CN104272408A - 水性双电层电容器 - Google Patents

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Abstract

双电层电容器(EDLC)及其相关制造方法。所述ELDC包含至少一个电容器单元，其具有两个平行的集流体、两个相反极性的电极、隔膜、刚性绝缘框架以及至少一个排出装置。每个电极被放置在各自的集流体上，并由浸渍有含水电解质的活性炭组成。所述框架沿着集流体表面上的周界放置并包围所述电极。所述排出装置从电容器单元内部移除多余液体材料。所述排出装置可以是所述框架中的隔室，其用于收集从所述电极渗出的残余电解质，或是形成于所述框架内并延伸进入所述电极的一部分的毛细管，所述毛细管由多孔疏水性材料组成，用于将所述电极排放的气体排出到所述EDLC外部。

Description

水性双电层电容器
技术领域
本公开的技术总体上涉及电容器，并且更具体地，涉及双电层电容器。
背景技术
双电层电容器(EDLC)，也被称为“超电容器”或“超级电容器”，是一种电化学电容器类型，其特征在于，相对于常规电容器具有很高的能量密度。EDLC涉及在电解质和高表面积导体之间的界面处形成的双电场的电荷分离，而不是通过常规介电体材料份离两个金属薄板。基本EDLC单元配置是一对高孔隙电极，通常包含活性炭，其设置在被称为集流体的平行导体板的对立面上。电极浸渍有电解质，并通过由多孔电绝缘离子渗透膜组成的隔膜分离。当在电极之间施加电压时，电解质的负离子流向正向电极，并且电解质的正离子流向负极电极，从而累积的离子电荷在每个电极/电解质界面处形成双电层。因此，通过在每个界面处正电荷和负电荷的分离存储能量。隔膜阻止导电电极之间的电接触，但是允许离子交换。当EDLC放电时，例如通过外部电气设备供电，电极两端的电压导致电流随着电极表面的离子放电而流动。EDLC可以在多次充电循环上再次充电和放电。
活性炭电极的极高表面积，结合双电层电极间的纳米级(与静电电容器毫米和电解质电容器微米相比较)分离距离，使得每单位质量吸收大量离子，因此，能量密度在数量级幅度上高于常规电容器。电解质可以是水性溶液(例如，氢氧化钾(KOH)或硫酸(H2SO4)的水溶液)或有机基(例如，乙腈(CH3CN)、聚丙烯碳酸酯)。在水性电解质中，电压限制在约1V(超过此值水分解)，而有机基电解质具有约2.5-3.0V的较高最大电压。因为每个单独的EDLC单元被限制在相对低的电压，多个EDLC单元可以串联连接，以实现更高的电压操作。然而，串联连接减小总电容，也需要电压平衡。
尽管与电化学电池相比，EDLC中每单位重量存储的能量的量总体较低，但是EDLC具有更高的能量密度和高充电/放电速率。此外，EDLC具有比电池更长的生命周期，并且能够以较小降解承受更多充电循环(百万次充电循环，与普通的可充电电池的数百次相比)。因此，当电池用于在较长时间段内供应较多能量量时，EDLC对于要求频繁和快速功率输出的应用，例如，不断制动和加速的混合动力汽车，是理想的。EDLC也是环境友好的(具有长的生命周期，可循环再用)、安全(没有要求安全处理的腐蚀性电解质和其他有毒物质)、重量轻，而且具有非常低的内部电阻(ESR)。EDLC的充电过程也相对简单，因为它仅获取所需量，并不易于过度充电。相比其他电容器和电化学电池，EDLC具有较高的自放电。
在高的工作温度和/或高的工作电压的EDLC操作期间，倾向于产生各种潜在有害的寄生效应。具体是，电化学反应引起电极组成上过量的压力，导致气体排放。排放气体累积起来的压力会导致电容器元件膨胀或者破裂。
近几年来材料和制造方法上的进步引起了EDLC改善的性能和更低的成本，以及在各种应用中的使用。例如，EDLC能够用于操作低功率电气设备，并为混合动力或燃料电池车辆提供高峰负荷增强。EDLC也常用于补充电池，例如在不可中断电源中桥接短的电力中断。
美国专利4697224(Watanabe等人，题为“双电层电容器(Electricdouble layer capacitor)”)涉及一种EDLC，它包含电绝缘和离子渗透性隔膜及一对固体含碳材料的可极化电极，所述可极化电极彼此对立设置在隔膜的两个对立面。所述隔膜和电极密封在绝缘橡胶的垫片内。所述隔膜和至少一个电极通过粘合剂或粘结剂在所述电极朝向隔膜的部分区域中彼此粘附，以阻止电极可能的位移以及通过双向接触的短路。
欧洲专利786786(Varakin，题为“具有双电层的电容器(Capacitor witha double electrical layer)”)公开了一种EDLC，该EDLC其中一个电极由镍氧化物形成，另一个电极由纤维状碳材料形成，优选镀镍或镀铜。电解质是碱金属碳酸盐或氢氧化物的水溶液。
美国专利6201685(Jerabek等人，题为“超级电容器集流体(Ultracapacitor current collector)”)公开了一种具有集流体的非水性超级电容器，所述集流体包含导电金属衬底，如铝，其涂覆有难熔金属的氮化物、碳化物或硼化物。该涂层的目的是阻止集流体上的高阻性铝氧化物层的形成和增厚。
美国专利6594138(Belyakov等人，题为“电化学电容器及其制造方法(Electrochemical capacitor and method for making the same)”)涉及一种具有包括串联连接的内部元件和端部元件的元件堆的电化学电容器。每个内部元件包含电子传导集流体、设置在所述集流体的对立面上的多孔不同极性电极以及安装在所述电极上的电绝缘隔膜。每个端部元件包含集流体和设置在其一侧的合适极性的电极。所述电极和隔膜浸渍有电解质。选择所述电极的固相-液相比，以降低组装期间的电解质泄漏的概率，以及最小化电容器的内部电阻。所述电容器主体包含具有在串联连接的元件中用于保持电压平衡的电子导体的互连压紧件。施加聚合物涂层到所述导体上，以阻止附近的元件和电解质短路。所述堆也涂覆有聚合物组合物以用于密封所述元件，其中所述涂层包含附加层，所述附加层消除中和成分对聚合物硬化速率的影响。在压紧件之间安装之前，所述堆被抽空到9.8-19.6千帕的剩余压力，从而能够移除电极块的胶体研磨期间溶解在电解质中的过量空气。
美国专利6773468(Lang，题为“使用可印刷成分制造电化学电容器的方法(Method of making electrochemical capacitor using a printablecomposition)”)涉及电化学电容器单元的制备方法，所述电容器单元包含：一对平行放置的集流体板；包含印刷在所述集流体的对立面上的含水电解质的扁平电极；和插入在所述电极之间的隔膜。印刷所述电极以便周围区域不被限定在所述集流体的每个面上的电极覆盖。所述隔膜的几何形状和尺寸与所述集流体板的形状和尺寸相同。所述隔膜包含可渗透电解质的中心区域，所述电解质由不能渗透电解质的周界掩膜区域环绕，其中所述可渗透区域与所述电极一致。密封剂注入在隔膜的周界区域的孔内。至少一层粘合剂放置在密封剂上。使用合适的可印刷成分制造电极。
发明内容
根据所公开技术的一个方面，从而提供一种双电层电容器(EDLC)，其包含至少一个电容器单元，其中所述电容器单元包含两个集流体、两个相反极性的电极、隔膜、刚性绝缘框架以及至少一个所述框架内的排出装置。所述集流体的表面平行对齐。所述集流体由导电材料组成。每个电极设置在集流体的相应一个上。所述电极包含浸渍有含水电解质的活性炭。所述隔膜设置在所述电极之间。所述隔膜包含惰性电绝缘离子渗透性材料。所述框架沿着至少一个集流体的表面上的周界设置并包围所述电极。所述排出装置用以从电容器单元的内部移除多余液体材料。所述排出装置可以是设置在所述框架中的至少一个隔室，所述隔室用于收集从所述电极渗出的残余电解质。所述排出装置可以是所述电容器单元的每个电极的相应的至少一个毛细管，所述毛细管形成于所述框架内并延伸至所述电极的一部分中。所述毛细管由多孔疏水性材料组成并用于将所述电极排放的气体排出到所述EDLC外部。所述EDLC可以是包括多个这种电容器单元(串连连接)的EDLC堆叠件。所述框架可以进一步包含至少一个形成于所述框架的内部周界处并向上延伸到至少一个隔室的凹口。EDLC的毛细管的远端可以与延伸到EDLC外部的通道耦合。所述通道可以包含至少一个装置，其用于阻止氧气进入EDLC。所述装置可以是设置在所述通道内的单向阀，所述阀用于在阻止气体进入EDLC时，使排放的气体能够退出EDLC。所述装置可以包含限制氧气进入EDLC、具有长度和厚度的管道。所述EDLC堆叠件可以包含两个金属薄板，其间所述电容器单元固定和压紧在一起。所述EDLC堆叠件可以涂覆有聚合物密封剂以在电容器单元中密封。EDLC堆叠件可以包含至少一个紧固装置，用于将所述薄板固定在一起。所述紧固装置可以包含压紧螺钉，其设置在所述薄板周界处、通过所述薄板。所述紧固装置包含包围在两个薄板周围的条带。EDLC堆叠件可以包含至少一个支撑杆，其紧靠至少一个薄板外部表面设置并被条带绑定。所述杆用于拉直所述薄板并沿着所述薄板之间的所述电极的表面均匀分散压力。所述EDLC堆叠件可以包含至少一个石墨膜，其设置在其中一个薄板和相邻电容器单元之间。所述石墨膜用于在维持导电性时阻止电解质泄露。
根据所述公开技术的另一方面，从而提供一种制造包含至少一个电容器单元的EDLC的方法。所述方法包含以下工序：制备两个相反极性的电极，所述电极包括浸渍有含水电解质的活性炭；将每个电极设置到平行对齐的两个集流体的相应一个上，所述集流体由导电材料组成；在所述电极之间设置隔膜，所述隔膜包含惰性电绝缘离子渗透性材料；沿着至少一个集流体表面的周界上设置刚性绝缘框架，所述框架包围所述电极；以及在所述框架内提供至少一个排出装置，所述排出装置用于移除来自所述电容器单元内部的多余液体材料。所述提供至少一个排出装置的工序可以包含在框架内形成至少一个隔室，所述隔室用于收集从所述电极渗出的残余电解质。提供至少一个排出装置的工序可以包含在所述框架内针对电容器单元的每个电极的相应一个形成至少一个毛细管，其中毛细管延伸进入所述电极的一部分中，其中所述毛细管由多孔疏水性材料组成并用于将所述电极排放的气体排出到所述EDLC外部。其中制备两个电极的工序包含以下工序：热处理包含活性碳的电极混合物；在使所述混合物经受胶体磨处理时，使用电解质溶液浸渍电极混合物；终止所述胶体磨，制造电极/电解质糊剂；以及将糊剂轧制成具有所选厚度的片材并将所述片材切割为具有所选尺寸的多个电极部分。
所述方法可以进一步包含串联连接多个电容器单元的工序，以制备EDLC堆叠件。所述方法可以进一步包含在所述框架的内部周界处形成至少一个凹口的工序，其中所述凹口向上延伸到至少一个隔室。所述方法可以进一步包含浇筑延伸到所述EDLC外部的至少一个通道的工序，其中毛细管的远端与至少一个通道耦合。所述方法可以进一步包含在所述通道内提供至少一个用于阻止氧气进入EDLC的装置的工序。所述方法可以进一步包含在两个金属薄板之间固定和压紧所述电容器单元的工序，其中所述薄板使用至少一个紧固装置固定在一起。
附图说明
通过下文结合附图描述的说明将更加充分理解和领会所公开的技术：
图1A是根据所公开技术的一个实施例制造和操作的单个双电层电容器单元的组件的剖视图；
图1B是图1A在形成双EDLC时相对设置的组件的等距视图；
图1C是图1A和1B形成的EDLC的侧视图；
图2A是根据所公开技术的实施例构造和操作的EDLC单元的单个膜的详细剖视图；
图2B是根据所公开技术的另一个实施例建造和操作的EDLC单元的单个膜的详细剖视图；
图3是根据所公开技术的一个实施例建造和操作的包括多个EDLC单元的EDLC堆叠件的立体剖视图；
图4是根据所公开技术的一个实施例建造和操作的使用螺钉紧固的EDLC堆叠件的等距视图；以及
图5是根据所公开技术的一个实施例建造和操作的使用杆和条带紧固的EDLC堆叠件的等距视图。
具体实施方式
所公开的技术通过提供双电层电容器(EDLC)的新颖设计和配置及其制备方法来克服现有技术的劣势。优选地，EDLC通过多个电容器单元堆叠件体现，其中每个单元包含设置在相应集流体膜上的相反极性的电极、电极上浸渍的含水电解质、隔膜和沿着集流体膜的周界并包围电极的刚性绝缘框架。所述框架包含至少一个排出装置，其用于从所述电容器单元的内部移除多余液体材料。所述排出装置可以是设置在框架内的隔室，其提供从所述电极渗出的多余电解质的安全存储，具体是，在制造过程期间，阻止电容器元件之间的电流泄漏和电解质桥接。所述排出装置可以是形成于所述框架内并延伸到所述电极中的毛细管，所述毛细管排出从所述电极排放的气体并将其排出到所述EDLC外部，阻止电容器膨胀或者破裂，尤其是在高工作温度或高工作电压。所述EDLC进一步包含至少一个用于阻止氧气进入的装置，例如设置在延伸穿过EDLC堆叠件的通道内的单向阀。
现在参考图1A、1B和1C。图1A是根据所公开技术的一个实施例制造和操作的单一EDLC单元(通常标记为110)的组件的剖视图。图1B是图1A的组件在形成EDLC单元110时相对设置的等距视图。图1C是图1A和图1B形成的EDLC单元110的侧视图。所公开技术的一个示例性EDLC单元110由一对膜111和112以及隔膜116组成。每个膜111、112包括其上存在浸渍有电解质125的电极124的集流体122。刚性绝缘框架126定位在所述集流体122并形成电极124的边界，下文将详细阐述。隔膜116设置在膜111和112之间。
集流体122由导电材料(例如导电聚合物材料)组成，其中，电导率各向各异以使垂直于集流体片材表面的电导率大于沿所述表面的电导率。可选地，集流体122由金属或其它对电解质125惰性的材料组成。电极124由活性炭和各种添加剂和纳米颗粒(例如，金属氧化物，碳纳米管，金属纳米颗粒等)的混合物组成。所述活性炭从原料如木炭、碳和焦炭制备。电解质125是水性溶液，其包含碱金属和/或酸和盐，如氢氧化钾(KOH)或硫酸(H2SO4)的水溶液。隔膜116是离子渗透性(即，允许离子通过其交换)和电绝缘性(即，阻止电子通过其传输)的惰性膜。隔膜116可选择性地包含多层(例如，连续排列的若干个单个离子渗透性和电绝缘性膜)。
电极的制备过程涉及活性炭的热处理，接着同时地用电解质溶液浸渍电极材料并使电极-电解质混合物经受胶体磨处理。胶体磨处理完成后，产生粘性的糊剂物。可选地，隔膜116的一个或两个表面也浸渍有电解质溶液125。将电极/电解质糊剂轧制成具有合适厚度(例如，约700微米)的片材，并且将所述片材精确切割为具有所选尺寸的多个电极部分。然后将各个电极部分设置在集流体膜上。每个EDLC单元110包含至少两个具有相反极性的电极124A，124B和电极之间的隔膜116。电极124A、124B之间电压的施加，导致电解离子转移而在每个电极和电解质界面处形成双电层。
多个单元设置在彼此之上并串联连接形成堆叠件，提供能够承受更高电压的EDLC(与单个EDLC单元能够承受的电压相比)。现在参考图2A、2B和3。图2A是根据所公开技术的一个实施例构造和操作的EDLC单元110的单个膜111的详细剖视图。图2B是根据所公开技术的另一个实施例构造和操作的EDLC单元110的单个膜(标记为211)的详细剖视图。图3是根据所公开技术的一个实施例构造和操作的包括多个EDLC单元110的EDLC堆叠件(标记为150)的立体剖视图。膜111包含集流体122、电极124和框架126。参考图2A，框架126包含多个隔室131、至少一个毛细管132以及至少一个凹口133。中空通道134穿过EDLC堆叠件150延伸通过所有单元110(即，进入每个EDLC堆叠件限定的横截面平面)，并在单向阀148中终止(如图4和图5示出)。堆叠件150包含第一外部终端引线142和第二外部终端引线144(如图4和图5示出)。堆叠件的所有单元都固定在两个金属薄板146之间，并根据EDLC单元110的大小和尺寸从而以足够压强(例如，10kgF/cm2)压紧在一起。两个薄板146经由至少一个紧固装置(例如压紧螺钉138(图4)或杆152和条带154(图5))固定在一起。薄板146由对电解质125惰性的金属组成。堆叠件150涂覆有聚合物密封剂139以密封所有单元110。在密封过程期间，浇筑两个中空的通道134，以使从每个单元突出的毛细管132被组装在通道134的内部，确保毛细管不被密封剂139填充。可选的，堆叠件150可以包含单个通道134或者多于两个通道134。通道134可以由穿过堆叠件150内并从堆叠件150退出的浇筑区域的离散管道体现。所有EDLC单元110的负电极124A电耦合至第一终端引线142，所有EDLC单元的正电极124B电耦合至第二终端引线144。第一终端引线142和第二终端引线144的外部端子电连接至外部电源的相应终端。
框架126是设置在电极124周界处的膜111的边缘上的集流体122上方的刚性边界。框架126由对电解质125惰性的绝缘材料组成。用于框架126的可能的材料包含：聚氯乙烯(PVC)；聚丙烯(PP)；聚四氟乙烯(PTFE)；EPDM橡胶和其他聚合物。膜111的两个表面(即，前表面和后表面)包含相应的框架126。框架126通过使用合适的粘性材料和/或粘性技术(例如，胶、加热、激光、焊接等)粘合在集流体122上。反过来，隔膜116通过粘合剂或密封剂粘合到框架126上(尽管隔膜的相反表面粘合到相邻集流体/电极膜112的相应框架上)。为了简化制造过程，膜的单个层可以分别制备，然后再相互粘合(例如，其中一个框架126粘合到第一膜111的第一表面，另一个框架126粘合到第二膜112的第一表面，然后膜111的第二表面粘合到膜112的第一表面)。优选地，除了第一膜(即最上)和最后膜(即最下)之外，EDLC堆叠件150的每个膜的每个表面(即，一个在前面，一个在后面)上存在电极124。
框架126用来限制膜的电极区域，以在制备堆叠件时方便将多个膜压紧在一起，以及进一步限制堆叠件中的层，从而最小化电容器的内部电阻。此外，框架126用于隔离相邻的膜111和112以及阻止含水电解质125泄漏通过膜的边缘，具体是在压紧堆叠件中的膜时，因此阻止电极122A和122B之间的电荷转移(即，“电解质桥接”)(这将导致短路)。应当理解，所公开技术中的框架126可以结合具有各种厚度的电极使用，这使得确保在各种充电电流上的再现性和稳定电气性能特性成为可能。
隔室131(图2A)散置在整个框架126。优选地，隔室131相对于框架126的平坦表面稍微向内突出，以在框架126内形成凹痕或凹槽。应当注意，隔室131可以一直延伸到框架126的边缘，或者可以完全位于框架界限内。凹口133形成于框架126的内部周界处并向上延伸到隔室131，这样凹口133的一端连接到隔室131，另一端连接到电极124的边缘处的集流体区域122。框架126中的至少一个隔室131连接到至少一个凹口133，即，框架126可以包含一些没有连接到凹口133的隔室131(注意，图2A中示出仅仅是单一凹口133，仅作为说明性目的)。毛细管132设置在隔室131内，伸出框架126之外并进入通道134。EDLC堆叠件150中的每个电极124与至少一个毛细管132关联(即，每个EDLC单元110与至少一对毛细管132关联)。堆叠件150中的各个单元110的所有毛细管132被组装在通道134内。
隔室131用作残余电解质125的存储区域，所述残余电解质125由于外部施加的压力从电极124渗出，例如当膜111、112在EDLC单元110的制造过程期间被压紧在一起时。这些残余电解质125在隔室131内收集，阻止如果电解质125从框架126退出将导致的泄露电流(例如，如果堆叠件150封口不好)，并阻止电极124A、124B之间的电解质桥接(因为框架126维持电极125和电极124隔离)。此外，在隔室131内收集的残余电解质125也用来限制EDLC堆叠件150的电解脱水(electrolyticdehydration)。应当理解，隔室131是可选的，并且所公开技术的框架可以替代性地不包含隔室，如图2B所示(本文后面会进一步讨论)。
毛细管132提供一种用于由于EDLC操作期间各种寄生效应，电极124释放的过量气体的排出装置，具体是在高工作温度和/或高工作电压下。这些气体经由毛细管132和凹口133排出，允许EDLC单元110中内建的压力释放，并防止电容器在这种情况下膨胀或甚至破裂。毛细管132由多孔疏水性材料组成，例如PTFE(聚四氟乙烯)或其他合适的疏水性聚合物，这样气体能够通过毛细管壁而液体却不能。因此，毛细管132允许所释放的气体的移除并保持内部含水电解质125，因此最小化电解脱水。相应地，上述寄生效应产生的气体通过凹口133和毛细管132壁退出EDLC单元110的电极区域124，气体通过外部单向阀148从所述凹口133和毛细管132壁传输通过通道134到达EDLC堆叠件150外部。应当理解，相对小的厚度的毛细管壁(例如，约0.17mm)，能够使得气体通过毛细管132有效快速地从EDLC堆叠件中排出。优选地，毛细管132的远端(即，伸出进入到通道134的一端)最初用提供改良粘合力的化学成分处理，确保毛细管在应用最后密封剂139之后依然粘合到EDLC堆叠件150。毛细管132也可以以某种方式化学处理以便阻止气体从毛细管132周围逸出。
单向阀148通过通道134和毛细管132回传(即，在排放气体的反方向上)氧气，确保外部氧气不进入EDLC堆叠件150和到达电极124，因为进入的氧气会导致电流泄露。此外，通道134可以包含相对长和窄的管道(例如，具有基本等于堆叠件150宽度的最小长度并具有基本等于毛细管132直径的最小厚度的管道)，其阻止或最小化过量气体和电解质的扩散，并且其进一步用来限制氧气回到EDLC堆叠件150中。总体上，所公开的技术采用至少一个装置用于阻止氧气进入EDLC堆叠件150，包含但不限于，使用单向阀以及使用具有限制氧气进入所述EDLC的长度和宽度的管道。
现在参考图2B，膜211包含集流体222、电极224A、框架226和至少一个毛细管232。相比于图2A的基本正方形形状和对称电极124A，电极224A具有自由形态和不对称形状。应当理解，对于给定的集流体膜211，与电极124A相比，电极224A的自由形态形状提供了更大的电极表面积，因此给电容器提供更大的最大能量密度(其与电极表面积成比例)。框架226的内部边缘也是不对称形状的，以符合电极224A的形状。毛细管232直接通过框架226，而不是设置在位于框架(如图2中具有毛细管132和隔室131)中的隔室内。毛细管232沿着电极224A的一部分延伸，突出到框架226外部并进入通道234。从堆叠件150的每个单元211伸出的毛细管232被组装在通道234的内部(图3)，其中，通道234穿到堆叠件150的外部，如通道134一样(图3)。毛细管232用于通过毛细管壁(类似于毛细管)将电极124排放(由于寄生效应导致)的气体排出到EDLC堆叠件150的外部。毛细管232由多孔疏水性材料(例如，聚四氟乙烯)组成，从而气体能够通过毛细管壁而液体不能。应当注意，毛细管232可选地形成为U-形，其有助于阻止含水电解质125通过毛细管232的内部退出电极224A(因为毛细管的疏水性材料仅阻止液体通过毛细管壁)，因此最小化电解脱水。相应地，毛细管232也可以在其末端系紧或者松开，用于阻止含水电解质125经由毛细管内部释放。
现在参考图4和5。图4是根据所公开技术的一个实施例构造和操作的使用螺钉加固的EDLC堆叠件(一般标记为160)的等距视图示意图。图5是根据所公开技术的一个实施例构造和操作的使用杆和条带加固的EDLC堆叠件(一般标记为170)的等距视图示意图。紧固装置确保薄板146之间的压力维持。所述压力也帮助克服EDLC堆叠件的平行性、厚度和其他参数的轻微差异，减少EDLC的内部电阻。参考图4，堆叠件160的外部金属薄板146经由多个压紧螺钉138(例如夹紧螺钉，设置穿过两个薄板146、在薄板146和单元110的周界处)紧固在一起。参考图5，堆叠件170的外部金属薄板146经由多个条带154紧固在一起，所述条带包围两个薄板146和所有单元110的周围。应当理解，由于条带降低了EDLC的总体重量并需要更少的空间，因此条带154的使用优于螺钉138。此外，由于螺钉138沿着薄板146的周界施加的压力在薄板的中心和边缘之间产生的力不同，压紧螺钉138的使用倾向于造成薄板146弯曲。因此，条带154的使用在避免这种弯曲方面具有额外的优势。可替代地，薄板146可以最初被提供为凹面的的或具有预定水平的弯曲以便补偿这种效应，从而薄板146最终在应用螺钉138之后变直，并维持合适的平行性。杆152紧靠薄板146的外部表面设置并被条带154围绕。杆152用来拉直薄板148的弯曲，并平稳地沿着电极124的整个表面分散所施加的压力，从而最小化内部电阻。至少一个石墨层(未示出)设置在EDLC堆叠件的最后膜和相邻金属薄板146之间，优选地，在堆叠件的两个面上，以便在维持电导率时阻止电解质泄露。
应当理解，与常规基于有机的电容器相比，所公开技术的示例性EDLC总体上在延长的生命周期上工作在相当高的温度水平、相当高的标称/工作电压。例如，所公开技术的EDLC能够在温度范围约为-40℃和75℃之间工作。应当进一步注意，所公开技术的EDLC不要求外部平衡(即，维持串联连接的EDLC单元两端的电池电压平衡)，并且能够视为“自平衡”。具体地，所公开技术的EDLC具有相当鲁棒结构，对电压冲击相当不敏感。此外，不同单元之间的电容变化(即，公差)很小(例如，与商用有机电容器的高达30％的电容变化相比，只有较小的百分比)。这是由于若干因素。第一，相对厚的电极(例如，厚度约为700μm)的使用。第二，堆叠件中各个单元的标称工作电压约为0.9V(而不是1V，其对应于电解限制)。第三，所公开技术的EDLC涉及“闭环”电化学系统，因为即使发生电解，毛细管将排出水蒸气和其他气体，并阻止电容器膨胀或者破裂，但是电极将脱水。电极脱水导致内部电阻增加，由此电极的电压增加，导致电解的较低总体电压限制(从而阻止电解发生)。
根据所公开的技术，制造EDLC的方法包含制备两个相反极性的电极，所述电极包括浸渍有含水电解质的活性炭；每个电极被设置在平行对齐的两个集流体的相应一个上，所述集流体包含导电材料；在所述电极之间设置隔膜，所述隔膜包含惰性电绝缘离子渗透性材料；以及沿着至少一个集流体的表面上的周界设置刚性绝缘框架，所述框架包围电极。
本领域技术人员应当理解，所公开的技术并不限制于已经具体示出和上文描述的。

Claims (26)

1.一种包含至少一个电容器单元的双电层电容器，即EDLC，所述电容器单元包含：
两个集流体，其表面平行对齐，所述集流体包含导电材料；
两个相反极性的电极，每个所述电极设置在所述集流体的相应一个上，所述电极包括浸渍有含水电解质的活性炭；
隔膜，设置于所述电极之间，所述隔膜包含惰性电绝缘离子渗透性材料；
刚性绝缘框架，其沿着至少一个所述集流体的表面上的周界设置并包围所述电极；以及
所述框架内的至少一个排出装置，所述排出装置用于从所述电容器单元的内部移除多余液体材料。
2.根据权利要求1所述的EDLC，其中所述排出装置包括设置在所述框架内的至少一个隔室，所述隔室用于收集从所述电极渗出的残余电解质。
3.根据权利要求2所述的EDLC，其中所述排出装置包括所述电容器单元的每个电极的相应的至少一个毛细管，所述毛细管形成于所述框架内，并延伸到所述电极的一部分中，其中所述毛细管包括多孔疏水性材料并用于将所述电极排放的气体排出到所述EDLC外部。
4.一种EDLC堆叠件，其包括多个串联连接的权利要求1所述的电容器单元。
5.根据权利要求1所述的EDLC，其中所述框架由选自包含以下材料的列表中的材料组成：
聚氯乙烯即PVC；
聚丙烯PP；
聚四氟乙烯即PTFE；
EPDM橡胶；以及
介电聚合物。
6.根据权利要求2所述的EDLC，其进一步包含形成于所述框架
的内部周界处并向上延伸到至少一个所述隔室的至少一个凹口。
7.根据权利要求3所述的EDLC，其中所述至少一个毛细管包含多个毛细管，所述毛细管的远端与延伸到所述EDLC外部的通道耦合。
8.根据权利要求7所述的EDLC，其中所述通道包含至少一个装置，其用于阻止氧气进入所述EDLC。
9.根据权利要求8所述的EDLC，其中所述装置包含设置在所述通道内的单向阀，所述阀用于在阻止气体进入所述EDLC时，使所述排放的气体能够退出所述EDLC。
10.根据权利要求8所述的EDLC，其中所述装置包含具有限制氧气进入所述EDLC的长度和厚度的管道。
11.根据权利要求4所述的EDLC，其中所述堆叠件涂覆有聚合物密封剂以密封所述电容器单元。
12.根据权利要求4所述的EDLC，包含两个金属薄板，所述电容器单元在所述两个金属薄板之间被固定和压紧在一起。
13.根据权利要求12所述的EDLC，进一步包含至少一个紧固装置，用于将所述薄板固定在一起。
14.根据权利要求13所述的EDLC，其中所述紧固装置包含压紧螺钉，其设置通过所述薄板并处于所述薄板的周界处。
15.根据权利要求13所述的EDLC，其中所述紧固装置包含包围两个所述薄板的周围的条带。
16.根据权利要求15所述的EDLC，进一步包含至少一个支撑杆，其紧靠至少一个所述薄板的外部表面设置并被所述条带绑定，所述杆用于拉直所述薄板并沿着所述薄板之间的所述电极的表面均匀分散压力。
17.根据权利要求12所述的EDLC，进一步包含至少一个石墨膜，其设置在一个所述薄板和相邻的电容器单元之间，所述石墨膜用于在维持导电率时阻止含水电解质泄露。
18.一种制造包含至少一个电容器单元的双电层电容器即EDLC的方法，所述方法包含以下工序：
制备两个相反极性的电极，所述电极包括浸渍有含水电解质的活性炭；
将每个所述电极设置在平行对齐的两个集流体中的相应一个上，所述集流体包含导电材料；
在所述电极之间设置隔膜，所述隔膜包含惰性电绝缘离子渗透性材料；
沿着至少一个所述集流体的表面的周界设置刚性绝缘框架，所述框架包围所述电极；以及
在所述框架内提供至少一个排出装置，所述排出装置用于从所述电容器单元的内部移除多余流体材料。
19.根据权利要求18所述的方法，其中提供至少一个排出装置的过程包括在所述框架内形成至少一个隔室，所述隔室用于收集从所述电极渗出的残余电解质。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述提供至少一个排出装置的过程包括针对所述电容器单元的每个电极的相应一个在所述框架内形成至少一个毛细管，并且所述毛细管延伸到所述电极的一部分中，其中所述毛细管包括多孔疏水性材料并用于将所述电极排放的气体排出到所述EDLC外部。
21.根据权利要求18所述的方法，其中所述制备两个电极的工序包含以下工序：
热处理包含活性碳的电极混合物；
在使所述混合物经受胶体磨处理时，使用电解质溶液浸渍所述电极混合物；
终止所述胶体磨，生成电极/电解质糊剂；以及
将所述糊剂轧制成具有所选厚度的片材，并将所述片材切割为具有所选尺寸的多个电极部分。
22.根据权利要求18所述的方法，进一步包含串联连接多个所述电容器单元的工序，以制备EDLC堆叠件。
23.根据权利要求19所述的方法，进一步包含在所述框架内部周界处形成向上延伸到至少一个所述隔室的至少一个凹口的工序。
24.根据权利要求20所述的方法，进一步包含浇筑延伸到所述EDLC外部的至少一个通道的工序，其中所述至少一个毛细管的多个毛细管的远端与至少一个所述通道耦合。
25.根据权利要求24所述的方法，进一步包含在所述通道内提供用于阻止氧气进入到所述EDLC的至少一个装置的工序。
26.根据权利要求22所述的方法，进一步包含在两个金属薄板之间固定和压紧所述电容器单元的工序，其中使用至少一个紧固装置将所述薄板固定在一起。
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