CN110246701B - 一种具有冲击传感器功能的超级电容器及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于超级电容器技术领域的一种具有冲击传感器功能的超级电容器及应用，所述超级电容器采用多叠层式结构，每个叠层按正极‑压电PVDF薄膜‑负极依次叠放构成；多个叠层式结构为每两个叠层再按正极、负极叠放，该两个正极、负极的集流体叠在一起，使多个叠层串联起来；然后灌封在外壳内构成具有冲击传感功能的超级电容器。本发明所述超级电容器将压电PVDF薄膜植入超级电容器电极‑电极的空隙中，使得超级电容器在保持基本电容功能外还集成了对冲击过载的传感功能，实现了多个器件功能集成于单一器件中，有利于复杂系统集成化发展，拓展了超级电容器的应用场合。
Description
技术领域
本发明属于超级电容器技术领域，特别涉及一种具有冲击传感器功能的超级电容器及应用。
背景技术
小型化是电子元器件、系统的一个重要发展方向，特别是在航天航空、军事领域等特殊应用场合中对系统尺寸和重量提出了更高的要求。而系统小型化的实现需要依赖器件的小型化与集成化，所以具备多功能复合集成的器件往往更受青睐。
相比于常见的锂电池，超级电容器具有容量密度大，高低温性能好、循环寿命长、抗冲击性能好等优势。超级电容器可以用于高冲击测量系统里，传统方法是将超级电容器作为电源部分与传感器联用，由超级电容器为惯性式开关等传感器进行供电，确保传感器正常感知外界冲击。这种纯作为能源器件的电容器不足之处在于集成化的程度不高，功能单一，在一定程度不利于冲击测量系统体积的缩减，这也限制了超级电容器的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有冲击传感器功能的超级电容器及应用；所述超级电容器采用多叠层式结构，每个叠层由正极、隔膜、负极构成，并灌封在外壳内构成基本结构，其中正负极、电解液构成超级电容器体系；其中，隔膜采用压电PVDF薄膜；其特征在于，每个叠层按正极-压电PVDF薄膜-负极依次叠放构成；所述多叠层式结构为每两个叠层再按正极、负极叠放，该两个正极、负极的集流体叠在一起，使多个叠层串联起来；然后灌封在外壳内构成具有冲击传感功能的超级电容器。
所述按正极-压电PVDF薄膜-负极依次叠放构成的叠层，其压电PVDF薄膜为一片或者多片串联式，该压电PVDF薄膜的上下表面各蒸镀一层金属薄层，用于传导电荷，表面镀层能抵抗电解液对薄膜表面金属的腐蚀并有效降低PVDF与电极之间的阻抗；当电解液为酸性或者碱性电解液时，镀层材料选耐酸、碱腐蚀的惰性金属金或银；压电PVDF薄膜的任一面面向叠层的正极或者负极，以面向叠层的正极为佳。
所述每个叠层的压电PVDF薄膜放置于每一叠层的正极和负极之间的空腔中，至少放置一层压电PVDF薄膜；并且几层压电PVDF薄膜叠放后串联。
所述超级电容器采用712固化胶或者3018固化胶灌封成弹性或者刚性结构；外壳采用具有一定弹性的ABS塑料或PLA塑料制作。
所述具有冲击传感器功能的超级电容器用于检测外界冲击的测试方法，先将所述超级电容器充电至一定状态，而后将电容器与一电阻串联放电。利用外部电压检测设备实时监控电容器的输出电压，当冲击发生的瞬间，电容器输出电压将产生不低于100mV的电压升/电压降，响应时间不低于1ms。
本发明所述电容器内的压电PVDF薄膜在外界冲击/连续振动下产生正负电荷，从而影响超级电容器的储能状态；这种储能状态的改变会直接体现在电容器的输出电压的变化上，因此可以用于检测外界冲击。
本发明的有益效果在于：压电PVDF薄膜植入超级电容器电极-电极的空隙中，使得超级电容器在保持基本电容器功能外还具备传感器功能，实现了传感器与储能器件一体化内集成，可以解决以往冲击传感器需要额外电源供电的问题，能够有效减小体积；此外当压电PVDF薄膜的正极朝向超级电容器正极时，外界振动能量可以通过压电PVDF薄膜转换电能并且向超级电容器充电，实现了超级电容器的自充电以及外界能量的利用。其次本发明所述超级电容器实现了多个器件功能集成于单一器件中，有利于复杂系统集成化发展，拓展了超级电容器的应用场合。
附图说明
图1为根据本发明实施例中超级电容器结构示意图；
图2为根据本发明实施例中外界冲击检测方法示意图；
图3为根据本发明实施例中超级电容器在外界冲击下的响应示意图；
具体实施方式
本发明提供一种具有冲击传感器功能的超级电容器及应用；下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
如图1所示的具有冲击传感器功能的超级电容器，由正极1、负极2、集流体3、压电PVDF薄膜4、电解液6构成。在本实施中，正负电极-集流体都采用钛基氧化钌涂层，电解液6采用质量分数38%的硫酸溶液。
超级电容器内部共有五个叠层，每个叠层按正极-压电PVDF薄膜（至少一层）-负极依次叠放构成，每两个叠层再按上个的正极叠放在下个的负极上叠放，相邻两个叠层的正极集流体和负极集流体叠在一起，使五个叠层串联起来；按图1中所示每叠层的空隙中分别放置两层压电PVDF薄膜。每两层PVDF薄膜采用串联方式放置，即上层PVDF的上面对着正电极为PVDF的正极，下层PVDF的对着负电极面的面为负极；将上述的结构用3018固化胶封边后上压50g重物完成固化，待固化完成后往里注入电解液6之后封口，然后再将整体结构放置在形状相适的塑料壳5中，用弹性较好的712固化胶进行灌封固化成弹性结构，完成电容器的制作。压电PVDF薄膜表面蒸镀一层银膜以传导电流和防止电解液的腐蚀。
将上述电容器按照图2的测试方法连接，然后将电容器充电至5V后，断开开关K1。等待一会儿后闭合K2，同时对电容器施加一定的高过载冲击。在外界过载冲击的作用瞬间，电容器内部PVDF薄膜感受到外界过载的应力作用产生电势。PVDF薄膜产生的电势会影响电容器内部的荷电状态，电容器被充电，因此电容器的输出电压在瞬间将会如图3所示产生明显的电压升。该电压升的出现意味着电容器完成对外界过载冲击的传感响应过程。
本发明真正意义上实现了传感供能一体化集成，克服了以往高冲击过载检测中传感器需要额外电源供应的问题，能够有效减小检测设备的体积，十分适合应用于某些对器件体积有严格要求的场合。
本发明可移植性强，可以适用于任一超级电容器体系，制造工艺简单；可改造性强，该电容器除了可以用于冲击传感，还具有收集外界振动能量转化为电能的潜力，可以拓展应用于可穿戴设备、野外辅助备用电源系统中。
Claims (2)
1.一种具有冲击传感器功能的超级电容器；所述超级电容器采用多叠层式结构，每个叠层由正极、隔膜、负极构成，并灌封在外壳内构成基本结构；其中隔膜采用压电PVDF薄膜；其中正负极、电解液构成超级电容器体系；其特征在于，每个叠层按正极-压电PVDF薄膜-负极依次叠放构成；所述多叠层式结构为每两个叠层再按正极、负极叠放，该两个正极、负极的集流体叠在一起，使多个叠层串联起来；然后灌封在外壳内构成具有冲击传感功能的超级电容器；
所述按正极-压电PVDF薄膜-负极依次叠放构成的叠层，其压电PVDF薄膜为一片或者多片串联式，该压电PVDF薄膜的上下表面各蒸镀一层金属薄层，用于传导电荷，表面镀层能抵抗电解液对薄膜表面金属的腐蚀并有效降低PVDF薄膜与电极之间的阻抗；当电解液为酸性或者碱性电解液时，镀层材料选耐酸、碱腐蚀的惰性金属金或银；压电PVDF薄膜任一面面向叠层的正极或者负极；
所述每个叠层的压电PVDF薄膜放置于每一叠层的正极和负极之间的空腔中，至少放置一层压电PVDF薄膜；并且几层压电PVDF薄膜叠放后串联。
2.一种权利要求1所述具有冲击传感器功能的超级电容器的应用，其特征在于，具有冲击传感器功能的超级电容器用于检测外界冲击的测试方法，先将所述超级电容器充电至一定状态，而后将电容器与一电阻串联放电；利用外部电压检测设备实时监控电容器的输出电压，当冲击发生的瞬间，电容器内的压电PVDF薄膜在外界冲击/连续振动下产生正负电荷，从而影响超级电容器的储能状态；这种储能状态的改变会直接体现在电容器的输出电压的变化上，因此可以用于检测外界冲击；电容器输出电压将产生不低于100mV的电压升/电压降，响应时间不低于1ms。
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