CN110114849A - 一种电化学储能装置 - Google Patents

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Abstract

一种非常高容量的电容器或能量存储器，其包括具有隔板和电解液的双层电极结构，其中电极是平行的并连接到两个端子之一。电极沿较大的长度连接到端子，使得到端子的连接具有低电阻，并且使得充电可以更快地进行并且发热更少。

Description

一种电化学储能装置
本发明涉及高密度电储能装置，优选地基于亥姆霍兹(Helmholtz)双层效应，其中液体导体(电解质)与具有很大表面积(优选多孔碳、折叠石墨烯(folded graphene)等)的导体(电极)接触，双层效应出现在导体(电极)的边界上。
双电层组件通常由带负电的碳复合电极和带正电的碳复合电极组成，它们通过具有通孔(through-going porosity)的隔板(separator)彼此分开，而两个电极的活性层由微孔碳或石墨烯层和导电集电器(current collector)材料电极形成。
根据现有技术的电容器的缺点是，它们具有瓶颈或逐渐变细，电流必须从电极流向电容器壳体外部的端子。这种不利的结构导致高内阻。
为了克服电流和内阻方面的电流限制，任务是发明一种尺寸和电流优化的电极集电器组件的新方法。
在第一方面，本发明涉及高电容电容器，其具有：
-壳体，
-第一多个第一电极，
-第二多个第二电极，
-在每对第一电极和第二电极之间的隔板，以及
-在电极之间并在隔板中的电解液，
其中：
-第一多个第一电极是至少基本平行的板状导体，每个导体在其边缘处连接到第一端子，每个第一电极从第一端子沿着第一预定方向延伸预定的第一距离，
-第二多个第二电极是至少基本上彼此平行并且与第一导体平行的板状导体，并且每个导体在其边缘处连接到第二端子，第二多个导体中的一个位于第一多个导体的一对相邻导体之间，每个第二电极从第二端子沿着第二预定方向延伸预定的第二距离，
-第一电极中的每一个在超过第一距离的距离上连接到第一端子，
-第二电极中的每一个在超过第二距离的距离上连接到第二端子，
-第一端子的一侧暴露于形成壳体外表面的周围环境，以及
-第二端子的一侧暴露于形成壳体外表面的周围环境。
在本上下文中，高电容电容器或储能装置可以是能够存储大量电荷的装置。高电容电容器的电容可能超过100kF(例如超过250kF、500kF或更多)。
电容器通常具有至少两个电极，其中电荷可以积累以产生电极之间的电场。该电荷随后可能会再次被释放。
本电容器具有第一多个第一电极和第二多个第二电极。第一电极连接到第一端子，并且第二电极连接到第二端子。
优选地，单独的第一电极在每对两个相邻的第二电极之间延伸，使得电极交替地被定位。
隔板优选地设置在每对第一电极和第二电极之间。隔板可以理想地被省去，但是它具有确保没有第一电极直接接触第二电极的作用。隔板优选地能够允许电解液或至少其离子通过隔板。
如下所述，电极优选地为双层类型，这是目前电容器最有效的类型。
第一电极和第二电极是至少基本平行的板状导体。该平行性质确保相邻电极之间的距离相同，并且可以被制造的尽可能小，以便获得高效率和电容。这在电容器中很常见。自然地，可能发生生产变化和偏差，但是优选地，电极尽可能平行。
板状是这样的形状，其中电极具有厚度比垂直于厚度方向的平面中最长或甚至最短的尺寸低得多(例如至少5倍，但优选地至少10倍、20倍、30倍或更多)的形状。通常，板状电极是平的或平面的，但是可以使用任何形状，例如弯曲或卷曲的形状。优选地，电极始终具有相同的厚度。
第一电极和第二电极各自在其边缘处分别连接到第一端子和第二端子。
第一电极各自从第一端子沿着第一预定方向延伸预定的第一距离，并且第一电极中的每一个在超过第一距离的距离上连接到第一端子。第二电极的情况也是如此。
在这种情况下，方向可以是任何方向，例如垂直于一侧的方向，电极在该侧处连接到端子。然后，第一方向和第二方向可以平行且相反。
实际上，第一距离/第二距离可以是从第一电极/第二电极的任何部分到端子的最短距离。
因此，优选地，从端子到电极任何部分的距离小于电极连接到端子的距离。该距离优选地被定义为从端子和电极之间的接触面(interface)开始，并且被定义为从接触面通过电极到所讨论的位置的最短路径。
因此，与电荷必须行进到电极中的距离相比，端子和电极之间的接触面很大。以这种方式，快速充电是可能的。
因此，与已知的低容量卷绕式电容器(wound capacitor)相比，本电容器的不同之处在于，电极中的每一个被隔板并且通过放大到端子连接的集电器而被分成多个绝缘层。
在第一电极和/或第二电极是矩形的情况下，端子可以连接到电极的较长侧边，并且沿着侧边的一部分(优选地全长)，超过矩形其他侧边长度。
优选地，当投影到平行于电极之一的平面上时，第一电极和第二电极重叠。在一个电极(例如第一电极)与相邻电极(例如第二电极)的表面重叠的横截面中，该重叠优选地尽可能大，例如表面的至少50％、例如表面的至少60％、例如表面的至少70％、例如表面的至少80％、例如表面的至少90％。
电容器包括壳体以及第一相对导电表面和第二相对导电表面，其中第一相对导电表面连接到第一多个电极，并且第二相对表面连接到第二多个电极。实际上，第一导电表面/第二导电表面是实际的第一端子/第二端子的表面。
第一端子和第二端子形成壳体的外导电表面。因此，每个端子的一侧(内侧)连接到电极，并且每个端子的另一侧(外侧)暴露于周围环境，从而形成壳体的外表面。因此，电流可以从电极穿过端子的厚度流到壳体的导电表面，从而实现低内阻。在根据现有技术的电容器中，电流必须从电极至少沿着端子流到壳体外部的连接点。根据本发明，每个端子的一侧至少部分地暴露于周围环境。优选地，每个端子的一侧完全暴露于周围环境。
优选地，第一端子和第二端子形成壳体的两个相对的外表面。因此，优选地，本发明的电容器设置在壳体中，端子暴露在两个相对的表面上。这样做的优点是，电容器可以简单地堆叠成一堆(pile)，以便能够处理更高的电压，或者并联地组合以实现更高的电容。
优选地，壳体的两个最大表面可以由第一端子和第二端子的外表面形成。优选地，这些表面是最外面的表面，使得电容器可以简单地被堆叠，使得相邻电容器的电极接触。
当投影到平行于端子的平面时，第一端子和第二端子各自具有与至少50％，更优选地至少75％，特别是至少90％的电极的边缘重叠的区域，在电极的边缘处，电极连接到所述端子。
在优选实施例中，当投影到平行于端子的平面时，第一端子和第二端子各自具有与由连接到端子的电极形成的区域重叠的区域。优选地，端子的所述区域与至少50％，更优选地至少75％，特别是至少90％的电极的所述区域重叠。
在优选实施例中，当投影到平行于端子的平面时，第一端子和第二端子各自具有不超过在两个最外面电极的边缘之间的区域的区域，在该两个最外面电极的边缘处，电极连接到端子的内侧。
在优选实施例中，当投影到平行于端子的平面时，第一端子和第二端子不突出壳体剩余部分的外边缘。
优选地，第一导电表面/第二导电表面不仅暴露于壳体的周围环境，而且在那些表面或侧面处延伸到离壳体中心最远的地方，从而可以堆叠两个电容器，由此一个电容器的第一表面/第二表面直接接合另一个电容器的第一表面/第二表面。然后，电容器的简单堆叠是可能的。
优选地，电容器壳体是箱状的，具有两个较大的相对侧面和四个具有较低面积的侧面，其中较大的相对侧面具有导电表面或由导电表面构成。
优选地，第一电极中的每一个在超过第一距离的1.5倍的距离上连接到第一端子，并且第二电极中的每一个在超过第二距离的1.5倍的距离上连接到第二端子。该倍数(factor)可以更高，例如至少2倍、至少3倍、至少4倍或至少5倍。倍数与通过电极和端子之间的接触面的单位长度馈入的电荷量有关。倍数越高，相同电极面积和相同充电的电荷越低。倍数越高，充电可能就越快，并且产生的热量就越低。
在一个实施例中，导体是平面的。这有利于大电容器的制造。
优选地，第一电极和第二电极分别直接附接到第一端子和第二端子。该附接或连接将电荷输送到电极或从电极输送电荷，并且优选地被制造成具有低电阻。附接可以是通过压配合或者通过使用具有高电导率的材料(例如电导率为电极的电导率的至少50％)的钎焊/焊接将电极直接固定到端子上。
如上所述，优选地，至少一个电极，但优选地所有电极，包括基层或集电器以及在基层的两个相对侧面上的涂层。因此，可以使用已知的双层技术。
优选地，涂层具有很大的表面积(例如当包含碳和/或被结构化时、例如当包含纳米管时)。
优选地，基层由导电材料(例如铝)制成。
优选地，电解液包含1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺(C8H11F6N3O4S)。原则上，可以使用任何导电液体，例如水、盐水等。
优选地，隔板是多孔的，并且可以例如包括PTFE，该PTFE包括允许电解液从中通过的孔。
自然地，电容器可以设置在任何类型的壳体中，例如已知的在电子设备中使用并且附接到PCB的电容器的壳体。
然而，本电容器主要针对完全不同的区域，在该区域中，为了非常不同的目的需要高得多的电容。本电容器的尺寸可以被设计成当例如需要校正其频率或者当剩余的电力将被存储以便以后使用时，存储来自电网的电力。因此，电容和要存储的电荷量比普通电容器大许多数量级。可以预见到大约0.5MF至1MF或更高的电容，由此电容器本身将具有10k cm3至15k cm3(10-15l)或更大的尺寸或体积。
如下所述，可以提供表面的物理编码，因为电容器可以极化，所以电容器如何相互连接是重要的。
在下文中，将参照附图来描述优选实施例，
其中：
-图1示出了现有技术的高容量电容器，
-图2示出了根据本发明的高容量电容器(仅部分地示出了壳体)，
-图3示出了用于图2的电容器的电极的尺寸，
-图4示出了从侧面看包括壳体的图2的电容器，以及
-图5示出了从顶部看图4的电容器。
图1示出了具有多个第一电极和第二电极的现有技术的高电容电容器，其中示出了第一电极12和第二电极16。以并联方式设置电极，并且所有第一电极连接到第一端子14，并且所有第二电极连接到第二端子18。通常，为了获得更高的容量(表面积)，在电极之间设置流体电解质，并且在每对相邻电极之间设置隔板材料(未示出)。
这些连接是经由电极材料的薄延伸(在顶部)实现的。在该设计中看到的问题是，电极上提供的电荷必须行进通过电极的狭窄延伸才能在端子处可获得。该狭窄延伸形成了瓶颈，增加了内阻，从而增加了快速充电/放电过程期间的发热。此外，狭窄延伸完全限制了充电/放电速度。
在图2中，可以看到根据本发明的电容器20，其中圆圈的元件已经被扩大以示出内部结构。为了更好地理解结构细节，未示出电容器壳体的部分。然而，示出了形成壳体的外导电表面的第一端子24和第二端子28。第一端子24和第二端子28形成电容器壳体的两个相对表面。
同样，以交错的平行结构来设置第一电极和第二电极。同样，隔板27设置在每对相邻电极之间，并且液体电解质设置在电极之间并在隔板内。
第一电极22附接到第一端子24，并且第二电极26附接到第二端子28。
然而，电极现在沿着其一侧直接附接到端子，使得电荷从端子直接被馈送到电极。
事实上，参见图3，电极22/26优选地是四边形的，并且直接附接到端子(上部粗线)，并且沿着附接到端子的边缘具有宽度W，该宽度W超过其长度L，其中长度在远离端子的方向上，例如垂直于端子。
利用该结构，馈送到电极的电荷在大面积上被馈送到电极，由此电阻保持较低。此外，电荷必须行进的距离保持尽可能短，由此在充电/放电时间被优化的同时，电阻也被最小化并且发热被保持在最小。
尺寸直接影响电容器的参数。长度描述电荷必须行进的距离，从而描述充电/放电时间以及电阻和发热，而宽度描述电容器的总电容。
优选地，电极包括内层、集电器及其涂层(即电极材料)。
优选的集电器由铝制成，因为它具有高电导率，同时又便宜又轻。然而，也可以使用其他导体，例如铜、金和银。基本上可以使用任何导电元件或其复合物。
优选的电极基于多孔碳，并且尤其是具有很大表面积的碳基材料，例如包含纳米管的材料。可以使用其他导电材料，例如硅基材料或金属复合物。
目前优选的电解质是1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺(C8H11F6N3O4S2)。一般来说，水基电解质更快，但分解电压较低，而有机电解质更慢，但分解电压较高。自然地，需要具有高分解电压的快速电解质。
替代电解质可以是普通的有机电解质，例如四乙基四氟硼酸铵(TEABF4)(C8H20BF4N)-(C2H5)4N(BF4)的碳酸丙烯酯(PC)或乙腈(AN)溶液。常见的水电解质包括KOH和H2SO4。
目前优选的隔板是PTFE基膜材料。优选地，隔板是化学惰性的，并且具有可定制的孔径和孔分布。
可选的隔板材料可以是纸、纺织品或特制塑料。基本上，可以使用任何材料，只要它有足够大的孔让电解质通过。
本电容器特别适用于非常大的电荷，因此电容非常大。可以预见到大约0.5MF至1MF的电容，由此电容器本身将具有10,000cm3至15,000cm3(10-15l)的尺寸或体积。因此，可以在与附接到PCB的小电容器相比非常不同的环境中使用本电容器。
本电容器设置在壳体中(见图4和图5)，其中，端子24/28形成壳体的外导电表面。优选地，端子24/28暴露在两个相对的表面上，使得本电容器可以简单地堆叠成一堆以能够处理更高的电压，或者并联地组合以实现更高的电容。
因此，壳体30的两个最大表面可以由端子24/28或连接到电极的元件的外表面形成。壳体30优选为箱状壳体。优选地，这些表面是最外面的表面，使得电容器可以简单地被堆叠，使得相邻电容器的电极接触。当投影到平行于第一端子24和第二端子28的平面时，第一端子24和第二端子28不突出壳体30剩余部分的外边缘。当投影到平行于端子的平面时，第一端子24和第二端子28各自具有与至少50％，更优选地至少75％，特别是90％的电极的边缘重叠的区域，在该电极的边缘处，电极连接到所述端子内侧，并且还与至少50％，更优选地至少75％，特别是至少90％的电极的区域重叠。
在图5中，从顶部示出了图4的电容器。因此，当投影到平行于端子的平面(俯视图)时，暴露于周围环境的端子28的区域不超过连接到端子内侧的两个最外面电极的边缘之间的区域。
此外，突出元件32可以被布置在包括形成外导电表面的端子28的壳体30的一侧处，因为当前类型的电容器通常是极化的。相应的凹口(indentation)可以设置在包括形成另一外导电表面的端子24(未示出)的壳体30的相对侧。因此，可以以一种极化来设置突出元件32，以防止其他电容器的相反极化表面连接到壳体的端子28。这是一种简单的物理编码，确保堆叠时电容器的正确附接。

Claims (15)

1.一种高电容电容器，所述电容器具有：
-壳体，
-第一多个第一电极，
-第二多个第二电极，
-在每对第一电极和第二电极之间的隔板，以及
-在电极之间并在所述隔板中的电解液，
其中：
-所述第一多个第一电极是至少基本平行的板状导体，每个导体在其边缘处连接到第一端子，每个第一电极从所述第一端子沿着第一预定方向延伸预定的第一距离，
-所述第二多个第二电极是至少基本上彼此平行并且与所述第一导体平行的板状导体，并且每个导体在其边缘处连接到第二端子，所述第二多个导体中的一个被定位在所述第一多个第一电极的一对相邻导体之间，每个第二电极从所述第二端子沿着第二预定方向延伸预定的第二距离，
-所述第一电极中的每一个在超过所述第一距离的距离上连接到所述第一端子，
-所述第二电极中的每一个在超过所述第二距离的距离上连接到所述第二端子，
-所述第一端子的一侧暴露于形成所述壳体外表面的周围环境，以及
-所述第二端子的一侧暴露于形成所述壳体外表面的周围环境。
2.根据权利要求1所述的电容器，其中，所述第一端子和所述第二端子形成所述壳体的两个相对的外表面。
3.根据权利要求1或2所述的电容器，其中，当投影到平行于所述端子的平面时，所述第一端子和所述第二端子各自具有与至少50％，更优选地至少75％，特别是至少90％的所述电极的所述边缘重叠的区域，在所述电极的所述边缘处，所述电极连接到所述端子。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的电容器，其中，当投影到平行于所述端子的平面时，所述第一端子和所述第二端子各自具有不超过在两个最外面电极的所述边缘之间的区域的区域，在所述两个最外面电极的所述边缘处，所述电极连接到所述端子的内侧。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的电容器，其中，所述电极是平面的。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的电容器，其中，所述第一电极和所述第二电极分别直接附接到所述第一端子和所述第二端子。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的电容器，其中，所述第一电极中的每一个在超过所述第一距离的1.5倍的距离上连接到所述第一端子，并且所述第二电极中的每一个在超过所述第二距离的1.5倍的距离上连接到所述第二端子。
8.根据权利要求7所述的电容器，其中，所述第一电极中的每一个在超过所述第一距离的2倍的距离上连接到所述第一端子，并且所述第二电极中的每一个在超过所述第二距离的2倍的距离上连接到所述第二端子。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电容器，其中，至少一个电极包括基层和在所述基层的两个相对侧上的涂层。
10.根据权利要求9所述的电容器，其中，所述涂层具有很大的表面积。
11.根据权利要求9或10所述的电容器，其中，所述基层由导电材料制成。
12.根据权利要求9-11中任一项所述的电容器，其中，所述涂层包括碳。
13.根据权利要求9-12中任一项所述的电容器，其中，所述基层包括铝。
14.根据前述权利要求中任一项所述的电容器，其中，所述电解液包括1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺(C8H11F6N3O4S2)。
15.根据前述权利要求中任一项所述的电容器，其中，所述隔板包括PTFE，所述PTFE包括允许所述电解液从中通过的孔。
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