CN1295715A - 具有双导电层的电容器 - Google Patents
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Abstract
一种双导电层电容器,其中至少一个电极由多孔碳材料构成,另一电极由含硫酸铅材料构成。所说电容器的特征在于增强的特性和降低的成本。
Description
本发明涉及电工技术，特别涉及电容器制造工业，可以在制造使用双导电层(DEL)的高容量电容器中得到应用。已发现具有DEL的电容器可用作例如计算机工程、通信设备、数控机床等在不间断周期制造工艺中需要不间断电源的系统中的备用电源；可用于柴油发电机的电发动机起动；用于病人用车、高尔夫车等的电源。
所属领域目前已知为双导电层(DEL)电容器的电能累积器。例如见美国专利4313084(1982)和4562511(1985)所公开的。所说电容器都包括两个多孔可极化电极和由介质材料构成且设置在两电极间的多孔隔板及电流引线。使用含水或无水电解质(包括含水硫酸)的电容器中的液体电解液容纳于电极和隔板的小孔中及电容器壳内的某些自由空间内。电荷累积于电极材料和电解质间的小孔中的界面上。可极化电极材料可采用各种常规多孔碳材料。为增大具有双导电层的电容器容量，对所说碳材料进行预激活处理，以便将它们的比表面积增大到高达300-3000m2/g。
DEL电容器具有远大于常规膜型和电解电容器的电容，即，高达每克活性电极材料几十法拉第。然而，这种电容器的缺点是具有相当小的比能量，即低至3W-h/lit。这种情况下，用最大电压在3-3.5V的采用无水电解质的双导电层电容器，可以得到最大比能值。然而，由于无水电解质的非常低导电率值，这种电容器能够得到非常低的充电和放电电流值。关于特征在于最大电压值为0.8V的采用水溶液电解质的双层电容器，仍然得到较低的比能值，即0.5-2W-h/lit。在这种双层电容器用超过0.8V的电压、以相当长的时间周期进行充电时，碳正极会发生严重的氧化。
最接近本发明的技术要点和可实现的效果是包括两个电极和液体电解质(即，碱金属的氢氧化物水溶液，浓度为3-7摩尔/升)的DEL电容器，具有由碳纤维材料构成的可极化(负)极，和由氧化镍构成的不可极化的电极。所说电容器的最大电压等于1.4V，比电容和比能分别为46F/cm3和45J/cm3(WO97/07518，申请日为1997年2月27日)。
然而，所讨论的这种电容具有许多缺点，例如不合适的高比能和由于利用大量氧化镍造成的高成本。
本发明的一个目的是提供一种特征在于较高比能的DEL电容器。
本发明另一目的是降低所述电容器的制造成本。
本发明的上述目有可通过这里所公开的发明达到，本发明的要点在于，所讨论的电容器具有由多孔碳材料构成的可极化的电极和由包括硫酸铅作活性成分的材料构成的不可极化的电极，用含硫酸的水溶液作电解质。
所说电容器较好是引入具有由浸渍有耐酸聚合物的石墨箔构成的保护涂层的电流引线。
所说电容器还可以引入两个可极化电极、一个不可极化电极和两个隔板，所有所说部件都按以下顺序设置：第一可极化电极/第一隔板/不可极化电极/第二隔板/第二可极化电极，两个负极彼此短路。利用这种电极和隔板的设置，可极化(负)极的比容量明显低于不可极化(正)极，因而负极的总厚度远大于正极的总厚度。因此，这里提出将一个负极分成具有一半厚度的两个电极，就能量欧姆损耗实际减少一半而言，每个具有相当高的电流密度值。
一个或所有电极的材料较好是掺杂有例如聚四氟乙烯或聚丙烯等特殊材料。首先，这不仅可以由碳纤维材料(例如已知电容器(即WO申请97/07518)情况下的碳纤维)而且可以由使用了聚合物粘合剂的碳粉类材料构成负极。后一电极更便宜。第二，使用聚合物粘合剂可以增强负极和正极(硫酸铅)的强度。
可以在壳体的载荷支撑盖之间压紧一个电容器或一组电容元件，以极大地减小电容器内阻，尤其是在利用碳纤维或毡料构成的的负极时，以防止正极活性材料脱落，这是限制根据WO申请97/07518制造的DEL电容器的可重复性的主要原因之一。由于上述专门技术方案的缘故，可以显著增大比能，和降低电容器的成本。由于硫酸电解质比碱性电解质的导电率增大1.5倍，所以比能可以增大到高达2.0V。由于使用了比氧化镍便宜得多的硫酸铅电极，所以可以降低根据本发明制造的DEL电容器的成本。使用硫酸铅作正极的活性材料允许使用稀释的硫酸作电解质，更方便了所涉及的DEL电容器的组装。
图1示出了本发明的电容器；
图2是电极的电压和电位与放电时间的关系的曲线图；
图3是由本发明电容元件组装的电容器组的示意图。
附图中的以下参考数字表示：
1-载荷支撑电容盖；2-防止电容器电极彼此电接触的绝缘体；3-金属电流引线；4-由石墨箔构成的电流引线保护涂层；5-可极化多孔碳负极；6-介质隔板；7-正极；8-耐酸密封剂；9-电容器壳的载荷支撑壁。
例1
根据本发明制造的DEL电容器(图1)包括：由十六层活性碳纤维构成的负极(5)，“Viscumac”型，比表面积为1200m2/g，每层的厚度为300微米；正极(7)，厚度为2mm，具有含硫酸铅的活性材料，被压制成由含95％的铅和5％的锑的合金构成的栅形；多孔隔板(6)，ΦΠΠ-20CA级，由全氯乙烯构成，总厚度为120微米；由片钢构成的电流引线(3，4)；壳体的3mm厚的钢载荷支撑盖(1)；壳体的0.3mm厚的钢载荷支撑侧板(9)；介质密封剂(8)。
多孔负和正极及多孔隔板浸渍有电解质，即，密度为1.05g/cm3的硫酸水溶液。电流引线的保护涂层(4)由0.3mm厚的石墨箔构成，其浸有耐酸聚合物，并在数点上粘合于电流引线的金属电极上。两电极为板形，每个大小为123×143mm。在10kg/cm2的压力下压紧一组电极和隔板。
图2示出了电压Uc和正极电位Ea及负极电位Ec(相对于相同溶液中的氢电极)与放电时间t间的关系曲线图。在20℃和电流为10A条件下测量特性曲线。
上述关系可以得出以下结论：
(1)放电过程期间，正极电位下降，但非常小。
(2)放电过程期间，负极电位几乎线性增加，直到E为1.0V。
(3)结果，电压间隔为1.8V以下的放电曲线几乎为电容器所固有的直线情况。
(4)最大电压(Umax)约为2V。
就电位超过1V而言，碳电极容易以相当高的速率氧化，所以最小放电电压Umin发生在(E)max=1V时。从图2显然可以看出，对于给定电容器Umin=0.7V。
试验得到以下特性：比能，53.4W-h/lit；可得到的充放电周期次数，6500(之后试验继续)。
例2
制造一组DEL电容器，包括根据本发明制造的七个类似串联的元件电容器，它们一起被压紧在壳体的引线支撑盖和侧板之间。图3示出了这样一组电容器。每个元件电容器都包括两个相同的负极和一个夹在其间的正极。正极设置在外套形的隔板中。两个负极一起通过外部开关电闭合。整个组件的总体尺寸为：130×150×64.4mm。负极通过模制和烧结包括8wt％的粉状聚乙烯和92wt％的AΓ-3级粉状活性碳的混合物制造，比表面积为1100m3/g，负极厚度为3mm。正极包括由含95％铅和5％锑的合金构成的栅。栅单元内放置有含93％硫酸铅和7％聚四氟乙烯的混合物。使用60微米厚、ΦΠΠ-20CA级的全氯乙烯构成的隔板。负极的电流引线保护涂层与例1类似。
试验得到以下特性：放电电流为2.5A时的比能，51W-h/lit；能实现的充放电周期数，6500；内阻，18mΩ。
应用本发明可以使所提出的电容器的比能超过已知DEL电容器的几倍，同时其成本比已知电容器低几倍。所提出的电容器允许元件串联和并联，从而提供各种电容器组。
Claims (5)
1、一种双导电层电容器，其特征在于，包括
至少一个由多孔碳材料构成的可极化电极；
由含硫酸铅材料构成的不可极化电极；及
表现为含硫酸的水溶液的电解质。
2、根据权利要求1的电容器，其特征在于，还包括具有保护涂层的电流引线，所述保护涂层由浸渍了耐酸聚合物的石墨箔构成。
3、根据以上任一项权利要求的电容器，其特征在于，还包括两个可极化电极，一个不可极化电极和两个隔板，所有所说构件按以下顺序设置：第一可极化电极/第一隔板/不可极化电极/第二隔板/第二可极化电极，两负极彼此短路。
4、根据以上任一项权利要求的电容器，其特征在于，至少一个电极的材料掺杂有特殊材料，例如聚四氟乙烯或聚乙烯。
5、根据以上任一项权利要求的电容器，其特征在于，电容器被压紧。
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1997
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