CN103430264B - 超级电容器封装件设计 - Google Patents

Abstract

超级电容器封装件的端子板由单个导电材料片形成，并包括沿与端子板的第一主表面大致正交的方向延伸的多个弯曲凸片。端子板构造成提供超级电容器封装件的外部端子和与包含在封装件中的电极组的相应端子之间的直接金属接触。

Description

超级电容器封装件设计

相关申请的交叉引用

本申请根据35 USC§120要求2011年2月28日提交的美国序列号第13/036,069号的优先权权益，本申请所依赖的内容以参见的方式纳入本文。

发明领域

本公开涉及一种用于电化学双电层电容器的低成本封装件设计，更具体地涉及一种用于在双电层电容器的电极和电容器端子之间提供全金属、导电路径的端子板设计。

背景

能量储存装置、例如超级电容器，可以被用在需要不连续功率脉冲的各种应用中。这样的应用范围从手机到混合动力车辆。

超级电容器可包括两个或多个由多孔分隔件所分隔的碳基电极和有机电解质。前述有源元件可以以多种设计排列，其可包括平行板和卷芯构造。有源元件容纳在壳体或封装件内。

超级电容器的重要特征在于其可提供的能量密度和功率密度。能量密度和功率密度主要取决于有源元件的性能。另一个重要的特征是成本。影响装置成本的因素包括原材料的成本，以及相关封装件的直接和间接成本，这些会影响性能、工艺性和可靠性。理想的是使超级电容器封装件简单且价廉同时又牢固且高效。

超级电容器封装件的一方面是形成内部电连接的方式。形成装置的有源元件(如：卷芯)和封装件端子之间的电连接方法包括焊接、压接和过盈配合。但运用前述方法的常规设计在长期性能和可靠性方面会有问题。

考虑到前述情况，需要简单、经济且牢固的用于超级电容器的封装件设计。

发明内容

本公开涉及一种用于超级电容器封装件的端子板。在一实施例中，端子板由单个导电材料片形成，并且包括沿与端子板的第一主表面大致正交的公共方向延伸的多个弯曲凸片。

一种超级电容器封装件可包括一个或多个端子板。在另一实施例中，超级电容器封装件包括壳体，该壳体具有包括第一封装件端子的端壁。壳体限定内部空间，该内部空间可用包括第二封装件端子的端帽关闭。包括第一和第二电极的电极组可包含到内部空间中。第一和第二端子板也可包含到内部空间中以在电容器电极与封装件端子之间提供电连接。在一个示例构造中，第一端子板的第一主要表面与第一电极电接触，而形成在第一端子板中的弯曲凸片与第一封装件端子电接触。类似地，第二端子板的第一主表面与第二电极电接触，而形成在第二端子板中的弯曲凸片与第二封装件端子电接触。

在下面的详细描述中将阐述本发明的其它特征和优点，它们对本领域的技术人员来说部分地可从该说明书中变得显而易见，或可通过如本文(包括下面的详细描述、权利要求书以及附图)所述那样来实践本发明认识到。

应予理解的是，上面的总体说明和下面的详细说明都提供了本发明的实施例，并意在提供概况或框架以便理解如所要求保护的本发明的性质和特征。包括附图以提供对本发明的进一步理解，附图包括在说明书中并构成说明书的一部分。附图示出本发明的各个实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理和操作。

附图说明

包括附图以提供本发明的进一步理解，附图包含在该说明书中并构成该说明书的一部分。附图不意于对要求保护的发明进行限制，而是提供用于与说明书一起来说明本发明的具体实施例，用于解释本发明的原理。

图1是示例超级电容器封装件的剖视图；

图2是根据一实施例的端子板的立体图；

图3是示例超级电容器封装件的详细剖视图；

图4是根据一实施例的部分组装测试单元的光学显微图；以及

图5是根据另一实施例的部分组装测试单元的光学显微图。

具体实施方式

超级电容器封装件包括端子板，该端子板沿装置的电容器电极与电端子之间电流路径提供所有金属连接。能够改进电流密度分布并在充/放电循环中提供低电阻的端子板的制造简单且经济，并且能够容易地包含到所公开的超级电容器封装件中。端子板和形成的超级电容器封装件相对于常规超级电容器封装件能够提供增强的可靠性。

图1剖视图中示意性地示出示例超级电容器封装件100。超级电容器封装件100包括限定内部空间112的壳体110。壳体110包括端壁116、侧壁118、以及构造成与侧壁118相密封配合以封围内部空间112的端帽130。端壁116和端帽130包括相应的封装件端子126和136。可使用包括例如冲击挤压的常规方法来形成壳体。

可将诸如卷芯电极组的电极组包含到内部空间112中。在各实施例中，电极组150可采用常规结构，包括例如由至少一个分隔层隔开的各电极。每个电极可包括在导电箔之上形成的碳基层。本文所用的“形成在另一层”上的层是与另一层电接触，但不一定是直接物理接触。

在示例设计中，一对电极和两个分隔层以交错方式堆叠，并且沿一轴线滚卷成“卷芯”的圆柱体。一旦形成，卷芯可具有例如圆形或椭圆形的截面。在滚卷之前，电极可构造或布置成每个相应导电箔的各部分沿相反方向延伸超过电极组的其它部件，从而形成第一和第二电容器端子154、158。这样，当电极和分隔件被滚卷时，电容器端子154、158在圆柱体的相反端提供将形成的卷芯电容器连接到封装件端子126、136的装置。在一些设计中，每个导电箔的延伸部分可被挤压或结缠在一起来促进牢固的电连接。

卷芯可通过将材料堆叠件围绕心轴卷绕来形成。心轴(如果使用的话)可在形成卷芯之后被移走，或者被留下来替代地在运行中用作例如电容器中的散热器。

在各实施例中，导电箔可包括适用于电化学双电层电容器中的任何导电材料。在一方面，导电箔中的至少一个包括可例如折叠、滚卷或卷绕的柔性导电材料。导电箔可由诸如铝的金属制成。

碳基层可增加电极组的表面积，并可包括多孔碳或活性碳。在各实施例中，电极中的一个或两个包括活性碳。

分隔层可以是多孔层，该多孔层允许液态电解质渗透和/或扩散穿过。例如，分隔层可包括纸、云母、玻璃、陶瓷、气凝胶、二氧化硅、非导电碳、聚合材料或其组合。

描述电极组其它细节，包括导电箔、碳层、分隔层和液态电解质在本申请人所有的美国专利申请第2010/0306979和2009/0320253中公开，其中全部内容都以参见的方式纳入本文。

端子板300可提供在电容器端子154、158与相应的封装件端子126、136之间的电接触。端子板300可与电极组150一起被包含到封装件100的内部空间112中，使得端子板的一表面318与电容器端子154或158形成物理和电接触，同时从相反表面316延伸出的一个或多个弯曲凸片320与封装件的端壁116或端帽130形成物理和电接触，且因此提供与封装件端子126、136的电连接。单个端子板可被包含在壳体的任一端，或封装件可包括一对端子板。

图2示出根据一实施例的端子板的详细视图。端子板300包括由周界边缘312限定、并具有大体上平行的相反主表面316、318的板体310。可在端子板300中形成多个弯曲凸片320。在所示实施例中，一对凸片沿大致与主表面316正交的公共方向延伸。在替代实施例中，端子板可具有三个或更多弯曲凸片，三个或更多弯曲凸片可适于与形成在端帽或端壁中的同样数量的狭槽相配合。

每个弯曲凸片可选配地包括一对定位槽口322，一对定位槽口322可提供自固定止挡件，该自固定止挡件可相对于封装件100的端壁116或端帽130来定位端子板。定位槽口可限制弯曲凸片穿过狭槽的长度小于0.1英寸(例如，小于0.1英寸或小于0.05英寸)。

可在板体310中形成减薄区域330以能够将主表面318焊接(例如，激光焊接)到端子154、158。减薄区域330可通过对主表面进行模压来形成。在各实施例中，减薄区域330形成在主表面316中，该主表面316与端子板接触端子154、158处的主表面318相反。

端子板可选配地设有中心孔340。中心孔340可用于使电容器封装件能够充注电解质。中心孔形成可以用作气体发生缓冲器的开放死空间；并且允许在组装期间使用杆或心轴以在焊接期间保持每个端子板300与电容器端子154和/或158相接触。

包括一体部分的端子板可使用任何合适的方法由导电材料片形成，任何合适的方法包括冲压、激光切割、水射流切割、模压等。在各实施例中，端子板的厚度范围可以从0.01英寸到0.1英寸，其中减薄区域的厚度范围可从0.005到0.05英寸。例如，端子板的减薄区域330的厚度范围可从初始端子板厚度的25％至75％(例如，50％)。

在包括一对端子板的超级电容器中，每个端子板的设计可以大体相同，或者端子板也可以不同。在一实施例中，一个端子板可以有较长弯曲凸片，该较长弯曲凸片与延伸的端帽或者延伸的端壁协作以在组装好的壳体中形成死气体体积。

根据另一些实施例，壳体110的端壁116和端帽130可独立地包括构造成与弯曲凸片可滑动配合的狭槽140。图3示出示例超级电容器封装件100的一端的详细视图。卷芯电极组150的端子154被焊接至端子板300的表面318，并被插入内部空间112。弯曲凸片320延伸穿过形成在端帽130中的狭槽140，并可选地轻微突出。通过将弯曲凸片320在弯曲凸片穿过狭槽140处焊接到端帽130而在端子154与端帽130之间形成密封的直接金属接缝。焊接可包括例如自体钨极惰性气体保护焊(GTAW)。可在封装件100的相反端(例如，在端壁116处)形成相似结构。

与在导电路径中的各部分之间运用过盈配合的常规组件相比，焊接配装具有改善的尺寸稳定性、更好的机械强度，以及因为焊接接缝的密封性质，可提供增强的内部侵蚀和电解液中盐沉淀的耐受。有利地，端子板提供的所有金属连接能显著降低电极组与封装件端子之间的电阻。

进行了热建模和试验测试以评估焊接期间的温度分布。过热可能会损坏卷芯。在12伏特、60安培的焊接条件下持续5秒，建模预测在卷芯的附近的最高温度为110℃，其在装置的可接受范围内。

图4和5示出测试装置400。在图4中，端子板300邻靠电容器端子154，且端子板通过使用螺纹拉杆410、垫圈415和螺母420抵靠端子154固定。形成端子154的导电箔片的多个部分被结缠在一起以提供端子154与端子板的主表面318之间更牢固的界面。

端子板包括一对弯曲凸片320。热电偶450定位在端子板300与卷芯端子154之间，以在焊接期间测量局部温度。参照图5所示，具有一对狭槽140的模拟端帽130放置在端子板300上，使得弯曲凸片320延伸穿过相应狭槽。弯曲凸片穿过狭槽并且延伸约0.03英寸。

弯曲凸片在12伏特和65安培的焊接条件下进行焊接(例如钨极惰性气体保护焊)，这产生120℃的测量温度。氦检泄漏测试确认焊接接缝是密封的。

在一实施例中，弯曲凸片320可选配地包括构造成限制弯曲凸片与狭槽140配合长度的定位槽口322。再次参照图2，具有定位槽口322的弯曲凸片具有宽度为w且深度为d的配合段326。配合段的厚度可与弯曲凸片的厚度相同，弯曲凸片的厚度可与弯曲凸片从其所弯曲的板体310的厚度相同。具有这种配合段的弯曲凸片可以与长度和宽度尺寸稍大于w×d的狭槽140可滑动地配合，其中弯曲凸片将仅滑动穿过该狭槽至深度d，由此由槽口322形成的台阶328将与其内形成有狭槽的主体配合并将弯曲凸片安放在狭槽内。

定位槽口可用于在空间上使端帽或端壁从板体310偏移，使得在各实施例中，在主表面316与端帽或端壁的内表面之间形成死空间390。在各实施例中，在端板与端帽或端壁之间的电连接仅通过弯曲凸片320形成，即，板体310不与端帽130或端壁116形成接触。除了使配装位于端子板与壳体之间外，定位槽口可吸收额外负荷，该额外负载否则会影响并可能损坏焊接接缝。

可在端帽130与壳体110的侧壁118之间形成气密密封以保护壳体中的内容物不被暴露于空气或湿气中，同时将端帽130(和相应的封装件端子136)与相对端壁116(和相应的封装件端子126)电绝缘。

可使用多种方法来提供在端帽与壳体之间的气密密封和电绝缘。这样的方法包括使用绝缘体、涂层、以及包括O形环的聚合物密封件。

端帽接缝可包含O形环370，该O形环370可定位在例如壳体110与端帽130的内表面之间以提供密封界面。在一示例实施例中，如图3所示，可包括O形环370作为在侧壁118的端面119处与壳体110配合的面密封件。示例O形环可具有高电阻，并可用低碳材料形成。

在另一些实施例中，可使用粘合剂密封件使端帽与壳体电绝缘，并且将封装件气密地密封以防止空气和/或湿气侵入，并防止液态电解质泄漏。测试显示粘合剂密封可提供比常规聚合物O形环更加牢固的气密屏障。例如，环氧树脂可用于将接缝密封，并且还将壳体与端帽电绝缘。示例环氧树脂是乐泰(Loctite)(德国杜塞尔多夫(Dusseldorf)的汉高(Henkel)出品)。

一粘合剂密封380可附加于或替代O形环使用，并可沿侧壁118的外表面与端帽130的内表面之间的窄界面形成。

公开的超级电容器封装件包括易于组装及在组装好时提供低成本、牢固且可靠封装件的低成本零件。

如本文中所用，单数形式的“一”、“一个”以及“该”包括复数指代物，除非上下文明确地另作规定。因此，例如，对“金属”的引用包括具有两个或多个这样的“金属”的实例，除非上下文明确地另作规定。

范围在本文中可表达为从“约”一个特定值和/或到“约”另一特定值。当表示这样一个范围的时候，实例包括从一个特定值和/或到另一特定值。类似地，当使用前缀“约”表示数值为近似值时，应理解，具体数值形成另一个方面。还应理解，每个范围的端值无论是与另一个端值联系起来还是独立于另一个端值，都是有意义的。

除非另有表述，绝不意味着本文所述的任何方法诠释为要求其步骤按特定顺序进行。因而，方法权利要求并不实际上记载其步骤所要遵循的顺序，或者权利要求书或说明书中未以其它方式具体陈述各步骤限于特定顺序，则绝不意味着指任何特定顺序。

还应注意到，本文的列举涉及以特定方式“改适”或“构造”的本发明部件。在这方面，此种部件以特定方式“改适”或“构造”成具有特定的特性或功能，其中这些列举是与预定使用列举相反的结构性列举。更具体地说，在此对于部件进行“构造”或“改适”的方式的参照代表部件的现有的物理条件，且同样视作对于部件的结构特征的有限列举。

对本领域技术人员显而易见的是，可对本发明做出各种修改和变化而不偏离本发明的精神和范围。由于本领域技术人员可进行包含本发明精神和实质的本文所揭示实施例的改型组合、子组合或变化，所以本发明应诠释为包括所附权利要求书和其等同物范围内的任何东西。

Claims (14)

1.一种用于超级电容器封装件的端子板，所述端子板由导电材料片形成并包括：

多个弯曲凸片，所述多个弯曲凸片沿与所述端子板的第一主表面大致正交的公共方向延伸,其中所述弯曲凸片构造成与形成在所述超级电容器封装件的端壁和端帽中的相应狭槽能滑动地配合并从内部至外部穿过所述相应狭槽。

2.根据权利要求1所述的端子板，其特征在于，所述端子板具有大致圆形的截面。

3.根据权利要求1的端子板，其特征在于，所述端子板包括一对弯曲凸片。

4.根据权利要求1的端子板，其特征在于，所述端子板包括三个弯曲凸片。

5.根据权利要求1的端子板，其特征在于，所述弯曲凸片包括多个定位槽口。

6.根据权利要求1的端子板，其特征在于，所述端子板的厚度范围是0.01到0.1英寸。

7.根据权利要求1的端子板，其特征在于，所述端子板的第一主表面包括一个或多个减薄区域。

8.根据权利要求1的端子板，其特征在于，所述端子板的所述第一主表面包括厚度为0.005到0.05英寸的一个或多个减薄区域。

9.根据权利要求1的端子板，其特征在于，还包括在所述端子板的中心部形成的孔。

10.一种超级电容器封装件，包括：

壳体，所述壳体具有包括第一封装件端子的端壁，并限定内部空间；

端帽，所述端帽包括第二封装件端子并与所述壳体配合以封围所述内部空间；

电极组，所述电极组包含在所述内部空间内，并包括第一和第二电极；

第一和第二端子板各由单个导电材料片形成，所述端子板包括沿与每个端子板的主表面大致正交的方向延伸的相应多个弯曲凸片，其中

所述第一端子板的第一主表面与所述第一电极电接触，

所述第一端子板的弯曲凸片与所述第一封装件端子电接触；

所述第二端子板的第一主表面与所述第二电极电接触；以及

所述第二端子板的弯曲凸片与所述第二封装件端子电接触,以及

所述第一和第二端子板的弯曲凸片与形成在所述端壁和所述端帽中的相应狭槽能滑动地配合并从内部至外部穿过所述相应狭槽。

11.根据权利要求10的超级电容器封装件，其特征在于，所述第一端子板的所述第一主表面焊接至所述第一电极，并且所述第二端子板的所述第一主表面焊接至所述第二电极。

12.根据权利要求11的超级电容器封装件，其特征在于，所述第一端子板的所述第一主表面在所述第一端子板的所述第一主表面的一个或多个减薄区域处焊接至所述第一电极，而所述第二端子板的所述第一主表面在所述第二端子板的所述第一主表面的一个或多个减薄区域焊接至所述第二电极。

13.根据权利要求10的超级电容器封装件，其特征在于，所述第一和第二端子板的弯曲凸片与形成在所述端壁和所述端帽中的相应狭槽气密地焊接。

14.根据权利要求10的超级电容器封装件，其特征在于，形成在所述弯曲凸片中的定位槽口所限定的台阶邻靠所述端壁和所述端帽的表面，从而所述弯曲凸片的各部分延伸穿过槽口最多0.1英寸。