CN116711043A - 包括具有通气孔的树脂层的可表面安装的超级电容器设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种可表面安装的超级电容器设备。该设备包括：封装件，该封装件包括侧壁，该侧壁在大体上垂直于底座的方向上延伸以限定上端，其中，在该底座的内表面和该侧壁之间限定了内部腔室；第一导电构件和第二导电构件，该第一导电构件和该第二导电构件设置在该底座的内表面上；第一外部端子和第二外部端子，该第一外部端子和该第二外部端子位于该底座的外表面上，并且分别电连接到该第一导电构件和该第二导电构件；超级电容器，该超级电容器被定位在该内部腔室内，并且该超级电容器包括壳体、以及位于该壳体内的电极组件和电解质，该超级电容器包括第一引线和第二引线，该第一引线和该第二引线分别电连接到该第一导电构件和该第二导电构件；树脂，该树脂设置在该内部腔室内并且封装该超级电容器的至少一部分；以及一个或多个通气孔，该一个或多个通气孔延伸穿过该树脂并且至少延伸到该树脂的表面。本发明还公开了一种包括上述可表面安装的超级电容器设备的印刷电路板、以及一种包括上述可表面安装的超级电容器设备的通信设备。

Description

包括具有通气孔的树脂层的可表面安装的超级电容器设备

相关申请的交叉引用

本申请要求提交日期为2020年10月27日、序列号为63/105,932的美国临时专利申请的提交权益，该美国临时专利申请通过引用全部并入本文。

背景技术

电能存储单元广泛地用于向电子设备、机电设备、电化学设备和其他有用的设备提供电力。例如，双电层超级电容器通常采用一对可极化电极，该对可极化电极包含浸透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、以及电极之间的小的间隔，因此可以实现大电容值。然而，多个问题依然存在。例如，在使用期间可能产生气体，导致压力增加，导致超级电容器爆炸或破裂。为了解决这些问题，许多传统的超级电容器包括直接进入超级电容器的壳体的排气阀。然而，这可能导致电解质的损失以及来自外部的污染物进入超级电容器的可能。关于另一问题，部分地由于壳体的性质，将超级电容器安装到电路板上可能是一个适时且昂贵的过程。因此，目前存在对改进的超级电容器的需求。

发明内容

根据本发明的一个实施例，公开了一种可表面安装的超级电容器设备。该设备包括：封装件(package)，该封装件包括侧壁，该侧壁在大体上垂直于底座的方向上延伸以限定上端，其中，在该底座的内表面和该侧壁之间限定了内部腔室；第一导电构件和第二导电构件，该第一导电构件和该第二导电构件设置在底座的内表面上；第一外部端子和第二外部端子，该第一外部端子和该第二外部端子位于底座的外表面上，并且分别电连接到第一导电构件和第二导电构件；超级电容器，该超级电容器被定位在内部腔室内并且包括壳体、以及位于壳体内的电极组件和电解质，该超级电容器包括第一引线和第二引线，该第一引线和该第二引线分别电连接到第一导电构件和第二导电构件；树脂，该树脂设置在内部腔室内并且封装超级电容器的至少一部分；以及一个或多个通气孔，该一个或多个通气孔延伸穿过树脂并且至少延伸到树脂的表面。

根据本发明的另一实施例，公开了一种印刷电路板。该印刷电路板包括上述可表面安装的超级电容器设备。

根据本发明的另一实施例，公开了一种通信设备。该通信设备包括上述可表面安装的超级电容器设备。

下文更详细地阐述了本发明的其他特征和方面。

附图说明

在说明书的其余部分中(参考附图)更具体地阐述了本发明的完整而可行的公开(包括其针对本领域普通技术人员来说的最佳模式)，在附图中：

图1A至图1C示出了根据本发明的封装件的一个实施例；

图2示出了根据本发明的封装件的另一实施例；

图3A至图3C示出了根据本发明的可表面安装的超级电容器设备的一个实施例；

图4示出了根据本发明的可表面安装的超级电容器设备的另一实施例；

图5和图6示出了本发明的超级电容器的壳体的实施例；

图7示出了可在本发明的超级电容器中使用的集流体的一个实施例；

图8示出了可在本发明的超级电容器中使用的集流体/碳质涂层配置的一个实施例；以及

图9示出了用于形成可在本发明的超级电容器中使用的电极组件的一个实施例。

在本说明书和附图中重复使用的附图标记旨在表示本发明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将理解，本论述仅是示例性实施例的描述，并不旨在限制本发明的更广泛的方面，本发明的更广泛的方面体现在示例性构造(construction)中。

一般而言，本发明涉及一种可表面安装的超级电容器设备。该设备包括用于容纳超级电容器的封装件。另外，该设备包括用于封装超级电容器的树脂、以及延伸穿过树脂到树脂外表面的一个或多个通气孔。本发明人已经发现，通过提供超级电容器作为本文所描述的可表面安装的设备，可以实现各种益处。例如，当气体在超级电容器周围产生、或者渗透穿过超级电容器的壳体的密封时，树脂和通气孔允许气体以相对安全的方式逸出。因此，可以避免超级电容器的性能问题和/或结构完整性问题，从而可以大大提高超级电容器的安全性。进而，这也可以提高超级电容器的使用寿命和强度。此外，通过将超级电容器设置在封装件内，超级电容器可以以更有效和更低成本的方式安装到电路板(例如，印刷电路板)上。例如，可以使用本领域公知的方法将存在于设备的封装件上的端子电连接和/或物理连接到电路板，而不是必须将超级电容器的引线电连接和/或物理连接到电路板。

现在将更详细地描述本发明的各种实施例。

可表面安装的超级电容器设备

如本文所指示的，本发明涉及可表面安装的超级电容器设备。参考图3A至图3C，示出了这种设备的一个实施例。特别地，设备70包括封装件50，该封装件50用于将超级电容器72容纳在封装件50的内部腔室58内。特别地，超级电容器72包括壳体，电极组件和电解质被容纳且被密封在该壳体内。电极组件包含电连接到第一电极(未示出)的第一引线74和电连接到第二电极(未示出)的第二引线76。引线74和76从电极组件和超级电容器向外延伸，并且分别电连接到第一导电构件(未示出)和第二导电构件(未示出)，该第一导电构件和第二导电构件设置在封装件50上。如图3A所示，引线74和76从电极组件和超级电容器72的相对端延伸。然而，如图4所示，应理解，引线74和76可以从电极组件和超级电容器72的同一端延伸。另外，如所示出的，在一个实施例中，引线保持在封装件50内，并且不延伸超出封装件50的底座56、侧壁52和盖82。

总体而言，引线74和76以如下这种方式分别附接到设置在封装件50上的第一导电构件和第二导电构件：使得该引线和导电构件这两者都设置在大体上平行于底座56的平面上。然而，当以引线以这种方式附接时，该引线的部分可以以使得电极组件的主表面可以大体上平行于底座56的方式而保持从电极组件延伸。当然，应理解，这绝对不是必须的。在其他实施例中，例如，引线可以设置在电极组件的底表面上，以使得其可以简单地堆叠到导电构件上。

在任何情况下，引线74和76到导电构件的附接通常可以使用多种已知技术(例如，焊接、激光焊接、导电胶粘剂等)中的任何一种技术来实现。例如，在一个特定实施例中，引线74和76分别用导电胶粘剂连接到导电构件60和62。导电胶粘剂可以由包含有树脂组合物的导电金属颗粒形成。金属颗粒可以是银、铜、金、铂、镍、锌、铋等。树脂组合物可以包括热固性树脂(例如，环氧树脂)、固化剂(例如，酸酐)和偶联剂(例如，硅烷偶联剂)。合适的导电胶粘剂在Osako等人的美国专利申请公开号2006/0038304中进行了描述。

一旦以期望的方式连接，树脂78也设置在封装件50的内部腔室58内。树脂78可以用于封装超级电容器72。例如，在将超级电容器72安装在封装件50内之后，超级电容器72的一定量的表面积可能仍然会暴露于内部腔室和环境。在这点上，树脂78可以用于封装超级电容器并且覆盖超级电容器72的至少某一部分。例如，树脂78可以用于覆盖超级电容器的暴露区域的至少50％或更多，例如60％或更多，例如70％或更多，例如80％或更多，例如90％或更多，例如95％或更多，例如98％或更多，例如99％或更多，例如100％。

另外，树脂78可以设置为使得其占据封装件的内部腔室的30％体积或更多，例如40％体积或更多，例如50％体积或更多，例如60％体积或更多，例如70％体积或更多，例如80％体积或更多，例如90％体积或更多，例如95％体积或更多。树脂可以设置为使得其占据封装件的内部腔室的100％体积或更少，例如99％体积或更少，例如98％体积或更少，例如95％体积或更少，例如90％体积或更少，例如85％体积或更少，例如80％体积或更少，例如75％体积或更少，例如70％体积或更少。在一个实施例中，这种百分比可以基于安装超级电容器之前的内部腔室的总体积。在另一实施例中，这种百分比可以基于安装超级电容器之后的内部腔室的剩余体积。

树脂通常可以由任何可与超级电容器一起使用以用于电子应用的树脂形成。在这点上，树脂可以是如下的一种树脂：该树脂在暴露于高温时是稳定的。在这点上，树脂可以是热塑性树脂、热固性树脂或其混合物。在一个实施例中，树脂可以是热塑性树脂。在另一实施例中，树脂可以是热固性树脂。可以使用本领域公知的方法将树脂设置在内部腔室内并且围绕超级电容器。例如，可以在内部腔室内设置树脂的溶液或熔化物。然后可以允许溶液或熔化物固化或硬化以形成树脂。例如，在某些实施例中，冷却可能足以硬化和形成封装件58内的树脂78。在其他实施例中，可以通过固化来促进这种硬化。例如，这种固化可以包括热固化(例如，施加热量)、辐射固化、或热固化和辐射固化这两者。辐射固化可以包括本领域公知的各种技术，例如电子束辐射、紫外线(UV)辐射等。在一个实施例中，可能需要热固化来形成树脂。在另一实施例中，可能需要辐射固化来形成树脂。在甚至更进一步的实施例中，可能需要热固化和辐射固化来形成树脂。

如本文所指示的，在一个实施例中，树脂可以是热固性树脂。例如，热固性树脂可以包括环氧树脂(例如，环氧酚醛树脂)、聚酯(例如，不饱和聚酯)、乙烯基酯、氰酸酯、聚氰脲酸酯、酚醛树脂(例如，苯酚-甲醛)、聚氨酯、三聚氰胺树脂、聚酰亚胺等，包括其混合物。环氧树脂是特别合适的。合适的环氧树脂的示例例如包括缩水甘油醚型环氧树脂(例如，双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、苯酚酚醛型环氧树脂、邻甲酚酚醛型环氧树脂、溴化环氧树脂和联苯型环氧树脂)、环状脂肪族环氧树脂、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，也可以使用固化剂来促进固化。当使用固化剂时，固化剂通常占树脂的从大约0.1％重量至大约20％重量。示例性固化剂例如包括胺、过氧化物、酸酐、酚化合物、硅烷、酸酐化合物、及它们的组合。合适的固化剂的具体示例是双氰胺、1-(2氰乙基)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(例如，1-氰乙基-2-十一烷基咪唑鎓偏苯三酸盐、2-甲基咪唑鎓异氰尿酸盐、2-乙基-4-甲基咪唑鎓四苯基硼酸盐以及2-乙基-1,4-二甲基咪唑鎓四苯基硼酸盐)等。还有其他有用的固化剂包括：膦化合物，例如三丁基膦、三苯基膦、三(二甲氧基苯基)膦、三(羟丙基)膦和三(氰乙基)膦；鏻盐，例如四苯基鏻-四苯基硼酸盐、甲基三丁基鏻-四苯基硼酸盐以及甲基三氰乙基鏻四苯基硼酸盐)；胺，例如2,4,6-三(二甲基氨基甲基)苯酚、苄基甲胺、四甲基丁基胍、N-甲基哌嗪和2-二甲基氨基-1-吡咯啉；铵盐，例如三乙基铵四苯基硼酸盐；二氮杂双环化合物，例如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，例如四苯基硼酸盐、苯酚盐、苯酚酚醛清漆盐和2-乙基己酸盐；等等。

如本文所指示的，在一个实施例中，树脂可以是热塑性树脂。该热塑性树脂可以包括聚酯(例如，聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乳酸等)、聚烯烃、苯乙烯聚合物、聚酰胺、聚芳硫醚、聚碳酸酯、聚砜(例如，聚芳醚砜、聚醚砜等)、聚酮、聚醚酮(例如，聚芳醚酮、聚醚醚酮等)、聚酰胺(例如，尼龙-6、尼龙-6,6、尼龙-6,10、尼龙-11、尼龙-12等)、聚酰亚胺等。在这点上，热塑性聚合物通常可以是能够承受高温的高性能聚合物。在这点上，可以选择熔融温度通常较高的热塑性树脂。例如，热塑性树脂的熔融温度可以为大约150℃或更高，例如大约200℃或更高，例如大约250℃或更高，例如大约300℃或更高，例如大约350℃或更高至大约500℃或更低，例如大约450℃或更低，例如大约400℃或更低。

树脂还可以包括其他添加剂。例如，这些添加剂可以包括光引发剂、粘度调节剂、悬浮助剂、颜料、降压应剂、非导电填料、稳定剂等。合适的光引发剂可以例如包括安息香、安息香甲醚、安息香乙醚、安息香正丙醚、安息香异丁基醚、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-双二氨基二苯甲酮、4-二甲氨基苯甲酸、4-二甲氨基苯甲酸烷基酯、2-乙基蒽醌、呫吨酮、噻吨酮、2-氯噻吨酮等。类似地，非导电填料可以包括无机氧化物颗粒，例如二氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化铁、氧化铜、沸石、硅酸盐、粘土(例如，蒙脱石粘土)等，以及它们的复合物(例如，氧化铝涂覆的二氧化硅颗粒)和混合物。

返回参考图3B和图3C，除了树脂78之外，设备70还包括一个或多个通气孔80。例如，一个或多个通气孔80可以延伸穿过树脂78到树脂78的外表面88。在这点上，该外表面通常是与封装件50(例如，侧壁52、底座56)或超级电容器72不接触的表面。在不旨在受到理论的限制的情况下，通气孔80可以允许如下的任何气体逸出：所述气体可能在超级电容器72周围形成或从超级电容器72的壳体内泄漏。

可以使用各种方法来形成通气孔。例如，在一个实施例中，可以在内部腔室内设置模具，使得当上述树脂存在于内部腔室内时，上述树脂不占据一个或多个通气孔所需的空间。在这点上，在形成树脂时，也可以同时形成一个或多个通气孔。可替代地，一旦在内部腔室内形成树脂，就可以使用钻孔(或其他类似的技术)来产生一个或多个通气孔。在一个实施例中，不管形成一个或多个通气孔的方式如何，一个或多个通气孔都可以保持打开和未填充。在另一实施例中，一个或多个通气孔可以是填充的。通气孔可以用陶瓷、树脂等填充。通常，用于填充通气孔的材料可以是允许气体逸出的材料。在这点上，在一个实施例中，树脂可以是如上所述的热塑性树脂。可替代地，在另一实施例中，树脂可以是如上所述的热固性树脂。另外，当填充时，用于填充通气孔的材料可以是预制的。也就是说，用于填充通气孔的材料可以在封装件的外部制造和形成，然后简单地插入到开口中。可替代地，可以将材料填充到通气孔中。例如，可以将聚合物熔化物或前体溶液添加到通气孔中，然后进行硬化或固化。

此外，如图3B和图3C所示，通气孔延伸超出树脂78的表面88。在这点上，通气孔从树脂78的表面88向外延伸的长度为通气孔的长度的50％或更少，例如40％或更少，例如30％或更少，例如20％或更少，例如10％或更少，例如5％或更少。然而，应理解，在另一实施例中，通气孔80可以不延伸超出表面88，并且可以仅在表面88处终止。无论如何，通气孔80可以不延伸超出侧壁52的上端54。另外，如图3B和图3C所示，一个或多个通气孔80可以不一直延伸到超级电容器72的壳体的表面。在这点上，一个或多个通气孔可以延伸如下距离：树脂78的表面88和超级电容器72的壳体之间的距离的40％或更多，例如50％或更多，例如60％或更多，例如70％或更多，例如80％或更多，例如90％或更多，例如95％或更多。一个或多个通气孔80可以延伸如下距离：树脂78的表面88和超级电容器72的壳体之间的距离的100％或更少，例如99％或更少，例如98％或更少，例如95％或更少，例如90％或更少，例如80％或更少。因此，在一个实施例中，一个或多个通气孔80可以延伸到超级电容器72的壳体的表面。

通气孔80还可以具有特定的横截面尺寸和/或大小。应理解的是，横截面形状不一定受到限制。例如，横截面形状可以是圆形、椭圆形、正方形、长方形、菱形、三角形、星形、十字形等形式。另外，通气孔的横截面可以在至少一个方向上具有最大尺寸。这种最大尺寸可以是0.1mm或更大，例如0.5mm或更大，例如1mm或更大，例如2mm或更大，例如3mm或更大，例如4mm或更大，例如5mm或更大。这种横截面内的最大尺寸可以是20mm或更小，例如10mm或更小，例如8mm或更小，例如6mm或更小，例如5mm或更小，例如4mm或更小，例如3mm或更小，例如2mm或更小，例如1mm或更小，例如0.5mm或更小。此外，通气孔的横截面面积可以是0.001mm²或更大，例如0.01mm²或更大，例如0.05mm²或更大，例如0.1mm²或更大，例如0.2mm²或更大，例如0.3mm²或更大，例如0.5mm²或更大，例如1mm²或更大，例如2mm²或更大，例如3mm²或更大，例如5mm²或更大，例如10mm²或更大，例如20mm²或更大。通气孔的横截面面积可以是500mm²或更小，例如300mm²或更小，例如200mm²或更小，例如150mm²或更小，例如100mm²或更小，例如80mm²或更小，例如60mm²或更小，例如50mm²或更小，例如40mm²或更小，例如30mm²或更小，例如20mm²或更小，例如10mm²或更小，例如8mm²或更小，例如6mm²或更小，例如5mm²或更小，例如4mm²或更小，例如3mm²或更小，例如2mm²或更小，例如1mm²或更小，例如0.5mm²或更小。在一个实施例中，上述横截面面积可以适用于所有通气孔组合后的总横截面面积。

另外，图3B和图3C示出了在大体上平行于封装件50的侧壁52且大体上垂直于封装件50的底座56的方向上延伸的通气孔80。例如，如所示出的，通气孔80延伸到外表面88，其中外表面88位于树脂78与内部腔室58的剩余未占据空间的界面处。然而，应理解，通气孔80也可以在其他方向上延伸。例如，一个或多个通气孔80可以在大体上垂直于侧壁52且大体上平行于底座56的方向上延伸。如果通气孔80以这样的方式存在，则树脂78可以形成为使得其不延伸到侧壁中的一个或多个。例如，通过在侧壁52和树脂78之间设置未被占据的腔室，这种腔室可以允许气体穿过通气孔80并进入到内部腔室58的未被占据的腔室中逸出。

应理解，本发明不受通气孔数量的限制。例如，图3B和图3C示出了三个通气孔。然而，设备70可以简单地包括一个或多个通气孔。例如，在一个实施例中，设备70可以简单地包括一个通气孔。在其他实施例中，设备70可以包括一个以上的通气孔，例如两个或更多个通气孔，例如三个或更多个通气孔，例如五个或更多个通气孔。

一旦已经设置了超级电容器72和树脂78并且已经形成了一个或多个通气孔80，随后就可以使用盖82来密封封装件50。例如，盖82可以设置在侧壁52的上端54上。盖82可以由陶瓷、金属(例如，铁、铜、镍、钴等，以及它们的合金)、塑料等形成。在一个实施例中，盖可以由柔性材料形成。例如，在低于某一压力阈值时，盖可以在受到压力时变形但可能不会爆裂，从而保持盖和封装件的结构完整性。

一旦盖上盖，设备内的一定体积的空间可能是未被占用的。这种体积可以是该封装件的整个内部腔室的体积的50％体积或更小，例如40％体积或更小，例如30％体积或更小，例如20％体积或更小，例如15％体积或更小，例如10％体积或更小，例如8％体积或更小，例如5％体积或更小。这种体积可以是该封装件的整个内部腔室的体积的0％体积或更多，例如1％体积或更多，例如2％体积或更多，例如5％体积或更多，例如10％体积或更多，例如15％体积或更多，例如20％体积或更多，例如25％体积或更多，例如30％体积或更多。

封装件

如本文所指示的，本发明的可表面安装的超级电容器设备采用封装件，超级电容器容纳在该封装件内。在一个实施例中，该封装件可以是可表面安装的封装件。参考图1A至图1C，封装件50具有多个侧壁52，这些侧壁在大体上垂直于底座56的方向上延伸。底座56限定了内表面56a和外表面56b。内部腔室58限定在底座56的内表面56a和侧壁52之间，超级电容器可以位于该内部腔室58内。在一些实施例中，可表面安装的设备和内部腔室58可以暴露于环境。在其他实施例中，封装件50还可以包含盖82，该盖设置在侧壁52的上端54上，以将超级电容器密封在封装件50内。

如果需要，可以在盖82和侧壁52之间设置密封构件(未示出)，以帮助提供良好的密封。例如，在一个实施例中，密封构件可以包括玻璃-金属密封件、环(/>ring)(顾特服剑桥有限公司(Goodfellow Cambridge,Ltd.))等。侧壁52的高度通常使得盖82不接触超级电容器70的任何表面。在更进一步的实施例中，侧壁52的高度通常使得盖也不接触如本文所述的树脂的任何表面。当将盖82放置在期望的位置时，可以使用已知的技术(例如，焊接(例如，电阻焊接、激光焊接等)、钎焊等)来将该盖密封到侧壁52。

可以使用多种不同材料中的任何一种材料来形成封装件，特别是形成侧壁52和底座56。例如，这些材料可以包括金属、塑料、陶瓷等。例如，在一个实施例中，侧壁和/或底座可以包括一个或多个陶瓷材料层。该陶瓷材料可以包括氮化铝、氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化钙、玻璃等，以及它们的组合。在其他实施例中，侧壁和/或底座可以包括一个或多个金属层。该金属可以包括钽、铌、铝、镍、铪、钛、铜、银、钢(例如，不锈钢)、它们的合金(例如，导电氧化物)、它们的复合物(例如，涂覆有导电氧化物的金属)等。

为了以机械稳定的方式将超级电容器附接到封装件，特别是将电极组件附接到封装件，在封装件50的内部腔室58内设置有第一导电构件60和第二导电构件62。特别地，第一导电构件60和第二导电构件62设置在底座56的内表面56a上，并且在大体上平行于底座56的平面中延伸。超级电容器也包含从其向外延伸并且分别电连接到第一导电构件60和第二导电构件62的第一引线和第二引线。第一导电构件60和第二导电构件62进而分别电连接到第一外部端子84和第二外部端子86，如图1C所示，第一外部端子84和第二外部端子86设置在底座56的外表面56b上。

导电构件可以以任何形式(例如，垫、板、框架等)设置，但是通常具有相对小的厚度。例如，导电构件的厚度可以在从大约0.05mm或更大(例如大约0.1mm或更大，例如大约0.2mm或更大，例如大约0.5mm或更大)到大约1mm或更小(例如大约0.5mm或更小，例如大约0.4mm或更小，例如大约0.2mm或更小，例如大约0.1mm或更小)的范围内。导电构件通常由一个或多个金属(例如，镍、银、金、锡、铜等)层形成。

如图1A所示，导电构件60和62位于底座56的内表面56a的相对端。在这点上，这种配置可以有利于容纳具有处于相对端的端子或引线的超级电容器。然而，如图2所示，应理解，导电构件60和62可以位于底座56的内表面56a的同一端。例如，这种配置可以有利于容纳具有处于同一端的端子或引线的超级电容器。

不管配置如何，第一导电构件60和第二导电构件62分别电连接到第一外部端子84和第二外部端子86，第一外部端子84和第二外部端子86设置在底座56的外表面56b上，并且在大体上平行于底座56的平面上延伸。端子84和86可以以任何形式(例如，垫、板、框架等)设置，但是通常具有相对小的厚度，以便提高其表面安装到电路板的能力。例如，端子的厚度可以处于如下范围内：从大约0.05mm或更大(例如大约0.1mm或更大，例如大约0.2mm或更大，例如大约0.5mm或更大)到大约1mm或更小(例如大约0.5mm或更小，例如大约0.4mm或更小，例如大约0.2mm或更小，例如大约0.1mm或更小)。

端子通常由一个或多个金属(例如，镍、银、金、锡、铜等)层形成。如果需要，则可以如本领域已知地用镍、银、金、锡等电镀端子的表面，以确保最终部件可安装到电路板。在一个特定实施例中，一个或多个端子分别沉积有镍闪镀层和银闪镀层，并且安装表面也镀有锡焊料层。在另一实施例中，一个或多个端子与薄的外部金属层(例如，金)一起沉积在底座金属层(例如，铜合金)上，以进一步提高导电性。

不管形成它们的方式如何，第一外部端子84和第二外部端子86分别电连接到第一导电构件60和第二导电构件62，以提供与电极组件的期望连接。例如，在一个实施例中，导电构件60和62可以简单地延伸穿过底座56以形成外部端子84和86。可替代地，可以将单独的导电迹线(未示出)附接到第一导电构件60，该第一导电构件60延伸穿过底座56，并且形成第一外部端子84或连接到用作外部端子84的附加导电构件。类似地，第二导电构件62可以延伸穿过底座56以形成外部端子86，或者可以将单独的导电迹线(未示出)附接到第二导电构件62，该第二导电构件62延伸穿过底座56，并且形成端子86或连接到用作端子86的附加导电构件。当采用迹线时，可以在底座56内形成通孔(未示出)以容纳迹线。

电连接导电构件和外部端子的方式可以如本领域已知地变化。例如，在某些实施例中，可以采用焊接技术，例如超声波焊接、激光焊接、电阻焊接等。在其他实施例中，可以使用导电胶粘剂来将导电构件连接到相应的端子。

当使用导电胶粘剂时，导电胶粘剂通常包含由导电材料(例如，金属)形成的多个颗粒。合适的导电材料的示例例如包括金属(例如，镍、铜、金、银、镀银铜、镀银镍等)、碳材料(例如，石墨、镀镍碳等)等。导电胶粘剂通常还包含树脂材料，在该树脂材料内分散有导电颗粒。尽管可以使用任何树脂材料，但是通常期望使用如下树脂：该树脂为可固化的热固性树脂，例如环氧树脂、三聚氰胺树脂、马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂等。环氧树脂是特别合适的。合适的环氧树脂的示例例如包括缩水甘油醚型环氧树脂(例如，双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、苯酚酚醛型环氧树脂、邻甲酚酚醛型环氧树脂、溴化环氧树脂和联苯型环氧树脂)、环状脂肪族环氧树脂、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。在Osako等人的美国专利申请公开号2006/0038304和Chacko的第7,554,793号美国专利中也描述了还有其他合适的导电胶粘剂树脂。通常，树脂材料占胶粘剂干重的大约0.5％重量至大约50％重量，在一些实施例中，占胶粘剂干重的大约1％重量至大约25％重量，并且在一些实施例中，占胶粘剂干重的大约2％重量至大约20％重量。类似地，在干燥的基础上，导电颗粒通常占胶粘剂的大约50％重量至大约99.5％重量，在一些实施例中，导电颗粒通常占胶粘剂的大约75％重量至大约99％重量，并且在一些实施例中，导电颗粒通常占胶粘剂的大约80％重量至大约98％重量。可以使用已知的技术施用胶粘剂，所述已知的技术例如丝网印刷、浸入、电泳涂覆、电子束沉积、喷涂、辊压、刷涂、刮刀流延、真空沉积、涂覆等。无论如何，该导电胶粘剂一旦被施用，就可以使用多种已知技术(例如，热固化、光化辐射固化(例如，紫外辐射、电子束辐射、红外辐射等)等)中的任何一种技术来固化。

电极组件

通常，超级电容器包含电极组件，该电极组件包括第一电极、第二电极和隔离件。例如，第一电极通常包括第一电极，该第一电极包含第一碳质涂层(例如，活性炭颗粒)，该第一碳质涂层耦接到第一集流体，并且第二电极通常包括第二碳质涂层(例如，活性炭颗粒)，该第二碳质涂层电耦接到第二集流体。隔离件也可以被定位在第一电极和第二电极之间。另外，超级电容器包含分别电连接到第一电极和第二电极的第一引线和第二引线。

下文将更详细地描述这种组件的各种实施例。

电极

如上文所指示的，超级电容器包括电极组件，该电极组件包括第一电极和第二电极。该组件内所使用的电极通常包含集流体。多个集流体可以由相同或不同的材料形成。例如，在一个实施例中，各个电极的集流体由相同的材料形成。无论如何，各个集流体通常由包括导电金属(例如，铝、不锈钢、镍、银、钯等，以及它们的合金)的衬底形成。铝和铝合金特别适用于本发明。

集流体衬底可以是箔、片、板、网等形式。衬底也可以具有相对小的厚度，例如大约200微米或更小，例如大约150微米或更小，例如大约100微米或更小，例如大约80微米或更小，例如大约50微米或更小，例如大约40微米或更小，例如大约30微米或更小。衬底可以具有如下厚度：大约1微米或更大，例如大约5微米或更大，例如大约10微米或更大，例如大约20微米或更大。

尽管不需要，但是可以对衬底的表面进行处理。例如，在一个实施例中，表面可以例如通过冲刷、蚀刻、喷砂等被粗糙化。在某些实施例中，集流体可以包含从衬底向外突出的多个纤维状晶须。在不旨在受到理论的限制的情况下，相信这些晶须可以有效地增加集流体的表面积，并且还可以改善集流体到对应的电极的粘附。这可以允许在第一电极和/或第二电极中使用相对低的粘合剂含量，其可以改善电荷转移并且降低界面电阻，并因此产生非常低的等效串联电阻(equivalence series resistance，ESR)值。晶须通常由如下材料形成：该材料包含碳、和/或碳与导电金属的反应产物。在一个实施例中，例如，该材料可以包含导电金属的碳化物，例如碳化铝(Al₄C₃)。例如，参考图7，示出了集流体的一个实施例，该集流体包含从衬底1向外突出的多个晶须21。如果需要，晶须21可以可选地从嵌入在衬底1内的晶种部分3突出。类似于晶须21，晶种部分3也可以由包含碳、和/或碳与导电金属的反应产物(例如，导电金属的碳化物(例如，碳化铝))的材料形成。此外，图8示出了包括与本文所述的碳质涂层22结合的上述集流体的电极，该上述集流体具有从衬底1向外突出的多个晶须21。

在衬底上形成这种晶须的方式可以根据需要而变化。在一个实施例中，例如，衬底的导电金属与烃类化合物反应。这种烃类化合物的示例可以例如包括链烷烃类化合物(例如，甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、戊烷等)、烯烃类化合物(例如，乙烯、丙烯、丁烯、丁二烯等)、炔烃类化合物(例如，乙炔等)、以及任何前述烃类化合物的衍生物或组合物。通常期望烃类化合物在反应期间处于气态形式。因此，可能期望采用在加热时处于气态形式的烃类化合物(例如，甲烷、乙烷和丙烷等)。尽管不是必需的，但是基于100重量份的衬底，通常使用处于如下范围内的烃类化合物：从大约0.1重量份至大约50重量份，并且在一些实施例中，从大约0.5重量份至大约30重量份。为了引发烃和导电金属的反应，通常在处于如下温度的环境中加热衬底：大约300℃或更高；在一些实施例中，大约400℃或更高；并且在一些实施例中，从大约500℃至大约650℃。加热时间取决于所选择的确切温度，但通常在大约1小时至大约100小时的范围内。该环境通常包含相对少量的氧，以使电介质膜在衬底的表面上的形成最小化。例如，该环境的氧含量可以是大约1％体积或更少。

超级电容器中使用的电极还包含涂覆到集流体的相对侧上的碳质材料。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个或多个层，但是每个碳质涂层通常包含至少一个包括活化颗粒的层。在某些实施例中，例如，活性炭层可以直接定位在集流体上方，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例如包括椰壳基活性炭、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、聚丙烯腈基活性炭和来自诸如煤、木炭或其他天然有机源等天然源的活性炭。

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(例如它们的粒度分布、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电-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)的尺寸可以处于如下范围内：从大约0.01微米或更大(例如大约0.1微米或更大，例如大约0.5微米或更大，例如大约1微米或更大)至大约30微米或更小(例如大约25微米或更小，例如大约20微米或更小，例如大约15微米或更小，例如大约10微米或更小)。至少90％体积的颗粒(D90尺寸)的尺寸可以类似地处于如下范围内：从大约2微米或更大(例如大约5微米或更大，例如大约6微米或更大)至大约40微米或更小(例如大约30微米或更小，例如大约20微米或更小，例如大约15微米或更小)。BET比表面积的范围也可以在如下范围内：从大约900m²/g或更大(例如大约1000m²/g或更大，例如大约1100m²/g或更大，例如大约1200m²/g或更大)至大约3000m²/g或更小(例如大约2500m²/g或更小，例如大约2000m²/g或更小，例如大约1800m²/g或更小，例如大约1500m²/g或更小)。

活性炭颗粒除了具有某种尺寸和表面积之外，还可以包含具有某种尺寸分布的孔隙。例如，尺寸小于大约2纳米的孔隙(即，“微孔”)的量可以提供如下孔隙体积：总孔隙体积的大约50％体积或更少，例如大约40％体积或更少，例如大约30％体积或更少，例如大约20％体积或更少，例如大约15％体积或更少，例如大约10％体积或更少，例如大约5％体积或更少。尺寸小于大约2纳米的孔隙(即，“微孔”)的量可以提供如下孔隙体积：总孔隙体积的大约0％体积或更多，例如大约0.1％体积或更多，例如大约0.5％体积或更多，例如1％体积或更多。尺寸在大约2纳米和大约50纳米之间的孔隙(即，“中孔”)的量类似地可以是总孔隙体积的大约20％体积或更多，例如大约25％体积或更多，例如大约30％体积或更多，例如大约35％体积或更多，例如大约40％体积或更多，例如大约50％体积或更多。尺寸在大约2纳米和大约50纳米之间的孔隙(即，“中孔”)的量可以是总孔隙体积的大约90％体积或更少，例如大约80％体积或更少，例如大约75％体积或更少，例如大约65％体积或更少，例如大约55％体积或更少，例如大约50％体积或更少。最后，尺寸大于大约50纳米的孔隙(即，“大孔”)的量可以是总孔隙体积的大约1％体积或更多，例如大约5％体积或更多，例如大约10％体积或更多，例如大约15％体积或更多。尺寸大于大约50纳米的孔隙(即，“大孔”)的量可以是总孔隙体积的大约50％体积或更少，例如大约40％体积或更少，例如大约35％体积或更少，例如大约30％体积或更少，例如大约25％体积或更少。炭颗粒的总孔隙体积可以在大约0.2cm³/g或更大(例如大约0.4cm³/g或更大，例如大约0.5cm³/g或更大)到大约1.5cm³/g或更小(例如大约1.3cm³/g或更小，例如大约1.0cm³/g或更小，例如大约0.8cm³/g或更小)的范围内。中值孔隙宽度可以为大约8纳米或更小，例如大约5纳米或更小，例如大约4纳米或更小。中值孔隙宽度可以为大约1纳米或更大，例如大约2纳米或更大。可以使用氮吸附法测量孔径和总孔隙体积，并且通过本领域公知的巴雷特-乔伊纳-哈伦达(Barrett-Joyner-Halenda，BJH)技术对孔径和总孔隙体积进行分析。

本发明的一个独特方面是电极不需要含有大量超级电容器电极中传统使用的粘合剂。也就是说，对于碳质涂层中的每100份碳，粘结剂可以以如下量存在：大约60份或更少(例如大约40份或更少，例如大约30份或更少，例如大约25份或更少，例如大约20份或更少)至大约1份或更多(例如大约5份或更多)。粘合剂可以例如占碳质涂层总重量的大约15％重量或更少，例如大约10％重量或更少，例如大约8％重量或更少，例如大约5％重量或更少，例如大约4％重量或更少。粘合剂可以占碳质涂层总重量的大约0.1％重量或更多，例如大约0.5％重量或更多，例如大约1％重量或更多。

然而，多种合适的粘合剂中的任何一种粘合剂在使用时可以用于电极中。例如，在某些实施例中，可以采用非水溶性有机粘合剂，例如苯乙烯-丁二烯共聚物、聚醋酸乙烯酯均聚物、醋酸乙烯酯乙烯共聚物、醋酸乙烯酯丙烯酸共聚物、乙烯-氯乙烯共聚物、乙烯-氯乙烯-醋酸乙烯酯三元共聚物、丙烯酸聚氯乙烯聚合物、丙烯酸聚合物、腈聚合物、诸如聚四氟乙烯或聚偏二氟乙烯等含氟聚合物、聚烯烃等，以及它们的混合物。也可以采用水溶性有机粘合剂，例如多糖及其衍生物。在一个特定实施例中，该多糖可以是非离子纤维素醚，例如烷基纤维素醚(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，以及前述任何非离子纤维素醚的质子化盐(例如，羧甲基纤维素钠)。

如果需要，在碳质材料的活性炭层内也可以使用其他材料。例如，在某些实施例中，可以使用导电助剂来进一步增加电导率。示例性的导电助剂可以例如包括炭黑、石墨(天然的或人造的)、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。在一个实施例中，碳黑是特别适合的。在另一实施例中，碳纳米管是特别适合的。当使用导电助剂时，对于碳质涂层中的每100份碳，导电助剂通常占大约60份或更少(例如大约40份或更少，例如大约30份或更少，例如大约25份或更少，例如大约20份或更少)至大约1份或更多(例如大约5份或更多)。导电助剂可以例如占碳质涂层总重量的大约15％重量或更少，例如大约10％重量或更少，例如大约8％重量或更少，例如大约5％重量或更少，例如大约4％重量或更少。导电助剂可以占碳质涂层总重量的大约0.1％重量或更多，例如大约0.5％重量或更多，例如大约1％重量或更多。同时，活性炭颗粒同样通常占碳质涂层总重量的85％重量或更多，例如大约90％重量或更多，例如大约95％重量或更多，例如大约97％重量或更多。活性炭颗粒可以占碳质涂层总重量的少于100％重量，例如大约99.5％重量或更少，例如大约99％重量或更少，例如大约98％重量或更少。

如本领域技术人员所熟知的，将碳质材料涂覆到集流体的多个侧的特定方式可以变化，这些特定方式例如为印刷(例如，轮转凹版印刷)、喷涂、槽模涂覆、滴涂、浸涂等。无论应用该碳质材料的方式如何，通常例如在如下温度下使所获得的电极干燥以从涂层中除去水分：大约100℃或更高；在一些实施例中，大约200℃或更高；并且在一些实施例中，大约300℃至大约500℃。也可以压缩(例如，以砑光机砑光(calender))电极以优化超级电容器的体积效率。在进行了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期望的超级电容器的电性能和工作范围而变化。然而，通常，涂层的厚度为大约20微米至大约200微米，30微米至大约150微米，并且在一些实施例中，涂层的厚度为大约40微米至大约100微米。涂层可以存在于集流体的一侧或两侧。无论如何，整个电极(包括集流体和进行了可选的压缩之后的一个或多个碳质涂层)的厚度通常处于如下范围内：从大约20微米到大约350微米；在一些实施例中，从大约30微米到大约300微米；并且在一些实施例中，从大约50微米到大约250微米。

隔离件

如上文所指示的，电极组件可以包括定位在第一电极和第二电极之间的隔离件。该隔离件能够使一个电极与另一个电极电绝缘，以有助于防止电短路，但是仍然允许离子在两个电极之间传输。在某些实施例中，例如，可以采用如下隔离件：该隔离件包括纤维素纤维材料(例如，无尘纸网、湿法纸网等)、非织造纤维材料(例如，聚烯烃非织造网)、织造织物、膜(例如，聚烯烃膜)等。纤维素纤维材料特别适用于超级电容器，这些纤维素纤维材料例如为包含天然纤维、合成纤维等的那些纤维素纤维材料。用于隔离件的合适的纤维素纤维的具体示例可以例如包括阔叶木浆纤维、针叶木浆纤维、人造丝纤维、再生纤维素纤维等。

无论采用何种特定材料，隔离件的厚度通常为大约150微米或更小，例如大约100微米或更小，例如大约80微米或更小，例如大约50微米或更小，例如大约40微米或更小，例如大约30微米或更小。隔离件的厚度可以为大约1微米或更大，例如大约5微米或更大，例如大约10微米或更大，例如大约20微米或更大。

非水电解质

另外，超级电容器还可以包括在壳体内使用的电解质。通常，电解质本质上是非水性的，因此，电解质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，通常期望非水溶剂具有相对高的沸腾温度，例如大约150℃或更高；在一些实施例中，大约200℃或更高；并且在一些实施例中，大约220℃至大约300℃。特别合适的高沸点溶剂可以例如包括环状碳酸酯溶剂，例如碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸亚乙烯酯等。碳酸丙烯酯由于其高电导率和分解电压以及其在宽温度范围内使用的能力而特别适合。当然，也可以单独采用其他非水溶剂，或结合环状碳酸酯溶剂而采用其他非水溶剂。这类溶剂的示例可以例如包括开链碳酸酯(例如，碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯等)、脂肪族单羧酸酯(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)、含硫化合物(例如，环丁砜、二甲基亚砜等)等。

电解质还包含至少一种可以溶解在非水溶剂中的离子液体。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，对于每升电解质，离子液体可以以如下量存在：大约0.8摩尔(M)或更多；在一些实施例中，大约1.0M或更多，例如大约1.2M或更多，例如大约1.3M或更多，例如大约1.5M或更多。离子液体可以以如下量存在：大约2.0M或更少，例如大约1.8M或更少，例如大约1.5M或更少，例如大约1.4M或更少，例如大约1.3M或更少。

离子液体通常是如下盐：该盐具有相对低的熔融温度，例如大约400℃或更低；在一些实施例中，大约350℃或更低；在一些实施例中，从大约1℃至大约100℃；并且在一些实施例中，从大约5℃至大约50℃。该盐包含阳离子物质(cationic species)和反离子。阳离子物质包含如下化合物：该化合物具有至少一个杂原子(例如，氮或磷)以作为“阳离子中心”。这类杂原子化合物的示例例如包括未取代或取代的有机季铵化合物，例如铵(例如，三甲铵、四乙基铵等)、吡啶鎓、哒嗪鎓、嘧啶鎓(pyramidinium)、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、季铵螺环化合物(在该季铵螺环化合物中两个或更多个环通过螺原子(例如，碳、杂原子等)连接在一起)、季铵稠合环结构(例如，喹啉鎓、异喹啉鎓等)等等。例如，在一个特定实施例中，阳离子物质可以是N-螺双环化合物，例如，具有循环环的对称或非对称的N-螺双环化合物。这种化合物的一个示例具有以下结构：

其中，m和n各自为3至7之间的数，并且在一些实施例中，m和n各自为4至5之间的数(例如，吡咯烷鎓或哌啶鎓)。

类似地，阳离子物质的合适反离子可以包括卤素(例如氯离子、溴离子、碘离子等)；硫酸根或磺酸根(例如，甲基硫酸根、乙基硫酸根、丁基硫酸根、己基硫酸根、辛基硫酸根、硫酸氢根、甲烷磺酸根、十二烷基苯磺酸根、十二烷基硫酸根、三氟甲烷磺酸根、十七氟辛烷磺酸根、十二烷基乙氧基硫酸钠等)；磺基琥珀酸根；酰胺(例如，二氰胺)；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)；硼酸根(例如四氟硼酸根、四氰基硼酸根、双[草酸]硼酸根、双[水杨酸]硼酸根等)；磷酸根或次膦酸根(例如，六氟磷酸根、二乙基磷酸根、双(五氟乙基)次膦酸根、三(五氟乙基)-三氟磷酸根、三(九氟丁基)三氟磷酸根等)；锑酸根(例如，六氟锑酸根)；铝酸根(例如，四氯铝酸根)；脂肪酸羧酸根(例如，油酸根、异硬脂酸根、十五氟辛酸根等)；氰酸根；醋酸根；诸如此类，以及任何前述物质的组合。

合适的离子液体的几个示例可以例如包括螺环-(1,1')-联吡咯烷四氟硼酸鎓、三乙基甲基铵四氟硼酸铵(triethylmethyl ammonium tetrafluoroborate)、四乙基四氟硼酸铵、螺环-(1,1')-联吡咯烷鎓、甲基三乙基碘化铵、四乙基碘化铵、三乙基甲基铵四氟硼酸铵(methyltriethylammonium tetrafluoroborate)、四丁基四氟硼酸铵、四乙基六氟磷酸铵等。

壳体

本发明的超级电容器采用壳体，电极组件和电解质容纳在该壳体内。如本领域已知地，将部件插入到壳体中的方式可以变化。例如，电极和隔离件最初可以以折叠、卷绕或以其他方式接触在一起，以形成电极组件。电解质可以可选地浸在组件的电极中。在一个特定实施例中，电极、隔离件和可选的电解质可以卷绕成具有“卷芯”构造的电极组件。例如，参考图9，示出了这种卷芯电极组件1100的一个实施例，该电极组件1100包含第一电极1102、第二电极1104和定位在电极1102和1104之间的隔离件1106。在此特定实施例中，电极组件1100还包括定位在第二电极1104上方的另一隔离件1108。以此方式，电极的两个涂覆表面中的每一个涂覆表面都被隔离件隔开，从而使每单位体积的表面积和电容最大化。尽管不需要，但是在此实施例中，电极1102和1104是偏移的，以便使它们各自的接触边缘分别延伸超出第一隔离件1106的第一边缘和第二隔离件1108的第二边缘。除了其他方面，这可以帮助防止由于电极之间的电流流动而导致的“短路”。然而，应理解，也可以利用其他配置。例如，在另一实施例中，电极、隔离件和可选的电解质可以设置为具有层状构造的电极组件。

如本文所指示的，可以在超级电容器的壳体内设置多个部件，并且可选地对该多个部件进行气密密封。壳体的性质可以根据需要而变化。例如，在某些实施例中，壳体可以是柔性封装件的形式，该柔性封装件包围超级电容器的多个部件。例如，参考图6，示出了超级电容器101的一个实施例，该超级电容器101包含柔性封装件103，该柔性封装件包围电极组件102和电解质112。电极组件102可以包含电极105和106以及隔离件(未示出)，电极105和106、以及隔离件以面对面的配置堆叠，并且通过相对的接线片104连接在一起。超级电容器101还包含第一端子105和第二端子106，该第一端子和第二端子分别与接线片104电连接。更具体地，电极105和106具有设置在封装件103内的第一端107和108、以及设置在封装件103外的相应的第二端109和110。应理解，除了堆叠之外，电极组件可以以任何其他期望的形式设置。例如，电极可以以卷芯构造折叠或卷绕在一起。

封装件103通常包括衬底114，该衬底114在两端115和116之间延伸并且具有边缘117、118、119和120。端115和116以及侧119和120两者重叠的部分(例如通过热焊接)彼此固定且密封地邻接。以此方式，电解质112可以容纳在封装件103内。衬底114通常具有如下厚度：大约20微米或更大，例如大约50微米或更大，例如大约100微米或更大，例如大约200微米或更大，例如大约1000微米或更小，例如大约800微米或更小，例如大约600微米或更小，例如大约400微米或更小，例如大约200微米或更小。

衬底114可以包含任何数量的期望实现所期望的阻隔性能水平的层，例如1层或多层；在一些实施例中，2层或更多层；并且在一些实施例中，2至4层。通常，衬底包含阻挡层，该阻挡层可以包括金属，例如铝、镍、钽、钛、不锈钢等。这种阻挡层通常不渗透电解质，从而可以抑制电解质的泄漏，并且这种阻挡层通常也不渗透水和其他污染物。如果需要，衬底也可以包含用作该封装件的保护层的外层。以此方式，阻挡层位于外层和电极组件之间。外层可以例如由聚合物膜形成，该聚合物膜例如为由聚烯烃(例如，乙烯共聚物、丙烯共聚物、丙烯均聚物等)、聚酯等形成的那些聚合物膜。特别合适的聚酯膜可以例如包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯等。

如果需要，该衬底还可以包含定位在电极组件和阻挡层之间的内层。在某些实施例中，内层可以包含可热封的聚合物。合适的的可热封的聚合物可以例如包括氯乙烯聚合物、氯胺乙烯聚合物、离聚物等，以及它们的组合。离聚物是特别合适的。例如，在一个实施例中，离聚物可以是如下共聚物：该共聚物包含α-烯烃和(甲基)丙烯酸重复单元。具体的α-烯烃可以包括乙烯、丙烯、1-丁烯；3-甲基-1-丁烯；3,3-二甲基-1-丁烯；1-戊烯；具有一个或多个甲基、乙基或丙基取代基的1-戊烯；具有一个或多个甲基、乙基或丙基取代基的1-己烯；具有一个或多个甲基、乙基或丙基取代基的1-庚烯；具有一个或多个甲基、乙基或丙基取代基的1-辛烯；具有一个或多个甲基、乙基或丙基取代基的1-壬烯；乙基、甲基或二甲基取代的1-癸烯；1-十二烯；和苯乙烯。乙烯是特别合适的。如上所述，共聚物还可以是(甲基)丙烯酸重复单元。如本文所使用的，术语“(甲基)丙烯酸类”包括丙烯酸类和甲基丙烯酸类的单体，以及它们的盐或酯，例如，丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯的单体。这种(甲基)丙烯酸类单体的示例可以包括丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸正丙酯、丙烯酸异丙酯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸仲丁酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸叔丁酯、丙烯酸正戊酯、丙烯酸异戊酯、丙烯酸异冰片酯、丙烯酸正己酯、丙烯酸2-乙基丁酯、丙烯酸2-乙基己酯、丙烯酸正辛酯、丙烯酸正癸酯、丙烯酸甲基环己酯、丙烯酸环戊酯、丙烯酸环己酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸2-羟乙酯、甲基丙烯酸正丙酯、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸异丙酯、甲基丙烯酸异丁酯、甲基丙烯酸正戊酯、甲基丙烯酸正己酯、甲基丙烯酸戊酯、甲基丙烯酸仲丁酯、甲基丙烯酸叔丁酯、甲基丙烯酸2-乙基丁酯、甲基丙烯酸甲基环己酯、甲基丙烯酸肉桂酯、甲基丙烯酸巴豆酯、甲基丙烯酸环己酯、甲基丙烯酸环戊酯、甲基丙烯酸2-乙氧基乙酯、甲基丙烯酸异冰片酯等，以及它们的组合。通常，α-烯烃/(甲基)丙烯酸共聚物至少部分地被金属离子中和以形成离聚物。合适的金属离子可以例如包括碱金属(例如锂、钠、钾等)、碱土金属(例如钙、镁等)、过渡金属(例如锰、锌等)等，以及它们的组合。可以由离子化合物提供金属离子，该离子化合物例如为金属甲酸盐、乙酸盐、硝酸盐、碳酸盐、碳酸氢盐、氧化物、氢氧化物、醇盐等。

除了诸如上文所描述的柔性封装件外，还可以采用其他壳体配置。例如，壳体可以包含金属容器(“罐”)，例如由如下材料形成的那些金属容器：钽、铌、铝、镍、铪、钛、铜、银、钢(例如，不锈钢)、它们的合金、它们的复合物(例如，涂覆有导电氧化物的金属)等。铝特别适用于在本发明中使用。金属容器可以具有多种不同形状(例如圆柱形、D形等)中的任何一种形状。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。参考图5，示出了包含电极组件2108的超级电容器的一个实施例，电极组件2108包含如上文所论述的以卷芯构造卷绕在一起的层2106。在此特定实施例中，超级电容器包含第一集电盘2114，该第一集电盘2114包含盘形部分2134、螺柱部分2136和紧固件2138(例如，螺钉)。集电盘2114与中空芯2160的第一端对齐，中空芯2160形成在电极组件的中心，然后将螺柱部分2136插入到芯的开口中，使得盘形部分2134在第一接触边缘2110处抵靠电极组件2108的第一端。将盖2118焊接(例如，激光焊接)到第一接线柱2116，并且将插口(可以是例如螺纹的)耦接到紧固件2138。超级电容器还包含第二集电盘2120，该第二集电盘2120包含盘形部分2142、螺柱部分2140和第二接线柱2144。第二集电盘2120与中空芯2160的第二端对齐，然后将螺柱部分2140插入到芯的开口中，使得收集器盘部分2142抵靠电极组件2108的第二端。

金属容器2122(例如，圆柱形罐)此后在电极组件2108上滑动，使得第二集电盘2120首先进入容器2122，穿过第一绝缘垫圈2124，穿过容器2122的一端处的轴向孔，并且随后穿过第二绝缘垫圈2126。第二集电盘2120还穿过平垫圈2128和弹簧垫圈2130。将锁紧螺母2132拧紧在弹簧垫圈2130上，这使弹簧垫圈2130压靠在平垫圈2128上，平垫圈2128进而压靠在第二绝缘垫圈2126上。第二绝缘垫圈2126被压靠在金属容器2122中的轴向孔的外周上，并且当第二集电盘2120被这种压缩力拉向轴向孔时，第一绝缘垫圈2124被压靠在第二集电盘2120和容器2122中的轴向孔的内周之间。第一绝缘垫圈2124上的凸缘阻止第二集电盘2120和轴向孔的边缘之间的电接触。同时，盖2118被拉入到容器2122的开口中，使得盖2118的边缘正好位于容器2122的开口的边缘内。然后，将盖2118的边缘焊接到容器2122的开口的边缘上。

一旦锁紧螺母2132抵靠弹簧垫圈2130拧紧，就可以在轴向孔、第一绝缘垫圈2124、第二绝缘垫圈2126和第二集电盘2120之间形成气密密封。类似地，将盖2118焊接到容器2122的边缘上以及将盖2118焊接到第一接线柱2116上可以形成另一种气密密封。盖2118中的孔2146可以保持打开，以作为上述电解质的填充口。一旦电解质处于罐中(即，如上所述，在真空下被吸入到罐中)，就可以将衬套2148插入到孔2146中，并且固定在孔2146的内边缘处的凸缘2150上。衬套2148可以例如是中空的圆柱体形状，被塑造成接收塞子2152。圆柱形形状的塞子2152被压入到衬套2148的中心中，从而将衬套2148压靠在孔2146的内部，并且在孔2146、衬套2148和塞子2152之间形成气密密封。在超级电容器内达到规定的压力水平时，塞子2152和衬套2148可以选择脱落，从而形成过压安全机制。

上述实施例通常涉及在超级电容器中使用单个电极组件。然而，当然应理解，本发明的电容器也可以包含两个或更多个电极组件。例如，在一个这样的实施例中，例如，超级电容器可以包括两个或更多个电极组件的堆叠，所述两个或更多个电极组件可以是相同的或不同的。

性能和应用

根据本发明使用的超级电容器可以表现出优异的电性能，特别是当暴露于高温时。例如，超级电容器可以表现出如下电容：大约6法拉每立方厘米(Farads per cubiccentimeter，F/cm³)或更大，在一些实施例中，大约8F/cm³或更大，在一些实施例中，大约9F/cm³至大约100F/cm³，并且在一些实施例中，大约10F/cm³至大约80F/cm³，这些电容是在23℃的温度、120Hz的频率和没有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)，例如大约150mohms或更小，在一些实施例中，小于大约125mohms，在一些实施例中，从大约0.01mohms至大约100mohms，并且在一些实施例中，从大约0.05mohms至大约70mohms，这些ESR是在23℃的温度、1kHz的频率和没有施加电压的情况下确定的。如上文所指示的，所获得的超级电容器可以表现出多种有益的电性能，例如改进的电容和ESR值。值得注意的是，即使暴露在高温下，超级电容器仍然可以表现出优异的电性能。例如，超级电容器可以被放置成与具有如下温度的环境接触：从大约80℃或更高，在一些实施例中，从大约100℃至大约150℃，并且在一些实施例中，从大约105℃至大约130℃(例如，85℃或105℃)。电容和ESR值可以在这样的温度下保持稳定达相当长的一段时间，例如达大约100小时或更长，在一些实施例中，达大约300小时至大约5000小时，并且在一些实施例中，达大约600小时至大约4500小时(例如，168小时、336小时、504小时、672小时、840小时、1008小时、1512小时、2040小时、3024小时或4032小时)。

在一个实施例中，例如，暴露于热环境(例如，85℃或105℃)1008小时之后的超级电容器的电容值与最初暴露于热环境时的超级电容器的电容值的比率为大约0.75或更大，在一些实施例中，该比率为大约0.8至1.0，并且在一些实施例中，该比率为大约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，例如当施加电压和/或在潮湿的环境中时。例如，暴露于热环境(例如，85℃或105℃)和施加电压之后的超级电容器的电容值与暴露于热环境但是在施加电压之前的超级电容器的初始电容值的比率可以是大约0.60或更大，在一些实施例中，为大约0.65至1.0，并且在一些实施例中，为大约0.7至1.0。该电压可以例如是大约1伏或更高，在一些实施例中，为大约1.5伏或更高，并且在一些实施例中，为大约2伏至大约10伏(例如，2.1伏)。在一个实施例中，例如，上述比率可以保持1008小时或更长时间。当暴露于高湿度水平时(例如当放置成与相对湿度为大约40％或更高的环境接触时、在一些实施例中当放置成与相对湿度为大约45％或更高的环境接触时、在一些实施例中当放置成与相对湿度为大约50％或更高的环境接触时、以及在一些实施例中当放置成与相对湿度为大约70％或更高(例如，大约85％至100％)的环境接触时)，超级电容器也可以保持上述电容值。可以例如根据ASTM E337-02方法A(2007)确定相对湿度。例如，暴露于热环境(例如，85℃或105℃)和高湿度(例如，85％)之后的超级电容器的电容值与暴露于热环境但是暴露于高湿度之前的超级电容器的初始电容值的比率可以是大约0.7或更大，在一些实施例中，为大约0.75至1.0，并且在一些实施例中，为大约0.80至1.0。在一个实施例中，例如，上述比率可以保持1008小时或更长时间。

如上所述，ESR也可以在这样的温度下保持稳定达相当长的一段时间。在一个实施例中，例如，暴露于热环境(例如，85℃或105℃)1008小时之后的超级电容器的ESR与最初暴露于热环境时的超级电容器的ESR的比率为大约1.5或更小，在一些实施例中，为大约1.2或更小，并且在一些实施例中，为大约0.2至大约1。值得注意的是，这样的低ESR值也可以在各种极端条件下保持，例如在如上所述地当施加高电压和/或在潮湿的环境中时保持。例如，暴露于热环境(例如，85℃或105℃)和施加电压之后的超级电容器的ESR与暴露于热环境但是在施加电压之前的超级电容器的初始ESR的比率可以是大约1.8或更小，在一些实施例中，为大约1.7或更小，并且在一些实施例中，为大约0.2到大约1.6。在一个实施例中，例如，上述比率可以保持1008小时或更长时间。当暴露于高湿度水平时，超级电容器也可以保持上述ESR值。例如，暴露于热环境(例如，85℃或105℃)和高湿度(例如，85％)之后的超级电容器的ESR与暴露于热环境但是暴露于高湿度之前的超级电容器的初始电容值的比率可以是大约1.5或更小，在一些实施例中，为大约1.4或更小，并且在一些实施例中，为大约0.2到大约1.2。在一个实施例中，例如，上述比率可以保持1008小时或更长时间。

此外，本文所公开的可表面安装的超级电容器设备可以安装到电路板上，例如安装到印刷电路板上。通常，电路板包含具有上表面和下表面的衬底(例如，绝缘层)以及在其中限定的多个电流路径。该设备的外部端子分别与电路板的预定电流路径电通信。另外，可以使用任何本领域公知的方法(例如通用焊接技术)来将设备的外部端子物理连接到电路板。

本文所公开的设备和电路板可以在许多应用中采用。作为一个示例，这些应用可以包括各种通信设备。例如，它们可以包括以太网系统、无线网络路由器、光纤通信系统、存储设备、移动设备、计算机存储设备(例如，随机存取存储器(RAM))等。

测试方法

等效串联电阻(ESR)：可以使用Keithley 3330精密LCZ仪、以0.0伏、1.1伏或2.1伏直流偏压(0.5伏峰值到峰值正弦信号)来测量等效串联电阻。运行频率为1kHz。可以测试多种温度和相对湿度水平。例如，温度可以是23℃、85℃或105℃，相对湿度可以是25％或85％。

电容：可以使用Keithley 3330精密LCZ仪、以0.0伏、1.1伏或2.1伏直流偏压(0.5伏峰值到峰值正弦信号)来测量电容。运行频率为120Hz。可以测试多种温度和相对湿度水平。例如，温度可以是23℃、85℃或105℃，相对湿度可以是25％或85％。

在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域的普通技术人员可以实践本发明的这些和其他修改和变型。另外，应理解的是，各种实施例的各方面可以整体或部分地互换。此外，本领域的普通技术人员将理解的是，前述描述仅是示例性的，并不旨在对在所附权利要求中进一步描述的本发明进行限制。

Claims (42)

1.一种可表面安装的超级电容器设备，所述设备包括：

封装件，所述封装件包括侧壁，所述侧壁在大体上垂直于底座的方向上延伸以限定上端，其中，在所述底座的内表面和所述侧壁之间限定了内部腔室；

第一导电构件和第二导电构件，所述第一导电构件和所述第二导电构件设置在所述底座的内表面上；

第一外部端子和第二外部端子，所述第一外部端子和所述第二外部端子位于所述底座的外表面上，并且所述第一外部端子和所述第二外部端子分别电连接到所述第一导电构件和所述第二导电构件；

超级电容器，所述超级电容器被定位在所述内部腔室内，并且所述超级电容器包括壳体、以及位于所述壳体内的电极组件和电解质，所述超级电容器包括第一引线和第二引线，所述第一引线和所述第二引线分别电连接到所述第一导电构件和所述第二导电构件；

树脂，所述树脂设置在所述内部腔室内，并且封装所述超级电容器的至少一部分；以及

一个或多个通气孔，所述一个或多个通气孔延伸穿过所述树脂并且至少延伸到所述树脂的表面。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述侧壁和所述底座包含陶瓷材料。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述侧壁和所述底座包含金属。

4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述第一导电构件和所述第二导电构件在大体上平行于所述底座的平面上延伸。

5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述第一端子和所述第二端子在大体上平行于所述底座的平面上延伸。

6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述导电构件和所述端子包含金属。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中，所述导电构件延伸穿过所述底座以形成所述端子。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中，导电迹线附接到所述第一导电构件，并且延伸穿过所述底座并附接到所述第一外部端子，并且进一步其中，导电迹线附接到所述第二导电构件，并且延伸穿过所述底座并附接到所述第二外部端子。

9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述引线从所述超级电容器的所述壳体的同一端延伸。

10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述引线从所述超级电容器的所述壳体的相对端延伸。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的设备，其中，所述树脂是热固性树脂。

12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述树脂是环氧树脂。

13.根据权利要求1至10中任一项所述的设备，其中，所述树脂是热塑性树脂。

14.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述树脂占据所述封装件的所述内部腔室的至少50％体积，在对所述超级电容器进行定位之后限定了所述内部腔室。

15.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，在对所述超级电容器进行定位之后，所述树脂覆盖所述超级电容器的暴露区域的90％或更多。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的设备，其中，所述一个或多个通气孔包含热固性树脂。

17.根据权利要求1至15中任一项所述的设备，其中，所述一个或多个通气孔包含热塑性树脂。

18.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述一个或多个通气孔延伸了以下距离：所述树脂的表面和所述超级电容器的所述壳体之间的距离的70％或更多。

19.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述通气孔从所述树脂的表面延伸的长度为所述通气孔的长度的30％或更少。

20.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述电极组件以卷芯构造设置。

21.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述电极组件以层状构造设置。

22.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述电极组件包含第一电极、第二电极和隔离件，所述第一电极包括第一集流体，所述第一集流体电耦接到第一碳质涂层，所述第二电极包括第二集流体，所述第二集流体电耦接到第二碳质涂层，其中，所述第一集流体和所述第二集流体各自包含衬底，所述衬底包括导电金属，所述隔离件被定位在所述第一电极和所述第二电极之间。

23.根据权利要求22所述的设备，其中，所述导电金属是铝或铝的合金。

24.根据权利要求22至23中任一项所述的设备，其中，多个纤维状晶须从所述第一集流体的衬底、所述第二集流体的衬底、或所述第一集流体的衬底和所述第二集流体的衬底这两者向外突出。

25.根据权利要求24所述的设备，其中，所述晶须包含所述导电金属的碳化物。

26.根据权利要求22至25中任一项所述的设备，其中，所述第一电极的所述碳质涂层、所述第二电极的所述碳质涂层，或所述第一电极的所述碳质涂层和所述第二电极的所述碳质涂层的组合包含活性炭颗粒。

27.根据权利要求26所述的设备，其中，至少50％体积的所述活性炭颗粒的尺寸为大约0.01微米至大约30微米。

28.根据权利要求26至27中任一项所述的设备，其中，所述活性炭颗粒包含多个孔隙，其中，尺寸为大约2纳米或更小的孔隙的量为总孔隙体积的大约50％体积或更小，尺寸为大约2纳米至大约50纳米的孔隙的量为所述总孔隙体积的大约20％体积至大约80％体积，并且尺寸为大约50纳米或更大的孔隙的量为所述总孔隙体积的大约1％体积至大约50％体积。

29.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述电解质包括非水溶剂和离子液体。

30.根据权利要求29所述的设备，其中，所述溶剂包括碳酸盐或腈类。

31.根据权利要求29至30中任一项所述的设备，其中，所述离子液体包含阳离子物质和反离子。

32.根据权利要求31所述的设备，其中，所述阳离子物质包括有机季铵化合物。

33.根据权利要求32所述的设备，其中，所述有机季铵化合物具有如下结构：

其中，m和n各自为3至7之间的数字。

34.根据权利要求29至33中任一项所述的设备，其中，所述离子液体以大约1.0M或更大的浓度存在。

35.根据权利要求22至34中任一项所述的设备，其中，所述隔离件包括纤维素纤维材料。

36.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述壳体包括圆柱形金属壳体。

37.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述壳体包括衬底，所述衬底的厚度为从大约20微米到大约1000微米。

38.根据权利要求37所述的设备，其中，所述壳体包括衬底，所述衬底包含阻挡层，所述阻挡层包括金属。

39.根据权利要求38所述的设备，其中，所述衬底还包含外层，所述外层包括聚烯烃、聚酯、或聚烯烃和聚酯的组合。

40.根据权利要求38至39中任一项所述的设备，其中，所述衬底还包括密封层，所述密封层包括离聚物。

41.一种印刷电路板，包括根据前述权利要求中任一项所述的可表面安装的超级电容器设备。

42.一种通信设备，包括根据前述权利要求中任一项所述的可表面安装的超级电容器设备。