CN111627723A - 一种自匹配冲击幅值的自传感超级电容器及其制造方法 - 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自匹配冲击幅值的自传感超级电容器及其制造方法，该超级电容器采用多个电容器单体的串联叠层式结构；该超级电容器由具备短路结构的电容器单体串联而成，电容器单体由一薄两厚三个电极组成，电容器单体为采用不同的凸起高度、不同弹性模量、不同厚度的电极制备，薄电极中心开通孔；当处于外界高过载冲击环境下，电容器单体的短路结构闭合，电容器单体的输出电压在瞬间向下发生短暂跳变，不同单体的冲击短路阈值不同，从而实现电容器单体输出电压下降幅度与外界冲击幅值的自匹配；有效改善了超级电容器在高过载冲击下的敏感与可靠封装的兼容问题。解决以往冲击传感器需要额外电源供电的问题。
Description
技术领域
本发明属于超级电容器技术领域，特别涉及一种自匹配冲击幅值的自传感超级电容器及其制造方法。
背景技术
超级电容器具有充放电电流大、循环寿命长、抗冲击性能好等优势，常应用于电气系统中作为电源或者备用电源使用。在高过载冲击探测领域中，通常用超级电容器作为电源部分与传感器联用，由超级电容器为冲击进行供电，确保在超高的过载环境下电源能够正常对传感器供电，保证冲击的可靠探测。
能源与传感器在系统中分别工作，器件集成化的程度不高，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自匹配冲击幅值的自传感超级电容器及其制造方法；其特征在于，所述超级电容器采用多个电容器单体的串联叠层式结构；该超级电容器由具备短路结构的电容器单体串联而成，在非冲击条件下，作为超级电容器满足正常对外供电功能；当处于外界高过载冲击环境下，电容器单体的短路结构闭合，电容器单体的输出电压在瞬间向下发生短暂跳变，不同单体的冲击短路阈值不同，从而实现电容器单体输出电压下降幅度与外界冲击幅值的自匹配；
所述电容器单体由一薄两厚三个电极组成，薄电极2表面上激光点焊电极凸起5，再在薄电极中心开通孔8，薄电极2上平行放置两根不锈钢针4，钢针直径大于凸起5的高度，且钢针一端超出薄电极2一定长度；在靠近薄电极边缘，两面点涂一圈胶圈3，两片厚电极1对齐薄电极2分别放置于两面的胶圈3上，电容器单体的四个侧面用柔性密封胶6进行密封，组成一个具备特殊短路结构的电容器单体；多个这样的电容器单体串联叠层一起装入外壳7，具有自匹配冲击幅值的自传感超级电容器。
所述电容器单体为采用不同的凸起高度、不同弹性模量、不同厚度的电极制备；并且由多个这样的电容器单体串联叠层一起，装入外壳，从而组成具有自匹配冲击幅值的自传感超级电容器。
所述具备特殊短路结构的电容器单体的制备流程如下：
1）电容器单体由两厚一薄的采用厚度不对称的氧化钌片状电极组成；先在薄电极表面中心采用激光点焊方式焊上部分电极凸起，并在薄电极上的电极凸起中心开一个通孔，使得相邻电极间的内腔互通；然后在电极凸起旁边平行放置两根圆柱不锈钢针，不锈钢针直径大于电极凸起高度，且保证钢针一端超出薄电极一定长度；
2）用点胶机在靠近薄电极边缘的地方点涂一圈胶圈后，将厚电极对齐薄电极后放置于胶圈上，初步组装成电极单体；在电极单体上面压覆重物，用不锈钢针撑起电极板之间的高度，保证单体层间距离等于钢针直径；
3）待所述胶圈固化后撤去重物，在薄电极另一面放置两根不锈钢针，重复步骤2）的将厚电极对齐薄电极后放置于胶圈上，初步组装成电容器单体；后用柔性密封胶对该电容器单体的三个侧面进行密封，仅留下带有针头的一侧；在室温下固化二十四小时后，拔出预置不锈钢针后对电容器真空注液，而后对剩下的侧面用同种柔性密封胶进行密封，完成电容器单体制备；
4）依据上述流程，分别采用不同的凸起高度、不同弹性模量、不同厚度的电极制备电容器单体，具有自匹配冲击幅值的自传感超级电容器。；当外界冲击发生时，所述电极凸起既作为质量块又作为良导体，带动薄电极弯曲形成一定挠度；下面厚电极由于不存在质量块且较厚，向下弯曲幅度很小，因而两电极接触形成短路，使得电容器单体的输出电压在瞬间下降产生响应信号；根据不同参数制作的电容器单体具备不同的短路阈值，能够感应不同的过载加速度。
所述在薄电极上的电极凸起中心开一个通孔，使得相邻电极间的内腔互通；当施加外界过载加速度时，薄电极向下弯曲，两个内腔由于连通且总体积基本不变，能更有效减缓两个内腔体积变化对侧面胶圈带来的拉压力，保证高冲击下密封可靠性，并且使得薄电极向下弯曲时受到更小的阻力，提升器件的冲击敏感性。
所述步骤4）中将所述不同参数制作的电容器单体采用叠层串联结构组装成完整的超级电容器，采用一种应力增强型结构，将单体按从上往下阈值分别降低的次序排列，上层的电容器单体既作为超级电容器组成部分，又同时充当质量块增加下层电容器单体所受应力，进一步压缩层间距离，使得在同样外界冲击下，越靠下的电容器单体受到的应力越大，从而使得各个电容器单体之间的敏感阈值存在明显区分度。
本发明的有益效果是通过特殊的电容器单体结构及组装方法，使得超级电容器具备自匹配冲击幅值的传感器功能；通过在薄电极上的电极凸起中心开一个通孔，使得相邻电极间的内腔互通,内腔压力改善，有效改善了超级电容器在高过载冲击下的敏感与可靠封装的兼容问题。该器件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，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为电容器单体结构示意图；其中a为薄电极上带电极凸及通孔断面示意图，b为电容器单体的剖面结构示意图。
图2为超级电容器结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种自匹配冲击幅值的自传感超级电容器及其制造方法；下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1所示为图1为电容器单体结构示意图；其中a为薄电极上带电极凸及通孔断面示意图，b为电容器单体的剖面结构示意图。图1所示电容器单体由一薄两厚三个电极组成，薄电极2表面上激光点焊电极凸起5，再在薄电极中心开通孔8，薄电极2上平行放置两根不锈钢针4，钢针直径大于凸起5的高度，且钢针一端超出薄电极2一定长度；在靠近薄电极边缘，两面点涂一圈胶圈3，两片厚电极1对齐薄电极2分别放置于两面的胶圈3上，电容器单体的四个侧面用柔性密封胶6进行密封，组成一个具备特殊短路结构的电容器单体；多个这样的电容器单体串联叠层一起装入外壳7，具有自匹配冲击幅值的自传感超级电容器。
所述电容器单体为采用不同的凸起高度、不同弹性模量、不同厚度的电极制备；并且由多个这样的电容器单体串联叠层一起，装入外壳7，从而组成具有自匹配冲击幅值的自传感超级电容器（如图2所示）。
所述具备特殊短路结构的电容器单体的制备流程如下：
1）电容器单体由两厚一薄的采用厚度不对称的氧化钌片状电极组成；先在薄电极表面中心采用激光点焊方式焊上部分电极凸起，并在薄电极上的电极凸起中心开一个通孔，使得相邻电极间的内腔互通；然后在电极凸起旁边平行放置两根圆柱不锈钢针，不锈钢针直径大于电极凸起高度，且保证钢针一端超出薄电极一定长度；
2）用点胶机在靠近薄电极边缘的地方点涂一圈胶圈后，将厚电极对齐薄电极后放置于胶圈上，初步组装成电极单体；在电极单体上面压覆重物，用不锈钢针撑起电极板之间的高度，保证单体层间距离等于钢针直径；
3）待所述胶圈固化后撤去重物，在薄电极另一面放置两根不锈钢针，重复步骤2）的将厚电极对齐薄电极后放置于胶圈上，初步组装成电容器单体；后用柔性密封胶对该电容器单体的三个侧面进行密封，仅留下带有针头的一侧；在室温下固化二十四小时后，拔出预置不锈钢针后对电容器真空注液，而后对剩下的侧面用同种柔性密封胶进行密封，完成电容器单体制备；
4）依据上述流程，分别采用不同的凸起高度、不同弹性模量、不同厚度的电极制备电容器单体，具有自匹配冲击幅值的自传感超级电容器。；当外界冲击发生时，所述电极凸起既作为质量块又作为良导体，带动薄电极弯曲形成一定挠度；下面厚电极由于不存在质量块且较厚，向下弯曲幅度很小，因而两电极接触形成短路，使得电容器单体的输出电压在瞬间下降产生响应信号；根据不同参数制作的电容器单体具备不同的短路阈值，能够感应不同的过载加速度。
所述在薄电极上的电极凸起中心开一个通孔，使得相邻电极间的内腔互通；当施加外界过载加速度时，薄电极向下弯曲，两个内腔由于连通且总体积基本不变，能更有效减缓两个内腔体积变化对侧面胶圈带来的拉压力，保证高冲击下密封可靠性，并且使得薄电极向下弯曲时受到更小的阻力，提升器件的冲击敏感性。
所述步骤4）中将所述不同参数制作的电容器单体采用叠层串联结构组装成完整的超级电容器，采用一种应力增强型结构，将单体按从上往下阈值分别降低的次序排列，上层的电容器单体既作为超级电容器组成部分，又同时充当质量块增加下层电容器单体所受应力，进一步压缩层间距离，使得在同样外界冲击下，越靠下的电容器单体受到的应力越大，从而使得各个电容器单体之间的敏感阈值存在明显区分度。
实施例
具备特殊短路结构的电容器单体及其加工方法，单体由一薄两厚三个电极组成，厚电极1厚0.4mm，薄电极2厚0.2mm。先在薄电极2表面上采用激光点焊方式焊上电极凸起5形成凸起，再在薄电极中心开一直径0.5mm的小通孔8。薄电极2上平行放置两根不锈钢针4，钢针直径为0.2mm，大于凸起高度，且钢针一端超出电极一定长度；用点胶机在靠近电极边缘的地方点涂一圈胶圈3后将厚电极1对齐放置于胶圈上，初步组装成电极单体；在所述单体上面压覆重物，用不锈钢针撑起电极板之间的高度，保证单体层间距离等于钢针直径；待所述胶圈固化后撤去重物，在薄电极2另一面放置两根不锈钢针4，重复上述步骤涂抹胶圈直至固化；上述步骤完成后用柔性密封胶6对所述单体的三个侧面进行密封，仅留下带有针头的一侧；在室温下固化二十四小时后，拔出预置不锈钢针后进入硫酸电解液中进行真空吸液，而后对剩下的侧面用同种密封胶进行密封，完成单体电容的制备。依据上述流程，分别采用的凸起高度0.1mm、0.15mm、0.18mm的电极凸起5制备电极单体；当外界冲击发生时，所述电极凸起既作为质量块又作为良导体，带动薄电极弯曲形成一定挠度；下电极由于不存在质量块且较厚，向下弯曲幅度较小，因而两电极接触形成短路，使得电容器单体的输出电压在瞬间下降产生响应信号。根据不同参数制作的电容器单体具备不同的短路阈值，能够感应不同的过载加速度。
单体制备完成后，将所述不同参数制作的电容器单体采用叠层串联结构组装成完整的超级电容器，将单体按从上往下阈值分别降低的次序排列，由上至下依次是凸起高度0.1mm、0.15mm和0.18mm的单体。上层的单体既作为电容器组成部分，又同时充当质量块增加下层单体所受应力。在同样外界冲击下，越靠下的单体电容受到的应力越大，进一步区分各个单体之间的敏感阈值。
将上述器件置于外壳中灌封，完成电容器制备。电容器在充至满电时使用。使用时水平放置，当受到竖直方向的冲击时，电容器内单体由于敏感结构存在，瞬间形成短暂的电压下降峰。由于每个单体敏感阈值不同，因此外界冲击越大，下降峰也就越大，实现了与外界冲击幅值的自匹配传感。
本发明通过特殊的单体结构及组装方法，使得超级电容器具备自匹配冲击幅值的传感器功能；通过特殊的内腔压力改善方法，有效改善了超级电容器在高过载冲击下的敏感与可靠封装的兼容问题。
Claims (5)
1.一种自匹配冲击幅值的自传感超级电容器；其特征在于，所述超级电容器采用多个电容器单体的串联叠层式结构；不同单体的冲击短路阈值不同，从而实现电容器单体输出电压下降幅度与外界冲击幅值的自匹配；在非冲击条件下，作为超级电容器满足正常对外供电功能；当处于外界高过载冲击环境下，电容器单体的短路结构闭合，电容器单体的输出电压在瞬间向下发生短暂跳变；
所述电容器单体由一薄两厚三个电极组成，薄电极(2)表面上激光点焊电极凸起(5)，再在薄电极中心开通孔(8)，薄电极(2)上平行放置两根不锈钢针(4)，钢针直径大于凸起(5)的高度，且钢针一端超出薄电极(2)一定长度；在靠近薄电极边缘，两面点涂一圈胶圈(3)，两片厚电极(1)对齐薄电极(2)分别放置于两面的胶圈(3)上，电容器单体的四个侧面用柔性密封胶(6)进行密封，组成一个具备特殊短路结构的电容器单体；多个这样的电容器单体串联叠层一起装入外壳(7)，得到具有自匹配冲击幅值的自传感超级电容器。
2.根据权利要求1所述一种自匹配冲击幅值的自传感超级电容器；其特征在于，所述电容器单体为采用不同的凸起高度、不同弹性模量、不同厚度的电极制备。
3.一种自匹配冲击幅值的自传感超级电容器的制备方法；其特征在于，所述超级电容器采用多个电容器单体的串联叠层式结构；该超级电容器由具备短路结构的电容器单体串联而成；所述电容器单体的制备流程如下：
1）电容器单体由两厚一薄的采用厚度不对称的氧化钌片状电极组成；先在薄电极表面中心采用激光点焊方式焊上部分电极凸起，并在薄电极上的电极凸起中心开一个通孔，使得相邻电极间的内腔互通；然后在电极凸起旁边平行放置两根圆柱不锈钢针，不锈钢针直径大于电极凸起高度，且保证钢针一端超出薄电极一定长度；
2）用点胶机在靠近薄电极边缘的地方点涂一圈胶圈后，将厚电极对齐薄电极后放置于胶圈上，初步组装成电极单体；在电极单体上面压覆重物，用不锈钢针撑起电极板之间的高度，保证单体层间距离等于钢针直径；
3）待所述胶圈固化后撤去重物，在薄电极另一面放置两根不锈钢针，重复步骤2）的将厚电极对齐薄电极后放置于胶圈上，初步组装成电容器单体；后用柔性密封胶对该电容器单体的三个侧面进行密封，仅留下带有针头的一侧；在室温下固化二十四小时后，拔出预置不锈钢针后对电容器真空注液，而后对剩下的侧面用同种柔性密封胶进行密封，完成电容器单体制备；
4）依据上述流程，分别采用不同的凸起高度、不同弹性模量、不同厚度的电极制备电容器单体，具有自匹配冲击幅值的自传感超级电容器；当外界冲击发生时，所述电极凸起既作为质量块又作为良导体，带动薄电极弯曲形成一定挠度；下面厚电极由于不存在质量块且较厚，向下弯曲幅度很小，因而两电极接触形成短路，使得电容器单体的输出电压在瞬间下降产生响应信号；根据不同参数制作的电容器单体具备不同的短路阈值，能够感应不同的过载加速度。
4.根据权利要求3所述自匹配冲击幅值的自传感超级电容器的制造方法；其特征在于，所述在薄电极上的电极凸起中心开一个通孔，使得相邻电极间的内腔互通；当施加外界过载加速度时，薄电极向下弯曲，两个内腔由于连通且总体积基本不变，能更有效减缓两个内腔体积变化对侧面胶圈带来的拉压力，保证高冲击下密封可靠性，并且使得薄电极向下弯曲时受到更小的阻力，提升器件的冲击敏感性。
5.根据权利要求3所述自匹配冲击幅值的自传感超级电容器的制造方法；其特征在于，所述步骤4）中将所述不同参数制作的电容器单体采用叠层串联结构组装成完整的超级电容器，采用一种应力增强型结构，将单体按从上往下阈值分别降低的次序排列，上层的电容器单体既作为超级电容器组成部分，又同时充当质量块增加下层电容器单体所受应力，进一步压缩层间距离，使得在同样外界冲击下，越靠下的电容器单体受到的应力越大，从而使得各个电容器单体之间的敏感阈值存在明显区分度。
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