CN110415983A - 一种具有传感性能的储能和传感一体化超级电容器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有传感性能的储能和传感一体化超级电容器，包括：所述第一金属集流体、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弹性物体和储能模块，所述储能模块填充在所述弹性物体内部，所述储能模块包括第一弹性电极、隔膜和第二弹性电极，所述第一弹性电极、所述隔膜和所述第二弹性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金属集流体、第四金属集流体和第五金属集流体，所述第三金属集流体、所述第四金属集流体和所述第五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，尤其涉及一种具有传感性能的储能和传感一体化超级电容器。
背景技术
超级电容器储能技术
1.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；
2.赝电容超级电容器：向电极通电时，电极表面的金属氧化物涂层与电解液发生氧化还原反应，生成碱基配位化合物，放电时还原为金属氧化物，通过金属氧化物的氧化还原反应实现储能；
上述两种电容器只具有储能和供能能力，而不具备传感能力。
传感技术
1.压电式传感技术：PVDF隔膜受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷，形成一定的电势差，引发电压变化，实现传感功能；
2.压阻式传感技术：弹性压阻电极受到外力的作用时，其电极厚度会发生改变，电极电阻会发生突变，引发电压变化，实现传感功能；
3.电容式传感技术：通过改变电容器极板间的间距，引发电容器容量的变化，达到电压变化的目的，实现传感功能；
4.电化学式传感技术:利用电解液作为惯性质量，在受到冲击时，在电极附近形成对流，引起电极附近离子浓度的变化，进而形成电压变化，实现传感功能；
上述四种传感器均只具有传感功能，而不具备储能能力和供能能力。
现有技术中，传感器具有传感功能而没有储能功能，电容器具有储能功能而没有传感功能，当需要使用传感器时，必须外接电源；而需要使用电容器并同时进行传感时，必须同时安装两个器件，导致设备占用空间大，不利于整体的小型化，因此，目前亟需一种具有传感性能的储能和传感一体化超级电容器，实现传感器同时具备储能功能，不需要另外采用蓄电池供电，节省体积。
发明内容
本发明提供了一种具有传感性能的储能和传感一体化超级电容器，以解决现有技术中传感器不储能和电容器不传感的技术问题，从而通过电容器储能原理和传感器传感原理结合构建一种可同时实现储能和传感功能而不需要外接蓄电池的超级电容器，以实现节省系统体积。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种具有传感性能的储能和传感一体化超级电容器，包括：第一金属集流体、第一弹性支撑体、真空吸液模块、第二弹性支撑体和第二金属集流体；
所述第一金属集流体、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弹性物体和储能模块，所述储能模块填充在所述弹性物体内部，所述储能模块包括第一弹性电极、隔膜和第二弹性电极，所述第一弹性电极、所述隔膜和所述第二弹性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金属集流体、第四金属集流体和第五金属集流体，所述第三金属集流体、所述第四金属集流体和所述第五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，所述弹性物体为高弹橡胶。
作为优选方案，所述第三金属集流体与所述第四金属集流体之间、所述第四金属集流体与所述第五金属集流体之间，均通过胶黏剂进行粘结形成点胶层。
作为优选方案，所述第三金属集流体与所述第四金属集流体之间的第一点胶层，和所述第四金属集流体与所述第五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，所述第三金属集流体和所述第五金属集流体均为环形结构；所述第四金属集流体为片状结构。
作为优选方案，所述弹性物体为环形结构。
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：
本发明通过结合赝电容超级电容器和双电层超级电容器两种超级电容器的储能原理实现器件的储能，以及通过结合压电式传感器、压阻式传感器、电容式传感器和电化学式传感器的多种传感原理实现器件的传感响应，制作出了一种既具有储能性能，又具有传感性能的新型集成器件，是具有“自传感”能力的超级电容器，也是具有“自供电”能力的传感器，将储能、供能及传感功能集成在一个器件中，且在器件中又应用了多种储能与传感机理；相对于传统的传感器，在节省了器件体积的同时，提高了传感器的精度，并且提升了传感器在高频冲击中的精确响应能力。
附图说明
图1：为本发明实施例中的一体化超级电容器整体结构示意图；
图2：为本发明实施例中的储能模块的结构示意图；
图3：为本发明实施例中的真空吸液模块的结构示意图；
图4：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具有传感性能的储能和传感一体化超级电容器，包括：第一金属集流体、第一弹性支撑体、真空吸液模块、第二弹性支撑体和第二金属集流体；
所述第一金属集流体、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，所述第一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，将金属集流体、弹性物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，最上层为表面烧结氧化钌薄膜的钛合金集流体，作为器件的一极，下一层为环形高弹橡胶，环形橡胶内部为压阻电极及镀银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弹性物体和储能模块，所述储能模块填充在所述弹性物体内部，所述储能模块包括第一弹性电极、隔膜和第二弹性电极，所述第一弹性电极、所述隔膜和所述第二弹性电极依次通过层状堆叠得到叠层式结构；
在本实施例中，所述弹性物体为高弹橡胶。
在本实施例中，所述弹性物体为环形结构。
请参照图2，储能模块外部依靠环状弹性物体做固定和密封，内部采用叠层结构，总共分为三层，上层为弹性压阻电极，中层为镀银PVDF隔膜，下层也为弹性压阻电极，将储能模块以这种结构填充在有高弹橡胶制得的弹性物体内部，提供双电层超级电容器的储能能力以及压电式传感器和压阻式传感器的传感能力。
所述真空吸液模块包括第三金属集流体、第四金属集流体和第五金属集流体，所述第三金属集流体、所述第四金属集流体和所述第五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，所述第三金属集流体与所述第四金属集流体之间、所述第四金属集流体与所述第五金属集流体之间，均通过胶黏剂进行粘结形成点胶层。
在本实施例中，所述第三金属集流体与所述第四金属集流体之间的第一点胶层，和所述第四金属集流体与所述第五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，所述第三金属集流体和所述第五金属集流体均为环形结构；所述第四金属集流体为片状结构。
请参照图3，真空吸液模块内部结构：最上层采用环形表面烧结氧化钌薄膜的钛合金集流体，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，最下层也采用环形表面烧结氧化钌薄膜的钛合金集流体，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、高弹橡胶弹性物体制成、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4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、压阻、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，并利用弹性物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，通过采用表面有氧化钌薄膜的RuO2/H2SO4体系和内部自串联的叠层结构，实现了赝电容超级电容器的储能。
本发明中的金属极片可以使用金属氧化物极片和无活性物质金属极片，其中，金属氧化物极片表面有活性金属氧化物涂层，通过使用金属氧化物极片，应用的是赝电容超级电容器的储能原理，而弹性电极中的主要成分为活性炭，应用的是双电层超级电容器的储能原理；本发明中的弹性电极可以使用压阻电极和双电层片状电极，其中，应用压阻传感的传感原理，使用压阻电极，通过受压传感，而双电层片状电极则是应用了电容传感的传感原理，通过双电层之间的电压实现传感；本发明中的隔膜可以使用镀银PVDF隔膜和PTFE隔膜，其中，镀银PVDF(聚偏氟乙烯)隔膜，在经过极化预处理后，受到过载冲击时，会在隔膜的两面发生极化，产生电势差，应用的是压电传感原理；PTFE(聚四氟乙烯)隔膜，具有良好的耐酸碱，耐腐蚀等特点，且具有优异的抗过载冲击性能。
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，批量制作弹性物体部分、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。
本发明制作出一种新型微能源器件，首先，该器件集成了超级电容器的储能功能与压电式传感器、压阻式传感器、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RuO2/H2SO4赝电容超级电容器体系，以及活性炭/H2SO4的双电层超级电容器体系，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；采用橡胶与活性炭电极制作出的弹性压阻电极作为压阻式传感器的功能部分，在受到冲击时，压阻电极会产生形变，形变会导致压阻电极的阻值发生变化，在充放电过程中产生电压波动，实现压阻传感功能，同时该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；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，金属集流体层间采用橡胶作为弹性物体，在受到冲击时，弹性物体会发生压缩，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 (10)
1.一种具有传感性能的储能和传感一体化超级电容器，其特征在于，包括：第一金属集流体、第一弹性支撑体、真空吸液模块、第二弹性支撑体和第二金属集流体；
所述第一金属集流体、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弹性物体和储能模块，所述储能模块填充在所述弹性物体内部，所述储能模块包括第一弹性电极、隔膜和第二弹性电极，所述第一弹性电极、所述隔膜和所述第二弹性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金属集流体、第四金属集流体和第五金属集流体，所述第三金属集流体、所述第四金属集流体和所述第五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所述的具有传感性能的储能和传感一体化超级电容器，其特征在于，所述第一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所述的具有传感性能的储能和传感一体化超级电容器，其特征在于，所述弹性物体为高弹橡胶。
4.如权利要求1所述的具有传感性能的储能和传感一体化超级电容器，其特征在于，所述第三金属集流体与所述第四金属集流体之间、所述第四金属集流体与所述第五金属集流体之间，均通过胶黏剂进行粘结形成点胶层。
5.如权利要求4所述的具有传感性能的储能和传感一体化超级电容器，其特征在于，所述第三金属集流体与所述第四金属集流体之间的第一点胶层，和所述第四金属集流体与所述第五金属集流体之间的第二点胶层，均具有缺口。
6.如权利要求5所述的具有传感性能的储能和传感一体化超级电容器，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。
7.如权利要求1所述的具有传感性能的储能和传感一体化超级电容器，其特征在于，所述第三金属集流体和所述第五金属集流体均为环形结构；所述第四金属集流体为片状结构。
8.如权利要求1所述的具有传感性能的储能和传感一体化超级电容器，其特征在于，所述弹性物体为环形结构。
9.如权利要求1所述的具有传感性能的储能和传感一体化超级电容器，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。
10.如权利要求1所述的具有传感性能的储能和传感一体化超级电容器，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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