CN117153567A - 用于超级电容器模块的平衡电路中的热耗散 - Google Patents

用于超级电容器模块的平衡电路中的热耗散 Download PDF

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Abstract

一种模块包括至少两个超级电容器和至少一个平衡电路。平衡电路连接到散热部件。散热部件存在于包括金属的散热器上。

Description

用于超级电容器模块的平衡电路中的热耗散
本申请是申请号为2018年6月19日、申请号为201880041143.3、发明名称为“用于超级电容器模块的平衡电路中的热耗散”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求申请日为2017年6月30日的美国临时专利申请序列号62/527395的申请权益，其全部内容通过引用结合于此。
背景技术
电能存储单元广泛用于向电子、机电、电化学及其他有用的设备供电。例如，双电层超级电容器通常使用一对可极化电极，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，可以实现大的电容值。各个双层电容器可以组合在一起以形成具有提高的输出电压或增加的能量容量的模块。各个双层电容器还可包括平衡电路，以解决存在过压的情况。然而，使用平衡电路调节电压可能会导致电路过热。在某些情况下，散热部件直接安装在包含平衡电路的电路板上。然而，如果没有有效散热，则这可能会损坏电路板。因此，目前需要一种超级电容器，其包含能够以有效方式散发热量的平衡电路。
发明内容
根据本发明的一个实施例，公开了一种模块，该模块包括至少两个超级电容器和至少一个平衡电路，其中平衡电路连接到散热部件，并且其中散热部件存在于包括金属的散热器上。
本发明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本发明的完整而可行的公开，包括其最佳模式，说明书参考了附图，其中：
图1是模块壳体的一个实施例的分解图，该模块壳体可以用来容纳本发明的模块；
图2是根据本发明一实施例的在壳体的侧表面上的散热部件的透视图；
图3是根据本发明一实施例的模块的透视图，该模块在互连桥上包含散热部件，该互连桥连接围绕相应超级电容器的相邻的相应支架；以及
图4是可以在本发明的模块中使用的超级电容器的一个实施例的示意图。
在本说明书和附图中重复使用参考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应理解，本讨论仅是示例性实施例的描述，而无意于限制本发明的更广泛的方面，所述更广泛的方面体现在示例性构造中。
一般而言，本发明涉及一种包含至少两个超级电容器和至少一个平衡电路的模块。平衡电路连接到散热部件，并且散热部件存在于包括金属的散热器上。通过选择性地控制散热部件的位置，可以有效地散发从平衡电路产生的热量，而不会损害超级电容器或平衡电路的性能。特别地，通过将散热部件放置在包括金属的散热器上而不是如本领域通常采用的电路板，平衡电路产生的热量可以通过散热部件和散热器有效地消散，而不是保持在电路板的总体附近。以这种方式，该模块可以在多种条件下保持良好的电气和热性能，并且可以具有延长的使用寿命。
通常，采用平衡电路来防止电流比如泄漏电流通过过电压对其他超级电容器造成损害。这种平衡可以帮助调节每个超级电容器两端的电压，使得它们基本相同。就这一点而言，在一实施例中，平衡电路可被称为电压平衡电路。尽管如此，即使通常将其称为电压平衡电路，该模块和平衡电路也可以包括电流控制装置，用于根据反馈回路提供的信号来控制流过超级电容器的电流。
相对于本发明所采用的平衡电路不必受到限制。只要平衡电路可以有效地平衡超级电容器两端的电压，就可以根据本发明使用它。通常，平衡电路电连接到超级电容器。只要允许控制和/或调节超级电容器的电压，就不必限制这种电连接。
平衡电路可以包括任何数量的电子部件，其包括有源和无源部件。这些部件可以包括晶体管、电阻器、调节器、衰减器、电位计、热敏电阻、二极管(例如齐纳二极管)、比较器(例如电压比较器)、放大器(例如运算放大器)、分压器等的任意组合。应当理解，可以以任何方式配置这些电子部件以便有效地平衡电路。在某些情况下，平衡电路可以包括附加部件，比如警报器(例如声音或光，比如LED)，以通知过电压的存在。可以采用的平衡电路的示例包括如以下文献中的那些：Thrap的美国专利号6806686、Thrap的美国专利号7880449、Long的美国专利号2003/0214267以及Kaminsky的美国专利号2016/0301221。
根据本发明，可以采用任何数量的平衡电路。例如，模块包含至少一个平衡电路，并且在一些实施例中，包含至少两个平衡电路。然而，应该理解，模块可以包含更多个平衡电路。例如，模块可以包含4个以上，比如6个以上，比如8个以上，并且在一些实施例中，包括8至30个单独的平衡电路。在一实施例中，每个超级电容器至少有一个平衡电路。在另一实施例中，每两个电容器之间有一个平衡电路，使得平衡电路的数量比超级电容器的数量少一个。
可以使用本领域中通常已知的任何方法在模块中设置和配置平衡电路。就这一点而言，特定方式不必受到限制。在一实施例中，平衡电路设置在电路板比如印刷电路板上。平衡电路和电路板可以以任何构造定位在模块内。参照图1，在一实施例中，包含平衡电路的电路板(未示出)可以位于超级电容器(未示出)的顶部与模块壳体30的顶表面32之间。通常，同样如图1所示，壳体包括顶表面32、与顶表面32相对的底表面34以及在顶表面32和底表面34之间延伸的侧表面36。就这一点而言，超级电容器可以夹在模块壳体30的顶表面32和底表面34之间。另外，模块壳体30还可以包括用于使用和连接到设备的外部端子或连接(未示出)。
图1的实施例包含具有18个超级电容器的模块。然而，超级电容器的数量不受本发明的限制。例如，模块包含至少两个超级电容器，但是可以包含多于两个超级电容器，比如4个以上，比如6个以上，比如8个以上，并且在一些实施例中，包含8至30个单独的超级电容器。
如本文所述，模块包括散热部件，用于帮助热量从平衡电路传递到散热器。就这一点而言，所采用的特定散热部件不必受到限制。通常，散热部件可以是电子部件。在这方面，电子部件可以是通常在电子电路中采用的任何分立器件。特别地，散热部件可以是有源部件、无源部件，或者可以包括有源部件和无源部件两者。
在一实施例中，散热部件可以是有源部件。有源部件可以是晶体管。特别地，晶体管可以是场效应晶体管，比如金属氧化物半导体场效应晶体管。在这种晶体管中用作栅极材料的介电材料可以是本领域中采用的任何材料，比如但不限于多晶硅、二氧化硅等。在另一实施例中，散热部件可以是无源部件。无源部件可以是电阻器，比如负载电阻器。在一特定实施例中，散热部件可包括有源部件和无源部件。即，散热部件可以包括晶体管和电阻器。
通常，散热部件电连接到平衡电路。根据本发明，可以采用任何数量的散热部件。例如，模块包含至少一个散热部件，并且在一些实施例中，包含至少两个散热部件。然而，应该理解，模块可以包含更多个散热部件。例如，模块可以包含4个以上，比如6个以上，比如8个以上，并且在一些实施例中，包括8至60个单独的散热部件，比如8至30个单独的散热部件。在一实施例中，每个平衡电路具有至少一个散热部件。在另一实施例中，每个平衡电路具有至少两个散热部件。例如，这样的实施例可以包括利用晶体管和电阻器作为散热部件。
随着平衡电路开始升高温度并产生热量，散热部件也会随之升高。即，因为散热部件连接到平衡电路，特别是电路板上的平衡电路，所以热量也被传递到散热部件。因为散热部件存在于散热器上，所以散热部件允许将由平衡电路产生的热量传递到散热器。然后，这允许热量从平衡电路散发出去。当散热部件存在于电路板上以去除热量时，这些热量仍可能残留在平衡电路附近，特别是包含平衡电路的电路板内。
根据本发明，散热部件在包括金属的散热器上。通常，散热器允许传递由平衡电路产生的热量或热能。即，随着平衡电路获得热量并且将其传递到散热部件，来自散热部件的热量被传递到散热器。通常，散热器具有比散热部件更大的表面积。这种较大的表面积可以更有效地将热量从平衡电路中散发出去，从而使其与超级电容器一起可以有效地工作。在一实施例中，散热器的表面积比散热部件的表面积大至少100％，比如大至少500％，比如大至少1000％，比如大至少10000％。
如本文所指示，散热部件在散热器上。在这方面，散热部件存在于除电路板以外的表面上，特别是在包含平衡电路的表面上。选择性地控制散热部件的位置可以使热量从平衡电路散发出去，而不会影响平衡电路和电路板的性能，进而不会损害超级电容器的性能。然而，散热部件在散热器上的定位方式不受限制。例如，可以将其连接、安装、附接等到包含金属的散热器上，只要这样的连接、安装、附接等允许热量/热能从散热部件传递到散热器。散热器。在一实施例中，散热部件可以直接定位在散热器上。在另一实施例中，在散热部件和散热器之间可以存在中间材料。在这样的实施例中，中间材料可以是如本文所定义的导热金属。
散热器可以由本领域中已知的可以允许有效散热的任何金属形成。例如，金属可以是任何导热金属。值得注意的是，金属可以具有以下导热率：约50W/m·K以上、比如约100W/m·K、比如约150W/m·K以上，比如约200W/m·K、比如约250W/m·K、比如约300W/m·K至约600W/m·K以下、比如约500W/m·K以上、比如约450W/m·K以下。散热器可以由银、铜、金、铝、钼、锌、锂、钨、镍、铁、钯铂、锡、其合金或其组合形成。合金包括但不限于钢(例如不锈钢)、黄铜、青铜等。铝特别适用于本发明。
散热器可以是壳体中采用的可以允许散热的任何通用材料。在一实施例中，模块的壳体的一部分可以限定散热器。即，模块壳体的至少一部分可以由金属形成。就这一点而言，散热部件可以存在于模块壳体的表面的内面上。与外面相反，内面是指面向超级电容器的表面。
在一特定实施例中，至少侧表面由金属形成。如图2所示，散热部件200存在于模块壳体的侧表面36上。在这样的实施例中，模块壳体的顶表面(未示出)和/或底表面(未示出)可以由塑料、金属、其组合或其复合物形成。在一实施例中，至少模块壳体的底表面可以由塑料形成。底表面的内面也可以是凹入的，以允许将超级电容器正确地定位在壳体内，使得超级电容器可以位于凹入部分中。凹部可以是多个凹部中的一个凹部。例如，如果仅一个凹部，则所有超级电容器可位于一个凹部中。然而，如果存在多个凹部，则在一实施例中，每个超级电容器可以位于单独的凹部中。可替代地，多个超级电容器可以位于其中底表面包含多个凹部的其中一个凹部中。这样的凹部可以使任何振动力最小化，这可能会影响安装或使用过程中可能发生的性能。
底表面、顶表面和侧表面可以包围模块。例如，侧表面可以形成为使其围绕整个模块组件(即模块中的超级电容器)。就这一点而言，侧表面可以是一个整体，该整体在顶表面和底表面之间延伸并且围绕整个模块组件延伸。在另一实施例中，如图1所示，侧表面可以包括两个部分36a和36b，这两个部分组合在一起以形成模块壳体的侧表面。在另一实施例中，侧表面可以包括四个部分，这四个部分组合在一起以形成模块壳体的侧面。在这方面，呈现侧表面的特定方式不受本发明限制。
散热部件可以以任何组合存在于任何表面上，只要该表面包括金属并且可以用作散热器即可。在一实施例中，散热部件存在于顶表面或底表面与侧面的组合上。在一特定实施例中，散热部件全部存在于壳体的侧表面上，尤其是存在于侧表面的内面上。
在另一实施例中，散热器可以围绕超级电容器的至少一部分圆周形成。例如，散热器可以是超级电容器周围的支架形式。支架可能接触或可能不接触超级电容器。在一实施例中，支架完全围绕超级电容器的圆周。另外，相邻超级电容器的支架已连接。例如，各个支架可以通过互连桥连接。在这方面，散热部件可以存在于支架和/或连接相邻支架的区域上，比如在互连桥上。在一特定实施例中，如图3所示，散热部件300存在于连接各个超级电容器330a和330b的相邻支架310a和310b的区域上，比如在互连桥320上。
如本文所指示，应当理解，模块可以包含两个以上的超级电容器。例如，模块可以包含四个超级电容器。每个超级电容器可具有围绕超级电容器的至少一部分圆周的支架。相邻支架可以通过一个或多个互连桥连接。当模块包含多个超级电容器并且进而包含多个支架和互连桥时，这样的支架和互连桥可以形成整体结构，例如一体的整体结构。这种结构还将限定散热器。
另外，支架可以具有双重功能。例如，它可以通过最小化任何振动力来提供机械稳定性，并且它还可以用作散热器以将热量从平衡电路中散发出去。在一实施例中，如图3所示，超级电容器330a和330b可以分别具有第二支架350a和350b以及第二互连桥360。然而，这种支架和互连桥可以仅用于提供机械稳定性。在一实施例中，第一支架和互连桥比第二支架和互连桥更靠近电路板和平衡电路。
通常可以在本发明的模块中采用各种不同的单个超级电容器中的任何一个。然而，一般而言，超级电容器包含电极组件和包含且可选地气密密封在壳体内的电解质。电极组件可以例如包含：第一电极，其包含电耦合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，其包含电耦合至第二集电器的第二碳质涂层(例如活性炭颗粒)。应该理解的是，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储能单元的话。集电器可以由相同或不同的材料形成。无论如何，每个集电器通常由包括导电金属(例如铝、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。基板还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，以及为约10至约50微米。尽管绝非必需，但基板的表面可以任选地被粗糙化，比如通过清洗、蚀刻、喷砂等。
第一和第二碳质涂层也分别电耦合至第一和第二集电器。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，但是每个碳质涂层通常包含包括活化颗粒的至少一层。例如，在某些实施例中，活性炭层可以直接位于集电器上方，并且可以任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子壳基活性炭、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诸如煤炭、木炭或其他天然有机物等天然来源的活性炭。
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，以有助于提高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)可具有约0.01至约30微米的尺寸范围，在一些实施例中为约0.1至约20微米，并且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)可以同样具有约2至约40微米的尺寸范围，在一些实施例中为约5至约30微米，并且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，并且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”)的量可提供占总孔体积的约50体积％以下的孔体积，在一些实施例中为约30体积％以下，并且在一些实施例中为0.1体积％至15体积％。尺寸在约2纳米至约50纳米之间的孔(即“中孔”)的量可同样为约20体积％至约80体积％，在一些实施例中为约25体积％至约75体积％，并且在一些实施例中为约35体积％至约65体积％。最后，尺寸大于约50纳米的多个孔(即“大孔”)的量可以为约1体积％至约50体积％，在一些实施例中为约5体积％至约40体积％，并且在一些实施例中为约10体积％至约35体积％。碳颗粒的总孔体积可以在约0.2cm3/g至约1.5cm3/g的范围内，并且在一些实施例中为约0.4cm3/g至约1.0cm3/g，并且中孔宽度可以为约8纳米以下，在一些实施例中为约1至约5纳米，并且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巴雷特-乔伊纳-哈伦达(Barrett-Joyner-Halenda，“BJH”)技术进行分析。
如果需要，粘合剂的存在量可以为在第一和/或第二碳质涂层中每100份碳约60份或以下，在一些实施例中为40份以下，并且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15重量％以下，在一些实施例中约10重量％以下，并且在一些实施例中约约0.5重量％至约5重量％。电极中可以使用多种合适的粘合剂中的任何一种。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、含氟聚合物如聚四氟乙烯或聚偏二氟乙烯、聚烯烃等及其混合物。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。示例性的电导率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、石墨烯等以及其混合物。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份以下，在一些实施例中为40份以下，并且在一些实施例中为约1至约25份。电导率促进剂可以例如占碳质涂层总重量的约15重量％以下，在一些实施例中约10重量％以下，并且在一些实施例中约0.5重量％至约5重量％。活性炭颗粒通常同样占碳质涂层的85重量％以上，在一些实施例中约90重量％以下，并且在一些实施例中约95重量％至约99.5重量％。
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、狭缝模头涂覆、滴涂、浸涂等。不管施加方式如何，通常将所得电极干燥以从涂层中去除水分，比如在约100℃以上的温度下，在一些实施例中为约200℃以上，并且在一些实施例中为约300℃至约500℃。电极也可以被压缩(例如压延)以优化超级电容器的体积效率。在任何任选的压缩之后，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，并且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(包括任选的压缩之后的集电器和碳质涂层)的厚度通常在约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，并且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分隔件。如果需要，在电极组件中也可以采用其他分隔件。例如，一个或多个分隔件可以位于第一电极、第二电极或两者之上。分隔件使一个电极与另一个电极电隔离，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(例如气流成网的纸幅、湿法成网的纸幅等)、非织造纤维材料(例如聚烯烃非织造幅材)、织造织物、薄膜(例如聚烯烃膜)等的分隔件。纤维素纤维材料特别适合用于超级电容器，比如包含天然纤维、合成纤维等的那些。用于分隔件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。无论使用哪种特定材料，分隔件的厚度通常为约5至约150微米，在一些实施例中为约10至约100微米，并且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，电极和分隔件可以首先被折叠、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、分隔件和任选的电解质可被缠绕成具有“果冻卷”构造的电极组件。
为了形成超级电容器，在将电极和分隔件组合在一起以形成电极组件之前、之中和/或之后，将电解质与第一电极和第二电极进行离子接触。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℃以上，在一些实施例中为约200℃以上，并且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，也可以单独或与环状碳酸酯溶剂组合使用其他非水溶剂。此类溶剂的示例可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(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每升电解质约0.8摩尔(M)以上，在一些实施例中为约1.0M以上，在一些实施例中为约1.2M以上，并且在一些实施例中约1.3至约1.8M
离子液体通常是具有相对低的熔融温度的盐，比如约400℃以下，在一些实施例中为约350℃以下，在一些实施例中为约1℃至约100℃，并且在一些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、季铵螺环化合物，其中两个或多个环通过螺环原子(例如碳、杂原子等)、季铵稠合的环结构(例如喹啉鎓、异喹啉鎓等)等连接在一起。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独立地为3至7的数字，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、十二烷基硫酸盐、三氟甲烷磺酸盐、十七氟辛烷磺酸盐、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、四氟硼酸三乙基甲基铵、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并且可选地气密密封在壳体内。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”)，比如由钽、铌、铝、镍、铪、钛、铜、银、钢(例如不锈钢)、其合金、其复合物(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。金属容器可以具有各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。
例如，参考图4，更详细地示出了可在超级电容器中采用的壳体的一个实施例。在该特定实施例中，壳体包含金属容器2122(例如圆柱形罐)，该金属容器2122限定了基座3000和开口端3200。盖2118设置在开口端3200上方并且附接(例如焊接)到容器2122以密封壳体。盖2118可以包含第一收集器盘2114，该第一收集器盘2114包括盘形部分2134、双头螺栓部分2136和紧固件2138(例如螺钉)。收集器盘2114与形成在电极组件10的中心的中空芯2160的第一端对准，然后将柱头部分2136插入芯的开口中，使得柱头部分2136接触第二集电器40。以这种方式，第二集电器40放置成与盖2118电接触。紧固件2138也可以联接(例如螺纹连接)到第一端子2116。金属容器2122同样可以容纳第二收集器盘2120，其包括盘形部分2142、柱头部分2140和第二端子2144。第二收集器盘2120与中空芯2160的第二端对准，然后将柱头部分2140插入到芯的开口中以使柱头部分2140接触集电器20。这样，将第一集电器20与基座3000电接触。一旦形成，端子2144和2116可以与如上所述的一个或多个附加的超级电容器连接。例如，端子2144(例如正极)可以与第二超级电容器的相反极性(例如负极)的端子连接，而端子2116(例如负极)可以与第三超级电容器的相反极性(例如正极)的端子连接。
超级电容器的连接方式可以如本领域中已知的那样变化。例如，可以使用附接到或连接超级电容器的各个端子的互连来连接超级电容器。互连可以由诸如导电金属的导电材料制成。在一实施例中，互连可以是相对平坦的，或者可以是具有增加的表面积的互连。关于后者，互连可以具有突起/突出部，或者也可以由电线、编织物、线圈等形成。就这一点而言，互连的具体尺寸和构造不必受到限制。无论其形式如何，都可以使用多种不同的导电材料中的任何一种，比如铜、锡、镍、铝等以及合金和/或涂覆金属。如果需要，导电材料可以可选地用护套材料绝缘。
如本领域中已知的，取决于所需的特定性能，超级电容器可以串联或并联电连接在一起。例如，在一特定实施例中，超级电容器可以串联电连接，使得一个超级电容器的某个极性(例如正极)的端子连接到另一超级电容器的相反极性(例如负极)的端子。例如，正极端子可以从第一超级电容器的顶部延伸，而负极端子可以从第二超级电容器的底部延伸。
超级电容器和包含它们的模块可用于存储大量电荷。结果，本发明的模块和超级电容器可以用于多种应用中。例如，它们可以用于多种能源应用中，包括但不限于风力涡轮机、太阳能涡轮机、太阳能电池板和燃料电池。此外，它们还可以用于各种运输应用中，包括但不限于车辆(例如电池驱动的电动汽车、混合动力电动汽车，包括公共汽车、发动机启动、动力和制动恢复系统等)、火车和电车(例如磁悬浮列车、轨道切换、启动系统等)以及航空航天(例如门的致动器、疏散滑道等)。它们还具有多种工业应用，包括自动化(例如机器人技术等)、车辆(例如叉车、起重机、电动推车等)。它们在消费电子产品(例如便携式媒体播放器、手持设备、GPS、数码相机等)、计算机(例如膝上型计算机、PDA等)和通信系统中也有多种应用。模块和超级电容器还可能具有多种军事应用(例如用于坦克和潜艇的电动机启动、相控阵雷达天线、激光电源、无线电通信、航空电子显示和仪器、GPS导航等)以及医疗应用(例如除颤器等)。
在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域普通技术人员可以实践本发明的这些及其他修改和变化。另外，应当理解，各个实施例的各方面可以全部或部分互换。此外，本领域普通技术人员将理解，前述描述仅是示例性的，并且无意限制在所附权利要求书中进一步描述的本发明。

Claims (29)

1.一种模块，包括：
至少两个超级电容器、至少一个平衡电路和散热部件，该散热部件包括具有晶体管的有源部件、具有电阻器的无源部件、或有源部件和无源部件，
其中，所述平衡电路连接到散热部件，其中，所述散热部件存在于包括金属的散热器上，所述金属具有约50W/m·K以上的热导率，其中所述散热部件存在于除电路板以外的表面上；
其中，每个超级电容器包括壳体和围绕每个超级电容器的仅圆周的至少一部分的第一支架，且进一步其中，所述第一支架仅部分地覆盖每个超级电容器的圆周区域，其中每个超级电容器的第一支架相连接，
模块壳体，所述模块壳体包括：顶表面；与顶表面相对的底表面；以及在顶表面和底表面之间延伸的至少一个侧表面，
其中所述散热器包括所述模块壳体和所述支架。
2.根据权利要求1所述的模块，其中，所述平衡电路连接在两个超级电容器之间。
3.根据权利要求1所述的模块，其中，所述模块包含至少两个平衡电路，并且其中，每个超级电容器电连接到平衡电路。
4.根据权利要求1所述的模块，其中，所述散热部件是晶体管。
5.根据权利要求1所述的模块，其中，所述散热部件是电阻器。
6.根据权利要求1所述的模块，其中，所述金属包括银、铜、金、钼、锌、锂、钨、镍、铁、钯铂、锡、其合金或其组合。
7.根据权利要求1所述的模块，其中，所述金属包括铝或其合金。
8.根据权利要求1所述的模块，其中，所述金属具有约200W/m·K以上的热导率。
9.根据权利要求1所述的模块，其中，所述散热器的表面积比所述散热部件的表面积大至少约1000％。
10.根据权利要求1所述的模块，其中，每个超级电容器包括围绕每个超级电容器的圆周的至少一部分的第二支架，其中每个超级电容的第一支架通过互连桥连接，且每个超级电容器的第二支架通过互连桥连接，且其中支架和互连桥也限定所述散热器。
11.根据权利要求10所述的模块，其中，所述散热部件也位于互连桥上。
12.根据权利要求1所述的模块，其中，所述超级电容器串联连接。
13.根据权利要求1所述的模块，其中，所述模块包含8至30个超级电容器。
14.根据权利要求1所述的模块，其中，所述模块在每个平衡电路中包含至少一个散热部件。
15.根据权利要求1所述的模块，其中，所述模块在每个超级电容器中包含至少一个平衡电路。
16.根据权利要求1所述的模块，其中，所述超级电容器包括：
电极组件，其包括第一电极、第二电极以及位于第一电极和第二电极之间的分隔件；
非水电解质，其与第一电极和第二电极离子接触；以及
壳体，所述电极组件和电解质包含在该壳体中。
17.根据权利要求16所述的模块，其中，所述第一电极包括电耦合至第一碳质涂层的第一集电器，并且所述第二电极包括电耦合至第二碳质涂层的第二集电器。
18.根据权利要求17所述的模块，其中，所述第一集电器和第二集电器各自包含包括导电金属的基板。
19.根据权利要求18所述的模块，其中，所述导电金属是铝或其合金。
20.根据权利要求17所述的模块，其中，所述第一碳质涂层、第二碳质涂层或两者均包含活性炭颗粒。
21.根据权利要求16所述的模块，其中，所述分隔件包括纤维素纤维材料。
22.根据权利要求16所述的模块，其中，所述电极组件具有果冻卷构造。
23.根据权利要求16所述的模块，其中，所述非水电解质包含溶解在非水溶剂中的离子液体，其中，所述离子液体包含阳离子物质和抗衡离子。
24.根据权利要求23所述的模块，其中，所述非水溶剂包括碳酸亚丙酯、腈或其组合。
25.根据权利要求16所述的模块，其中，所述阳离子物质包括有机季铵化合物。
26.根据权利要求16所述的模块，其中，所述壳体包括具有底部和开口端的容器，其中，与所述开口端相邻地设置有盖，并且其中，所述电极组件位于所述壳体内。
27.根据权利要求26所述的模块，其中，所述容器由金属形成。
28.根据权利要求26所述的模块，其中，所述容器具有圆柱形状。
29.一种工业车辆，其包含根据权利要求1所述的模块。
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