CN105027243A - 具有双电层的脉冲电容器 - Google Patents

Abstract

本发明描述一种双电层电容器，其包括：主体，所述主体具有布置在其中的提取双极电极及端单极电极；分隔物及电解质；其中每一电极包含由热膨胀的石墨制成且使用高分子烃进行浸渍的分隔物，在所述分隔物上在所述提取电极的两侧上及所述端电极的一侧上施加由活化碳与质子导电粘结剂的混合物组成的电极材料。

Description

具有双电层的脉冲电容器

技术领域

本发明涉及设计能量存储电力电容器，其中电荷在两个介质(即，电极及电解质)之间的界面处积聚，因此被命名为“具有双电层的电容器”及“超级电容器”、“混合电容器”(日本)、“超电容器”(德国、美国)、“电化学电容器：(法国、加拿大)、“离子电容器”(俄罗斯及其它CIS国家)。

它们优于常规的电解电容器的主要优点在于扩增的能量密度。某些类型的此类电容器可存储10kJ/kg以上，且在1kW/kg到10kW/kg的比电容下向负载放电(www.kit-e.ru/articles/condenser/2005_6_12.php)。

必须向此添加充分的可能的数量的“充电-放电”循环、可靠性及耐用性，及较宽的操作温度范围。

具有双电层的电容器的特征的上述独特组成在很大程度上预先确定它们首先在输电及混合装置中的使用的可能性及实用性。另一有前景的方向是它们在具有不稳定特性的电厂中作为“补偿器”的使用，所述电厂例如为风车发电单元、具有太阳能电池电池组的发电单元、潮汐发电厂。

背景技术

双电层电容器在用于其中的电极材料的类型及所采用的电解质方面有所不同。用于电极的材料有以下三种类型：基于活化碳的材料、金属氧化物，及导电聚合物。电解质可为含水的或有机的。

最常遇到的双电层电容器是具有基本上由活化碳材料制成的电极的双电层电容器。

已知活化(高度多孔)碳材料实现约10F/cm³及更高的电容密度(http://www.electrosad.ru/Electronics/SuperCon.htm)。

已知双电层电容器，此电容器的电极由活化碳(石墨、碳黑)颗粒、多孔弹性电介质及塑料粘结剂的混合物制成(WO 94/01879)。活化碳由粗颗粒(1μm到100μm)及细颗粒(0.05μm到1μm)的混合物组成。

细颗粒的含量在10重量％到60重量％内，大小为1μm到50μm的多孔发泡体颗粒或直径为0.3μm到50μm且长为0.1mm到5mm的多孔电介质材料的纤维用作柔性电介质、塑料粘结剂，例如聚乙烯醇、多糖、橡胶、氟化塑料用作塑料粘结剂。

然而，使用这些电极而装配的电容器具有低容量、归因于使用了多孔弹性电介质材料而引起的充分大的电阻及相对低的机械强度。在由吸附剂(例如活化碳)制成的通过在活化碳颗粒之间均匀地分布的热塑性聚合物的颗粒粘合且具有活化碳颗粒的平均大小的0.08到0.9的平均大小的电极(根据RF专利#2172037)中在一定程度上消除所述缺点。

此专利的电极还可由活化碳及石墨及碳黑粉末制成，石墨及碳黑粉末两者通过聚合物颗粒粘合。在此/为了在电极的整个体积上的颗粒的更均匀的分布，石墨或碳黑的这些颗粒将具有活化碳颗粒的平均大小的0.02到1.4的平均大小。

但是，在RF专利#2172037中描述的电极的一个实施例中，所述电极可另外包括通过聚合物颗粒在一或两侧处结合到它们的表面的活化碳织物。在此，所述织物的细线的平均大小是吸附剂的颗粒的平均大小的0.2到0.5。然而，此电极具有不足的强度，且其制造技术实际上比较复杂。将活化碳织物放置到模具中，随后将疏松的吸附剂及聚合物的均匀混合物倒入其中。在制造双极电极的情况下，放置碳织物、进行按压，且随后其经受热处理。其后，模具冷却，且移除已经制成的电极。

RF专利#2364974揭示一种电容器，其极化电极是由两种类型的活化碳制成，其中的一者经蒸汽活化，且另一者被碱活化。

发明内容

尽管有关于减小双电层电容器的内阻且增加它们的容量的一连串先前所提议的解决方案，此问题仍具操作性。

本发明旨在解决此问题，且其主旨在于组合用于制造电极的碳材料。在本发明中，此组合涉及热膨胀的石墨及活化碳。

根据本发明，电容器电极的设计是由热膨胀的石墨制成的分隔物，向其施加活化碳及聚合物(质子导电)粘结剂的混合物。将此混合物应用到由热膨胀的碳制成的分隔物的两侧上的提取(双极)电极，而在端(单极)电极的情况下仅应用到一侧。

将电极材料(活化碳与粘结剂的混合物)应用到厚0.05mm到0.50mm的层中的电极的分隔物。在此，将提供对应于用于电容器中的电解质的类型的孔隙大小。

分别地，电极材料中的活化碳的含量可在60重量％到95重量％之间变化，且粘结剂中的一者在5重量％到40重量％之间变化。

附图说明

图1描绘在本发明中描述的电容器的截面视图。

图2展示双极(提取)电极。

图3展示单极(端)电极。

图4及图5描绘具备绝缘(密封)垫圈的电极的实施例。

具体实施方式

让我们参看图1，其表示根据本发明制成的电容器。其包含多个双极(提取)电极(1)，及两个单极(端)电极(3)，所述双极电极和单极电极被分隔物(2)间隔开。这些电极的组合件通过负极(5)及正极(6)从其引出的罩盖(10)而布置在主体(9)中。

如图2及图3中所展示，所述电极表示由热膨胀的石墨制成的分隔物(12)，向所述热膨胀的石墨施加一层电极材料(13)。将所述电极材料施加到所述提取电极的所述分隔物的两侧，且在端电极的情况下，施加到所述分隔物的一侧。

图4及图5中展示的制造的电极的实施例另外表示围绕电极缠绕的密封衬垫(4)，所述密封衬垫在其中制有凹槽(14)以用于空气逸离。

所述电容器遵守以下序列进行装配。

分隔物(12)是由热膨胀的碳制成；这些分隔物使用高分子碳进行浸渍。所述热膨胀的碳可为由俄罗斯的优尼奇姆特科(<<Графлекс>>)公司生产的名称为“格拉弗莱克斯”(<<Унихимтек>>)的材料；且所述高分子碳用作硬蜡。所述浸渍过程是在110℃到140℃的温度及0.5kg/cm²到0.8kg/cm²的真空下在真空柜中执行的。在完成浸渍之后，通过在加热辊之间滚动而移除多余的硬蜡。

通过执行以下步骤来制成电极：

-制备由活化碳及质子导电的离子阻缓树脂(例如，Nafion DE 1020)的水溶液组成的电极材料。分别以60重量％到95重量％及5重量％到40重量％的量取用所述活化碳及质子导电的粘结剂(树脂)；

-通过气象记录仪并使用印刷电路布线方法在提取电极的两侧上及端电极的一侧上将电极材料的所需的厚度层(从0.05mm到0.50mm)施加到分隔物(12)；

-使所述电极材料干燥。

取决于用于电容器中的电解质的类型，活化碳孔隙度被选择成与电解质的离子的大小成比例。

所制造的电极浸渍在具有1.25g/cm³到1.28g/cm³的密度的电解质中。

接下来，由弹性耐酸密封材料制成的密封剂(垫圈)(4)附接到电极分隔物，在此上制成密封剂(垫圈)凹槽，以便在电容器受到按压时提供空气逸离。端电极在一侧上具有此垫圈。

分隔物薄片是由尺寸超出密封剂(垫圈)的内部尺寸4mm到10mm的耐化学高度多孔及电解质可渗透材料制成。

所述电容器元件如下装配。

以顺序次序放置在面向过程的底板上的是：

-力板(8)；

-绝缘体(7)；

-铅(5)；

-端电极(3)；

-分隔物(2)(所述分隔物平卧在端及双极电极的垫圈上，且具有超过轮廓的2mm到5mm的重叠)；

-双极电极(1)；

-分隔物(2)等；

-放置在最后一个分隔物上的是端电极；

-铅(6)；

-绝缘体；

-力板；

-上部力板放置在整个组合件上。

以8kg/cm²到10kg/cm²的比压按压所有元件。

在电容器元件受到按压时，空气通过垫圈(4)中的凹槽从电极间隙离开，直到垫 圈被压缩到0.2mm到0.5mm的凹槽深度且接近输出为止。此时，所有元件彼此粘滞，且随后电容器另外在每一单元上被按压到0.1mm到0.2mm，直到完成对电容器的密封为止。

力板(8)使用焊接或螺杆通过系链(未图示)连接。

密封剂(11)(暂且基于环氧树脂与填充剂或沥青胶)倒入主体(9)中且将装配好的电容器放置在其中。另外灌浇所需数量的密封剂。

罩盖(10)及主体(9)通过热封而耦合。

Claims (4)

1.一种具有双电层的脉冲电容器，其包括：主体及布置在其中的提取(双极)电极及端(单极)电极；分隔物及电解质；其中每一电极均包含由热膨胀的石墨制成且使用高分子烃进行浸渍的分隔物，在所述分隔物上在所述提取电极的两侧上及所述端电极的一侧上施加由活化碳与质子导电粘结剂的混合物组成的电极材料。

2.根据权利要求1所述的脉冲电容器，其中电极材料活化碳的含量是60重量％到95重量％，且质子导电粘结剂的含量是5重量％到40重量％。

3.根据权利要求1或2所述的脉冲电容器，其中所述电极材料在所述电极的所述分隔物上形成具有取决于电解质类型的从0.5nm到2.5nm的大小的孔的0.05mm到0.50mm厚的层。

4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的脉冲电容器，其中将密封剂层施加到所述电极的所述分隔物的边缘，在所述密封剂层中具有使电极及分隔物的组合件起皱的用于空气逸离的凹槽。