CN110556252A - 一种提高电化学电容器储能密度的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高电化学电容器储能密度的方法，它属于电化学电容器技术领域。通过改变现有电化学电容器的结构和充电方法来数倍提高其储能密度技术要点：在电容器的电解液中增加正极、负极充电极板，正极充电电源接电容器正极集流体及正极充电极板，负极充电电源接电容器负极集流体及负极充电极板，由正极充电电源对正极电极材料界面与溶液侧界面形成的双电层电容充电；负极充电电源对负极电极材料界面与溶液侧界面形成的双电层电容充电；或者对正极、负极、正负极三条支路同时充电；放电时，由电容器正极端端口与负极端端口向负载释放电能。主要用途：电动汽车动力，风能/太阳能电站储能，不间断电源UPS，各种装备电源。

Description

一种提高电化学电容器储能密度的方法

技术领域

本发明属于电化学电容器技术领域。

背景技术

电化学电容器按电极材料及储能机理来分，可分为：碳基双电层电化学电容器；金属氧化物、氢氧化物、导电聚合物赝电容；以及一极是双电层电容，一极是赝电容所构成的混合电容器三种。

由于双电层电化学电容器的充放电过程是物理过程，电极没有化学反应，它的性能稳定，安全可靠，能大电流急速充放电，使用寿命长，本发明就以双电层电化学电容器来描述提高电化学电容器储能密度的方法。

利用本发明的电容结构和充电方法，只要更换相应的电解液和电极材料，就能制造出赝电容；混合电容，也能提高它们的储能密度。

电化学电容器的储能密度是该电容器所储存的能量除以该电容器的重量或体积，单位是wh/kg或wh/L。

双电层电化学电容器的背景技术

双电层电化学电容器的电极由金属薄膜和压制在此金属薄膜上的电极材料构成。(注：有的书上把金属薄膜称为金属集流体或者金属箔膜，常见的有铝箔、镍箔)

电极材料由碳基材料，导电剂、粘结剂所组成的混合物构成。

(另外一种现有技术是：用单层碳纳米管无纺布直接做电极的，它没有金属集流体，如中科院谢思深等人发明的电容)

在说明书附图1(1)中：1/1’为金属集流体；2/2’为电极材料；3/3’为电介质；4/4’为溶液侧带电界面；5为隔膜；6/6’为电解液；ΔE为充电电源。

电极制作过程包括合料、拌浆、涂布、压制、干燥，1和2组成电容器正极，1’和2’组成电容器负极，2或2’是由碳基材料、导电剂、粘结剂组成的混合物经合料、涂布、压制在1及1’上经干燥而得到电极，在以后的描述中，电化学电容器的电极是指1和2或者1’和2’所构成的整体。

一个单体双电层电化学电容器(指的是：没有与另一电容器电极串/并联，正负极之间的电压不超过电解液的分解电压)，它充电后有两个双电层电容：一个是正极界面与溶液侧界面所形成的双电层电容，称为正极侧双电层电容，另一个是负极界面与溶液侧界面所形成的双电层电容，称为负极侧双电层电容，电容器的正极与负极被隔膜隔开，隔膜是一层有孔的绝缘簿膜，电解质溶液中的离子可以穿过隔膜，电子不能穿越绝缘隔膜，每个双电层电容等效于一个串联内阻串联一个电容，并且在电容的两端并联着漏电电阻，一个单体双电层电容器由这样的两个双电层电容串联而成，参见图1。

在图1(1)中，电介质3两边的正极1和2与溶液侧界面4形成一个双电层电容C1，电介质 3’两边的负极1’和2’与溶液侧界面4’形成一个双电层电容C2，C1、C2都相当于平行板电容器，其电容的计算公式为S为涂覆在金属薄膜一边且与隔膜紧贴的电极材料的比表面积。

一个单体双电层电化学电容器，其等效电路如图1(2)所示，如果忽略等效串联内阻Rs和漏电电阻R_F，则图1(2)可简化成等效电路图1(3)，在对称的双电层电化学电容器中，C1＝C2，将图1(3)进一步简化就是图1(4)，在图1(2)中，等效串联电阻Rs是指引线与金属薄膜之间的电阻、金属薄膜与电极材料之间的接触电阻、电极材料本身的电阻、电解液电阻、隔膜电阻之和，等效串联内阻一般在数十毫欧以下，电容器两个串联内阻压降及两个串联的双电层电容C1，C2的电压之和最大值不能超过电解液的分解电压，在对称双电层电化学电容器中，C1＝C2，如果忽略双电层电容器的串联内阻压降，此时，其等效电路如图1(3)所示，则每个双电层电容上的电压最大值是电解液分解电压的一半，即

双电层电化学电容器以静电学形式将正负电荷置于一个电容器的不同极板之间来存储电能，这是一种没有感应电流的电能存储过程。

双电层电化学电容器在充/放电时，不含相变和成分变化，只有电子需要通过外部电路流入电极或从电极流出，并且电解质溶液中的阳离子和阴离子在溶液中传输到带电界面(充电过程) 或者阳离子和阴离子从双电层的带电界面流回到电解质溶液中(放电过程)。

双电层电化学电容器的充放电过程和机理：

1.电极界面上的电荷产生机理(参见图1(1))

在电容器极板上，由于两电极间存在外加电势差ΔE，在外加ΔE作用下，电子e从一个电极通过外电路被驱使到另一极，接受电子的电极就呈现出电子过剩，因此带负电；流出电子的电极就呈现电子欠缺，因此带正电。电子e的运动方向和充电电流i的方向相反，接充电电源正极的电容器电极是电子流出的电极，呈现出电子欠缺，充完电后，此极就是电容器的正极，接充电电源负极的电容器电极，是电子流入的电极，呈现出电子过剩，充完后，此极就是电容器的负极。

电极界面出现电子欠缺和电子过剩可能达到的程度，依赖于电极间的电压差ΔE，电极界面所聚积的电荷量q对被测电极的电势E的依赖关系可直接表示为微分的定量关系，即 C_dl即是双电层电容。

2.溶液侧带电界面的电荷产生机理

在图1中，溶液侧带电界面为4，4’，6是电解质溶液，它呈电中性，即不带电，没有净电荷，在充电或放电过程中，6区呈现为电解液电阻，产生压降IR。

溶液侧带电界面的电荷分布：它由一个致密层和一个分布较宽的扩散层组成，致密层厚度在 0.5～0.6nm，扩散层的厚度在1～100nm，致密层的带电量q₁与扩散层带电量q₂之和为q_s，其大小与电极界面的电量q_m相等，符号相反，-q_m＝q_s＝q₁+q₂电子通过外部电路注入电极或流出电极，与此同时发生的是电解质溶液中的阳离子和阴离子在溶液中传输到带电界面(充电过程)或者阳离子和阴离子从双电层的带电界面流回到电解质溶液中(放电过程)，且时时刻刻保持-q_m＝q_s＝q₁+q₂

3.双电层电化学电容器的理想极化过程

所谓的理想极化电极，电流i仅仅是将电荷传递给了电极界面，而没有电荷通过双电层引起电极表面化学变化的法拉第过程的发生。

法拉第过程是指在电极和电解液中的离子或分子之间存在电荷转移的电极过程。

4.双电层的极板，电介质的描述

在双电层中，电极界面就是电容器的一个极板(如图1(1)中的2，2’)，另一个极板则是离子溶液的内部区域(如图1(1)中的4，4’)，一个电容器原型器件是由这样的两个双电层组成，电极界面与溶液界面形成的电场，(即2，4之间，2’，4’之间的电场)，其电场强度高达10⁷V.cm^-1，电极界面与溶液界面之间的电介质(即图1(1)中的3，3’)由位于电极界面局部区域中约0.5～0.6nm厚度的簿层溶剂分子组成，这层溶剂分子与电极产生相互作用，并且由于双电层的电势已经从零电荷电位产生了较大偏离，而在双电层的电场作用下，发生明显地再定向，同时发现位于双电层的相界区域中的许多溶剂分子可被存在于双电层霍姆亥兹区中的电解质阳离子或阴离子极化力而取向，从而，在形成双电层相界溶剂介质的位置建立起产生双电层电容的电荷分离，这些位置具有分子水平的复杂结构，它为分散体系中的离子提供溶剂化壳层。

5.电荷在导电的电容器极板上的分布有均匀化的趋向，导电极板上的电子电荷(±)是导带电子的离域化电荷，当双电层放电时，该放电电流用来将聚集的离子电荷从两电极界面所对应的溶液侧带电界面传输到溶液中，因此，对于本发明的双电层电化学电容器，无论是在充电过程还是在放电过程或者在静态的不充不放状态下，金属薄膜上的电荷分布是均匀的，不会出现电荷堆积在隔膜两侧的金属薄膜上，且时时刻刻保持着-q_m＝q_s＝q₁+q₂，从电学角度上讲，电极中的金属薄膜是等势体。

6.单体双电层电化学电容器的电极结构有卷绕型和叠层型两种，正极负极之间设有隔膜，单体双电层电化学电容器由正极、负极、隔膜、电解液、引线、外壳等组成。

7.单体双电层电化学电容器的电能存储在正极侧的双电层电容和负极侧的双电层电容里，正极侧的双电层电容由紧贴隔膜的正极界面与溶液侧界面形成，负极侧的双电层电容由紧贴隔膜的负极界面与溶液侧界面形成，电容器充电时，充电电源的正极负极分别连接在该电容器的正极和负极，电容器放电时，电能从电容器的正极负极输出。

发明内容

1.现有技术的不足有二：

其一：现有结构的双电层电化学电容器，纵使金属薄膜的所有表面(或者说是两个面积最大的表面)都涂覆有电极材料，对正极侧或者负极侧双电层电容值起贡献作用的也只有隔膜两边所对应的那个电极界面，因为电容器的正极、负极相当于平行板电容器的两个极板，充电电场主要集中于正极、隔膜、负极之间区域，这个电场是分离电解液中带电的阳离子、阴离子的能量源泉，按照能量守恒定律，在不计损耗的情况下，给电容充电的能量等于分离电荷的能量，也等于电容存储电荷的能量

【何孝军在“双电层电容器中单/双面涂覆电极的电化学性能比较”一文中写到，在1.5× 1.5cm²的镍箔上单面涂覆电极的电容，经1000次循环后，其能量密度从9.4wh/kg下降到 6.1wh/kg；双面涂覆电极的电容，经1000次循环后，其能量密度从7.8wh/kg下降到7.6wh/kg。 (可在网上搜到此文，2009年国家自然科学基金资助项目)

----由此可见，双面涂覆电极，按现有结构和充电方法，并不能使其储能增加，也可以说明，只有隔膜两边的电极界面与其对应的溶液侧界面形成了两个双电层电容，即正极侧双电层电容和负极侧双电层电容】

其二，前已述及，如果忽略对称双电层电容器的串联内阻压降，此时，其等效电路如图1(3) 所示，则每个双电层电容上的电压最大值是电解液分解电压的一半，即

2.要解决的技术问题

在单体电容器的制造过程中，除了遵循现有技术的技术要求外，通过改变电容器的结构和充电/放电方法来提高电化学电容器的储能密度，具体来讲，就是使每个金属集流体的两个涂覆有电极材料的电极界面都能与电解液界面形成双电层电容，且每个双电层电容充电电压在忽略串联内阻压降后达到电解液的分解电压。

(1)在单体双电层电化学电容器制造时，在电解液里增加充电极板(负极充电电极称为电极 A，正极充电电极称为电极C，他们相间均匀分布且制作在一块PCB电路板的同一面上，它们的电极引出线制作在这块PCB板的另一面，充电极板示意图见图2，充电极板并不局限于图2 所示，它们可以有别的图案和形状；另一种充电极板是：整块充电极板要么为负极充电极板即电极A，要么为正极充电极板即电极C，对于非相间分布的这种充电极板，其在电容器中的数量是成对出现的，即正极充电极板、负极充电极板各一块；各2块，各三块等等)，使电容器的正极有“正极充电电源”，且“正极充电电源”的正极输出端接电容器的正极，“正极充电电源”的负极输出端接在电解液中新增加的正极充电电极(电极C)，实现“正极充电电源”输出端所接充电极板(电极D，电极C)形成的电场能对正极电极界面与溶液侧界面形成的双电层电容充电；使电容器的负极有“负极充电电源”，且“负极充电电源”的负极输出端接电容器的负极(电极B)，“负极充电电源”的正极输出端接在电解液中新增加的负极充电电极 (电极A)，实现“负极充电电源”输出端所接充电极板(电极A，电极B)形成的电场能对负极电极界面与溶液侧界面形成的双电层电容充电，(电场的性质是：在任何带电系统所产生的静电场中，电力线与等势面都是处处正交的，电极D、电极B、电极A、电极C它们各自都是等势面，电场的方向指向电势降落的方向，电力线从正极出发，指向负极，且与负极表面处处正交，电极A与电极B形成的电场，电力线从电极A出发，且与电极A的表面处处正交，指向电极B，且与电极B的表面处处正交；电极D与电极C形成的电场，电力线从电极D出发，且与电极D的表面处处正交，指向电极C，且与电极C的表面处处正交；电力线上每一点的切线方向与该点的电场强度E的方向一致，静电场的电力线有两种性质：第一，不形成闭合回线，也不中断，而是起自正电荷，止于负电荷，第二，任何两条电力线不会相交，静电场中每一点的场强只有一个方向。电解液中的带电离子受电场力的作用而运动，阳离子的受力方向同电场方向，阴离子的受力方向与电场方向相反，这里，电极B的表面实质上是涂覆在金属集流体B上的电极材料的所有表面，电极D的表面实质上是涂覆在金属集流体D上的电极材料的所有表面)，其目的或者说其结果是：使电容器的正极所有电极材料界面与溶液侧界面形成双电层电容，且其充电电压达到电解液的分解电压(忽略电容器串联内阻压降)；使电容器的负极所有电极材料界面与溶液侧界面形成双电层电容，且其充电电压达到电解液的分解电压(忽略电容器串联内阻压降)，本发明的电容器在计算储能时如下：

每个双电层电容储能公式中，在计算正极侧或者负极侧双电层电容储能时，S则变成图1(1)现有技术双电层电容器相应S的两倍，因为正极或者负极的两个涂覆有电极材料的界面都能与电解液界面形成双电层(在图5(2)中，如果使用现有技术的单体双电层电容器的结构和充电方法是这样的：在电极D、B之间加不超过电解液分解电压的充电电压，在隔膜的左侧和右侧形成两个双电层电容，而使用本发明的单体双电层电容器的结构和充电方法能形成四个双电层电容，即电极B左侧、右侧的两个双电层；电极D左侧、右侧的两个双电层)；V则变成图1(1)现有技术双电层电容器相应V的两倍，参见图5(2)，因为金属集流体B左侧或者右侧的双电层电容充电电压为U_AB减去电容器串联内阻压降、金属集流体D左侧或者右侧的双电层电容充电电压为U_CD减去电容器串联内阻压降，U_AB是电极A 与电极B之间的电压，U_CD是电极C与电极D之间的电压。U_AB，U_CD可达到电解液分解电压值，在忽略电容器串联内阻压降时，每个双电层电容的充电电压可达到电解液的分解电压值，(这个电容器串联内阻压降在现有技术的双电层电化学电容器中同样是存在的，大小几乎与之相等)，这样，就能使本发明的电容器的储能增加到现有技术双电层电化学电容器储能的8倍。即

上式分母中的是现有技术中的双电层电容器正极侧或者是负极侧双电层电容的储能，乘以2是因为现有技术中的双电层电容器正极侧与负极侧双电层电容的储能之和才是它存储的能量(参见图1)，上式中的分子是本发明的双电层电容器的所有储能。

在电容器制造中增加充电极板的数量可以是一块到多块，直至包围整个电极体，也可以将充电极板做在电容器外壳的内表面(但要保证增加的充电电极与电容器的整个电极体都浸没在电解液里)，将所有充电极板的负极充电电极引出线连在一起；所有充电极板的正极充电电极引出线连在一起。对于卷绕型的电极体，可以在上底或者下底位置；也可以在上底及下底位置；还可以在上底、下底、圆柱体柱面外围位置增加充电极板，包围整个电极体；对于叠层型电极体，可以在集流体厚度所在表面的垂直方向增加一块到四块充电极板，也可以在电极体的前后左右上下这6个方位增加充电极板，包围整个电极体。(电极体即由所有正极、隔膜、负极组成的整体)

另外，也可以试验充电极板不在电解液里的对应的上述情形，直接由电容器正极集流体里的电子缺失所带的正电荷与电解液里的阴离子形成双电层电容，由电容器负极集流体里的过剩电子所带的负电荷与电解液里的阳离子形成双电层电容。

(2)能实现单体电容器的并联，形成电容器组。

(3)能实现所有电容器(组)的正极串联均衡充电，所有电容器(组)的负极串联均衡充电，能实现所有电容器(组)的电极串联，并对外供电或接受动态充电。(参见图10，其中G*(+)H*(-)端口能对外供电或接受动态充电，A*(+)B*(-)接负极充电电源输出端，D*(+)C*(-) 接正极充电电源输出端)。

技术方案：

提高电化学电容器储能密度的方法与现有技术的共同特征：

使用现有技术双电层电化学电容器的制造材料、制造工艺、生产技术要求。

在电容器结构上相同的部分：现有的双电层电化学电容器主要由正极、负极、隔膜、电解液、引线、外壳组成，正极和负极之间设有隔膜，其中正极、负极的金属集流体所有表面(或者说面积最大的两个表面)都涂覆有电极材料(注：由于金属集流体厚度极薄，厚度所在的表面，涂覆或不涂覆电极材料对电容器影响不大，可忽略)，现有技术中，也有正极/负极不需要金属集流体的；

电化学电容器包括双电层电化学电容器、赝电容、混合电容，本发明适用于这三种电容器；单体电容器并联时，是相同功能的电极并接在一起；单体电容器串联时，是相邻两个电容器的正极负极连接在一起，直至最后，由位于最上位的电容器的正极与位于最下位的电容器的负极构成对外供电输出端，这也是电容器组接受充电的输入端；电容器的能量存储在电容器的正极侧双电层电容和负极侧双电层电容中，正极侧双电层电容和负极侧双电层电容所存储的能量之和就是整个单体双电层电化学电容器所存储的能量；能实现电容器的串联均衡充电；提高电化学电容器储能密度的方法，其特征是：

单体电化学电容器的制造上的区别：首先：遵循现有技术中的生产技术要求，正负极之间要有防漏电措施，以防止自放电或无效充电，因本发明的电容器中增加了一块或者多块充电极板，还有电极体的耳极，所以在电解液中的电极耳极及其焊接导线、电容器正极负极引出导线等没有电极材料覆盖的地方焊接好后都要涂覆绝缘防腐层，正极充电电源的负极输出端与充电极板上的正极充电极板引出线焊接，负极充电电源的正极输出端与充电极板上的负极充电极板引出线焊接，焊好后涂覆绝缘防腐层，正极充电电源输出端及其负载要有防漏电措施，负极充电电源输出端及其负载也要有防漏电措施；其次：在电解液中增加充电极板，充电极板有两种形式，第一种是在同一块充电极板上增加了正极充电电极(或者叫正极充电极板，如图5上图中的电极C)，负极充电电极(或者叫负极充电极板，如图5上图中的电极A，充电极板示意图见图2，其实，正极充电电极，负极充电电极只要均匀相间分布，任意图形和形状都可以，并不局限于图2所示；第二种充电极板是：整块充电极板要么为负极充电极板即电极A，要么为正极充电极板即电极C；

其三：使电容器的正极有单独的正极充电电源，并且正极充电电源的正极输出端接电容器的正极(有金属集流体时接正极金属集流体)，正极充电电源的负极输出端接在电解液中新增的正极充电电极，实现“正极充电电源”输出端所接极板形成的电场能对正极电极界面与溶液侧界面形成的双电层电容充电；使电容器的负极有另外一套负极充电电源，并且负极充电电源的负极输出端接电容器的负极(有金属集流体时接负极金属集流体)，负极充电电源的正极输出端接在电解液中新增的负极充电电极，实现“负极充电电源”输出端所接极板形成的电场能对负极电极界面与溶液侧界面形成的双电层电容充电；

其四：在电容器制造中增加充电极板的数量可以是一块到多块，直至包围整个电极体，也可以将充电极板做在电容器外壳的内表面(但要保证增加的充电电极与电容器的整个电极体都浸没在电解液里)，对于卷绕型的电极体，可以在上底或者下底位置；也可以在上底及下底位置；还可以在上底、下底、圆柱体柱面外围位置增加充电极板，包围整个电极体；对于叠层型电极体，可以在集流体厚度所在表面的垂直方向增加一块到四块充电极板，也可以在电极体的前后左右上下这6个方位增加充电极板，包围整个电极体，对于采用非相间分布的充电极板，其在电容器中的数量是成对出现的，即正极充电极板、负极充电极板各一块；各2块，各三块等等。

其五：本发明的电容器，电极体有两种结构，即卷绕型和叠层型；卷绕型电极卷绕前，其头部截面示意图如图3(1)所示，电极的长度方向垂直纸面，在金属薄膜B的所有表面涂覆有电极材料，留出一部分裸体金属作为耳极部分，用于卷绕后电极引线焊接，同样，在金属薄膜D的所有表面涂覆有电极材料，留出一部分裸体金属作为耳极部分，用于卷绕后电极引线焊接，隔膜1/电极B/隔膜2/电极D卷绕完成后的电极示意图如图3(2)所示，隔膜1在内，隔膜2在外，电极B与电极D长度相等，电极D卷绕完后，用隔膜2继续卷绕，将整个电极体包围一圈，隔膜2的长度最长，它与现有技术的双电层电容器的电极卷绕方法完全相同(当然，电极的引线也可以从电极B、D的尾部引出，这种情况下，电极B、D的裸体金属耳极位于电极尾部)，由这种电极结构所组成的电容器，它的部件分布示意图如图5上图所示(此图只画出仅有一块充电极板的情形，实际上可以有多块充电极板，直至包围整个电极体)。此种结构下，电容器电极体是电容器的隔膜1/电极B/隔膜2/电极D卷绕成的圆柱体；其上底或下底位置的充电极板示意图如图2上图所示。

叠层型的电极结构

叠层式独立单元电极俯视图如图3(3)所示，叠层式独立单元电极左视图如图3(4)所示，它同样由金属薄膜、电极材料、隔膜组成，金属薄膜B、D的所有表面都涂覆电极材料，金属薄膜B、D留出一部分裸体金属，作为耳极部分，将电极D的裸体金属耳极分别焊接到金属条 1，2上；将电极B的裸体金属耳极分别焊接到金属条3，4上，一个独立单元电极体耳极焊接俯视图如图4上图所示(金属条1，2在上，金属条3，4在下)。金属薄膜B所有表面涂覆有电极材料制成的电极简称电极B，金属薄膜D所有表面涂覆有电极材料制成的电极简称电极D。由多块单元电极组成电极整体时，相邻单元电极D、B之间设有隔膜，隔膜两边的电极极性相反，在图4下图，在电极体的左右两端即左右两端绝缘板内侧各放置一张隔膜，用左右两端绝缘板适度压紧电极体后，将所有电极D的裸体金属耳极全部焊接在两条金属条上，这两条金属条就是图4下图中电极体方框横梁1，2；将所有电极B的裸体金属耳极全部焊接在两条金属条上，这两条金属条就是图4下图中电极体方框横梁3，4；电极体方框的其它组成部分可用绝缘材料，并确保电极整体稳固，此种结构下，电极A，电极C为相间方形金属片，叠层型电极体的充电极板示意图如图2(2)所示，充电极板面积略大于或等于临近它的电极体的面积，由这种电极结构所组成的电容器，它的部件分布示意图如图5上图所示。

其六：单体电化学电容器的充电方法上的区别：由负极充电电源给电容器的负极电极界面与溶液侧界面形成的双电层电容充电，负极充电电源的负极输出端接电容器的负极，负极充电电源的正极输出端接在电解液中新增的负极充电电极；由正极充电电源给电容器的正极电极界面与溶液侧界面形成的双电层电容充电，正极充电电源的正极输出端接电容器的正极，正极充电电源的负极输出端接在电解液中新增的正极充电电极；

在由多只单体电容器并联成一组，由多组电容串联成电容器阵列的充电/放电方法上的区别：对于电机这样的负载(比如电动汽车)，刹车时，由回馈能源给电容器阵列充电，我把它定义为动态充电，由电网能源给电容器阵列充电，我把它定义为静态充电，多只单体电容器并联成一组，是将所有单体电容器的相同功能电极引出线分别焊在一起，把这一组电容当成一只电容来看待，每组电容器的正极充电电源输入端、负极充电电源输入端都与相应的均衡充电变压器的副边整流输出端相连(如图10)，通过接触器的常开触头将所有电容器组负极充电电源输入端串联起来，接在负极充电电源上，负极充电电源由电流内环电压外环双闭环控制的开关电源产生；通过接触器的常开触头将所有电容器组正极充电电源输入端串联起来，接在正极充电电源上，正极充电电源由电流内环电压外环双闭环控制的开关电源产生；通过接触器的常闭触头依次将相邻电容器组的正极负极相连，此支路接触器用于控制动态充电或放电；静态充电时，所有控制负极充电电源支路的常开接触器触头全部闭合，所有控制正极充电电源支路的常开接触器触头全部闭合，所有用于控制动态充电或放电的接触器常闭触头全部打开；电容器阵列处于动态充电或者放电状态时，所有用于静态充电的接触器常开触头全部打开，即所有控制负极充电电源支路的常开接触器触头全部打开，所有控制正极充电电源支路的常开接触器触头全部打开，用于相邻组电容器正负极连通的接触器常闭触头全部闭合，由位于最上位的电容器组的正极与位于最下位的电容器组的负极对外输出电能，也由这两端接受回馈电能的充电，在接受动态充电时，充电电压不能大于电容器组的串联组数乘以电解液的分解电压。

另外一种方案是：由多只单体电容器并联成一组，由多组电容串联成电容器阵列的充电/放电控制电路中(如图10)，用于控制负极充电电源支路中的接触器，至少留出一组触头(最好先留出该支路电流流入的第一个接触器的触头)由接触器控制，其余触头的开/闭可由连接器的断/通来实现，用于控制正极充电电源支路中的接触器，至少留出一组触头(最好先留出该支路电流流入的第一个接触器的触头)由接触器控制，其余触头的开/闭可由连接器的断/通来实现，用于控制动态充电/放电支路中的接触器，至少留出一组触头(最好先留出该支路电流流入的第一个接触器的触头)由接触器控制，其余触头的开/闭可由连接器的断/通来实现。其七：连接器的制作是这样的(参见图11)：在A、B、C三块绝缘板上打孔，A、C两块绝缘板固定不动，全部安装连接器的公体部分，在B绝缘板上全部安装连接器的母体部分(当然，公体母体连接器安装位置互换也可以)，B板与C板上的每一对连接器对应接触器的一组触头，B绝缘板可在导轨上平行移动，通过手动或电动的办法移动B绝缘板，使C板上的公体连接器与B板上的母体连接器的接通或断开来代替接触器触头的接通或断开，A板上的公体连接器与B板上的母体连接器始终接通，这样的三套装置就能分别实现上述三条支路中接触器触头的开闭控制，每一套对应实现其中的一条支路接触器触头的开闭控制，在三条支路中，每条都至少留一组触头由接触器控制，以保证三条支路连接器在拔插过程中不通电。

j₁ ^(-)支路定义为串联的电容器组负极充电支路[从A*(+)到B*(-)，定义为第一条支路]，j₁ ⁽⁺⁾支路定义为串联的电容器组正极充电支路[从D*(+)到C*(-)，定义为第二条支路]，CF支路定义为电容器组之间的正负极串联充电支路[从G*(+)到H*(-)，定义为第三条支路]。在新增的充电方法中，分为两类：(参见图10)

第一类为：取消CF支路中电容器组之间串联所用的连接器开关CF连接方式，改为紧密接触直通连接电容器组之间的正负极，或者用导线直接连通电容器组之间的正负极。

这一类新增的充电方法如下：

(1)断开CF支路，先把j₁ ^(-)支路，j₁ ⁽⁺⁾支路充满了，断开j₁ ^{( )}支路，j₁ ^(·)支路后，再充CF支路，CF支路充满了之后，断开CF支路，由电容器组的正负极端口对外供电。

(2)断开j₁ ^(-)支路，j₁ ⁽⁺⁾支路，先把CF支路充满了，断开该支路后，再充j₁ ^(-)支路，j₁ ⁽⁺⁾支路；j₁ ^(-)支路，j₁ ⁽⁺⁾支路充满了之后，断开j₁ ^(-)支路，j₁ ⁽⁺⁾支路，由电容器组的正负极端口对外供电。

(3)j₁ ^(-)支路、j₁ ⁽⁺⁾支路与CF支路同时进行充电，全部支路充满电后，断开CF支路及j₁ ^{( )}支路，j₁ ⁽⁺⁾支路，由电容器组的正负极端口对外供电。

上述的新增充电方法(1)(2)(3)中讲的断开j₁ ^(-)支路，j₁ ⁽⁺⁾支路是指：断开该支路连接充电电源的接触器触头j₁ ^(-)、j₁ ⁽⁺⁾及所有连接器开关J^(-)、J⁽⁺⁾；断开CF支路是指：断开连通该支路充电电源的接触器触头CF₁；j₁ ^(-)支路，j₁ ⁽⁺⁾支路充电：需要接通该支路连接充电电源的接触器触头j₁ ^(-)、j₁ ⁽⁺⁾及所有连接器开关J^(-)、J⁽⁺⁾；CF支路充电：需要接通该支路连接充电电源的接触器触头CF₁

新增的第二类充电方法是：

不改变CF支路中电容器组之间串联所用的连接器开关CF连接方式：

新增的充电方法：

(4)断开CF支路，先把j₁ ^(-)支路，j₁ ⁽⁺⁾支路充满了，断开j₁ ^(-)支路，j₁ ⁽⁺⁾支路后，再充CF支路，CF支路充满了之后，断开CF支路充电电源的接触器触头CF₁，接通所有连接器开关CF，由电容器组的正负极端口对外供电。

(5)断开j₁ ^(-)支路，j₁ ⁽⁺⁾支路，先把CF支路充满了，断开该支路后，再充j₁ ^(-)支路，j₁ ⁽⁺⁾支路；j₁ ^{( )}支路，j₁ ⁽⁺⁾支路充满了之后，断开j₁ ^(-)支路，j₁ ⁽⁺⁾支路，断开CF支路充电电源的接触器触头CF₁，接通所有连接器开关CF，由电容器组的正负极端口对外供电。

(6)j₁ ^(-)支路、j₁ ⁽⁺⁾支路与CF支路同时进行充电，全部支路充满电后，断开CF支路充电电源的接触器触头CF₁及j₁ ^(-)支路，j₁ ⁽⁺⁾支路，由电容器组的正负极端口对外供电。

上述的新增充电方法(4)(5)(6)中讲的断开j₁ ^(-)支路，j₁ ⁽⁺⁾支路是指：断开该支路连接充电电源的接触器触头j₁ ^(-)、j₁ ⁽⁺⁾及所有连接器开关J^(-)、J⁽⁺⁾；断开CF支路是指：断开连通该支路充电电源的接触器触头CF₁及所有连接器开关CF；j₁ ^(-)支路，j₁ ⁽⁺⁾支路充电：需要接通该支路连接充电电源的接触器触头j₁ ^(-)、j₁ ⁽⁺⁾及所有连接器开关J^(-)、J⁽⁺⁾；CF支路充电：需要接通该支路连接充电电源的接触器触头CF₁及所有连接器开关CF；由电容器组的正负极端口对外供电：需要断开CF支路充电电源接触器触头CF₁，接通所有连接器开关CF。

前面讲过，本专利所述的制造方法和充电方法可用于双电层超级电容、赝电容电容器、混合电容器，例如在锂离子电容器中，电极A、电极C是金属锂极板，其他同现有技术的锂离子电容器，充电方法如上如前所述。

(3)有益效果：

2011年1月22日，美国纳米技术仪器公司的BorJang等人研制出一种石墨烯超级电容器，该电容器使用了石墨烯混合了5％的超级P(一种乙炔黑，相当于导电添加剂)和10％的聚四氟乙烯(PTEE)结合剂，电解液是一种名叫EMIMBF₄的化学品，这种超级电容器的能量密度为85.6wh/kg，80℃时是136wh/kg，如果使用这种电极材料和电解液，按我发明的电容器结构和充电方法来制造双电层电容器，在使用相同面积的金属薄膜并按双面涂覆电极材料来做电极时，所储存的电能将提高至8倍，其能量密度接近8×85.6＝684.8wh/kg，汽油机的能量密度为700wh/kg，比起现有的双电层电容器，我只增加了充电极板，其能量密度已远远打破世界记录，本发明足以改变世界现状，造福人类社会，它广泛用于电动汽车，风能、太阳能电能存储，电网储能，不间断电源，卫星、武器装备等各种电子装备。

附图说明

图1(1)现有双电层电化学电容器示意图。

图1(2)、图1(3)、图1(4)现有双电层电化学电容器等效电路。

图2(1)卷绕型电极体的充电极板示意图，图2(2)叠层型电极体的充电极板示意图，在图2 中，所有电极A通过过孔与电极A引出线相连，所有电极C通过过孔与电极C引出线相连，电极A、电极C与它们的引出线可分布在不同的面上。

图3(1)卷绕式电极头部截面示意图，图3(2)卷绕式电极示意图。

图3(3)叠层式独立单元电极俯视图，图3(4)叠层式独立单元电极左视图。

图4(1)单元电极体耳极焊接示意图，图4(2)电极体方框示意图。

图5(1)电容器部件分布示意图(本图只画出一块充电极板的情形，实质上可以有多块，直至包围整个电极体)，图5(2)电极充电示意图。

图6(1)CF群，J^(-)群交流接触器线包接入图。

图6(2)J⁽⁺⁾群交流接触器线包接入图。

图6(3)电容器阵列负极充电电源产生电路。

图6(4)电容器阵列正极充电电源产生电路。

图7(1)电容器阵列负极充电电源产生电路〔即图6(3)〕的开关管S驱动信号产生电路，电容器阵列正极充电电源产生电路〔即图6(4)〕的开关管R驱动信号产生电路。

图7(2)电容器阵列负极充电电源电流电压双闭环控制信号产生电路。(图7(1)中的1#IR2110 的10脚信号)

图8(1)电容器阵列正极充电电源电流电压双闭环控制信号产生电路。(图7(1)中的2#IR2110 的10脚信号)

图8(2)电流内环电压外环双闭环脉宽调制信号产生及开关管驱动信号产生流程图。

图9(1)直流/交流变换H桥电路。(图6(3)中的H桥)

图9(2)由8051单片机产生两个等宽反向的H桥交替导通控制信号HIN、LIN。

图9(3)由8051单片机产生两个等宽反向信号HIN、LIN的程序框图。

图10电容器阵列静态及动态充电/放电示意图。

图11(1)B板在下限位置、连接器接通时的连接器控制系统图。

图11(2)B板在上限位置、连接器断开时的连接器控制系统图。

图11(3)A、B、C三板之一的俯视图，其中I，II，III，IV为连接器安装区。

图11(4)A、B、C三板之一的正视图，图11(5)手动时锁定齿装置示意图。

图12(1)外部中断0、外部中断1产生电路及驱动电机位置控制系统图。

图12(2)+5V_P产生电路，图12(3)光耦光线挡板15在上限位置时检测电路

图12(4)光耦光线挡板15在下限位置时检测电路，图12(5)继电器ZJ1，ZJ2，ZJ3线包通电控制电路，图12(6)接触器J₁ ^(-)、J₁ ⁽⁺⁾、CF₁线包通电控制电路，

图12(7)接触器触头与连接器支路等效电路图，图12(8)通过延时继电器触头控制产生+5V_P的电路。

图13(1)J₁ ^(-)支路、J₁ ⁽⁺⁾支路、CF₁支路，充电态J₁ ^{( )}J₁ ^(·)移动连接器在下限位栓锁/解锁CPU；放电态J₁ ^(-)J₁ ⁽⁺⁾移动连接器在上限位栓锁/解锁CPU主程序框图，

图13(2)CF₁支路CPU的INTO中断服务程序框图，图13(3)J₁ ^{( )}J₁ ⁽⁺⁾支路CPU的INTO中断服务程序框图。

图14(1)J₁ ^(-)、J₁ ⁽⁺⁾支路CPU的INT1中断服务程序框图，图14(2)续接图13(3)A点的J₁ ^(-)J₁ ⁽⁺⁾支路CPU的INTO中断服务程序框图，图14(3)CF₁支路CPU的INT1中断服务程序框图。

图15(1)续接图14(3)B点的CF₁支路CPU的INT1中断服务程序框图。

图15(2)充电态栓锁/解锁图，图15(3)移动连接器驱动俯视图，图15(4)

放电态栓锁/解锁图，图15(5)充电态解锁位光耦1检测输出，充电态栓锁位光耦3检测输出，图15(6)放电态解锁位光耦2检测输出，放电态栓锁位光耦4检测输出。

图16(1)充电态J₁ ^(-)J₁ ⁽⁺⁾在下限位栓锁/解锁CPU的INTO中断服务程序框图

图16(2)放电态J₁ ^(-)J₁ ⁽⁺⁾在上限位栓锁/解锁CPU的INTO中断服务程序框图

图17(1)充电态J₁ ^(-)J₁ ⁽⁺⁾在下限位栓锁/解锁CPU的INT1中断服务程序框图

图17(2)放电态J₁ ^(-)J₁ ⁽⁺⁾在上限位栓锁/解锁CPU的INT1中断服务程序框图

图17(3)实现J₁ ^(-)、J₁ ⁽⁺⁾、CF₁三条支路B板上限位/下限位运动控制及位置锁定/解锁需要用到的CPU。

在图6(1)中，通过空气开关接通或关断市电对后续电路的供电，K₁为CF₀接触器自锁开关(常开触头)，K₂为手动开关，充电插头插入电网前，先合上K₂，充电插头插入电网后，合上空气开关后，再按下启动按钮K便开始充电，充电完成后，先断开K₂，后断开空气开关，再将充电插头拔出，这样就能实现：合上空气开关后，没按下充电启动按钮K之前，CF支路触头先断开，按下启动充电按钮K之后，J₁ ^{( )}、J₁ ⁽⁺⁾支路触头才闭合，此时充电开始；充满电后，手动断开K₂，则J₁ ^(-)、J₁ ⁽⁺⁾支路触头断开，断开市电后，放电支路CF触头闭合，这种方式适合于接触器用量不多的情形。

CF₀交流接触器用于启动静态充电，它有两组常开触头CF_0-1，CF_0-2，合上空气开关，CF₁～CF_n交流接触器线包通电，它们的常闭触头是图10中的所有CF触头，此时全部打开，在图6(1) 中，有一个二极管指示灯，当它亮时，表明已将CF₁～CF_n触头全部由常闭转为常开，做好了静态充电的准备，此时，按下启动静态充电控制按钮K(它是自锁的，即CF₀有一组常开触头 K1与启动按钮K并联)，CF₀的线包通电，则两组常开触头CF_{0 1}、CF_{0 2}闭合， J₁ ^(-)……J_m ^(-)，J₁ ⁽⁺⁾……J_m ⁽⁺⁾交流接触器线包通电，图10中的所有J^{( )}交流接触器常开触头闭合，所有J⁽⁺⁾交流接触器常开触头闭合，从图10可以看到，所有双电层电容器的负极串联、正极串联，由图6(3)所示的电容器阵列负极充电电源输出端A*(+)B*(-)对电容器组的串联负极进行充电，由图6(4)所示的电容器阵列正极充电电源输出端D*(+)C*(-)对电容器组的串联正极进行充电。

图6(3)电路描述：220V交流电整流后经π型滤波电路为DC/DC升压电路提供直流电，(S₁S₄)， (S₂S₃)开关管组成交替导通H桥，占空比为0.5，它将直流电变为交流电，给所有变压器的原边供电，这些变压器的副边就是图10中的均衡充电变压器的副边，电容器负极均衡充电过程是这样的：每组电容器的负极由变压器副边电压经全桥整流提供均衡充电电流，由于所有变压器的结构相同，并且所有变压器原边并联，则所有变压器副边电压相同，端电压最低的电容器负极所对应的整流桥首先导通，此时，其它变压器副边电压被钳位在端电压最低的电容器所接的变压器副边电压，则其它整流桥不导通，均衡电流只提供给端电压最低的电容器负极，当这个电容器负极的端电压升高后，会再出现另一个端电压最低的电容器负极，则相应的整流桥又提供均衡电流给该电容器负极并进行充电，如此下去，最后，所有电容器负极达到均衡充电，电容器正极均衡充电过程与此相同。

利用电流内环，电压外环的双闭环系统控制开关管S的导通和关断，双闭环的工作原理是这样的(参见图8(2))：

突加给定电压时，由于电容器组的端电压不能跳变，电压负反馈还来不及反应出来，电压调节器很快便处于饱和状态，输出恒值限幅电压，经过电流调节器，控制电容器充电，随着充电的进行，电容器组的端电压上升，反馈电压也上升了，只要反馈电压小于给定电压，电压调节器输出仍维持在限幅值上不变，直到反馈电压大于给定电压，输入偏差为负值，才开始使电压调节器输出电压降低下来，因此，在电容器组端电压上升过程中，电压调节器一直是饱和的，这相当于电压环处于开环状态，系统在只有电流环的恒值调节作用下，保证电容器组在给定的最大电流下充电，直到反馈电压超过给定电压，电压环才真正发挥作用，使电压渐趋稳定，因此，图6(3)所示的电容器负极充电电源产生电路的输出能使电容器组先以给定的电流进行恒流充电，以达到快速充电的目的，当电容器组的端电压升高到给定电压时，实现对电容器组的恒压充电。

图6(4)，是电容器组正极充电电源产生电路，它也是利用图8(2)所示的框图来控制开关管R的导通和关断，同样的道理，电容器组正极充电电源产生电路的输出，也能使电容器组的正极先恒流充电，后恒压充电。

图7(1)是实现图8(2)框图中的开关管信号驱动电路，开关管信号驱动电路使用了IR2110 集成电路，1#IR2110的7脚输出接图6(3)的S管控制极，2#IR2110的7脚输出接图6(4) 的R管控制极。IR2110的11脚为高电平时，封锁7脚输出。

图7(2)是实现图8(2)框图中的“电压给定，电压反馈，电压调节器，限幅电路，电流反馈，电流调节器，限幅电路，PWM产生电路”的具体电路，实现对S开关管的电压电流双闭环导通/关断控制，使图10中的电容器组的负极先进行恒流充电，再进行恒压充电。

图8(1)是实现图8(2)框图中的“电压给定，电压反馈，电压调节器，限幅电路，电流反馈，电流调节器，限幅电路，PWM产生电路”的具体电路，实现对R开关管的电压电流双闭环导通/关断控制，使图10中的电容器组的正极先进行恒流充电，再进行恒压充电。

图9(1)是实现图6(3)中S₁、S₂、S₃、S₄的交替导通控制电路。

图9(2)：由8051单片机产生交替导通触发信号HIN、LIN，这两个信号等宽，相位相反。

图9(3)是8051产生HIN、LIN的程序框图，图6(4)中R₁、R₂、R₃、R₄的控制与图9相似，只是另一套电路而已，不再画出。

图10中，J₁ ^(-)、J₁ ⁽⁺⁾、CF₁分别代表三条支路的接触器触头，J₁ ^(-)支路中的其他J^{( )}触头的开/ 闭控制可由J₁ ^(-)支路的连接器的断开/接通来实现，J₁ ⁽⁺⁾支路中的其他J⁽⁺⁾触头的开/闭控制可由J₁ ⁽⁺⁾支路的连接器的断开/接通来实现，CF₁支路中的其他CF触头的开/闭控制可由CF₁支路的连接器的断开/接通来实现，这三条支路中的每一条的连接器控制系统的硬件部分如图11所示。(如果所用的接触器数量较少，由图6(1)及图6 (2)就能实现相关控制，则图10中J₁ ^(-)、J₁ ⁽⁺⁾、CF₁都没有1下标，全变成J^{( )}，J⁽⁺⁾，CF)

图11(1)中，1，2为光电耦合检测器，15为光电耦合器光线挡板，它安装在升降杆3上，1、 2、15共同完成移动连接器B板的位置检测，A，B，C为连接器安装板，A，C板上安装连接器公体，B板上安装连接器母体，11、14为连接器公体，12为连接器母体，A，C板固定不动，B板随升降杆3上下运动，升降杆3向上运动，可以使15到上限位光耦检测器1；升降杆3向下运动，可以使15到下限位光耦检测器2；升降杆3可以由电机4驱动，也可以手动，3的上端有手柄，下端有锁定齿(有斜线填充部分)，顺时针转动手柄，可使锁定齿与7、8的槽口对齐，当3向上运动时，锁定齿可穿越7、8的槽口，到达6里，此时，顺时针转动手柄 90°，可以锁定移动连接器在上限位，10为底座，锁定齿可以在9的内腔里顺时针转动，9的内腔里装有弹簧块，弹簧块可以被顺时针转动的锁定齿压入环内，弹簧块起阻挡锁定齿移动到槽口的作用，8为锁定齿在下限位置时的上行挡块，锁定齿被转动到锁定位置后，使它不能向上运动超越8的下底，5为锁定齿在上限位置时的上行挡块，使锁定齿不能超越上档块5 的下底边，6的内腔与9的内腔相同，当移动连接器处于上限位时，顺时针转动手柄，可使锁定齿锁定在6的内腔里，7为锁定齿支撑块，13为固定支柱，固定A、C、10，也使B能在支柱上上下移动，当采用电机4驱动升降杆3时，5、6、7、8、9都不需要，16为B的上限位上行阻挡块及下限位支撑块，图11(1)为移动连接器处于下限位时的示意图，此时移动连接器接通(11、12与14接通，11、12总是接通的)。

图11(2)为移动连接器处于上限位时的示意图，此时移动连接器断开(11、12与14断开，11、12总是接通的)，图11(3)是A、B、C板的俯视图，I、II、III、IV四个区域均匀对称的安装连接器的公体或母体，数量可达几十或几百个，图11(4)是A、B、C板的正视图，图11(5)是图11(1)中的6或9的内腔俯视图。

图12(1)，由电机4驱动升降杆3时，可以用单片机(8051)来控制电机运动，控制电机运动用控制芯片HCTL-1100来完成，UDN2950Z是半桥功率集成电路，用来驱动直流伺服电动机，CHA，CHB是电机自带的增量编码器输出，在图10中，有负极静态充电支路J₁ ^{( )}、正极静态充电支路J₁ ⁽⁺⁾、动态充电支路/放电支路CF₁，除了J₁ ^{( )}、J₁ ^(·)、CF₁用接触器触头连接外，其余串联关系可通过连接器的接通/断开来实现，J₁ ^(-)支路、J₁ ⁽⁺⁾支路、CF₁支路中的每一条支路连接器安装后都如图11(1)或图11(2)所示(没有5，6，7，8，9，3上没有手柄及锁定齿， B板是固定在3上的)，静态充电状态时：J₁ ^(-)、J₁ ⁽⁺⁾支路接通，这两条支路连接器的两块B 板在下限位置，如图11(1)所示，对应的升降杆也在下限位置，CF₁支路断开，这条支路连接器的B板在上限位置，如图11(2)所示，对应的升降杆也在上限位置；

动态充电或者是放电状态时：J₁ ^(-)、J₁ ⁽⁺⁾支路断开，这两条支路连接器的两块B板在上限位置，如图11(2)所示，对应的升降杆也在上限位置，CF₁支路接通，这条支路连接器的B板在下限位置，如图11(1)所示，对应的升降杆也在下限位置，静态充电态(简称充电态)：J₁ ^(-)、 J₁ ⁽⁺⁾支路升降杆在下限位置，CF₁支路升降杆在上限位置，此态下，三条支路升降杆上开一个孔，用一条栓穿入三个孔中，就能锁定三条支路的B板位置不动，如图15(2)所示，动态充电或者放电态(简称放电态)：J₁ ^(-)、J₁ ⁽⁺⁾支路升降杆在上限位置，CF₁支路升降杆在下限位置，此态下，三条支路升降杆上开一个孔，用一条栓穿入三个孔中，就能锁定三条支路的B板位置不动，如图15(4)所示，J₁ ^(-)、J₁ ⁽⁺⁾支路升降杆可以用一台电机拖动，CF₁支路升降杆由另一台电机拖动，如图15(3)所示，从初始态到终止态变化时，先要解锁，后要栓锁，不论初始态是充电态还是放电态，也不论终止态是放电态还是充电态，因此，充电态用一台电机拖动栓运动，完成栓锁/解锁，放电态用一台电机拖动栓运动，完成栓锁/解锁，所以，需要五块CPU控制拖动电机，如图17(3)所示，如果J₁ ^{( )}、J₁ ^(·)支路升降杆用一台电机拖动，则只需四块CPU，每块CPU的外部中断信号的产生及拖动电机的控制电路都如图12(1)所示，但是，图12(1)中的+5V_P必须先于+5V，+V_motor产生，否则中断信号是乱的，+5V_P的产生电路如图12(2)，通过插头插入市电插座产生，通过插头拔出市电插座消失，也就是说要先开启图12(1)的+5V，+V_motor电源，之后再插入插头产生+5V_P，充满电后，先拔出+5V_P电源插头，待移动连接器完成终止状态后才能关断+5V，+V_motor电源。为了简便，由图8产生+5V_P电源，打开+5V，+24V，+V_motor电源开关，由+24V电源经过延时继电器的CD线包及CD常开触头控制+5V 的引入，通过按钮接通才产生+5V_P电源，并有指示灯指示充电开始了，充满电后，通过按钮关断+5V_P电源，结束充电，也关断了充电指示灯，图12(3)为移动连接器下限位置光耦检测图，规定：当移动连接器处于下限位置时，光耦中的二极管发射的光线能照射到光敏三极管上，其它位置，光耦中的二极管发射的光线被挡住。图12(4)为移动连接器上限位置光耦检测图，规定：当移动连接器处于上限位置时，光耦中的二极管发射的光线不能照射到光敏三极管上，其它位置，光耦中的二极管发射的光线能照射到光敏三极管上。图12(5)中， ZJ1，ZJ2，ZJ3分别为控制继电器ZJ1，ZJ2，ZJ3的线包，分别由J₁ ^{( )}支路的CPU的P_2.6、J₁ ^(·)之路的CPU的P_2.6、CF₁支路的CPU的P_2.6控制通电与否，图12(5)中的ZJ1是控制继电器ZJ1的线包，图12(6)中的ZJ1是控制继电器ZJ1的常开触头，图12(5)中的ZJ2是控制继电器 ZJ2的线包，图12(6)中的ZJ2是控制继电器ZJ2的常开触头，图12(5)中的ZJ3是控制继电器ZJ3的线包，图12(6)中的ZJ3是控制继电器ZJ3的常开触头，图12(6)中的J₁ ^{( )}、 J₁ ⁽⁺⁾、CF₁分别是图10中的交流接触器J₁ ^(-)、J₁ ⁽⁺⁾、CF₁的线包，图10中的J₁ ^(-)、J₁ ⁽⁺⁾、CF₁分别是交流接触器J₁ ^(-)、J₁ ⁽⁺⁾、CF₁的触头，图12(7)中的J₁ ^(-)支路用来等效图10中的所有J^{( )}触头，图12(7)中的J₁ ⁽⁺⁾支路用来等效图10中的所有J⁽⁺⁾触头，图12(7)中的CF₁支路用来等效图10中的所有CF触头，图12(7)中的J₁ ^(-)、J₁ ⁽⁺⁾、CF₁分别是图10中的交流接触器J₁ ^{( )}、 J₁ ⁽⁺⁾、CF₁的触头。

图17(3)中的5块CPU，它们的中断都由+5V_P的变化产生，+5V_P从0伏变成+5伏时，产生外部中断0；+5V_P从+5伏变成0伏时，产生外部中断1，这5块CPU的中断控制及电机驱动电路结构都如图12(1)所示，J₁ ^(-)支路CPU、J₁ ⁽⁺⁾支路CPU、CF₁支路CPU主要控制交流接触器的触头接通或者断开J₁ ^(-)支路、J₁ ⁽⁺⁾支路、CF₁支路的电流以及控制各自支路移动连接器B 板的运动；图17(3)中的充电态栓锁CPU，专门负责图15(2)所示的充电态的栓锁与解锁，图17(3)中的放电态栓锁CPU，专门负责图15(4)所示的放电态的栓锁与解锁，J₁ ^{( )}支路CPU、 J₁ ⁽⁺⁾支路CPU、CF₁支路CPU的中断服务程序流程是：断电、判断是否已解锁、拔插、判断是否已锁定、通电。其中的断电与通电由接触器的触头完成，拔插由电机拖动B板运动完成，解锁与锁定由充电态栓锁CPU与放电态栓锁CPU控制驱动电机拖动锁栓完成。

具体实施方式

本发明主要涉及单体电容器的制造以及电容器的充放电方法：在单体电容器的制造方面共设计了两种电容器电极结构、两种充电极板结构、以及在电解液中增加数块充电极板。

电容器电极结构即卷绕型和叠层型两种，如图3、图4；充电极板的两种结构是：一种是正极充电电极与负极充电电极相间分布在一块充电极板上，参考图2所示，另一种是整块充电极板的一个表面要么被正极充电电极占满，要么被负极充电电极占满；一个单体电容器中，充电极板的数量可以是一块，两块，多块，直至包围整个电极体，充电极板可由PCB电路板制成，也可以做在电容器外壳的内表面上，我认为充电极板包围整个电极体的情形充电速度最快，在单体电容器的制造过程中，遵循现有技术的电容器生产技术要求。(对于非相间分布的充电极板，其在电容器中的数量是成对出现的，即正极充电极板、负极充电极板各一块；各 2块，各三块等等)

单体电容器的充电用静态充电法，即正极充电电源加在电容器的正极与正极充电电极上，负极充电电源加在电容器的负极与负极充电电极上，放电是通过电容器的正极与负极对外放电。对于电容器阵列的充电/放电方法：采用图10所示的电路结构，通过接触器的触头的切换或者通过连接器的接通与断开来实现静态充电与动态充电或者放电。对于触头用量较少的情形，采用图6所示的电路结构，通过接触器的触头的切换来实现静态充电与动态充电或者放电，对于需要很多触头切换的情形，用连接器代替接触器的触头，其实现的电路如图11到图17 所示。

Claims (1)

1.一种提高电化学电容器储能密度的方法与现有技术的共同特征：

在电容器结构上相同的部分：现有的电化学电容器主要由正极、负极、隔膜、电解液、引线、外壳组成，正极和负极之间设有隔膜，其中正极、负极的金属集流体面积最大的两个表面都涂覆有电极材料，现有技术中，也有正极、负极不需要金属集流体的；正极、负极间设有防漏电措施；使用现有电化学电容器的生产材料、制造工艺、生产技术要求；

电化学电容器包括双电层电化学电容器、赝电容、混合电容，本发明适用于这三种电容器；

现有单体电容器并联时，是相同功能的电极并联在一起，把多只并联的单体电容器看成一只电容来处理，单体电容器串联时，是相邻两个电容器的正极负极串联在一起，直至最后，由位于最上位的电容器的正极与位于最下位的电容器的负极构成对外供电输出端，这也是电容器组接受充电的输入端；电容器的能量存储在电容器的正极侧双电层电容和负极侧双电层电容中，正极侧双电层电容和负极侧双电层电容所存储的能量之和就是整个单体双电层电化学电容器所存储的能量，能实现电容器的串联均衡充电，本发明的电容器亦是如此；

一种提高电化学电容器储能密度的方法其特征是：电容器的结构上的区别和充电/放电方法上的区别

1电容器结构上的区别：

单体电化学电容器制造上的区别：首先：遵循现有技术中的生产技术要求，正负极之间要有防漏电措施，以防止自放电或无效充电，因本发明的电容器在电解液中增加了一块或者多块充电极板，充电极板也可以做在电容器外壳的内表面上，还有电极体的耳极，所以在电解液中的电极耳极及其焊接导线、电容器正极负极引出导线等没有电极材料覆盖的地方焊接好后都要涂覆绝缘防腐层，正极充电电源的负极输出端与充电极板上的正极充电极板引出线焊接，负极充电电源的正极输出端与充电极板上的负极充电极板引出线焊接，焊好后涂覆绝缘防腐层，正极充电电源输出端及其负载要有防漏电措施，负极充电电源输出端及其负载也要有防漏电措施；本发明的电容器的电极体有两种结构：即卷绕型和叠层型；卷绕型电极，在正极金属集流体、负极金属集流体的始端或者末端分别留出裸体金属作为耳极部分，金属集流体的表面涂覆电极材料，耳极部分是分别与电容器的正极、负极引脚焊接在一起的，焊好后涂覆绝缘防腐层，按上下层关系依次将上层隔膜、上层电极、下层隔膜、下层电极叠放好待卷绕的电极体，以上层隔膜卷绕在内侧作为卷绕方向为例来描述，当上层的隔膜、上层电极绕完后，继续用下层隔膜、下层电极按原方向卷绕，当下层电极绕完后，继续用下层隔膜覆盖下层电极绕一周，保证所有电极表面(电极厚度所在的侧面除外)都有一层隔膜覆盖，下层隔膜长度是最长的；叠层型电极，每块金属集流体留出裸体金属耳极部分，每块金属集流体的表面都涂覆电极材料，做好电极片后，按正极片/隔膜/负极片/隔膜/正极片/隔膜/负极片这样依次叠层放置，当然，反过来也可以，即按负极片/隔膜/正极片/隔膜/负极片/隔膜/正极片这样依次叠层放置，每张隔膜两边电极极性相反，两块电极间有一张隔膜，在电极体的左右两端即左右两端绝缘板内侧各放置一张隔膜，用左右两端绝缘板适度压紧电极体后，牢固电极体，焊接好每块正极金属集流体耳极及其横梁，将正极金属集流体横梁与电容器的正极引出脚焊接好，然后涂覆绝缘防腐层，焊接好每块负极金属集流体耳极及其横梁，将负极金属集流体横梁与电容器的负极引出脚焊接好，然后涂覆绝缘防腐层；其次：在电解液中增加充电极板，充电极板有两种形式，第一种是在同一块充电极板上增加了正极充电电极(或者叫正极充电极板)，负极充电电极(或者叫负极充电极板)，正极充电电极，负极充电电极均匀相间分布，第二种充电极板是：整块充电极板要么为负极充电极板，要么为正极充电极板；在电容器制造中增加充电极板的数量可以是一块到多块，直至包围整个电极体，也可以将充电极板做在电容器外壳的内表面(但要保证增加的充电电极与电容器的整个电极体都浸没在电解液里)，对于卷绕型的电极体，可以在上底或者下底位置；也可以在上底及下底位置；还可以在上底、下底、圆柱体柱面外围位置增加充电极板，包围整个电极体；对于叠层型电极体，可以在集流体厚度所在表面的垂直方向增加一块到四块充电极板，也可以在电极体的前后左右上下这6个方位增加充电极板，包围整个电极体，对于采用非相间分布的充电极板，其在电容器中的数量是成对出现的，即正极充电极板、负极充电极板各一块；各2块，各三块等等。

2电化学电容器充电/放电方法上的区别

单体电化学电容器的充电方法上的区别：

使电容器的正极有单独的正极充电电源，并且正极充电电源的正极输出端接电容器的正极(有金属集流体时接正极金属集流体)，正极充电电源的负极输出端接在电解液中新增的正极充电电极引出线，实现正极充电电源输出端所接极板形成的电场能对电容器正极电极界面与溶液侧界面形成的双电层电容充电，使电容器的负极有另外一套负极充电电源，并且负极充电电源的负极输出端接电容器的负极(有金属集流体时接负极金属集流体)，负极充电电源的正极输出端接在电解液中新增的负极充电电极引出线，实现负极充电电源输出端所接极板形成的电场能对电容器负极电极界面与溶液侧界面形成的双电层电容充电，正极充电电源、负极充电电源都是由电流内环电压外环双闭环控制的开关电源产生；在由多只单体电容器并联成一组，由多组电容串联成电容器阵列的充电/放电方法上的区别：对于电机这样的负载(比如电动汽车)，刹车时，由回馈能源给电容器阵列充电，我把它定义为动态充电，由电网能源给电容器阵列充电，我把它定义为静态充电，多只单体电容器并联成一组，是将所有单体电容器的相同功能电极引出线分别焊接在一起，把这一组电容当成一只电容来看待，每组电容器的正极充电电源输入端、负极充电电源输入端都与相应的均衡充电变压器的副边整流输出端相连，通过接触器的常开触头将所有电容器组负极充电电源输入端串联起来，接在负极充电电源上，负极充电电源由电流内环电压外环双闭环控制的开关电源产生；通过接触器的常开触头将所有电容器组正极充电电源输入端串联起来，接在正极充电电源上，正极充电电源由电流内环电压外环双闭环控制的开关电源产生；通过接触器的常闭触头依次将相邻电容器组的正极负极相连，此支路接触器用于控制动态充电或放电；静态充电时，所有控制负极充电电源支路的常开接触器触头全部闭合，所有控制正极充电电源支路的常开接触器触头全部闭合，所有用于控制动态充电或放电的接触器常闭触头全部打开；电容器阵列处于动态充电或者放电状态时，所有用于静态充电的接触器常开触头全部打开，即所有控制负极充电电源支路的接触器常开触头全部打开，所有控制正极充电电源支路的接触器常开触头全部打开，用于相邻组电容器正负极连通的接触器常闭触头全部闭合，由位于最上位的电容器组的正极与位于最下位的电容器组的负极对外输出电能，也由这两端接受回馈电能的充电，在接受动态充电时，充电电压不能大于电容器组的串联组数乘以电解液的分解电压；另外一种方案是：由多只单体电容器并联成一组，由多组电容串联成电容器阵列的充电/放电控制电路中，用于控制负极充电电源支路中的接触器，至少留出一组触头(最好先留出该支路电流流入的第一个接触器的触头)由接触器控制，其余触头的开/闭可由连接器的断/通来实现，用于控制正极充电电源支路中的接触器，至少留出一组触头(最好先留出该支路电流流入的第一个接触器的触头)由接触器控制，其余触头的开/闭可由连接器的断/通来实现，用于控制动态充电/放电支路中的接触器，至少留出一组触头(最好先留出该支路电流流入的第一个接触器的触头)由接触器控制，其余触头的开/闭可由连接器的断/通来实现；连接器的制作是这样的：在A、B、C三块绝缘板上打孔，位于两端的A、C两块绝缘板固定不动，全部安装连接器的公体部分，位于中间位置的B绝缘板上全部安装连接器的母体部分(当然，公体母体连接器安装位置互换也可以)，B板与C板上的每一对连接器对应接触器的一组触头，B绝缘板可在导轨上平行移动，通过手动或电动的办法移动B绝缘板，使C板上的公体连接器与B板上的母体连接器的接通或断开来代替接触器触头的接通或断开，A板上的公体连接器与B板上的母体连接器始终接通，这样的三套装置就能分别实现上述三条支路中接触器触头的开闭控制，每一套对应实现其中的一条支路接触器触头的开闭控制，在三条支路中，每条都至少留一组触头由接触器控制，由微处理器控制每条支路连接器B板的运动及该支路接触器触头的开闭，也由微处理器控制B板位置的锁定与解锁，以保证三条支路连接器在拔插过程中不通电，充电结束后各支路移动连接器B板位置的锁定。

电容器组的充电支路分为三条，它们是：第一条为串联的电容器组负极充电支路；第二条为串联的电容器组正极充电支路；第三条为电容器组之间的正负极串联充电支路，新增下列六种充电方法，第一类是：取消第三条支路中电容器组之间串联所用的连接器开关CF连接方式，改为紧密接触直通连接电容器组之间的正负极，或者用导线直接连通电容器组之间的正负极。这一类新增的充电方法如下：

(1)断开第三条支路，先把第一条支路，第二条支路充满了，断开第一条支路，第二条支路后，再充第三条支路，第三条支路充满了之后，断开第三条支路，由电容器组的正负极端口对外供电。

(2)断开第一条支路，第二条支路，先把第三条支路充满了，断开该支路后，再充第一条支路，第二条支路；第一条支路，第二条支路充满了之后，断开第一条支路，第二条支路，由电容器组的正负极端口对外供电。

(3)第一条支路、第二条支路与第三条支路同时进行充电，全部支路充满电后，断开第三条支路及第一条支路，第二条支路，由电容器组的正负极端口对外供电。

上述的新增充电方法(1)(2)(3)中讲的断开第一条支路，第二条支路是指：断开该支路连接充电电源的接触器触头j₁ ^(-)、j₁ ⁽⁺⁾及所有连接器开关J^(-)、J⁽⁺⁾；断开第三条支路是指：断开连通该支路充电电源的接触器触头CF₁；第一条支路，第二条支路充电：需要接通该支路连接充电电源的接触器触头j₁ ^(-)、j₁ ⁽⁺⁾及所有连接器开关J^(-)、J⁽⁺⁾；第三条支路充电：需要接通该支路连接充电电源的接触器触头CF₁

新增的第二类充电方法是：

不改变第三条支路中电容器组之间串联所用的连接器开关CF连接方式：

新增的充电方法：

(4)断开第三条支路，先把第一条支路，第二条支路充满了，断开第一条支路，第二条支路后，再充第三条支路，第三条支路充满了之后，断开第三条支路，由电容器组的正负极端口对外供电。

(5)断开第一条支路，第二条支路，先把第三条支路充满了，断开该支路后，再充第一条支路，第二条支路；第一条支路，第二条支路充满了之后，断开第一条支路，第二条支路，由电容器组的正负极端口对外供电。

(6)第一条支路、第二条支路与第三条支路同时进行充电，全部支路充满电后，断开第三条支路及第一条支路，第二条支路，由电容器组的正负极端口对外供电。

上述的新增充电方法(4)(5)(6)中讲的断开第一条支路，第二条支路是指：断开该支路连接充电电源的接触器触头j₁ ^(-)、j₁ ⁽⁺⁾及所有连接器开关J^(-)、J⁽⁺⁾；断开第三条支路是指：断开连通该支路充电电源的接触器触头CF₁及所有连接器开关CF；第一条支路，第二条支路充电：需要接通该支路连接充电电源的接触器触头j₁ ^(-)、j₁ ⁽⁺⁾及所有连接器开关J^(-)、J⁽⁺⁾；第三条支路充电：需要接通该支路连接充电电源的接触器触头CF₁及所有连接器开关CF；由电容器组的正负极端口对外供电：需要断开第三条支路充电电源连通接触器触头并接通该支路所有连接器开关。

前面讲过，本专利所述的制造方法和充电方法可用于双电层超级电容、赝电容电容器、混合电容器，例如在锂离子电容器中，电极A、电极C是金属锂极板，其他同现有技术的锂离子电容器，充电方法如上如前所述。