CN110415982A - 一种基于高弹橡胶的可受压传感电容器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高弹橡胶的可受压传感电容器，包括：第一无活性金属集流体、第一弹性支撑体、真空吸液模块、第二弹性支撑体和第二无活性金属集流体依次通过层状堆叠连接得到叠层式结构；弹性支撑体包括高弹橡胶和储能模块，储能模块填充在高弹橡胶内部，储能模块包括第一弹性片状电极、纳米银喷涂PVDF隔膜和第二弹性片状电极，第一弹性片状电极、纳米银喷涂PVDF隔膜和第二弹性片状电极依次通过层状堆叠得到叠层式结构；真空吸液模块包括第三无活性金属集流体、第四无活性金属集流体和第五无活性金属集流体，第三无活性金属集流体、第四无活性金属集流体和第五无活性金属集流体依次通过层状堆叠连接得到叠层式结构。
Description
技术领域
本发明涉及新材料和新能源技术领域，尤其涉及一种基于高弹橡胶的可受压传感电容器。
背景技术
目前使用最广泛的超级电容器之一的双电层超级电容器：向电极充电时，正负电极表面电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使这些离子吸附于电极表面上形成双电荷层，构成双电层超级电容，从而实现储能；
上述电容器均只具有储能功能，而不具备传感功能，在需要同时具备储能和传感功能的情况下，通常采用传统传感器件和供能器件共用的方式，这种方法会导致系统体积较大，不利于整体的小型化，并且这种只具有储能功能的电容器在受到压力的情况下储能响应的灵敏响应度会下降，直接导致储能失效。
因此，目前亟需一种具有储能和供能能力的传感电容器，实现储能和传感功能的情况下提高响应灵敏度。
发明内容
本发明提供了一种基于高弹橡胶的可受压传感电容器，以解决现有的电容器不具备传感能力，并且响应灵敏度受压力下降的技术问题，从而通过构建一种可同时实现储能和传感功能而不需要外接传感器件的可传感电容器，并采用高弹橡胶作为受压支撑体，实现了可传感电容器在受到压力的情况下保持响应灵敏度。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于高弹橡胶的可受压传感电容器，包括：第一无活性金属集流体、第一弹性支撑体、真空吸液模块、第二弹性支撑体和第二无活性金属集流体；
所述第一无活性金属集流体、所述第一弹性支撑体、所述真空吸液模块、所述第二弹性支撑体和所述第二无活性金属集流体依次通过层状堆叠连接得到叠层式结构；
所述弹性支撑体包括高弹橡胶和储能模块，所述储能模块填充在所述高弹橡胶内部，所述储能模块包括第一弹性片状电极、纳米银喷涂PVDF隔膜和第二弹性片状电极，所述第一弹性片状电极、所述纳米银喷涂PVDF隔膜和所述第二弹性片状电极依次通过层状堆叠得到叠层式结构；
所述真空吸液模块包括第三无活性金属集流体、第四无活性金属集流体和第五无活性金属集流体，所述第三无活性金属集流体、所述第四无活性金属集流体和所述第五无活性金属集流体依次通过层状堆叠连接得到叠层式结构。
作为优选方案，所述第一无活性金属集流体与所述第一弹性支撑体之间、所述第一弹性支撑体与所述真空吸液模块之间、所述真空吸液模块与所述第二弹性支撑体之间、以及所述第二弹性支撑体与所述第二无活性金属集流体之间，均通过胶黏剂进行粘结形成点胶层。
作为优选方案，所述第三无活性金属集流体与所述第四无活性金属集流体之间、所述第四无活性金属集流体与所述第五无活性金属集流体之间，均通过胶黏剂进行粘结形成点胶层。
作为优选方案，所述第三无活性金属集流体与所述第四无活性金属集流体之间的第一点胶层，和所述第四无活性金属集流体与所述第五无活性金属集流体之间的第二点胶层，均具有缺口。
作为优选方案，所述第一点胶层上的缺口与所述第二点胶层上的缺口位置朝向一致。
作为优选方案，所述第三无活性金属集流体和所述第五无活性金属集流体均为环形结构；所述第四无活性金属集流体为片状结构。
作为优选方案，所述高弹橡胶为环形结构。
作为优选方案，所述超级电容器的形状包括圆形、方形、三角形或各种异形体。
作为优选方案，所述弹性支撑体和所述真空吸液模块通过内部串联数量的增加和减少，控制器件的工作电压和电容量，改变内部串联数量还可以改变传感范围和灵敏度，适用于更多的应用场景。
相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：
本发明通过构建一种可同时实现储能和传感功能而不需要外接传感器件的可传感电容器，并采用高弹橡胶作为受压支撑体，解决现有的电容器不具备传感能力，并且灵敏响应度受压力下降的技术问题，从而实现了可传感电容器在受到压力的情况下保持储能响应灵敏度。
附图说明
图1：为本发明实施例中的可受压传感电容器整体结构示意图；
图2：为本发明实施例中的真空吸液模块的结构示意图；
图3：为本发明实施例中的实现传感效果的原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1，本发明优选实施例提供了一种基于高弹橡胶的可受压传感电容器，包括：第一无活性金属集流体、第一弹性支撑体、真空吸液模块、第二弹性支撑体和第二无活性金属集流体；
所述第一无活性金属集流体、所述第一弹性支撑体、所述真空吸液模块、所述第二弹性支撑体和所述第二无活性金属集流体依次通过层状堆叠得到叠层式结构；
在本实施例中，所述第一无活性金属集流体与所述第一弹性支撑体之间、所述第一弹性支撑体与所述真空吸液模块之间、所述真空吸液模块与所述第二弹性支撑体之间、以及所述第二弹性支撑体与所述第二无活性金属集流体之间，均通过胶黏剂进行粘结形成点胶层。
器件采用叠层式结构设计，将无活性金属集流体、弹性支撑体和真空吸液模块进行层状堆叠，层间采用胶黏剂粘结，具体结构如下图，最上层为无活性金属集流体，作为器件的一极，下一层为环形高弹橡胶，环形橡胶内部为双电层片状电极及镀银PVDF隔膜，再下层为真空吸液模块，再下层为环形高弹橡胶，最下层为无活性金属集流体作为器件的另一极，每一层之间均采用胶黏剂粘结。
所述弹性支撑体包括高弹橡胶和储能模块，所述储能模块填充在所述高弹橡胶内部，所述储能模块包括第一弹性片状电极、纳米银喷涂PVDF隔膜和第二弹性片状电极，所述第一弹性片状电极、所述纳米银喷涂PVDF隔膜和所述第二弹性片状电极依次通过层状堆叠得到叠层式结构；
在本实施例中，所述高弹橡胶为环形结构。
储能模块外部依靠环状弹性支撑体做固定和密封，内部采用叠层结构，总共分为三层，上层为弹性双电层片状电极，中层为镀银PVDF隔膜，下层也为弹性双电层片状电极，将储能模块以这种结构填充在有高弹橡胶制得的弹性支撑体内部，提供双电层超级电容器的储能能力以及压电式传感器的传感能力。
所述真空吸液模块包括第三无活性金属集流体、第四无活性金属集流体和第五无活性金属集流体，所述第三无活性金属集流体、所述第四无活性金属集流体和所述第五无活性金属集流体依次通过层状堆叠连接得到叠层式结构。
在本实施例中，所述第三无活性金属集流体与所述第四无活性金属集流体之间、所述第四无活性金属集流体与所述第五无活性金属集流体之间，均通过胶黏剂进行粘结形成点胶层。
在本实施例中，所述第三无活性金属集流体与所述第四无活性金属集流体之间的第一点胶层，和所述第四无活性金属集流体与所述第五无活性金属集流体之间的第二点胶层，均具有缺口。
在本实施例中，所述第一点胶层上的缺口与所述第二点胶层上的缺口位置朝向一致。
在本实施例中，所述第三无活性金属集流体和所述第五无活性金属集流体均为环形结构；所述第四无活性金属集流体为片状结构。
请参照图2，真空吸液模块内部结构：最上层采用无活性金属集流体，中间层采用片状集流体，上层和中间层采用热熔胶点胶方式进行粘结，点胶时设计出一段缺口作为真空吸液口，最下层也采用无活性金属集流体，层间也采用有缺口的点胶层进行粘结，且缺口朝向与上层点胶层缺口朝向一致。
在本实施例中，所述超级电容器的形状包括圆形、方形、三角形或各种异形体。器件可以通过采用不同形状的钛合金集流体、高弹橡胶弹性支撑体制成、圆形、方形、三角形等多种形状，实现了器件的形状定制。
在本实施例中，所述弹性支撑体和所述真空吸液模块通过内部串联数量的增加和减少，控制器件的工作电压和电容量，改变内部串联数量还可以改变传感范围和灵敏度，适用于更多的应用场景。
为适应不同的应用场景，需要制作出可以在不同电压条件下使用的器件，本发明可以通过控制内部串联模块数量的方式控制器件的工作电压和电容量，并且可以通过增加或减少串联的模块实现对传感测量范围的控制。
如图3所述，利用器件在受到冲击时，产生的电压突变，达到传感效果。在放电过程中，冲击器件，器件受到冲击后，整体发生形变，引发压电、电容、电化学式传感原理的响应，形成电压突变，达到传感效果。
本发明超级电容器实现了储能器件的自传感功能，通过在超级电容器中采用压阻式活性炭弹性片状电极以及镀银PVDF隔膜实现压阻和压电式传感功能，并利用弹性支撑体受到冲击时的形状变化和电解液的内部流动实现了电容式和电化学式传感功能；
本发明超级电容器还实现了传感器件的自供电功能，通过内部采用活性炭电极的叠层式结构，实现了双电层超级电容器的储能。
本发明超级电容器还实现了对高频高过载冲击的连续灵敏响应；实现了通过极片隔膜的不同选择，应用不同的储能或传感原理；实现了器件的形状可异形定制，采用不同形状的无活性金属集流体和橡胶垫圈，可将器件做成不同形状，适用不同的应用场景和环境；实现了器件的电压的自由调节，满足多种电源环境下的使用要求，通过控制器件内部自串联的单体数量，可以实现对器件使用电压和电容量的灵活调节；实现了传感测量范围的自由调节，满足多种应用场景，通过控制器件内部自串联的单体数量，可以实现对器件传感测量范围的灵活调节；利用模块化组装技术以及流水作业，实现了器件的小批量制作，批量制作弹性支撑体部分、真空吸液模块、储能模块，再依次进行组装，可实现极高的制作效率，并且能保证较好的稳定性与一致性。
传统传感器通常需要外接电源，从而维持传感器的供能和对传感信息的记录与反馈，且传感器无法较好地应对高频的冲击信号，可能会导致信号无法精确记录，“储能—传感”一体化超级电容器结合了多种传感机理的优势，精度高，感应范围广，响应时间极快，所以器件具有在高频冲击条件下的精确、灵敏的计数响应能力。
普通超级电容器或传感器在高过载冲击情况下容易因各部分抗冲击能力差而发生失效，“储能—传感”一体化超级电容器采用高强度金属作为支撑，采用硬质金属外壳和高强度树脂灌封工艺，杜绝了因冲击导致的漏液、变形等情况，也实现了期间在高过载冲击条件下的正常、稳定运行。
柔性封装技术：利用环形高弹橡胶圈进行密封的柔性封装方法，采用环形橡胶作为密封圈，利用粘结剂将支撑体橡胶与集流体金属粘结并密封，使得器件在冲击条件下沿厚度方向上具有一定的可压缩能力，撤去外力后，橡胶回弹，器件可以恢复原状，实现了器件的电容式传感功能；
真空吸液技术：使用带孔金属极片与金属极片利用点胶方式叠层制得真空吸液模块，设计点胶缺口作为真空吸液口，实现了单体腔体互通，极片固定和模组间共用集流体等多种功能；
抗过载冲击封装技术：使用金属外壳，将器件用高强度树脂灌封在外壳中，可以大幅提升器件整体的抗冲击能力；
模块化组装技术：利用器件个部分不同的功能用途将器件分为储能模块、真空吸液模块和传感模块，通过批量制作各个功能模块，再将各功能模块进行组装，实现了器件的小批量手工制作。
本发明中的金属极片使用无活性物质金属极片，本发明中的弹性电极使用双电层片状电极，双电层片状电极应用的是双电层超级电容器的储能原理；无活性物质金属极片无活性，不发生反应，使用无活性物质金属极片则是应用了电容传感的传感原理，通过改变电极之间的间距和正对面积实现传感；本发明中的隔膜使用镀银PVDF隔膜，PVDF(聚偏氟乙烯)在氟塑料中具有最强韧性、低摩擦系数、耐腐蚀性强、耐老化性、耐气候，耐辐照性能好等特点。
本发明制作出一种新型微能源器件，首先，该器件集成了双电层超级电容器的储能功能与压电式传感器、电容式传感器和电化学式传感器的传感功能，结合了超级电容器的储能原理与传感器的传感原理，通过采用活性炭/H2SO4的双电层超级电容器体系，活性炭电极也可作为双电层超级电容器的极片进行储能，活性炭电极可以吸附电解液中的阴阳离子，在隔膜的两侧形成电势差，从而实现储能；从而满足器件储能和供电的应用需求；采用镀银PVDF隔膜实现在冲击环境下的压电传感效应，当该隔膜受到冲击时会发生极化，电子会集中在隔膜的一侧，从而形成电势差，导致电压变化，实现压电传感功能；器件采用H2SO4作为电解液，电解液在受到冲击时会沿着冲击方向移动，从而在器件内部形成一定的浓度差，器件内部局部电解液的浓度差变化会导致器件内部各部分的电荷分布不均匀，在器件内部形成电势差，导致电压变化，从而实现器件的电化学传感功能；以钛合金作为器件的集流体，无活性金属集流体层间采用橡胶作为弹性支撑体，在受到冲击时，弹性支撑体会发生压缩，减小两集流体之间的间距，引发电容器的容值变化，导致器件电压发生变化，实现器件的电容式传感。
本发明使得单一器件实现了储能与传感的双重功能，在一定程度上减小了传感系统的体积；第二，本发明采用钛合金和高弹橡胶为主体的叠层式内部自串联的设计方式，这种结构最大程度地减小了器件内部的冗余空间，没有多余的空隙结构，避免了冲击过程中局部应力过大导致的焊点失效、结构断裂等机械失效，而且也避免了高冲击载荷下外部导线及电路元件失效的可能；第三，叠层式可扩展结构使得器件可以灵活的调整传感范围和电压，拓展了器件的使用范围和应用场景；第四，采用金属外壳，并采用高强度树脂灌封，抗冲击能力极强，大幅提高了器件的可靠性。
本发明研制出一款新型微能源器件，改变传统传感器需要依靠外部供能且抗过载冲击能力差的缺点，实现器件自身储能及供能，并且改进传统传感器无法在高频高过载冲击条件下的灵敏响应和精确计数问题，实现了在高频高过载冲击条件下的灵敏响应和精确计数。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于高弹橡胶的可受压传感电容器，其特征在于，包括：第一无活性金属集流体、第一弹性支撑体、真空吸液模块、第二弹性支撑体和第二无活性金属集流体；
所述第一无活性金属集流体、所述第一弹性支撑体、所述真空吸液模块、所述第二弹性支撑体和所述第二无活性金属集流体依次通过层状堆叠连接得到叠层式结构；
所述弹性支撑体包括高弹橡胶和储能模块，所述储能模块填充在所述高弹橡胶内部，所述储能模块包括第一弹性片状电极、纳米银喷涂PVDF隔膜和第二弹性片状电极，所述第一弹性片状电极、所述纳米银喷涂PVDF隔膜和所述第二弹性片状电极依次通过层状堆叠得到叠层式结构；
所述真空吸液模块包括第三无活性金属集流体、第四无活性金属集流体和第五无活性金属集流体，所述第三无活性金属集流体、所述第四无活性金属集流体和所述第五无活性金属集流体依次通过层状堆叠连接得到叠层式结构。
2.如权利要求1所述的基于高弹橡胶的可受压传感电容器，其特征在于，所述第一无活性金属集流体与所述第一弹性支撑体之间、所述第一弹性支撑体与所述真空吸液模块之间、所述真空吸液模块与所述第二弹性支撑体之间、以及所述第二弹性支撑体与所述第二无活性金属集流体之间，均通过胶黏剂进行粘结形成点胶层。
3.如权利要求1所述的基于高弹橡胶的可受压传感电容器，其特征在于，所述第三无活性金属集流体与所述第四无活性金属集流体之间、所述第四无活性金属集流体与所述第五无活性金属集流体之间，均通过胶黏剂进行粘结形成点胶层。
4.如权利要求3所述的基于高弹橡胶的可受压传感电容器，其特征在于，所述第三无活性金属集流体与所述第四无活性金属集流体之间的第一点胶层，和所述第四无活性金属集流体与所述第五无活性金属集流体之间的第二点胶层，均具有缺口。
5.如权利要求4所述的基于高弹橡胶的可受压传感电容器，其特征在于，所述第一点胶层上的缺口与所述第二点胶层上的缺口位置朝向一致。
6.如权利要求1所述的基于高弹橡胶的可受压传感电容器，其特征在于，所述第三无活性金属集流体和所述第五无活性金属集流体均为环形结构；所述第四无活性金属集流体为片状结构。
7.如权利要求1所述的基于高弹橡胶的可受压传感电容器，其特征在于，所述高弹橡胶为环形结构。
8.如权利要求1所述的基于高弹橡胶的可受压传感电容器，其特征在于，所述超级电容器的形状包括圆形、方形、三角形或各种异形体。
9.如权利要求1所述的基于高弹橡胶的可受压传感电容器，其特征在于，所述弹性支撑体和所述真空吸液模块通过内部串联数量的增加和减少，控制器件的工作电压和电容量，改变内部串联数量还可以改变传感范围和灵敏度，适用于更多的应用场景。
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