CN109155530A - 用于使电容器充电的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了使超级电容器充电和放电的系统和方法。在一个实施方式中，用于使电容器充电的电路可包括配置成提供源电压的电源。所述电路可进一步包括超级电容器、温度感测装置、功率变换器、和一个或多个控制装置，所述一个或多个控制装置配置成接收指示来自所述温度感测装置的温度的信号，并且至少部分地基于指示所述温度的一个或多个信号控制所述功率变换器的操作。

Description

用于使电容器充电的系统和方法
相关申请
本申请要求2016年5月20日提交的序列号62/339,167的美国临时申请的优先权，通过参考该美国临时申请以其整体并入本文中。
背景技术
电能蓄电池被广泛地用来向电子的、电机械的、电化学的、和其它可用的装置提供电力(功率)。例如，电双层超级电容器通常采用包含浸渍有液体电解质的碳粒子(例如活性碳)的一对可极化电极。然而，与很多常规超级电容器相伴的一个问题是它们对高温是相对敏感的。因此，目前对于容许这样的超级电容器在高温下操作的技术存在需要。
发明内容
按照本发明的一个实施方式，公开了用于向超级电容器提供驱动电压的电路。所述电路包括配置成提供源电压的电源。所述电路进一步包括超级电容器，其包括第一电极，第二电极，位于所述第一电极和所述第二电极之间的隔板，与所述第一电极和所述第二电极离子接触的非水电解质，以及将所述第一电极、所述第二电极、所述隔板和所述电解质保持在其内部的壳体。所述电路还包括温度感测装置和配置成接收所述源电压并且向超级电容器供应驱动电压的功率变换器(power converter)。所述电路进一步包括一个或多个控制电路，其配置成接收指示来自所述温度感测装置的温度的一个或多个信号并且至少部分地基于指示所述温度的一个或多个信号来控制所述功率变换器的操作。
下面更加详细地阐述本发明的其它特征和方面。
附图说明
在说明书的余下部分中参考附图更具体地阐述本发明的针对本领域技术人员完整且能够实现的公开内容(包括其最佳方式)，在图中：
图1示出根据本发明的示例实施方式的用于使电容器充电和/或放电的示例电路；
图2示出根据本发明的示例实施方式的示例电容器的降额曲线的线图；和
图3示出根据本发明的示例实施方式的使电容器充电的示例方法的流程图。
在本说明书和图中参考符号的重复使用旨在表示本发明的相同或相似特征或元件。
具体实施方式
本领域普通技术人员应理解，本论述只是示例性实施方式的描述、并且不希望限制本发明的更宽的方面，所述更宽的方面体现在示例性的解释(construction)中。
总的来说，本发明涉及一种这样的电源管理电路(power management circuit)：其可至少部分地基于与超级电容器相关的温度操纵超级电容器。根据本发明的示例方面，所述电源管理电路可包括功率变换器，其配置成接收直流(DC)输入并且将所述DC输入变换成适用于操纵所述超级电容器(例如在充电或放电条件期间)的适宜的驱动电压。在一些实施方式中，所述驱动电压可至少部分地基于与超级电容器相关的温度、例如所述超级电容器操作环境的温度而测定。更具体地，可使用温度感测装置、例如热敏电阻装置测定所述与超级电容器相关的温度。用于使超级电容器充电/放电的驱动电压可至少部分地基于所测定的温度而确定。通过该方式，根据本发明的示例实施方式的系统和方法可实现随温度升高使所述超级电容器的驱动电压降额(降低，derate)、实现在较高温度下操纵所述超级电容器的能力的提升。
更具体地，所述电源管理电路可包括功率变换器，其可配置成将DC输入变换为对于操纵所述超级电容器适合的驱动电压。在一些实施方式中，功率变换器可为包括一个或多个开关元件例如一个或多个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或其它适合的开关元件的集成电路。功率变换器可包括或可连接到一个或多个控制装置(例如一个或多个处理器、微控制器等)。所述功率变换器的操作可按照开关控制方案例如脉冲宽度调制控制方案由一个或多个控制装置控制。通过这种方式，可控制所述功率变换器以将所述DC输入变换成对于所述超级电容器适合的驱动电压。
根据本发明的示例实施方式，所述一个或多个控制装置基于指示与超级电容器相关的温度的一个或多个信号可控制所述功率变换器的操作。所述一个或多个信号可从温度感测装置接收。在一些实施方式中，所述温度感测装置可为热敏电阻，例如负温度系数的热敏电阻装置或正系数的热敏电阻装置。可使用其它合适的温度感测装置而不偏离本发明的范围。
至少部分地基于指示与超级电容器相关的温度的一个或多个信号，所述一个或多个控制装置可确定用于操纵超级电容器的驱动电压。在一些实现方式中，所述驱动电压可至少部分地基于降额曲线而确定。所述降额曲线可将驱动电压关联或以其它方式(otherwise)映射(map)到温度。作为一种实例，所述降额曲线可规定(指明)在操作电压和电容器温度之间的逆相关。通过这种方式，可使向电容器供应的驱动电压降低以补偿温度的升高。这样的驱动电压的降低可容许所述电容器在升高的温度下更高效地操作。
现在参考所述图，将更具体地讨论本发明的示例方面。例如，图1示出根据本发明的示例实施方式的示例电源管理电路100的概况。所述电路100包括功率变换器102、控制电路200和温度感测装置106。所述功率变换器102可配置成接收来自DC电源108的DC源电压，并且将所述源电压变换为对于操纵电容器110适合的驱动电压。所述功率变换器102可为，例如，包括一个或多个开关元件例如一个或多个晶体管(例如MOSFET或其它开关元件)的集成电路。所述功率变换器102可进一步包括一个或多个另外的组件，例如一个或多个二极管、电容器、感应器等。在一些实现方式中，功率变换器102可为降压-升压变换器，其配置成在当超级电容器110正被充电时的一个或多个充电周期期间作为降压变换器操作、并且在当超级电容器110正被放电时的一个或多个放电周期期间作为升压变换器操作。
温度感测装置106可为任何适合的温度感测装置，例如热敏电阻装置。温度感测装置106可配置成向控制电路200提供指示环境或与超级电容器110相关的温度的一个或多个信号。在一些实现方式中，所述控制电路200可配置成至少部分地基于接收自温度感测装置的一个或多个信号测定温度值。例如，在其中温度感测装置106为热敏电阻装置的实现方式中，指示所述温度的一个或多个信号可规定横跨热敏电阻装置的电阻或电压。
控制电路200可与功率变换器102一体化或可与其分开。如图1中所示的，控制电路200可包括，例如一个或多个处理器212和一个或多个记忆装置214。一个或多个记忆装置可储存在硬件、固件、软件等中执行的计算机可读取的指令。所述指令当通过处理器212执行时可导致处理器212根据本发明的示例方面实施操作。例如，根据本发明的示例实施方式，所述指令当通过处理器212执行时可导致处理器212至少部分地基于接收自温度感测装置106的一个或多个信号控制功率变换器102。
在具体的实施方式中，一个或多个处理器212可包括在本领域中被称为包含在计算机中的集成电路。另外和/或在替代方案中，一个或多个处理器212可包括控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路、和其它可编程电路。所述一个或多个记忆装置214通常可包括记忆元件，其包括但不限于计算机可读取的介质(例如随机存取存储器(RAM))、计算机可读取的非挥发性介质(例如闪速存储器)、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字万用光盘(DVD)和/或其它合适的记忆元件。这样的记忆装置214通常可配置成储存合适的计算机可读取的指令，该指令当通过处理器212执行时配置(安排)控制电路200来实施在本文中所述的多个功能。
例如，控制电路200可配置成基于接收自温度感测装置106的信号测定与超级电容器110相关的温度。所述温度可至少部分地基于从温度感测装置106提供的信号而测定。例如，在其中温度感测装置106为热敏电阻装置的实现方式中，控制电路200可通过访问将热敏电阻的电阻关联到热敏电阻的温度的查询(lookup)表测定所述温度。在一些实现方式中，控制电路200可通过解决与热敏电阻装置相关的斯坦哈特-哈特(Steinhart–Hart)方程式而测定所述温度。
控制电路200可配置成至少部分地基于所测定的温度来确定待供应到超级电容器110的驱动电压水平。所述驱动电压可至少部分地基于降额曲线或与超级电容器110相关的电容器温度和电容器电压的其它关联而确定。例如，在一些实现方式中，所述驱动电压可通过访问查询表而确定。如上所指出的，所述驱动电压可与所述温度逆关联，使得所述驱动电压随温度升高而降低。在一些实现方式中，所述驱动电压的降额可至少部分地基于与超级电容器110相关的额定工作电压而确定。例如，所述驱动电压的降额可作为相对于工作电压的百分数规定。
在一些实现方式中，控制电路200可配置成在不测定与超级电容器110相关的温度的情况下确定驱动电压。在这样的实现方式中，驱动电压可直接由接收自温度感测装置106的一个或多个信号确定。例如，所述驱动电压可至少部分地基于所测量的温度感测装置106的电阻而测定。作为另一个实例，所述温度感测装置106的电阻可至少部分地基于所测量的横跨温度感测装置106的电压而测定。可使用规定作为温度感测装置106的电阻的函数的电容器电压的查询表和/或降额曲线将所述电阻关联到驱动电压。
控制电路200可进一步配置成至少部分地基于所确定的驱动电压控制变换器102的操作。具体地，控制电路200可配置成控制变换器102的一个或多个开关元件的开关操作(切换操作)以在与超级电容器110相关的一个或多个充电周期期间提供期望的驱动电压。例如，控制电路200可按照开关方案、例如脉冲宽度调制开关方案控制一个或多个开关元件的开关操作。通过该方式，可将所述开关元件打开和关闭，使得将所期望的驱动电压供应到超级电容器110。
如所指出的，控制电路200可配置成至少部分地基于电路100内的温度偏差将供应到超级电容器110的驱动电压调节一次或多次。在一些实现方式中，控制电路200可按周期或其它基准测量与电路100相关的温度以确定是否需要进行驱动电压调节。例如，控制电路200可测量在各充电周期期间或刚好在各充电周期之前的温度以确定对于各充电周期各自的驱动电压。作为另一个实例，控制电路200可按时间计(例如每预定时间间隔或周期一次)测量所述温度。在一些实现方式中，温度测量的频率可至少部分地基于在所述电路100内的温度变化的频率而确定。
图2示出了根据本发明的示例实施方式的示例电容器的降额曲线302的线图300。所述降额曲线302对作为电容器温度的函数的待供应到电容器(例如超级电容器110)的电压作图。如所示的，电压在降额点304以下的温度下是恒定的。在高于所述降额点304的温度下，电压作为温度的函数降低或降额。如所示的，在高于所述降额点304的温度下，降额曲线302规定待供应到电容器的电压随电容器温度升高而降低。如所指出的，在高于降额点304的温度下的电压可作为与电容器相关的工作电压的百分数表示。
降额曲线302规定其中可使电容器电压降额的一个示例方式。具体地，本领域技术人员将认识到，可使用多种其它合适的降额曲线而不偏离本发明的范围。例如，多种其它的降额曲线可至少部分地基于电容器和/或该电容器在其中执行的电路的多种性质和特性而确定和使用。另外，尽管线图300示出线性降额曲线302，但是可使用非线性降额曲线例如指数降额曲线、阶跃函数降额曲线等。
图3示出根据本发明的示例实施方式使超级电容器充电的示例方法(400)的流程图。所述方法(400)可通过一个或多个计算装置例如图1中所示的计算装置的一个或多个而实现。另外，图3示出为了说明和讨论的意图而按特定次序进行的步骤。本领域技术人员利用本文中提供的公开内容将理解，本文中讨论的方法的任一个的步骤可以多种方式改变、重新安排、扩展、省略或修改而不偏离本发明的范围。
在(402)处，方法(400)可包括接收指示与电容器电源管理电路相关的温度的一个或多个信号。如上所指出的，指示所述温度的一个或多个信号可通过与电容器电源管理电路相关联的温度感测装置(例如热敏电阻装置)提供。例如，所述一个或多个信号可包括指示横跨温度感测装置的电压和/或温度感测装置的电阻的数据。
在(404)处，方法(400)可包括至少部分地基于指示所述温度的一个或多个信号测定温度感测装置和/或电容器电源管理电路的第一温度。如所指出的，所测定的温度感测装置的温度可对应于与电容器电源管理电路相关的环境温度。
在(406)处，方法(400)可包括至少部分地基于电容器电源管理电路的第一温度，确定待供应到一个或多个超级电容器的第一驱动电压。所述驱动电压可为用于使电容器电源管理电路中的一个或多个超级电容器充电的电压。在一些实现方式中，所述驱动电压可至少部分地基于所述超级电容器的额定工作电压或其它适合的性质确定。在一些实现方式中，所述驱动电压可至少部分地基于与超级电容器相关的预定的降额曲线而确定。例如，可获得或访问对降额曲线指示性的数据(例如查询表)，并且第一驱动电压可至少部分地基于对降额曲线指示性的数据而确定。具体地，第一驱动电压可为沿着降额曲线与第一温度对应的电压。
在(408)处，方法(400)可包括控制与电容器电源管理电路相关的功率变换器的操作以基本实现第一驱动电压。例如，与所述变换器的一个或多个开关元件相关的开关操作可如此测定：使得当按照所述开关操作将开关元件打开和关闭时，功率变换器基本上提供所述第一驱动电压作为输出。所述开关操作可为施加到开关元件的栅极或基极的脉冲宽度调制开关方案、或其它适合的开关方案。
在一些实现方式中，可控制所述变换器以按照电容器充电操作输出所述驱动电压。例如，所述充电操作可包括向超级电容器施加电压的多个充电周期、和由超级电容器放电的多个放电周期。通过这种方式，可控制功率变换器的操作以在第一充电周期期间将第一驱动电压输出到超级电容器。
在(410)处，方法(400)可包括测定电容器电源管理电路的第二温度。例如，可在第一温度之后测定第二温度。通过这种方式，第二温度可为在测定第一温度的时间点之后的时间点时的电路温度。在一些实现方式中，第二温度可按照电容器充电操作测定。例如，第二温度可刚好在第二充电周期之前测定。
在(412)处，方法(400)可包括测定第二温度和第一温度是否不同。如果第二温度和第一温度并非不同，则方法(400)可返回到(408)，并且可控制功率变换器的操作以在第二充电周期期间基本上实现第一驱动电压。如果第二温度和第一温度不同，则在(414)处，方法(400)可包括至少部分地基于第二温度确定待供应到超级电容器的第二驱动电压。例如，第二驱动电压可为沿着降额曲线与第二温度对应的电压。
在(416)处，方法(400)可包括控制功率变换器的操作以基本上实现第二驱动电压。例如，可调节与功率变换器的开关元件相关的开关操作使得，当将所调节的开关方案施加到开关元件时，功率变换器提供第二驱动电压作为输出。通过这种方式，第二驱动电压可为相对于第一驱动电压调节的驱动电压。可按照充电操作向第二驱动电压提供超级电容器。例如，可在第二充电周期期间向超级电容器供应第二驱动电压。
方法(400)示出根据本发明的示例实施方式使超级电容器充电的操作的一个示例模式。将认识到，可使用多个其它适合的操作模式而不偏离本发明的范围。作为实例，在一些实现方式中，可在不测定与温度感测装置相关的温度的情况下测定一个或多个驱动电压。例如，在其中使用热敏电阻装置的实现方式中，驱动电压可通过例如使用查询表或将驱动电压指定到热敏电阻的电阻的其它指示方式(indicator)将驱动电压关联到热敏电阻的电阻而测定。
如上所指出的，在本发明的电路中使用的超级电容器通常可包括第一电极、第二电极、位于第一电极和第二电极之间的隔板、与第一电极和第二电极离子接触的非水电解质、以及第一电极、第二电极、隔板和非水电解质保持在其内部的壳体。下面更详细地描述这些具体组件的多个实施方式。
I.电极
第一和第二电极分别可包括第一和第二集流体。所述集流体可由相同或不同的材料形成。不管怎样，各集电体典型地由含有导电金属(例如铝、不锈钢、镍、银、钯等以及它们的合金)的基底形成。铝和铝合金尤其适用于本发明中。基底可为箔、片、板、网等的形式。基底还可具有相对小的厚度，例如约200微米或更小、在一些实施方式中约1-约100微米、在一些实施方式中约5-约80微米、和在一些实施方式中约10-约50微米。尽管决不强制，但是任选地可例如通过洗涤、蚀刻、喷砂(blast)等使所述基底的表面粗糙化。
在某些实施方式中，所述集流体可包含从所述基底向外伸出的多个纤维状触须。所述触须典型地由这样的材料形成：其包括碳和/或碳与所述导电金属的反应产物。例如，在一个实施方式中，所述材料包括所述导电金属的碳化物、例如碳化铝(Al4C3)。如果期望的话，所述触须可任选地从嵌入在所述基底内的种子(seed)部分伸出。与所述触须类似，所述种子部分也可由这样的材料形成：其包括碳和/或碳与所述导电金属的反应产物，例如所述导电金属的碳化物(例如碳化铝)。
在基底上形成所述触须的方式可合意地改变。例如，在一个实施方式中，使基底的导电金属与烃化合物进行反应。这样的烃化合物的实例可包括，例如，烷烃化合物，例如甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、戊烷等；烯烃化合物，例如乙烯、丙烯、丁烯、丁二烯等；炔烃化合物，例如乙炔；以及前述物质的衍生物或任意组合。如下通常是合意的：所述烃化合物在所述反应期间为气态形式的。因此，使用在加热时为气态形式的烃化合物例如甲烷、乙烷和丙烷可为合意的。尽管不是必须的，但是所述烃化合物典型地以约0.1份至约50重量份、和在一些实施方式中约0.5重量份至约30重量份的范围被使用，基于100重量份的所述基底。为了引发通过所述烃和导电金属的反应，通常将所述基底在于约300℃或更高、在一些实施方式中约400℃或更高、和在一些实施方式中约500℃-约650℃的温度下的气氛中加热。加热时间取决于所选择的准确温度，但是典型地在约1小时至约100小时的范围内。所述气氛典型地包含相对低的氧气量以使介电膜在基底表面上的形成最小化。例如，所述气氛的氧气含量可为约1体积％或更小。
在所述超级电容器中使用的电极可还包括分别涂覆到第一和第二集流体的一个或两个面上的第一和第二碳质材料。尽管它们可由相同或不同类型的材料形成并且可包括一个或多个层，但是所述碳质涂层各自通常包含包括活化粒子的至少一个层。例如，在某些实施方式中，活性碳层可直接位于集流体上面并且任选地可为碳质涂层的唯一层。合适的活性碳粒子的实例可包括，例如，基于椰子壳的活性碳，基于石油焦炭的活性碳，基于沥青的活性碳，基于聚偏二氯乙烯的活性碳，基于酚醛树脂的活性碳，基于聚丙烯腈的活性碳，和来自天然来源例如煤、木炭(charcoal)或其它天然有机来源的活性碳。
在某些实施方式中，为了帮助改善某些类型的电解质在经历一个或多个充电-放电循环之后的离子迁移率，选择性地控制活性碳粒子的某些方面例如它们的粒度分布、表面积和孔尺寸分布可为合意的。例如，所述粒子的至少50体积％(D50尺寸)可具有范围在约0.01-约30微米、在一些实施方式中约0.1-约20微米、和在一些实施方式中约0.5-约10微米之内的尺寸。所述粒子的至少90体积％(D90尺寸)可同样地具有范围在约2-约40微米、在一些实施方式中约5-约30微米、和在一些实施方式中约6-约15微米之内的尺寸。BET表面还可在约900m2/g至约3,000m2/g、在一些实施方式中约1,000m2/g至约2,500m2/g、和在一些实施方式中约1,100m2/g至约1,800m2/g的范围内。
活性碳粒子除了具有一定的尺寸和表面积之外还可包含具有一定的尺寸分布的孔。例如，尺寸小于约2纳米的孔(即“微孔”)的量可提供总孔体积的约50体积％或更小、在一些实施方式中约30体积％或更小、和在一些实施方式中0.1体积％-15体积％的孔体积。同样地，尺寸在约2纳米和约50纳米之间的孔(即“介孔”)的量可为约20体积％至约80体积％、在一些实施方式中约25体积％至约75体积％、和在一些实施方式中约35体积％至约65体积％。最后，尺寸大于约50纳米的孔(即“大孔”)的量可为约1体积％至约50体积％、在一些实施方式中约5体积％至约40体积％、和在一些实施方式中约10体积％至约35体积％。所述碳粒子的总孔体积可在约0.2cm3/g至约1.5cm3/g、和在一些实施方式中约0.4cm3/g至约1.0cm3/g的范围内，并且中值孔宽度可为约8纳米或更小、在一些实施方式中约1-约5纳米、和在一些实施方式中约2-约4纳米。所述孔尺寸和总孔体积可使用氮吸附测量并且通过Barrett-Joyner-Halenda(“BJH”)技术进行分析，如本领域中所公知的。
在所述碳质涂层中可按例如这样的量使用粘合剂：按所述涂层中100份碳计，约60份或更小、在一些实施方式中40份或更小、和在一些实施方式中约1-约25份。粘合剂可例如构成碳质涂层的总重量的约15重量％或更少、在一些实施方式中约10重量％或更少、和在一些实施方式中约0.5重量％至约5重量％。尽管如此，当使用时，在所述电极中可使用多种合适的粘合剂的任一种。例如，在某些实施方式中可使用不溶于水的有机粘合剂，例如苯乙烯-丁二烯共聚物、聚乙酸乙烯酯均聚物、乙酸乙烯酯乙烯共聚物、乙酸乙烯酯丙烯酸类(acrylic)共聚物、乙烯-氯乙烯共聚物、乙烯-氯乙烯-乙酸乙烯酯三元共聚物、丙烯酸类聚氯乙烯聚合物、丙烯酸类聚合物、腈聚合物、氟聚合物例如聚四氟乙烯或聚偏二氟乙烯、聚烯烃等，以及它们的混合物。还可使用水溶性有机粘合剂，例如多糖及其衍生物。在一个具体实施方式中，多糖可为非离子纤维素醚，例如烷基纤维素醚(例如甲基纤维素和乙基纤维素)；羟烷基纤维素醚(例如羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基羟丁基纤维素、羟乙基羟丙基纤维素、羟乙基羟丁基纤维素、羟乙基羟丙基羟丁基纤维素等)；烷基羟烷基纤维素醚(例如甲基羟乙基纤维素、甲基羟丙基纤维素、乙基羟乙基纤维素、乙基羟丙基纤维素、甲基乙基羟乙基纤维素和甲基乙基羟丙基纤维素)；羧烷基纤维素醚(例如羧甲基纤维素)；等，以及前述物质的任一种的质子化盐，例如羧甲基纤维素钠。
如果期望的话，在所述碳质材料的活性碳层内还可使用其它材料。例如，在某些实施方式中，可使用传导性提升剂以进一步增大电导率。示例性的传导性提升剂可包括，例如，炭黑、石墨(天然或人造的)、石墨、碳纳米管、纳米线或纳米管、金属纤维、石墨烯等，以及它们的混合物。炭黑是尤为合适的。传导性提升剂在使用时在碳质涂层中典型地构成按100份活性碳粒子计约60份或更少、在一些实施方式中40份或更少、和在一些实施方式中约1-约25份。传导性提升剂可例如，构成碳质涂层的总重量的约15重量％或更小、在一些实施方式中约10重量％或更小、和在一些实施方式中约0.5重量％至约5重量％。同样地，活性碳粒子典型地构成碳质涂层的85重量％或更大、在一些实施方式中约90重量％或更大、和在一些实施方式中约95重量％至约99.5重量％。
如本领域技术人员所公知的，将碳质材料涂覆到集流体的面上的具体方式可不同，例如印刷(例如凹版印刷)、喷雾、缝-模涂布(slot-die coating)、滴涂、浸涂等。无论施加其的方式如何，为了从涂层除去湿气，典型地将所得电极例如在约100℃或更大、在一些实施方式中约200℃或更大、和在一些实施方式中约300℃至约500℃的温度下进行干燥。还可将电极压制(例如压延)以优化超级电容器的体积效率。在任何任选的压制之后，各碳质涂层的厚度通常可基于超级电容器的期望的电性能和操作范围而变化。然而，典型地，涂层的厚度为约20-约200微米、30-约150微米、和在一些实施方式中约40-约100微米。涂层可存在于集流体的一面或两面上。不管怎样，整个电极(包括在任选的压制之后的集流体和碳质涂层)的厚度典型地在约20-约350微米、在一些实施方式中约30-约300微米、和在一些实施方式中约50-约250微米的范围内。
II.非水电解质
在超级电容器中使用的电解质通常在性质上是非水的，并且因此包含至少一种非水溶剂。为了帮助拓宽超级电容器的操作温度范围，如下典型地是合意的：所述非水溶剂具有相对高的沸腾温度，例如约150℃或更大、在一些实施方式中约200℃或更大、和在一些实施方式中约220℃至约300℃。尤为合适的高沸点溶剂可包括，例如，环状碳酸酯溶剂，例如碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯、碳酸亚乙烯酯等。碳酸亚丙酯由于其高的电导率和分解电压以及其在宽的温度范围下使用的能力而是尤为合适的。当然，还可单独地或与环状碳酸酯溶剂组合地使用其它非水溶剂。这样的溶剂的实例可包括，例如，开链碳酸酯(例如碳酸二甲酯、碳酸乙甲酯、碳酸二乙酯等)，脂族单羧酸酯(例如乙酸甲酯、丙酸甲酯等)，内酯溶剂(例如丁内酯戊内酯等)，腈(例如乙腈、戊二腈、己二腈、甲氧基乙腈、3-甲氧基丙腈等)，酰胺(例如N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二乙基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮)，烷烃(例如硝基甲烷、硝基乙烷等)，硫化合物(例如环丁砜、二甲亚砜等)；等。
电解质还包含至少一种离子液体，其可溶解在所述非水溶剂中。尽管所述离子液体的浓度可不同，但是通常合意的是，所述离子液体以相对高的浓度存在。例如，所述离子液体可以每升电解质约0.8摩尔(M)或更大、在一些实施方式中约1.0M或更大、在一些实施方式中约1.2M或更大、和在一些实施方式中约1.3-约1.8M的量存在。
所述离子液体通常为具有相对低的熔融温度例如约400℃或更高、在一些实施方式中约350℃或更高、在一些实施方式中约1℃-约100℃、和在一些实施方式中约5℃-约50℃的盐。所述盐包含阳离子物种和反荷离子。阳离子物种包括具有至少一个杂原子(例如氮或磷)作为“阳离子中心”的化合物。这样的杂原子化合物的实例包括，例如，未取代或取代的有机季铵化合物例如铵(例如三甲基铵、四乙基铵等)，吡啶哒嗪嘧啶(pyramidinium)，吡嗪咪唑吡唑 唑三唑噻唑喹啉哌啶吡咯烷其中两个或更多个环通过螺原子(例如碳、杂原子等)连接在一起的季铵螺环化合物，季铵稠合的环结构(例如喹啉异喹啉等)，等。例如，在一个具体实施方式中，阳离子物种可为N-螺双环化合物，例如具有循环环的对称或不对称的N-螺双环化合物。这样的化合物的一个实例具有以下结构：
其中m和n独立地为3-7、和在一些实施方式中4-5(例如吡咯烷或哌啶)的数。
对于阳离子物种合适的反荷离子可同样包括卤素离子(例如氯离子、溴离子、碘离子等)；硫酸根或磺酸根(例如甲基硫酸根、乙基硫酸根、丁基硫酸根、己基硫酸根、辛基硫酸根、硫酸氢根、甲烷磺酸根、十二烷基苯磺酸根、十二烷基硫酸根、三氟甲烷磺酸根、十七氟辛烷磺酸根、十二烷基乙氧基硫酸钠等)；磺基琥珀酸根；酰胺(例如二氰基酰胺)；酰亚胺(例如二(五氟乙基-磺酰基)酰亚胺、二(三氟甲基磺酰基)酰亚胺、二(三氟甲基)酰亚胺等)；硼酸根(例如四氟硼酸根、四氰基硼酸根、二[草酸根合]硼酸根、二[水杨酸根合]硼酸根等)；磷酸根或亚磷酸根(例如六氟磷酸根、二乙基磷酸根、二(五氟乙基)亚磷酸根、三(五氟乙基)-三氟磷酸根、三(九氟丁基)三氟磷酸根等)；锑酸根(例如六氟锑酸根)；铝酸根(例如四氯铝酸根)；脂肪酸羧酸根(例如油酸根、异硬脂酸根、十五氟辛酸根等)；氰酸根；乙酸根；等，以及前述物质的任意组合。
合适的离子液体的若干种实例可包括，例如，螺-(1,1')-二吡咯烷四氟硼酸盐、三乙基甲基铵四氟硼酸盐、四乙基铵四氟硼酸盐、螺-(1,1')-二吡咯烷碘化物、三乙基甲基铵碘化物、四乙基铵碘化物、甲基三乙基铵四氟硼酸盐、四丁基铵四氟硼酸盐、四乙基铵六氟磷酸盐等。
III.隔板
隔板使得一个电极能够与另一个电极电绝缘以帮助防止电短路但是仍然容许离子在这两个电极之间的输送。例如，在某些实施方式中，可使用这样的隔板：其包括纤维素纤维材料(例如气流铺置纸网、湿法铺置纸网等)，无纺纤维材料(例如聚烯烃无纺网)，纺织织物、膜(例如聚烯烃膜)等。对于在超级电容器中的使用，尤为合适的是纤维素纤维材料，例如包括天然纤维、合成纤维等的那些。适用于隔板中的纤维素纤维的具体实例可包括，例如，阔叶木浆纤维、针叶木浆纤维、人造丝纤维、再生的纤维素纤维等。与使用的具体材料无关，隔板典型地具有约5-约150微米、在一些实施方式中约10-约100微米、和在一些实施方式中约20-约80微米的厚度。
IV.壳体
超级电容器还使用电极、电解质和隔板保持在其内部的壳体。将所述组件插入到壳体中的方式可不同，如本领域中所知晓的。例如，电极和隔板可首先折叠，卷绕或以其它方式接触在一起，以形成电极组装体。电解质可任选地浸渍到所述组装体的电极中。在一个具体实施方式中，可将电极、隔板和任选的电解质卷绕成具有“卷筒(jelly-roll)”构型的电极组装体。
所述壳体的性质可按需而变。例如，在某些实施方式中，所述壳体可为包封超级电容器的组件的柔性包装体的形式。所述包装体可包含这样的基底：其可包括用于实现期望水平的阻挡性所需的任意层数例如1个或更多个层、在一些实施方式中2个或更多个层、和在一些实施方式中2-4个层。典型地，所述基底包括阻挡层，其可包含金属例如铝、镍、钽、钛、不锈钢等。这样的阻挡层对于所述电解质通常是不可渗透的使得它可抑制其泄漏，并且对于水和其它污染物也通常是不可渗透的。如果期望的话，所述基底还可包括充当用于包装体的保护层的的外层。通过该方式，所述阻挡层面向电化学电池并且所述外层面向包装体的外部。外层可例如由聚合物膜例如由聚烯烃(例如乙烯共聚物、丙烯共聚物、丙烯均聚物等)、聚酯等形成的那些而形成。尤为合适的聚酯膜可包括例如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯等。
如果期望的话，所述基底还可包括封闭层。封闭层在整个包装体上可为连续的，使得它面向电化学电池。替代地，可仅在电容器的边缘处使用封闭层以帮助在端子处和其周围封闭包装体。不论如何，封闭层可包含热封性聚合物。合适的热封性聚合物可包括例如氯乙烯聚合物、乙烯基氯碱(vinyl chloridine)聚合物、离聚物等、以及它们的组合。离聚物是尤为合适的。例如，在一个实施方式中，离聚物可为含有α-烯烃和(甲基)丙烯酸重复单元的共聚物。具体的α-烯烃可包括乙烯、丙烯、1-丁烯；3-甲基-1-丁烯；3,3-二甲基-1-丁烯；1-戊烯；具有一个或多个甲基、乙基或丙基取代基的1-戊烯；具有一个或多个甲基、乙基或丙基取代基的1-己烯；具有一个或多个甲基、乙基或丙基取代基的1-庚烯；具有一个或多个甲基、乙基或丙基取代基的1-辛烯；具有一个或多个甲基、乙基或丙基取代基的1-壬烯；乙基、甲基或二甲基取代的1-癸烯；1-十二烯；和苯乙烯。乙烯是尤为合适的。如所指出的，所述共聚物还可包括(甲基)丙烯酸重复单元。如在本文中使用的，术语“(甲基)丙烯酸类”包括丙烯酸类和甲基丙烯酸类的单体、以及它们的盐或酯例如丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯的单体。这样的(甲基)丙烯酸类单体的实例可包括丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸正丙基酯、丙烯酸异丙基酯、丙烯酸正丁基酯、丙烯酸仲丁基酯、丙烯酸异丁基酯、丙烯酸叔丁基酯、丙烯酸正戊基酯、丙烯酸异戊基酯、丙烯酸异冰片基酯、丙烯酸正己基酯、丙烯酸2-乙基丁基酯、丙烯酸2-乙基己基酯、丙烯酸正辛基酯、丙烯酸正癸基酯、丙烯酸甲基环己基酯、丙烯酸环戊基酯、丙烯酸环己基酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸2-羟乙基酯、甲基丙烯酸正丙基酯、甲基丙烯酸正丁基酯、甲基丙烯酸异丙基酯、甲基丙烯酸异丁基酯、甲基丙烯酸正戊基酯、甲基丙烯酸正己基酯、甲基丙烯酸异戊基酯、甲基丙烯酸仲丁基酯、甲基丙烯酸叔丁基酯、甲基丙烯酸2-乙基丁基酯、甲基丙烯酸甲基环己基酯、甲基丙烯酸肉桂基酯、甲基丙烯酸巴豆基酯、甲基丙烯酸环己基酯、甲基丙烯酸环戊基酯、甲基丙烯酸2-乙氧基乙基酯、甲基丙烯酸异冰片基酯等，以及它们的组合。典型地，用金属离子将α-烯烃/(甲基)丙烯酸共聚物至少部分地中和以形成所述离聚物。合适的金属离子可包括例如碱金属(例如锂、钠、钾等)，碱土金属(例如钙、镁等)，过渡金属(例如锰、锌等)等，以及它们的组合。所述金属离子可以离子化合物例如金属的甲酸盐、乙酸盐、硝酸盐、碳酸盐、碳酸氢盐、氧化物、氢氧化物、醇盐等提供。
除了柔性包装体、例如以上所述的之外，还可使用其它壳体构型。例如，所述壳体可包括金属容器(“罐”)，例如由钽、铌、铝、镍、铪、钛、铜、银、钢(例如不锈钢)、它们的合金、它们的复合物(例如涂覆有导电性氧化物的金属)等形成的那些。铝对于在本发明中的使用是尤为合适的。金属容器可具有多种不同形状(例如圆筒形、D字形等)的任一种。圆筒形容器是尤为合适的。
超级电容器可通常展现优异的电性质。例如，超级电容器可展现约6法拉/立方厘米(“F/cm3”)或更大、在一些实施方式中约8F/cm3或更大、在一些实施方式中约9-约100F/cm3、和在一些实施方式中约10-约80F/cm3的在23℃温度、120Hz频率下且在不施加电压的情况下测量的电容。超级电容器还可具有在23℃温度、100kHz频率下且在不施加电压的情况下测定的低的等效串联电阻(“ESR”)，例如约150毫欧姆或更小、在一些实施方式中小于约125毫欧姆、在一些实施方式中约0.01-约100毫欧姆、和在一些实施方式中约0.05-约70毫欧姆。
值得注意的是，超级电容器甚至当暴露到高温时也可展现优异的电性质。例如，可将超级电容器放置成与具有约80℃或更大、在一些实施方式中约100℃-约150℃、和在一些实施方式中约105℃-约130℃(例如85℃或105℃)的温度的气氛接触。电容和ESR值在这样的温度下可稳定地保持相当长的时期，例如约100小时或更长、在一些实施方式中约300小时至约5000小时、和在一些实施方式中约600小时至约4500小时(例如168、336、504、672、840、1008、1512、2040、3024或4032小时)。
例如，在一个实施方式中，超级电容器在暴露于热气氛(例如85℃或105℃)1008小时之后的电容值对超级电容器在初始暴露到热气氛时的电容值的比率为约0.75或更大、在一些实施方式中为约0.8-1.0、和在一些实施方式中为约0.85-1.0。如此高的电容值在各种极端条件下(例如在施加有电压时和/或在潮湿气氛中)也可维持。例如，超级电容器在暴露于热气氛(例如85℃或105℃)和施加的电压之后的电容值对超级电容器在暴露于热气氛但是在施加有所述电压之前的初始电容值的比率可为约0.60或更大、在一些实施方式中约0.65-1.0、和在一些实施方式中约0.7-1.0。所述电压可为，例如，约1伏特或更大、在一些实施方式中约1.5伏特或更大、和在一些实施方式中约2-约10伏特(例如2.1伏特)。例如，在一个实施方式中，以上所述的比率可保持1008小时或更长。超级电容器当暴露于高湿度水平时、例如当放置成与具有of约40％或更大、在一些实施方式中约45％或更大、在一些实施方式中约50％或更大、和在一些实施方式中约70％或更大(例如约85％-100％)相对湿度的气氛接触时也可保持以上所述的电容值。相对湿度可例如按照ASTM E337-02的A方法(2007)测定。例如，超级电容器在暴露于热气氛(例如85℃或105℃)和高湿度(例如85％)之后的电容值对超级电容器当暴露于热气氛时但是在暴露于高湿度之前的初始电容值的比率可为约0.7或更大、在一些实施方式中约0.75-1.0、和在一些实施方式中约0.80-1.0。例如，在一个实施方式中，该比率可保持1008小时或更长。
ESR也可在这样的温度下稳定地保持相当长的时期、例如以上所述的。例如，在一个实施方式中，超级电容器在暴露于热气氛(例如85℃或105℃)1008小时之后的ESR对超级电容器在初始暴露于热气氛时的ESR的比率为约1.5或更小、在一些实施方式中约1.2或更小、和在一些实施方式中约0.2-约1。值得注意的是，如此低的ESR值在各种极端条件下(例如当施加有高电压时和/或在潮湿气氛中，如上所述的)也可保持。例如，超级电容器在暴露于热气氛(例如85℃或105℃)和施加的电压之后的ESR对超级电容器在暴露于热气氛时但是在施加有所述电压之前的初始ESR的比率可为约1.8或更小、在一些实施方式中约1.7或更小、和在一些实施方式中约0.2-约1.6。例如，在一个实施方式中，以上所述的比率可保持1008小时或更长。超级电容器当暴露于高的湿度水平时也可保持以上所述的ESR值。例如，超级电容器在暴露于热气氛(例如85℃或105℃)和高湿度(例如85％)之后的ESR对超级电容器在暴露于热气氛时但是在暴露于高湿度之前的初始电容值的比率可为约1.5或更小、在一些实施方式中约1.4或更小、和在一些实施方式中约0.2-约1.2。例如，在一个实施方式中，该比率可保持1008小时或更长。
参考以下实施例可更好地理解本发明。
测试方法
等效串联电阻(ESR)
等效串联电阻可使用Keithley 3330Precision LCZ仪在0.0伏特、1.1伏特、或2.1伏特的DC偏压(0.5伏特的峰间正弦信号)的情况下测量。操作频率为1kHz。可测试多个温度和相对湿度的水平。例如，温度可为23℃、85℃或105℃，并且相对湿度可为25％或85％。
电容
电容可使用Keithley 3330Precision LCZ仪在0.0伏特、1.1伏特、或2.1伏特的DC偏压(0.5伏特的峰间正弦信号)的情况下测量。操作频率为120Hz。可测试多个温度和相对湿度的水平。例如，温度可为23℃、85℃或105℃，且相对湿度可为25％或85％。
实施例
证明了形成在本发明的电路中使用的超级电容器的能力。最初，用10-40重量％活性碳粒子、2-10重量％苯乙烯-丁二烯共聚物、和5-40重量％羧甲基纤维素钠的混合物涂覆包含碳化铝触须的两个铝集流体(12-50μm的厚度)的每个面。所述活性碳粒子具有约5-20μm的D50尺寸和约1300-2200m2/g的BET表面积。活性碳粒子包含以小于10体积％量的尺寸小于2纳米的孔、以约40-70体积％量的尺寸为2-50纳米的孔、和以约20-50体积％量的尺寸大于50nm的孔。所得涂层的厚度均为约12-200μm。然后将电极压延并且将其在真空下在70℃-150℃温度下进行干燥。所述两个电极一旦形成，就与电解质和隔板(具有25μm厚度的纤维素材料)进行组装。电解质在碳酸亚丙酯中以1.05-2.5M的浓度包含5-氮螺[4,4]-壬烷四氟硼酸根。将所得的带状物(strip)切割成单个电极并且通过将电极在其间有隔板情况下交替地堆叠进行组装。一旦电极堆叠体完成，就将所有的电极端子焊接到单个铝端子。然后将该组装体放到塑料/铝/塑料叠层的包装材料中并且将除了一个之外的所有边缘热封闭在一起。接着，将电解质通过开口边缘注射到包装体中。然后将电解质填充的包装体放置在真空下并且将最后边缘进行热封闭以完成最终包装体。所得的电池形成并且对于ESR、电容和体积效率进行测试。结果如下在表1-6中列出：
表1：24个样品在0.0伏特偏压下的平均ESR(毫欧姆)
时间(小时) 0 168 336 504 672 840 1008 1512 2040 3024 4032
85℃ 65 61 59 62 64 63 64 64 62 62 64
105℃ 62 54 52 57 60 60 60 58 58 57 58
表2：24个样品在0.0伏特偏压下的平均电容
表3：16个样品在0.0伏特偏压下的平均ESR(毫欧姆)
时间(小时) 0 168 336 504 672 840 1008
85℃，85％相对湿度 121 133 144 152 166 177 187
表4：16个样品在0.0伏特偏压下的平均电容
表5：10个样品在2.1伏特偏压下的平均ESR(毫欧姆)
时间(小时) 0 168 336 504 672 840 1008
85℃ 146 163 167 169 171 173 175
表6：16个样品在2.1伏特偏压下的平均电容
本发明的这些和其它变更和改变可由本领域普通技术人员实践，而不偏离本发明的精神和范围。另外，应该理解的是，多个实施方式的各方面可整体或部分地互换。此外，本领域普通技术人员将认识到，前述描述仅作为示例并且不希望构成对在所附权利要求中所述的发明的进一步限制。

Claims (28)

1.用于向超级电容器提供驱动电压的电路，所述电路包括：
电源，其配置成提供源电压；
超级电容器，其包括第一电极，第二电极，位于所述第一电极和所述第二电极之间的隔板，与所述第一电极和所述第二电极离子接触的非水电解质，以及将所述第一电极、所述第二电极、所述隔板和所述电解质保持在其内部的壳体；
温度感测装置；
功率变换器，其配置成接收所述源电压并且向所述超级电容器供应驱动电压；和
一个或多个控制电路，其配置成从所述温度感测装置接收指示与超级电容器相关的温度的一个或多个信号并且至少部分地基于所述指示与超级电容器相关的温度的一个或多个信号控制所述功率变换器的操作。
2.如权利要求1所述的电路，其中所述温度感测装置包括热敏电阻装置。
3.如权利要求2所述的电路，其中所述热敏电阻装置包括负温度系数的热敏电阻装置。
4.如权利要求1所述的电路，其中所述一个或多个控制电路配置成至少部分地基于所述指示与超级电容器相关的温度的一个或多个信号来控制所述功率变换器的操作以调节向所述超级电容器提供的驱动电压。
5.如权利要求1所述的电路，其中所述一个或多个控制电路配置成当指示温度的一个或多个信号指示所述超级电容器的温度升高时控制所述功率变换器的操作以使向所述超级电容器提供的驱动电压降低。
6.如权利要求1所述的电路，其中所述功率变换器包括一个或多个开关元件，所述一个或多个控制电路配置成通过至少部分地基于指示与超级电容器相关的温度的一个或多个信号控制所述开关元件的开关而控制所述功率变换器的操作。
7.如权利要求6所述的电路，其中所述一个或多个开关元件的至少一个包括场效应晶体管。
8.如权利要求1所述的电路，其中所述功率变换器作为降压功率变换器操作。
9.如权利要求1所述的电路，其中所述功率变换器作为升压功率变换器操作。
10.如权利要求1所述的电路，其中所述一个或多个控制电路配置成至少部分地基于与超级电容器相关的降额曲线来控制所述功率变换器的操作，所述降额曲线将与超级电容器相关的温度关联到与超级电容器相关的驱动电压。
11.如权利要求10所述的电路，其中所述降额曲线规定当与超级电容器相关的温度升高时驱动电压降低。
12.如权利要求1所述的电路，其中所述第一电极包括电连接到第一碳质涂层的第一集流体，和其中所述第二电极包括电连接到第二碳质涂层的第二集流体，其中所述第一集流体和所述第二集流体各自包含包括导电金属的基底。
13.如权利要求12所述的电路，其中多个纤维状触须从所述第一集流体的基底、所述第二集流体的基底、或两者向外伸出。
14.如权利要求12所述的电路，其中所述第一碳质涂层、所述第二碳质涂层、或两者包含活性碳粒子。
15.如权利要求1所述的电路，其中所述非水电解质包含溶解在非水溶剂中的离子液体，其中所述离子液体包括阳离子物种和反荷离子。
16.如权利要求15所述的电路，其中所述非水溶剂包括碳酸亚丙酯。
17.如权利要求15所述的电路，其中所述阳离子物种包括有机季铵化合物。
18.如权利要求17所述的电路，其中所述有机季铵化合物具有以下结构：
其中m和n独立地为3-7的数。
19.如权利要求15所述的电路，其中所述离子液体以约1.0M或更大的浓度存在。
20.如权利要求1所述的电路，其中所述隔板包含纤维素纤维材料。
21.如权利要求1所述的电路，其中所述壳体包括柔性包装体。
22.如权利要求1所述的电路，其中所述壳体包括金属容器。
23.如权利要求22所述的电路，其中所述金属容器具有圆筒形形状。
24.如权利要求1所述的电路，其中所述第一电极、所述第二电极和所述隔板卷绕成具有卷筒构型的电极组装体。
25.使超级电容器充电的方法，所述方法包括：
从温度感测装置接收指示与超级电容器相关的温度的一个或多个信号，其中所述超级电容器包括第一电极，第二电极，位于所述第一电极和所述第二电极之间的隔板，与所述第一电极和所述第二电极离子接触的非水电解质，以及所述第一电极、所述第二电极、所述隔板和所述电解质保持在其内部的壳体；
至少部分地基于指示与超级电容器相关的温度的一个或多个信号确定待向超级电容器提供的驱动电压；和
控制连接到所述超级电容器的功率变换器的操作以将所述驱动电压提供到所述超级电容器。
26.如权利要求25所述的方法，其中至少部分地基于指示温度的一个或多个信号确定待向超级电容器提供的驱动电压包括：
至少部分地基于所述一个或多个信号确定与超级电容器相关的温度；和至少部分地基于所述与超级电容器相关的温度确定所述驱动电压。
27.如权利要求25所述的方法，其中至少部分地基于与超级电容器相关的降额曲线确定所述驱动电压。
28.如权利要求27所述的方法，其中所述降额曲线规定当所述与超级电容器相关的温度升高时驱动电压降低。
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