CN104115247A - 用于井下仪器的电源 - Google Patents

Abstract

在一个实施方案中，公开了一种适合于向井下工具供应电力的电源。该电源包括：耦接至控制电路的能量源和配置为在约80摄氏度至约210摄氏度的温度范围内的温度下操作的可再充电能量储存器。该源可包括电池、与电能的外部供应的连接和发电机中的至少之一，其中所述发电机配置为将井下工具所经历的能量转化为电能。所述控制电路可以配置为接收来自所述源的电能并将电能储存在能量储存器中。

Description

用于井下仪器的电源

背景技术

1.技术领域

本文中公开的本发明涉及油和气以及其他地下资源的勘探，特别地涉及一种用于在井下环境中向仪器供应电力的电源。

2.相关技术的描述

在勘探油和气时，有必要向土壤中钻出井眼。虽然钻探井眼使得个人和公司能够评估地下材料和采掘期望的烃，但是遇到了许多问题。

例如，公知“容易开采的油”一般而言已经没有了。现在勘探需要寻找比之前更深的深度。这使得有必要钻得越来越深，从而进入恶劣的环境，例如温度从200摄氏度上至300摄氏度或超过300摄氏度的环境。一般而言，现今的仪器并非构建为在这样的环境中操作，并将在达到该范围内的环境温度之前失效。

井下仪器不断增加的复杂性使该问题进一步复杂化。也就是说，随着技术持续改进，勘探正在使用比之前任何时候都要多的仪器。伴随这种使用，出现了对井下电力需求的增加。

遗憾的是，许多已知的解决方案具有很多缺点。例如，多种类型的电池在升高的温度下遭受灾难性故障，并可因此毁坏仪器。此外，这些电池常常是不可再充电的，以及相当昂贵。

需要在温度为周围环境温度上至约200摄氏度或更高、包括上至约300摄氏度的环境中提供井下电力的方法和设备。优选地，所述方法和设备包括发电能力和能量储存，并可由此在恶劣的环境中提供延长的运行持续时间。此外，优选使所述解决方案在拥有和维持方面是经济的。

发明内容

在一个实施方案中，公开了一种适合于向井下工具供应电力的电源。该电源包括耦接至控制电路的能量源和配置为在约80摄氏度至约210摄氏度的温度范围内的温度下操作的可再充电能量储存器。该源可包括电池、与电能的外部供应的连接和发电机中的至少之一，所述发电机配置为将井下工具所经历的能量转化成电能。控制电路可配置为接收来自所述源的电能并将电能储存在能量储存器中。

在另一实施方案中，公开了一种用于制造井下工具的电源的方法。该方法包括选择至少一种能量源、配置为在约80摄氏度至约210摄氏度的温度范围内的温度下操作的可再充电能量储存器、和适合于接收来自发电机的电能并将电能储存在能量储存器中的控制电路；并将所述源、控制电路和能量储存器结合到井下工具中以提供电源。

在又一个实施方案中，公开了一种用于向井下工具提供电力的方法。该方法包括：选择一种包括电源的工具，该电源包括耦接至控制电路的能量源和配置为在约80摄氏度至约210摄氏度的温度范围内的温度下操作的高温可再充电能量储存器。该源包括电池、与电能的外部供应的连接和发电机中的至少之一，所述发电机配置为将井下工具所经历的能量转化为电能。控制电路可配置为接收来自所述源的电能并将电能储存在能量储存器中；以及从电源向井下工具负载提供电力。

附图说明

在作为说明书的结论的权利要求书中特别地指出并明确地要求保护被视为本发明的主题。本发明的前述及其他特征和优点通过结合附图的以下详述是明显的。在附图中：

图1示出了包括测井仪的钻柱的示例性实施方案；

图2示出了用于利用通过电缆部署的仪器测井的示例性实施方案；

图3示出了示例性超级电容器的各方面；

图4描绘了可包括在示例性超级电容器中的阳离子的一级结构的实施方案；

图5描绘了示例性超级电容器的壳体的实施方案；

图6示出了示例性超级电容器的储存单元的实施方案；

图7描绘了设置在壳体的本体的内部上的阻隔物；

图8A和8B（在本文中统称为图8）描绘了壳体的盖的各方面；

图9描绘了根据本文教导的超级电容器的组件；

图10A和10B（在本文中统称为图10）是分别描绘超级电容器的不具有阻隔物的实施方案和包括阻隔物的类似实施方案的性能的图；

图11描绘了作为包装材料设置在储存单元周围的阻隔物；

图12A、12B和12C（在本文中统称为图12）描绘了包括分多层的材料的盖的实施方案；

图13是包括玻璃-金属密封件的电极组件的横截面图；

图14是安装在图12B的盖中的图13的电极组件的横截面图；

图15描绘了组装过程中能量储存单元的布置；

图16A、16B和16C（在本文中统称为图16）描绘了组装的能量储存单元的实施方案；

图17描绘了在电极组件之上聚合物绝缘体的使用；

图18A、18B和18C（在本文中统称为图18）描绘了用于能量储存器的盖的另一个实施方案的模板的各方面；

图19是包括半球形材料的电极组件的透视图；

图20是包括安装在图18C的模板中的图19的电极组件的盖的透视图；

图21是图20的盖的横截面图；

图22是设置在圆柱形壳体内的能量储存单元的透明等距视图；

图23是在卷成卷制的能量储存单元之前的能量储存单元的实施方案的等距视图；

图24是储存单元的侧视图，示出了一个实施方案的多个层；

图25是卷制的储存单元的等距视图，其包括用于布置多根引线的参考标记；

图26是具有参考标记的图25的储存单元在卷制之前的等距视图；

图27描绘了包括多根引线的卷起的储存单元；

图28描绘了赋予到与储存单元耦接的对齐引线（即，端子）的Z-折叠；

图29至37是描绘示例性超级电容器的性能的各方面的图；

图38描绘了包括发电机和超级电容器的电源的实施方案；

图39描绘了位移发电机（displacement generator）的实施方案的各方面；

图40描绘了安装在测井仪中的图39所描绘的多个发电机的实施方案；以及

图41至47描绘了电源的控制电路的实施方案。

具体实施方式

本文中公开了适合在井下环境中使用的电源的各种配置。该电源在高温环境中为使用者提供发电。为了给所述电源提供上下文，提供了一些背景信息和定义。

现在参照图1，其示出了用于钻探井眼101（也称为“钻孔”）的设备的各方面。作为惯例，井眼101的深度被描述为沿着Z轴，而横截面设置在由X轴和Y轴描述的平面上。

在该实施例中，使用由其中提供转动能量和向下力的钻机（未示出）驱动的钻柱111向土壤102中钻出井眼101。井眼101通常穿过可包括各种地层103（示出为地层103A、103B、103C）的地下材料。本领域技术人员将认识到在地下环境中可能遇到的各种地质特征可以称为“地层”，并且钻孔下面（即，井下）的材料阵列（array）可以称为“地下材料”。也就是说，地层103由地下材料形成。因此，如在本文中使用的，应该认为虽然术语“地层”通常是指地质层，但是“地下材料”包括任意材料，并且可以包括例如固体、流体、气体、液体等材料。

在该实施例中，钻柱111包括驱动钻头114的钻杆112的长度。钻头114还提供钻井液104（例如，钻井泥浆）的流。经常通过钻杆112将钻井液104泵送到钻头114，所述钻井液在这里离开钻杆进入到井眼101中。这在井眼101内产生了钻井液104的上向流（upward flow）F。上向流F通常冷却钻柱111及其部件，带走来自钻头114的钻屑，并且防止加压烃类105的喷出。

钻井液104（也称为“钻井泥浆”）通常包括如环境中可能固有的地层流体、液体（例如水）、钻井液、泥浆、油、气体的混合物。虽然钻井作业可能引入钻井液104，但是除了测井操作之外，钻井液104的使用或存在既不是需要的也不是必要的。一般而言，材料层存在于钻柱111的外表面与井眼101的壁之间。该层被称为“间隙层（standoff layer）”，并且包括称为“间隙，S”的厚度。

钻柱111通常包括用于执行“随钻测量”（MWD），也称为“随钻测井”（LWD）的装置。执行MWD或LWD通常需要测井仪100的操作，所述测井仪被结合到钻柱111中且设计用于随钻操作。一般而言，将用于执行MWD的测井仪100耦接到电子封装件，所述电子封装件也机载在钻柱111上，并因此称为“井下电子设备113”。一般而言，井下电子设备113提供操作控制和数据分析中的至少之一。通常，测井仪100和井下电子设备113耦接至上部装置107。可以包括上部装置107以进一步控制操作，提供更强的分析能力以及数据记录等。通信通道（未示出）可以提供到上部装置107的通信，并且可以经由如本领域已知的脉冲泥浆、有线管和其他技术来操作。

一般而言，来自MWD设备的数据为使用者提供提高的能力。例如，可由MWD演变获得的数据可用作地质导向（即，在钻探过程期间为钻柱111导向）等的输入。

现在参照图2，示出了用于井眼101的电缆测井的示例性测井仪100。作为惯例，井眼101的深度被描述为沿着Z轴，而横截面设置在由X轴和Y轴描述的平面上。在用测井仪100测井之前，使用钻孔设备（例如在图1中所示出的）将井眼101钻入土壤102中。

在一些实施方案中，井眼101已经至少在一定程度上填充有钻井液104。钻井液104（也称为“钻井泥浆”）通常包括如环境中可能固有的地层流体、液体（例如水）、钻井液、泥浆、油、气体的混合物。虽然钻井作业可能引入钻井液104，但是除了电缆测井期间的测井操作之外，钻井液104的使用或存在既不是需要的也不是必要的。一般而言，材料层存在于测井仪100的外表面与井眼101的壁之间。该层被称为“间隙层”，并且包括称为“间隙，S”的厚度。

一般而言，使用通过井架106或类似装置部署的电缆108将测井仪100下放到井眼101中。一般而言，电缆108包括悬吊设备，例如，承重缆绳以及其他设备。其他设备可以包括电源、通信链路（例如，有线的或光学的）以及其他这样的装置。一般而言，电缆108由服务卡车109或其他类似设备（例如，服务站、基站等）运送。通常而言，电缆108耦接到上部装置107。上部装置107可以向测井仪100提供电力，以及提供操作控制和数据分析中的至少之一的计算和处理能力。

一般而言，测井仪100包括电源115。电源115可以视情况向井下电子设备113（即，电力消耗器件）提供电力。一般而言，井下电子设备113提供测量、执行取样以及任意其他为找到、确定并证明烃类105的存在所期望的序列。

总之，电源115一般包括电储存器和用于产生电输出的发电机。能量储存器可包括任何类型的可行技术。在许多个实施方案中，能量储存器包括至少一个超级电容器（在下文中参照图3对其进行了描述）。一般而言，在每种情况下，能量储存器提供高温可再充电能量储存器（HTRES）。在一些实施方案中，HTRES配置为在约80摄氏度至约210摄氏度的温度范围内的温度下操作。

HTRES的其他实施方案包括但不限于化学电池（例如铝电解电容器、钽电容器、陶瓷和金属膜电容器）、混合电容器磁能储存器（例如，空气芯或高温芯材的电感器）。其他类型的HTRES还可以适当地包括例如机械能储存器件，例如飞轮、弹簧系统、弹簧-质量系统、质量系统、热容系统（例如基于高热容液体或固体或相变材料的热容系统）、液压或气动系统。一个实例为可从美国罗得岛州普罗维登斯的埃文斯电容器公司（Evans Capacitor Company）得到的，产品型号HC2D060122DSCC10004-16，额定125摄氏度的高温混合电容器。另一实例为可从美国罗得岛州普罗维登斯的埃文斯电容器公司（Evans Capacitor Company）得到的，产品型号HC2D050152HT，额定200摄氏度的高温钽电容器。又一实例为可从德国慕尼黑EPCOS得到的，产品型号B41691A8107Q7，额定150摄氏度的铝电解电容器。又一实例为可从日本东京松下公司（Panasonic）得到的，日本产品型号ETQ-P5M470YFM，额定150摄氏度的电感器。其它的实施方案为可从法国巴涅奥莱市帅福得公司（Saft）得到的（产品型号锂离子VL32600-125），其在高达125摄氏度下操作30个充放电循环；以及在高达约250摄氏度下可操作的，且处于Sadoway，Hu（马萨诸塞州坎布里奇的固体能源（Solid Energy））的实验阶段的锂离子电池（实验的）。

作为讨论的内容，本文中讨论的电源115的实施方案涉及使用高温超级电容器，但是，这不限于可包括在电源115的能量储存器中的技术。现在介绍适合于用作高温能量储存器的超级电容器的示例性方面。

本文公开了在宽的温度范围内为使用者提供改进性能的电容器。例如，该电容器可在低至-40摄氏度至高至约210摄氏度的温度下可操作。在一些实施方案中，该电容器在约80摄氏度至高至约210摄氏度的温度下可操作。

一般而言，与现有技术装置相比，该电容器包括适于提供高功率密度和高能量密度的能量储存介质。该电容器包括配置成确保在所述温度范围内操作的部件，并且包括同样额定值为（rated for）所述温度范围的多种形式的电解质中的任意一种或更多种。构造、能量储存介质和电解质的组合导致在极端条件下提供稳健操作的能力。为了提供一些观点，现在介绍示例性实施方案的各方面。

如图3所示，示出了电容器的示例性实施方案。在这种情况下，该电容器是“超级电容器10”。示例性超级电容器10是双电层电容器（EDLC）。该EDLC包括至少一对电极3（其中，可将电极3单独地称为“负电极3”和“正电极3”中之一，但是，这仅仅为了在本文中引用的目的）。在组装成超级电容器10时，每个电极3在电解质界面存在双电荷层。在一些实施方案中，包括多个电极3（例如，在一些实施方案中，包括至少两对电极3）。为了讨论的目的，仅示出一对电极3。在本文中作为惯例，电极3中的至少之一使用碳基能量储存介质1（如在本文中进一步讨论的）以提供能量储存。但是，为了在本文中讨论的目的，一般假设每个电极均包括碳基能量储存介质1。应注意，电解质电容器不同于超级电容器，因为在电解质电容器中，金属电极在面积上通常差距很大（至少一个数量级）。

电极3中的每一个均包括各自的集电器2（也称为“电荷收集器”）。在一些实施方案中，电极3通过隔离器5隔开。一般而言，隔离器5是用于将负电极3与正电极3隔开的薄结构材料（通常为片）。隔离器5还可充当电极3的隔离对。一旦组装，电极3和隔离器5即提供储存单元12。应注意，在一些实施方案中，电极3之一或二者可不包括碳基能量储存介质1。也就是说，在一些实施方案中，相应的电极3可能仅由集电器2组成。用于提供集电器2的材料可以是粗糙化的、经过阳极化处理的等以增加其表面积。在这些实施方案中，单独的集电器2可充当电极3。然而，出于这种考虑，本文中使用的术语“电极3”一般指能量储存介质1与集电器2的组合（但出于至少前述原因，这并非限制性的）。

超级电容器10中包括至少一种形式的电解质6。电解质6填充电极3与隔离器5之中和之间的空隙空间。一般而言，电解质6是解离成带电离子的物质。适当时，在电解质6的一些实施方案中可以包括溶解该物质的溶剂。电解质6通过离子传输导电。

一般而言，储存单元12形成为卷绕形式或棱柱形式之一，然后将其封装到圆柱状或棱柱状壳体7中。一旦已容纳入电解质6，壳体7即可气密地密封。在各种实施例中，封装是通过利用激光、超声的技术和/或焊接技术来气密地密封。除了为储存单元12提供坚固的物理保护以外，壳体7还配置有外部接头以提供与壳体7内的各端子8的电连通。每个端子8进而提供对储存在能量储存介质1中的能量的电连接（electrical access），所述电连接一般通过耦接至能量储存介质1的电引线实现。

如本文所讨论的，“气密”是指其性质（即，泄漏速率）以“atm-cc/秒”为单位定义的密封，“atm-cc/秒”意指在环境大气压力和温度下每秒1立方厘米的气体（例如，He）。这相当于以“标准He-cc/秒”为单位的表示。此外，认为1atm-cc/秒等于1.01325豪巴-升/秒。一般而言，本文中公开的超级电容器10能够提供泄漏速率不大于约5.0×10^-6atm-cc/秒的气密密封，并且可以表现出不高于约5.0×10^-10atm-cc/秒的泄漏速率。还认为成功的气密密封的性能由使用者、设计者或制造者酌情判断，并且“气密”最终表示由使用者、设计者、制造者或其他利益相关方定义的标准。

可以例如通过使用示踪气体来实现检漏。使用示踪气体例如氦用于泄漏测试是有利的，因为它是干燥、快速、准确并且非破坏性的方法。在该技术的一个实施例中，将超级电容器10放入氦环境中。使超级电容器10经历加压的氦气。然后，将超级电容器10放在与能够监测氦存在的检测器（例如原子吸收单元）连接的真空室中。利用已知的加压时间、压力和内部容积，可以确定超级电容器10的泄漏速率。

在一些实施方案中，将至少一根引线（其在本文中也可称为“接片（tab）”）电耦接至相应的那个集电器2。多根引线（对应于超级电容器10的极性）可以组合在一起并耦接成为相应的端子8。进而，端子8可以耦接为电连接，称为“接头”（例如，壳体7和外部电极（在本文中也按照惯例称为“馈通件（feed-through）”或“引脚（pin）”）之一）。可参照图13、14和15。现在更详细地考虑能量储存介质1。

在示例性超级电容器10中，能量储存介质1由碳纳米管形成。能量储存介质1可以包括其他含碳材料，包括例如活性炭、碳纤维、人造纤维、石墨烯、气凝胶、碳布以及多种形式的碳纳米管。活性炭电极可以通过例如如下步骤制造：对通过碳化合物的碳化所获得的碳材料进行第一活化处理来生产碳基材料；通过向该碳基材料添加粘合剂来制造形成体；碳化该形成体；以及最终通过对该碳化的形成体进行第二活化处理来制造活性炭电极。碳纤维电极可以例如通过使用具有高表面积的碳纤维的纸或布预成型来制造。

在一种用于制造碳纳米管的示例性方法中，用于制造定向碳纳米管聚集体（aligned carbon-nanotube aggregate）的设备包括用于在其表面上具有催化剂的基底材料上合成定向碳纳米管聚集体的设备。该设备包括：形成单元，该形成单元执行使催化剂周围的环境成为还原气体环境并且加热至少催化剂或还原气体的形成步骤；生长单元，该生长单元执行通过使催化剂周围的环境成为原料气体的环境和通过加热至少催化剂或原料气体来合成定向碳纳米管聚集体的生长步骤；和转移单元，所述转移单元至少将基底材料从形成单元转移至生长单元。可以使用多种其他方法和设备来提供定向碳纳米管聚集体。

在一些实施方案中，用于形成能量储存介质1的材料可以包括除了纯碳（和目前可能存在的或之后将发明的多种形成的碳）之外的材料。也就是说，能量储存介质1中可包括其他材料的各种制剂。更具体地，并且作为非限定性的实施例，能量储存介质1中可以使用至少一种粘合剂材料，但是，这并不是建议或要求添加其他材料（例如粘合剂材料）。然而，一般而言，能量储存介质1基本上由碳形成，并且因此在本文中可称为“含碳材料”、“含碳层”以及其他类似术语。简言之，尽管主要由碳形成，但是能量储存介质1可以包括任意形式的碳（以及被认为适当的或可接受的任意添加剂或杂质）以提供作为能量储存介质1的期望的功能性。

在一组实施方案中，含碳材料包括按质量计至少约60%的元素碳，而在另一些实施方案中，按质量计至少约75%、85%、90%、95%或98%的元素碳。

含碳材料可以包括多种形式的碳，包括炭黑、石墨烯等。所述含碳材料可以包括碳颗粒，包括纳米颗粒例如纳米管、纳米棒、片形式的石墨烯片，和/或形成为锥、棒、球（巴基球（buckyball））等。

本文中提供了适用于能量储存介质1的多种形成的含碳材料的一些实施方案作为实施例。这些实施方案提供稳健的能量储存并且良好地适用于电极3中。应注意，这些实施例是说明性的，而并不限制适用于能量储存介质1的含碳材料的实施方案。

一般而言，术语“电极”是指用于在可结合到电路的装置中与常为非金属的另一种材料接触的电导体。一般而言，本文中使用的术语“电极”涉及集电器2和可伴随集电器2的另外的部件（例如能量储存介质1）以提供期望的功能（例如，与集电器2相匹配的能量储存介质1来提供能量储存和能量传输）。

转到集电器2，在一些实施方案中，集电器2为约0.5微米（μm）至约25微米（μm）厚。在一些实施方案中，集电器2为约20微米（μm）至约40微米（μm）厚。集电器2可表现为薄层，例如通过化学气相沉积（CVD）、溅射、电子束、热蒸发或者通过另外的合适的技术施加的层。一般而言，集电器2针对其性质例如传导性、电化学惰性以及与能量储存介质1（例如，CNT）的相容性来选择。一些示例性材料包括铝、铂、金、钽、钛，并且可包括其他材料以及多种合金。

一旦将集电器2与能量储存介质1（例如，CNT）接合，即实现了电极元件15。每个电极元件15可以单独使用作为电极3，或者可以耦接至至少另外一个电极元件15以提供电极3。

隔离器5可以由各种材料制造。在一些实施方案中，隔离器5是非织造玻璃。隔离器5还可以由玻璃纤维、陶瓷和含氟聚合物来制造，所述含氟聚合物例如通常由特拉华州威明顿（Wilmington,DE）的DuPontChemicals以TEFLON^TM销售的聚四氟乙烯（PTEE）。例如，使用非织造玻璃，隔离器5可以包括主要纤维和粘合剂纤维，每根粘合剂纤维的纤维直径小于每根主要纤维的纤维直径，并且使得主要纤维能够粘合在一起。

为了超级电容器10的长寿命以及为了确保在高温下的性能，隔离器5应具有降低的量的杂质，并且特别是包含于其中的非常有限的量的水分。特别地，已发现期望约200ppm的水分限制以减少化学反应和延长超级电容器10的寿命，以及提供在高温应用中的良好性能。用于隔离器5中的材料的一些实施方案包括聚酰胺、聚四氟乙烯（PTFE）、聚醚醚酮（PEEK）、氧化铝（Al₂O₃）、玻璃纤维以及玻璃增强塑料（GRP）。

一般而言，用于隔离器5的材料根据水分含量、孔隙率、熔点、杂质含量、所得电性能、厚度、成本、可用性等来选择。在一些实施方案中，隔离器5由疏水性材料形成。

因此，可以采用一些方法来确保从每个隔离器5除去过量的水分。可以采用真空干燥方法以及其他技术。

应注意，在一些实施方案中，超级电容器10不需要或不包括隔离器5。例如，在一些实施方案中，例如在电极3由结构的几何形状确保物理隔离的实施方案中，满足电极3之间只具有电解质6。更具体地，以及作为物理隔离的一个实例，一种这样的超级电容器10可以包括设置在壳体内使得在连续的基础上确保隔离的电极3。一种台式（bench-top）实例将包括设置在烧杯（beaker）中的超级电容器10。

超级电容器10可以实施为若干不同形状因子（即，表现出某种外观）。潜在有用的形状因子的实例包括：圆柱状单元、轮状或环状单元、扁平棱柱单元或包括盒状单元的扁平棱柱单元的堆叠体，以及适合于容纳特殊几何形状（例如弯曲空间）的扁平棱柱单元。圆柱状形状因子可以在结合圆柱状工具或以圆柱状形状因子安装的工具时最有用。轮状或环状形状因子可以在结合环状工具或以环状形状因子安装的工具时最有用。形状为适合于特殊几何形状的扁平棱柱单元可以高效利用“死空间（dead space）”（即，工具或设备中的未被以其他方式占据并且可以是一般难以接近的空间）。

虽然在本文中一般以“胶状卷”应用（即，储存单元12配置用于圆柱状壳体7）的形状公开，但是卷制的储存单元23可以采取任何期望的形状。例如，相对于卷起储存单元12，可以进行储存单元12的折叠以提供卷制的储存单元23。可以使用其他类型的组件。作为一个实例，储存单元12可以是扁平的单元，称为“硬币型”单元。因此，卷起只是卷制的储存单元23的组件的一个选择。因此，虽然在本文中以“卷制的储存单元23”的方面进行讨论，但这并非限制。可以认为术语“卷制的储存单元23”通常包括以良好适合于壳体7的给定设计的任意合适的形式封装或包装的储存单元12。

可以将各种形状的超级电容器10连接在一起。可以使用已知的技术例如焊接接触在一起、通过使用至少一种机械连接器、通过布置彼此电接触的接头等来连接所述多种形状。多个超级电容器10可以以并联和串联形式中的至少之一电连接。

电解质6包括阳离子9和阴离子11对，并且可以包括溶剂。可以将电解质6适当地称为“离子液体”。可以使用阳离子9、阴离子11和溶剂的各种组合。在示例性超级电容器10中，阳离子9可以包括以下物质中的至少之一：1-(3-氰丙基)-3-甲基咪唑1,2-二甲基-3-丙基咪唑1,3-双(3-氰丙基)咪唑1,3-二乙氧基咪唑1-丁基-1-甲基哌啶1-丁基-2,3-二甲基咪唑1-丁基-3-甲基咪唑1-丁基-4-甲基吡啶1-丁基吡啶1-癸基-3-甲基咪唑1-乙基-3-甲基咪唑3-甲基-1-丙基吡啶及其组合以及认为适当的其他等同物。其他示例性阳离子9包括咪唑吡嗪哌啶吡啶嘧啶以及吡咯烷（其结构描绘于图4中）。在示例性超级电容器10中，阴离子11可以包括以下物质中的至少之一：双(三氟甲磺酰)亚胺、三(三氟甲磺酰)甲基化物、二氰胺、四氟硼酸根、六氟磷酸根、三氟甲磺酸根、双(五氟乙烷磺酰)亚胺、硫氰酸根、三氟(三氟甲基)硼酸根及其组合以及认为适当的其他等同物。

溶剂可以包括：乙腈、酰胺、苄腈、丁内酯、环醚、碳酸二丁酯、碳酸二乙酯、乙醚、二甲氧基乙烷、碳酸二甲酯、二甲基甲酰胺、二甲砜、二氧六环、二氧戊环、甲酸乙酯、碳酸亚乙酯、碳酸甲乙酯、内酯、直链醚、甲酸甲酯、丙酸甲酯、甲基四氢呋喃、腈、硝基苯、硝基甲烷、N-甲基吡咯烷酮、碳酸亚丙酯、环丁砜、砜、四氢呋喃、四氢噻吩砜、噻吩、乙二醇、二甘醇、三甘醇、聚乙二醇、碳酸酯、γ-丁内酯、腈、三氰基己烷、其任意组合或表现出适当性能特性的其他材料。

现在参照图4，示出了适用于离子液体以提供电解质6的阳离子9的许多个另外的实施方案。这些阳离子9可以单独使用或者彼此组合使用，与阳离子9的前述实施方案中的至少一些组合使用，并且可以与使用者、设计者、制造者或其他类似的相关方认为相容并且合适的其他阳离子9组合使用。图4中描绘的阳离子9包括但不限于铵、咪唑唑磷哌啶吡嗪吡嗪哒嗪吡啶嘧啶吡咯烷锍、噻唑三唑胍异喹啉苯并三唑紫精类型以及官能化咪唑阳离子。

关于图4中所示的阳离子9，包括各种支链基（R₁、R₂、R₃、…R_x）。在阳离子9的情况下，每个支链基（R_x）可以是以下之一：烷基、杂烷基、烯基、杂烯基、炔基、杂炔基、卤素、氨基、硝基、氰基、羟基、硫酸酯基、磺酸酯基或羰基，其中任意一者任选地被取代。

术语“烷基”在本领域中是公认的，并且可以包括饱和的脂肪族基团，包括直链烷基、支链烷基、环烷基（脂环族）基团、烷基取代的环烷基以及经环烷基取代的烷基。在某些实施方案中，直链或支链烷基在其骨架中具有约20个或更少的碳原子（例如，直链的C₁-C₂₀，支链的C₁-C₂₀）。同样，环烷基在其环结构中具有约3至约10个碳原子，或者在环结构中具有约5、6或7个碳。烷基的实例包括但不限于甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基、乙基己基、环丙基、环丁基、环戊基、环己基等。

术语“杂烷基”在本领域中是已知的，并且是指其中一个或更多个原子是杂原子（例如，氧、氮、硫等）的如本文所述的烷基。例如，烷氧基（例如，-OR）是杂烷基。

术语“烯基”和“炔基”在本领域中是公认的，并且是指与上述烷基的长度和可能取代物类似但分别含有至少一个双键或三键的不饱和的脂肪族基团。

术语“杂烯基”和“杂炔基”在本领域中是公认的，并且是指其中一个或更多个原子是杂原子（例如，氧、氮、硫等）的如本文所述的烯基和炔基烷基。

一般而言，可以使用任意带负电荷的离子作为阴离子11。所选择的阴离子11一般与大的有机阳离子9成对以形成低温熔融的离子盐。室温（以及更低）熔融的盐主要来自大的带有一个负电荷的阴离子9。在甚至更低的温度下熔融的盐一般用具有容易离域的（delocalized）电子的阴离子11来实现。任何将降低离子之间亲和力的因素（距离、电荷离域）随后都将降低熔点。虽然可能的阴离子形成几乎是无限的，但是这些中只有一个子集将在低温离子液体应用中起作用。这是离子液体的可能的阴离子形成的非限制性概述。

适用于表1中提供的阴离子11的常见取代基（α）包括：-F^-、-Cl^-、-Br^-、-I^-、-OCH₃ ^-、-CN^-、-SCN^-、-C₂H₃O₂ ^-、-ClO^-、-ClO₂ ^-、-ClO₃ ^-、-ClO₄ ^-、-NCO^-、-NCS^-、-NCSe^-、-NCN^-、-OCH(CH₃)₂ ^-、-CH₂OCH₃ ^-、-COOH^-、-OH^-、-SOCH₃ ^-、-SO₂CH₃ ^-、-SOCH₃ ^-、-SO₂CF₃ ^-、-SO₃H^-、-SO₃CF₃ ^-、-O(CF₃)₂C₂(CF₃)₂O^-、-CF₃ ^-、-CHF₂ ^-、-CH₂F^-、-CH₃ ^--NO₃ ^-、-NO₂ ^-、-SO₃ ^-、-SO₄ ^2-、-SF₅ ^-、-CB₁₁H₁₂ ^-、-CB₁₁H₆C_l6 ^-、-CH₃CB₁₁H₁₁ ^-、-C₂H₅CB₁₁H₁₁ ^-、-A-PO₄ ^-、-A-SO₂ ^-、A-SO₃ ^-、-A-SO₃H^-、-A-COO^-、-A-CO^-{其中A是苯基（苯基或苯环是具有式C₆H₅的原子的环状基团）或经取代的苯基、烷基（具有通式C_nH_2n+1的基团，通过从烷烃移去氢原子而形成）或经取代的烷基、带负电荷的烷烃基团（烷烃是仅由氢和碳原子组成并且只通过单键键合的化合物）、卤代烷烃和醚（其为含有与两个烷基或芳基连接的氧原子的一类有机化合物）。

关于适用于提供电解质6的离子液体的阴离子11，可使用各种有机阴离子11。表1中提供了示例性阴离子11及其结构。在第一实施方案（第1个）中，示例性阴离子11由上文中提供的取代基（α）列表或其等同物形成。在另一些实施方案（第2-5个）中，示例性阴离子11由各基础结构（Y₂、Y₃、Y₄…Y_n）和相应数目的阴离子取代基（α₁、α₂、α₃…α_n）形成，其中相应数目的阴离子取代基（α）可选自上文中提供的取代基（α）列表或其等同物。应注意，在一些实施方案中，多个阴离子取代基（α）（即，至少一种不同的阴离子取代基（α））可用在阴离子11的任意一个实施方案中。还应注意，在一些实施方案中，基础结构（Y）是单个原子或指定的分子（如表1所述），或者可以是等同物。

更具体地，并且通过示例的方式，就表1中提供的示例性阴离子而言，可以实现某些组合。作为一个实例，在第2个的情况下，基础结构（Y₂）包括与两个阴离子取代基（α₂）键合的单一结构（例如，原子或分子）。虽然示出为具有两个相同的阴离子取代基（α₂），但无需是这种情况。也就是说，基础结构（Y₂）可以与不同的阴离子取代基（α₂）键合，例如上文中列举的任意阴离子取代基（α）。类似地，如第3个情况所示，基础结构（Y₃）包括与三个阴离子取代基（α₃）键合的单一结构（例如，原子）。此外，包括在阴离子中的每个阴离子取代基（α）可以变化或不同，并且无需重复（重复的或对称的），如表1所示。一般而言，对于表1中的符号，基础结构之一上的下标表示各基础结构与阴离子取代基（α）可具有的键的数目。也就是说，各基础结构（Y_n）的下标表示各阴离子中伴随的阴离子取代基（α_n）的数目。

表1

离子液体的示例性有机阴离子

术语“氰基”被赋予其在本领域中的通常含义，并且是指基团CN。术语“硫酸酯基”被赋予其在本领域中的通常含义，并且是指基团SO₂。术语“磺酸酯基”被赋予其在本领域中的通常含义，并且是指基团SO₃X，其中X可以是电子对、氢、烷基或环烷基。术语“羰基”在本领域中是公认的，并且是指基团C=O。

在超级电容器10的构造中考虑的一个重要方面是维持良好的化学卫生。为了确保部件的纯净，在许多个实施方案中，在真空环境中于升高的温度下干燥构成两个电极3的能量储存介质1的活性炭、碳纤维、人造纤维、碳布和/或纳米管。隔离器5也在真空环境中于升高的温度下干燥。一旦电极3和隔离器5在真空下干燥后，即将它们封装在壳体7中而无需在低于50份/百万份（ppm）水的气氛中最终密封或加盖。例如，可以在整个约100摄氏度至约300摄氏度的温度范围内在真空下干燥未加盖的超级电容器10。一旦该最终干燥完成，即可添加电解质6，并在相对干燥的气氛（例如，水分低于约50ppm的气氛）中密封壳体7。当然，可以使用其他组装方法，并且前述仅提供超级电容器10的组件的一些示例性方面。

一般而言，将电解质6中的杂质保持为最少。例如，在一些实施方案中，卤离子（氯离子、溴离子、氟离子和碘离子）的总浓度保持为低于约1000ppm。金属物质（例如，Br、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、K、Li、Mo、Na、Ni、Pb、Zn，包括其合金和氧化物中的至少一种）的总浓度保持为低于约1000ppm。此外，来自合成过程中所使用的溶剂和前体的杂质保持为低于约1000ppm，并且可以包括例如溴乙烷、氯乙烷、1-溴丁烷、1-氯丁烷、1-甲基咪唑、乙酸乙酯、二氯甲烷等。

在一些实施方案中，使用已应用于超级电容器10的电解质6的离子选择电极和卡尔·费歇尔（Karl Fischer）滴定法测量了超级电容器10的杂质含量。发现根据本文教导的超级电容器10的总卤化物含量低于约200ppm的卤化物（Cl^-和F^-），水含量低于约100ppm。

可以使用各种技术例如原子吸收光谱（AAS）、电感耦合等离子体质谱（ICPMS）或简化增溶和电化学感测痕量重金属氧化物颗粒来测量杂质。AAS为用于采用通过气态的自由原子的光学辐射（光）的吸收来定性和定量的测定化学元素的光谱分析方法。该技术用于确定待分析的样品中的特定元素（分析物）的浓度。AAS可用于测定溶液中或直接在固体样品中的超过70种不同的元素。ICPMS是一种质谱法，其高度灵敏并且能够测定金属和若干非金属的低于10¹²分之一（万亿分之一）的浓度的范围。ICPMS是基于将作为产生离子（离子化）的方法的电感耦合等离子体与作为分离和检测离子的方法的质谱结合在一起。ICPMS还能够监测所选离子的同位素形态。

可以使用另外的技术来分析杂质。这些技术中的一些对分析固体样品中的杂质特别有利。可以使用离子色谱（IC）来测定电解质6（例如，离子液体）中痕量水平的卤化物杂质。离子色谱的一个优点是可以以单色谱分析来测量相关的卤化物物质。使用由20mM NaOH和10%(v/v)乙腈组成的洗脱剂的Dionex AS9-HC柱是可用于定量来自离子液体的卤化物的设备的一个实例。另外一个技术是X-射线荧光技术。

可以使用X射线荧光（XRF）仪来测量固体样品中的卤素含量。在该技术中，将待分析样品放在样品杯中，然后将样品杯放在用特定波长的X射线来辐照的分析仪中。样品中的任意卤素原子吸收一部分X射线，然后反射给定卤素特有波长的辐射。然后该仪器中的检测器对从卤素原子回来的辐射的量进行定量，并测量辐射强度。通过了解暴露的表面积，可以确定样品中卤素的浓度。用于评定固体样品中的杂质的另外的技术是热解技术。

可以通过使用热解和微库仑计（microcoulometer）来有效测量杂质的吸附。微库伦计能够测试几乎任意类型的材料的总氯含量。作为一个示例，将少量样品（小于10毫克）注入或放入石英燃烧管中，石英燃烧管中的温度为从约600摄氏度至约1000摄氏度。使纯氧通过石英管，并且完全燃烧任意含氯组分。将所得燃烧产物吹扫进滴定单元，其中氯离子截留在电解质溶液中。电解质溶液包含银离子，银离子立即与任意氯离子组合并且作为不溶性氯化银从溶液中离开（drop out）。滴定单元中的银电极电取代所用尽的银离子，直至银离子的浓度回到滴定开始之前的浓度。通过跟踪产生所需量的银所需的电流的量，所述仪器能够测定初始样品中存在多少氯。除以由样品的重量表示的氯的总量给出实际上在样品中的氯的浓度。可以使用用于评定杂质的其他技术。

例如，可以通过红外光谱技术来检查电极3中的表面特征和水含量。在大约1130cm^-1、1560cm^-1、3250cm^-1和2300cm^-1处的四个主要吸收带分别对应于νC=O、芳基中νC=C、νO–H和νC–N。通过测量强度和峰位置，可以定量地确定电极3中的表面杂质。

另一种用于确定电解质6和超级电容器10中的杂质的技术是拉曼光谱。该光谱技术依赖于单色光的非弹性散射或拉曼散射，所述单色光通常来自可见光、近红外光或近紫外光范围的激光。激光与系统中的分子振动、声子或其他激励相互作用，导致激光光子的能量上下变化。因此，该技术可用于表征超级电容器10中的原子和分子。采用了拉曼光谱的许多变化形式，并且可证实其可用于表征超级电容器10的内容物。

一旦制造了超级电容器10，即可将其用于具有很少漏电流或没有漏电流和电阻很少升高的高温应用中。本文所述的超级电容器10可以高效地在约-40摄氏度至约210摄氏度的温度下运行，其中漏电流在整个工作电压和温度范围下在装置的低于1安培/升（A/L）体积的装置体积中归一化。

通过降低超级电容器10中的水分含量（例如，至相对于电解质和杂质的质量和体积小于500份/百万份（ppm）至小于1000ppm），超级电容器10可以在整个温度范围内高效地运行，在该温度和电压范围内具有小于1000毫安/升的漏电流（I/L）。

在一个实施方案中，通过使超级电容器10的电压保持恒定在额定电压（即，最大额定工作电压）下七十二（72）小时来测量在特定温度下的漏电流（I/L）。在此期间，温度保持在特定温度下相对恒定。在测量区间结束时测量超级电容器10的漏电流。

在一些实施方案中，在室温下超级电容器10的最大电压额定值为约4V。在升高的温度下（例如，超过210摄氏度）确保超级电容器10的性能的方法为降低（即，减小）超级电容器10的电压额定值。例如，电压额定值可以调整为低至约0.5V，以使在较高温度下可以获得延长的操作持续时间。

另一个用于确保高纯净度的实施方案包括用于提纯电解质6的示例性方法。应注意，虽然该方法以特定参数（例如量、配方、时间等）表示，但是该表示只是用于提纯电解质的方法的示例和说明，并不对其进行限制。

在用于提纯电解质的方法的第一步，将电解质6（在一些实施方案中为离子液体）与去离子水混合，然后升高至适中的温度，保持一段时间。在概念验证中，将五十（50）毫升（ml）的离子液体与八百五十（850）毫升（ml）的去离子水混合。将该混合物升高至六十（60）摄氏度的恒定温度，保持约十二（12）小时，并进行持续的搅拌（约一百二十（120）转/分钟（rpm））。

在第二步骤中，使得离子液体与去离子水的混合物分离。在该实施例中，通过漏斗转移该混合物，然后使该混合物放置约四（4）小时。

在第三步骤中，收集离子液体。在该实施例中，混合物的水相位于底部，离子液体相位于顶部。将离子液体相转移到另一个烧杯中。

在第四步骤中，将溶剂与离子液体混合。在该实施例中，将体积为约二十五（25）毫升（ml）的乙酸乙酯与离子液体混合。再将该混合物升高至适中的温度并搅拌一段时间。

虽然使用乙酸乙酯作为溶剂，但是溶剂可以是以下物质中的至少之一：乙醚、异戊烯炔（pentone）、环异戊烯炔（cyclopentone）、己烷、环己烷、苯、甲苯、1-4-二氧杂环己烷、氯仿或其任意组合以及表现出适当性能特性的其他材料。一些期望的性能特性包括非极性溶剂的那些以及高度挥发性。

在第五步骤中，向离子液体与溶剂的混合物中添加碳粉。在该实施例中，向混合物中添加约二十（20）重量百分比（wt%）的碳（约0.45微米直径）。

在第六步骤中，再次混合离子液体。在该实施例中，然后在约七十（70）摄氏度对具有碳粉的混合物进行恒定搅拌（120rpm）过夜。

在第七步骤中，使碳和乙酸乙酯分离于离子液体。在该实施例中，采用具有玻璃微纤维过滤器的布氏漏斗来分离碳。进行多次过滤（3次）。然后，使所收集的离子液体通过0.2微米注射器式过滤器以基本上除去所有碳颗粒。在该实施例中，然后通过采用旋转蒸发来将溶剂与离子液体分离。具体地，搅拌离子液体的样品，同时将温度从七十（70）摄氏度升高至八十（80）摄氏度，并且最终为一百（100）摄氏度。在各个温度中的每个温度下，将蒸发进行约十五（15）分钟。

已证实用于提纯电解质的方法非常有效。对于样品离子液体，用由俄亥俄州哥伦布市（Columbus,Ohio）的Mettler-Toledo Inc.提供的滴定仪（型号：AQC22），通过滴定来测量水含量。用由罗德岛州（Rhode Island）的Hanna Instruments of Woonsocket提供的ISE仪（型号：AQC22）测量卤素含量。用于ISE仪的标准溶液得自Hanna，并且包括HI4007-03（1000ppm氯标准）、HI4010-03（1000ppm氟标准）、HI4000-00（用于卤素电极的ISA）以及HI4010-00（仅用于氟电极的TISAB溶液）。在进行测量之前，用与去离子水中混合的使用0.1、10、100和1000份/百万份（ppm）的标准品的标准溶液校正ISE仪。以1:50的比例向标准品中添加ISA缓冲剂以测量Cl-离子。结果示于表2中。

表2

电解质的提纯数据

杂质	之前（ppm）	之后（ppm）
			Cl-	5300.90	769
F-	75.61	10.61
			H2O	1080	20

采用四步法工艺来测量卤离子。首先，在去离子水中测量Cl^-离子和F^-离子。接着，用去离子水制备0.01M的离子液体溶液。然后，在溶液中测量Cl^-离子和F^-离子。然后，通过用溶液中离子的量减去水中离子的量来确定卤素含量的评估。

作为概述，提供了组装圆柱形状的超级电容器10的方法。以电极3开始，一旦将能量储存介质1与集电器2相连，即制造了每个电极3。然后在适当的位置处将多根引线耦接至每个电极3。然后定向多个电极3并用合适数目的隔离器5组装于其间以形成储存单元12。然后，可将储存单元12卷成圆柱，并用包装材料固定。一般而言，然后捆绑引线中相应的引线以形成各端子8。

在将电解质6结合到超级电容器10之前（例如，在组装储存单元12之前或之后），可以干燥超级电容器10的各个部件以除去水分。这可以对未组装的部件（即，空壳体7以及每个电极3和每个隔离器5）进行，然后对经组装的部件（例如储存单元12）进行。

干燥可以例如在真空环境中在升高的温度下进行。一旦进行了干燥，然后即可将储存单元12封装在壳体7中，而不最终密封或加盖。在一些实施方案中，封装在具有低于50份/百万份（ppm）的水的气氛中进行。然后可再次干燥未加盖的超级电容器10。例如，可以在约100摄氏度至约300摄氏度的温度范围在真空下干燥超级电容器10。一旦完成该最终干燥，即可将壳体7密封在例如具有低于50ppm的水分的气氛中。

在一些实施方案中，一旦完成了干燥过程（也可将其称为“烘烤”过程），即可用惰性气体填充部件周围的环境。示例性气体包括氩、氮、氦以及表现出类似性能的其他气体（及其组合）。

一般而言，填充端口（壳体7表面中的穿孔）包括在壳体7中，或者可以后来添加。一旦超级电容器10已填充有电解质6，填充端口即可闭合。闭合填充端口可以例如通过将材料（例如，与壳体7相容的金属）焊接入填充端口或焊接在填充端口之上来完成。在一些实施方案中，填充端口可以在填充之前暂时闭合，使得可以将超级电容器10移到另一环境中，用于后续再开放、填充和闭合。但是，如本文所讨论的，认为在相同的环境中干燥和填充超级电容器10。

可以使用许多方法来用期望的电解质6的量填充壳体7。一般而言，控制填充工艺可以提供电容的提高、等效串联电阻（ESR）的降低、电解质6的有限浪费等。提供了真空填充方法作为用于用电解质6填充壳体7和润湿储存单元12的技术的一个非限制性实例。

然而，首先应注意可以进行测量以确保可能污染超级电容器10的部件的任何材料都是干净的、可相容的和干燥的。作为惯例，可以认为实行“良好的卫生”以确保组装过程和部件不向超级电容器10中引入污染物。此外，作为惯例，可以认为，如果引入“污染物”的话，“污染物”可以被定义为将不利地影响超级电容器10的性能的任何非期望的材料。还应注意，在本文中一般而言，污染物可以以浓度来评估，例如份数/百万份（ppm）。浓度可以采用按重量计、按体积计、按样品重量计或在确定合适时以任意其他方式计。

在“真空法”中，将容器布置在壳体7上填充端口周围。然后将一定量的电解质6在基本上不含氧和水（即，水分）的环境中放置在容器中。然后在该环境中抽真空，从而从壳体抽出任何空气，并从而同时将电解质6抽入壳体7中。然后如果需要的话，可以用惰性气体（例如氩、氮等，或惰性气体的一些组合）再填充周围环境。可以检查超级电容器10以查看是否抽入了期望量的电解质6。可以根据需要重复该过程，直至期望量的电解质6在超级电容器10中。

在一些实施方案中，在填充电解质6之后，可以使材料配合至填充端口以密封超级电容器10。例如，该材料可以是与壳体7和电解质6相容的金属。在一个实施例中，将材料压配合（force fit）入填充端口，在填充端口中主要进行塞子的“冷焊”。当然，如本文中进一步讨论的，压配合可以辅以其他焊接技术。

为了示出填充方法如何影响超级电容器10，构建了超级电容器10的两个类似的实施方案。一个是在非真空下填充，另一个是在真空下填充。表3中提供了两个实施方案的电性能。通过重复进行这样的测量，注意到了通过施加真空来填充超级电容器10实现了改进的性能。已确定，一般而言，期望壳体7内的压力降低至低于约150毫托，更特别地降低至低于约40毫托。

表3

填充方法的比较性能

参数（在0.1V）	在非真空下	在真空下	偏差
				ESR45°Φ	3.569欧姆	2.568欧姆	(-28%)
电容12mHz	155.87mF	182.3mF	(+14.49%)
				相12mHz	79.19度	83度	(+4.59%)

为了评价真空填充技术的功效，对两种不同的袋装单元（pouch cell）进行测试。所述袋装单元包括两个电极3，每个电极3基于含碳材料。每个电极3相对布置并且彼此面对。隔离器5设置在所述电极3之间以防止短路，并且将一切都浸入电解质6中。使用两个外部接片来提供四个测量点。所用隔离器5是聚乙烯隔离器5，所述单元的总体积为约0.468ml。这导致初始漏电流显著降低，并且在测量间隔的后面部分的漏电流降低。

漏电流可以以多种方式来确定。定性地，一旦装置达到了平衡状态，即可认为漏电流为引入装置中的电流。实际上，总是或几乎总是需要估计作为一般仅可渐进地接近的平衡态的实际漏电流。因此，可以通过测量引入超级电容器10的电流来估计给定测量中的漏电流，同时超级电容器10维持在基本固定的电压并且暴露于基本固定的环境温度，保持相对长的一段时间。在一些情况下，相对长的时间段可以通过估计作为指数函数的电流时间函数，然后使得通过若干（例如，约3至5个）特性时间常数来确定。往往对于许多超级电容器技术而言，这样的持续时间为从约50小时至约100小时。或者，如果这样的长时间段出于任何原因不可行，则可能可以通过估计作为指数函数的电流时间函数或认为合适的任何近似函数来简单地再次推算漏电流。值得注意的是，漏电流将一般地取决于环境温度。因此，为了表征装置在一定温度下或在一定温度范围中的性能，通常重要的是在测量漏电流时将装置暴露于目的环境温度。

现在参照图5，其中示出了示例性壳体7的一些方面。壳体7为超级电容器10提供结构和物理保护等。在该实施例中，壳体7包括环形圆柱状形状的本体20和补充（complimentary）的盖24。在该实施方案中，盖24包括已被移去并且填充有电绝缘体26的中央部分。盖馈通件19贯穿电绝缘体26从而为使用者提供所储存的能量。

用于壳体7的常见材料包括不锈钢、铝、钽、钛、镍、铜、锡、各种合金、层合材料等。结构材料例如一些基于聚合物的材料可用在壳体7（一般与至少一些金属成分组合）中。

虽然该实施例描述了盖24上的仅一个馈通件19，但是应认识到，壳体7的构造不限于本文所讨论的实施方案。例如，盖24可以包括多个馈通件19。在一些实施方案中，本体20包括在环形圆柱体的相对端处的第二相似盖24。此外，应认识到，壳体7不限于具有环形圆柱状形状本体20的实施方案。例如，壳体7可以为翻盖式设计、棱柱状设计、袋或适合设计者、制造者或使用者的需要的任何其他设计。

在该实施例中，盖24制造有设计为与本体20的内径紧密地配合的外径。在组装时，可以将盖24焊接入本体20，从而为使用者提供气密密封。

现在参照图6，其示出了示例性能量储存单元12。在该实施例中，能量储存单元12是“胶状卷”型能量储存器。在这些实施方案中，能量储存材料卷起成为紧密的封装件。多根引线一般地形成每个端子8，并且提供能量储存单元12的合适的层的电连接。一般而言，在组装时，每个端子8电耦接至壳体7（例如电耦接至各馈通件19和/或直接电耦接至壳体7）。能量储存单元12可采取多种形式。一般有至少两组多根引线（例如，端子8），每个集电器2使用一组。为了简单起见，本文中举例说明的许多实施方案只示出了端子8之一。

期望壳体7的高效密封。也就是说，防止外部环境（例如，空气、水分等）的侵入有助于维持能量储存单元12的部件的纯净。此外，其防止电解质6从能量储存单元12泄漏。

现在参照图7，壳体7可以包括内部阻隔物30。在一些实施方案中，阻隔物30是涂料。在该实施例中，阻隔物30由聚四氟乙烯（PTFE）形成。聚四氟乙烯（PTFE）表现出各种使该组成良好地适合于阻隔物30的性质。PTFE的熔点为约327摄氏度，具有优异的介电性质，摩擦系数为约0.05至0.10（这在任何已知固体材料中第三低），具有高耐蚀性以及其他有益的性质。一般而言，盖24的内部部分可以包括设置于其上的阻隔物30。

其他材料也可用于阻隔物30。这些其他材料由陶瓷（任何可适于应用并满足性能标准的陶瓷类型）、其他聚合物（优选高温聚合物）等形成。示例性的其他聚合物包括全氟烷氧基（PFA）和氟化乙烯丙烯聚合物（FEP）以及乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）。

阻隔物30可以包括提供减少能量储存单元12与壳体7或壳体7的部件之间的电化学类型或其他类型的反应的任意材料或材料的组合。在一些实施方案中，该组合体现为单层中不同材料的均匀分散体。在另外的实施方案中，组合体现为多个层中的不同材料。可以使用其他组合。简言之，阻隔物30可视为电绝缘体和化学惰性（即表现出低反应性）中的至少之一，并因此，显著抵抗或阻止储存单元12与壳体7之间的电相互作用和化学相互作用中的至少之一。在一些实施方案中，术语“低反应性”和“低化学反应性”一般指低于相关方的关注水平的化学相互作用速率。

一般而言，壳体7的内部可以容纳阻隔物30，使得覆盖壳体7的暴露于内部的所有表面。至少一个未经处理区域31可包括在本体20中并且在盖24的外表面36上（参见图8A）。在一些实施方案中，可以包括未经处理的区域31（参见图8B）以满足组装需求，例如将被密封或连接（例如通过焊接）的区域。

阻隔物30可以使用常规技术施用于内部部分。例如，在PTFE的情况下，可以通过将阻隔物30作为涂料涂或喷到内部表面上来施用阻隔物30。可以使用掩模作为确保未经处理区域31保留期望完整性的方法的一部分。简言之，可以采用多种技术来提供阻隔物30。

在一个示例性实施方案中，阻隔物30的厚度为约3密耳至约5密耳，而用于阻隔物30的材料为基于PFA的材料。在该实施例中，用于接受构成阻隔物30的材料的表面例如用氧化铝以喷砂处理来制备，。一旦将表面清洁，首先作为液体然后作为粉末来施用材料。通过热处理工艺来固化该材料。在一些实施方案中，加热循环为在约370摄氏度的温度下约10分钟至约15分钟的持续时间。这导致基本不包含针孔大小或更小的缺陷的阻隔物30的连续抛光。图9描绘了根据本文教导的超级电容器10的实施方案的组装。在该实施方案中，超级电容器10包括：包含阻隔物30设置在其中的本体20；具有阻隔物30设置于其中的盖24；以及能量储存单元12。在组装期间，将盖24设置在本体20之上。第一个端子8电耦接至盖馈通件19，同时将第二个端子8通常在盖24的底部、侧部或之上电耦接至壳体7。在一些实施方案中，第二个端子8耦接至另一个馈通件19（例如，相对的盖24）。

利用设置在壳体7的内部表面上的阻隔物30，壳体7与电解质之间的电化学反应以及其他反应大大减少或基本消除。这在化学反应以及其他反应的速率通常升高的较高温度下特别明显。

现在参照图10，示出了相比于其他等同超级电容器的超级电容器10的相对性能。在图10A中，示出了超级电容器10的现有技术实施方案的漏电流。在图10B中，示出了包括阻隔物30的等同超级电容器10的漏电流。在图10B中，超级电容器10与其漏电流示于图10A中的超级电容器电等同。在两种情况下，壳体7是不锈钢，并且施加到所述单元的电压为1.75伏，并且电解质未经提纯。温度保持恒定的150摄氏度。特别地，图10B中的漏电流示出较低的初始值并且未随时间显著升高，而图10A中的漏电流示出相对较高的初始值以及随时间显著升高。

一般而言，阻隔物30在能量储存单元12与壳体7之间提供合适厚度的合适材料。阻隔物30可包括均匀混合物、不均匀混合物和/或至少一层材料。阻隔物30可以提供完全覆盖（即，提供壳体除电极接头外的内部表面积的覆盖）或部分覆盖。在一些实施方案中，阻隔物30由多种组分形成。例如，考虑下文示出和图11中所示的实施方案。

参照图11，示出了其他实施方案的各方面。在一些实施方案中，能量储存单元12设置在包封物（envelope）33中。也就是说，能量储存单元12具有设置在其上，包装在其上方，或者一旦组装即通过其他方法施用以将能量储存单元12与壳体7隔开的阻隔物30。包封物33可以在将能量储存单元12封装入壳体7中之前良好地施用。因此，包封物33的使用可存在某些优点，例如对于制造者。（应注意，包封物33出于说明的目的示出为松散地设置在能量储存单元12上）。

在一些实施方案中，包封物33与涂料联合使用，其中涂料设置在内部表面的至少一部分上。例如，在一个实施方案中，涂料只设置在壳体7内部的包封物33可至少部分地受损（例如为突起端子8）的区域中。包封物33与涂料一起形成高效的阻隔物30。

因此，阻隔物30的结合可提供表现出与现有技术相比具有较低的初始值的漏电流并且漏电流随时间基本上较缓慢增加的超级电容器。显著地，当超级电容器暴露于这样的环境温度时超级电容器的漏电流仍然在实用水平（即，期望地低），现有技术的电容器在该环境温度下将表现过于大的初始漏电流值和/或漏电流随时间过于快速的升高。

作为惯例，术语“漏电流”一般是指在给定时间期间之后测量的电容器所引入的电流。该测量在电容器端子保持在基本固定的电势差（端电压）时进行。在评估漏电流时，典型的时间段为七十二（72）小时，但也可以使用不同的时间段。应注意，现有技术电容器的漏电流一般随能量储存介质的体积和表面积的增加并伴随壳体的内表面积的增加而升高。一般而言，认为升高的漏电流表示超级电容器10中逐渐升高的反应速率。漏电流的性能要求一般由特定应用中普遍的环境条件定义。例如，就体积为20mL的超级电容器10而言，漏电流的实际限制可降至低于100mA。

由此描述了阻隔物30的实施方案及其许多个方面，应认识到，超级电容器10可表现出由壳体7与能量储存介质1之间减少的反应导致的其他益处。例如，超级电容器10的有效串联电阻（ESR）可随时间表现相对较低的值。此外，在现有技术电容器中发生非期望的化学反应常常产生非期望的效果例如放气，或者在气密地密封壳体的情况下壳体的鼓胀。在两种情况下，这导致壳体的结构完整性和/或电容器的气密密封受损。最终，这可导致现有技术电容器的泄漏或灾难性故障。在一些实施方案中，这些结果可以通过所公开的阻隔物30的使用来显著降低或消除。

应认识到，术语“阻隔物”和“涂料”不限于本文的教导。也就是说，可以使用任意用于将合适的材料施用于壳体7、本体20和/或盖24的内部的技术。例如，在其它实施方案中，将阻隔物30实际上制造到构成壳体本体20的材料之内或之上，然后在适当时对该材料进行加工或成形以形成壳体7的各个部件。当考虑用于施加阻隔物30的许多可能技术中的一些时，可以等同合适地通过滚上（roll on）、溅射、烧结、层合、印刷或者通过其他方法施加所述材料。简言之，阻隔物30可以采用制造者、设计者和/或使用者认为合适的任何技术来施加。

用在阻隔物30中的材料可以根据例如以下性质来选择：反应性、介电值、熔点、与壳体7的材料的粘附、摩擦系数、成本以及其他这样的因素。可以使用材料的组合（例如分层的、混合的、或者通过其他方式组合的）来提供期望的性质。

在一些实施方案中，使用增强的壳体7（例如具有阻隔物30的壳体7）可以限制电解质6的劣化。虽然阻隔物30示出一种用于提供增强的壳体7的技术，但是也可以采用其他技术。例如，由于在电解质6的存在下铝的电化学性质，所以使用由铝制造的壳体7是有利的。但是，考虑到铝的制造上的困难，一直未能（迄今为止）构造利用铝的壳体7的实施方案。

壳体7的另外的实施方案包括铝存在于所有可暴露于电解质的内部表面的那些实施方案，同时为使用者提供焊接和气密密封壳体的能力。超级电容器10的改善的性能可以通过减少的内部腐蚀、与传导介质中不同金属的使用相关的问题的减少以及其他原因来实现。有利地，壳体7利用现有技术，这样可得的包括玻璃-金属密封件的电极插件（并且可以包括由不锈钢、钽或其他有利材料和组分制造的那些），因此可以经济地制造。

虽然在本文中作为适于超级电容器10的壳体7的实施方案公开，但是这些实施方案（如具有阻隔物30的情况）可与任何类型的认为合适的能量储存器一起使用，并且可以包括任意类型的可行技术。例如，可以使用其他形式的能量储存器，包括电化学电池，特别是锂基电池。

在一些实施方案中，用于构造本体20的材料包括铝，其可包括由设计者或制造者认为合适的任意类型的铝或铝合金（全部这些在本文中广义地简单称为“铝”）。可以将各种合金、层合剂等设置在铝（暴露到本体20的内部的铝）之上（例如，包覆铝）。可以使用其他材料（例如结构材料或电绝缘材料，例如一些基于聚合物的材料）来补充本体和/或壳体7。设置在铝上方的材料同样可以通过设计者或制造者认为合适的来选择。

一般而言，暴露到壳体7内部的材料在暴露于电解质6时表现出足够低的反应性，因此仅仅是说明性的一些实施方案而不限制本文的教导。

虽然该实施例描述了盖24上的仅一个馈通件19，但是应认识到，壳体7的构造不限于本文所讨论的实施方案。例如，盖24可以包括多个馈通件19。在一些实施方案中，本体20包括环形圆柱体相反端的第二类似的盖24。此外，还应认识到，壳体7不限于具有环形圆柱状形状的本体20的实施方案。例如，壳体7可以为翻盖设计、棱柱状设计、袋或任何适于设计者、制造者或使用者的需要的其他设计。

期望壳体7的高效密封。也就是说，防止外部环境（例如空气、水分等）的侵入有助于维持能量储存单元12的部件的纯净。此外，其防止电解质6从能量储存单元12泄漏。

现在参照图12，示出了盖24的坯件34的实施方案的各方面。在图12A中，坯件34包括多层材料。第一材料层41是铝。第二材料层42是不锈钢。在图12的实施方案中，不锈钢包覆到铝上，从而提供表现出期望的冶金性能组合的材料。也就是说，在本文提供的一些实施方案中，铝暴露于能量储存单元（即，壳体）的内部，而不锈钢暴露于外部。以这种方式，享有铝的有利电性质，同时依赖不锈钢的结构性质（冶金学性质，即，可焊接性）来构造。在认为适当时，多层材料可以包括额外的层。

如上文所提到的，第一材料层41包覆到第二材料层42上（或第一材料层41包覆有第二材料层42）。本文中使用的术语“包覆”、“熔覆”等是指不同金属接合在一起。包覆常通过将两种金属通过模具挤出以及在高压下将片压制或卷在一起来实现。可以使用其他方法，例如激光熔覆。结果是由多层构成的材料的片，其中多层材料接合在一起使得材料可以作为单片（例如，形成为均匀材料单片）一起工作。

仍参照图12A，在一个实施方案中，使用扁平材料（如所示）的片来提供坯件34以生产扁平的盖24。可以移除第二材料层42的一部分（例如围绕盖24的周围）以有助于盖24附接至本体20。在图12B中，示出了坯件34的另一个实施方案。在该实施例中，坯件34设置为形成为凹构造的包覆材料片。在图12C中，坯件34设置为形成为凸构造的包覆材料片。由坯件34（例如图12中示出的那些）的各种实施方案制造的盖24构造成支持焊接至壳体7的本体20。更具体地，图12B的实施方案适于装配在本体20的内径中，而图12C的实施方案适于装配在本体20外径的上方。在许多个替选实施方案中，片中包覆材料的层可以颠倒。

在组装时，可以将盖24焊接至本体20，从而为使用者提供气密密封件。示例性焊接技术包括激光焊接和TIG焊接，并且可以包括其他形式的认为合适的焊接。

现在参照图13，示出了电极组件50的实施方案。电极组件50设计为安装在坯件34中，并且提供从能量储存介质到使用者的电连通。一般而言，电极组件50包括套筒51。套筒51围绕绝缘件26，绝缘件26进而围绕馈通件19。在该实施例中，套筒51是具有带凸缘顶部的环状圆柱体。

为了组装盖24，在坯件34中制造穿孔（未示出）。穿孔具有大小匹配电极组件50的几何形状。因此，电极组件50插入坯件34的穿孔中。一旦插入电极组件50，电极组件50即可通过技术例如焊接贴至坯件34。焊接可以是激光焊接，其围绕焊接套筒51的凸缘的周围焊接。参照图24，示出了进行焊接的点61。在该实施方案中，点61提供用于焊接不锈钢至不锈钢的合适位置这种相对简单的焊接工艺。因此，本文中的教导提供将电极组件50牢固地焊接至坯件34上的位置。

用于构造套筒51的材料可包括各种类型的金属或金属合金。一般而言，用于套筒51的材料根据例如结构完整性和可接合性（至坯件34）来选择。用于套筒51的示例性材料包括304不锈钢或316不锈钢。用于构造馈通件19的材料可包括各种类型的金属或金属合金。一般而言，用于馈通件19的材料根据例如结构完整性和电导率来选择。用于电极的示例性材料包括446不锈钢或52合金。

一般而言，绝缘件26通过已知技术（即，玻璃-金属接合）接合至套筒51和馈通件19。用于构造绝缘件26的材料可包括但不限于各种类型的玻璃，包括高温玻璃、陶瓷玻璃或陶瓷材料。一般而言，用于绝缘件的材料根据例如结构完整性和电阻（即，电绝缘性能）来选择。

依赖于玻璃-金属接合的部件（例如，电极组件50的前述实施方案）的使用以及各种焊接技术的使用提供能量储存器的气密密封。还可使用其他部件来提供气密密封。本文中使用的术语“气密密封”一般是指表现出不大于本文所定义的泄漏速率的泄漏速率的密封。但是认为实际密封效率可优于该标准进行。

用于将电极组件50耦接至坯件34的额外的或其他的技术包括在认为这样的技术适当时在套筒51的凸缘下方（凸缘与第二材料层42之间）使用接合剂。

现在参照图15，能量储存单元12设置在本体20中。合适地耦接至少一个端子8（例如至馈通件19），并且盖24与本体20匹配以设置超级电容器10。

一旦组装，盖24与本体20即可密封。图16描绘了经组装的能量储存器（在这种情况下，超级电容器10）的各种实施方案。在图16A中，使用扁平的坯件34（参见图12A）来生产扁平的盖24。一旦盖24设置在本体20上，即焊接盖24与本体20以生产密封件62。在这种情况下，因为本体20是环状圆柱体，所以焊接在本体20与盖24的周围进行以提供密封件62。在第二实施方案中，如图16B所示，使用凹坯件34（参见图12B）来产生凹盖24。一旦将盖24设置在本体20上，即焊接盖24和本体20以生产密封件62。在第三实施方案中，如图16C所示，使用凸坯件34（参见图12C）来生产凸盖24。一旦将盖24设置在本体20上，即可焊接盖24与本体20以生产密封件62。

在适当时，可以移除包覆材料（通过技术例如加工或蚀刻等）以暴露多层材料中的其他金属。因此，在一些实施方案中，密封件62可以包括铝-铝焊接件。铝-铝焊接件可以在适当时辅以其他紧固件。

可以使用其他技术来密封壳体7。例如，可以使用激光焊接、TIG焊接、电阻焊接、超声焊接和其他形式的机械密封。然而，应注意，一般而言，单独的传统形式的机械密封不足以提供超级电容器10中提供的坚固的气密密封。

在一些实施方案中，多层材料用于内部部件。例如，铝可以包覆有不锈钢以提供至少一个端子8中的多层材料。在这些实施方案的一些中，可以移除一部分铝以暴露不锈钢。然后暴露的不锈钢可用于通过使用简单的焊接方法来将端子8附接至馈通件19。

使用用于内部部件的包覆材料可要求包覆材料的特定实施方案。例如，可能有益的是使用包括铝（底层）、不锈钢和/或钽（中间层）和铝（顶层）的包覆材料，从而其限制不锈钢暴露于超级电容器10的内部环境。这些实施方案可以通过例如利用聚合材料例如PTFE的额外的涂覆来改进。

一般而言，壳体的组装常涉及将储存单元12布置在本体20中并用电解质6填充本体20。可以进行干燥过程。示例性干燥包括通常在减压（例如，真空）下，加热具有储存单元12和其中的电解质6的本体20。一旦进行了充分（任选的）干燥，即可进行最终组装步骤。在最终步骤中，制造内部电连接，安装盖24，并且通过例如焊接盖24至本体20来用盖24气密地密封本体20。

因此，提供利用多层材料的壳体7设置了能量储存器，所述能量储存器表现出与现有技术相比具有相对低的初始值的漏电流并且漏电流随时间明显较慢地升高。显著地，在超级电容器10暴露于环境温度时，能量储存器的漏电流仍然在可用（即，期望地低）水平，现有技术电容器在所述环境温度下将表现出过大的初始漏电流值和/或漏电流随时间过快增加。

此外，超级电容器10可表现出由壳体7与能量储存单元12之间减少的反应导致的其他益处。例如，能量储存器的有效串联电阻（ESR）可表现出随时间相对较低的值。此外，发生在现有技术电容器中的非期望的化学反应常产生非期望的结果例如放气或在气密地密封壳体的情况下壳体7的鼓胀。在两种情况下，这导致壳体7的结构完整性和/或能量储存器的气密密封受损。最终，这可导致现有技术电容器的泄漏或灾难性故障。这些效果可通过所公开阻隔物的施用而显著降低或消除。

因此，使用者现在设置有壳体7用于能量储存，其中壳体7的显著部分多至所有内部表面为铝（并且可以包括如下文所述的非干扰材料）。因此，避免了内部腐蚀问题，并且在选择用于电解质6的合适材料方面为设计者提供了更大的灵活度。

通过使用多层材料（例如，包覆材料），可以将不锈钢结合到壳体7中，因此可以使用具有玻璃-金属密封件的部件。所述部件可以使用技术例如激光或电阻焊接来焊接至包覆材料的不锈钢侧，而包覆材料的铝侧可焊接至其他铝部件（例如，本体20）。

在一些实施方案中，绝缘聚合物可用于壳体7的涂覆部分。以该方式，可以确保能量储存器的部件只暴露于可接受类型的金属（例如铝）。示例性绝缘聚合物包括PFA、FEP、TFE和PTFE。合适的聚合物（或其他材料）仅受系统设计者或制造者的需要以及各材料的性质的限制。可以参照图17，其中包括少量的绝缘材料39以限制电解质6暴露至套筒51和馈通件19的不锈钢。在该实施例中，端子8耦接至馈通件19，例如通过焊接，然后用绝缘材料39涂覆。

现在参照图18，其中描绘了组装盖24的另一个实施方案的各方面。图18A描绘了用于提供盖24的本体的模板（即，坯件34）。该模板的大小一般匹配适当类型的能量储存单元（例如超级电容器10）的壳体7。盖24可以通过以下步骤来形成：最初提供模板形成模板，其包括模板中的圆顶37（示于图18B中），然后对圆顶37进行穿孔以提供通道32（示于图18C）中。当然，可以压制或通过其他方法制造坯件34（例如，环形储存件）使得同时提供前述特征。

一般而言并且考虑到这些实施方案，盖可以由铝或其合金形成。然而，盖可以由制造者、使用者、设计者等认为合适的任意材料形成。例如，盖24可以由钢制成并钝化（即，涂覆有惰性涂料）或者通过其他方法制备用于壳体7。

现在参照图19，示出了电极组件50的另一个实施方案。在这些实施方案中，电极组件50包括馈通件19和设置在馈通件19周围的半球形状的材料。所述半球形状的材料用作绝缘件26，并且一般成形为符合圆顶37。半球形绝缘件26可以由任何合适的材料制成以提供气密密封同时耐受电解质6的化学影响。示例性材料包括PFA（全氟烷氧基聚合物）、FEP（氟化乙烯丙烯聚合物）、PVF（聚氟乙烯）、TFE（四氟乙烯）、CTFE（三氟氯乙烯）、PCTFE（聚三氟氯乙烯）、ETFE（聚乙烯四氟乙烯）、ECTFE（聚乙烯-三氟氯乙烯）、PTFE（聚四氟乙烯）、另一种基于含氟聚合物的材料以及任何其他可以显示出类似性质（以不同程度）和提供令人满意的性能（例如在高温下、低成本等条件下，表现出高耐溶剂性、耐酸性和耐碱性）的材料。

馈通件19可以由铝或其合金形成。然而，馈通件19可以由制造者、使用者、设计者等认为合适的任意材料形成。例如，馈通件19可以由钢制成并钝化（即，涂覆有例如硅的惰性涂料）或者通过其他方法制备用在电极组件50中。用于钝化的示例性技术包括将氢化的无定形硅涂料沉积在衬底的表面上并且通过在压力和升高的温度下将衬底暴露于具有至少一个不饱和烃基的粘合剂一段有效的时间长度来官能化所涂覆的衬底。通过在压力和升高的温度下将衬底暴露于氢化硅气体一段有效的时间长度来沉积氢化的无定形硅涂料。

半球形绝缘件26的大小可以相对于圆顶37设计为使得在组装进盖24时实现紧密贴合（即，气密密封）。半球形绝缘件26无需完美地对称或者具有经典的半球比例。也就是说，半球形绝缘件26基本上是半球形的，并且可以在认为适当时包括例如比例、适中的凸缘（例如底座处）以及其他特征的微调。半球形绝缘件26一般由均一的材料形成，但是，这不是必要条件。例如，半球形绝缘件26可以包括填充在其中的圆环面（未示出）中的空气或气体，以提供期望的膨胀或可压缩性。

如图20所示，电极组件50可以插入模板（即，所形成的坯件34）中以提供包括半球形气密密封件的盖24的一个实施方案。

如图21所示，在许多个实施方案中，保持件43可以接合或者通过其他方法匹配盖24的底部（即，盖24面向壳体7的内部并且面向能量储存单元12的部分）。保持件43可以通过多种技术例如铝焊接（例如激光、超声等）接合至盖24。其他技术可用于接合，包括例如冲压（即，机械接合）和钎焊。接合可以例如沿着保持件43的周长发生。一般而言，对至少一个接合点提供接合以产生期望的密封件71。可以使用至少一个紧固件（例如多个铆钉）来将绝缘件26密封在保持件43中。

在图21的实施例中，盖24为凹设计（参见图12B）。然而，也可以使用其他设计。例如，可以提供凸盖24（图12C），还可使用上方盖24（图12C的实施方案的变化方案，其配置为按照图16C所描绘的安装）。

在一些实施方案中，壳体7和盖24中至少之一包括含有多个层的材料。例如，第一材料层可包括铝，第二材料层为不锈钢。在该实施例中，不锈钢包覆到铝上，从而提供表现出期望的冶金性质的组合的材料。也就是说，在本文所提供的实施方案中，铝暴露于能量储存单元（即，壳体）的内部，而不锈钢暴露于外部。以这种方式，享有铝的有利电性质，同时依赖于不锈钢的结构性质（和冶金性质，即可焊接性）来构造。在认为适当时，多层材料可包括额外的层。有利地，这提供将不锈钢焊接至不锈钢这种相对简单的焊接工艺。

用于盖以及馈通件19的材料可以考虑半球形绝缘件26的热膨胀来选择。此外，还可以设计制造技术以考虑热膨胀。例如，在组装盖24时，制造者可以向半球形绝缘件26施加压力，从而至少在某种程度上压缩半球形绝缘件26。以这种方式，为盖24的至少一些热膨胀的存在作了准备而不损害气密密封的效果。

用于构造本体20的材料包括铝、设计者或制造者认为合适的任意类型的铝或铝合金（其全部在本文中广义地简称为“铝”）。可以将各种合金、层合体等设置（例如，包覆）在铝（暴露于本体20内部的铝）之上。可以使用额外的材料（例如结构材料或电绝缘材料，例如一些基于聚合物的材料）来补充本体和/或壳体7。设置在铝之上的材料同样可通过设计者或制造者认为合适的来选择。

铝的使用不是必然的或必需的。简言之，可以提供材料的选择以使用设计者、制造者或使用者等认为合适的任何材料。可以考虑多种因素，例如与电解质6的电化学相互作用的减少、结构性质、成本等。

现在更详细地讨论储存单元12。参照图22，其中提供了超级电容器10的剖视图。在该实施例中，储存单元12插入并包含在本体20中。每组多根引线绑在一起并且耦接至壳体7作为端子8之一。在一些实施方案中，多根引线耦接至本体20的底部（在内部），从而将本体20变成负电接头55。同样，另一组多根引线绑在一起并耦接至馈通件19，以提供正电接头56。通过电绝缘件26来保持负电接头55与正电接头56之间的电隔离。一般而言，引线的耦接通过焊接来实现，例如激光和超声焊接中的至少之一。当然，可以在认为适当时使用其他技术。

应认识到，需要牢固的组装技术来提供高效的能量储存器。因此，现在讨论了用于组装的一些技术。

现在参照图23，示出了示例性电极3的部件。在该实施例中，电极3将用作负电极3（但是，该指定是随意的并且只用于参考）。

如从说明中可注意到的，至少在该实施方案中，隔离器5一般比能量储存介质1（和集电器2）的长度更长并且宽度更宽。通过使用较大的隔离器5，提供了预防负电极3与正电极3的短路的保护。隔离器5中附加材料的使用还为引线和端子8提供了更好的电保护。

现在参照图24，其提供储存单元12的一个实施方案的侧视图。在该实施例中，分层堆叠的能量储存介质1包括第一隔离器5和第二隔离器5，使得电极3在储存单元12组装成卷制的储存单元23时电隔离。应注意，就电极3和超级电容器10的组件而言，术语“正”和“负”只是任意的，并且在配置在超级电容器10中并且在其中存储电荷时参考了功能性。通常适用于本领域的该惯例并不意味着在组装之前电荷已储存，或者意味着除提供不同电极的物理上的辨识以外的任何其他方面。

在卷绕储存单元12之前，将负电极3和正电极3相对于彼此对齐。电极3的对齐为超级电容器10提供了更佳性能，这是因为在具有最高对齐程度时，用于离子传输的路径长度一般最小。此外，通过提供高的对齐程度，不将过大的隔离器5包括在内，并因此超级电容器10的效率不受损。

现在参照图25，示出了储存单元12的一个实施方案，其中电极3卷成卷制的储存单元23。隔离器5之一作为储存单元12的最外层存在并且将能量储存介质1与壳体7的内部分隔开。

可以采用“极性匹配”来匹配卷制的储存单元23中最外部电极的极性与本体20的极性。例如，在一些实施方案中，负电极3在提供卷制的储存单元23的紧密封装的封装件的最外侧上。在这些实施方案中，提供了预防短路的另一保障程度。也就是说，在负电极3耦接至本体20时，负电极3作为最外部电极布置在卷制的储存单元23中。因此，如果隔离器5失效（例如通过在使用期间由超级电容器10的振动引起的机械磨损引起），则超级电容器10将不会因卷制的储存单元23中的最外部电极与本体20之间的短路而失效。

对于卷制的储存单元23的每个实施方案，参考标记72至少可以在隔离器5中。参考标记72将用于提供将引线定位在每个电极3上。在一些实施方案中，通过计算提供了引线的定位。例如，通过考虑了胶状卷的内径和组合的隔离器5与电极3的总厚度，可以评估每根引线的放置位置。然而，实践显示，使用参考标记72更高效且更有效。参考标记72可包括例如隔离器5的边缘中的狭缝。

一般而言，对储存单元12的每个新规格使用参考标记72。也就是说，因为储存单元12的新规格可能要求其中至少一个层的不同厚度（在现有实施方案中），所以现有参考标记的使用可能至少有些不准确。

一般而言，参考标记72体现为从其中央穿过卷到达其周围的单一径向线。因此，当引线沿着参考标记72安装时，每根引线将与其余引线对齐（如图27所示）。然而，当储存单元12未卷制（其中储存单元12是卷或者将变成卷的实施方案）时，可认为参考标记72是多个标记（如图26所示）。作为惯例，不管储存单元12的标记的实施方案或外观为何，认为用于结合引线的位置的识别涉及“参考标记72”或“一组参考标记72”的确定。

现在参照图26，一旦建立了参考标记72（例如通过标记卷起的储存单元12），即提供了用于安装每根引线的安装位点（即，由参考标记72所描绘）。一旦确定了每个安装位点，对于储存单元12的任何给定的构造规格，每个安装位点的相对位置对于储存单元12的特定构造的另外的示例而言可重复。

一般而言，每根引线耦接至储存单元12中的各集电器2。在一些实施方案中，集电器2和引线二者由铝制成。一般而言，引线耦接至集电器2跨越宽度W，然而引线可耦接宽度W的仅一部分。耦接可以通过例如超声焊接引线至集电器2来实现。为了实现耦接，可以移除至少一些能量储存介质1（在适当时），使得每根引线适当地与集电器2相连。在认为适当时，可以进行其他准备和调整以提供耦接。

当然，可以包括相对的参考标记73。也就是说，以与参考标记72相同的方式提供，可以制作一组相对的参考标记73以考虑用于相反极性的引线的安装。也就是说，参考标记72可用于安装引线至第一电极3，例如负电极3，同时相对的参考标记73可用于安装引线至正电极3。在其中卷制的储存单元23为圆柱形的实施方案中，相对的参考标记73设置在能量储存介质1的相对侧，并且从参考标记72纵向偏移（如所描绘的）。

注意在图26中，参考标记72和相对的参考标记73二者都示出为设置在单电极3上。也就是说，图26描绘了只用于说明参考标记72与相对的参考标记73的空间（即，直线）关系的实施方案。这并非暗示正电极3与负电极3共有能量储存介质1。然而，应注意，在其中参考标记72和相对的参考标记73通过卷起储存单元12布置然后标记隔离器5的情况下，参考标记72和相对的参考标记73确实可提供在单一隔离器5上。然而，实际上，参考标记72和相对的参考标记73中只有一组可用于安装用于给定电极3的引线。也就是说，应认识到，图26所描绘的实施方案待利用另一个电极3（其将具有相反极性）的能量储存介质1的另一层来补充。

如图27所示，前述组装技术得到包括至少一组对齐引线的储存单元12。当将作为卷制的储存单元23的形式的储存单元12耦接至负电接头55与正电接头56之一时，第一组对齐的引线91是特别有用的，而一组相对的对齐引线92提供将能量储存介质1耦接至相对的接头（55、56）。

卷制的储存单元23可以由包装材料93包围。包装材料93可以在许多个实施方案中实现。例如，包装材料93可以提供为KAPTON^TM带（其为由特拉华州威明顿的DuPont开发的聚酰亚胺膜）或PTFE带。在该实施例中，KAPTON^TM带围绕并且粘附至卷制的储存单元23。包装材料93可提供为不含粘合剂，例如滑到卷制的储存单元23上的紧密配合的包装材料93。包装材料93可以更多地表现为袋，例如一般地卷入卷制的储存单元23（例如，上文中讨论的包封件73）的袋。在这些实施方案中的一些中，包装材料93可以包括用作收缩膜包装（shrink-wrap）的材料，从而提供卷制的储存单元23的高效的物理（在一些实施方案中，化学）包封。一般而言，包装材料93由不干扰超级电容器10之电化学功能的材料形成。例如，包装材料93还可以根据需要提供部分的覆盖，以有助于插入卷制的储存单元23。

在一些实施方案中，负引线和正引线位于卷制的储存单元23的相对侧（在胶状卷型卷制的储存单元23的情况下，负极性的引线和正极性的引线可以完全相对）。一般而言，进行将负极性的引线和正极性的引线布置在卷制的储存单元23的相对侧以有助于构造卷制的储存单元23以及提供改进的电隔离。

在一些实施方案中，一旦组装了对齐的引线91、92，即将多个对齐的引线91、92中的每一个绑在一起（原位），使得收缩膜包装（未示出）可设置在多个对齐的引线91、92的周围。一般而言，收缩膜包装由PTFE形成，但是可以使用任意可相容的材料。

在一些实施方案中，一旦将收缩膜包装材料布置在对齐的引线91周围，即将对齐的引线91折叠为组装超级电容器10时假定的形状。也就是说，参照图28，可见对齐的引线假设为“Z”形。在为对齐的引线91、92赋予“Z-折叠”并且应用收缩膜包装之后，可以加热收缩膜包装或者通过其他方法活化，以使收缩膜包装收缩入对齐的引线91、92周围的位置。因此，在一些实施方案中，可以通过包装材料来强化并保护对齐的引线91、92。当将能量储存介质1耦接至设置在盖24中的馈通件19时，Z-折叠的使用特别有用。

当然，可以实施用于将每组对齐的引线91、92（即，每个端子8）耦接至各接头55、56的其他实施方案。例如，在一个实施方案中，将中间引线耦接至馈通件19与壳体7之一，使得有助于与各组对齐的引线91、92耦接。

所用材料可根据例如以下性质来选择：反应性、介电值、熔点、与其他材料的粘附性、可焊接性、摩擦系数、成本以及其他这样的因素。可以使用材料的组合（例如分层的、混合的或通过其他方式组合的）来提供期望的性质。

在许多个实施方案中，有用的是一起使用多个超级电容器10来提供电源。为了提供可靠的操作，可以在使用之前对各个超级电容器10进行测试。为了进行各种类型的测试，每个超级电容器10可作为单一的单元、与所附接的多个超级电容器10串联或并联测试。使用通过多种技术（例如通过焊接）连接的不同金属可降低连接的ESR以及提高连接的强度。现在介绍超级电容器10之间的连接的各方面。

在一些实施方案中，超级电容器10包括两个接头。这两个接头是玻璃-金属密封件引脚（即，馈通件19）和壳体7的整个剩余部分。当串联连接多个超级电容器10时，常常期望耦接壳体7底部之间的互连体（在圆柱形壳体7的情况下），使得到内部引线的距离最小化，因此具有最小电阻。在这些实施方案中，互连体的相对端常常耦接至玻璃-金属密封件的引脚。

就互相连接而言，常见的焊接类型涉及使用平行的尖端电阻焊机。焊接件可以通过对齐引脚之上互连体的末端和直接焊接互连体至引脚来制造。使用多个焊接件将提高互连体与引脚之间的强度和连接。一般而言，当焊接至引脚时，设定互连体的末端形状以良好地匹配引脚用于确保基本上没有交叠在引脚的会导致短路的过量材料。

可以使用相对的尖端电阻焊机来将互连件焊接至引脚，同时可以使用超声焊机来焊接互连件与壳体7的底部。当所包含金属不相容时，可以使用钎焊技术。

就互连体中使用的材料而言，用于互连体的常见类型的材料是镍。由于镍与不锈钢焊接良好并具有坚固的界面，所以可以使用镍。可以使用其他金属和合金来代替镍，例如以降低互连体中的电阻。

一般而言，所选用于互连体的材料因其与引脚中的材料以及壳体7中的材料的相容性来选择。示例性的材料包括铜、镍、钽、铝和镍铜包层。可以使用的其他金属包括银、金、黄铜、铂和锡。

在一些实施方案中，例如其中引脚（即，馈通件19）由钽制成，互连体可利用中间金属，例如通过采用短桥接器连接。一种示例性桥接器连接包括钽条，其已通过使用相对的尖端电阻焊机来焊接钽/铜/镍条至桥接器来改进。然后，使用并联电阻焊机来焊接钽条至钽引脚。

该桥接器还可用在壳体7的接头上。例如，可以将一片镍电阻焊接至壳体7的底部。然后可以将铜条超声焊接至镍桥接器。该技术有助于降低单元互连体的电阻。使用用于每个连接的不同金属可降低串联单元之间相互连接的ESR。

由此已描述了可用于高温环境环境（即，高至约210摄氏度）的稳健的超级电容器10的各个方面，现在提供和/或定义一些其他方面。

许多种材料可用于构建超级电容器10。如果要排出氧和水分并且要防止电解质6逸出，则超级电容器10的完整性是必要的。为了实现这一点，缝焊和任何其他密封点应满足在用于操作的预期温度范围下的气密性标准。此外，所选材料应与其他材料相容，所述材料例如可用于配制电解质6的离子液体和溶剂。

在一些实施方案中，馈通件19由金属形成，所述金属例如以下材料中的至少之一：KOVAR^TM（Carpenter Technology Corporation of Reading,Pennsylvania的一个商标，其中KOVAR是真空熔融的、铁-镍-钴、低膨胀合金，其化学组成控制在窄界限中以确保精确均一的热膨胀性质）、合金52（适用于将玻璃和陶瓷密封至金属的镍铁合金）、钽、钼、铌、钨、不锈钢446（对高温腐蚀和氧化提供良好耐受的铁素体、不可热处理的不锈钢）以及钛。

利用前述的玻璃-金属密封件本体可由300系列不锈钢例如304、304L、316以及316合金制成。所述本体还可由金属例如以下中的至少之一制成：多种镍合金，例如因科内尔铬镍铁合金（Inconel）（奥氏体镍铬基超合金家族，其为良好适用于经历压力和热的极端环境的耐氧化和耐腐蚀的材料）和哈氏合金（Hastelloy）（高度耐腐蚀的金属合金，其包括镍和不同百分比的钼、铬、钴、铁、铜、镁、钛、锆、铝、碳和钨）。

处于玻璃-金属密封件的馈通件19与周围本体之间的绝缘材料通常是玻璃，其组成为密封件的各制造商所有，并且取决于密封件是否在加压下或者是否匹配。其他绝缘材料可用在玻璃-金属密封件中。例如，多种聚合物可用在密封件中。因此，术语“玻璃-金属”密封件只是密封类型的描述，并无意于暗示密封件必须包括玻璃。

超级电容器10的壳体7可由例如类型304、304L、316以及316L不锈钢制成。它们还可以构造自一些铝合金，例如1100、3003、5052、4043和6061，但不限于此。可以使用多种多层材料，并且可包括例如包覆至不锈钢的铝。可使用的其他非限制性可相容的金属包括铂、金、铑、钌以及银。

已用在超级电容器10中的玻璃-金属密封件的具体实施例包括两种不同类型的玻璃-金属密封件。第一种来自US位于纽约州埃尔姆斯福德（Elmsford,NY）的SCHOTT。该实施方案使用不锈钢引脚、玻璃绝缘件以及不锈钢本体。第二玻璃-金属密封件来自俄亥俄州辛辛那提（Cincinnatti,OH）的HERMETIC SEAL TECHNOLOGY。该第二实施方案采用钽引脚、玻璃绝缘件和不锈钢本体。可以提供不同大小的许多个实施方案。

玻璃-金属密封件的另一个实施方案包括使用铝密封件和铝本体的实施方案。而玻璃-金属密封件的另一个实施方案包括使用环氧化物或其他绝缘材料（例如陶瓷或硅）的铝密封件。

玻璃-金属密封件的许多个方面可以根据需要来配置。例如，壳体和引脚的尺寸、引脚和壳体的材料可以根据需要而改变。该引脚还可以是管或实心引脚，以及在一个覆盖物中具有多个引脚。虽然用于引脚的最常见类型的材料是不锈钢合金、铜芯不锈钢、钼、铂-铱、各种镍-铁合金、钽和其他金属，但可以使用一些非传统材料（例如铝）。壳体通常由不锈钢、钛和/或各种其他材料形成。

各种紧固技术可用于超级电容器10的组合中。例如，就焊接而言，可以使用多种焊接技术。下述是焊接类型的示例性列表并且可以使用每种类型的焊接的多种目的。

超声焊接可用于：焊接铝接片至集电器；焊接接片至底部包覆覆盖物；焊接跨接线接片至连接至玻璃-金属密封件引脚的包覆桥接器；以及将胶装卷条焊接在一起等。脉冲或电阻焊接可用于：焊接引线至容器的底部或者至引脚；焊接引线至集电器；焊接跨接线至包覆桥接器；焊接包覆桥接器至端子8；焊接引线至底部覆盖物等。激光焊接可用于：焊接不锈钢覆盖物至不锈钢容器；焊接不锈钢桥接器至不锈钢玻璃-金属密封件引脚；以及焊接塞子至填充端口等。TIG焊接可用于：密封铝覆盖铝容器；和焊接铝密封件进入位置等。冷焊接（用很高的力将金属压在一起）可用于通过将铝球/钉力压配合入填充端口来密封填充端口。

现在提供了示例性超级电容器10的一些物理方面。应注意，在下表中，术语“接片”一般是指如上所讨论的“引线”；术语“桥接器”和“跨接线”还涉及引线的一些方面（例如，桥接器可耦接至馈通件，或“引脚”，同时跨接线可用于连接桥接器至接片或引线）。使用多种连接可有助于组装工艺，并且利用某些组装技术。例如，桥接器可以激光焊接或电阻焊接至引脚，并且用超声焊接耦接至跨接线。

图29至37是描绘示例性超级电容器10的性能的图，并且描绘了超级电容器10在1.75伏特和125摄氏度的性能以及超级电容器10在1.5伏特和150摄氏度的性能和超级电容器10在0.5伏特和210摄氏度的性能。在这些后一种（210摄氏度）实施例中，超级电容器10是闭合单元（即，壳体）。将超级电容器循环10次，充放电100mA，充电至0.5伏特，测量电阻，放电至10mV，静息10秒，然后再次循环。

一般而言，超级电容器10可以在各种环境条件和要求下使用。例如，端电压可以为约100mV至10V。环境温度可以为约-40摄氏度至+210摄氏度。典型的高温环境温度为+60摄氏度至+210摄氏度。

已如此描述了示例性能量储存器件，现在将更详细地讨论电源115的各方面。

现在参照图38，示例性电子设备示出与至少一个源401（例如，EG210）和至少一个高温可再充电能量储存器402（HTRES，其可以例如是超级电容器10）通信。在该非限制性实例中，电源115包括全波整流器和用于给HTRES充电的充电器。电源115的输出可包括DC/DC电源和/或DC/AC电源。各种电源转换器可包括在电源115中，并且可用在源与HTRES之间，以及HTRES与负载之间。

包括在电源115中的能量源401可包括各种能量输入。能量输入一般可分为三类。这些类别包括一次电池、远程系统和发电机。

在一些实施方案中，电源包括一次电池作为能量源401的一部分。示例性电池包括适合于在恶劣的环境中操作的那些。具体实例包括各种化学电池，包括具有铝的那些。更具体的实例包括锂-亚硫酰氯（Li-SOCl₂）和基于类似的技术和/或化学的电池。但是，认识到这些技术中的一些可能无法达到期望的额定温度，并且这些技术中的一些可能只在短期内支持能量储存器（即，能量储存器可包括例如不可再充电的或具有与其他元件相比较短的寿命的元件）。可包括在电源115中的其他示例性电池包括锂-溴-氯以及锂-磺酰氯和熔盐。

源401可以包括与远程电源的至少一个连接。也就是说，能量可以经过外部源例如经过电缆供应。假设外部能量源不限于井下环境，则关于接收能量的主要考虑的问题包括用于与井下能量通信的方法和设备。用于传输能量至测井仪100和电源115的示例性技术包括有线套管、有线管、螺旋管（coiled tubing）以及本领域中可已知的其他技术。

在用于至少一个超级电容器10的充电器的一个实施方案中，电子设备包括在至少一个超级电容器10具有低压的情况下限制其自身电流，否则调节其电压的双模式反馈降压（下降）转换器。在一些实施方案中，经调节的DC/DC转换器包括用于实施宽输入电压反馈调节升压（上升）转换器的合适的拓扑结构用于提供稳定的电压总线。

一般而言，期望源401配置为提供基本连续的输出功率以维持HTRES402的电荷，而不考虑提取电荷和在一些情况下提取脉冲的负载（例如遥测爆发所需的那些负载）。

现在参照图39，其示出了发电机210（EG）。在该非限制性实施方案中，发电机210适合于获得井下所经历的振动能量。该振动能量可以由钻柱111、测井仪100以及电源115经历。在该示例性实施方案中，发电机210也可以称为“振动能量发电机210”。

在详细讨论振动能量发电机（VEG）210之前，应注意，发电机210可包括多种其他类型的发电设备。其他类型的发电设备可单独使用或者彼此组合以及与振动能量发电机（VEG）210组合使用。示例性类型的发电机210包括但不限于旋转发电机、电磁位移发电机、磁致伸缩位移发电机、压电位移发电机、热电发电机、热光电发电机，并且可包括与远程发电机的连接，例如与保存在上面的发电机或电源的电缆连接。在下文中进一步考虑其他类型的发电机（例如前述发电机）的各方面。

但是，转到其中发电机210是振动能量发电机（VEG）210的实施例，在一些实施方案中，VEG210一般被容纳在VEG壳体205中。在该实例中，VEG壳体205是闭合端部的环形圆筒。一组线圈202围绕VEG壳体205。线圈202提供磁场到电能的转化，并通过VEG引线203传输电能。磁场通过永磁体201（质量为m）的横向移动产生。一般而言，永磁体201经受振动能量，所述振动能量驱使横向移动。可以通过添加至少一个偏置装置（未示出）来辅助或促进横向移动。示例性偏置装置包括橡胶缓冲器、弹簧、至少一个额外的具有相反的相面对的磁极的永磁体201。在一个这样的实施方案中，永磁体201安装在VEG壳体205各端的内部，其中相反的磁极向内面向VEG壳体205内部。然后，中央永磁体201布置成其各磁极与所安装的各磁体的磁极相反。由此，将中央永磁体201偏置到VEG210的中心，并且能够在经历振动能量时自由地振荡。

在VEG210可包括至少一个偏置装置的同时，在一些实施方案中，VEG210可包括泄压装置（未示出）。非限制性实例包括至少一种通风形式，例如永磁体201中的通风管或至少一个孔（以防止VEG210的一部分的相对增压）。在一些实施方案中，将VEG210密封在真空中以使空气动力对于VEG210的操作而言相对不重要。示例性偏置装置包括橡胶减震器、机械弹簧、压电弹簧和至少一个附加的永磁体。

现参照图40，其中示出了多个VEG210。在该实施例中，VEG210设置在钻柱111中，特别地，在测井仪100中。多个VEG210经总线208电耦接在一起。总线208进而耦接至其他电子设备以给能量储存器（例如，多个超级电容器10）充电。

可以看到，可将多个VEG210布置在测井仪100中使得振动能量驱动在几乎连续的基础上的至少一个VEG210。也就是说，在该实施例中，VEG210沿着每个主轴（X、Y和Z）及其主要部分（main division）设置。

现在考虑适合于满足负载要求的VEG210的示例性设计的一些方面。假设VEG壳体205的全长的永磁体201的正弦曲线x-位移，x(t)=1/2L sin(ωt)[m]，则速度为其时间导数，并且永磁体201的峰值速度大小为1/2Lω[m/s]。峰值动能为1/2m v²=1/2m(1/2Lω)²[J]，所以在电阻下限可得的功率为P=1/2m(1/2Lω)²f_vib[W]，其中f_vib是振动频率，并且ω=2πf_vib[rps]。可得自线圈202的开路电势可以使用分段线性近似法来近似为随时间改变的通过面积A（由线圈202限制）的磁通量。然后，将磁通量的时间导数近似为dФB/dt=+/-B_max A4f_vib。但是，在一些实施方案中，获得电子设备将结合整流器，所以符号并不重要。由麦斯威尔方程式，线圈220的开路电压可以近似为V_oc=N dФB/dt=N B_max A4f_vib，其中，已忽略了符号。给定线圈202的串联电阻（其中线圈202由铜制成），在质量下限可得的功率为V_oc ²/4R，其中R=N C RAWG[Ω]，并且C是VEG壳体205的周长。

一些示例性设计输入包括：f_vib=10Hz；L=2英寸；r=1/2英寸；m=100g；N=100（对于铜）；并且永磁体201的尺寸为：直径为1英寸，标称长度为3/8英寸，并且由钐钴构成。

在该实施例中，可得的电阻下限功率为5W。对于线规为30AWG的铜线圈202，R为约3欧姆，可得的质量下限功率为约200W。因此，该设计受永磁体201的质量m而非线圈202的电阻限制。通过外推法，对于质量m为200g的永磁体201而言，可得的功率将为10W，对于质量m为20g的永磁体201而言，可得的功率将为1W。对于质量m为20g的永磁体201，导线的使得能够支持可得功率的最大电阻R（R=50²/(4*1)）为625欧姆。即使对于30AWG的线规，电阻也仅为3欧姆，因此，任何合理的线规均可用于该设计。例如，更小的线规（更大的AWG值）可用于节省空间。

该分析假设线圈202基本限定为与圆柱的长度L相比较小的长度，并且永磁体201的振动是周期性的并且为正弦曲线，得到等于VEG壳体205的全长L（例如，2英寸）的位移。

可以对振动能量发电机VEG210做出进一步修改。考虑在井下环境中，VEG210所经历的振动可发生在一个频率范围内，例如数十赫兹至数百赫兹。在这种情况下，VEG210可包括在器件操作期间可通过改变偏置装置的回复力来调谐的自然频率。例如，如果偏置装置是两个永磁体201，则可以通过例如线性致动器使磁体201更靠近在一起。使磁体201更靠近在一起从而提高回复力并且提高VEG210的自然频率。同样，永磁体201可以移动得更加远离以同样地降低VEG210的谐振频率。此外，如果偏置装置是电磁体，则可以分别提高或降低通过电磁体的电流以提高或降低VEG210的谐振频率。

如果压电弹簧用在VEG210中，则可使用它们作为偏置装置，为磁体201提供回复力以及提供额外的发电。

含有压电偏压元件的VEG210的机械谐振频率可通过改变压电元件的电化学耦接来改变。例如，可通过对压电元件的电容进行电分路来改变压电元件的电化学耦接，从而改变压电元件的有效机械劲度。改变压电元件的机械劲度改变了VEG210的谐振频率。

应注意，VEG210的机械自然频率ω_n可简单地定义为(k/m)^1/2，其中k代表偏压弹簧的劲度，m代表谐振器的质量。在一个实施方案中，可以使用调谐电路来改变压电元件的电机械耦接以改变一部分k，从而改变机械自然频率ω_n。在一些实施方案中，调谐电路包括微处理器。

应注意，许多个元件可用作压电元件的电机械耦接件，包括电容、电阻、电感或者这样的元件的串联的或平行的组合。

压电元件可用作发电的额外源同时充当可调谐弹簧元件。例如，由压电元件产生的电力可以由电源转换器来获得。在开关电源转换器的情况下，电源转换器可建模为与开关电源转换器的占空比成正比改变的负载电阻。

永磁体的居里温度是磁体变得去磁化的温度。下表中示出了用于永磁体201的材料的居里温度。所谓的钕磁体（前两行）因其高剩磁而流行。就高温操作而言，考虑使用钐钴用于永磁体201，因为这些磁体将在较高的居里温度下表现出类似的剩磁水平。这样的磁体易于通过市售分配渠道得到。

表4

用于永磁体的材料的比较

材料	剩磁（T）	居里温度（℃）
			Nd2Fe14B（烧结的）	1.0–1.4	310–400
Nd2Fe14B(接合的)	0.6–0.7	310–400
			SmCo5（烧结的）	0.8–1.1	720
Sm(Co,Fe,Cu,Zr)7（烧结的）	0.9–1.15	800
			Alnico（烧结的）	0.6–1.4	700–860
Sr-铁氧体（烧结的）	0.2–0.4	450

高温电子设备用于提供信号调节、遥测和电源电子设备，并且一般适合于在高至约200摄氏度的温度下操作，并且在一些实施方案中，高至约300摄氏度。高温电子设备的非限制性实施方案包括分立的和集成的现用裸管芯硅和绝缘体上硅有源器件以及碳化硅有源功率器件。可以使用一些市售的高温额定以及低温度系数陶瓷无源元件（COG或NPO电介质）以及高温磁无源元件。在一些示例性实施方案中，用于电路的衬底材料是AlN（氮化铝）陶瓷，其由于优异的热稳定性和热传导性而被选择。在这些实施方案的一些中，电路互连由抗氧化的Au线形成。接合方案采用芯片倒装或者使用AuGe高温钎料的用于裸管芯有源部件的Au线接合和/或类似类型的接合。但是，对于一些执行，预计Au线接合由于附加的机械顺从性而比芯片倒装接合有利，尤其在存在热膨胀和冲击以及振动时更是如此。所有上述部件的供应商的非穷举列表包括在下表中。

表5

高温电路部件供应商

总之，本文的教导提供了可靠的可用于高温环境中的井下工具的电源。

在一些实施方案中，电源115包括一个具有伴随电子设备的VEG210和至少一个超级电容器10。在另一些实施方案中，电源115包括多个具有伴随电子设备的VEG210和至少一个超级电容器10。VEG210可以视情况以平行或串联布置或以一些组合耦接至电子设备。多个VEG210中的每一个的取向可以选择为确定适合于获得振动能量，考虑或者不考虑VEG210元件的数目。

VEG210通过产生电功率来响应测井仪100的振动。VEG210的不同有角分布确保组件中的至少之一合适地响应振动并由此产生电功率。

可以使用任意数目和任意取向的VEG210。例如，可以有四个VEG210，代替三个，并且它们可以以不同取向有角间隔，例如通过将组件布置为彼此成直角等。

当然，VEG210可以不同地配置，而不脱离本发明的原则。例如，磁体201可以是电磁体。作为另一个实例，线圈202可以刚性地安装，其中磁体201响应于测井仪100的振动布置。

可以容易地理解，线圈202相对于磁体201的设置还具有自然频率，其还可以例如通过改变上述偏置装置的回复力、改变线圈202的质量等来调节。还可以理解，线圈202相对于磁体201增加的设置可以通过使VEG210的自然频率与测井仪100的振动的自然频率相匹配来实现。这样，VEG210以将产生最大电功率输出的频率振动。

图39所示的VEG210是“通过线圈”构造的一个实例，其中永磁体相对地移动通过一组线圈。在另一个通常称为“穿过线圈构造”的构造中，永磁体相对于由线圈限定的表面在垂直方向上移动。

可以使用一个磁体或多个磁体。多个磁体可以相连以一起移动或者保持不相连状态以单独移动。可以布置磁体使得相邻的磁体通过相反的极化来表征。在该构造中，相反的磁极提高围绕相邻磁体的连接的磁通量密度。导电线圈可以布置在磁体结附近，使得磁体的移动在通过线圈的磁通量方面产生大的偏差。因此，器件可以在于“通过孔”构造相比较小的相对运动下操作。

可以结合单个线圈或多个线圈。多个线圈可重叠或不重叠，并且可包含多个导线环。可以布置线圈以提供具有相对相位的分立的交流电。例如，可以使用三个偏置线圈组来提供0、120和240度的相对相位。这可以通过选择相邻线圈之间合适的偏置来实现，其与磁体的尺寸成正比。使用三相感应电流减少发电的连锁反应。

如果永磁体相对于固定线圈或所述线圈运动，如果线圈相对于固体磁体运动，则永磁体的不同路径适合于捕获不同的振动模式。例如，通过磁体或线圈对的线性相对运动可以捕获横向振动。为了捕获扭转振动，所述路径可以由圈组成，其中磁体或圈在环形途径周围自由移动。在磁体在环形途径中移动穿过固定线圈组的情况下，磁体可以构成整个线圈的一部分。

在“通过孔”和“穿过线圈”构造二者中，可以使用通量聚焦材料提高通量密度的用途。通量聚焦材料具有高渗透性和高通量密度并且可以例如由软铁、μ-金属或另一种具有类似特征的金属或金属合金构成。通量聚焦材料可以布置为聚集磁通量通过线圈组，并且可以固定至永磁体或者可以不固定至永磁体。通量聚焦材料还可以用于为磁通量提供返回路径。

对于已讨论过的“通过孔”构造，可以使用压电弹簧来促进发电并且提供可调谐的谐振频率。

如果机械电源为流动感应旋转形式，则电磁发电机可采取标准DC发电机的形式，其中导电线圈围绕中轴旋转，使得磁场通过每次旋转经过每组线圈的平面。

如上文所提及的，其他类型的发电机210包括但不限于旋转发电机、电磁位移发电机、磁致伸缩位移发电机、压电位移发电机、热电发电机、热光电发电机，并且可包括与远程发电机的连接（例如与维持在上部的发电机或电源的电缆连接）和放射性同位素电力发电机。

旋转类型的发电机可包括例如依赖于流体（液体或气体或混合物）感应旋转、单阶段设计、多阶段设计的发电机，并且可以是冗余的。

电磁位移类型的发电可以依赖于例如钻柱振动（希望的或非希望的）、声振动、地震振动、流动感应振动（例如，来自泥浆、气体、油、水等），并且可包括依赖于往复运动的发电。

磁致伸缩类型的发电依赖于磁弹性，其为铁磁材料的使其在磁化过程期间改变其形状或尺寸的性质。磁致伸缩材料可以将磁能转化为动能，或者反之，并且被用于构建制动器和传感器。与电磁位移类型的发电一样，磁致伸缩类型的发电可以依赖于例如钻柱振动（希望的或非希望的）、声振动、地震振动、流动感应振动（例如，来自泥浆、气体、油、水等），并且可包括依赖于往复运动的发电，以及产生或导致动能或磁能形式的其他技术。

压电类型的发电依赖于表现出压电性质的材料。压电是响应于所施加的机械应力在某些实心材料（特别是晶体、某些陶瓷等）中累积的电荷。压电类型的发电可以依赖于例如钻柱振动（希望的或非希望的）、声振动、地震振动、流动感应振动（例如，来自泥浆、气体、油、水等），并且可包括依赖于往复运动的发电，以及产生或导致机械应力形式的其他技术。

压电作用可用于将机械能转化成电能。例如，压电元件可以构造为悬梁的形式，其中梁末端的运动在振动下使梁弯曲。压电元件还可以构造为盘（platter），其中振动引起盘的中央变形。在每个构造中，改变质量负荷可用于加强机械振动的作用。例如，可以将质量置于悬梁的末端以提高由系统的机械振动引起的梁偏转水平。

在一些实施方案中，压电发电机包括一个至许多个压电元件，每个元件用于将机械能转化成电流。压电发电机还可以包括一个至许多个导电元件以将电流传输到能量转化或储存电子设备。每个压电发电机可以多样构造以提高发电能力。压电发电机可以以合适的方向布置以捕获多种模式的机械振动。例如，为了捕获三维横向振动，压电元件可以布置为彼此成直角，使得至少一组压电发电机捕获每个维度的振动。

一般而言，压电发电机可用于产生多至数瓦特的电功率。但是，多个发电机可平行使用以产生额外的功率。在一个实施方案中，单一质量可以构造成在给定时间使多个压电元件变形。

如同电磁发电机，压电发电机以给定的自然频率操作。大多数功率在机械振动发生在压电发电机的自然频率时产生。为了使所产生的功率最大化，可以调谐压电发电机的自然频率，如之前所讨论的，通过在多种负载元件（load element）中包括导电材料。在另一个实施方案中，可能存在调谐为不同的固定频率以捕获一系列振动频率的多个压电发电机。减少连接至压电元件的材料或压电元件周围的流体的形式，压电元件可用于使压电发电机的有效捕获谱变宽，同时减少谐振响应。

在其中机械能量源为流体流形式的一个实施方案中，可以使用基于旋转的压电发电机。例如，一个至许多个压电元件可以因结构的旋转而变形。在一个实施方案中，一个至许多个压电梁可以通过连接至旋转轮的直角引脚而弯曲。随着轮围绕其轴旋转，引脚接触压电元件，并且随着轮旋转引起元件变形。在另一个实施方案中，压电元件平行布置并与不同旋转半径的旋转本体相邻。随着旋转本体旋转，压电元件根据旋转本体与压电元件之间接触点处的半径而压缩至不同程度。在该实施方案中，还可以存在布置在旋转本体上以产生额外电能的压电元件。

热电类型的发电依赖于表现出热电性质的材料。热电发电机一般将热流（温度不同）直接转化为电能，使用称为“塞贝克效应”（或“热电效应”）的现象。示例性热电发电机可以依赖于双金属结（材料的组合）或者利用特定热电材料。热电材料的一个实例是碲化铋（Bi₂Te₃），其为具有p-n结的半导体，其可具有在毫米范围内的厚度。一般而言，热电发电机是固态器件并且没有活动部件。

热电发电机可以利用温度梯度来提供。例如，管的内部与外部的温差、套管的内部与外部的温差、沿着钻柱的温差、由工具内的功率消耗产生的温差（从电能和/或机械能），并且可利用感应温差。

热光电发电机经光子提供由热差向电能的能量转化。以简单的形式，热光电系统包括热发射器和光电二极管单元。虽然系统之间的热发射器温度不同，但是在原则上，热光电器件可以从任何温度升高为高于光电器件的发射器汲取能量（从而形成光热发动机）。发射器可以是实心材料件或特别地改造的结构。热发射是光子由于材料中电荷的热运动而发生的自发发射。在井下环境中，环境温度主要在近红外频率和红外频率引起放射。光电二极管可以吸收这些放射光子中的一些并将它们转化为电子。

可以使用其他形式的发电。例如，可以将放射性同位素发电结合至电源115，其将离子转化为电流。

可以采用多种技术来将前述类型的电力发电机结合到钻柱111。例如，可以在设计中包括进压电元件以供应间歇电力或连续电力至电子设备。井下环境为压电发电提供了许多机会，这是因为充裕的振动，无论是希望的或非希望的，通过声源、机械源或地震源。

向下打眼钻柱中存在三种主要振动模式：钻环旋转、钻头跳动和环粘滑。这些模式中的每一个能够耦接至彼此，引起横向振动、扭转振动和轴向振动。

在向下打眼的仪器中，存在许多提供用于能量获得的电势的位置。该仪器可以由分开的部段构成，其直接通过刚性支持物连接，通过挠性连接来连接或者通过除压电元件之外的材料保持不连接。挠性连接可以由挠性膜或绕轴旋转刚性结构构成。

为了捕获来自扭转振动的能量，压电材料可以沿着仪器的长度垂直布置。仪器部段之间的扭转应力可以导致压电元件变形。导电材料可以沿着压电元件布置以携带所产生的电流至能量储存器或转化器件。

在另一个实施方案中，压电材料可用于由轴向振动产生能量。例如，压电元件可以布置在两个或更多个室之间，其保留为未连接或者通过挠性连接来连接。压电元件的每个端可以连接至仪器表面与轴成直角和切线方向，使得轴向振动将压缩或延伸压电元件。

在另一个实施方案，压电材料可用于由横向振动产生能量。例如，压电元件可以布置在两个或更多个室之间，其保留为未连接或者通过挠性连接来连接。压电元件的端可以连接至每个室的切线壁，使得每个室的相对剪切运动使连接压电元件弯曲。

可以将这些实施方案中的一个或许多个包括进相同的仪器中以提高能量产生。

简言之，电源115可以利用任何类型的发电机，其可适合于在井下环境中提供电力。所用发电类型可以根据系统使用者、设计者、制造者或其它相关团体的需要或偏好来选择。一种类型的发电可以单独使用或者与另一种类型的发电联合使用。

应注意，在振动能量发电机的情况下，还可以根据环境因素来控制（例如，调谐）其他形式的发电机以提高效率。在每种情况下，认为发电机的“调谐”设计为完成该任务。在一些情况下，在组合期间提供调谐。在一些其他实施方案中，在电源115的操作期间基于实时或接近实时来进行调谐。

现在参照图41至47，其中示出了电力转换电路的各方面。如图41所示，第一子系统152的示例性实施方案包括第一开关器件161、第二开关器件162以及滤波电感器163。外部能量源151可以耦接到第一子系统152并且耦接到HTRES402（例如，高温超级电容器）。可以控制第一开关器件161和第二开关器件162的动作以实现上述电流限制和电池调节特性。具体地，以互补方式（占空比）操作的第一开关器件161和第二开关器件162的相对导通时间可以用来调整电流的流动和转换率。当与HTRES402的电压相比外部能量源151的电压值较大时，图41中示出的示例性第一子系统152可以是有用的。可以通过反馈控制系统（未示出）来实现电流的限制或调节。

第二子系统153的示例性实施方案包括电源转换器，根据工具的需要为DC-DC电源转换器或DC-AC电源转换器。第二子系统153的功能可以为调节输送到负载（例如，测井仪100和/或井下电子设备113）的电压或电流。由于HTRES402的电容特性，当植入超级电容器时，随着电荷从HTRES402中提取出，HTRES402的电压可以以近似线性方式降低。然后，尽管HTRES402表现出变化的电压，但是第二子系统153的功能可以为调节输送到测井仪100的电压或电流。可以通过反馈控制系统（未示出）来实现电压的限制或调节。

如图42所示，第二子系统153的一个示例性实施方案可以包括第一开关器件161、第二开关器件162以及滤波电感器163的相应实施方案。负载可以耦接到第二子系统153并且可以耦接到HTRES402。可以控制第一开关器件161和第二开关器件162的各自的实施方案的动作以实现以上所述的期望的电流或电压调节特征。具体地，第一开关器件161和第二开关器件162的各自的实施方案的相对导通时间的占空比可以用来调节电流的流动和转换率或所呈现的电压。当与HTRES402的电压相比所需电压的值较大时，图42中示出的示例性第二子系统153可以是有用的。可以通过反馈控制系统（未示出）来实现电压的限制或调节。

如图43所示，第一子系统152和第二子系统153可以耦接到一起并且也耦接到HTRES402以提供电源115的一个实施方案。在该实施方案中，当与负载的端电压相比，外部能量源151的端电压在数值上更大或在数值上更小时，示例性电源115可以是特别有利的，只要HTRES402的端电压在数值上既小于外部能量源151的端电压又小于负载的端电压即可。

电源转换器一般可以具有任意的拓扑结构。非限制性实例包括通常称作“降压”、“升压”、“降压-升压”、“反激”、“正激”、“开关电容器”的转换器，和非隔离转换器的其他隔离形式（例如，Cúk、降压-升压），以及任意这些转换器的级联（例如，降压+升压）。

图44中示出了一种示例性转换器181。在该实施例中，转换器181为双向降压转换器。该实施方案在要求输出电压小于输入电压时尤其适于用作电源转换器。

图45中示出了另一个示例性转换器181。在该实施例中，转换器181为双向升压转换器。图46中示出了另外的示例性转换器181。在该实施例中，转换器181为合并的双向降压-升压转换器。

图47中提供了反馈控制器182的一个示例性实施方案。本文中所示的部件可以以通过设计者、制造者或使用者所确定合适的模拟域或数字域，或者以组合的方式来实施。反馈控制器182可以包括用于监测和控制各种特征的元件。例如，反馈控制器182可以包括用于频率补偿、脉冲宽度调制、停机时间保护、占空比限制、提供软启动（例如，斜坡电压）等的部件。

本领域技术人员将认识到，电源115可以与支持电阻率、核的技术和仪器一起联合使用，包括脉冲中子和γ测量以及其它、核磁共振成像、声测量和/或地震测量、多种取样方案、通信、数据处理和储存、地质导向和井下电力使用的许多其他要求。许多补充的部件也可由电源115供应电力。非限制性实例包括加速计、磁力计、传感器、转换器、数字器件和/或模拟器件（包括下文中列举的那些）等。

因此，可能适当的是由于由至少一个EG210产生的磁场。如果敏感部件在测井仪100中布置为远离EG210，则永磁体101与磁敏感部件之间的干扰可能降低或基本消除。如果需要的话，可以将可作为镍铁铜和钼的低成本合金市购的高磁导率材料（“μ-金属”）的阻隔物布置在敏感器件与电源115相关磁场之间。

μ-金属可以设置在电源115或任意其它发电机（旋转或振动或其它方式）与其它仪器之间，所述其它仪器例如对磁干扰敏感的那些（例如，磁力计、NMR、磁敏感存储器等等）。

此外，μ-金属可以设置在地层103与敏感仪器（例如，电子设备113）之间。μ-金属可以以多种方式成形。例如，μ-金属可以作为分离至少两个工具件的扁平平面、成型表面、包装在工具（例如仪器或发电机）的至少一件周围的闭合表面、若干层μ-金属出现以提供上述隔离、组合。

一般而言，如本文所讨论的“μ-金属”是镍铁合金（约75%镍、15%铁，外加铜和钼），其具有非常高的磁导率。该高磁导率使μ-金属在筛选静磁场或低频磁场中非常有效，其不能通过其他方法来减弱。与数千种普通钢相比，μ-金属可具有80000–100000的相对磁导率。此外，其具有低矫顽性和磁弹性，导致低滞后损失。其他高磁导率合金例如透磁合金具有类似的磁性。其他优点包括μ-金属比普通的钢更具延展性并且可工作。简言之，本文中使用的术语“μ-金属”是指表现出期望的磁性（例如，非常高的磁导率）的任何材料。

应该认识到，本文中的教导仅为示例性的并且不对本发明进行限制。此外，本领域技术人员将认识到，在保持在本发明的范围之内的同时可以实现另外的部件、构造、布置等。例如，层、电极、引线、端子、接头、馈通件、盖等的配置可与本文所公开的实施方案不同。一般而言，超级电容器的部件和利用电极的超级电容器的设计和/或应用仅受系统设计者、制造者、操作者和/或使用者的需要以及出现在任意具体情形中的需求限制。

支持本文的教导，可以使用多种分析部件，包括数字系统和/或模拟系统。所述系统可具有部件例如处理器、储存介质、储存器、输入、输出、通信连接（有线的、无线的、脉冲泥浆、光学的或其它）、使用者界面、软件和固件程序、信号处理器（数字的或模拟的）以及其它这样的部件（例如电阻器、电容器、电感器以及其它）从而以本领域中熟知的若干方式中的任意方式提供设备的操作和分析以及本文所公开的方法。认为这些可以与计算机可读介质（包括存储器（ROM、RAM）光学的（CD-ROM）或磁的（盘，硬盘驱动器）或执行时导致计算机实施本发明的方法的任意其他类型）上存储的计算机可执行说明书组联合实施，但无需如此。除本公开所述功能以外，这些说明书还可提供设备操作、控制、数据收集和分析以及系统设计者、使用者或其他这样的人员认为相关的其他功能。

此外，可以包括并采用各种其他部件用于提供在本文中的教导的方面。例如，可以使用额外的材料、材料的组合和/或材料的冗余来提供在本文教导的范围内的另外的实施方案。

在介绍本发明或其实施方案的元件时，冠词“一”、“一个”以及“该”意指存在一个或更多个元件。类似地，形容词“另一个”在用于介绍元件时意指一个或更多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”意指为包括的使得可以存在除所列的元件之外的附加元件。

在本申请中描述了各种变量，包括但不限于部件（例如，电极材料、电解质等）、条件（例如，温度、在各种水平下的各种杂质的自由度）、以及性能特征（例如，相对于初始电容的后循环电容、低漏电流等）。应该理解，这些变量中的任意变量的任意组合可以限定本发明的实施方案。例如，特定电极材料、具有特定电介质、在特定温度范围下并且具有小于特定量的杂质的组合、以后循环电容和特定值的漏电流操作（尽可能地包括这些变量但可能未对特定组合进行着重陈述）为本发明的实施方案。也可以从本文中所列的变量之中具体地选择制品、部件、条件和/或方法的其他组合以限定其他实施方案，这些对本领域的普通技术人员而言是明显的。

虽然已经参照示例性实施方案描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的条件下可以作出各种变型并且等同物可以替代其元件。另外，许多修改将由本领域技术人员理解为在不脱离本发明的实质范围的条件下适应根据本发明的教导的特定仪器、情形或材料。因此，其意图是本发明不限于所公开的特定实施方案作为设想执行本发明的最佳方式而是本发明将包括落在所附权利要求书的范围内的所有实施方案。

Claims (102)

1.一种适合于向井下工具供应电力的电源，所述电源包括：

耦接至控制电路的能量源和配置为在约80摄氏度至约210摄氏度的温度范围内的温度下操作的可再充电能量储存器；

所述源包括电池、与电能的外部供应的连接和发电机中的至少之一，所述发电机配置为将所述井下工具所经历的能量转化为电能，所述控制电路用于接收来自所述源的电能并将所述电能储存在所述能量储存器中。

2.根据权利要求1所述的电源，其中所述温度范围为约90摄氏度至约210摄氏度。

3.根据权利要求1所述的电源，其中所述温度范围为约80摄氏度至约150摄氏度。

4.根据权利要求1所述的电源，其中所述能量储存器包括超级电容器。

5.根据权利要求4所述的电源，其中所述超级电容器能够在所述温度范围内的子范围内操作，其中所述子范围为约10摄氏度。

6.根据权利要求4所述的电源，其中能量储存单元包含正电极和负电极。

7.根据权利要求4所述的电源，其中所述电极中的至少之一包含含碳的能量储存介质。

8.根据权利要求7所述的电源，其中所述含碳的能量储存介质包含碳纳米管。

9.根据权利要求7所述的电源，其中所述含碳的能量储存介质包含活性炭、碳纤维、人造纤维、石墨烯、气凝胶、碳布和多种形式的碳纳米管中的至少之一。

10.根据权利要求7所述的电源，其中每个电极包括集电器。

11.根据权利要求1所述的电源，其中在所述能量储存器的电解质中卤离子的含量低于约1000份/百万份。

12.根据权利要求1所述的电源，其中在所述能量储存器的电解质中卤离子的含量低于约500份/百万份。

13.根据权利要求1所述的电源，其中在所述能量储存器的电解质中卤离子的含量低于约100份/百万份。

14.根据权利要求1所述的电源，其中在所述能量储存器的电解质中卤离子的含量低于约50份/百万份。

15.根据权利要求1所述的电源，其中所述能量储存器的电解质包含卤离子，所述卤离子包括氯离子、溴离子、氟离子和碘离子中的至少之一。

16.根据权利要求1所述的电源，其中所述能量储存器的电解质包含总浓度低于约1000份/百万份的金属物质。

17.根据权利要求16所述的电源，其中所述金属物质包括Br、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、K、Li、Mo、Na、Ni、Pb、Zn、任意前述金属物质的合金和任意前述金属物质的氧化物中的至少之一。

18.根据权利要求1所述的电源，其中在所述能量储存器的电解质中杂质的总浓度低于约1000份/百万份。

19.根据权利要求18所述的电源，其中所述杂质包括溴乙烷、氯乙烷、1-溴丁烷、1-氯丁烷、1-甲基咪唑、乙酸乙酯和二氯甲烷中的至少之一。

20.根据权利要求1所述的电源，其中在所述能量储存器的电解质中总的水含量低于约500份/百万份。

21.根据权利要求1所述的电源，其中在所述能量储存器的电解质中总的水含量低于约100份/百万份。

22.根据权利要求1所述的电源，其中在所述能量储存器的电解质中总的水含量低于约50份/百万份。

23.根据权利要求1所述的电源，其中在所述能量储存器的电解质中总的水含量低于约20份/百万份。

24.根据权利要求1所述的电源，其中所述能量储存器的电解质中的阳离子选自包含1-(3-氰丙基)-3-甲基咪唑1,2-二甲基-3-丙基咪唑1,3-双(3-氰丙基)咪唑1,3-二乙氧基咪唑1-丁基-1-甲基哌啶1-丁基-2,3-二甲基咪唑1-丁基-3-甲基咪唑1-丁基-4-甲基吡啶1-丁基吡啶1-癸基-3-甲基咪唑1-乙基-3-甲基咪唑和3-甲基-1-丙基吡啶的组。

25.根据权利要求1所述的电源，其中所述能量储存器的电解质中的阳离子选自包含铵、咪唑 唑磷哌啶吡嗪吡嗪哒嗪吡啶嘧啶吡咯烷锍、噻唑三唑胍异喹啉苯并三唑紫精类型和官能化咪唑阳离子的组。

26.根据权利要求25所述的电源，其中所述阳离子的至少一个支链基（R_x）选自包含烷基、杂烷基、烯基、杂烯基、炔基、杂炔基、卤素、氨基、硝基、氰基、羟基、硫酸酯基、磺酸酯基和羰基的组。

27.根据权利要求26所述的电源，其中所述烷基选自包含饱和的脂肪族基团、直链烷基、支链烷基、环烷基（脂环族）基团、烷基取代的环烷基以及环烷基取代的烷基的组。

28.根据权利要求26所述的电源，其中所述烷基选自包含甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基、乙基己基、环丙基、环丁基、环戊基和环己基的组。

29.根据权利要求26所述的电源，其中所述杂烷基包含含有至少一个杂原子的烷基。

30.根据权利要求29所述的电源，其中所述杂原子选自包含氧、氮和硫的组。

31.根据权利要求26所述的电源，其中所述烷基和炔基包括脂肪族基团。

32.根据权利要求26所述的电源，其中所述脂肪族基团包含双键和三键中的至少之一。

33.根据权利要求1所述的电源，其中所述能量储存器的电解质包含阴离子，所述阴离子选自包含-F^-、-Cl^-、-Br^-、-I^-、-OCH₃ ^-、-CN^-、-SCN^-、-C₂H₃O₂ ^-、-ClO^-、-ClO₂ ^-、-ClO₃ ^-、-ClO₄ ^-、-NCO^-、-NCS^-、-NCSe^-、-NCN^-、-OCH(CH₃)₂ ^-、-CH₂OCH₃ ^-、-COOH^-、-OH^-、-SOCH₃ ^-、-SO₂CH₃ ^-、-SOCH₃ ^-、-SO₂CF₃ ^-、-SO₃H^-、-SO₃CF₃ ^-、-O(CF₃)₂C₂(CF₃)₂O^-、-CF₃ ^-、-CHF₂ ^-、-CH₂F^-、-CH₃ ^--NO₃ ^-、-NO₂ ^-、-SO₃ ^-、-SO₄ ^2-、-SF₅ ^-、-CB₁₁H₁₂ ^-、-CB₁₁H₆C_l6 ^-、-CH₃CB₁₁H₁₁ ^-和-C₂H₅CB₁₁H₁₁ ^-的组。

34.根据权利要求1所述的电源，其中所述能量储存器的电解质包含阴离子，所述阴离子选自包含A-PO₄ ^-、-A-SO₂ ^-、A-SO₃ ^-、-A-SO₃H^-、-A-COO^-、-A-CO^-的组；其中A是苯基、经取代的苯基、烷基、经取代的烷基、带负电荷的烷烃基团、卤代烷烃和醚中之一。

35.根据权利要求1所述的电源，其中所述能量储存器的电解质包含阴离子，所述阴离子包含与相应数目的取代基键合的基础结构。

36.根据权利要求35所述的电源，其中所述基础结构包括N、O、CO、SO、Be、C、Mg、Ca、Ba、Ra、Au、B、Al、Ga、Th、In、P、S、Sb、As、N、Bi、Nb和Sb中之一。

37.根据权利要求35所述的电源，其中所述取代基的相应数目为至少两个。

38.根据权利要求37所述的电源，其中所述取代基为不同的和重复的之一。

39.根据权利要求1所述的电源，其中所述能量储存器的电解质包含阴离子，所述阴离子包含基础结构（Y₂）和与所述基础结构（Y₂）键合的两个取代基（α₂）。

40.根据权利要求1所述的电源，其中所述能量储存器的电解质包含阴离子，所述阴离子包含基础结构（Y₂）和两个取代基（α₂），所述基础结构（Y₂）选自由N、O、CO和SO组成的组；所述两个取代基（α₂）各自选自由-F^-、-Cl^-、-Br^-、-I^-、-OCH₃ ^-、-CN^-、-SCN^-、-C₂H₃O₂ ^-、-ClO^-、-ClO₂ ^-、-ClO₃ ^-、-ClO₄ ^-、-NCO^-、-NCS^-、-NCSe^-、-NCN^-、-OCH(CH₃)₂ ^-、-CH₂OCH₃ ^-、-COOH^-、-OH^-、-SOCH₃ ^-、-SO₂CH₃ ^-、-SOCH₃ ^-、-SO₂CF₃ ^-、-SO₃H^-、-SO₃CF₃ ^-、-O(CF₃)₂C₂(CF₃)₂O^-、-CF₃ ^-、-CHF₂ ^-、-CH₂F^-、-CH₃ ^--NO₃ ^-、-NO₂ ^-、-SO₃ ^-、-SO₄ ^2-、-SF₅ ^-、-CB₁₁H₁₂ ^-、-CB₁₁H₆C_l6 ^-、-CH₃CB₁₁H₁₁ ^-和-C₂H₅CB₁₁H₁₁ ^-以及A-PO₄ ^-、-A-SO₂ ^-、A-SO₃ ^-、-A-SO₃H^-、-A-COO^-、-A-CO^-组成的组；其中A是苯基、经取代的苯基、烷基、经取代的烷基、带负电荷的烷烃基团、卤代烷烃和醚中之一。

41.根据权利要求1所述的电源，其中所述能量储存器的电解质包含阴离子，所述阴离子包含基础结构（Y₃）和与所述基础结构（Y₃）键合的三个取代基（α₃）。

42.根据权利要求1所述的电源，其中所述能量储存器的电解质包含阴离子，所述阴离子包含基础结构（Y₃）和三个取代基（α₃），所述基础结构（Y₃）选自由Be、C、N、O、Mg、Ca、Ba、Ra、Au组成的组；所述三个取代基（α₃）各自选自由-F^-、-Cl^-、-Br^-、-I^-、-OCH₃ ^-、-CN^-、-SCN^-、-C₂H₃O₂ ^-、-ClO^-、-ClO₂ ^-、-ClO₃ ^-、-ClO₄ ^-、-NCO^-、-NCS^-、-NCSe^-、-NCN^-、-OCH(CH₃)₂ ^-、-CH₂OCH₃ ^-、-COOH^-、-OH^-、-SOCH₃ ^-、-SO₂CH₃ ^-、-SOCH₃ ^-、-SO₂CF₃ ^-、-SO₃H^-、-SO₃CF₃ ^-、-O(CF₃)₂C₂(CF₃)₂O^-、-CF₃ ^-、-CHF₂ ^-、-CH₂F^-、-CH₃ ^--NO₃ ^-、-NO₂ ^-、-SO₃ ^-、-SO₄ ^2-、-SF₅ ^-、-CB₁₁H₁₂ ^-、-CB₁₁H₆C_l6 ^-、-CH₃CB₁₁H₁₁ ^-和-C₂H₅CB₁₁H₁₁ ^-以及A-PO₄ ^-、-A-SO₂ ^-、A-SO₃ ^-、-A-SO₃H^-、-A-COO^-、-A-CO^-组成的组；其中A是苯基、经取代的苯基、烷基、经取代的烷基、带负电荷的烷基基团、卤代烷烃和醚中之一。

43.根据权利要求1所述的电源，其中所述能量储存器的电解质包含阴离子，所述阴离子包含基础结构（Y₄）和与所述基础结构（Y₄）键合的四个取代基（α₄）。

44.根据权利要求1所述的电源，其中所述能量储存器的电解质包含阴离子，所述阴离子包含基础结构（Y₄）和四个取代基（α₄），所述基础结构（Y₄）选自由B、Al、Ga、Th、In、P组成的组；所述四个取代基（α₄）各自选自由-F^-、-Cl^-、-Br^-、-I^-、-OCH₃ ^-、-CN^-、-SCN^-、-C₂H₃O₂ ^-、-ClO^-、-ClO₂ ^-、-ClO₃ ^-、-ClO₄ ^-、-NCO^-、-NCS^-、-NCSe^-、-NCN^-、-OCH(CH₃)₂ ^-、-CH₂OCH₃ ^-、-COOH^-、-OH^-、-SOCH₃ ^-、-SO₂CH₃ ^-、-SOCH₃ ^-、-SO₂CF₃ ^-、-SO₃H^-、-SO₃CF₃ ^-、-O(CF₃)₂C₂(CF₃)₂O^-、-CF₃ ^-、-CHF₂ ^-、-CH₂F^-、-CH₃ ^--NO₃ ^-、-NO₂ ^-、-SO₃ ^-、-SO₄ ^2-、-SF₅ ^-、-CB₁₁H₁₂ ^-、-CB₁₁H₆C_l6 ^-、-CH₃CB₁₁H₁₁ ^-和-C₂H₅CB₁₁H₁₁ ^-以及A-PO₄ ^-、-A-SO₂ ^-、A-SO₃ ^-、-A-SO₃H^-、-A-COO^-、-A-CO^-组成的组；其中A是苯基、经取代的苯基、烷基、经取代的烷基、带负电荷的烷烃基团、卤代烷烃和醚中之一。

45.根据权利要求1所述的电源，其中所述能量储存器的电解质包含阴离子，所述阴离子包含基础结构（Y₆）和与所述基础结构（Y₆）键合的六个取代基（α₆）。

46.根据权利要求1所述的电源，其中所述能量储存器的电解质包含阴离子，所述阴离子包含基础结构（Y₆）和六个取代基（α₆），所述基础结构（Y₆）选自由P、S、Sb、As、N、Bi、Nb、Sb组成的组；所述六个取代基（α₆）各自选自由-F^-、-Cl^-、-Br^-、-I^-、-OCH₃ ^-、-CN^-、-SCN^-、-C₂H₃O₂ ^-、-ClO^-、-ClO₂ ^-、-ClO₃ ^-、-ClO₄ ^-、-NCO^-、-NCS^-、-NCSe^-、-NCN^-、-OCH(CH₃)₂ ^-、-CH₂OCH₃ ^-、-COOH^-、-OH^-、-SOCH₃ ^-、-SO₂CH₃ ^-、-SOCH₃ ^-、-SO₂CF₃ ^-、-SO₃H^-、-SO₃CF₃ ^-、-O(CF₃)₂C₂(CF₃)₂O^-、-CF₃ ^-、-CHF₂ ^-、-CH₂F^-、-CH₃ ^--NO₃ ^-、-NO₂ ^-、-SO₃ ^-、-SO₄ ^2-、-SF₅ ^-、-CB₁₁H₁₂ ^-、-CB₁₁H₆C_l6 ^-、-CH₃CB₁₁H₁₁ ^-和-C₂H₅CB₁₁H₁₁ ^-以及A-PO₄ ^-、-A-SO₂ ^-、A-SO₃ ^-、-A-SO₃H^-、-A-COO^-、-A-CO^-组成的组；其中A是苯基、经取代的苯基、烷基、经取代的烷基、带负电荷的烷烃基团、卤代烷烃和醚中之一。

47.根据权利要求1所述的电源，其中所述能量储存器的电解质包含溶剂。

48.根据权利要求47所述的电源，其中所述溶剂包括乙腈、酰胺、苄腈、丁内酯、环醚、碳酸二丁酯、碳酸二乙酯、乙醚、二甲氧基乙烷、碳酸二甲酯、二甲基甲酰胺、二甲砜、二氧六环、二氧戊环、甲酸乙酯、碳酸亚乙酯、碳酸甲乙酯、内酯、直链醚、甲酸甲酯、丙酸甲酯、甲基四氢呋喃、腈、硝基苯、硝基甲烷、N-甲基吡咯烷酮、碳酸亚丙酯、环丁砜、砜、四氢呋喃、四氢噻吩砜、噻吩、乙二醇、二甘醇、三甘醇、聚乙二醇、碳酸酯、γ-丁内酯、腈以及三氰基己烷中的至少之一。

49.根据权利要求1所述的电源，其中用于容置所述能量储存器的壳体包括设置在其内部表面的大部分上的阻隔物。

50.根据权利要求49所述的电源，其中所述阻隔物包括聚四氟乙烯（PTFE）、全氟烷氧基（PFA）、氟化乙烯丙烯聚合物（FEP）、乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）中的至少之一。

51.根据权利要求49所述的电源，其中所述阻隔物包括陶瓷材料。

52.根据权利要求49所述的电源，其中所述阻隔物包括表现出耐腐蚀性、期望的介电性质和低电化学反应性中的至少之一的材料。

53.根据权利要求49所述的电源，其中所述阻隔物包括多层材料。

54.根据权利要求49所述的电源，其中所述壳体包含多层材料。

55.根据权利要求54所述的电源，其中所述多层材料包含覆盖到第二材料上的第一材料。

56.根据权利要求54所述的电源，其中所述多层材料包含钢、钽和铝中的至少之一。

57.根据权利要求49所述的电源，其中所述壳体包含至少一个半球形密封件。

58.根据权利要求49所述的电源，其中所述壳体包含至少一个玻璃-金属密封件。

59.根据权利要求58所述的电源，其中所述玻璃-金属密封件的引脚提供电接头。

60.根据权利要求59所述的电源，其中所述引脚包含铁-镍-钴合金、镍铁合金、钽、钼、铌、钨、一定形式的不锈钢和钛中之一。

61.根据权利要求59所述的电源，其中所述玻璃-金属密封件包括含有以下材料至少之一的本体：镍、钼、铬、钴、铁、铜、锰、钛、锆、铝、碳和钨，以及其合金。

62.根据权利要求1所述的电源，其中所述能量储存器的能量储存单元包括隔离器以提供正电极与负电极之间的电隔离。

63.根据权利要求62所述的电源，其中所述隔离器包含聚酰胺、聚四氟乙烯（PTFE）、聚醚醚酮（PEEK）、氧化铝（Al₂O₃）、玻璃纤维以及玻璃纤维增强塑料中之一。

64.根据权利要求62所述的电源，其中所述隔离器基本上不含水分。

65.根据权利要求62所述的电源，其中所述隔离器基本上是疏水的。

66.根据权利要求1所述的电源，其中所述能量储存器包括表现出不大于约5.0×10^-6atm-cc/秒的泄露速率的气密密封件。

67.根据权利要求1所述的电源，其中所述能量储存器包括表现出不大于约5.0×10^-7atm-cc/秒的泄露速率的气密密封件。

68.根据权利要求1所述的电源，其中所述能量储存器包括表现出不大于约5.0×10^-8atm-cc/秒的泄露速率的气密密封件。

69.根据权利要求1所述的电源，其中所述能量储存器包括表现出不大于约5.0×10^-9atm-cc/秒的泄露速率的气密密封件。

70.根据权利要求1所述的电源，其中所述能量储存器包括表现出不大于约5.0×10^-10atm-cc/秒的泄露速率的气密密封件。

71.根据权利要求1所述的电源，其中所述能量储存器的体积漏电流在所述温度范围内为低于约1000毫安/升。

72.根据权利要求1所述的电源，其中所述能量储存器的体积漏电流在特定电压范围内为低于约1000毫安/升。

73.根据权利要求1所述的电源，其中所述能量储存器除所述可再充电能量储存器之外还包括至少一个电池。

74.根据权利要求73所述的电源，其中所述电池不可再充电。

75.根据权利要求1所述的电源，其还包括多个发电机，每个发电机取向为获得特定方向的振动能量。

76.根据权利要求1所述的电源，其还包括护罩以进行减小外部磁场和基本消除外部磁场中的至少之一。

77.根据权利要求1所述的电源，其还包括用于由使用所述能量储存器作为电源提供电力产生的电路。

78.根据权利要求77所述的电源，其中所述所产生的电力包括交流电（AC）和直流电（DC）中之一。

79.根据权利要求1所述的电源，其中所述发电机包括振动能量发电机。

80.根据权利要求79所述的电源，其中所述发电机包括至少一个可调节偏置装置。

81.根据权利要求80所述的电源，其中所述至少一个可调节偏置装置包括可调节磁体、电磁体、压电元件和可调谐弹簧元件中之一。

82.根据权利要求80所述的电源，其还包括用于控制所述至少一个可调节偏置装置的至少一个调谐电路。

83.根据权利要求80所述的电源，其中所述至少一个调谐电路包括微处理器。

84.根据权利要求1所述的电源，其中所述发电机包括旋转发电机、电磁位移发电机、磁致伸缩位移发电机、压电发电机、热电发电机、热光电发电机以及放射性同位素能量发电机中的至少之一。

85.根据权利要求1所述的电源，其中所述电池包括锂-亚硫酰氯电池、锂-溴-氯电池、锂-磺酰氯电池以及熔盐电池中的至少之一。

86.根据权利要求1所述的电源，其中所述外部供应包括与远程电能源的连接，所述连接包括电缆连接、有线套管连接、有线管连接和螺旋管连接中之一。

87.一种用于制造用于井下工具的电源的方法，所述方法包括：

选择至少一种能量源，配置为在约80摄氏度至约210摄氏度的温度范围内的温度下操作的可再充电能量储存器，和适合于接收来自发电机的电能并将所述电能储存在所述能量储存器中的控制电路；和

将所述源、控制电路和能量储存器结合到所述井下工具以提供所述电源。

88.根据权利要求87所述的方法，其中所述源包括电池、与电能的外部供应的连接和发电机中的至少之一，所述发电机配置为将所述井下工具所经历的能量转化为所述电能。

89.根据权利要求87所述的方法，其还包括将多个能量发电机结合到所述电源，每个所述发电机取向为获得预定方向的振动能量。

90.根据权利要求87所述的方法，其中选择包括选择旋转发电机、电磁位移发电机、磁致伸缩位移发电机、压电发电机、热电发电机、热光电发电机、与远程电源的连接以及放射性同位素能量发电机中的至少之一

。

91.根据权利要求87所述的方法，其中选择包括选择电池和与外部电源的连接中的至少之一。

92.根据权利要求87所述的方法，其还包括将护罩结合至所述电源和所述井下工具中的至少之一以实现减小干扰磁场和基本上消除干扰磁场中的至少之一。

93.根据权利要求87所述的方法，其还包括选择所述能量发电机和所述控制电路中的至少之一以在所述温度范围内操作。

94.根据权利要求87所述的方法，其还包括结合电路以由所述能量储存器向负载提供电力产生。

95.根据权利要求87所述的方法，其中选择所述能量储存器包括选择超级电容器，所述超级电容器包括气密地密封的壳体中的能量储存单元和电解质，所述单元电耦接至正电接头和负电接头，其中所述超级电容器配置为在约80摄氏度至约210摄氏度的温度范围内的温度下操作。

96.一种用于为井下工具提供电力的方法，所述方法包括：

选择包括电源的工具，所述电源包括耦接至控制电路的能量源和配置为在约80摄氏度至约210摄氏度的温度范围内的温度下操作的高温可再充电能量储存器，所述源包括电池、与电能的外部供应的连接和发电机中的至少之一，所述发电机配置为将所述井下工具所经历的能量转化为所述电能，所述控制电路用于接收来自所述源的电能并将所述电能储存在所述能量储存器中；和

从所述电源向所述井下工具的负载提供电力。

97.根据权利要求96所述的方法，其中所述转化包括操作振动能量发电机、旋转发电机、电磁位移发电机、磁致伸缩位移发电机、压电发电机、热电发电机、热光电发电机、与远程电源的连接以及放射性同位素能量发电机中的至少之一。

98.根据权利要求96所述的方法，其中所述负载包括电子电路、变压器、放大器、伺服系统、处理器、数据存储器、泵、马达、传感器、热可调传感器、光学传感器、转换器、光纤、光源、闪烁器、脉冲发生器、液压致动器、天线、单道分析仪、多道分析仪、辐射检测器、加速度计和磁强计中的至少之一。

99.根据权利要求96所述的方法，其中所述工具包括取芯工具、闭井工具、核磁共振成像（NMR）工具、电磁（EM）遥测工具、泥浆脉冲遥测工具、电阻率测量工具、伽马传感工具、压力传感器工具、声学传感器工具、地震工具、核工具、脉冲中子工具、地层取样工具以及感应工具中的至少之一。

100.根据权利要求96所述的方法，其中所述提供包括连续提供所述电力和周期性提供所述电力中的至少之一。

101.根据权利要求96所述的方法，其中所述提供包括向所述负载提供交流电（AC）和提供直流电（DC）中的至少之一。

102.根据权利要求96所述的方法，其还包括对于所述振动能量发电机，将所述发电机调谐为井下所经历的振动频率。