荷层电容器包括：由一对电子传导器的集电器101组成的基本单元（Single    basic    cell），集电器101用作一对收集器电极;一对由活性碳粒子制成的碳电极102;一对不导电的密封垫圈103;和位于碳电极102之间用以防止电子在电极102之间运动的绝缘板104，碳电极102是由浓缩浆料制成胶糊电极，浓缩浆料是粉末状或散粒状活性碳和电解质的混合物。电解质完成三种功能，它作为离子传导率的促进剂，离子源和碳粒子的粘合剂。

降低双电荷层电容器的内阻是重要的。双电荷层电容器的内阻受极化电极活性碳的接触电阻和收集器电极与极化电极之间的接触电阻的影响很大。

因此，为了降低极化电极的内阻和收集器与极化电极之间的接触电阻，每个基本单元都应控制其垂直压力以使胶糊活性碳的粒子相互间有良好的电接触。常规双电荷层电容器要求每个单元都控制在约100kg/cm²的压力下，尽管它取决于电极尺寸、碳材料的颗粒尺寸，或者所用电解质的种类。在以往的双电荷层电容器中，各单元通过使电容器外壳变形或者把集电器牢固地粘接到密封垫圈上来控制其压力。 如果双电荷层电容器被用作大容量电容器，例如激励马达的电源，因而就必须增加电极基本单元的截面积。因此不得不增加施加到基本单元的压力。然而增加压力产生一些实际问题，例如施加压力的装置的选择和对容纳基本单元的外壳的高强度的要求。

为解决上述问题，申请人已推荐了一种具有高储能密度并且不需要电极加压装置的结构简单的双电荷层电容器，如在日本专利申请No.1（1989）-215277（相应于美国专利申请No.550，170和欧洲专利申请No.980，308，781，5）中所披露的。所推荐的双电荷层电容器有极化电极，每个极化电极都是由通过烧结联结在一起的微细活性碳粒子组成的多孔烧结体。

然而，极化电极的密度，体积电阻（电阻率）和单位表面积随微细活性碳粒子的直径而变化，并对双电荷层电容器的能量密度和内阻有很大影响。例如，当微细活性碳粒子在相同条件下烧结时，所获得的极化电极的体积电阻（电阻率）当微细活性碳粒子直径大时则大，当微细活性碳粒子的直径小时则小。因此，如果应用较小直径的微细活性碳粒子，所得到的双电荷层电容器就有较小的内阻。然而，业已发现，较小直径的微活性碳粒融合在一起，从而使单位表面积减少，能量密度降低。

本发明的任务是提供一种应用双电荷层原理的双电荷层电容器，双电荷层由活性碳和电解质之间的界面组成，此双电荷层电容器有较小的内阻而不影响能量密度。

本发明提供了一种有由活性碳和电解质之间的界面组成的双电荷层的双电荷层电容器，它至少包括：二个极化电极，每一个都是由多孔烧结体组成，而多孔烧结体是由不同直径的微细活性碳粒子烧结和 联结而成;一插在两极化电极之间的隔板;和一外壳，其中密封有极化电极，隔板和电介质。本发明也提供一种制造双电荷层电容器极化电极的方法，双电荷层电容器有由活性碳和电介质之间的界面组成的双电荷层，此方法包括如下步骤：至少把两种不同直径的微细活性碳粒子粉末混合在一起将此混合物放入模具中，向模具中的混合物加压，当压力加到混合物上时，在微细活性碳粒子之间施加脉冲电压以使其间产生放电，并使微细活性碳粒子保持在予定温度，以便烧结此微细活性碳粒子。

本发明的上述和其它目的，特性和优点，由以下结合附图对优选实施例的描述，将变得更加明显。

图1是表示本发明双电荷层电容器极化电极的微细活性碳的结构图;

图2是表示制造本发明多孔烧结体装置的电路图;

图3是加到微细活性碳粒子上的压力，流过微细活性碳粒子的平均电流和微细活性碳粒子的温度随时间变化的曲线图;

图4是本发明双电荷层电容器的截面图;和

图5是具有悬浮体胶糊电极的常规双电荷层电容器的剖面图。

图1示出本发明双电荷层电容器极化电极的微细活性碳粒子的结构。图2示出制造本发明多孔烧结体的装置。

如图2所示，将微细活性碳微粒的粉末放入烧结模具10中，烧结模具10由高强度的金属，如钨钢制成，其中心有孔，用以放置活性碳粒子。孔的内壁用公知的方法，如汽相生长法涂复上一层绝缘材料，如氧化硅（SiO₂）或氮化硅（Si₃N₄）从而形成绝缘层11。冲杆12、13的上端和下端分别插入烧结模具10的孔中。上、下 冲杆12和13是用耐热金属，如钨，钼或其类似材料制成。活性碳微细粒子16被密封在上、下冲杆12、13之间。上、下冲杆12、13分别连接到上、下电极14、15。

虽然在图2中未示出，此上、下冲杆13、14和上、下电极14、15是用水压机按箭头所示的方向被可控制地加压，所以能把所要求的压力加到微细粒子16。将微细粒子16和烧结模具10放到所要求的气氛中。使上、下电极14、15电连接到由开关SW₁SW₂和电容器C串联连接的电路，可变电阻R和可变电压源17的串联电路并联连接到电容器C和开关SW₂的串联电路上。开关SW₁SW₂的开关时间由开关控制电路18来控制。开关SW₁为常开开关而开关SW₂为常闭开关。

烧结模10可以用陶瓷材料来制造，例如氧化硅（SiO₂）、氮化硅（Si₃N₄）、碳化硅（SiC）或其它类似的陶瓷材料。

下面将讨论图2所示装置的工作。

在上、下电极14、15之间未加电压时，上、下冲杆12、13被相对驱动，以逐渐增加施加到置于其间的微细粒子的压力。

在图2所示的条件下，电容器C充分地充电。当加到微细粒子16的压力达到予期的水平时，控制开关SW₁使之重复地进行开和关。

控制开关SW₁的接通时间，使之与电容器C在上、下电极14、15之间的放电时间相等或更短。控制开关SW₁的断开时间使之与电容器C的充电时间基本上相等或更长。因此，流过上、下电极14、15之间的电流在最大值和最小值之间往复变化。

当开关SW₁重复进行开和关时，如图3所示在上、下冲杆之间 就流过强烈的脉冲冲击电流。

此脉冲冲击电流加在上、下冲杆12、13之间，直到夹在上、下冲杆之间的几乎所有微细活性碳粒子都互相接触和融合。此后，当加至微细粒子16的压力一直保持在恒定水平时，开关SW₂持续断开，开关SW₁持续接通，而且可变电阻器R的电阻和可变电压源17的电压被调整，以便如图3所示在上、下电极14、15之间连续地通过一给定数值的加热电流。

由于微细粒子的这些未互相充分接触和融合或者互相融合不稳定的部分往往塌陷（Callapse）或者由于细粒子的融接区域往往移动，导致局部的高温，在用加热电流激发的最初阶段加热电流即被控制，因此，微细粒子的温度将缓慢上升。

在达到予定温度后，所施加的加热电流保持在恒定水平，从而使至此已升温的活性碳多孔烧结体维持在一恒定温度（见图3）。

在这样条件下构成多孔烧结体的活性碳的微细粒子稳定地互相粘接。现在切断上、下电极14、15之间所加的放电电压，也去掉在其间所加的压力。当多孔烧结体的温度降至常温时将其从烧结模具10中取出。

当按上述烧结工艺分别烧结直径为20μm和5μm的微细活性碳粒子粉末时，由直径小的微细活性碳粒子烧结成的烧结体，其密度就高，如下表所示：

平均直径    密度    体积电阻    单位表面积

20μm 0.61g/cm³1.4Ωcm 1500m²/g

5μm 0.82g/cm³0.3Ωcm 700m²/g

直径较大的粒子其融合在一起的区域较小，直径较小的粒子其大多数部分融合在一起。由于粒子按上述烧结工艺用通过电流所产生的热被短时间烧结，这些粒子因直径是较小的，其总体被更多地加热。因此，如果粒子的直径是较小的，则烧结体的单位表面积就降低，其体积电阻也减少。上表所列的烧结体是按如下工艺烧结的：在压力为300kg/cm²温度为800℃所维持的2分钟期间，加750A脉冲电流90秒钟。当将不同粒径的微细活性碳粒子混合并烧结时，如图1所示较大直径的粒子L保持原状，较小直径的粒子S被融合。

图4示出本发明的双电荷层电容器的剖面图。图4所示的双电荷层电容器包括一对极化电极20，其每一个都是通过将平均粒径分别为20μm和5μm的微细活性碳粒子按10∶1的比率混合、并按上述烧结工艺将此混合物在图2所示的烧结模具中烧结成多孔烧结体而制成的。向极化电极20中注入稀释的硫酸。双电荷层电容器也有一由不导电橡胶组成的，其间容纳有极化电极20绝缘垫圈30和一设置在极化电极之间的用以防止电子在极化电极之间运动的隔离板40。由导电橡胶组成的集电器50被用粘合剂粘接到密封垫圈30的上下表面，并且通过硫化作用而与极化电极20连接。

有不同直径的微细活性碳粒子按如下方法混合：平均粒径为20μm和平均粒径为5μm的微细活性碳粒按10∶1的比率混合，并向此混合物中加进蒸馏水，然后将其烧结成胶糊。当将此胶糊状混合物充入烧结模具中时，它比细粉更易加工和测量。

然后将所得到的糊状混合物烧粘成极化电极。烧结成的极化电极其密度为0.64g/cm³，体积电阻（电阻率）为0.6Ωcm单位表面积为1300m²/g。

此烧结成的极化电极在相同条件下有比用平均粒径为20μm的微细活性碳粒子烧结成的烧结体有稍少的单位表面积以及少得多的体积电阻（电阻率）。因此，具有这样烧结成的极化电极的双电荷层电容器其内阻少，对能量密度也无大的影响。

尽管只展示和讨论了一些优选实施例，但应如此理解，即其许多改变和变种均未超出附加权利要求的范围。

Claims (4)

1、一种有由活性碳和电解质之间界面组成的双电荷层的双电荷层电容器，它包括：

至少两个极化电极；

插在所说的极化电极之间的隔离板；

其特征在于：

所说每一个极化电极包括有由直径为20微米和5微米的微细活性碳粒子烧结和粘接构成的多孔烧结体；和

其中密封有所说的极化电极、所说的隔离板和电解质的外壳。

2、按照权利要求1所说的双电荷层电容器，其特征在于，所说两种直径分别为20微米和5微米的微细活性碳粒子的混合比为10∶1。

3、一种制造的由活性碳和电解质之间的介面组成的双电荷层的双电荷层电容器的极化电极的方法，其特征在于，所说的方法包括如下步骤：

将两种直径分别为20微米和5微米的微细活性碳粒子粉末按10∶1的混合比混合在一起;

把混合物放入一模具中;

将所说混合物在压力为300kg/cm²温度为800℃的条件下烧结2分钟;

在混合物烧结时，再在微细活性碳粒子之间施加一脉冲电压以使其间产生750A的脉冲电流90秒钟。

4、按照权利要求3所说的方法，其特征在于，所说的将两种微细活性碳粒子粉末混合的步骤包括：向所说至少两种微细活性碳粉末加蒸馏水以及将此混合物烧结成胶糊的步骤。

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