CN111742383B - 包括具有减少泄漏的超级电容器的电路 - Google Patents

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Abstract

提供了一种电路，其包括具有大致平面表面的基板。超级电容器组件包括在纵向方向上具有长度的容器。超级电容器组件包括封装在容器内的电极组件，并且电极组件可以具有卷芯构造。在容器的纵向方向与基板的大致平面表面之间形成约0度至约30度的角度。

Description

包括具有减少泄漏的超级电容器的电路
相关申请的交叉引用
本申请要求申请日为2018年2月22日的美国临时专利申请序列号62/633811的提交权益，其全部内容通过引用合并于此。
背景技术
电能存储电池广泛用于向电子、机电、电化学和其他有用的设备供电。例如，双层超级电容器可以采用一对可极化电极，其包含浸渍有液体电解质的碳颗粒(例如活性炭)。由于颗粒的有效表面积和电极之间的小间距，因此可以实现大的电容值。
可以通过将各种部件表面安装至基板来在诸如印刷电路板(PCB)之类的基板上形成电路。超级电容器可被表面安装，以小尺寸规格提供大量能量存储。
然而，热量和湿气可能积聚在表面安装的超级电容器和PCB之间的受限空间中，这可能导致腐蚀或其他损坏。例如，超级电容器可以使用电引线连接到PCB。此类引线可能会发热，甚至会在超级电容器和PCB之间的受限空间中引起电解反应。结果，氢气、氧气和水蒸气会渗入并损坏超级电容器。
发明内容
根据一实施例，一种电路可以包括：基板，其包括大致平面表面；以及超级电容器组件。超级电容器组件可包括在纵向方向上具有长度的容器。超级电容器组件可包括封装在容器内的电极组件，并且电极组件可具有卷芯(jelly-roll)构造。可以在容器的纵向方向和基板的大致平面表面之间形成角度。该角度可以在约0度至约30度的范围内。
根据另一实施例，一种用于测量产品流量的仪表可以包括：基板，其具有大致平面表面；以及超级电容器组件。超级电容器组件可包括在纵向方向上具有长度的容器。超级电容器组件可包括封装在容器内并且具有卷芯构造的电极组件。可以在容器的纵向方向和基板的大致平面表面之间形成角度。该角度可以在约0度至约30度的范围内。
根据另一实施例，一种电路包括：基板；以及超级电容器组件，其被安装至基板。超级电容器组件包括在纵向方向上具有长度的容器。超级电容器组件包括封装在容器内的电极组件，并且电极组件具有卷芯构造。超级电容器的纵向方向大致沿水平方向延伸。
本公开的其他特征和方面在下面更详细地阐述。
附图说明
在本说明书的其余部分中更具体地阐述了针对本领域普通技术人员的包括本发明的最佳模式的本发明的完整可行的公开，其中参考以下附图：
图1A和1B示出了根据本发明各方面的超级电容器组件的一个实施例的示意图；
图2A和2B分别示出了根据本公开各方面的包括超级电容器组件的电路的一个实施例的透视图和侧视图；
图3A和3B分别示出了根据本公开各方面的包括超级电容器组件的电路的另一实施例的透视图和侧视图；
图4A和4B分别示出了根据本公开各方面的包括超级电容器组件的电路的另一实施例的透视图和侧视图；
图5A和5B分别示出了根据本公开各方面的包括超级电容器组件的电路的另一实施例的透视图和侧视图；
图6A示出了根据本公开各方面的包括超级电容器组件的用于测量功率使用的仪表的实施例的透视图；以及
图6B示出了根据本公开各方面的包括超级电容器组件的用于测量功率使用的仪表的实施例的示意图。
在本说明书和附图中重复使用参考数字旨在表示本公开的相同或相似的特征或元件。
具体实施方式
本领域普通技术人员应理解，本讨论仅是示例性实施例的描述，而无意于限制本公开的更广泛的方面，更广泛的方面体现在示例性构造中。
本公开的各方面针对一种包括诸如PCB之类的基板的电路。基板可具有大致平面表面。该电路还可以包括超级电容器组件，其包括在纵向方向上具有长度的容器。超级电容器组件可包括封装在容器内并且具有卷芯构造的电极组件。
不管所采用的特定配置如何，本发明人已经发现，通过对超级电容器组件的取向的选择性控制，可以获得更鲁棒的电路。例如，可以在超级电容器的容器的纵向方向与基板的大致平面表面之间形成角度。在一些实施例中，该角度可在约0至约75度的范围内，在一些实施例中在约0至约60度，在一些实施例中在约0至约45度，在一些实施例中在约0至约30度，在一些实施例中在约0至约20度，在一些实施例中在约0至约15度，在一些实施例中在约0至约10度。例如，在一些实施例中，该角度可以是约0度。
换句话说，在一些实施例中，超级电容器组件通常可以在与基板的大致平面表面平行的方向上延伸。这样的配置可以减少在超级电容器组件的电引线周围(可以位于容器的一端附近)和/或在超级电容器组件和基板之间的热量和/或湿气积聚，从而减少或防止腐蚀损坏。
在一些实施例中，超级电容器组件通常可在水平方向上延伸，使得重力不会促使通过超级电容器组件的各个密封件的泄漏。这样的密封件位于超级电容器组件的一端或两端。例如，密封件可以位于延伸穿过超级电容器组件的壳体的引线周围和/或在超级电容器组件的壳体的盖和主体之间，以将壳体与其中的超级电容器密封在一起。该配置可防止或减少超级电容器组件的泄漏。
超级电容器配置
通常可以在本发明的模块中使用任何各种不同的单独超级电容器。然而，一般而言，超级电容器包含电极组件和电解质，电解质包含在壳体中并且可选地被气密密封在壳体内。电极组件可以例如包含：第一电极，其包含电联接至第一集电器的第一碳质涂层(例如活性炭颗粒)；以及第二电极，其包含电联接至第二集电器的第二碳质涂层(例如活性炭颗粒)。应该理解，如果需要的话，也可以采用附加的集电器，特别是如果超级电容器包括多个能量存储电池时。集电器可以由相同或不同材料形成。无论如何，每个集电器通常由包括导电金属比如铝、不锈钢、镍、银、钯等及其合金的基板形成。铝和铝合金特别适用于本发明。基板可以是箔、片、板、网等形式。基板也可以具有相对较小的厚度，比如约200微米或更小，在一些实施例中为约1至约100微米，在一些实施例中为约5至约80微米，以及在一些实施例中为约10至约50微米。尽管绝不是必需的，但可以可选地使基板的表面粗糙化，比如通过洗涤、蚀刻、喷砂等。将术语“约”与数值结合使用是指在规定量的20％以内。
第一和第二碳质涂层也可以分别电联接到第一和第二集电器。尽管它们可以由相同或不同类型的材料形成并且可以包含一层或多层，但每个碳质涂层通常包含至少一层包含活化颗粒的层。例如，在某些实施例中，活性炭层可以直接位于集电器上方，并且可以可选地是碳质涂层的唯一层。合适的活性炭颗粒的示例可以包括例如椰壳基活性炭、石油焦基活性炭、沥青基活性炭、聚偏二氯乙烯基活性炭、酚醛树脂基活性炭、聚丙烯腈基活性炭以及来自比如煤炭、木炭或其他天然有机资源的自然资源的活性炭。
在某些实施例中，可能期望选择性地控制活性炭颗粒的某些方面，比如它们的粒度分布、表面积和孔径分布，以帮助改善某些类型的电解质在经历一个或多个充放电循环之后的离子迁移率。例如，至少50体积％的颗粒(D50尺寸)可具有在约0.01至约30微米的范围内的尺寸，在一些实施例中为约0.1至约20微米，在一些实施例中为约0.5至约10微米。至少90体积％的颗粒(D90尺寸)可以同样具有在约2至约40微米的范围内的尺寸，在一些实施例中为约5至约30微米，在一些实施例中为约6至约15微米。BET表面的范围还可为约900m2/g至约3000m2/g，在一些实施例中为约1000m2/g至约2500m2/g，在一些实施例中为约1100m2/g至约1800m2/g。
除了具有一定的尺寸和表面积之外，活性炭颗粒还可以包含具有一定的尺寸分布的孔。例如，尺寸小于约2纳米的孔(即“微孔”)的量可提供总孔体积的约50vol.％或更少的孔体积，在一些实施例中为约30vol.％或更少的孔体积，在一些实施例中为0.1vol.％至15vol.％的孔体积。尺寸在约2纳米至约50纳米之间的孔(即“中孔”)的量同样可以为约20vol.％至约80vol.％，在一些实施例中为约25vol.％至约75vol.％，在一些实施例中为约35vol.％至约65vol.％。最后，尺寸大于约50纳米的孔(即“大孔”)的量可以为约1vol.％至约50vol.％，在一些实施例中为约5vol.％至约40vol.％，在一些实施例中为约10vol.％至约35vol.％。碳颗粒的总孔体积可以在约0.2cm3/g至约1.5cm3/g的范围内，在一些实施例中为约0.4cm3/g至约1.0cm3/g，并且中值孔宽度可以为约8纳米或更小，在一些实施例中为约1至约5纳米，在一些实施例中为约2至约4纳米。可以使用氮吸附来测量孔尺寸和总孔体积，并通过本领域公知的Barrett-Joyner-Halenda(“BJH”)技术进行分析。
如果需要，可以存在粘合剂，量可以为第一和/或第二碳质涂层中的每100份碳中的约60份或更少，在一些实施例中为40份或更少，在一些实施例中为约1至约25份。粘合剂可以例如占碳质涂层的总重量的约15wt.％或更少，在一些实施例中为约10wt.％或更少，在一些实施例中为约0.5wt.％至约5wt.％。电极中可以使用任何各种合适的粘合剂。例如，在某些实施例中可以使用水不溶性有机粘合剂，比如苯乙烯-丁二烯共聚物、聚乙酸乙烯酯均聚物、乙酸乙烯酯乙烯共聚物、乙酸乙烯酯丙烯酸共聚物、乙烯-氯乙烯共聚物、乙烯-氯乙烯-乙烯共聚物、乙酸三元共聚物、丙烯酸类聚氯乙烯聚合物、丙烯酸类聚合物、腈类聚合物、含氟聚合物比如聚四氟乙烯或聚偏二氟乙烯、聚烯烃等以及它们的混合物。也可以使用水溶性有机粘合剂，比如多糖及其衍生物。在一特定实施例中，多糖可以是非离子纤维素醚，比如烷基纤维素醚(例如甲基纤维素和乙基纤维素)；羟烷基纤维素醚(例如羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基羟丁基纤维素、羟乙基羟丙基纤维素、羟乙基羟丁基纤维素、羟乙基羟丙基羟丁基纤维素等)；烷基羟烷基纤维素醚(例如甲基羟乙基纤维素、甲基羟丙基纤维素、乙基羟乙基纤维素、乙基羟丙基纤维素、甲基乙基羟乙基纤维素和甲基乙基羟丙基纤维素)；羧烷基纤维素醚(例如羧甲基纤维素)；等等，以及前述任何一种的质子化盐，比如羧甲基纤维素钠。
在第一和/或第二碳质涂层的活性炭层内和/或在第一和/或第二碳质涂层的其他层内也可以采用其他材料。例如，在某些实施例中，可以采用电导率促进剂来进一步增加电导率。示例性导电促进剂可包括例如炭黑、石墨(天然或人造)、石墨、碳纳米管、纳米线或纳米管、金属纤维、石墨烯等以及它们的混合物。炭黑是特别合适的。当使用时，电导率促进剂通常占碳质涂层中每100份活性炭颗粒约60份或更少，在一些实施例中为40份或更少，在一些实施例中为约1至约25份。电导率促进剂可例如占碳质涂层的总重量的约15wt.％或更少，在一些实施例中为约10wt.％或更少，在一些实施例中为约0.5wt.％至约5wt.％。活性炭颗粒通常同样站碳质涂层的85wt.％或更多，在一些实施例中为约90wt.％或更多，在一些实施例中为约95wt.％至约99.5wt.％。
如本领域技术人员所公知的，将碳质涂层施加到集电器上的特定方式可以变化，比如印刷(例如轮转凹版印刷)、喷涂、缝模涂、滴涂、浸涂等。不管其施加方式如何，通常将所得电极干燥以从涂层中去除水分，比如在约100℃或更高的温度下，在一些实施例中为约200℃或更高，在一些实施例中为约300℃至约500℃。电极也可被压缩(例如压延)以优化超级电容器的体积效率。在任何可选的压缩之后，每个碳质涂层的厚度通常可以基于所需的电性能和超级电容器的操作范围而变化。然而，通常，涂层的厚度为约20至约200微米、30至约150微米，在一些实施例中为约40至约100微米。涂层可存在于集电器的一侧或两侧。无论如何，整个电极的厚度(包括可选的压缩之后的集电器和碳质涂层)通常在约20至约350微米的范围内，在一些实施例中为约30至约300微米，在一些实施例中为约50至约250微米。
电极组件通常还包含位于第一和第二电极之间的隔板。如果需要，在电极组件中也可以采用其他隔板。例如，一个或多个隔板可以位于第一电极、第二电极或两者之上。隔板使一个电极与另一电极电隔离，有助于防止电短路，但仍允许离子在两个电极之间传输。在某些实施例中，例如，可以采用包括纤维素纤维材料(例如气流成网纸、湿法成网纸等)、非织造纤维材料(例如聚烯烃非织造幅材)、织造织物、膜(例如聚烯烃膜)等的隔板。纤维素纤维材料特别适用于超级电容器，比如包含天然纤维、合成纤维等的那些。用于隔板的合适纤维素纤维的具体示例可包括例如硬质纸浆纤维、软木浆纤维、人造丝纤维、再生纤维素纤维等。不论使用哪种特定材料，隔板的厚度通常为约5至约150微米，在一些实施例中为约10至约100微米，在一些实施例中为约20至约80微米。
电极组件的部件组合在一起的方式可以如本领域中已知的那样变化。例如，电极和隔板可初始被折叠、缠绕或以其他方式接触在一起以形成电极组件。在一特定实施例中，电极、隔板和可选的电解质可被缠绕成具有“卷芯”构造的电极组件。例如，参考图1A，示出了这种卷芯电极组件1100的一个实施例，其包含第一电极1102、第二电极1104以及位于电极1102和1104之间的隔板1106。在该特定实施例中，电极组件1100还包括位于第二电极1104上的另一隔板1108。以这种方式，电极的两个涂覆表面中的每个被隔板隔开，从而使每单位体积的表面积和电容最大化。尽管不是必需的，但在该实施例中电极1102和1104是偏移的，以使它们相应的接触边缘分别延伸超过第一和第二隔板1106、1108的第一和第二边缘。除其他外，这可以帮助防止由于电极之间的电流流动引起的“短路”。
为了形成超级电容器，在将电极和隔板组合在一起以形成电极组件之前、之中和/或之后，电解液被置于与第一电极和第二电极的离子接触中。电解质通常本质上是非水的，因此包含至少一种非水溶剂。为了帮助扩展超级电容器的工作温度范围，通常需要非水溶剂具有较高的沸点温度，比如约150℃或更高，在一些实施例中为约200℃或更高，在一些实施例中为约220℃至约300℃。特别合适的高沸点溶剂可以包括例如环状碳酸酯溶剂，比如碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯、碳酸亚乙烯酯等。当然，其他非水溶剂也可单独或与环状碳酸酯溶剂组合使用。这种溶剂的示例可以包括例如开链碳酸盐(例如碳酸二甲酯、碳酸乙基甲基酯、碳酸二乙酯等)、脂族单羧酸盐(例如乙酸甲酯、丙酸甲酯等)、内酯溶剂(例如丁内酯戊内酯等)、腈类(例如乙腈、戊二腈、己二腈、甲氧基乙腈、3-甲氧基丙腈等)、酰胺(例如N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二乙基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮)、烷烃(例如硝基甲烷、硝基乙烷等)、硫化合物(例如环丁砜、二甲基亚砜等)；等等。
电解质还可包含至少一种离子液体，其溶解在非水溶剂中。尽管离子液体的浓度可以变化，但是通常期望离子液体以相对高的浓度存在。例如，离子液体的存在量可以为电解质的约0.8摩尔每升(M)或更多，在一些实施例中为约1.0M或更多，在一些实施例中为约1.2M或更多，在一些实施例中为约1.3至约1.8M。
离子液体通常是具有相对较低的熔融温度的盐，比如约400℃或更低，在一些实施例中为约350℃或更低，在一些实施例中为约1℃至约100℃，在一些实施例中为约5℃至约50℃。该盐包含阳离子物质和抗衡离子。阳离子物质包含具有至少一个杂原子(例如氮或磷)作为“阳离子中心”的化合物。此类杂原子化合物的示例包括例如未取代或取代的有机季铵化合物，比如铵(例如三甲基铵、四乙基铵等)、吡啶鎓、吡啶并鎓、吡喃鎓、吡嗪鎓、咪唑鎓、吡唑鎓、恶唑鎓、三唑鎓、噻唑鎓、喹啉鎓、哌啶鎓、吡咯烷鎓、季铵螺化合物，其中两个或多个环通过螺原子(例如碳、杂原子等)连接在一起，季铵稠合的环结构(例如喹啉鎓、异喹啉鎓等)等等。在一特定实施例中，例如，阳离子物质可以是N-螺双环化合物，比如具有环的对称或不对称的N-螺双环化合物。这种化合物的一个示例具有以下结构：
Figure BDA0002643846300000081
其中，m和n独立地为3至7，并且在一些实施例中为4至5(例如吡咯烷鎓或哌啶鎓)。
适用于阳离子物质的抗衡离子可同样包括卤素(例如氯离子、溴离子、碘离子等)；硫酸盐或磺酸盐(例如硫酸甲酯、硫酸乙酯、硫酸丁酯、己基硫酸盐、辛基硫酸盐、硫酸氢盐、甲烷磺酸盐、十二烷基苯磺酸盐、十二烷基磺酸盐、三氟甲烷磺酸盐、十七碳辛烷磺酸盐、十二烷基乙氧基硫酸钠等)；磺基琥珀酸酯；酰胺(例如双氰胺)；酰亚胺(例如双(五氟乙基磺酰基)酰亚胺、双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺、双(三氟甲基)酰亚胺等)；硼酸盐(例如四氟硼酸盐、四氰基硼酸盐、双[草酸酯]硼酸盐、双[水杨酸硼酸酯等])；磷酸盐或次膦酸盐(例如六氟磷酸盐、磷酸二乙酯、双(五氟乙基)次膦酸盐、三(五氟乙基)-三氟磷酸盐、三(九氟丁基)三氟磷酸盐等)；锑酸盐(例如六氟锑酸盐)；铝酸盐(例如四氯铝酸盐)；脂肪酸羧酸盐(例如油酸酯、异硬脂酸酯、十五氟辛酸酯等)；氰酸盐；醋酸盐等等以及任何前述内容的组合。
合适的离子液体的多个示例可以包括例如螺-(1,1')-双吡咯烷鎓四氟硼酸酯、三乙基甲基四氟硼酸铵、四乙基铵四氟硼酸酯、螺-(1,1')-吡咯烷鎓碘化物、三乙基甲基碘化铵、四乙基铵碘化物、四氟硼酸甲基三乙铵、四氟硼酸四丁基铵、六氟磷酸四乙铵等。
如上所述，超级电容器还包含壳体，电极组件和电解质保持在壳体中并且可选地被气密密封。壳体的性质可以根据需要变化。在一实施例中，例如壳体可以包含金属容器(“罐”)，例如由钽、铌、铝、镍、铪、钛、铜、银、钢(例如不锈钢)、其合金、其复合材料(例如涂有导电氧化物的金属)等等形成的那些。铝特别适用于本发明。金属容器可以具有任何各种不同的形状，比如圆柱形、D形等。圆柱形的容器是特别合适的。
可以使用多种不同的技术将电极组件密封在圆柱形壳体内。壳体的性质可以根据需要变化。在一实施例中，例如壳体可以包含金属容器(“罐”)，例如由钽、铌、铝、镍、铪、钛、铜、银、钢(例如不锈钢)、其合金、其复合材料(例如涂有导电氧化物的金属)等等形成的那些。铝是特别合适的。在其他实施例中，壳体可以包括任何合适的塑料材料(例如聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)等)。容器可以具有多种不同形状中的任何一种，比如圆柱形、D形等。圆柱形的容器是特别合适的。
参照图1B，示出了超级电容器100的一实施例，其包含电极组件108，该电极组件包含以卷芯构造缠绕在一起的层106。在该特定实施例中，超级电容器包含第一集电盘114，其包含盘形部分134、突柱部分136和紧固件138(例如螺钉)。将集电盘114与形成在电极组件的中心的中空芯160的第一端对准，然后将突柱部分136插入芯的开口中，使得盘状部分134位于在第一接触边缘110处抵靠电极组件108的第一端。将盖118焊接(例如激光焊接)到第一接线柱116，并且可以将例如带螺纹的插座联接到紧固件138。超级电容器还包含第二集电盘120，其包含盘形部分142、突柱部分140和第二接线柱144。第二集电盘120与中空芯160的第二端对准，然后，将突柱部分140插入芯的开口中，使集电盘部分142抵靠电极组件108的第二端。
此后，将容器122(例如圆柱形罐)在电极组件108上滑动，以使第二集电盘120首先进入容器122，穿过第一绝缘垫圈124，穿过容器122的端部的轴向孔，然后穿过第二绝缘垫圈126。第二集电盘120也穿过平垫圈128和弹簧垫圈130。锁紧螺母132拧紧在弹簧垫圈130上，从而将弹簧垫圈130压在平垫圈128上，平垫圈128又被压在第二绝缘垫圈126上。第二绝缘垫圈126被压在金属容器122中的轴向孔的外周边上，并且当第二集电盘120通过该压缩力被拉向轴向孔时，第一绝缘垫圈124在第二集电盘120和容器122中的轴向孔的内周边之间被压缩。第一绝缘垫圈124上的凸缘阻止第二集电盘120与轴向孔的边缘之间的电接触。同时，将盖118拉入容器122的开口中，使得盖118的边缘恰好位于容器122的开口的唇缘内部。然后，将盖118的边缘焊接至容器122的开口的唇缘。
一旦将锁紧螺母132紧靠弹簧垫圈130拧紧，就可以在轴向孔、第一绝缘垫圈124、第二绝缘垫圈126和第二集电盘120之间形成气密密封。类似地，盖118与容器122的唇缘的焊接以及盖118与第一接线柱116的焊接可形成另一气密密封。盖118中的孔146可以保持打开以用作上述电解质的填充端口。一旦将电解质放入罐中(即如上所述，在真空下将其吸入罐中)，就将衬套148插入孔146中并紧靠在孔146的内部边缘处的凸缘150上。衬套148可以例如是中空圆柱体形状，其构造为接收塞子152。圆柱形的塞子152被压入衬套148的中心，从而将衬套148压在孔146的内部并在孔146、衬套148和塞子152之间形成气密密封。可以选择塞子152和衬套148，以在超级电容器内达到规定的压力水平时移开，从而形成超压安全机构。
上述实施例通常涉及在电容器中使用单个电化学电池。然而，当然应该理解，本发明的电容器也可以包含两个或更多个电化学电池。在一个这样的实施例中，例如，电容器可以包括堆叠的两个或更多个电化学电池，它们可以相同或不同。
所得超级电容器可表现出优异的电性能。例如，超级电容器可以表现出的电容为每立方厘米约6法拉(F/cm3)或更高，在一些实施例中为约8F/cm3或更高，在一些实施例中为约9至约100F/cm3，在一些实施例中为约10至约80F/cm3，这是在23℃的温度、120Hz的频率且未施加电压的情况下测量的。超级电容器还可以具有低等效串联电阻(ESR)，比如约150兆欧或更小，在一些实施例中为小于约125兆欧，在一些实施例中为约0.01至约100兆欧，并且在一些实施例中为约0.05至约70兆欧，这是在23℃的温度、100kHz的频率且没有施加电压的情况下确定的。
注意，即使暴露于高温下，超级电容器也可以表现出优异的电性能。例如，超级电容器可被放置成与温度为约80℃或更高的大气接触，在一些实施例中为约100℃至约150℃，在一些实施例中为约105℃至约130℃(例如85℃或105℃)。在这样的温度下，电容和ESR值可以在相当长的一段时间内保持稳定，比如约100小时或更长，在一些实施例中为约300小时至约5000小时，在一些实施例中为约600小时至约4500小时(例如168、336、504、672、840、1008、1512、2040、3024或4032小时)。
在一实施例中，例如，超级电容器在暴露于热大气(例如85℃或105℃)达1008小时后的电容值与超级电容器在初始暴露于热大气时的电容值的比率为约0.75或更高，在一些实施例中为约0.8至1.0，在一些实施例中为约0.85至1.0。这样的高电容值也可以在各种极端条件下保持，比如在施加电压时和/或在潮湿的大气中。例如，超级电容器在暴露于热大气(例如85℃或105℃)和施加电压之后的电容值与超级电容器在暴露于热大气时但在施加电压之前的初始电容值的比率可以为约0.60或更高，在一些实施例中为约0.65至1.0，在一些实施例中为约0.7至1.0。电压可以例如为约1伏或更高，在一些实施例中为约1.5伏或更高，在一些实施例中为约2伏至约10伏(例如2.1伏)。在一实施例中，例如，上述比率可以保持1008小时或更长。超级电容器还可以在暴露于高湿度水平时保持上述电容值，比如当与相对湿度为约40％或更高的大气接触时，在一些实施例中为约45％或更高，在一些实施例中为约50％或更高，在一些实施例中为约70％或更高(例如约85％至100％)。相对湿度可以例如根据ASTM E337-02，方法A(2007)确定。例如，超级电容器在暴露于热大气(例如85℃或105℃)和高湿度(例如85％)之后的电容值与超级电容器在暴露于热大气但在暴露于高湿度之前的初始电容值的比率为约0.7或更高，在一些实施例中为约0.75至1.0，在一些实施例中为约0.80至1.0。在一实施例中，例如，该比率可以保持1008小时或更长。
如上所述，ESR还可以在这种温度下在相当长的一段时间内保持稳定。在一实施例中，例如，超级电容器在暴露于热大气(例如85℃或105℃)达1008小时之后的ESR与超级电容器在初始暴露于热大气时的ESR的比率为约1.5或更小，在一些实施例中为约1.2或更小，在一些实施例中为约0.2至约1。注意，这样的低ESR值也可以在各种极端条件下保持，比如在施加高压和/或如上所述的潮湿大气中时。例如，超级电容器在暴露于热大气(例如85℃或105℃)和施加电压之后的ESR与超级电容器在暴露于热大气但在施加电压之前的初始ESR的比率可以为约1.8或更小，在一些实施例中为约1.7或更小，在一些实施例中为约0.2至约1.6。在一实施例中，例如，上述比率可以保持1008小时或更长。超级电容器还可以在暴露于高湿度水平时保持上述ESR值。例如，超级电容器在暴露于热大气(例如85℃或105℃)和高湿度(例如85％)之后的ESR与超级电容器在暴露于热大气时但在暴露于高湿度之前的初始电容值的比率可以为约1.5或更小，在一些实施例中为约1.4或更小，在一些实施例中为约0.2至约1.2。在一实施例中，例如，该比率可以保持1008小时或更长。
在一些实施例中，超级电容器的电容可以在约1F至约1500F的范围内，在一些实施例中在约100F至约1000F。在一些实施例中，超级电容器的操作电压可以在约2V至约4V的范围内，比如约2.7V。
超级电容器可以是任何合适的尺寸和形状。例如，在一些实施例中，超级电容器的容器的长度可以在约10mm至约250mm的范围内，在一些实施例中在约20mm至约120mm。在一些实施例中，超级电容器的容器可以具有大致圆柱形形状，并且直径范围为从约3mm至约70mm，并且在一些实施例中从约8mm至约40mm。
外壳
在一些实施例中，外壳(例如密封剂层)可以例如由热固性树脂形成在超级电容器组件的壳体上方。这种树脂的示例包括例如环氧树脂、聚酰亚胺树脂、三聚氰胺树脂、脲醛树脂、聚氨酯树脂、酚醛树脂、聚酯树脂等。环氧树脂也特别适合用于密封剂层。合适的环氧树脂的示例包括例如缩水甘油醚型环氧树脂，比如双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、苯酚酚醛清漆型环氧树脂、邻甲酚酚醛清漆型环氧树脂、溴化环氧树脂和联苯型环氧树脂、环状脂族环氧树脂、缩水甘油酯型环氧树脂、缩水甘油胺型环氧树脂、甲酚酚醛清漆型环氧树脂、萘型环氧树脂、苯酚芳烷基型环氧树脂、环戊二烯型环氧树脂、杂环环氧树脂等。
如果需要的话，还可以在密封剂层中使用固化剂以帮助促进固化。当使用时，固化剂通常占密封剂层的约0.1至约20wt.％。示例性固化剂包括例如胺、过氧化物、酸酐、酚化合物、硅烷、酸酐化合物及其组合。合适的固化剂的具体示例是双氰胺、1-(2-氰基乙基)2-乙基-4-甲基咪唑、1-苄基2-甲基咪唑、乙基氰基丙基咪唑、2-甲基咪唑、2-苯基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑、2-十一烷基咪唑、1-氰基乙基-2-甲基咪唑、2,4-二氰基-6,2-甲基咪唑基-(1)-乙基-s-三嗪和2,4-二氰基-6,2-十一烷基咪唑基-(1)-乙基-s-三嗪、咪唑鎓盐(比如偏苯三酸1-氰基乙基-2-十一烷基咪唑鎓、异氰脲酸2-甲基咪唑鎓、2-苯基-4-甲基咪唑鎓四苯基硼酸酯、2-乙基-1,4-二甲基咪唑鎓四苯基硼酸酯等。其他有用的固化剂包括膦化合物，比如三丁基膦、三苯基膦、三(二甲氧基苯基)膦、三(羟丙基)膦和三(氰基乙基)膦；膦盐，比如四苯基硼四苯基膦、甲基三丁基膦-四苯基硼酸酯和甲基三丁基乙基膦四苯基硼酸酯)；胺，比如2,4,6-三(二甲基氨基甲基)苯酚、苄基甲基胺、四甲基丁基胍、N-甲基哌嗪和2-二甲基氨基-1-吡咯啉；铵盐、例如四苯基硼酸三乙铵；二氮杂双环化合物，比如1,5-二氮杂双环[5,4,0]-7-十一碳烯、1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯和1,4-二氮杂双环[2,2,2]-辛烷；二氮杂双环化合物的盐，比如硼酸四苯酯、酚盐、苯酚酚盐和2-乙基己酸盐等。
还可以使用其他添加剂，比如光引发剂、粘度调节剂、悬浮助剂、颜料、应力降低剂、非导电填料、稳定剂等。合适的光引发剂可以包括例如苯偶姻、苯偶姻甲基醚、苯偶姻乙基醚、安息香正丙醚、安息香异丁醚、2,2-二羟基-2-苯基苯乙酮、2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮、2,2-二乙氧基-2-苯基苯乙酮、2,2-二乙氧基苯乙酮、二苯甲酮、4 4-双二烯丙基氨基二苯甲酮、4-二甲基氨基苯甲酸、4-二甲基氨基苯甲酸烷基酯、2-乙基蒽醌、呫吨酮、噻吨酮、2-氯噻吨酮等。同样，非导电填料可包括无机氧化物颗粒，例如二氧化硅、氧化铝、氧化锆、镁氧化物、氧化铁、氧化铜、沸石、硅酸盐、粘土(例如绿土粘土)等以及复合材料(例如氧化铝涂层的二氧化硅颗粒)及其混合物。在某些实施例中，包含硅原子的填充剂比如二氧化硅和/或硅酸盐可能特别适合于增强阻挡层结合到密封剂层的能力，比如通过硅-氧键。当使用时，这种填料可以例如占密封剂层的约20wt.％至约95wt.％，并且在一些实施例中占约50wt.％至约85wt.％。
电路
图2A和2B示出了根据本公开各方面的电路200。电路200可以包括具有大致平面表面204的基板202。例如，在一些实施例中，基板202可以是具有内部和/或表面印刷电连接部的印刷电路板，如本领域中已知。
超级电容器组件100可被安装到基板202上，或者配置为被支撑为邻近基板202。可以使用任何合适的安装结构来将超级电容器组件100安装到基板202上。为了清楚起见，在图中省略了这种安装结构。超级电容器组件100可以包括在纵向方向208上具有长度206的容器205。参照图2B，可以在超级电容器组件100的容器205的纵向方向208与基板202的大致平面表面204之间形成角度210。如上所述，在一些实施例中，角度210的范围可以在约0度至约75度。
在一些实施例中，基板202可以包括一对电连接部212。例如，在一些实施例中，电连接部212可以包括焊垫、插座等。在一些实施例中，超级电容器组件100可以包括一对引线214。每个引线214可以与一对电连接部212中的相应一个电连接部电连接。引线214还可以与超级电容器组件100内的电极连接。在一些实施例中，邻近电引线214和/或在超级电容器组件100和基板202之间的区域216(由形成三角形的虚线示出)可以大致对空气循环开放(例如通过自然对流)。如上所述，在一些实施例中，邻近电引线214和/或在超级电容器组件100和基板202之间的气流可以减少热量和/或湿气积聚。这可以防止对超级电容器组件100和/或基板202的腐蚀或其他损坏。
参照图3A和3B，在一些实施例中，超级电容器组件100的容器205的纵向方向208与基板202的大致平面表面204之间的角度可以是约0度。换句话说，超级电容器组件100可大致在与基板202的大致平面表面204平行的方向上延伸。超级电容器组件100可包括第一端面218和第二端面220。一对电引线214中的每个可从第一端面218延伸。邻近电引线214的区域216通常对气流开放(例如通过自然对流)。这可以防止热量和/或湿气积聚，从而防止损坏超级电容器组件100和/或基板202(例如由于水蒸气和电解产生的气体)。
参照图4A和4B，在一些实施例中，一条电引线214可以从超级电容器组件100的第一端面218延伸，而另一条电引线214可以从超级电容器组件100的第二端面220延伸。这种配置可以在邻近引线214的区域216中提供减少的热量和/或湿气积聚。例如，流过电引线214的电流可以产生热量。因此，通过在相对的端面218、220上分离引线214，可以进一步减少在这些区域216中的热量积聚的量，从而减少对超级电容器组件100和/或基板202的潜在损坏。
参照图5A和5B，在一些实施例中，电引线214可在超级电容器组件100的主体周围弯曲并与电连接部212连接。例如，电连接部212可配置为焊盘。这种配置可以提供改善的机械稳定性和/或改善的电连接。改善的电连接可以减少由流过引线214的电流产生的热量，从而减少对超级电容器组件100和/或基板202的潜在损坏。
在一些实施例中，超级电容器组件100可以水平地取向，使得超级电容器组件100的容器205的纵向方向208相对于向下的重力沿水平方向延伸。这种配置可以减小超级电容器组件100通过引线214周围的任何密封件和/或密封超级电容器组件100闭合的密封件泄漏的趋势。例如，这样的密封件可以位于超级电容器组件100的壳体的盖和主体之间。例如，在一些实施例中，一个或多个端面218、220可以配置为盖。上面参考图1B讨论了一种这样的示例盖配置。
超级电容器组件100的引线214和基板202的电连接部212可以具有各种配置。例如，在一些实施例中，电引线214可以配置为附接到超级电容器并且从一个或多个端面118、220突出的引线(例如径向引线)。例如，在一些实施例中，电引线214可被预弯曲以相对于超级电容器组件100的纵向方向208在垂直方向上延伸，以助于如本文所述的超级电容器组件100的安装。
在其他实施例中，电引线214可以配置为焊脚引线。例如，焊脚引线可以包括其中具有孔的接线片，使得可以将电线钩挂穿过该孔并焊接到接线片。在其他实施例中，例如，该对电引线可以配置为可焊接引脚引线。
应用
本文描述的电路的各种实施例可以在任何合适类型的电气部件中找到应用。示例应用包括功率计、不间断电源(UPS)和计算机应用，例如用于随机存取存储器(RAM)的备用电源。本文描述的电路可以在用于测量产品(例如电、水、气体等)的流量的仪表中找到特定的应用。
例如，功率计可以配置为测量功率使用(例如住宅和/或商业建筑)。一些功率计(例如“智能”功率计)能够无线地传送关于所测量的功率消耗的数据，以改善对电网的监视和/或管理。例如，智能功率计可以将功率使用传送至公用事业站和/或个人计算设备。这可以使居民监视其房屋或公寓的功率使用，从而可以更有效地使用和管理电源。
根据本公开的各方面，功率计可以采用如本文所述的超级电容器和/或电路。超级电容器可以在功率计电路中提供多个好处。例如，在停电和/或电源故障的情况下，超级电容器可以提供备用电源。这可以提高功率计的可靠性。例如，尽管电源故障或异常可能会阻止功率计正常工作，但这种功率计仍能够继续发送有关功率使用的信息。
超级电容器还可以延长功率计中电池和/或电源电路的寿命。例如，超级电容器可以帮助满足功率计的不规则或过度的功率需求，这可以帮助保护电池和/或电源电路。
功率计
参照图6A和6B，在一些实施例中，仪表可以配置为功率计4000，并且包括至少一个安装到诸如PCB之类的基板202上的超级电容器组件100。在一些实施例中，功率计4000还可包括与超级电容器组件100电连接的电池4004。超级电容器组件100可配置为在过多功率需求或电池故障的情况下提供备用电源，如上所讨论。
功率计4000可以配置为“智能”功率计并且包括无线通信单元4006，其配置为经由任何合适的网络发送和/或接收数据，比如使用任何合适的无线通信协议(例如WiFi、蓝牙等)的本地无线网络和/或使用任何合适的通信协议(例如TCP/IP、HTTP、SMTP、FTP)的更广范围网络，比如广域网(WAN)。功率计4000可以配置为向公用事业提供者和/或用户计算设备发送功率使用以进行监视。
功率计4000还可包括显示器4008和/或用户输入设备。例如，显示器4008可以配置为触摸屏，使得用户可以使用触摸屏来输入信息(例如设置、警报等)。
功率计4000可以包括配置为测量功率使用率的传感器4010。例如，在一些实施例中，传感器4010可以包括A/D转换器，其配置为检测指示流经功率计4000的功率的测量的模拟信号(例如电压或电流)。例如，A/D转换器4010可以与功率提供者4012(例如由电站提供的电网)和功率消费者4014(例如住宅和/或商业建筑)中的每个电连接。A/D转换器4010可以将模拟信号转换成指示功率使用率的数字信号。
功率计4000还可以包括微计算机4016。通常，微计算机4016可以对应于任何合适的基于处理器的设备，比如计算设备或计算设备的任何组合。因此，在多个实施例中，微型计算机4016可以包括一个或多个处理器4018和相关的存储设备4020，其配置为执行各种计算机实施的功能。如本文所用，术语“处理器”不仅是指本领域中包括在计算机中的集成电路，而且是指可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路以及其他可编程电路。另外，存储设备通常可以包括存储元件，包括但不限于计算机可读介质(例如随机存取存储器(RAM))、计算机可读非易失性介质(例如闪存)、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能光盘(DVD)和/或其他合适的存储元件。这样的存储设备通常可以配置为存储合适的计算机可读指令，其在由处理器实施时将控制器配置为执行各种计算机实施的功能。
微型计算机4016可以与无线通信单元4006、显示器4008和/或A/D转换器4010通信地耦合。微型计算机4016可以配置为从传感器4010接收指示功率使用率的信号并基于接收的信号计算功率使用率。微型计算机4016还可配置为经由无线通信单元4006发送功率使用率和/或控制显示器4008的操作，使得功率使用率可出现在显示器4008上。
智能仪表4000还可以包括电源电路4022。电源电路4022可以与超级电容器组件100、电池4004和/或功率提供者4012电连接。例如，电源电路4005可以配置为调节从至少一个超级电容器组件100、电池4004和/或功率提供者4012向微型计算机4012、无线通信单元4006、显示器4008和/或A/D转换器4010供应的功率。例如，如果功率提供者4012供应的功率变得间歇和/或不规则，则电源电路4022可以从电池和/或超级电容器组件100汲取功率以满足智能电表4000中包括的其他部件的需求。
智能功率计4000可以配置为“物联网”(“IoT”)设备。微型计算机4016可以配置为执行其他各种功能。例如，微型计算机4016可以配置为检测功率使用率何时超过预定阈值并发送警报(经由无线通信单元4006)。在一些实施例中，微型计算机4016还可以配置为例如与诸如智能电器之类的各个功耗设备无线通信(通过无线通信单元4006)。微型计算机4016可以配置为相对于由A/D转换器4010检测到的总功率使用率来监视由这些电器使用的功率。例如，微型计算机4016可以配置为编译示出在给定时间段(例如一个月)内使用的总功率以及各个功耗设备(例如智能电器)使用的其部分的汇总。微型计算机4016可以配置为例如经由无线通信单元4006将汇总发送到房屋的居民。
水表和气表
在其他实施例中，仪表可以配置为水表或气表。在这样的实施例中，传感器4010可以是流量传感器，并且配置为生成指示从源到消费者单元(例如住宅或商业建筑)的水或气体的流量的信号。在这样的实施例中，电池4004和/或超级电容器组件100可以是仪表的唯一电源。因此，电源电路4022可以配置为调节从电池4004和超级电容器组件100供应到仪表的其他部件的功率。在电池故障的情况下，超级电容器组件100可以为额外的时间段提供功率，使得仪表可以经由无线通信单元4006发送指示电池4004已经发生故障并且需要维护的信号。
尽管已经针对本主题的特定实施例对本主题进行了详细描述，但应当理解，本领域技术人员在理解前述内容之后可以容易地对这些实施例进行更改、变型和等同。因此，本公开的范围是作为示例而不是作为限制，并且本公开不排除包括对本主题的这种修改、变型和/或添加，而这些对于本领域普通技术人员将是显而易见的。

Claims (17)

1.一种电路，包括：
基板，其包括平面表面；以及
超级电容器组件，其包括在纵向方向上具有长度的容器，超级电容器组件包括封装在容器内的电极组件，电极组件具有卷芯构造；
其中，在所述容器的纵向方向和所述基板的平面表面之间形成角度，该角度的范围大于0度且小于30度；
所述基板还包括一对电连接部；并且
所述超级电容器组件还包括一对电引线，其将超级电容器组件与一对电连接部中的相应电连接部电连接；
电引线围绕超级电容器组件的主体弯曲并与电连接部连接；
电连接部被配置为焊盘，并且位于基板和超级电容器组件之间。
2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述超级电容器组件被安装到所述基板，使得超级电容器组件的纵向方向沿水平方向延伸。
3.根据权利要求1所述的电路，其中，所述容器包括第一端面和第二端面，第二端面在纵向方向上与第一端面间隔开，并且所述一对电引线中的每个从第一端面延伸。
4.根据权利要求1所述的电路，其中：
所述容器包括第一端面和第二端面，第二端面在纵向方向上与第一端面间隔开；
所述一对电引线中的一个从容器的第一端面延伸；并且
所述一对电引线中的另一个从容器的第二端面延伸。
5.根据权利要求1所述的电路，其中：
所述容器包括第一端面和第二端面，第二端面在纵向方向上与第一端面间隔开；并且
所述容器在第一端面或第二端面中的至少一个上被密封。
6.根据权利要求1所述的电路，其中，所述超级电容器组件的电容在1F至1500F的范围内。
7.根据权利要求1所述的电路，其中，所述超级电容器组件的操作电压在2V至4V的范围内。
8.根据权利要求1所述的电路，其中，所述容器的长度在10mm至250mm的范围内。
9.根据权利要求1所述的电路，其中，所述容器具有圆柱形形状。
10.根据权利要求9所述的电路，其中，所述容器的直径在5mm至70mm的范围内。
11.根据权利要求1所述的电路，其中，所述一对电引线配置为径向引线。
12.根据权利要求1所述的电路，其中，所述一对电引线配置为焊脚引线。
13.根据权利要求1所述的电路，其中，所述一对电引线配置为可焊接引脚引线。
14.一种用于测量产品流量的仪表，所述仪表包括：
基板，其包括平面表面；以及
超级电容器组件，其包括在纵向方向上具有长度的容器，超级电容器组件包括封装在容器内并且具有卷芯构造的电极组件；
其中，在所述容器的纵向方向和所述基板的平面表面之间形成角度，该角度的范围大于0度且小于30度；
所述基板还包括一对电连接部；并且
所述超级电容器组件还包括一对电引线，其将超级电容器组件与一对电连接部中的相应电连接部电连接；
电引线围绕超级电容器组件的主体弯曲并与电连接部连接；
电连接部被配置为焊盘，并且位于基板和超级电容器组件之间。
15.根据权利要求14所述的仪表，其中，所述仪表配置为测量电、气体或水中的至少一个的流量。
16.根据权利要求14所述的仪表，其中，所述基板被安装成使得所述平面表面沿水平方向延伸。
17.一种电路，包括：
基板；以及
超级电容器组件，其被安装至基板，超级电容器组件包括在纵向方向上具有长度的容器，超级电容器组件包括封装在容器内的电极组件，电极组件具有卷芯构造；
其中，在所述容器的纵向方向和所述基板的平面表面之间形成角度，该角度的范围大于0度且小于30度；
所述基板还包括一对电连接部；并且
所述超级电容器组件还包括一对电引线，其将超级电容器组件与一对电连接部中的相应电连接部电连接；
电引线围绕超级电容器组件的主体弯曲并与电连接部连接；
电连接部被配置为焊盘，并且位于基板和超级电容器组件之间。
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