CN1610647A - 用于电化学元件的层电极和具有所述层电极的电化学双层电容器 - Google Patents

用于电化学元件的层电极和具有所述层电极的电化学双层电容器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于电化学元件的层电极(6)，所述层电极(6)具有至少以段的形式沿择优取向方向并排伸展的大量纤维(1)，其中纤维(1)通过粘接彼此结合在一起。纤维(1)的彼此粘接可以通过刺开层电极或者通过缝合制得。根据本发明的层电极(6)有如下优点：薄并且可以经济地生产。此外，本发明给出了具有根据本发明的层电极(6)的电容器。

Description

用于电化学元件的层电极和具有所述层 电极的电化学双层电容器
本发明涉及一种用于电化学元件的具有大量纤维的层电极。此外，本发明涉及一种具有该层电极的电容器。
电化学双层电容器从出版的EP 0786142 B1可知，其电极是活性碳布。已知的碳布由彼此交叉在一起编织的丝线制成。碳布的这种编织是一个代价高昂的过程，因此碳布的生产昂贵。
此外，已知的碳布有如下缺陷，即它有250μm-600μm之间相对大的厚度。因此，在固定的电容器容积中，只有少量的电极层插入到电容器容积中。对于此数量的电极层来说，用于碳布与铝-分路器接触的面积也很小，因此已知的电容器有相对高的欧姆电阻。
进一步，由彼此交织的丝线生产碳布有如下缺陷，即由于交织形成的空隙使碳材料的密度相对小，这样由碳布作成的电容器的与容积有关的电容相对小。
因此，本发明的目的是提供用于电化学元件中的层电极，所述层电极有小的层厚并且经济地生产。
根据本发明，这个目的通过依照权利要求1的层电极达到。本发明优选构型以及具有按照本发明的层电极的电容器可以从其它的权利要求中得出。
本发明提供一个用于电化学元件的层电极，所述层电极包含大量纤维，这些纤维至少以段的形式在择优取向方向上并排伸展，并且，其中这些纤维通过粘接彼此结合在一起。
根据本发明的层电极有如下优点，即可以通过在唯一的择优取向方向上并排伸展的纤维代替编织纤维或者丝线。这样根据本发明的层电极可以低成本地生产。此外，由于纤维通过粘接彼此结合在一起，因此用于形成层电极元件的结合而进行的纤维的叠放和相互编织不再必要，这样可能实现用于层电极的很小的层厚，即层厚为10μm-500μm。
特别地，纤维是激活的碳质纤维，其构成束。(也是公知的英文“tow”)。
由于降低了层厚，在预先确定了电容器容积的情况下可插入到电容器中的层电极数目增加了。由于与层电极接触的面积由层厚的面积预先确定，并且由于一个电容器的接触电阻的总和由相应表示单个层电极的单个接触电阻的并联构成，因此接触电阻因层电极数量的增加而下降，电容器的欧姆损失也因此减少。
纤维的彼此附着比如可以通过如下方式得到，即纤维束用具有倒钩的穿针以横穿纤维方向扎透。再将这个穿针拉出来后，几个纤维段偏离择优取向方向伸展并且彼此钩在一起。这样在层电极内部形成机械结合。不过偏离择优取向方向的纤维段中的纤维总数最大不超过20％，这使得纤维束与羊毛明显不同，在羊毛中各纤维完全没有择优取向。
本发明的另一种实施方式是一些纤维可以彼此绞合起来，从而形成纱线(Garn)。本发明的这种制作方式有如下优点，即横穿择优取向方向的机械结合比未绞合的纤维优越。
根据本发明的层电极的制作有进一步的优点，即彼此相对编织在一起的纤维可以提高材料密度，从而用这种层电极生产出的电化学双层电容器可以有增大的电容量。
在彼此绞合在一起构成纱线的纤维中，纱线以及形成纱线的纤维的相互附着通过偏离择优取向方向伸展的，彼此钩在一起的纤维段实现。
进一步可能，要形成层电极的机械结合，可以借助缝合线横穿纤维方向相互缝合纤维。优选地，采用合成材料做纤维，所述合成纤维通过热解作用(也被公知为碳化作用)以及随后的表面激活来变为碳纤维。借助缝合线缝合纤维可以在热解作用和合成材料-原材料的激活之前实现，也可以在激活之后实现。所有不会使电化学元件电性能变差的材料都适合于作为缝合线的材料。在电化学元件是电化学双层电容器的情形，可考虑比如用聚丙烯、聚乙烯、或聚四氟乙烯做缝合线。
为了没有过分增加层电极的层厚，最好采用厚度为10μm-50μm之间的缝合线。缝合线可以由单个纤维或者纱线构成。
在根据本发明的另一种实施方式中，层电极内部的纤维结合可以由此得到促进，即促成纤维之间附着的材料局部地涂在层电极的表面上。同样，促成纤维之间附着的材料也可以局部地涂在层电极里。
所有不会使电化学元件的电性能变差的材料都适合于此。在电化学双层电容器情形中尤其适用这种材料，即它相对于电化学双层电容器中所采用的电解质呈惰性。为了稳定层电极，可考虑将碳材料借助气相分离喷进层电极里或者喷到层电极的表面上。但是也可以将其他材料，尤其是金属，例如铝或铜借助气相分离喷涂在层电极的表面上或者里面。
此外，层电极中的纤维结合可以通过聚合添加物生成或形成。可能的聚合添加物是比如聚乙烯、聚丙烯、聚二氟乙烯以及聚四氟乙烯。最好以层电极碳成分的2-20％的重量份额添加聚合添加物。
采用金属作为促成纤维之间粘合的材料有以下优点，即它同时可与层电极接触。
金属，比如铝或铜还可以通过火焰喷涂、电弧喷涂或者气相喷涂到层电极的上面或者里面。还可以考虑将层电极压入软化金属形成的膜中，通过电致发热，对流热，辐射热或者感应热或用紧贴的发热面或者发热辊加热使金属变热。这些方法有如下好处，即层电极或者层电极纤维在张应力下沿择优取向方向放置，这使得在将纤维布置在金属上时，保证纤维基本平行的取向。
特别优选地，采用包括C6环的合成材料作为纤维的原材料。这种合成材料通过在抽出空气或者在含有少量氧的大气中加热而热解，这样它几乎完全变为碳材料，这个过程被公知称为碳化。纤维碳化之后，纤维表面可以通过侵蚀过程被激活。侵蚀可以通过气体处理，例如借助CO2或者H2O进行以及通过化学或电化学进行。通过激活纤维，纤维表面急剧扩大，这样，比如可以由一个100m2g的表面得到一个3000m2g的表面。
例如，用于纤维的原材料可以采用酚醛纤维、纤维素、沥青、聚乙烯醇以及它们的衍生物或者聚丙烯腈。
进一步优选地，采用厚度在5-50μm的纤维，因为用这样的纤维生产厚度为5-500μm的薄的层电极变得容易。当采用很薄的纤维时，如果可能，还可以把很多个纤维叠放在一起以形成层电极。当采用大量纤维叠放在一起时，得到的层电极具有提高机械稳定性的优点。然而与此相对的可能的情况是：层电极只由仅有的一层纤维层构成。这样，可以在适当的纤维强度下生产尽可能薄的层电极。
此外，本发明提供了一种电化学电容器，所述电化学电容器包含一个具有两个根据本发明的层电极的电容器卷轴(Kondensatorwickel)。所述层电极用含离子的液体浸透，并且通过分离层彼此隔开。所述分离层使层电极彼此电绝缘，并且对液体离子而言，分离层是可渗透的。每个层电极与一个接触层连接，所述接触层允许层电极电接触到电容器的外接口上。因此特别地，电容器卷轴可以是由重叠放置的电极层对构成的层组件。接触层可以具有接线片，所述接线片在层细件的一个侧面从层组件上引出并且与电容器的外接口接触。
下面根据实施例和附图对本发明进行进一步地解释。
图1以透视图的形式示例地展示根据本发明的层电极。
图2以俯视图的形式示例地展示层电极的第一种机械稳定实施形式。
图3以截面图的形式示例地展示层电极的另一种机械稳定实施形式。
图4以截面图的形式展示了根据本发明的层电极，在层电极的表面上散布有促使纤维之间粘着的材料。
图5以截面图的形式示例地展示了电容器的电容器卷轴。
图1展示了根据本发明的，具有沿择优取向方向伸展的纤维1的层电极。所述择优取向方向如箭头所示。因此每一个纤维1与相邻的纤维1直接接触，这对于材料的密度特别有好处。
图2展示了纤维1之间的结合，所述结合通过偏离择优取向方向(箭头所示)伸展的，彼此钩在一起的纤维段2形成。这样纤维1扭绞成纱线5。
图3展示了厚度为D的纤维1，所述纤维1以单层并排摆放，并且通过缝合线3彼此缝合在一起。缝合线3可以比纤维1细得多，因此层电极的层厚没有由于纤维1的缝合而导致很大的增加。这是应该注意的，即出于讲解缝合的目的，纤维之间的距离以放大的形式展示。
图4展示了层电极6，所述层电极6由根据图1并排排列的纤维1构成的束，通过在其表面上的铝金属的局部蒸镀(Aufdampfen)而形成，所述铝金属形成促使纤维1之间粘在一起的材料4。所述蒸镀只允许局部实现，在这种情况下通常纤维具有一个很小的、露出的并且因此活性的表面。根据图4的实施例，层电极6的层厚d为50μm。因此纤维1的厚度为10μm。
图5展示具有层电极6的电化学双层电容器的层卷轴的一部分，所述层电极6通过分离层7彼此隔开。层电极6用电解质浸透。绝缘的分离层7对于离子电解质中的离子来说是可渗透的。借助接触层8，尤其借助突出层电极6的接触层8的接线片9，电极层6可以通过侧面进行电接触。
本发明不局限于所描述的实施例，而是由权利要求1所限定的一般形式。

Claims (19)

1.用于电化学元件的层电极，
-具有大量纤维(1)，所有的纤维(1)至少以段的形式沿择优取向方向并排伸展，
-其中，纤维(1)通过粘接彼此结合在一起。
2.根据权利要求1的层电极，层电极的层厚(d)为5μm-500μm。
3.根据权利要求1或2的层电极，其中，偏离择优取向方向伸展的纤维段(2)彼此钩在一起。
4.根据权利要求1或2的层电极，其中，纤维(1)通过缝合线(3)彼此缝合在一起。
5.根据权利要求1-3之一的层电极，其中，多个形成纱线(5)的纤维(1)彼此绞合在一起。
6.根据权利要求1-5之一的层电极，其中，将在纤维之间起粘接作用的连接材料(4)部分地涂覆于层电极的表面。
7.根据权利要求1-5之一的层电极，其中，将在纤维之间起粘接作用的连接材料(4)部分地加入到层电极中。
8.根据权利要求6或7的层电极，其中，所述材料(4)相对于在电化学双层电容器中所使用的电解质是惰性的。
9.根据权利要求8的层电极，其中所述材料(4)是金属。
10.根据权利要求8的层电极，其中，所述材料(4)包括碳元素。
11.根据权利要求9的层电极，其中，所述材料(4)通过火焰喷涂或者电弧喷涂进行涂覆。
12.根据权利要求9的层电极，其中，所述材料(4)通过气相喷涂进行涂覆。
13.根据权利要求1-12之一的层电极，其中，所述纤维(1)由包括C6环的合成材料制成。
14.根据权利要求13的层电极，其中，所述纤维(1)被热解。
15.根据权利要求14的层电极，其中，所述纤维(1)的表面通过侵蚀过程变粗糙。
16.根据权利要求1-15之一的层电极，其中，所述纤维(1)的厚度(D)为5μm-50μm。
17.根据权利要求8的层电极，其中，所述材料(4)是聚合物。
18.根据权利要求17的层电极，其中，所述材料(4)是聚乙烯、聚丙烯、聚二氟乙烯或聚四氟乙烯。
19.具有电容器卷轴的电容器，所述电容器卷轴包括两个根据权利要求1-18之一的层电极(6)，所述层电极(6)浸在含离子的液体中，在所述层电极(6)之间布置有对于液体中的离子可渗透的绝缘分离层(7)，并且其中每个层电极(6)与接触层(8)相连接。
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