CN2686065Y

CN2686065Y - 一种活性炭纤维布/喷涂铝复合极板双电层电容器

Info

Publication number: CN2686065Y
Application number: CNU032619189U
Authority: CN
Inventors: 王大志; 王晓峰; 阮殿波
Original assignee: BEIJING JIXINGSHIJI SCIECE AND TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Supreme Power Systems Co., Ltd.
Priority date: 2003-05-08
Filing date: 2003-05-08
Publication date: 2005-03-16
Anticipated expiration: 2013-05-08

Abstract

本实用新型公开了一种活性炭纤维布/喷涂铝复合极板双电层电容器。由极板、集流体、隔膜、有机电解液、壳体、极柱、极耳、端盖组成，极板由在活性炭纤维布的一个表面复合有金属铝层组成，复合铝质量为复合极板的15～30％；所述的极板的喷涂面与集流体接触，非喷涂面与隔膜接触，以集流体、极板、隔膜、极板、集流体不断反向折叠的结构组成双电层电容器的单对极板折叠型内芯。极耳与电极连接，端盖与壳体连接，壳体内有有机电解液。本专利具有优良的能量密度与功率密度，在本专利的活性炭纤维很容易低成本获取，具有500m²/g以上的比表面积，本实用新型可以使普通活性炭纤维布达到较好的电容性能，使电容器成本得以最大的降低。

Description

一种活性炭纤维布/喷涂铝复合极板双电层电容器

技术领域：本实用新型涉及一种电容器，特别是涉及一种活性炭纤维布/喷涂铝复合极板双电层电容器。

背景技术：超级电容器具有比普通电容器高10倍以上的能量密度，同时具有比普通蓄电池高近10倍的功率密度，是对这两类器件的中间应用领域补充或者对二者性能进行增强的新型电子器件，主要包括双电层电容器和伪电容型电容器，前者是利用材料表面的双电层效应，如图1所示双电层电容器结构图，通过电荷在其表面的脱/吸附储存/释放电能的原理，制备的一种电子器件，本实用新型即为该类型电容器。

较早的双电层超级电容器多采用活性炭糊状电极结构，如ECOND公司申请的美国专利U.S.5,557,497中采用活性炭为主要活性材料组成单元双电层超级电容器结构，采用水性电解质体系，并用单元内部串联的结构制作最终器件，采用加较高压力的方式降低内阻，提高其功率性能，其存在单元耐用低，能量密度小，组装复杂等问题。

奥本大学采用金属纤维与活性炭纤维共织物制备电容器极板，减低电容器内阻，这个工艺过于复杂，难以实现低成本化。

Maxwell公司申请的美国专利U.S.6,430,031等专利文件详细的阐述了其活性炭纤维超级电容器的制备方法及结构，其采用了等离子喷涂等工艺在活性炭纤维一面复合铝层，然后采用其文件中描述的方法组装多极板单一有机电解液超级电容器。与本专利相比较，其复合铝质量占复合极板的42～53％，而本专利中仅为15～30％；本专利的极板结构为单一叠层方式，其内阻更低，制作更为简单；另外，本专利采用的活性炭纤维在宽比表面积范围内，特别是相对较低的比表面积上(Maxwell 2500M²，本专利1000M²)仍具有优良的能量密度与功率密度，在本专利范围内的活性炭纤维很容易低成本获取，而超高比表面积活性炭纤维布其工艺要求苛刻，价格高昂。

发明内容：

本实用新型的目的在于改进现有技术之缺点，提供一种活性炭纤维布/喷涂铝复合极板双电层电容器。

为实现上述目的，本实用新型采取以下设计方案：

本实用新型活性炭纤维布/喷涂铝复合极板双电层电容器由极板、集流体、隔膜、有机电解液、壳体、极柱、极耳、端盖组成，极板由在活性炭纤维布的一个表面复合有金属铝层组成，活性炭纤维内部渗入部分铝，构成一个导电骨架网络结构，将活性炭纤维一部分容纳于其内，采用该方式的复合铝质量为复合极板的15～30％；所述的活性炭纤维布的比表面积大于500m²/g，优选800～1600m²/g，厚度小于1mm，优选小于0.5mm，面密度小于250g/m²，优选小于150g/m²。所述的极板的喷涂面与集流体接触，非喷涂面与隔膜接触，集流体、极板、隔膜构成双电层电容器内芯，所述的内芯放入壳体内，极耳与电极连接，端盖与壳体连接，壳体内有有机电解液。

与现有技术的复合铝质量占复合极板的42～53％相比较，本专利仅为15～30％；本专利的极板组装为单一叠层方式，其内阻更低，制作更为简单；另外，本专利采用的活性炭纤维在宽比表面积范围内，特别是相对较低的比表面积上(Maxwell2500M²，本专利1000M²)仍具有优良的能量密度与功率密度，在本专利范围内的活性炭纤维很容易低成本获取，而超高比表面积活性炭纤维布其工艺要求苛刻，价格高昂。

本实用新型的活性炭纤维布，具有500m²/g以上的比表面积，比表面积更高可以达到更好的电容性能，但高比表面积的活性炭纤维布目前其制作难度较大，价格高昂。在本实用新型中，可以使普通活性炭纤维布达到较好的电容性能，使电容器成本得以最大的降低。图13为双电层电容器恒流充放电曲线图，从该图的曲线特性上，可看出本实用新型的电容性能优越。

附图说明：

图1，双电层电容器结构图

图2，折叠方形内芯结构图

图3，扣式双电层电容器结构图

图4，卷绕圆形内芯结构图

图5，卷绕方形内芯结构图

图6，活性炭纤维布/铝复合极板结构图

图7，双电层电容器隔膜结构图

图8，双端极柱引出结构图

图9，集流体—极耳连接结构图

图9-1，集流体—极耳结构图

图10，极耳—极柱连接结构图

图10-1，双电层电容器结构图

图11，防转动上端盖结构图

图12单端极柱引出结构图

图13，双电层电容器恒流充放电曲线图

具体实施方式：

实施例1，本实用新型活性炭纤维布/喷涂铝复合极板双电层电容器由极板1、集流体2、隔膜3、有机电解液4、壳体5、极柱6、极耳7、端盖8组成，极板1由在活性炭纤维布9的一个表面复合有金属铝层10组成，活性炭纤维内部渗入部分铝，构成一个导电骨架网络结构，将活性炭纤维一部分容纳于其内，采用该方式的复合铝质量为复合极板的15～30％；所述的活性炭纤维布9的比表面积大于500m²/g，优选800～1600m²/g，厚度小于1mm，优选小于0.5mm，面密度小于250g/m²，优选小于150g/m²。所述的复合有金属铝层可代替为复合有金属镍层。活性炭纤维布9可采用活性炭纤维毡；如图2所示，所述的极板1的喷涂面11与集流体2接触，非喷涂面12与隔膜3接触，顺序叠加集流体2、极板1、隔膜3、极板1、集流体2，以不断反向折叠的结构组成双电层电容器的单对极板折叠型内芯60，为双电层电容器内芯60。所述的内芯60放入壳体5内，极耳7与极柱6连接，端盖8与壳体5连接，壳体5内有有机电解液4，壳体5连接有卸压阀或防爆阀50。

实施例2：如图所示，本实用新型活性炭纤维布/喷涂铝复合极板双电层电容器由极板1、集流体2、隔膜3、有机电解液4、壳体5、极柱6、极耳7、端盖8组成，集流体2采用铝箔材料，也可采用镍箔；铝箔集流体2为长条，边缘平齐无毛刺，等距离以超声点焊27极耳7，如图9所示，其厚度大于0.1mm，单极集流体2引出极耳数量为20。另一类型为在铝箔集流体2上，在其一边经裁切保留40以上数量，自引出极耳7。如图9-1所示。

电容器纸隔膜3为宽长条，长度上比集流体2多10cm。

复合极板1为宽的长条，要求边缘整齐，无任何飞边，长度与集流体等长。顺序叠放铝箔集流体2、极板1、隔膜3、极板1、铝箔集流体2，极板复合铝面10与铝箔集流体2相接触，光面与隔膜3相接触，铝箔集流体2引出极耳7的朝向一致，同时保证两极之间的极耳7无任何接触。以图2所示方式不断反向折叠，然后在油压机上将内芯压实，制备双电层电容器内芯。之后以聚四氟乙烯薄膜均匀缠绕内芯，使内芯与壳体5绝缘。

各极引出极耳7分别超声焊接在两极柱底面，极柱6位置分别在内芯两端，两极极耳之间留出空间避免直接接触。

将内芯挤压进入不锈钢壳体5内。装配顶端盖8，极柱6以螺母32紧固在端盖8上，然后以氩弧焊或激光焊焊接壳体5上缘与顶端盖。壳有有机电解液4。有机电解液4采用1.4M的无水Et₄NBF₄/AN，密封注液孔30，得到完整大容量双电层电容器，如图12所示。

实施例3：本实用新型活性炭纤维布/喷涂铝复合极板双电层电容器由极板1、集流体2、隔膜3、有机电解液4、壳体5、极柱6、极耳7、端盖8组成，极柱6也可采用铝极柱或镍极柱或不锈钢极柱，或铝或镍与其他金属的复合极柱，但其与电解液接触端为铝质或镍质。采用于上述电容器相同的复合极板材料作为该型电容器极板1，其极板1宽度与集流体2铝箔宽度相同，采用超声焊接极耳7与集流体2，极耳7采用从集流体2长度1/2位置引出。

以集流体2、极板1、隔膜3、极板1、集流体2、极板1、隔膜3、极板1，如图5所示，或集流体2、极板1、隔膜3、极板1、集流体2、隔离膜40顺序叠层，如图4所示，在卷绕机圆形卷针上以卷绕方式将该叠层紧实构成圆形双电层电容器内芯。

内芯放入圆形铝壳体5内，铝壳体5底部刻有防爆槽，然后在铝壳体5上端滚挤形成密封用凹槽，采用如上述的干燥方式使内芯达到完全干燥状态。

壳体5有真空浸滞有机电解液4，有机电解液4与上述的电容器相同。超声焊接或铆接极耳7与复合端盖8上的铝质极柱6。在压力封口机上通过模压使铝壳上缘相内扣紧在端盖8上，达到完全密封状态。

实施例4：如图11所示，本实用新型活性炭纤维布/喷涂铝复合极板双电层电容器由极板1、集流体2、隔膜3、有机电解液4、壳体5、极柱6、极耳7、端盖8、螺母32、卸压阀或防爆阀50、注液孔30组成。壳体5连接有卸压阀或防爆阀50和注液孔30。极柱6有内孔螺扣；所述的壳体5为矩形或圆形，材料为铝或不锈钢，端盖8为酚醛树脂—橡胶复合材料。端盖8有防止转动孔31，极柱6与端盖8连接采用配合异型结构—防止转动孔31防止转动，如矩形端面、圆弧与直线结合端面等，并不仅限于此。端盖8为金属时，极柱6与壳体5之间填充绝缘材料33，如聚四氟乙烯，PVC，陶瓷，橡胶等，并不仅限与此。

与单体双电层电容器内芯相同的方式卷绕，但采用矩形卷针，卷出之后的形状为椭圆型。卷绕完成之后将内芯放入相应的矩形模具内压实，得到矩形的电容器内芯。

将该内芯挤入矩形壳体5内，焊接极耳7与引出电极(可以用壳体作为其中一极引出)，采用激光焊接顶部端盖8，仅留出注液孔与外界相通。经干燥之后，真空注液，然后密封注液孔，得到小型矩形双电层电容器。

实施例5：如图9所示，

铝箔采用超声点焊极耳或自引出方式(图9)作为本电容器的集流体2，为降低电容器的整体体积和质量，铝箔集流体应尽可能薄，如0.02mm或更薄，根据容量要求设计的壳体5，通常有矩形、圆形和扣式的形状，图2，3，4，5。端盖8上有卸压阀或防爆阀槽50，在内部压力达到一定情况下开启，保证在滥用情况下的安全性。

内芯引出的多个极耳7按正负并联组合，以大功率超声焊接90的方式大范围的连接在引出极柱6上，如图10、图10-1所示。禁止两极极耳、极柱之间相互发生电子导通。将内芯挤入电容器壳体5内，装配上端盖8，采用激光、氩弧焊接或卷边压缩密封，仅留注液孔30与外界相通，极柱6引出还可采用单极柱引出，以金属壳体5为一极引出，极柱6引出采用壳体5的单端双极柱引出，或壳体5的双端极柱引出，如图8所示。

Claims

1、一种活性炭纤维布/喷涂铝复合极板双电层电容器，由极板、集流体、隔膜、有机电解液、壳体、极柱、极耳、端盖组成，其特征在于：极板由在活性炭纤维布的一个表面复合有金属铝层组成，活性炭纤维内部渗入部分铝，构成一个导电骨架网络结构，将活性炭纤维一部分容纳于其内，复合铝质量为复合极板的15～30％；所述的活性炭纤维布的比表面积大于500m²/g，厚度小于1mm，面密度小于250g/m²，所述的极板的喷涂面与集流体接触，非喷涂面与隔膜接触，集流体、极板、隔膜构成双电层电容器内芯，所述的内芯放入壳体内，极耳与电极连接，端盖与壳体连接，壳体内有有机电解液。

2、根据权利要求1所述的一种活性炭纤维布/喷涂铝复合极板双电层电容器，其特征在于：所述的活性炭纤维布的比表面积优选800～1600m²/g，厚度优选小于0.5mm，面密度优选小于150g/m²。

3、根据权利要求1或2所述的一种活性炭纤维布/喷涂铝复合极板双电层电容器，其特征在于：顺序叠加集流体、极板、隔膜、极板、集流体，以不断反向折叠的结构组成双电层电容器的单对极板折叠型内芯。

4、根据权利要求1或2所述的一种活性炭纤维布/喷涂铝复合极板双电层电容器，其特征在于：以集流体、极板、隔膜、极板、集流体、极板、隔膜、极板或集流体、极板、隔膜、极板、集流体、隔离膜顺序叠层结构，在卷绕机圆形卷针上以卷绕方式将该叠层紧实构成圆形双电层电容器内芯。

5、根据权利要求3所述的一种活性炭纤维布/喷涂铝复合极板双电层电容器，其特征在于：所述的复合有金属铝层可代替为复合有金属镍层。

6、根据权利要求4所述的一种活性炭纤维布/喷涂铝复合极板双电层电容器，其特征在于：所述的复合有金属铝层可代替为复合有金属镍层。

7、根据权利要求3所述的一种活性炭纤维布/喷涂铝复合极板双电层电容器，其特征在于：所述的集流体也可采用镍箔。

8、根据权利要求4所述的一种活性炭纤维布/喷涂铝复合极板双电层电容器，其特征在于：所述的集流体也可采用镍箔。

9、根据权利要求7或8所述的一种活性炭纤维布/喷涂铝复合极板双电层电容器，其特征在于：所述的壳体为矩形或圆形，材料为铝或不锈钢，端盖为酚醛树脂—橡胶复合材料，极柱与端盖连接采用配合异型结构，极柱有内孔螺扣。

10、根据权利要求7或8所述的一种活性炭纤维布/喷涂铝复合极板双电层电容器，其特征在于：极柱也可采用铝极柱或镍极柱或不锈钢极柱，或铝或镍与其他金属的复合极柱，与电解液接触端为铝质或镍质，端盖有防止转动孔，极柱与端盖连接采用配合异型结构。

11、根据权利要求9所述的一种活性炭纤维布/喷涂铝复合极板双电层电容器，其特征在于：端盖为金属，极柱与壳体之间填充绝缘材料，极柱引出采用壳体的单端双极柱引出，或壳体的双端极柱引出或壳体为一极单极柱为一极引出。

12、根据权利要求10所述的一种活性炭纤维布/喷涂铝复合极板双电层电容器，其特征在于：壳体连接有卸压阀或防爆阀和注液孔。