CN106571235A - 超级电容器结构 - Google Patents

Abstract

一种超级电容器结构，包括:第一电极基板，其第一面上的大部分区域形成具有第一极性的多孔性金属氧化物，并暴露出第一电极基板的周边区域；第二电极基板，其第一面上的大部分区域形成具有第二极性的多孔性金属氧化物，并暴露出第二电极基板的周边区域；其中第一电极基板与第二电极基板所暴露出的周边区域相对应，藉由一黏着层直接与第一电极基板及第二电极基板所暴露出的周边区域接触并固接，使得第一电极基板与第二电极基板之间形成间隙，并于间隙中配置有电解液。

Description

超级电容器结构

技术领域

本发明有关于一种超级电容器结构的结构，特别是有关于一种能够承受高温制程的超级电容器结构。

背景技术

超级电容器(supercapacitor；ultracapacitor)，又叫双电层电容器(ElectricalDoule-LayerCapacitor)、黄金电容、法拉电容，是通过极化电解质来储能。由于超级电容器是一种电化学组件，但其在储能的过程中，并不发生化学反应，故其储能过程是可逆的，也正因此，使得超级电容器可以反复充放电数十万次。

由于制程的进步，一个5V、0.5法拉的超级电容器，其尺寸已经可以制造成长度约15～20mm、宽度约10～15mm及厚度约1～1.5mm。然而，为了使超级电容器能够在不同的环境下发挥其组件的功能，同时，为因应不同电流供应的需求，需要经由半导体后段的打线制程来产生不同的电流供应；因此，为了能保护金线并且能够让超级电容器与外在环境隔离，故需要进行封装。由于，超级电容器中包含有电解液，故在封装过程中，若温度过高时，例如，在进行回焊(reflow)时，由于回焊温度可能需要在160～250度下，持续30秒；可能会使超级电容器中的电解液汽化，而造成超级电容器在封装过程中爆炸或失效。

为解决超级电容器在封装过程中爆炸的问题，检视目前一般超级电容器的结构，如图1所示，其台湾第I446381专利或美国第US8947856B2专利之代表图；首先，超电容40包含第一电极基板42、第二电极基板44、中间基板46及串联用电极基板48，而第一电极基板42与第二电极基板44之下表面涂布有活性物质43，第二电极基板44之极性与第一电极基板42之极性相反；其中，活性物质43系为金属氧化物或活性碳，金属氧化物包含二氧化钌、二氧化锰或氮氧化钛(TiNO)；其次，在第一电极基板42之下表面与中间基板46之上表面各设置呈框状之绝缘环50，在第二电极基板44之下表面与中间基板46之上表面各设置呈框状之绝缘环50，此绝缘环50除了可以形成一个槽体外，还可以藉由此绝缘环50将第一电极基板42与中间基板46或是将第二电极基板44与中间基板46接合；并且还可以在槽体中加入电解液后，即可形成超电容器之结构。

然而，由图1所示，绝缘环50是形成在第一电极基板42与第二电极板44之活性物质43上，而为了要增加法拉电容，通常会形成一种多孔性的活性物质43。因此，当后段封装制程进行的过程中，当温度直接或扩散进入超电容器后，会使超级电容器中的电解液汽化，而汽化后的电解液会经由多孔性的活性物质43而窜出，使得用来黏着第一电极基板42与第二电极板44的绝缘环50无法发挥其黏着之效果，故造成超级电容器在封装过程中爆炸或失效的主要原因。上述这种问题在现有的超级电容器结构中，均普遍存在，例如，美国第US8345406B2等，也都是存在此一问题。

而如何解决这个长久以来使得超级电容器在封装过程中爆炸或失效的主要原因，将成为超级电容器能否大量制造并使用在各种产品上的关键因素之一。

发明内容

为解决超级电容器在封装过程中爆炸或失效之问题，本发明的目的在于提出一种超级电容器的结构，是将黏着材料直接与电极基板接合，由于电极基板为一种平整的坚固结构，能够与黏着材料间产生良好的黏着性，因此当温度升高使得电解液汽化时，可以藉由完好的黏着状况，可以对温度有较高的容忍度；故可以藉此改良的超级电容器来解决前述之问题。

根据上述之目的，本发明揭露一种超级电容器的封装结构，包括：超级电容器结构，包括:第一电极基板，其第一面上的大部分区域形成具有第一极性的多孔性金属氧化物，并暴露出第一电极基板的周边区域；第二电极基板，其第一面上的大部分区域形成具有第二极性的多孔性金属氧化物，并暴露出第二电极基板的周边区域；其中第一电极基板与第二电极基板所暴露出的周边区域相对应，藉由一黏着层直接与第一电极基板及第二电极基板所暴露出的周边区域接触并固接，使得第一电极基板与第二电极基板之间形成一间隙，并于间隙中配置有一电解液。

根据上述之目的，根据本发明对超级电容器的结构的改良，可以让超级电容器结构能够对温度有更高的容忍度，因此，当形成多个超级电容器的堆栈结构后，同样的可以达到对高温的容忍度，使得本发明的超级电容器结构可以符合工业级电子组件必须能够在85℃的温度环境下正常操作的规格。

附图说明

图1 为先前技术之超级电容器之剖示图；

图2A 为本发明的第一电极基板之上视图；

图2B 为本发明的第一电极基板之剖示图；

图3 为本发明的第一电极基板已形成黏着材料之立体示意图；

图4A 为形成本发明的超级电容器的分解示意图；

图4B 为本发明组合后的超级电容器的剖视图；及

图5 为本发明形成多个超级电容器的剖视图。

具体实施方式

本发明主要目的为改良即有超级电容器的结构，以使本发明改良后的超级电容器结构能够适用在较高的温度范围，而不会爆炸或失效，故形成超级电容器的活性物质或是金属氧化物等的详细过程，是与先前技术相同，故不再加以赘述。此外，所附图式所绘示之结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示之内容，已为相关技术领域具有通常知识者所能明了，故以下文中之说明，非用以限定本发明可实施之限定条件，仅针对本发明的超级电容器制造过程中的实现，进行详细说明。此外，于下述内文中之图式，亦并未依据实际之相关尺寸完整绘制，其作用仅在表达与本发明特征有关之示意图。

请参阅图2A及图2B；其中，图2A为本发明的第一电极基板之上视图及图2B为本发明的第一电极基板之剖示图。

首先，如图2A所示，是一个在第一电极基板100的第一面上形成多孔性金属氧化物之后的上视图；在本实施例中，第一电极基板100是以电性为5V、4.7毫法拉(mF)的超级电容器10为例来说明，第一电极基板100其尺寸为长度约9mm、宽度约7mm及厚度约0.1mm(即100um)；其中，在本发明的一个较佳实施例中，第一电极基板100的材质为钛基板。接着，在第一电极基板100的周边区域上，先行成一光阻层(其为制程过程，故未显示于图中)且暴露出第一电极基板100的其他大部分的区域，之后，再以沉积制程，在第一电极基板100上形成一层具有第一极性多孔性金属氧化物110(例如:正极的多孔性金属氧化物)，其厚度约0.1mm(即100um)，并且此一形成在本发明钛基板上的多孔性金属氧化物110可以选择钌氧化合物，但并不加以限制。接着，将光阻层移除后，即形成图2所示的结果，使得第一电极基板100的第一面上的大部分区域形成具有第一极性的多孔性金属氧化物110，并暴露出第一电极基板110的周边区域120。

此外，要进一步说明的是，可以使用相同的材质及制程，形成另一个第二电极基板100’，其中，第二电极基板100’的尺吋即在其第一面上所形成的多孔性金属氧化物110’的区域及暴露的周边区域120’，均与第一电极基板110相同；而不同的是，在第二电极基板100’第一面上所形成具有第二极性的多孔性金属氧化物110’(例如:负极的多孔性金属氧化物)，其厚度约0.1mm(即100um)，并且此一形成在本发明钛基板上的多孔性金属氧化物110可以选择钌氧化合物，但并不加以限制。

接着，在上述形成具有第一极性的多孔性金属氧化物110或是形成具有第二极性的多孔性金属氧化物110’的过程中，可以选择使用一种胶质材料(例如:环氧树脂)，先形成在第一电极基板100第一面的周边及第二电极基板100’第一面的周边上；之后，在进行多孔性金属氧化物110及多孔性金属氧化物110’的沉积制程；待完成后，再将此一胶质材料剥离后，同样可以形成图2所示的结果，暴露出第一电极基板110的周边区域120及暴露出第二电极基板110’的周边区域120’。

接着，请参考图3，在第一电极基板110的周边区域120或是选择在第二电极基板110’的周边区域120’上，形成一层黏着层140，其宽度可以选择在0.5～1mm，可以将暴露出第一电极基板110的周边区域120覆盖，使得层黏着层140直接与第一电极基板110接触，而其厚度可以选择在150～200um；其中，此一黏着层140材料必须要能够抗酸性腐蚀的性质，例如:硅胶材质；而其形成的方式，可以使用网印方式形成，但并不加以限制。此外，当黏着层140直接形成在第一电极基板110的周边区域120后，由于黏着层140具有150～200um厚度，即会在第一电极基板110上形成一个凹槽130并且可以将多孔性金属氧化物110暴露出来；很明显的，此一凹槽130的深度为50～100um。

再接着，请参考图4A及图4B；其中，图4A为形成本发明的超级电容器的分解示意图；而图4B为本发明组合后的超级电容器的剖视图。首先，请参考图4A，先提供一个已在周边区域120上形成黏着层140的第一电极基板110，接着，再提供一个暴露出周边区域120’的第二电极基板110’，其中，第一电极基板110的凹槽130中可以暴露出具有第一极性的多孔性金属氧化物110，而第二电极基板110’则将周边区域120’暴露出来。当第二电极基板110’反转过来后，可以使得第二电极基板110’暴露的周边区域120’能够与第一电极基板110上的黏着层140相对应，故可以使当第二电极基板110’暴露的周边区域120’与黏着层140接触后，即可以将第一电极基板110与第二电极基板110’接合在一起，并使得第一电极基板110与第二电极基板110’之间形成一个50～100um的间隙，再经过是当的加热制程后，可以使得第一电极基板110与第二电极基板110’接合更稳固。然而，在将第二电极基板110’接合至第一电极基板110之前，需要先将一种电解液直接充填至第一电极基板110的凹槽130中，而此一电解液可以是30％稀硫酸；此外也可以使用种具有吸收电解液的介质，例如:纸；当纸已吸收电解液后，再将其配置到第一电极基板110的凹槽130中，之后，再将反转过来第二电极基板110’与第一电极基板110接合在一起后，即完成本发明的一个超级电容器结构，如图4B所示。

再接着，将本发明的超级电容器结构与图1类似的超级电容器结构进行加热测试，其测试结果如下表:

根据上表的测试结果，图1的超级电容器结构再加热至80℃后，在持续60秒后，已经看到超级电容器结构中的电解液已经渗出超级电容器结构外，很明显的，此时的超级电容器结构已经失效；而本发明的超级电容器结构在加热至80℃及持续60秒后，本发明的超级电容器结构保持正常(即未发现有任何电解液渗出超级电容器结构外)；接着，将测试温度升高至90℃及持续60秒后，本发明的超级电容器结构仍然保持正常。很明显的，经由本发明的改良后，使得黏着材料直接与第一电极基板110与第二电极基板110’的基板直接黏着后，可以增加超级电容器结构对高温的容忍度；而要做此测试的另一主要目的是，在工业级的电子组件必须能够在85℃的温度环境下正常操作。很明显的，经由本发明的改良后的超级电容器结构可以符合工业温度范围。

最后，请参考图5，为本发明形成多个超级电容器的剖视图。如图5所示，可以选择在多个与前述相同的电极基板的两个面的大部分区域上均形成多孔性金属氧化物，并暴露出电极基板的周边区域；之后，在每一个相同的电极基板的其中一面上形成黏着层后，将电解液充填至黏着层所形成的凹槽中；之后，将另一个电极基板未配置黏着层的一面与电极基板的黏着层黏着后，集会形成第一个超级电容器结构；在接着，可以选择将此第一个超级电容器结构的其中一个电极基板未形成黏着层一面暴露的周边区域与另一个已将电解液充填至黏着层所形成的凹槽中的电极基板固接后，即会形成第二个超级电容器结构，如图5所示；之后，可以根据重复此过程，以形成多个超级电容器的堆栈结构10’。而要将此多个超级电容器的堆栈结构以何种方式形成串联或是并联，则可以根据目前之技术达成，本发明并再赘述与不加以限制。

根据图5的结果，一层超电容是厚100um的在上下层的钛板中间形成100um的稀硫酸层所组成，故可以形成堆栈结构；若要达到5V电压，而必需要堆栈5层的结构时，其最大的厚度约为1100um(即1.1mm)。在此要强调的是，根据本发明对超级电容器的连接结构的改良，可以让超级电容器结构能够对温度有更高的容忍度，因此，当形成多个超级电容器的堆栈结构后，同样的可以达到对高温的容忍度。

虽然本创作以前述之较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本创作，任何熟习本领域技艺者，在不脱离本创作之精神和范围内，当可作些许之更动与润饰，因此本创作之专利保护范围须视本说明书所附之申请专利范围所界定者为准。

Claims (10)

1.一种超级电容器结构，其特征在于，包括：

第一电极基板，其第一面上的大部分区域形成具有第一极性的多孔性金属氧化物，并暴露出所述第一电极基板的周边区域；

第二电极基板，其第一面上的大部分区域形成具有第二极性的多孔性金属氧化物，并暴露出所述第二电极基板的周边区域，其中所述第二电极基板与所述第一电极基板所暴露出的周边区域相对应；

黏着层，直接与所述第一电极基板及第二电极基板所暴露出的周边区域接触并固接，使得所述第一电极基板与第二电极基板之间形成间隙；以及

电解液，配置在所述间隙中。

2.如权利要求1所述的超级电容器结构，其特征在于，所述第一电极基板即该第二电极基板的材质为钛。

3.如权利要求1所述的超级电容器结构，其特征在于，所述多孔性金属氧化物为钌氧化合物。

4.如权利要求1所述的超级电容器结构，其特征在于，所述黏着层为硅胶材质。

5.如权利要求1所述的超级电容器结构，其特征在于，所述电解液为稀硫酸。

6.如权利要求5所述的超级电容器结构，其特征在于，所述稀硫酸为一种30％稀硫酸。

7.如权利要求1所述的超级电容器结构，其特征在于，所述电解液是经由介质吸附。

8.如权利要求7所述的超级电容器结构，其特征在于，所述介质为纸。

9.如权利要求7所述的超级电容器结构，其特征在于，所述电解液为稀硫酸。

10.如权利要求1所述的超级电容器结构，其进一步由多个超级电容器堆栈而成。