DE10060653A1 - Elektrischer Doppelschicht-Kondensator - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Doppelschicht-Kondensator, der zwei übereinanderliegende Elektrodenschichten (2, 3) aufweist. Diese Elektrodenschichten (2, 3) sind durch eine elektrisch isolierende Trennschicht (1) voneinander getrennt. Wenigstens eine der Elektrodenschichten (2, 3) ist durch ein Beschichtungsverfahren auf die Trennschicht (1) aufgebracht. Der erfindungsgemäße Kondensator hat den Vorteil, daß durch die mit der Elektrodenschicht (2, 3) beschichtete Trennschicht (1) eine verbesserte Volumenausnutzung möglich ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Doppelschicht- Kondensator mit zwei übereinanderliegenden Elektrodenschich­ ten, die durch eine elektrisch isolierende Trennschicht von­ einander getrennt sind.

Es sind Kondensatoren der eingangs genannten Art bekannt, bei denen die Trennschicht und die Elektrodenschichten separate Elemente darstellen, die miteinander verstapelt und dann auf­ gewickelt werden. Die Trennschicht hat dabei die Funktion der Verhinderung von Kurzschlüssen. Zur Herstellung von Kondensa­ toren für hohe elektrische Energie werden die Elektroden da­ durch optimiert, daß ihre Oberfläche erheblich vergrößert wird. Dies gelingt beispielsweise bei Elektrodenschichten aus Kohlenstoff durch Aktivieren der Oberfläche. Elektroden­ schichten aus Kohlenstoff können beispielsweise in Form von Tüchern in den Kondensator eingebracht werden.

Die bekannten Kondensatoren haben den Nachteil, daß sie eine schlechte Volumenausnutzung aufweisen. Unter Volumenausnut­ zung versteht der Fachmann die pro Volumen des Kondensators zur Verfügung gestellte Kapazität. Da die Elektrodenschichten und die Trennschicht jeweils separate Elemente sind, müssen sie aus einem Material gefertigt sein, das eine gewisse Min­ deststabilität aufweist. Ansonsten könnten die einzelnen Schichten nicht miteinander verstapelt und anderweitig verar­ beitet werden. Die Mindeststabilität wird dabei durch eine entsprechende Mindestschichtdicke beispielsweise der Kohlen­ stofftücher erreicht. Bei hoher Schichtdicke der einzelnen Schichten verschlechtert sich die Volumenausnutzung.

Für den Fall, daß die Schichtstapel zu einer Rolle aufgewic­ kelt werden, besteht zudem die Gefahr, daß sich während des Aufwickelns Verwerfungen in einzelnen Schichten bilden, die zu Hohlräumen in dem Kondensatorwickel führen, wodurch die Volumenausnutzung ebenfalls schlechter wird.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Kondensa­ tor der eingangs genannten Art anzugeben, der eine verbesser­ te Volumenausnutzung aufweist.

Die Erfindung gibt einen elektrischen Doppelschicht- Kondensator an, der zwei übereinanderliegende Elektroden­ schichten aufweist. Die Elektrodenschichten sind durch eine elektrisch isolierende Trennschicht voneinander getrennt. We­ nigstens eine der Elektrodenschichten ist durch ein Beschich­ tungsverfahren auf die Trennschicht aufgebracht.

Der erfindungsgemäße Kondensator hat den Vorteil, daß wenig­ stens eine Elektrodenschicht und die Trennschicht in einem Gegenstand zusammengefaßt sind. Dabei ist die Elektroden­ schicht integraler Bestandteil dieses Gegenstands. Da diese eine, durch das Beschichtungsverfahren auf die Trennschicht aufgebrachte Elektrodenschicht kein separates Element des Kondensators mehr ist, kann sie mit einer wesentlich geringe­ ren Schichtdicke ausgeführt werden. Insbesondere ist eine ho­ he eigene mechanische Stabilität der Elektrodenschicht nicht mehr erforderlich. Mit Hilfe der Erfindung ist es beispiels­ weise möglich, Elektrodenschichten einer Dicke < 500 µm, vor­ zugsweise < 100 µm, zur Anwendung zu bringen.

Ferner hat der erfindungsgemäße Kondensator den Vorteil, daß die Elektrodenschicht nicht mehr als separates Teil auf die Trennschicht aufgelegt, sondern durch ein Beschichtungsver­ fahren aufgebracht ist. Dadurch weist die Elektrodenschicht einen sehr geringen Abstand von der Trennschicht auf, wodurch sich die Kapazität zwischen den Elektrodenschichten vergrö­ ßert.

Aufgrund der möglichen geringeren Schichtdicke und aufgrund des direkten Kontakts der Elektrodenschicht mit der Trennschicht weist der erfindungsgemäße Kondensator eine verbes­ serte Volumenausnutzung auf.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfaßt wenigstens eine der Elektrodenschichten Partikel oder Fasern, die auf die Trennschicht aufgebracht sind. Mit Hilfe von Par­ tikeln oder Fasern gelingt die Realisierung einer besonders großen Oberfläche für die Elektrodenschicht, wie sie für hochkapazitive Kondensatoren benötigt werden. Insbesondere die Verwendung von Fasern für die Elektrodenschicht bietet den Vorteil, daß die Elektrodenschicht von ihrer von der Trennschicht abgewandten Seite her besser kontaktiert werden kann, da die Fasern bei geeigneter Faserlänge die Elektroden­ schicht über ihre volle Dicke in einem Stück durchqueren und dadurch Korngrenzeneffekte vermieden werden können.

Außerdem ist es besonders vorteilhaft, wenn eine der Elektro­ denschichten aus mit einem geeigneten Klebemittel vermischten Pulver hergestellt ist. Das Klebemittel sorgt für den Zusam­ menhalt des Pulvers innerhalb der Elektrodenschichten. Als Klebemittel kommen Materialien in Betracht, die für die Be­ schichtung von Aluminiumelektroden verwendet werden, bei­ spielsweise Polyvinyldifluorid. Möglich ist auch die Einlage­ rung von Kohlenstoffpulver in eine Polymermatrix.

Das mit dem Pulver vermischte Klebemittel kann beispielsweise durch Rakeln oder auch durch Druckverfahren, wie z. B. Sieb­ druck, auf die Trennschicht aufgebracht sein.

Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit, die Elektrodenschicht auf die Trennschicht aufzubringen, besteht in dem elektrosta­ tischen Abscheiden der Elektrodenschicht auf der Trenn­ schicht. Die elektrostatische Abscheidung der Elektroden­ schicht hat den Vorteil, daß auf Klebe- oder Bindemittel ver­ zichtet werden kann. Dadurch wird die Langzeitstabilität des Kondensators unabhängig von der bei einem Kleber auftretenden Alterung bzw. des dadurch abnehmenden Klebevermögens.

Zur Kontaktierung der Elektrodenschicht kann in einer weite­ ren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung auf der von der Trennschicht abgewandten Seite einer Elektrodenschicht eine Beschichtung mit einer elektrisch leitfähigen Kontakt­ schicht vorgesehen sein. Eine solche elektrisch leitfähige Kontaktschicht kann beispielsweise aus einem Edelmetall wie Silber oder Gold oder auch aus Aluminium bestehen. Insgesamt sind alle Materialien geeignet, die elektrisch leitfähig sind, die gegenüber den in elektrochemischen Doppelschicht- Kondensatoren verwendeten ionenhaltigen Lösungsmitteln und bei den an den Elektroden vorliegenden Potentialen beständig sind oder die durch die Ausbildung einer Schutzschicht be­ ständig werden. Die Kontaktschicht hat den Vorteil, daß für eine verbesserte Kontaktierung der Elektrodenschicht gesorgt ist. Die Kontaktschicht kann vorteilhaft eine Dicke zwischen z. B. 1 und 20 µm aufweisen.

Die Kontaktschicht kann in einer weiteren vorteilhaften Aus­ führungsform der Erfindung durch Aufdampfen oder Aufsprühen hergestellt sein. Das Aufsprühen der Kontaktschicht kann ins­ besondere mit dem dem Fachmann unter dem Namen "Schoopen" be­ kannten Verfahren realisiert werden. Insbesondere in Verbin­ dung mit einer elektrostatisch aufgebrachten Elektroden­ schicht ist das Aufbringen der Kontaktschicht durch Aufdamp­ fen vorteilhaft, da dadurch eine ausreichende Haftung der Elektrodenschicht auf der Trennschicht realisiert wird und auf weitere Klebemittel verzichtet werden kann. Darüber hin­ aus kann die Kontaktschicht auch den Zusammenhalt der Be­ standteile der Elektrodenschicht fördern.

Zur Realisierung eines elektrochemischen Doppelschicht-Kon­ densators ist es vorteilhaft, wenn wenigstens eine der Elek­ trodenschichten Kohlenstoff oder ein anderes für einen elek­ trochemischen Doppelschicht-Kondensator geeignetes Material umfaßt. Ein weiteres solches Material wäre beispielsweise ein elektrisch leitfähiges Polymer oder auch ein Metalloxid, wie beispielsweise Rutheniumoxid oder Nickeloxid. Bei all den für den elektrochemischen Doppelschicht-Kondensator geeigneten Materialien für die Elektrodenschicht kommt es darauf an, daß sie einen Ladungsspeichermechanismus aufweisen, der dem Fach­ mann unter den Begriffen "Pseudokapazität" oder "Doppel­ schichtkapazität" bekannt ist.

Indem eine der Elektrodenschichten porös ausgeführt ist, kann die Oberfläche der Elektrodenschicht und damit die Kapazität des Doppelschicht-Kondensators vergrößert werden. Damit steigt auch die Volumenausnutzung an. Falls die Elektroden­ schicht aus Kohlenstoff besteht, kann die Vergrößerung der Oberfläche durch Aktivierung des Kohlenstoffs hergestellt werden. Dabei werden Poren in dem Kohlenstoff erzeugt, was beispielsweise auf chemischem Wege möglich ist.

Um den erfindungsgemäßen Kondensator für größere Ströme aus­ zulegen, ist es vorteilhaft, wenn wenigstens eine der Elek­ trodenschichten mit einer Zuleitungsschicht bedeckt ist, wel­ che eine hohe Stromtragfähigkeit aufweist. Als solche Zulei­ tungsschicht kommt beispielsweise eine Aluminiumfolie in Be­ tracht, die eine Dicke zwischen 10 und 100 µm aufweist.

Zur Realisierung eines elektrochemischen Doppelschicht-Kon­ densators ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Trennschicht eine poröse Schicht ist, welche mit einer ionenhaltigen Flüs­ sigkeit getränkt ist. Dadurch läßt sich der typische Aufbau für einen elektrochemischen Doppelschicht-Kondensator reali­ sieren. Als poröse Schicht kommt beispielsweise Papier oder auch eine poröse Kunststoff-Folie in Betracht. Die ionenhal­ tige Flüssigkeit kann beispielsweise Acetonitril sein.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind zwischen den Elektrodenschichten zwei Trennschichten an­ geordnet. Jede der Elektrodenschichten ist durch ein Be­ schichtungsverfahren auf genau einer der Trennschichten auf­ gebracht. Durch das Aufbringen der Elektrodenschichten auf zwei verschiedenen Trennschichten kann die Gefahr eines durch die Poren in der Trennschicht verursachten Kurzschlusses zwi­ schen den Elektrodenschichten verringert werden. Desweiteren sind Trennschichten, die nur einseitig beschichtet sind, leichter herzustellen, da das Beschichten der Rückseite der Trennschicht entfällt. Desweiteren sind lediglich einseitig beschichtete Trennschichten auch leichter zu verarbeiten, beispielsweise beim Aufspulen der Schichten zu einem Wickel.

Die Kontaktschichten können bezüglich ihrer Dicke auch so ausgeführt sein, daß auf eine Zuleitungsschicht gegebenen­ falls verzichtet werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt beispielhaft einen erfindungsgemäßen elektri­ schen Doppelschicht-Kondensator im schematischen Querschnitt.

Fig. 2 zeigt beispielhaft einen weiteren erfindungsgemäßen elektrischen Doppelschicht-Kondensator im schemati­ schen Querschnitt.

Fig. 3 zeigt den Wickel eines erfindungsgemäßen elektri­ schen Doppelschicht-Kondensators im schematischen Querschnitt.

Fig. 4 zeigt den Wickel eines erfindungsgemäßen elektri­ schen Doppelschicht-Kondensators in Seitenansicht.

Fig. 1 zeigt einen Kondensator mit zwei Elektrodenschichten 2, 3 die durch eine Trennschicht 1 voneinander getrennt sind. Die Trennschicht 1 kann beispielsweise eine poröse Kunst­ stoff-Folie mit einer Dicke zwischen 20 und 100 µm sein. Ins­ besondere ist eine Dicke von 30 µ geeignet. Die Elektroden­ schichten 2, 3 sind durch ein Beschichtungsverfahren auf die Trennschicht 1 aufgebracht. An den Rändern der Trennschicht 1 sind Freiränder 8 vorgesehen, die nicht von Elektrodenschich­ ten 2, 3 bedeckt sind. Diese Freiränder 8 dienen der Isolati­ on zwischen den Elektrodenschichten 2, 3, wobei mit Hilfe der verlängerten Kriechstrecke zwischen den Elektrodenschichten 2, 3 die Gefahr eines Kurzschlusses vermindert werden kann.

Auf der Oberfläche der Elektrodenschichten 2, 3 sind Kontakt­ schichten 4 durch Aufdampfen aufgebracht. Auf jeder Kontakt­ schicht 4 ist ferner eine Zuleitungsschicht 5 angeordnet. Da­ bei ist der Abstand zwischen der Zuleitungsschicht 5 und der Kontaktschicht 4 in Fig. 1 nicht maßstabsgetreu gezeichnet. Bei einem Kondensator nach Fig. 1 wird nämlich die dichtest­ mögliche Packung der Schichten übereinander angestrebt. Wie in Fig. 1 dargestellt, sind die Zuleitungsschichten 5 so ausgeführt, daß sie oben beziehungsweise unten über den Schichtstapel hinausragen und so von außen leicht, beispiels­ weise mit Hilfe von Schoopschichten, kontaktiert werden kön­ nen.

Fig. 2 zeigt einen Kondensator, wobei die Bezugszeichen in Fig. 2 den Bezugszeichen in Fig. 1 entsprechen. Im wesent­ lichen ist der Aufbau des Kondensators in Fig. 2 derselbe wie in Fig. 1. Der Kondensator gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von dem Kondensator gemäß Fig. 1 darin, daß zwischen den Elektrodenschichten 2, 3 eine weitere Trennschicht 6 an­ geordnet ist. Auf jeder der Trennschichten 1, 6 ist jeweils eine Elektrodenschicht 2, 3 durch ein Beschichtungsverfahren, beispielsweise durch Rakeln von mit einem Bindemittel ver­ mischten Pulver, aufgebracht.

Aufgrund der zweiten Trennschicht 6 zwischen den Elektroden­ schichten 2, 3 kann auf jeder Seite der Trennschichten 1, 6 auf einen der beiden Freiränder 8, wie sie in Fig. 1 benö­ tigt werden, verzichtet werden. Die zwischen den Elektroden­ schichten 2, 3 angeordnete Doppelschicht ist nämlich bei Fig. 2 doppelt so dick wie die entsprechende Einfachschicht bei Fig. 1. Dadurch ist die Kriechstrecke zwischen den bei­ den Elektrodenschichten 2, 3 verlängert. Mit dem Weglassen jeweils eines Freirandes 8 auf jeder Seite der Trennschichten 1, 6 steigt die Volumenausnutzung des Kondensators weiter an.

Fig. 3 zeigt den durch Übereinanderstapeln von mehreren La­ gen 9 mit Hilfe eines in Fig. 4 dargestellten Aufwickelvor­ gangs hergestellten Wickel 11 im Querschnitt. Es sind vier Lagen 9 übereinandergestapelt dargestellt. Jede der Lagen 9 entspricht dabei einem Aufbau, wie er durch zweimaliges Über­ einanderstapeln einer in Fig. 1 dargestellten Anordnung ent­ steht.

Fig. 4 zeigt das Aufwickeln einer Lage 9 mit Hilfe eines Wickeldorns 10 zu einem Wickel 11, wie er für zylindersymme­ trische Anordnungen benötigt wird.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele, sondern wird in ihrer allgemeinsten Form durch Patentanspruch 1 definiert.

Claims (13)

1. Elektrischer Doppelschicht-Kondensator
mit zwei übereinanderliegenden, durch eine elektrisch isolierende Trennschicht (1) voneinander getrennten Elek­ trodenschichten (2, 3),
bei dem wenigstens eine Elektrodenschicht (2, 3) durch ein Beschichtungsverfahren auf die Trennschicht (1) auf­ gebracht ist.

2. Kondensator nach Anspruch 1, bei dem wenigstens eine Elektrodenschicht (2, 3) auf die Trennschicht (1) aufgebrachte Partikel oder Fasern um­ faßt.

3. Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, bei dem wenigstens eine Elektrodenschicht (2, 3) aus mit einem geeigneten Klebemittel vermischten Pulver herge­ stellt ist.

4. Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Trennschicht (1) elektrostatisch mit einer Elektrodenschicht (2, 3) beschichtet ist.

5. Kondensator nach Anspruch 1 bis 4, bei dem die von der Trennschicht (1) abgewandte Seite we­ nigstens einer Elektrodenschicht (2, 3) mit einer elek­ trisch leitfähigen Kontaktschicht (4) beschichtet ist.

6. Kondensator nach Anspruch 5, bei dem die Kontaktschicht (4) durch Aufdampfen oder Auf­ sprühen hergestellt ist.

7. Kondensator nach Anspruch 1 bis 6, bei dem wenigstens eine Elektrodenschicht (2, 3) Kohlen­ stoff oder ein anderes für einen elektrochemischen Dop­ pelschicht-Kondensator geeignetes Material umfaßt.

8. Kondensator nach Anspruch 7, bei dem wenigstens eine Elektrodenschicht (2, 3) ein elektrisch leitfähiges Polymer oder ein Metalloxid um­ faßt.

9. Kondensator nach Anspruch 1 bis 8, bei dem wenigstens eine Elektrodenschicht (2, 3) porös ist.

10. Kondensator nach Anspruch 1 bis 9, bei dem wenigstens eine Elektrodenschicht (2, 3) mit ei­ ner eine hohe Stromtragfähigkeit aufweisenden Zuleitungs­ schicht (5) bedeckt ist.

11. Kondensator nach Anspruch 1 bis 10, bei dem die Trennschicht (1) eine poröse Schicht ist, die mit einer ionenhaltigen Flüssigkeit getränkt ist.

12. Kondensator nach Anspruch 1 bis 11, bei dem zwischen den Elektrodenschichten (2, 3) zwei Trennschichten (1, 6) angeordnet sind und bei dem jede Elektrodenschicht (2, 3) durch ein Beschichtungsverfahren auf einer Trennschicht (1, 6) aufgebracht ist.

13. Kondensator nach Anspruch 1 bis 12, bei dem die Dicke einer Elektrodenschicht (2, 3) weniger als 500 µm beträgt.