CN110800188A - 超级电容装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电气装置。该电气装置的特征在于包含：至少一个操作组件，其用于执行该装置的分配工作；超级电容器，其由含纳米碳的电极、离子液体电解质以及离子可渗透膜组成，用于向该操作组件供电和/或对相关联电池再充电；充电电路，其用于借助于外部电源对该超级电容器再充电；控制电路，其用于控制该操作组件的操作；监视电路，其用于监视该超级电容器和/或该操作组件的效能所特有的一或多个参数及用于产生对应状态信息；传输器，其用于将包含该状态信息的第一信号传输至远程接收位置；以及接收器，其用于自该远程接收位置接收第二信号，该第二信号包含待由该控制单元及视情况该操作组件作用的指令。
Description
本发明为关于一种含有超级电容器的电气装置，其经调制以将数据流传输至远程位置及基于对该数据的分析自该远程位置接收指令。
US20120274273在第299-209段描述一种将能量、通讯及电子器件整合于单一平台装置中的集成电路电池装置，诸如起搏器。
WO2014066824大体上描述一种超级电容器及一种用于小型可植入医学装置的配置。
US20130106341公开一种用于携带型电子装置的混合电池系统。
在诸如WO2016075431的先前申请案中，我们已揭示基于含纳米碳的电极及离子液体电解质的可再充电电池充电器及新颖超级电容器电池，其效能优于一系列能量储存应用中的常规锂离子电池。具体地，此等电池展现更为持久的可用循环寿命；例如达至100,000或甚至1,000,000次充电/放电循环而其电荷保持能力不明显减弱或电阻不增加。即，在许多情况下，其效用可超过其经设计以供电的操作组件。
因此，其对于如下装置应用极其引人注目，其中不期望常规零件替换(例如其中装置经设计以具防水性)或其中进入部署有装置的环境可为困难、破坏性或危险的。举例而言，在紧急照明或环境监视系统中，电池可永久地构建至建筑物的网状架构中。
若采用此方法，则出于技术原因，特别需要装置进一步包括借助于传输器/接收器远程地连接至外部世界控制系统，以便装置及电池本身的效能可得到密切监视且在紧急情况出现或操作需求改变时进行调整。一个或多个调整可为以下形式：在某些环境中(不同气候、不同季节、在建筑物一般维护期间等)接通或切断装置、改变超级电容器的充电及放电的周期性或在装置即将发生崩溃的警示之前改变。其亦可使得装置的能量消耗得到远程控制，这在能量当前基于计量或量入为出提供的环境中极其合乎期望。
我们现已将此方法应用于我们的超级电容器电池以产生装置，其不仅展现高度远程可控制性，而且可用于不期望替换电源的情况。因此，根据本发明，提供一种电气装置，其特征在于包含：
·至少一个操作组件，其用于执行该装置的分配工作；
·超级电容器，其由含纳米碳的电极、离子液体电解质及离子可渗透膜组成，用于向该操作组件供电和/或对相关联电池再充电；
·充电电路，其用于借助于外部电源对该超级电容器再充电；
·控制电路，其用于控制该操作组件的操作；
·监视电路，其用于监视该超级电容器和/或该操作组件的效能所特有的一个或多个参数及用于产生对应状态信息；
·传输器，其用于将包含该状态信息的第一信号传输至远程接收位置；以及
·接收器，其用于自该远程接收位置接收第二信号，该第二信号包含待由该控制单元及视情况该操作组件作用的指令。
装置的其他构成零件可用以向广泛范围的操作组件提供电力。举例而言，在一个实施例中，操作组件是灯泡或照明单元，尤其需要能够在主电力故障或中断的情况下运作的灯泡或照明单元。在另一实施例中，其为环境监视装置，诸如烟雾、一氧化碳或其他气体探测器。在又另一实施例中，其是工业中常常称为“微尘”的传感器节点，其中传感器出于报告目的感测关键物理参数，诸如温度、压力、振动、力、厚度或其类似参数。这样的微尘常常部署于工业设备(工厂、矿场、炼油厂及化学设备及储存单元)多个位置且借助于无线或永久有线网络彼此和/或与中央数据接收位置连接。在又另一实施例中，操作组件是向零售消费者或批发或工业消费者提供电能的操作组件，且封闭于经设计以防篡改或经装甲或以其他方式抗创伤事件的外壳中。
在本发明的一个实施例中，超级电容器的含纳米碳的电极包含基本上由呈薄可挠性薄片(例如铝、银或铜箔)形式的导电金属集电器组成的阳极及阴极表面，这些表面涂布有包含包括纳米碳组份的碳电荷携带组件的层。在另一实施例中，此等阳极及阴极表面中的至少一些安置于同一薄片的相对侧。此等电荷携带组件中的至少一些可为平均最长维度小于10微米的碳粒子。优选地，此等粒子展现中孔隙性，其中孔隙的大小范围为2至50纳米。在另一实施例中，碳电荷携带组件可用可赋予最终超级电容器一定程度的赝电容特性的材料的纳米粒子补充；这些材料例如金属的盐、氢氧化物及氧化物，这些金属诸如锂或具有超过一种氧化态的过渡金属，包括镍、锰、钌、铋、钨或钼。
在一个实施例中，层由嵌入于聚合物粘合剂基质中的碳粒子组成且特征在于粒子与粘合剂的重量比在0.2:1至20:1范围内。在另一实施例中，粘合剂具导电性。在又另一实施例中，碳粒子包括石墨烯粒子；在又另一实施例中，碳粒子包括碳纳米管。在一个优选实施例中，采用石墨烯及碳纳米管的混合物，视情况存在活性碳。在又另一适合实施例中，碳粒子包含此等三种组份的混合物，活性碳、碳纳米管及石墨烯以重量比0.5-2000:0.5-100:1、优选0.5-1500:0.5-80:1存在。
术语活性碳意谓表面积典型地大于500m2g-1、优选为1500至2500m2g-1且平均粒度小于1微米的任何高纯度非晶碳。这些材料容易自多个商业来源获得。所用的碳纳米管典型地具有在2-500微米(优选100-300微米)范围内的平均长度及在100-150纳米范围内的平均直径。纳米管可为单壁或多壁或两者的混合物。
术语石墨烯意为粒子结构实质上二维的碳的同素异形体。在极端情况下，此等粒子包含具有石墨结构的单一原子层片层，但出于本发明的目的，此组件可包含少量的这些片层，一个堆栈在另一个上，例如1至20个、优选1至10个片层。在一个实施例中，此等片层呈非氧化形式。在另一实施例中，如借由穿透电子显微术所测量，片层独立地具有在1至4000纳米、优选20至3000或10至2000纳米范围内的平均尺寸。可使用任何已知方法来制造这些材料，这些材料亦可商购；举例而言，以名称
购自英国(United Kingdom)的ThomasSwann Limited。
在另一实施例中，碳电荷携带组件可进一步包括高达20％、优选1至20重量％的导电碳。此导电碳可包含具有多晶结构及在1至500m2g-1范围内的一表面积的高导电性非石墨碳。在一个实施例中，其为碳黑；例如，已用作锂离子电池中的导电添加剂的这些材料之一(例如Timcal
和/或Timcal SuperC45)。
在一个实施例中，在制造之后电极中的残余水分应小于100ppm；优选小于50ppm。
在又另一实施例中，含碳的阳极及阴极彼此不对称；换言之，其具有不同厚度，例如不同厚度的层，或添加有具有赝电容效应的添加剂。
至于导电粘合剂，此可包含一种或多种导电聚合物且优选选自纤维素衍生物、聚合弹性体或其混合物。在一个实施例中，纤维素衍生物为羧烷基纤维素，例如羧甲基纤维素。在另一实施例中，弹性体是苯乙烯-丁二烯橡胶或具有等效特性的材料。
复合层中的各个组件的总电荷携载表面积可为>250m2g-1、优选>260m2g-1。
在另一实施例中，电极为自撑式的且不采用金属集电器且特征在于包含基本上由75-90重量％活性碳及5至25重量％导电碳均匀分散于5至15重量％聚合物粘合剂中的含纳米碳的基质组成的刚性或机械弹性的导电薄片。这些薄片的适合实例将具有大于0.4g/cm3的密度、超过100F/g的平均重力电容及当在纽扣电池中测量时小于30欧姆的等效串联电阻(ESR)。
至于离子液体电解质，此可包含在低于100℃下熔融且优选在环境温度下或低于环境温度下熔融的有机离子盐。在另一实施例中，其为包含一种或多种离子液体的混合物且混合物在25℃下的粘度在10至80厘泊、优选20至50厘泊范围内。在又另一实施例中，电解质为至少两种组份的共晶或近共晶混合物，该至少两种组份之一为离子液体。此等混合物的熔点可低于100℃，优选低于50℃，且更优选低于30℃。共晶特性为两种或更多种组份的那些混合物的熟知特征，在既定组成范围内，相对于可基于拉午耳定律(Raoult's law)所预计的，这些混合物的熔点显著降低。因此，此处术语“共晶或近共晶混合物”应理解为涵盖根据本发明的组份的熔点显示出如此降低的任何混合物；实际共晶点的降低超过50％、优选降低超过90％者最佳。在一尤其优选实施例中，共晶组合物本身用作电解质。在另一实施例中，所采用的离子液体中的至少一者的电化学窗口超过3v。
在一个实施例中，所采用的电解质为包含US5827602或WO2011/100232中所述的离子液体中的至少一者的混合物，例如共晶或近共晶混合物，US5827602或WO2011/100232可将读者指向完整清单。在另一实施例中，混合物由这些离子液体中的至少两者组成。
因此，电解质中所采用的离子液体或所采用的离子液体之一可为烷基或经取代的烷基吡啶鎓、哒嗪鎓、嘧啶鎓、吡嗪鎓、咪唑鎓、哌啶鎓、吡咯啶鎓、吡唑鎓、噻唑鎓、恶唑鎓、三唑鎓或氮杂环庚烷鎓阳离子的季盐。在该种情况下，优选地，与各阳离子有关的相对阴离子为大的多原子阴离子且范德瓦尔斯(Van der Waals)体积超过50或100埃(例如参见US5827602，其提供涵盖在本发明范畴内的例示性实例)。此外优选地，阴离子经选择以便其相对于阳离子不对称，确保液体中的离子不容易紧密堆栈及造成结晶。在一个实施例中，相对阴离子为选自由以下组成的群：四氟硼酸根、六氟磷酸根、二氰胺、双(氟磺酰基)酰亚胺(FSI)、双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺(TFSI)或双(全氟C2至C4烷基磺酰基)酰亚胺，例如双(全氟乙基磺酰基)酰亚胺阴离子或其类似物。在另一优选实施例中，离子液体为选自此等阴离子的C1至C4烷基取代的咪唑鎓、哌啶鎓或吡咯啶鎓盐，阳离子及阴离子的任何置换设想为本文所揭示。在此列表中，以下二元系统为优选的：哌啶鎓盐与咪唑鎓盐；哌啶鎓盐与吡咯啶鎓盐；及咪唑鎓盐与吡咯啶鎓盐。在替代性实施例中，二元系统可包含(a)以上所提及的阴离子的一的哌啶鎓盐及任何经取代的庞大季铵盐，例如其三烷基(烷氧基烷基)铵盐，其中烷基或烷氧基部分独立地具有一、二、三或四个碳原子；或(b)WO2011/100232中所例示的氮杂环庚烷鎓盐中的一或多者。在以上所提及的所有情况中，所采用的盐优选应各自具有超过3伏的电化学窗口及低于30℃的熔点。
可以采用的电解质的特定非限制性实例包括衍生自以下阳离子及以上所提及的阴离子的盐或盐混合物：1-乙基-3-甲基咪唑鎓(EMIM)、1-丁基-3-甲基咪唑鎓(BMIM)、1-甲基-1-丙基吡咯啶鎓、1-甲基-1-丁基吡咯啶鎓。在一个实施例中，电解质为此等阳离子的一或多种四氟硼酸盐、FSI盐或TFSI盐。在另一实施例中，其为与方法步骤(a)中所用相同的盐。
在另一实施例中，离子液体为诸如N,N-二乙基-N-甲基-N-(2-甲氧基乙基)铵(DEME)的季铵阳离子及其同系物的盐。
离子液体的水含量可小于100ppm，优选小于50ppm。
位于电解质中相邻阳极及阴极电极的间的离子可渗透膜可由聚合物或类似多孔材料制成。
充电电路典型地为经设计以向超级电容器供应DC电力的电路且在电源为AC电源时将进一步包括整流器。
监视电路发挥监视超级电容器和/或操作组件的效能所特有的一个或多个参数的功能。在一个实施例中，所监视的一个或多个参数包括该超级电容器的充电状态和/或电阻。在另一实施例中，所监视的一个或多个参数包括该超级电容器已经历的充电/放电循环的数目之一计数。在又另一实施例中，所监视的一个或多个参数包括该装置的位置或该操作组件的磨损特性。可使这些参数的变化显示为操作组件和/或超级电容器的状态的电流、电压或电阻变化或分布特征，该特征可转化为对应数据流，该数据流被传至用于进一步传输至远程位置的传输器，该数据流在该远程位置被分析和/或储存于计算机数据库中。此传输器可具Wi-Fi功能、具蓝牙功能或借由固定陆上通讯线路(例如电话线路)连接至远程位置。其亦可借由无线电或微波连接。传输的周期性可在有来自接收位置的命令后进行调整。
装置类似地具备亦具Wi-Fi功能、具蓝牙功能或借由固定陆上通讯线路、无线电或微波连接至远程位置的接收器，该接收器在一个实施例中可与传输器整合在一起用于自远程位置接收用于借由控制单元和/或操作组件或超级电容器实施的指令。
在一个实施例中，装置的电气组件中的一些或全部位于坚固壳体，例如绝缘、防水或抗腐蚀或抗冲击壳体中。在另一实施例中，壳体为刚性的且由诸如金属或工程塑料的耐磨损材料制成。或者，其为可挠性的且由聚合物膜制成，该聚合物膜例如聚乙烯、聚丙烯、聚酯或其类似物。在又另一实施例中，壳体经调整以对接至连接至外部电源的对应对接位置且经调整以与充电电路协作。视情况，电气装置进一步包括锂离子电池作为用于操作组件的主级或次级电源。若包括锂离子电池，则组件可经配置以便超级电容器的工作包括或限于电池的涓流充电(trickle-charge)。
在另一实施例中，提供多个单元，其包含上文所描述的组件中的一些或全部连接在一起且视情况在远程位置处借助于具Wi-Fi或蓝牙功能的网络连接至一共同接收/传输站。在此实施例中，该网络可包含一照明系统、一警报系统、用于有害物质的一探测系统或一工业控制系统。
Claims (15)
1.一种电气装置，其特征在于包含：
至少一个操作组件，其用于执行该装置的分配工作；
超级电容器，其由含纳米碳的电极、离子液体电解质及离子可渗透膜组成，其用于向该操作组件供电和/或对相关联电池再充电；
充电电路，其用于借助外部电源对所述超级电容器再充电；
控制电路，其用于控制所述操作组件的操作；
监视电路，其用于监视所述超级电容器和/或所述操作组件的效能的一个或多个参数特性及用于产生对应状态信息；
传输器，其用于将包含所述状态信息的第一信号传输至远程接收位置；以及
接收器，其用于自所述远程接收位置接收第二信号，该第二信号包含待由所述控制单元及可选择的所述操作组件作用的指令。
2.如权利要求1所述的电气装置，其特征在于所监视的一个或多个参数包括所述超级电容器的充电状态。
3.如权利要求1或2所述的电气装置，其特征在于所监视的一个或多个参数包括所述超级电容器的电阻和/或电容。
4.如上述任一项权利要求所述的电气装置，其特征在于所监视的一个或多个参数包括超级电容器充电及放电循环的数目的计数。
5.如上述任一项权利要求所述的电气装置，其特征在于所监视的一个或多个参数包括该装置的位置。
6.如上述任一项权利要求所述的电气装置，其特征在于该电气装置为电动工具，且所监视的一个或多个参数包括该操作组件的磨损特性。
7.如上述任一项权利要求所述的电气装置，其特征在于所述传输器及所述接收器为借由电话线路、无线电、微波、蓝牙或Wi-Fi连接。
8.如上述任一项权利要求所述的电气装置，其特征在于电气装置进一步包含用于容纳所述装置的电气组件的坚固壳体。
9.如权利要求8所述的电气装置，其特征在于壳体经调整以与连接至所述外部电源的对应对接位置对接。
10.如上述任一项权利要求所述的电气装置，其特征在于进一步包含经调整以接收来自该超级电容器的涓流充电的锂离子电池。
11.如上述任一项权利要求所述的电气装置，其特征在于含纳米碳的碳电极包含嵌入于导电聚合物基质中的选自石墨烯、碳纳米管或其混合物的含纳米碳的组份。
12.如权利要求11所述的电气装置，其特征在于这些含纳米碳的碳电极包括具有多晶结构及在1至500m2g-1范围内的表面积的非石墨碳。
13.如上述任一项权利要求所述的电气装置，其特征在于所述离子液体包含阳离子：1-乙基-3-甲基咪唑鎓(EMIM)、1-丁基-3-甲基咪唑鎓(BMIM)、1-甲基-1-丙基吡咯啶鎓、1-甲基-1-丁基吡咯啶鎓中的一或多者；及阴离子：四氟硼酸根、FSI或TFSI中的一或多者。
14.一种如上述任一项权利要求所述的电气装置的网络，其特征在于其为在远程位置处借由Wi-Fi或蓝牙连接至共同接收/传输站。
15.如权利要求14所述的网络，其特征在于包含照明系统、警报系统、用于有害物质的探测系统或工业控制系统。
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