CN108447700A - 提高电化学电容器储能密度的方法 - Google Patents
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Abstract
发明名称：提高电化学电容器储能密度的方法，它属于电化学电容器技术领域。通过改变现有电化学电容器的结构和充电方法来数倍提高其储能密度技术要点：电容器的正极、负极集流体所有表面都涂覆电极材料，正极集流体接正极充电电源正极，由正极充电电源对正极电极材料界面与溶液侧界面形成的双电层充电；负极集流体接负极充电电源负极，由负极充电电源对负极电极材料界面与溶液侧界面形成的双电层充电；正极充电电源/负极充电电源与离子位置交换电场电源交替存在，放电时，由电容器正极/负极向负载释放电能。主要用途：电动汽车动力，风能/太阳能电站储能，不间断电源UPS，各种装备电源。
Description
技术领域
本发明属于电化学电容器技术领域。
背景技术
电化学电容器按电极材料及储能机理来分，可分为：碳基双电层电化学电容器；金属氧化物、氢氧化物、导电聚合物赝电容以及一极是双电层电容，一极是赝电容所构成的混合电容器三种。
由于双电层电化学电容器的充放电过程是物理过程，电极没有化学反应，它的性能稳定，安全可靠，能大电流急速充放电，使用寿命长，本发明就以双电层电化学电容器来描述提高电化学电容器储能密度的方法。
利用本发明的电容结构和充电方法，只要更换相应的电解液和电极材料，就能制造出赝电容；混合电容，也能提高它们的储能密度。
电化学电容器的储能密度是该电容器所储存的能量除以该电容器的重量或体积，单位是wh/kg或wh/L。
双电层电化学电容器的背景技术
双电层电化学电容器的电极由金属薄膜和压制在此金属薄膜上的电极材料构成，(注：有的书上把金属薄膜称为金属集流体或者金属箔膜，常见的有铝箔、镍箔)
电极材料由碳基材料，导电剂、粘结剂所组成的混合物构成。
(另外一种现有技术是：用单层碳纳米管无纺布直接做电极的，它没有金属集流体，如中科院谢思深等人发明的电容)
在说明书附图1(1)中：1/1’为金属集流体；2/2’为电极材料；3/3’为电介质；4/4’为溶液侧带电界面；5为隔膜；6/6’为电解液；ΔE为充电电源。
电极制作过程包括合料、拌浆、涂布、压制、干燥，1和2组成电容器正极，1’和2’组成电容器负极，2或2’是由碳基材料、导电剂、粘结剂组成的混合物经合料、涂布、压制在1及1’上经干燥而得到电极，在以后的描述中，电化学电容器的电极是指1和2或者1’和2’所构成的整体。
一个单体双电层电化学电容器(指的是：没有与另一电容器电极串/并联，正负极之间的电压不超过电解液的分解电压)，它充电后有两个双电层电容：一个是正极界面与溶液侧界面所形成的双电层电容，另一个是负极界面与溶液侧界面所形成的双电层电容，电容器的正极与负极被隔膜隔开，隔膜是一层有孔的绝缘簿膜，电解质溶液中的离子可以穿过隔膜，电子不能穿越绝缘隔膜，每个双电层电容等效于一个串联内阻串联一个电容，并且在电容的两端并联着漏电电阻，一个单体双电层电容器由这样的两个双电层电容串联而成，参见图1。
在图1(1)中，电介质3两边的正极1和2与溶液侧界面4形成一个双电层电容C1，电介质3’两边的负极1’和2’与溶液侧界面4’形成一个双电层电容 C2，C1、C2都相当于平行板电容器，其电容的计算公式为S为涂覆在金属薄膜一边且与隔膜紧贴的电极材料的比表面积。
一个单体双电层电化学电容器，其等效电路如图1(2)所示，如果忽略等效串联内阻Rs和漏电电阻RF，则图1(2)可简化成等效电路图1(3)，在对称的双电层电化学电容器中，C1＝C2，将图1(3)进一步简化就是图1(4)，在图1(2) 中，等效串联电阻Rs是指引线与金属薄膜之间的电阻、金属薄膜与电极材料之间的接触电阻、电极材料本身的电阻、电解液电阻、隔膜电阻之和，等效串联内阻一般在数十毫欧以下，电容器两个串联内阻压降及两个串联的双电层电容 C1，C2的电压之和最大值不能超过电解液的分解电压，在对称双电层电化学电容器中，C1＝C2，如果忽略双电层电容器的串联内阻压降，此时，其等效电路如图1(3)所示，则每个双电层电容上的电压最大值是电解液分解电压的一半，即
双电层电化学电容器以静电学形式将正负电荷置于一个电容器的不同极板之间来存储电能，这是一种没有感应电流的电能存储过程。
双电层电化学电容器在充/放电时，不含相变和成分变化，只有电子需要通过外部电路流入电极或从电极流出，并且电解质溶液中的阳离子和阴离子在溶液中传输到带电界面(充电过程)或者阳离子和阴离子从双电层的带电界面流回到电解质溶液中(放电过程)。
双电层电化学电容器的充放电过程和机理：
1.电极表面上的电荷产生机理(参见图1(1))
在电容器极板上，由于两电极间存在外加电势差ΔE，在外加ΔE作用下，电子 e从一个电极通过外电路被驱使到另一极，接受电子的电极就呈现出电子过剩，因此带负电；流出电子的电极就呈现电子欠缺，因此带正电。电子e的运动方向和充电电流i的方向相反，接充电电源正极的电容器电极是电子流出的电极，呈现出电子欠缺，充完电后，此极就是电容器的正极，接充电电源负极的电容器电极，是电子流入的电极，呈现出电子过剩，充完后，此极就是电容器的负极。
电极表面出现电子欠缺和电子过剩可能达到的程度，依赖于电极间的电压差ΔE，电极表面所聚积的电荷量q对被测电极的电势E的依赖关系可直接表示为微分的定量关系，即Cd1即是双电层电容。
2.溶液侧带电界面的电荷产生机理
在图1中，溶液侧带电界面为4，4’，6是电解质溶液，它呈电中性，即不带电，没有净电荷，在充电或放电过程中，6区呈现为电解液电阻，产生压降IR。溶液侧带电界面的电荷分布：它由一个致密层和一个分布较宽的扩散层组成，致密层厚度在0.5～0.6nm，扩散层的厚度在1～100nm，致密层的带电量q1与扩散层带电量q2之和为qs，其大小与电极界面的电量qm相等，符号相反， -qm＝qs＝q1+q2电子通过外部电路注入电极或电极流出，与此同时发生的是电解质溶液中的阳离子和阴离子在溶液中传输到带电界面(充电过程)或者阳离子和阴离子从双电层的带电界面流回到电解质溶液中(放电过程)，且时时刻刻保持 -qm＝qs＝q1+q2
3.双电层电化学电容器的理想极化过程
所谓的理想极化电极，电流i仅仅是将电荷传递给了电极界面，而没有电荷通过双电层引起电极表面化学变化的法拉第过程的发生。
法拉第过程是指在电极和电解液中的离子或分子之间存在电荷转移的电极过程。
4.双电层的极板，电介质的描述
在双电层中，电极表面就是电容器的一个极板(如图1(1)中的2，2’)，另一个极板则是离子溶液的内部区域(如图1(1)中的4，4’)，一个电容器原型器件是由这样的两个双电层组成，电极界面与溶液界面形成的电场，(即2，4之间，2’，4’之间的电场)，其电场强度高达107V.cm-1，电极界面与溶液界面之间的电介质(即图1(1)中的3，3’)由位于电极界面局部区域中约0.5～0.6nm 厚度的簿层溶剂分子组成，这层溶剂分子与电极产生相互作用，并且由于双电层的电势已经从零电荷电位产生了较大偏离，而在双电层的电场作用下，发生明显地再定向，同时发现位于双电层的相界区域中的许多溶剂分子可被存在于双电层霍姆亥兹区中的电解质阳离子或阴离子极化力而取向，从而，在形成双电层相界溶剂介质的位置建立起产生双电层电容的电荷分离，这些位置具有分子水平的复杂结构，它为分散体系中的离子提供溶剂化壳层。
5.电荷在导电的电容器极板上的分布有均匀化的趋向，导电极板上的电子电荷(±)是导带电子的离域化电荷，当双电层放电时，该放电电流用来将聚集的离子电荷从两电极界面所对应的溶液侧带电界面传输到溶液中，因此，对于本发明的双电层电化学电容器，无论是在充电过程还是在放电过程或者在静态的不充不放状态下，金属薄膜上的电荷分布是均匀的，不会出现电荷堆积在隔膜两侧的金属薄膜上，且时时刻刻保持着-qm=qs＝q1+q2，从电学角度上讲，电极中的金属薄膜是等势体。
6.单体双电层电化学电容器的电极结构有卷绕型和叠层型两种，正极负极之间设有隔膜，单体双电层电化学电容器由正极、负极、隔膜、电解液、引线、外壳等组成。
7.单体双电层电化学电容器的电能存储在正极侧的双电层电容和负极侧的双电层电容里，正极侧的双电层电容由紧贴隔膜的正极界面与溶液侧界面形成，负极侧的双电层电容由紧贴隔膜的负极界面与溶液侧界面形成，电容器充电时，充电电源的正极负极分别连接在该电容器的正极和负极，电容器放电时，电能从电容器的正极负极输出。
发明内容
1.现有技术的不足：
现有结构的双电层电化学电容器，纵使金属薄膜的所有表面都涂覆有电极材料，对正极侧或者负极侧双电层电容值起贡献作用的也只有隔膜两边所对应的那个电极界面，因为电容器的正极、负极相当于平行板电容器的两个极板，充电电场主要集中于正极、隔膜、负极之间区域，这个电场是分离电解液中带电的阳离子、阴离子的能量源泉，按照能量守恒定律，在不计损耗的情况下，给电容充电的能量等于分离电荷的能量，也等于电容存储电荷的能量
【何孝军在“双电层电容器中单/双面涂覆电极的电化学性能比较”一文中写到，在1.5×1.5cm2的镍箔上单面涂覆电极的电容，经1000次循环后，其能量密度从9.4wh/kg下降到6.1wh/kg；双面涂覆电极的电容，经1000次循环后，其能量密度从7.8wh/kg下降到7.6wh/kg。(可在网上搜到此文，2009年国家自然科学基金资助项目)
----由此可见，双面涂覆电极，按现有结构和充电方法，并不能使其储能增加，也可以说明，只有隔膜两边的电极界面与其对应的溶液侧界面形成了两个双电层电容，即正极侧双电层电容和负极侧双电层电容】
另外，前已述及，如果忽略双电层电容器的串联内阻压降，此时，其等效电路如图1(3)所示，则每个双电层电容上的电压最大值是电解液分解电压的一半，即
2.要解决的技术问题(参见图16(2))
(1)在单体双电层电化学电容器制造中增加充电电极，且电容器的正极集流体、负极集流体的所有表面都涂覆电极材料，使电容器的正极有“正极充电电源”，且“正极充电电源”的正极接电容器的正极，“正极充电电源”的负极接在电解液中新增加的正极充电电极，实现“正极充电电源”输出端所接极板形成的电场能对正极电极界面与溶液侧界面形成的双电层电容充电；使电容器的负极有“负极充电电源”，且“负极充电电源”的负极接电容器的负极，“负极充电电源”的正极接在电解液中新增加的负极充电电极，实现“负极充电电源”输出端所接极板形成的电场能对负极电极界面与溶液侧界面形成的双电层电容充电，(电场的性质是：电场的方向指向电势降落的方向，电力线从正极出发，指向负极，且与负极表面处处正交，电解液中的带电离子受电场力的作用而运动，阳离子的受力方向同电场方向，阴离子的受力方向与电场方向相反)，其目的是：使电容器的正极所有电极材料界面与溶液侧界面形成双电层电容，且其充电电压达到电解液的分解电压(忽略电容器串联内阻压降)；使电容器的负极所有电极材料界面与溶液侧界面形成双电层电容，且其充电电压达到电解液的分解电压(忽略电容器串联内阻压降)，在每个双电层电容储能公式中，S则变成图1(1)现有技术双电层电容器相应S的两倍，V则变成图1(1) 现有技术双电层电容器相应V的两倍，参见图16(2)，这样，就能使本发明的电容器的储能增加到现有技术双电层电化学电容器储能的8倍。即
(2)能实现单体电容器的并联，形成电容器组。
(3)能实现所有电容器(组)的正极串联均衡充电，所有电容器(组)的负极串联均衡充电，能实现所有电容器(组)的电极串联，并对外供电或接受动态充电。(参见图17，其中G*(+)H*(-)端口能对外供电或接受动态充电，A*(+)B*(-) 接负极充电电源，D*(+)C*(-)接正极充电电源)。
技术方案：
提高电化学电容器储能密度的方法与现有技术的共同特征：
在电容器结构上相同的部分：现有的双电层电化学电容器主要由正极、负极、隔膜、电解液、引线、外壳组成，正极和负极之间设有隔膜，其中正极、负极的金属集流体所有表面都涂覆有电极材料(注：由于金属集流体厚度极薄，厚度所在的表面，涂覆或不涂覆电极材料对电容器影响不大，可忽略)，现有技术中，也有正极/负极不需要金属集流体的；
电化学电容器包括双电层电化学电容器、赝电容、混合电容，本发明适用于这三种电容器；
单体电容器并联时，是相同功能的电极并接在一起；单体电容器串联时，是相邻两个电容器的正极负极连接在一起，直至最后，由位于最上位的电容器的正极与位于最下位的电容器的负极构成对外供电输出端，这也是电容器组接受充电的输入端；电容器的能量存储在电容器的正极侧双电层电容和负极侧双电层电容中，正极侧双电层电容和负极侧双电层电容所存储的能量之和就是整个单体双电层电化学电容器所存储的能量；能实现电容器的串联均衡充电；
提高电化学电容器储能密度的方法其特征是：
①单体电化学电容器的制造上的区别：在电解液中，增加了正极充电电极 (或者叫正极充电极板，如图16上图中的电极C)，负极充电电极(或者叫负极充电极板，如图16上图中的电极A)，使电容器的正极有单独的正极充电电源，并且正极充电电源的正极输出端接电容器的正极(有金属集流体时接正极金属集流体)，正极充电电源的负极输出端接在电解液中新增的正极充电电极，实现“正极充电电源”输出端所接极板形成的电场能对正极电极界面与溶液侧界面形成的双电层电容充电；使电容器的负极有另外一套负极充电电源，并且负极充电电源的负极输出端接电容器的负极(有金属集流体时接负极金属集流体)，负极充电电源的正极输出端接在电解液中新增的负极充电电极，实现“负极充电电源”输出端所接极板形成的电场能对负极电极界面与溶液侧界面形成的双电层电容充电；本发明的电容有两种结构，一种是有离子位置交换电场电极的(如图4，如图5)，另一种是没有离子位置交换电场电极的(如图16(1))；在单体电化学电容器的电极制造上，有两种结构形式，即卷绕型和叠层型；制造本发明的电容时，电极可以使用现有技术制造的卷绕型电极，例如置于图16上图所示结构的电容器中，本发明另外设计了三种电极结构，第一种为卷绕型的电极，适合于图4所示电容结构，就是先卷绕正极，正极卷绕完成后，用隔膜卷绕正极一周，再用负极围绕隔膜卷绕，负极卷绕完成后，牢固电极体；第二种为叠层型的电极结构，适合于图5所示电容结构，就是将正极片金属集流体全部并联，负极片金属集流体全部并联，在正极与负极之间使用一片隔膜，适度压紧电极体后，牢固电极体；第三种为叠层型电极结构，适合图16上图所示电容结构，就是正极片/隔膜/负极片/隔膜/正极片/隔膜/负极片这样依次叠层放置，当然，反过来也可以，即负极片/隔膜/正极片/隔膜/负极片/隔膜/正极片这样依次叠层放置，每张隔膜两边电极极性相反，适度压紧电极体后，牢固电极体，将所有正极片金属集流体并联，所有负极片金属集流体并联。
②单体电化学电容器的充电方法上的区别：本发明的单体电化学电容器的充电方法为静态充电，即由负极充电电源给电容器的负极电极界面与溶液侧界面形成的双电层电容充电，负极充电电源的负极输出端接电容器的负极，负极充电电源的正极输出端接在电解液中新增的负极充电电极；由正极充电电源给电容器的正极电极界面与溶液侧界面形成的双电层电容充电，正极充电电源的正极输出端接电容器的正极，正极充电电源的负极输出端接在电解液中新增的正极充电电极，对于有离子位置交换电场电极的电容器，离子位置交换电场电源与正极充电电源/负极充电电源交替存在；
在由多只单体电容器并联成一组，由多组电容串联成电容器阵列的充电/放电方法上的区别：对于电机这样的负载(比如电动汽车)，刹车时，由回馈能源给电容器阵列充电，我把它定义成动态充电，由电网能源给电容器阵列充电，我把它定义成静态充电，多只单体电容器并联成一组，是将所有单体电容器的相同功能电极引出线分别焊在一起，把这一组电容当成一只电容来看待，每组电容器的正极充电电源输入端、负极充电电源输入端都与相应的均衡充电变压器的副边整流输出端相连，通过接触器的常开触头将所有电容器组负极充电电源输入端串联起来，接在负极充电电源上，负极充电电源由电流内环电压外环双闭环控制的开关电源产生；通过接触器的常开触头将所有电容器组正极充电电源输入端串联起来，接在正极充电电源上，正极充电电源由电流内环电压外环双闭环控制的开关电源产生；通过接触器的常闭触头依次将相邻电容器组的正极负极相连，此支路接触器用于控制动态充电或放电，静态充电时，所有控制负极充电电源支路的常开接触器触头全部闭合，所有控制正极充电电源支路的常开接触器触头全部闭合，所有用于控制动态充电或放电的接触器常闭触头全部打开，对于有离子位置交换电场电极的电容器，离子位置交换电场电源与正极充电电源/负极充电电源交替存在，所有电容器离子位置交换电场电极相同功能电极并联，分别接在离子位置交换电场电源产生电路输出端；电容器阵列处于动态充电或者放电状态时，所有用于静态充电的接触器常开触头全部打开，即所有控制负极充电电源支路的常开接触器触头全部打开，所有控制正极充电电源支路的常开接触器触头全部打开，用于相邻组电容器正负极连通的接触器常闭触头全部闭合，由位于最上位的电容器组的正极与位于最下位的电容器组的负极对外输出电能，也由这两端接受回馈电能的充电，在接受动态充电时，充电电压不能大于电容器组的串联组数乘以电解液的分解电压，另外，由多只单体电容器并联成一组，由多组电容串联成电容器阵列的充电/放电控制电路中(图 7，图17)，用于控制负极充电电源支路中的接触器，留出一对触头由接触器控制，其余触头的开/闭可由香蕉插头插座的断/通来实现，用于控制正极充电电源支路中的接触器，留出一对触头由接触器控制，其余触头的开/闭可由香蕉插头插座的断/通来实现，用于控制动态充电/放电支路中的接触器，留出一对触头由接触器控制，其余触头的开/闭可由香蕉插头插座的断/通来实现，其制作是这样的：在一块绝缘板上打孔，全部装香蕉插头的母体部分(即插座)，在另一块绝缘板上打孔，全部装香蕉插头的公体部分(即插头)，每一对香蕉插头插座对应接触器的一对触头，其中一块绝缘板可在导轨上平行移动，通过手动或电动的办法，移动可移动的那块绝缘板，使香蕉插头/插座接通或断开来代替接触器触头的接通或断开，这样的三套装置就能分别实现上述三条支路中接触器触头的开闭控制，每一套对应实现其中的一条支路接触器触头的开闭控制，在三条支路中，每条都留一组触头由接触器控制，以保证香蕉插头插座在拔插过程中三条支路不通电。
(3)有益效果：
2011年1月22日，美国纳米技术仪器公司的BorJang等人研制出一种石墨烯超级电容器，该电容器使用了石墨烯混合了5％的超级P(一种乙炔黑，相当于导电添加剂)和10％的聚四氟乙烯(PTEE)结合剂，电解液是一种名叫EMIMBF4的化学品，这种超级电容器的能量密度为85.6wh/kg，80℃时是136wh/kg，如果使用这种电极材料和电解液，按我发明的电容器结构和充电方法来制造双电层电容器，在使用相同面积的金属薄膜面积做电极时，所储存的电能将提高至8 倍，其能量密度接近8×85.6＝684.8wh/kg，汽油机的能量密度为700wh/kg，比起现有的双电层电容器，我只增加了两片薄薄的电极，其能量密度已远远打破世界记录，本发明足以改变世界现状，造福人类社会，它广泛用于电动汽车，风能、太阳能电能存储，电网储能，不间断电源，卫星、武器装备等各种电子装备。
附图说明
图1(1)现有双电层电化学电容器示意图。
图1(2)、图1(3)、图1(4)现有双电层电化学电容器等效电路。
图2(1)本发明的卷绕型结构双电层电化学电容器电极分布图。
图2(2)电极a、电极c的形状及电容器电极结构示意图。
图2(3)电容器隔膜示意图，图2(4)电极e、电极f示意图。
图2(5)电极b示意图，图2(6)电极d示意图。
图3(1)m只单体电容器并联示意图，图3(2)m只单体电容器并联等效图。
图3(3)m只单体电容器并联后均衡充电电路示意图。
图4本发明的卷绕型双电层电化学电容器结构示意图。
图5(1)第一种叠层结构双电层电化学电容器正视图。
图5(2)上图AA剖面俯视图。
图6(1)是电极a俯视图，图6(2)是电极d左视图。
图7电容器阵列静态/动态充电/放电示意图。
图8(1)CF群，J(-)群交流接触器线包接入图。
图8(2)J(+)群交流接触器线包接入图。
图8(3)电容器阵列负极充电电源产生电路。
图8(4)电容器阵列正极充电电源产生电路。
图8(5)电容器阵列离子位置交换电场电源产生电路。
图9(1)电容器阵列负极充电电源产生电路的开关管S，
电容器阵列正极充电电源产生电路的开关管R，
电容器阵列离子位置交换电场电源产生电路的开关管T，驱动信号产生电路。
图9(2)电容器阵列负极充电电源电流电压双闭环控制信号产生电路。
图10(1)电容器阵列正极充电电源电流电压双闭环控制信号产生电路。
图10(2)电容器阵列离子位置交换电场电源电流电压双闭环控制信号产生电路。
图11(1)直流/交流变换H桥电路。
图11(2)由8051单片机产生两个等宽反向的H桥交替导通控制信号HIN、LIN。
图11(3)由8051单片机产生两个等宽反向信号HIN、LIN的程度框图。
图12(1)电流内环电压外环双闭环脉宽调制信号产生及开关管使能驱动信号产生流程图。
图12(2)由8051单片机产生正极充电电源使能，负极充电电源使能，离子位置交换电场电源使能三个信号，其中：
PAo＝PA1＝0，PA2＝1是离子位置交换电场存在正极/负极充电电源消失使能控制；PAo＝PA1＝1，PA2＝0是正极/负极充电电源存在，离子位置交换电场电源消失使能控制。
图12(3)由8051单片机产生使能控制信号PAo，PA1，PA2的程序框图。
图13(1)电容器组经双向DC/DC变换电路
向负载供电或负载经双向DC/DC变换电路
向电容器组充电电路图。
图13(2)现有双电层电化学电容器双电层充电示意图。
图13(3)本发明的双电层电化学电容器双电层充电示意图。
图14(1)卷绕式电极头部截面示意图，图14(2)卷绕式电极示意图
图14(3)叠层式独立单元电极俯视图，图14(4)叠层式独立单元电极正视图。
图15(1)单元电极体耳极焊接示意图，图15(2)电极体方框示意图。
图16(1)电容器部件分布示意图，图16(2)电极充电示意图。
图17第二种结构电容器的电容器阵列静态/动态充电/放电示意图。
图3说明：把单体卷绕型双电层电化学电容器的电极用a、b、c、d、e、f来标注，如图3(1)所示，由m个单体卷绕型双电层电化学电容器并联而成的电容，等效成一只电容时，电极用A、B、C、D、E、F来标注，如图3(2)，由m只单体电容并联而成的电容定义为一组，由n组这样的电容串联使用时，由于在制造单体电容器时的材料和工艺上的误差，这样的m×n电容器阵列在充电时需要进行均衡充电，n组中的一组均衡充电电路就如图3(3)所示。
对于由m只单体双电层电化学电容器并联，组成一组，由这样的n组电容器串联而成的m×n电容器阵列，其静态/动态充电电路参见图7，在图7中，J(-)表示控制电容器负极静态充电的交流接触器常开触头，J(+)表示控制电容器正极静态充电的交流接触器常开触头，CF表示控制动态充电/放电的交流接触器常闭触头。
电容器阵列静态充电时：图7中所有J(-)触头闭合，所有J(+)触头闭合，所有CF 触头打开；
在动态充/放电时：图7中所有J(-)触头打开，所有J(+)触头打开，所有CF触头闭合，使n组电容器实现串联(与现有电容器串联方法一样)。
在图8(1)中，通过空气开关接通或关断市电对后续电路的供电，CF0交流接触器用于启动静态充电，它有三组常开触头CF0-1，CF0-2，CF0-3，合上空气开关，CF1～ CFn，交流接触器线包通电，它们的常闭触头是图7中的CF触头。CF触头由常闭转为常开，在图8(1)中，有一个二极管指示灯，当它亮时，表明已将CF触头全部由常闭转为常开，做好了静态充电的准备，此时，按下启动静态充电控制交流接触器CF0的通电按钮(它是自锁的，即有一组常开触头与启动按钮并联)，则所有J(-)交流接触器常开触头闭合，所有J(+)交流接触器常开触头闭合，从图7 可以看到，所有双电层电容器的负极串联，由图8(3)所示的电容器阵列负极充电电源输出端A*(+)B*(-)对电容器组的串联负极进行充电，由图8(4)所示的电容器阵列正极充电电源输出端D*(+)C*(-)对电容器组的串联正极进行充电。
图8(3)电路描述：220V交流电整流后经π型滤波电路为DC/DC升压电路提供直流电，(S1S4)，(S2S3)开关管组成交替导通H桥，占比为0.5，它将直流电变为交流电，给所有变压器的原边供电，这些变压器的副边就是图7中的均衡充电变压器，由于所有变压器的结构相同，所有原边并联，每组电容器的负极由变压器副边电压经全桥整流提供均衡充电电流，端电压最低的电容器负极所对应的整流桥首先导通，此时，该变压器副边电压被钳位，由于所有变压器原边并联，其它变压器副边电压被钳位在端电压最低的电容器所接的变压器副边电压，则其它整流桥不导通，均衡电流只提供给端电压最低的电容负极，当这个电容器负极的端电压升高后，会再出现另一端电压最低的电容器负极，则相应的整流桥又提供均衡电流给该电容器负极充电，如此下去，最后，所有电容器负极达到均衡充电。
利用电流内环，电压外环的双闭环系统控制开关管S的导通和关断，双闭环的工作原理是这样的(参见图12(1))：
突加给定电压时，由于电容器组的端电压不能跳变，电压负反馈还来不及反应出来，电压调节器很快便处于饱和状态，输出恒值限幅电压，经过电流调节器，控制电容器充电，随着充电的进行，电容器组的端电压上升，反馈电压也上升了，只要反馈电压小于给定电压，电压调节器输出仍维持在限幅值上不变，直到反馈电压大于给定电压，输入偏差为负值，才开始使电压调节器输出电压降低下来，因此，在电容器组端电压上升过程中，电压调节器一直是饱和的，这相当于电压环处于开环状态，系统在只有电流环的恒值调节作用下，保证电容器组在给定的最大电流下充电，直到反馈电压超过给定电压，电压环才真正发挥作用，使电压渐趋稳定。
因此，图8(3)所示的电容器负极充电电源产生电路的输出能使电容器组先以给定的电流进行恒流充电，达到快速充电的目的，当电容器组的端电压升高到给定电压时，实现对电容器组的恒压充电。
图8(4)，是电容器组正极充电电源产生电路，它也是利用图12(1)所示的框图来控制开关管R的导通和关断，同样的道理，电容器组正极充电电源产生电路的输出，能使电容器组的正极先恒流充电，后恒压充电。
图8(5)，是离子位置交换电场电源产生电路，它也是利用图12(1)所示的框图来控制开关管T的导通和关断，以实现电解液中的阴离子阳离子快速交换位置，又不能使F*(+)E*(-)端电压超过电容器电解液的分解电压，实现离子位置交换的电路连接是这样的：将所有的F1、F2、F3……Fn并联接在F*(+)上，将所有的E1、E2、E3……En并联接在E*(-)上。
这里F1，E1，F2，E2，……Fn，，En是图7中的相应电极，F*(+)E*(-)是图8(5) 所示的离子位置交换电场电源产生电路的输出端。图12(2)，由8051单片机的 PA端口输出PAo，PA1，PA2信号，分别代表正极充电电源使能，负极充电电源使能，离子位置交换电场电源使能，即PAo＝PA1＝1，PA2＝0，表示正极充电电源负极充电电源存在，离子位置交换电场电源消失，PAo＝PA1＝0，PA2＝1，表示正极充电电源，负极充电电源消失，离子位置交换电场电源存在。PAo、PA1、PA2的时序关系如图12(2)右侧所示。图12(3)是8051单片机的PAo、PA1、PA2产生的程序框图。
图9(1)是实现图12(1)框图中的开关管信号驱动电路及使能控制，开关管信号驱动电路使用了IR2110集成电路，IR2110的11脚接高电平时，IR2110的输出信号全被封锁，故使能控制信号PAo、PA1、PA2能封锁相应的IR2110的输出。图9(2)是实现图12(1)框图中的“电压给定，电压反馈，电压调节器，限幅电路，电流反馈，电流调节器，限幅电路，PWM产生电路”的具体电路，实现对S开关管的电压电流双闭环导通/关断控制，使图7中的电容器组的负极先进行恒流充电，再进行恒压充电。
图10(1)是实现图12(1)框图中的的“电压给定，电压反馈，电压调节器，限幅电路，电流反馈，电流调节器，限幅电路，PWM产生电路”的具体电路，实现对R开关管的电压电流双闭环导通/关断控制，使图7中的电容器组的正极先进行恒流充电，再进行恒压充电。
图10(2)是实现12(1)框图中的“电压给定，电压反馈，电压调节器，限幅电路，电流反馈，电流调节器，限幅电路，PWM产生电路”的具体电路，实现对 T开关管的电压电流双闭环导通/关断控制，使离子位置交换电场电源产生电路的输出电流受控，电压受控，电压不能超过电容器电解液的分解电压。
图11(1)是实现图8(3)中S1、S2、S3、S4的交替导通控制电路。
图11(2)：由8051单片机产生交替导通触发信号HIN、LIN，这两个信号等宽，相位相反。
图11(3)是8051产生HIN、LIN的程序框图，图8(4)中R1、R2、R3、R4的控制与图11(1)相似，只是另一套电路而已，不再画出。
图13(1)是电容器组静态充电完成后，实现动态放电或充电的电路图，此时，图7中的J(-)、J(+)交流接触器群的常开触头全部打开，CF交流接触器群的常闭触头全部闭合，之所以选择双向DC/DC变换电路，是因为负载有可能是电动汽车之类，在能耗制动时，将产生的电能向电容器充电，不过，给电容器组的充电电压不能超过电容器组的电解液分解电压，即串联组数乘以电解液的分解电压，这与现有的双电层电化学电容器的充电原理是一样的，当我发明的电容器的正负极电压下降到电解液分解电压时，已放掉3/4的能量
电容器组放电时，T1处于常断状态，T2处于导通/关断状态，当T2处于关断状态时，电感L中储存的能量经过T1并联的续流二极管向负载供电；当T2处于导通状态时，电容器组通过T2将能量储存到电感L中。
在能耗制动状态下，T2处于常断状态，T1处于导通/关断状态，当T1处于导通状态时，再生制动产生的能量经过电感为电容器组充电；当T1处于关断状态时，电感中储存的能量经过T2的并联续流二极管给电容器组继续充电。
电流检测1，电压检测1主要用于充电电流、充电电压的控制，电流检测2，电压检测2主要用于放电电流、放电电压的控制。
具体实施方式
本发明共设计了两种电容器结构，第一种是有离子位置交换电场电极的，第二种是没有离子位置交换电场电极的，每种电容结构的电极又分为卷绕型和叠层型两种，以第二种电容结构(图16上图)及其适应它的电极结构作为优选实施方式。
1.1电极为卷绕型有离子位置交换电场电极的双电层电化学电容器
该电容器的结构如图4所示，底壳为圆柱形桶，用于承载、容纳电极b、d、e、 a。电极a、电极c平面之上是顶盖，顶盖的上表面有电解液注入口，顶盖的内部空间充满电解液，这部分电解液的作用是补充可能因挥发耗损掉的电解液，可以从电极c与电极f之间的缝隙渗下，以保证电极a，电极c下表面总浸在电解液中，电极a、电极c的上表面及其引出线都涂有绝缘层，底壳与顶盖在电极a、电极c平面处密封相连，电极a、电极c为金属圆环，如图2(2)所示，电极d(如图2(6)所示)由圆柱形金属棒与底部金属圆环组成，底部金属圆环的形状，大小同电极c，电极b(如图2(5))也有金属底部圆环，其形状，大小同电极a，电极a、电极c装配在同一平面；电极b，电极d装配在同一平面，电极e，电极f高度相等，电极e为一金属圆柱形圆筒，其形状如图2(4)所示，电极e，电极f主要用来形成离子位置交换电场。
我把位于电极c之下的电容器电极设定为电容器的正极，位于电极a之下，隔膜以外的电极设定为电容器的负极，电容器的正极和负极由两面都涂有电极材料的金属集流体组成，其中有一小段金属集流体没有涂覆电极材料，这部分金属集流体主要用于焊接，如图2(2)所示。
电容器的正极、隔膜、负极的卷绕过程是这样的：
首先，将电容器的正极没有涂覆电极材料的部分，即图2(2)所示的金属集流体，焊接在电极d的圆柱形金属棒上，然后围绕此圆柱形金属棒卷绕电容器的正极，正极卷完后，再用隔膜卷绕一周，包围住电容器的正极，隔膜的高度为电极b、d平面到电极a、c平面的高度，之后，再用涂有电极材料的电容器负极围绕隔膜卷绕，电容器负极涂有电极材料的部分卷完之后，就是负极末端的金属集流体部分的卷绕了，这部分卷绕一周后将金属集流体焊好，这样就保证了电容器的正极、隔膜、负极这一整体结构的强度，将这一整体进行电解液的充分浸润后，再将电极d的底部金属圆环与它的圆柱形金属棒部分焊牢，将电极b的底部金属圆环与电容器负极的金属集流体部分卷成的圆柱形表面焊牢，从底部金属圆环b，底部金属圆环d引出电极b，电极d，并在b、d平面做好绝缘和密封，之后，将焊好的这一整件置于底壳中，再将电极e放置在底壳的上部壁里，再将电极f装在电极c的下表面，电极f可以是塑料基体上电镀一层金属簿膜形成的电极，电极f的引出线就套在这层电镀簿膜上，并焊牢，电极f 的塑料基体部分与电极d的圆柱形金属棒可以用螺纹接口连接。
在电极e的上部放置电极a，密封电极a、隔膜、电极c的微小缝隙，引出电极 a、b、c、d、e、f并做好绝缘和密封，最后安装顶盖，注入电解液就可以了，装配好后各电极的分布参见图2(1)，电极a、电极b用于给电容器的负极充电，电容器的负极与电极b的底部圆环焊接在一起，电极c、电极d用于给电容器的正极充电，电容器的正极与电极d的圆柱形金属棒焊在一起，换言之：电容器负极的金属集流体与给该负极充电的充电电源负极连(焊接)在一起，电容器正极的金属集流体与给该正极充电的充电电源正极连(焊接)在一起。
电极e、电极f用于使位于电极a下的电解液阴离子与位于电极c下的阳离子进行位置交换，以增加电容器电极c下面的阴离子浓度和电容器电极a下面的阳离子浓度，有利于提高充电效率。
1.2电极为叠层结构的有离子位置交换电场电极的双电层电化学电容器
该电容器的结构如图5，图5上图是该电容器正视图，图5下图是上图AA剖面俯视图，图6上图是电极a俯视图，图6下图是电极d的左视图，电极a与电极c，电极e与电极f，电极b与电极d是左右对称结构，图5上图描述：顶盖上部有电解液注入口，顶盖内部空间充满电解液，电解液通过电极a、电极c的电解液槽口渗入电极a，电极c的下部空间，以保证电极a、电极c的下表面浸入到电解液里，电极a、电极c由隔膜隔开，电极a上表面及电极a上表面的引出线涂有绝缘层，电极c上表面及电极c上表面的引出线涂有绝缘层，电极e，电极f的引出线可以从侧面引出，电极b、电极d的引出线可以从底部穿过底壳引出。
电极是这样制作的：在正极金属集流体上留出一点裸体金属做耳极，在负极金属集流体上留出一点裸体金属做耳极(参看图14(4)的耳极)，正极金属集流体、负极金属集流体的两表面都涂覆电极材料，假定隔膜的左边全部为负极，隔膜的右边全部为正极，只在正极与负极之间使用了一片隔膜，将所有负极、隔膜、所有正极适度压紧后作为一个整体，并牢固整个电极体，将所有负极的耳极焊在一起使之并联，将所有正极的耳极焊在一起使之并联。
第二种形式的电极结构和电容结构
2.1卷绕型的电极结构
图14(1)是卷绕式电极头部截面示意图(正视图)，电极的长度方向垂直纸面，在金属薄膜B的所有表面涂覆有电极材料，留出一部分裸体金属作为耳极部分，用于卷绕后电极引线焊接，同样，在金属薄膜D的所有表面涂覆有电极材料，留出一部分裸体金属作为耳极部分，用于卷绕后电极引线焊接，电极B，电极D 之间设有隔膜，卷绕完成后的电极示意图如图14(2)所示，它与现有的双电层电容器的电极结构完全相同(当然，电极的引线也可以从电极B、D的尾部引出，这种情况下，电极B、D的裸体金属耳极位于电极尾部)，由这种电极结构所组成的电容器，它的部件分布示意图如图16上图所示。此种结构下，电容器电极体是电容器的正极/隔膜/负极卷绕成的圆柱体，电极A，电极C为金属圆片，直径略大于或等于电极圆柱体的直径。
2.2叠层型的电极结构
叠层式独立单元电极俯视图如图14(3)所示，叠层式独立单元电极正视图如图 14(4)所示，它同样由金属薄膜、电极材料、隔膜组成，金属薄膜B、D的所有表面都涂覆电极材料，金属薄膜B、D留出一部分裸体金属，作为耳极部分，将电极D的裸体金属耳极分别焊接到金属条1，2上；将电极B的裸体金属耳极分别焊接到金属条3，4上，一个独立单元电极体耳极焊接俯视图如图15上图所示。
由多块单元电极组成电极整体时，相邻单元电极D、B之间设有隔膜，在适度压紧后，将所有电极D的裸体金属耳极全部焊接在两条金属条上，这两条金属条就是图15下图中电极体方框横梁1，2；将所有电极B的裸体金属耳极全部焊接在两条金属条上，这两条金属条就是图15下图中电极体方框横梁3，4；图15下图中，电极体方框的其它组成部分用绝缘材料，并确保电极整体稳固，这种叠层式结构电极所组成的电容器，它的部件分布图也如图16上图所示。此种结构下，电容器电极体是电容器的正极/隔膜/负极叠层成的方形体，电极A，电极C 为方形金属片，面积略大于或等于临近它的电极体的面积。
无论是卷绕式还是叠层式电极，都可以将电极等效成图16(2)所示的单元电极，电极A，电极B之间接负极充电电源；电极C，电极D之间接正极充电电源，充电时：由于电子e的运动方向与电流i的流动方向相反，故电子从电极A经导线、负极充电电源、导线、流向电极B，电极B将因电子过剩而带负电，电极B 因此也成为电容器的负极，电极A，电极B之间形成电场E，电场强度的方向由电极A出发，指向电极B，并与电极B的表面处处正交，电极A，电极B区域中电解液的阳离子受电场力的作用向电极B的表面运动，这些阳离子与电极B过剩的电子在界面处形成负极侧双电层电容，所形成的双电层电容的表面积是电极B的所有表面(双面)的表面积，它是现有结构(如图1上图)负极侧双电层电容表面积(单面)的两倍；电极B两个表面与电解液界面形成的双电层电容是并联的，电容值是相加的，故电极B的界面与它周围的电解液界面形成的双电层电容值是现有结构负极侧双电层电容值的两倍，这个双电层电容的充电电压UAB是现有结构的负极侧双电层电容充电电压的两倍(同样忽略电容串联内阻压降)；电极B形成的负极侧双电层电容存储的能量是现有结构负极侧双电层电容存储的能量的8倍，即
同样的道理，电极D因电子欠缺而带正电，电极D因此也成为电容器的正极，这些正电荷与电极D溶液侧的阴离子所带负电荷在界面处形成正极侧双电层电容，这个双电层电容的表面积是现有结构正极侧双电层电容表面积(单面)的两倍，充电电压UDC是现有结构的正极侧双电层电容充电电压的两倍，它存储的能量将是现有结构双电层电容的8倍，即
参看图16(2)。故图16(1)所示电容结构的电容储能是图1(1)所示电容结构的电容储能的8倍
图17是第二种电容结构(图16上图所示)的充放电控制电路。它与第一种电容结构的充放电控制电路少了离子位置交换电场电源产生电路。
Claims (1)
1.提高电化学电容器储能密度的方法与现有技术的共同特征：
在电容器结构上相同的部分：现有的双电层电化学电容器主要由正极、负极、隔膜、电解液、引线、外壳组成，正极和负极之间设有隔膜，其中正极、负极的金属集流体所有表面都涂覆有电极材料(注：由于金属集流体厚度极薄，厚度所在的表面，涂覆或不涂覆电极材料对电容器影响不大，可忽略)，现有技术中，也有正极/负极不需要金属集流体的；
电化学电容器包括双电层电化学电容器、赝电容、混合电容，本发明适用于这三种电容器；
单体电容器并联时，是相同功能的电极并接在一起；单体电容器串联时，是相邻两个电容器的正极负极连接在一起，直至最后，由位于最上位的电容器的正极与位于最下位电容器的负极构成对外供电输出端，这也是电容器组接受充电的输入端；电容器的能量存储在电容器的正极侧双电层电容和负极侧双电层电容中，正极侧双电层电容和负极侧双电层电容所存储的能量之和就是整个单体双电层电化学电容器所存储的能量；能实现电容器的串联均衡充电；
提高电化学电容器储能密度的方法其特征是：
1 单体电化学电容器的制造上的区别：在电解液中，增加了正极充电电极(或者叫正极充电极板)，负极充电电极(或者叫负极充电极板)，使电容器的正极有单独的正极充电电源，并且正极充电电源的正极输出端接电容器的正极(有金属集流体时接正极金属集流体)，正极充电电源的负极输出端接在电解液中新增的正极充电电极，实现“正极充电电源”输出端所接极板形成的电场能对正极电极界面与溶液侧界面形成的双电层电容充电；使电容器的负极有另外套负极充电电源，并且负极充电电源的负极输出端接电容器的负极(有金属集流体时接负极金属集流体)，负极充电电源的正极输出端接在电解液中新增的负极充电电极，实现“负极充电电源”输出端所接极板形成的电场能对负极电极界面与溶液侧界面形成的双电层电容充电；本发明的电容有两种结构，一种是有离子位置交换电场电极的，另一种是没有离子位置交换电场电极的；在单体电化学电容器的电极制造上，有两种结构形式，即卷绕型和叠层型；制造本发明的电容时，电极可以使用现有技术制造的卷绕型电极，本发明另外设计了三种电极结构，第一种为卷绕型的电极，就是先卷绕正极，正极卷绕完成后，用隔膜卷绕正极一周，再用负极围绕隔膜卷绕，负极卷绕完成后，牢固电极体；第二种为叠层型的电极结构，就是将正极片金属集流体全部并联，负极片金属集流体全部并联，在正极与负极之间使用一片隔膜，适度压紧电极体后，牢固电极体；这两种电极适合于有离子位置交换电场电极的电容结构，第三种为叠层型电极结构，就是正极片/隔膜/负极片/隔膜/正极片/隔膜/负极片这样依次叠层放置，当然，反过来也可以，即负极片/隔膜/正极片/隔膜/负极片/隔膜/正极片这样依次叠层放置，每张隔膜两边电极极性相反，适度压紧电极体后，牢固电极体，将所有正极片金属集流体并联，所有负极片金属集流体并联，适合没有离子位置交换电场电极电容结构。
2 在单体电化学电容器的充电方法上的区别：本发明的单体电化学电容器的充电方法为静态充电，即由负极充电电源给电容器的负极电极界面与溶液侧界面形成的双电层电容充电，负极充电电源的负极输出端接电容器的负极，负检充电电源的正极输出端接在电解液中新增的负极充电电极；由正极充电电源给电容器的正极电极界面与溶液侧界面形成的双电层电容充电，正极充电电源的正极输出端接电容器的正极，正极充电电源的负极输出端接在电解液中新增的正极充电电极，对于有离子位置交换电场电极的电容器，离子位置交换电场电源与正极充电电源/负极充电电源交替存在；
在由多只单体电容器并联成一组，由多组电容串联成电容器阵列的充电，放电方法上的区别：对于电机这样的负载(比如电动汽车)，刹车时，由回馈能源给电容器阵列充电，我把它定义成动态充电，由电网能源给电容器阵列充电，我把它定义成静态充电，多只单体电容器并联成一组，是将所有单体电容器的相同功能电极引出线分别焊在一起，把这一组电容当成一只电容来看待，每组电容器的正极充电电源输入端、负极充电电源输入端都与相应的均衡充电变压器的副边整流输出端相连，通过接触器的常开触头将所有电容器组负极充电电源输入端串联起来，接在负极充电电源上，负极充电电源由电流内环电压外环双闭环控制的开关电源产生；通过接触器的常开触头将所有电容器组正极充电电源输入端串联起来，接在正极充电电源上，正极充电电源由电流内环电压外环双闭环控制的开关电源产生；通过接触器的常闭触头依次将相邻电容器组的正极负极相连，此支路接触器用于控制动态充电或放电，静态充电时，所有控制负极充电电源支路的常开接触器触头全部闭合，所有控制正极充电电源支路的常片接触器触头全部闭合，所有用于控制动态充电或放电的接触器常闭触头全部打开，对于有离子位置交换电场电极的电容器，离子位置交换电场电源与正极充电电源/负极充电电源交替存在，所有电容器离子位置交换电场电极相同功能电极并联，分别接在离子位置交换电场电源产生电路输出端；电容器阵列处于动态充电或者放电状态时，所有用于静态充电的接触器常开触头全部打开，即所有控制负极充电电源支路的常开接触器触头全部打开，所有控制正极充电电源支路的常开接触器触头全部打开，用于相邻组电容器正负极连通的接触器常闭触头全部闭合，由位于最上位的电容器组的正极与位于最下位的电容器组的负极对外输出电能，也由这两端接受回馈电能的充电，在接受动态充电时，充电电压不能大于电容器组的串联组数乘以电解液的分解电压，另外，由多只单体电容器并联成一组，由多组电容串联成电容器阵列的充电/放电控制电路中，用于控制负极充电电源支路中的接触器，留出一对触头由接触器控制，其余触头的开/闭可由香蕉插头插座的断/通来实现，用于控制正极充电电源支路中的接触器，留出一对触头由接触器控制，其余触头的开/闭可由香蕉插头插座的断/通来实现，用于控制动态充电/放电支路中的接触器，留出一对触头由接触器控制，其余触头的开/闭可由香蕉插头插座的断/通来实现，其制作是这样的：在一块绝缘板上打孔，全部装香蕉插头的母体部分(即插座)，在另一块绝缘板上打孔，全部装香蕉插头的公体部分(即插头)，每一对香蕉插头插座对应接触器的一对触头，其中一块绝缘板可在导轨上平行移动，通过手动或电动的办法，移动可移动的那块绝缘板，使香蕉插头/插座接通或断开来代替接触器触头的接通或断开，这样的三套装置就能分别实现上述三条支路中接触器触头的开闭控制，每一套对应实现其中的一条支路接触器触头的开闭控制，在三条支路中，每条都留一组触头由接触器控制，以保证香蕉插头插座在拔插过程中三条支路不通电。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN113249734A (zh) * | 2020-12-09 | 2021-08-13 | 褚博 | 一种基于电场能的电化学反应装置及其应用 |
| CN115779202A (zh) * | 2021-09-10 | 2023-03-14 | 深圳摩尔雾化健康医疗科技有限公司 | 气溶胶产生装置 |
-
2017
- 2017-02-17 CN CN201710139762.3A patent/CN108447700A/zh active Pending
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