CN1963966A - 混合型超级电容器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于大功率电子器件技术领域，涉及一种混合型超级电容器。其特征是用钽做电容器的阳极，用二氧化钌电极做电容器的阴极，充以电解液。钽阳极和电解液形成电解电容器，二氧化钌电极在电解液中形成电化学电容器，二者通过电解液等效串联，形成具有电解电容器和电化学电容器共同优点的超级电容器。这种电容器的钽阳极由钽粉压制而成，二氧化钌涂敷于基板集流体上形成阴极，电解液是硫酸溶液。本发明的效果和益处是提高超级电容器的工作电压，并保持高储能密度的特点。消除了常规超级电容器工作电压低、多级串联会降低储能密度和功率密度的不足，解决了一般超级电容器不能用于脉冲功率系统的问题。本电容器结构简单，工业实现方便。
Description
技术领域
本发明属于大功率电子器件技术领域，涉及混合型超级电容器及其制备方法。特别涉及一种能提高单元工作电压，且内部采用1～5个单元并联连接技术的超级电容器。
背景技术
超级电容器是介于静电电容器和蓄电池之间的一种具有较高储能密度的储能元件。它与传统的静电电容器的区别在于存储电荷的机理不同。静电电容器是通过介质极化存储电荷的，通常其储能密度较低，但功率密度却很高，能够迅速地存储或释放电荷；而超级电容器是通过离子迁移存储电荷的，其电容量和储能密度极高。正是由于超级电容器具有这一优良特性，使它在电动车动力电源和其他备用电源等方面具有很好的应用前景。
当前，现有的超级电容器主要是以电化学方式存储电荷的，所以也称之为电化学超级电容器。它主要是由极化电极、电解质、隔板、电极终端引线和外壳几部分组成。由于受电解质击穿电压的限制，超级电容器的单元工作电压很低，通常水性电解质小于1.2V，有机电解质小于3.5V，这就限制了它的应用范围。而在实际应用中，尤其在大功率脉冲电源系统中，如电能武器的电源系统和电动车动力电源等，往往工作电压都很高，这就需要成百上千个单元串联，才能满足电压的要求。由于各单元电容器的性能和参数存在着一定差异，当电容器串联使用时，各单元上的电压分布通常是不均匀的，这就容易造成局部击穿，最终导致全部击穿。为了解决串联结构的均压问题，一般采取串联单元的数量冗余，以降低各单元电容器上的平均工作电压。但是随着串联数量的增加，将会使总电容量降低、等效串联电阻增加。很显然，现有的超级电容器是很难满足脉冲电源系统的要求的，因此，从本质上提高超级电容器的单元工作电压，是保证其作为大功率储能器件的重要前提之一，同时还要减小内电阻，才能使之满足大电流快速释能的要求。
目前，在我国形成产品化的超级电容器都是双电层电容器，主要是低压系列有3.5V、5.5V、11V等；而高工作电压的超级电容器，如400V的产品，都是采用若干单元串联组成的，所以重量、体积均较大。工作电压低已成为阻碍利用电容器储能，来实现大功率脉冲电源技术发展的瓶颈。所以，超级电容器作为大功率储能元件，提高其单元工作电压是急待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种大功率超级电容器，解决超级电容器在脉冲功率系统中的应用问题，实现高储能密度和高功率密度在超级电容器元件上的统一。
本发明所采用的技术方案是：结合金属钽阳极、电解质/隔板和二氧化钌电极组成超级电容器单元；在封装外壳内采用1～5个单元并联连接的技术，组成混合型超级电容器元件。
本发明所提供的混合型超级电容器，钽阳极2包括阳极表面上的钽氧化物薄膜(也称阳极电介质)和电解液4形成电解电容器，二氧化钌电极3在电解液4中形成电化学电容器，两极之间插入隔板5，通过电解液4等效串联后，在终端分别由阳极阴线1和阴极引线7引出，如图1所示。形成具有电解电容器和电化学电容器共同优点的混合型超级电容器，它是一个两极不对称、且具有极性的电容器，由阳极表面上的电介质来承担电容器的工作电压。所以，超级电容器的单元工作电压是由阳极电介质层的厚度决定的，该电压根据设计需要可以实现高达160V。
本发明所提供的混合型超级电容器，外壳内可以封装1～5个单元电容器，各单元平行堆放，由绝缘板9隔开，组成紧密的结构。单元之间采用并联连接技术，各阴极之间无需物理连接，通过电解质相连，最终由阴线引线7引出；各阳极之间通过钽丝连接，最终由阳极引线1引出。如图2所示。
本发明所提供的二氧化钌电极3是通过二氧化钌粉末与乙醇、导电剂和聚四氟乙烯乳液粘结剂混合，制得电极薄膜，电极薄膜的厚度为0.05～0.3mm。
本发明的效果和益处：从本质上提高了超级电容器的工作电压，它不必借助于现有超级电容器使用的串联结构，单只电容器就可满足百伏以上工作电压的要求，或者少量串联就可以满足千伏工作电压以上的要求，从而更能有效地利用超级电容器的大容量和高储能密度。混合型超级电容器内部采用了1～5个单元并联连接技术，可以得到最佳的参数匹配，进而提高电容器的容量和储能密度，同时也可以减小电阻，使之满足大功率快速充放电的要求。该电容器结构简单，工业实现方便，本发明可广泛用于脉冲功率系统、电动车的辅助电源和其他备用电源等。
附图说明
图1是混合型超级电容器的结构示意图。
图中：1阳极引线；2阳极；3阴极；4电解质；5隔板；6外壳；7阴极引线。
图2是采用3个单元并联连接技术封装的混合型超级电容器结构示意图。
图中：1阳极引线；2阳极；3阴极；4电解质；5隔板；6外壳；7阴极引线；8内部连线；9绝缘隔板；10玻璃绝缘子。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
实施例一
将制备的二氧化钌薄膜(φ35mm×0.1mm)压制在基板集流体上形成阴极3，与钽阳极2(φ35mm×h3.2mm)之间用玻璃纤维布隔板5隔开，组成超级电容器单元；然后装入金属钽外壳6内，注入电解质溶液，两电极最终分别由阳极引线1和阴极引线7引出。电解质采用浓度为30％～40％之间的硫酸，每100CC硫酸添加2.1g硫酸铜。本实例中电容器的工作电压设计为40V，测得容量为6mF，内阻为0.78Ω，储能密度为1.03J/cm3。
本实例不应理解为本发明的限制，凡是基于本发明的技术思想所做的其他形式上的修改、替换或变更而实现的发明均属于本发明范围。
实施例二
混合型超级电容器内部采用三个单元并联连接。单元制作方法同实施例一，单元之间平行堆放，用玻璃纤维布绝缘隔板9隔开。三个阴极之间无需物理连接，通过电解质相连，最终由阴极引线7引出，三个阳极通过内部连线8连接，最终由阳极引线1引出。玻璃绝缘子10使阳极引线1与外壳6绝缘，阴极引线7与外壳6相连；本实施例中单元工作电压为40V，测得容量为18.4mF，内阻为0.25Ω，储能密度为1.16J/cm3。
实施例三
将30g的RuCl3·xH2O溶于蒸馏水中，制得0.1mol/L的溶液；将0.3mol/L的NaOH溶液缓慢加入RuCl3·xH2O溶液中，严格控制溶液的PH＝7。将生成的黑色RuO2·xH2O颗粒过滤，再用蒸馏水冲洗若干遍，然后在100℃温度下脱水处理10小时，制得无定型水合二氧化钌。将水合二氧化钌粉末与无水乙醇、炭黑导电剂和聚四氟乙烯粘结剂，按质量比为90∶4∶3∶3的比例混合，压制成厚度为0.2mm的电极薄膜。测得该电极的比容量为736F/g，内阻为0.82Ω。
Claims (3)
1.一种混合型超级电容器，由钽阳极(2)，二氧化钌阴极(3)，电解液(4)，隔板(5)，阳极引线(1)和阴极引线(7)，外壳(6)组成，其特征在于：钽阳极(2)和电解液(4)形成电解电容器，二氧化钌阴极(3)在电解液(4)中形成电化学电容器，两者通过电解液串联后，分别由阳极引线(1)和阴极引线(7)引出；其中：钽阳极(2)由钽粉直接压制在阳极引线(1)上，二氧化钌直接涂敷于基板集流体上组成阴极(3)，中间辅以绝缘隔板(5)隔开，构成超级电容器单元；封装外壳内部由1～5个单元并联连接，形成超级电容器元件。
2.根据权利要求1所述的一种混合型超级电容器，其特征在于：二氧化钌阴极(3)是通过二氧化钌粉末、无水乙醇、炭黑导电剂和聚四氟乙烯乳液粘结剂混合，制得电极薄膜，电极薄膜的厚度为0.05～0.3mm。
3.根据权利要求1所述的一种混合型超级电容器，其特征在于：电解液(4)浓度为30％～40％的硫酸，每100CC硫酸添加2.1g硫酸铜。
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