DE10085269B3

DE10085269B3 - Ultradünne elektrochemische Energiespeichervorrichtungen

Info

Publication number: DE10085269B3
Application number: DE10085269.6T
Authority: DE
Inventors: Arieh Meitav; Niles A. Fleischer; Joel Lang; David Lifschitz; Eugene Pecherer; Joost Manassen; Eli Rosh Chodesh; Bharat Rawal
Original assignee: AVX Corp
Current assignee: Kyocera Avx Components Corp
Priority date: 1999-12-06
Filing date: 2000-11-30
Publication date: 2018-02-15
Anticipated expiration: 2020-12-01
Also published as: CN100379064C; WO2001041232A2; WO2001041232A3; CN1408128A; JP2003532277A; DE10085269T1; US6576365B1

Abstract

Elektrochemische Energiespeichervorrichtung, umfassend: mehrere Rahmen (26, 27, 36, 42, 44), welche parallel zueinander stapelartig angeordnet sind, und jeweils mindestens eine Öffnung (28, 38, 46) aufweisen; mehrere Stromkollektoren (20, 22, 30, 32, 40), wobei die Stromkollektoren an den Rahmen (26, 27, 36, 42, 44) befestigt sind; mehrere Elektroden (48), wobei die Elektroden (48) jeweils innerhalb einer der Öffnungen (28, 38, 46) in einem der Rahmen (26, 27, 36, 42, 44) befestigt sind; mehrere protonenleitfähige Membrane (50), wobei jede der Membrane (50) zwischen einem Paar von sich in benachbarten Rahmen (26, 27, 36, 42, 44) angeordneten und sich gegenüber liegenden Elektroden (48) liegt, und wobei das Paar von gegenüber liegenden Elektroden (48) und zugehöriger protonenleitfähiger Membran (50) eine Zelle definiert, wobei die Stromkollektoren (20, 22, 30, 32, 40) mindestens einen bipolaren Stromkollektor (40) umfassen, welcher innerhalb der Vorrichtung bleibt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektrochemische Systeme zum Speichern und Freigeben elektrischer Energie. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung elektrochemische Systeme zur Verwendung in elektrischen Schaltungen, beispielsweise Kondensatoren oder Batterien. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung elektrochemische Systeme zum Betrieb in elektrischen Schaltungsanordnungen, wie beispielsweise Kondensatoren oder Batterien, wobei entweder eine nicht-flüssige, eine organische Lösung, eine wässrige Lösung bzw. ein Protonenmediumelektrolytmaterial zwischen den Elektroden angeordnet ist.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung verbesserte Gestaltungen für bipolare Anordnungen, welche sich an die Mängel bestehender bipolarer Gestaltungen richten. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Anordnung einer Vielzahl einzelner Zellen eines elektrochemischen Systems. Genauer können individuelle Zellen individuell miteinander verbunden werden, um einen Stapel zu bilden. Ferner können Stapel zusammengeschaltet werden, um eine Anordnung zu bilden. Ferner ist die vorliegende Erfindung vielseitig zum Erreichen einer Interzellen- bzw. Interstapel-Reihenschaltung, Parallelschaltung oder Kombinationen daraus und zum Erreichen von Hybridpackungen einer Batterie bzw. von Batterien, kombiniert mit einem Kondensator bzw. mit Kondensatoren in einer einzelnen Packung einsetzbar.
Da elektronische Vorrichtungen und andere elektrische Vorrichtungen in zunehmendem Maße tragbar werden und mehr Funktionalität liefern, müssen Fortschritte bei den Komponenten dieser Vorrichtungen erzielt werden, welche diese Tragbarkeit ermöglichen. Wie häufig bei der heutigen Technik der Elektronik der Fall, ist der begrenzende Faktor sowohl die Größe als auch die Funktionalität einer elektronischen Vorrichtung, die Größe und das Gewicht ihrer Bauteile und insbesondere die Größe und das Gewicht ihrer Energiespeicherkomponenten. Außerdem war die Miniaturisierung der Elektronik der Schub hin zum Integrieren verschienener Komponenten in einer einzigen Vorrichtung, um sowohl Raum als auch Gewicht bei tragbaren und fest stehenden Vorrichtungen einzusparen.
Die heutige Hauptenergiequelle, welche für tragbare Elektronik verwendet wird, ist die elektrochemische Batterie und/oder der elektrochemische Kondensator. Eines der begrenzenden Merkmale von derartigen heutigen Energiespeicherkomponenten ist die Packung der elektrochemischen Systeme und die Verbindung zwischen den Zellen, welche das System umfasst. Die heutige Konvention besteht darin, die aktiven Elektroden und das Elektrolytmaterial in einem Metallgehäuse unterzubringen. Diese Form eines Gehäuses ist verfügbar in einer breiten Vielfalt von Formen und Größen. In der Vergangenheit führte dies jedoch Entwickler dazu, dass die Form der elektronischen Vorrichtung in dem Gehäuse untergebracht wurde, statt entweder die Batterie oder den Kondensator hinzuzufügen, nachdem eine Gestaltung der Vorrichtung nach ihrem Ermessen erfolgt ist. Folglich hat das Metallgehäuse, anstelle der Funktionalität der Vorrichtung, die Gestaltung derartiger tragbarer elektronischer Vorrichtungen beeinflusst.
In ähnlicher Weise hat die Fähigkeit zum Verbessern von Spannung und/oder Strom für einen gegebenen Schaltungsentwurf mehrere Energiespeicherkomponenten innerhalb individueller Dosen innerhalb der elektronischen Vorrichtung erfordert. Dies hat die Entwickler dazu gezwungen, den Entwurf auf der Grundlage der Gehäuse, welche zum Unterbringen mehrerer Kondensatoren bzw. Batterien benötigt werden, anzupassen.
Alternative Packungen für Kondensatoren sind bekannt. Die US 5 591 540 A von Louie et al., deren Gesamtheit hierin durch Verweis enthalten ist, offenbart eine elektrochemische Ladungsspeichervorrichtung. Während diese für ihren Zweck nützlich ist, liefert die Vorrichtung nach US 5 591 540 A jedoch lediglich eine einzelne Kondensatorzelle. Mit der Notwendigkeit zum Integrieren mehrerer Energiespeicherkomponenten zu einer einzigen Vorrichtung wiederholt ein Verwenden der Gestaltung der Packung gemäß US 5 591 540 A einfach die raumaufwändigen Gestaltungen der Vergangenheit.
Ferner sind bei den meisten elektrochemischen Systemen die Elektroden durch eine Flüssiglösung getrennt. In der Lösung, welche als Elektrolyt bezeichnet wird, können sich Ionen frei bewegen. Es ist jedoch nicht immer geeignet, eine Flüssigkeit in einem elektrochemischen System zu verwenden. Die Verwendung von Flüssigkeiten kann viele Nachteile aufweisen. Erstens kann die Flüssigkeit auslaufen. Zweitens müssen die zusätzlichen Zellenelemente zwischen den Elektroden absorbierte Flüssigkeit halten. Schließlich sind viele der Flüssigkeiten, welche verwendet werden, korrodierend, ätzend oder sogar entflammbar.
Ein Flüssigelektrolyt hat ferner Konsequenzen für die Zellengestaltung. Typischerweise sind elektrochemische flüssige Elektrolytsysteme aus individuellen Zellen aufgebaut, um die Flüssigkeit zwischen den Elektroden zu halten. Da in vielen Anwendungen eine Betriebsspannung erforderlich ist, welche größer ist als eine Spannung, die durch eine individuelle Zelle geliefert werden kann, muss eine Vielzahl von Zellen zu einer Packung verbunden werden, um eine spezifische Spannung zu erreichen.
Die US 4 488 203 A von Muranaka et al., deren Gesamtheit hierin durch Verweis enthalten ist, offenbart einen elektrochemischen Doppelschichtkondensator. Während dieser für seinen Zweck nützlich ist, offenbart die Vorrichtung gemäß US 4 488 203 A lediglich eine einzelne kapazitive Zelle, welche „in einer einfachen Weise voneinander getrennt“ ist (siehe Spalte 2, Zeile 3–5 der US 4 488 203 A). Außerdem erfordert die Vorrichtung gemäß US 4 488 203 A, während sie in der Lage ist, gestapelt zu werden, um eine Vielzahl von Kondensatorzellen in Reihe zu bilden, bedeutend mehr Raum und führt zu einem zusätzlichen Gewicht, was bei einer richtig integrierten Vielzahl von Kondensatorzellen innerhalb einer einzigen Komponente nicht der Fall ist.
Es ist daher erwünscht, eine ultradünne Mehrzellen-Energiespeicher-Komponente zu schaffen, welche einen elektrochemischen Kondensator, einen Doppelschichtkondensator bzw. eine Batterie umfassen kann. Bei einer elektrochemischen Kondensatorversion der vorliegenden Erfindung, welche auch bezeichnet werden kann als Pseudo-Kondensator bzw. Batcap, umfassen die Elektroden ein Material, welches an reversiblen Ladungstransfer-Reaktionen teilnehmen kann. So wird ein Teil der Energie in der Doppelschicht auf der Oberfläche der Elektroden gespeichert, und ein anderer Teil wird durch die Ladungstransfer-Reaktionen beigetragen. Bei einer Doppelschichtkondensator-Version der vorliegenden Erfindung wird im Wesentlichen die gesamte Energie in der Doppelschicht auf der Oberfläche der Elektrode gespeichert. Bei einer Batterieversion der vorliegenden Erfindung werden die Anoden- und Kathoden-Materialien speziell ausgewählt, so dass jedes während eines Betriebs der Zelle reagiert. Die chemische Energie, welche in den Elektroden gespeichert wird, wird über Ladungstransferreaktionen aktiver Materialien in elektrische Energie umgewandelt.
Es ist ferner erwünscht, eine neue Packung für eine elektrochemische Mehrzellen-Energiespeicher-Komponente für eine einzelne elektronische Vorrichtung zu schaffen, wobei die Zellen in Reihe bzw. parallel bzw. in einer Kombination daraus geschaltet sind, wobei diese mittels des Komponentenaufbaus in einer integrierten Struktur erfolgt. Das für ein derartiges Verfahren benötigte Packungsmaterial muss leichtgewichtig sein, ein flexibles Material sein, welches kostengünstig ist und mittels geläufiger Verarbeitungstechniken und Werkzeuge bearbeitet werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung erkennt und ist gerichtet auf die verschiedenen oben dargelegten und weiteren Begrenzungen und Nachteile sowohl bezüglich der Gestaltungen der elektrochemischen Mehrzellen-Energiespeicher-Komponenten als auch der Verfahren zur Herstellung derselben. Daher liefert die vorliegende Erfindung eine ultradünne elektrochemische Mehrzellen-Energiespeicher-Komponente mit elektrochemischen Kondensatoren, Doppelschichtkondensatoren bzw. Batterien bzw. Kombinationen daraus, welche in Reihe, parallel oder in Kombination geschaltet werden, zusätzlich zu einem verbesserten Verfahren zur Herstellung der Komponente.
Es ist daher eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten elektrochemischen Mehrzellenkondensator und/oder eine verbesserte elektrochemische Mehrzellenbatterie zu schaffen. Genauer ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrochemischen Mehrzellenkondensator und/oder eine elektrochemische Mehrzellenbatterie in einem verbesserten Gehäuse zu schaffen. Vor diesem Hintergrund ist es eine speziellere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrochemischen Mehrzellenkondensator und/oder eine elektrochemische Mehrzellenbatterie zu schaffen, wobei das verbesserte Gehäuse aus einem Filmmaterial besteht.
Eine weitere speziellere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektrochemischen Mehrzellenkondensator oder eine elektrochemische Mehrzellenbatterie mit einem niedrigen Widerstand zu schaffen. Vor diesem Hintergrund ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrochemischen Mehrzellenkondensator mit einem niedrigen Ersatzreihenwiderstand (nachfolgend ESR) und einer hohen Kapazität zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen ultradünnen elektrochemischen Mehrzellenkondensator und/oder eine elektrochemische Mehrzellenbatterie zu schaffen. Vor diesem Hintergrund ist es eine speziellere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrochemische Mehrzellen-Energiespeicher-Komponente zu schaffen, welche mittels ihres Aufbaus die mehreren in Reihe, parallel oder kombiniert geschalteten Zellen anordnet und einen einzigen gemeinsamen Stromkollektor ermöglicht, um die Reihenschaltung zwischen zwei Zellen bzw. Stapeln von Zellen in derselben Ebene zu bilden.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine ultradünne elektrochemische Energiespeicher-Komponente zu schaffen, welche einfach und in der Herstellung kostengünstig ist.
Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden in der nachfolgenden genauen Beschreibung dargelegt bzw. werden Fachleuten auf diesem Gebiet daraus ersichtlich. Die beiliegenden Zeichnungen, welche in diese Beschreibung integriert sind und einen Bestandteil derselben bilden, zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung und dienen, zusammen mit der Beschreibung, der Erläuterung der Grundgedanken der Erfindung.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann ein Mehrzellenkondensator vorgesehen sein, welcher zwei Elemente von leitfähigen Polymerstromkollektoren umfasst, die mit einem Metallfilm überzogen sind und auf einen perforierten isolierenden Kunststoffrahmen geklebt sind. Eine derartige Kombination bildet eine Stromkollektoranordnung. Innerhalb der in jedem der perforierten isolierenden Rahmen ausgebildeten Öffnungen ist ein Elektrodenmaterial mit hohem Oberflächenbereich auf Kohlenstoffbasis vorhanden, um kapazitive Elektrodenplatten zu bilden. Wo ein Stromkollektor in Längsrichtung zwei isoplanare Zellen in Reihe elektrisch verbindet, wird der Stromkollektor als gemeinsamer Stromkollektor bezeichnet. Wo ein Stromkollektor lediglich eine einzelne Zelle mit einer externen Schaltungsanordnung verbindet bzw. die Endzelle eines Stapels von Zellen kontaktiert, wodurch der Stapel mit einer externen Schaltungsanordnung verbunden wird, wird der Stromkollektor als Anschlussstromkollektor bezeichnet. Derartige gemeinsame Stromkollektoren und Anschlussstromkollektoren werden extern bezüglich des Stapels bzw. der Stapel von Zellen verwendet.
Eine bipolare Stromkollektoranordnung zur internen Verwendung bezüglich eines Stapels von Zellen, welche in Reihe geschaltet sind, kann zwei perforierte isolierende Kunststoffrahmen umfassen, welche an beiden Seiten eines einzelnen leitfähigen Polymerstromkollektors angebracht sind. Der leitfähige Polymerstromkollektor innerhalb der bipolaren Anordnung muss keinen Metallfilmüberzug aufweisen. Auf der oberen und der unteren Seite der bipolaren Stromkollektoranordnungen in den Öffnungen, ausgebildet innerhalb der perforierten isolierenden Rahmen, kann dasselbe Elektrodenmaterial mit hohem Oberflächenbereich auf Kohlenstoffbasis angeordnet sein, um Elektrodenplatten zu bilden. Ein derartiger bipolarer Stromkollektor kann ferner, während er hauptsächlich zur internen elektrischen Verbindung innerhalb eines Stapels verwendet wird, elektrisch mit einer externen Schaltungsanordnung verbunden sein.
Die Kondensatorvorrichtung kann durch Stapeln der externen Stromkollektoranordnungen mit der bipolaren Stromkollektoranordnung bzw. den bipolaren Stromkollektoranordnungen gebildet sein. Auf jeder Seite des bipolaren Stromkollektors befinden sich Elektrodenplatten, welche durch Protonen leitende Polymermembranen getrennt sind. Die Membranen dienen als Protonen leitende Schicht innerhalb jeder Kondensatorzelle. Der Kondensator kann dann in einem Laminatgehäuse mit einem leichtgewichtigen flexiblen nicht-leitfähigen Material, wie etwa Polyester, überzogen mit einem Metallfilm untergebracht werden. Das Gehäuse kann dann hermetisch entlang seines Umfangs abgedichtet werden, um den Kondensator einzuschließen.
Öffnungen können für den Durchgang von Zungenstrukturen bleiben. Diese Zungenstrukturen können als Punkt zum elektrischen Verbinden zwischen einer externen elektronischen Schaltungsanordnung und entweder von gemeinsamen Stromkollektoren, Anschlussstromkollektoren oder bipolaren Stromkollektoren dienen. Die Öffnungen können abgedichtet werden mit einem druckempfindlichen Kaltklebstoff, einem Thermoklebstoff oder einem anderen Typ eines Dichtungsmittels.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Umfang des Außengehäuses vollständig hermetisch abgedichtet sein. In der oberen Fläche des Gehäuses können zwei vorgestanzte Löcher zum elektrischen Verbinden zwischen den Stromkollektoranordnungen und den Zungen vorhanden sein. Dies platziert die Zungen extern zu der Kondensatorvorrichtung und reduziert das Auftreten von Kurzschlüssen und von Dampfverlust und verbessert die Einfachheit der Herstellung und die Flexibilität der Zungenpositionierung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine vollständige und befähigende Offenbarung der vorliegenden Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsform, welche an Fachleute auf diesem Gebiet gerichtet ist, ist in der Beschreibung dargelegt, welche Bezug auf die beiliegenden Figuren nimmt. Es zeigen:
1A eine isometrische Explosionsansicht eines metallüberzogenen gemeinsamen Stromkollektors und eines metallüberzogenen Anschlussstromkollektors mit einer angebrachten Zungenstruktur und einem perforierten isolierenden Rahmen;
1B eine isometrische Ansicht einer Kombination aus den Elementen in 1A, welche eine Stromkollektoranordnung bilden;
1C eine isometrische Ansicht einer Stromkollektoranordnung entgegengesetzt zu der in 1B dargestellten, so dass sie die Oberseite und die Unterseite der Vorrichtung bildet;
1D eine isometrische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels der Stromkollektoranordnungen in 1B und 1C mit mehreren isoplanaren individuellen Einzelöffnungsrahmen, welche den perforierten isolierenden Rahmen bilden;
2A eine isometrische Teilexplosionsansicht eines bipolaren Stromkollektors mit zwei perforierten isolierenden Rahmen, welche leitfähige Polymerstromkollektoren ohne Zungenstrukturen einschließen;
2B eine isometrische Ansicht einer Kombination aus den Elementen in 2A, welche eine bipolare Stromkollektoranordnung bilden;
3 eine isometrische Explosionsansicht der Ausbildung der Elektrodenplatten in dem perforierten isolierenden Rahmen der Stromkollektoranordnung in 1C;
4 eine isometrische Explosionsansicht einer vollständigen Vorrichtung mit drei Stapeln von Zellen;
5 eine Querschnittsansicht der vollständigen Vorrichtung, dargestellt in 4, welche die drei Stapel von Zellen, in Reihe geschaltet, zeigt;
6 eine Querschnittsansicht des Laminataußengehäuses der vorliegenden Erfindung;
7 eine isometrische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, welche Zungenstrukturen zeigt, die durch die abgedichteten Kanten einer Vorrichtung verlaufen, welche erfindungsgemäß aufgebaut ist;
8 eine isometrische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels, welche erfindungsgemäße Zungenstrukturen als individuelle Elemente zeigt, welche durch vorgestanzte Löcher in der Seite des Außengehäuses der Vorrichtung elektrisch mit Stromkollektoren verbunden sind;
9 eine Tabelle, welche die physikalischen Charakteristiken und Leistungsdaten verschiedener ultradünner elektrochemischer Kondensatoren vergleicht, die erfindungsgemäß hergestellt sind; und
10 eine Tabelle, welche physikalische Charakteristiken, Lateralleitfähigkeit und spezifische Richtungswiderstände von Stromkollektoren aus verschiedenen Materialien vergleicht. Die Stromkollektoren bestehen entweder aus einer Einfachschicht-, einer Zweischicht- oder einer Dreischicht-Struktur, wobei die Leitfähigkeit eines Stromkollektors mit einem leitfähigen Polymerfilm durch das Hinzufügen einer Metallschicht verbessert ist.
Eine wiederholte Verwendung von Bezugszeichen in der vorliegenden Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung beabsichtigt, dieselben oder analoge Merkmale der Erfindung darzustellen.
GENAUE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Es wird nun im Detail auf derzeit bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung Bezug genommen, wobei entsprechende Beispiele vollständig in der beiliegenden Zeichnung dargestellt sind.
Wie oben offenbart, betrifft die vorliegende Erfindung insbesondere eine verbesserte ultradünne elektrochemische Mehrzellen-Energiespeicher-Vorrichtung, bei welcher die Zellen bzw. Stapel von Zellen in Reihe bzw. parallel bzw. kombiniert geschaltet sind, wobei dies mittels des Komponentenaufbaus und einer verbesserten Packung hierfür erfolgt. Die vorliegende Erfindung ist anwendbar auf die Herstellung von Doppelschichtkondensatoren, Pseudokondensatoren und/oder Batterien sowie von Kombinationen daraus, hergestellt zusammen oder individuell in einer bestimmten Vorrichtung. Generell liegt die Dicke einer derartigen Energiespeichervorrichtung zwischen etwa 0,3 und etwa 3 Millimeter und vorzugsweise zwischen etwa 0,3 und etwa 1 Millimeter.
Erfindungsgemäß ist es möglich, ein derartiges ultradünnes elektrochemisches System mit einem niedrigen Innenwiderstand von weniger als 100 mΩ herzustellen, indem individuelle Zellen bzw. bipolare Stapel in einem gemeinsamen perforierten isolierenden Rahmen angeordnet und mittels eines reihengeschalteten gemeinsamen Stromkollektors verbunden werden, welcher bipolar ist. Innerhalb des Systems liefert die vorliegende Erfindung eine größere Vielseitigkeit beim Erreichen von Zwischenzellen- bzw. Zwischenstapel-Reihenschaltungen, -Parallelschaltungen bzw. -Kombinationsschaltungen. Ferner können derartige Systeme vorteilhafterweise einen hohen Spannungs/Kapazitätswert aufweisen, während ein entsprechend niedriger ESR und Innenwiderstand aufrechterhalten werden.
1A zeigt einen nicht-leitfähigen perforierten isolierenden Kunststoffrahmen 26. Ein derartiger Rahmen 26 bildet die gemeinsame interne Struktur der Zellen bzw. bipolarer Stapel der vorliegenden Erfindung. Der gemeinsame Rahmen 26 ermöglicht eine planare Herstellung eines bipolaren Stapels bzw. einzelner Zellenteilanordnungen. Der Rahmen 26 kann generell rechteckig sein oder andere Formen aufweisen, mit einer beliebigen Anzahl von Öffnungen 28. Wie dargestellt, weist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel drei Öffnungen 28 innerhalb des perforierten isolierenden Rahmens 26 auf.
Zusätzlich dargestellt in 1A ist ein Paar von Stromkollektoren 20 und 22. Der gemeinsame Stromkollektor 20 verbindet die externen Elektroden isoplanarer Zellen in zwei benachbarten Stapeln. Der Anschlussstromkollektor 22 verbindet die externe Elektrode einer isoplanaren Zelle mit einer externen Schaltungsanordnung über eine Einheitszungenstruktur 24. Infolge der planaren Geometrie der vorliegenden Erfindung erfordern die elektrischen Verbindungen zwischen Zellen und Stapeln von Zellen eine sehr gute Lateralleitfähigkeit. Außerdem müssen die Grenzflächenkontakte druckunempfindlich sein. Während Metallfilme eine hervorragende Lateralleitfähigkeit liefern, können deren Grenzflächenkontakte druckempfindlich sein. Leitfähige Polymere und Polymerverbundmaterialien mit leitfähigen Füllstoffen weisen eine gute praktische Transversalleitfähigkeit, jedoch eine schlechte Lateralleitfähigkeit auf. Es ist bevorzugt, dass die beiden Materialien in einer Weise kombiniert werden, welche die hohe Lateralleitfähigkeit eines Metalls, einer Metalllegierung bzw. eines Metallfilms mit der Druckunempfindlichkeit des leitfähigen Polymers bzw. des leitfähigen Polymerverbundmaterials mit leitfähigen Füllstoffen oder einer Kombination daraus liefert.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel bestehen daher der gemeinsame Stromkollektor 20 und der Anschlussstromkollektor 22 aus mindestens zwei Materialien. Die erste Schicht ist eine leitfähige Polymerschicht, welche in Kontakt mit der Zellenelektrode ist. Die zweite leitfähige Struktur 52 ist vorzugsweise ein Metall, eine Metalllegierung, ein Metallfilm oder eine Kombination bzw. Mischung daraus, welche eine hohe Leitfähigkeit, einen niedrigen Kontaktwiderstand und gute Hafteigenschaften bezüglich der leitfähigen Polymerschicht und des leitfähigen Polymerverbundmaterials aufweisen, um die Lateralleitfähigkeit des gemeinsamen Stromkollektors 20 und des Anschlussstromkollektors 22 zu erhöhen. Jedoch sind viele Materialien, welche eine hohe Lateralleitfähigkeit und niedrige Kosten aufweisen, nicht stabil bei Vorhandensein der Elektrolyte, welche gewöhnlich in Doppelschichtkondensatoren, Pseudokondensatoren und Batterien verwendet werden. Folglich umfasst das bevorzugte Ausführungsbeispiel der gemeinsamen und Anschlussstromkollektoren 20 und 22 eine Verbundzweitstruktur mit einem leitfähigen Material bzw. mit einer Kombination aus Materialien, welche stabil sind, wenn sie in Kontakt mit derartigen Elektrolyten sind, und einem Metall, einer Metalllegierung bzw. einem Metallfilm. Alternativ kann eine Vielzahl von Metallen, Metalllegierungen oder Metallfilmen oder Kombinationen bzw. Mischungen daraus, jeweils von verschiedener Zusammensetzung, in Verbindung mit der leitfähigen Polymerschicht verwendet werden.
Ein Beispiel eines derartigen leitfähigen Materials ist ein Polymerfilm bzw. ein Kohlenstoff/Kunststoff-Verbundfilm. Die bzw. eine Kombination oder Mischung daraus kann Nickel, Chrom, Blei, Zinn, Silber, Titan, Messing, Gold, Kupfer oder Bronze sein, ist jedoch nicht darauf begrenzt. Die leitfähige Polymerschicht kann auf das Metall, die Metalllegierung, den Metallfilm bzw. eine Kombination oder Mischung daraus als Substrat aufgebracht werden mittels eines der folgenden Verfahren, wobei keine Begrenzung auf diese Verfahren erfolgt: Siebdruck, Anstreichen, Treibsprühen/Luftbürsten bzw. Gießen. Alternativ hierzu kann das Metall, die Metalllegierung, der Metallfilm bzw. Kombinationen oder Mischungen daraus auf das leitfähige Polymerschichtsubstrat mittels einem der folgenden Verfahren aufgebracht werden, wobei keine Begrenzung auf diese Verfahren erfolgt: Vakuumaufdampfung, Überzugsspritzen, Schmelzbadtauchen, Wärmelaminierung, stromloses Beschichten, Galvanisieren, Plasmaauftragen, Sputtern bzw. Treibsprühen/Luftbürsten in einem Träger.
Alternativ hierzu können die gemeinsamen und Anschlussstromkollektoren 20 und 22 jegliche Anzahl von Schichten umfassen. Die Kombination von Schichten und Materialien kann eingestellt werden, um eine gewünschte Kombination aus Merkmalen, einschließlich Stabilität, Lateralleitfähigkeit, Grenzflächenkontaktwiderstand mit der leitfähigen Polymerschicht, Druckunempfindlichkeit, Lötbarkeit, Kriechen, Passivierung, Kontaktwiderstand und Permeabilität bezüglich dem Elektrolyt sowie die gewünschten Arbeitskennlinien der gesamten Energiespeicherkomponente zu erzielen.
Angebracht am Anschlussstromkollektor 22 bzw. als eine Verlängerung des Anschlussstromkollektors 22 kann eine Einheitszungenstruktur 24 vorhanden sein zur elektrischen Verbindung mit anderen externen Vorrichtungen bzw. Schaltungsanordnungen. Eine Einheitszungenstruktur 24 kann dasselbe leitfähige Mehrfachschichtpolymer bzw. das Polymerverbundmaterial mit leitfähigen Füllstoffen bzw. eine Kombination daraus als gemeinsame und Anschlussstromkollektoren 20 und 22 umfassen.
Wie in 1B dargestellt, kann der gemeinsame Stromkollektor 20 auf den perforierten isolierenden Rahmen 26 in einer derartigen Weise geklebt werden, dass zwei der drei beispielhaften Öffnungen 28 darin bedeckt werden. In ähnlicher Weise kann der externe Anschlussstromkollektor 22 auf dem perforierten isolierenden Rahmen 26 in einer derartigen Weise geklebt werden, dass die verbleibenden Öffnungen 28 bedeckt werden. Ein druckempfindlicher Kaltklebstoff kann zum Verbinden der Elemente der Energiespeicherkomponente verwendet werden. Eine derartige Kombination aus den gemeinsamen und Anschlussstromkollektoren 20 und 22 und der perforierte isolierende Rahmen 26 bilden zusammen eine erfindungsgemäße externe Stromkollektoranordnung 200.
1C ist eine externe Stromkollektoranordnung 300 mit einem Paar aus einem Anschluss- und einem gemeinsamen Stromkollektor 30 und 32 auf einen perforierten isolierenden Rahmen 36 in einer derartigen Weise geklebt, dass die Öffnungen 38 darin bedeckt werden. Eine Zungenstruktur 34 zum elektrischen Verbinden mit anderen externen elektrischen Vorrichtungen bzw. Schaltungsanordnungen kann elektrisch mit einem Anschlussstromkollektor 30 verbunden sein bzw. eine einstückige Verlängerung des Anschlussstromkollektors 30 sein. Die externe Stromkollektoranschlussanordnung 300 ist ein Spiegelbild der externen Stromkollektoranordnung 200, und sie können als untere bzw. obere Teilanordnungen eines Stapels von Zellen, benötigt zum Bilden der ultradünnen elektrochemischen Energiespeichervorrichtung, dienen. 1D zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Anordnungen 200’ und 300’, wobei jeder perforierte isolierende Rahmen aus einer Vielzahl von individuellen Einzelöffnungsrahmen 27, welche isoplanar sind, besteht. Derartige Anordnungen 200’ und 300’ ermöglichen eine größere Flexibilität der Gesamtvorrichtung.
Zur bezüglich des Stapels internen Verwendung kann eine bipolare Stromkollektoranordnung 400 zwischen den externen Stromkollektoranordnungen 200 und 300 erforderlich sein. 2A zeigt eine Teilexplosionsansicht einer bipolaren Stromkollektoranordnung 400. Bei einem bevorzugen Ausführungsbeispiel kann eine bipolare Stromkollektoranordnung 400 einen Satz von drei bipolaren Stromkollektoren 40 umfassen. Derartige interne bipolare Stromkollektoren weisen jedoch nicht ein Metall, eine Metalllegierung, einen Metallfilm bzw. eine Kombination bzw. eine Mischung daraus als einen Belag auf. Stattdessen umfasst ein derartiger bipolarer Stromkollektor vorzugsweise einen elektrisch leitfähigen Polymerfilm bzw. einen Kohlenstoff/Kunststoff-Verbundfilm.
Ferner kann die bipolare Stromkollektoranordnung 400 zwei perforierte isolierende Rahmen 42 und 44 umfassen, und wie bei den externen Stromkollektoranordnungen 200 und 300 können Öffnungen 46 innerhalb der gemeinsamen perforierten isolierenden Rahmen 42 und 44 ausgebildet sein. Die bipolaren Stromkollektoren 40 können zwischen isolierende Rahmen 42 und 44, wie in 2B dargestellt, geklebt werden. Falls vom Benutzer gewünscht, kann mehr als eine bipolare Stromkollektoranordnung 400 in der Vorrichtung enthalten sein, um die Anzahl interner Zellen zu erhöhen.
In Öffnungen 28, 38 und 46 innerhalb der gemeinsamen perforierten isolierenden Rahmen 26, 36, 42 und 44 kann ein Elektrodenmaterial mit einem Material 48 mit hohem Oberflächenbereich auf Kohlenstoffbasis angeordnet sein. Ein derartiges Material kann zum Bilden von Elektrodenplatten 48 dienen. Wie in 3 dargestellt, welche beispielhaft eine externe Stromkollektoranordnung 300 zeigt, führt ein Anordnen einer derartigen Elektrode 48 innerhalb der Öffnungen 38 des perforierten isolierenden Rahmens 36 zu der Ausbildung dreier Elektrodenplatten.
Die Elektrode umfasst vorzugsweise ein Kohlenstoffmaterial, gemischt mit einer wässrigen Säure, wie etwa Schwefelsäure, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die Schwefelsäurekonzentration kann von etwa 1 bis etwa 8 Mol reichen, und der Kohlenstoffgehalt der Elektrode kann von etwa 8 bis etwa 36 Gew.-% reichen. Vorzugsweise reicht die Elektrodendicke von etwa 30 bis etwa 300 Mikrometer. Alternativ können andere wässrige Säurelösungen oder andere protonenhaltige Lösungen verwendet werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel der elektrochemischen Energiespeichervorrichtung umfassen die Elektroden ein Kohlenstoffmedium mit hohem Oberflächenbereich und ein Protonenmedium. Das Protonenmedium kann ein Material sein wie beispielsweise Wasser, wässrige Säurelösungen, Sulfonsäuren, Polysulfonsäuren, wie beispielsweise Polyvinylsulfonsäure, Protonendonatoren, Zusammensetzungen mit einer oder mehreren alkoholischen Hydroxylgruppen, Zusammensetzungen mit einer oder mehreren Carbonsäuregruppen, Zusammensetzungen mit einer oder mehreren der folgenden Gruppen: Sulfonimide, -PO₂H₂, -CH₂PO₃H₂, -OSO₃H, -OPO₂H₂, -OPO₃H₂, -OArSO₃H, und Kombinationen daraus, jedoch besteht keine Beschränkung auf diese Materialien.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann das Elektrolyt ein organisches Lösungsmittel umfassen. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfassen die Elektroden der elektrochemischen Energiespeicherzellen aktive Materialien, welche an Ladungstransferreaktionen beteiligt sind. Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann eine ultradünne elektrochemische Mehrzellenanordnung, wie in 4 dargestellt, gebildet sein durch Verwenden der externen und bipolaren Stromkollektoranordnungen 200, 300 und 400 mit deren jeweiligen Elektrodenplatten 48 durch Stapeln der Anordnungen 200, 300 und 400 und Trennen dieser jeweils mit einer protonenleitfähigen Polymermembran. Die Membranen 50 dienen als protonenleitfähige Schicht zwischen den gegenüber liegenden Platten 48 des Stapels.
5 zeigt eine derartige beispielhafte Anordnung, welche in der Schaffung von sechs in Reihe geschalteter Einheitszellen resultiert, bei denen jeweils zwei übereinander in drei getrennten Stapeln gestapelt sind. Mittels des Kondensatoraufbaus befinden sich die Kondensatorzellen in Reihe. Der Stromfluss durch den Kondensatorstapel kann beginnen in der Zungenstruktur 34, in Lateralrichtung fließend in den externen Anschlussstromkollektor 30, den linken Stapel aus zwei Zellen zum gemeinsamen Stromkollektor 20 hoch. (Links, rechts und Mitte werden lediglich verwendet in Bezug auf die vorliegende Figur.) Der Strom kann anschließend nach unten zum Mittelstapel fließen, um den gemeinsamen Stromkollektor 32 zu erreichen, und schließlich den rechten Stapel hinauf zum externen Anschlussstromkollektor 22 und aus der Einheitszungenstruktur 24 heraus fließen. Alternativ kann der Strom in der entgegengesetzten Richtung infolge der Verwendung von Materialien beim Aufbau der Elektroden 48 fließen, welche in der Lage sind, an reversiblen Ladungstransferreaktionen teilzunehmen.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung kann in einem Außengehäuse 54 untergebracht werden. Das Gehäuse 54 ist vorzugsweise ein leichtgewichtiges, flexibles, nicht leitfähiges Laminat. Wie in 6 dargestellt, kann das Gehäuse 54 ein Laminat aus einem nicht-leitfähigen Polyestermaterial 56 mit einem Außenmetallfilm 58 und einer Innenklebschicht 60 umfassen, um einen Kontakt mit der internen Anordnung aufrecht zu halten. Durch Anordnen des Metallfilms 58 auf der Außenfläche des Gehäuses 54 können die Möglichkeiten eines Kurzschlusses verringert werden, sollte sich die Klebschicht 60 verschlechtern und einen Kontakt zwischen dem nicht-leitfähigen Polyester 56 und dem leitfähigen Filmüberzug 52 entweder auf beiden externen Stromkollektoranordnungen 200 und 300 ermöglichen. Alternativ kann das nicht-leitfähige Polyestermaterial 56 die Außenschicht umfassen, und der Metallfilm 58 kann als Mittelschicht dienen. Ferner erfordert die Vorrichtung überhaupt kein Außengehäuse, und die externen Stromkollektoranordnungen 200 und 300 können als das „Außengehäuse“ der Vorrichtung dienen.
Wie in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in 7 dargestellt, kann die interne ultradünne elektrochemische Energiespeicheranordnung innerhalb eines Laminatgehäuses 54 untergebracht sein. Das Gehäuse kann hermetisch um im Wesentlichen den gesamten Außenumfang abgedichtet sein, um die Anordnung zu umschließen. Die übrigen Öffnungen 62 im Umfang können zum Durchgang der Einheitszungenstrukturen 24 und 34 dienen. Diese Einheitszungenstrukturen 24 und 34 können als Punkt zur elektrischen Verbindung mit externen elektronischen Komponenten bzw. einer Schaltungsanordnung dienen. Die Öffnungen 62 können mit einem druckempfindlichen Kaltklebstoff, einem Thermoklebstoff oder einem beliebigen anderen Dichtungsmittel abgedichtet werden, um einen Dampfverlust aus der Lösung innerhalb der elektrochemischen Zellen zu verhindern.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel, dargestellt in 8, kann der Umfang des Laminatgehäuses 54 vollständig hermetisch abgedichtet sein. In einer Seite des Laminatgehäuses 54 können zwei vorgestanzte Löcher 64 und 66 zur elektrischen Verbindung zwischen den externen Stromanschlusskollektoren 22, 30 und den Zungenstrukturen 24 und 34 vorgesehen sein. Bei diesem alternativen Ausführungsbeispiel sind die Zungenstrukturen 24 und 34 getrennte und individuelle Strukturen bezüglich der externen Anschlussstromkollektoren. Ihre elektrische Verbindung durch die vorgestanzten Löcher 64 und 66 zu den externen Anschlussstromkollektoren 22 und 30 kann dazu dienen, das mögliche Auftreten von Kurzschlüssen und eines Dampfverlusts weiter zu verringern, was mit jeder Öffnung 62 im Außenumfang des Laminatgehäuses 54 auftreten kann. Außerdem verbessert ein derartiges Verbindungsverfahren die Einfachheit der Herstellung und die Flexibilität einer Zungenstrukturpositionierung.
BEISPIELE
9 liefert eine Tabelle, welche verschiedene ultradünne, elektrochemische Kondensatoren, welche erfindungsgemäß ausgeführt sind, vergleicht, und die physischen Charakteristiken und Leistungswerte der vorliegenden Erfindung zeigt. Verschiedene Beispiele aus der Tabelle in 9 sind:
Beispiel 1
Eine Doppelschicht-Kondensator-Energiespeicher-Vorrichtung wurde aus sechs Zellen aufgebaut. Die Gestaltung entspricht denjenigen der 1 bis 5. Die Zellen wurden als drei in Reihe geschaltete Stapel verbunden. Jeder Stapel bestand aus zwei bipolaren verbundenen Zellen. Jede Zelle umfasst eine Anode und eine Kathode, eine protonenleitfähige Polymermembran zwischen den Elektroden, eine einzelne Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Kohlenstoff/Kunststoff-Verbundfilm, sowie einen gemeinsamen und einen Anschlussstromkollektor. Die Anode und die Kathode umfassen ein Kohlenstoffpulver mit hohem Oberflächenbereich und eine wässrige Lösung einer Schwefelsäure. Die Stromkollektoren umfassen eine erste Schicht aus einem leitfähigen Kohlenstoffverbundfilm, in Kontakt mit den externen Elektroden jedes Zellenstapels, und eine zweite Außenmetallschicht. Die Maße dieser Komponente betragen 54 × 34 × 0,5 mm.
Beispiel 2
Eine Doppelschicht-Kondensator-Energiespeicher-Vorrichtung wurde aus sechs Zellen aufgebaut. Die Gestaltung entspricht denjenigen der 1 bis 5. Die Zellen wurden als drei in Reihe geschaltete Stapel verbunden. Jeder Stapel bestand aus zwei bipolaren verbundenen Zellen. Jede Zelle umfasst eine Anode und eine Kathode, eine protonenleitfähige Polymermembran zwischen den Elektroden, eine einzelne Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Kohlenstoff/Kunststoff-Verbundfilm, sowie einen gemeinsamen und einen Anschlussstromkollektor. Die Anode und die Kathode umfassen ein Kohlenstoffpulver mit hohem Oberflächenbereich und eine wässrige Lösung einer Schwefelsäure. Die Stromkollektoren umfassen eine erste Schicht aus einem leitfähigen Kohlenstoffverbundfilm, in Kontakt mit den externen Elektroden jedes Zellenstapels, und eine zweite Außenmetallschicht. Die Maße dieser Komponente betragen 54 × 25 × 0,5 mm.
Beispiel 3
Eine Doppelschicht-Kondensator-Energiespeicher-Vorrichtung wurde aus sechs Zellen aufgebaut. Die Gestaltung entspricht denjenigen der 1 bis 5. Die Zellen wurden als zwei in Reihe geschaltete Stapel verbunden. Jeder Stapel bestand aus drei bipolaren verbundenen Zellen. Jede Zelle umfasst eine Anode und eine Kathode, eine protonenleitfähige Polymermembran zwischen den Elektroden, eine einzelne Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Kohlenstoff/Kunststoff-Verbundfilm, sowie einen gemeinsamen und einen Anschlussstromkollektor. Die Anode und die Kathode umfassen ein Kohlenstoffpulver mit hohem Oberflächenbereich und eine wässrige Lösung einer Schwefelsäure. Die Stromkollektoren umfassen eine erste Schicht aus einem leitfähigen Kohlenstoffverbundfilm, in Kontakt mit den externen Elektroden jedes Zellenstapels, und eine zweite Außenmetallschicht. Die Maße dieser Komponente betragen 34 × 34 × 0,8 mm.
10 liefert eine Tabelle, welche verschiedene Materialien vergleicht, die verfügbar sind zur Verwendung in einem zweilagigen gemeinsamen bzw. Anschlussstromkollektor, im Hinblick auf deren Lateralleitfähigkeit und deren spezifischen Richtungswiderstands-Charakteristiken.

Claims

Elektrochemische Energiespeichervorrichtung, umfassend: mehrere Rahmen (26, 27, 36, 42, 44), welche parallel zueinander stapelartig angeordnet sind, und jeweils mindestens eine Öffnung (28, 38, 46) aufweisen; mehrere Stromkollektoren (20, 22, 30, 32, 40), wobei die Stromkollektoren an den Rahmen (26, 27, 36, 42, 44) befestigt sind; mehrere Elektroden (48), wobei die Elektroden (48) jeweils innerhalb einer der Öffnungen (28, 38, 46) in einem der Rahmen (26, 27, 36, 42, 44) befestigt sind; mehrere protonenleitfähige Membrane (50), wobei jede der Membrane (50) zwischen einem Paar von sich in benachbarten Rahmen (26, 27, 36, 42, 44) angeordneten und sich gegenüber liegenden Elektroden (48) liegt, und wobei das Paar von gegenüber liegenden Elektroden (48) und zugehöriger protonenleitfähiger Membran (50) eine Zelle definiert, wobei die Stromkollektoren (20, 22, 30, 32, 40) mindestens einen bipolaren Stromkollektor (40) umfassen, welcher innerhalb der Vorrichtung bleibt.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder der Rahmen (26, 27, 36, 42, 44) mehr als eine Öffnung (28, 38, 46) aufweist.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der Öffnungen (28, 38, 46) innerhalb benachbarter individueller Rahmen (26, 27, 36, 42, 44) ausgebildet ist.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Rahmen (26, 27, 36, 42, 44) aus einem nicht leitfähigen Material sind.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 4, wobei das nicht-leitfähige Material einen Kunststoff umfasst.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Stromkollektoren (20, 22, 30, 32, 40) mindestens einen gemeinsamen Stromkollektor (20, 32), welcher eine außen liegende elektrische Längsverbindung zwischen auf gleicher Ebene angeordneten Zellen liefert, und externe Anschlussstromkollektoren, welche eine elektrische Verbindung der Vorrichtung mit einer externen Schaltungsanordnung ermöglichen, umfassen.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 6, wobei der mindestens eine gemeinsame Stromkollektor (20, 32) ferner eine angeformte Verlängerungszungenstruktur (24, 34) umfasst.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 6, wobei die externen Stromanschlusskollektoren ferner eine angeformte Verlängerungszungenstruktur umfassen.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 6, wobei der mindestens eine gemeinsame Stromkollektor (20, 32) und die externen Anschlussstromkollektoren mehrlagig sind.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 9, wobei der mindestens eine gemeinsame Stromkollektor (20, 32) und die externen Anschlussstromkollektoren jeweils eine leitfähige Polymerschicht, welche den jeweiligen Elektroden (48) zugewandt ist, und jeweils eine zweite leitfähige Struktur (52), welche den jeweiligen Elektroden (48) abgewandt ist, umfassen.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 10, wobei die leitfähige Polymerschicht ein leitfähiges Polymer und/oder ein Polymerverbundmaterial mit einem leitfähigen Füllstoff und/oder eine Kombination daraus umfasst, und wobei die leitfähige Polymerschicht als Substrat für die zweite leitfähige Struktur (52) dient.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 11, wobei die zweite leitfähige Struktur (52) mindestens eine Schicht aus einem Metall, einer Metalllegierung, einem Metall enthaltenden Film oder einer Kombination oder Mischung daraus als Belag auf dem Substrat umfasst.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 12, wobei die mindestens eine Schicht aus einem Metall, einer Metalllegierung, einem Metall enthaltenden Film oder einer Kombination oder Mischung daraus mindestens eines aus der Gruppe umfasst, welche umfasst: Nickel, Chrom, Blei, Zinn, Silber, Titan, Messing, Gold, Kupfer und Bronze.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 12, wobei die mindestens eine Schicht aus einem Metall, einer Metalllegierung, einem Metall enthaltenden Film oder einer Kombination oder Mischung daraus angeordnet ist auf dem Substrat durch eine der Gruppe von Techniken, bestehend aus: Vakuumaufdampfung; Überzugsspritzen; Schmelzbadtauchen; Wärmelaminierung; stromloses Beschichten; Galvanisieren; Plasmaauftragen; Sputtern; und Treibgassprühen und Luftbürsten von Metallteilchen in einem Träger.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 10, wobei die zweite leitfähige Struktur (52) mindestens eine Schicht aus einem Metall, einer Metalllegierung, einem Metall enthaltenden Film oder einer Kombination oder Mischung daraus als ein Substrat für eine weitere Schicht der zweiten leitfähigen Struktur (52) umfasst.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 15, wobei die mindestens eine Schicht aus einem Metall, einer Metalllegierung, einem Metall enthaltenden Film oder einer Kombination oder Mischung daraus mindestens eines aus der Gruppe umfasst, welche umfasst: Nickel, Chrom, Blei, Zinn, Silber, Titan, Messing, Gold, Kupfer und Bronze.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 15, wobei die leitfähige Polymerschicht ein leitfähiges Polymer und/oder ein Polymerverbundmaterial mit einem leitfähigen Füllstoff und/oder eine Kombination daraus als Belag auf dem Substrat umfasst.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 17, wobei das leitfähige Polymer und/oder ein Polymerverbundmaterial mit einem leitfähigen Füllstoff und/oder einer Kombination daraus auf dem Substrat angeordnet ist durch eine der Gruppe von Techniken, bestehend aus: Siebdruck; Anstreichen; Treibgassprühen und Luftbürsten; und Gießen.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Elektroden (48) ein Kohlenstoffmedium mit großer Oberfläche und ein Protonenmedium umfassen, wobei das Protonenmedium ausgewählt ist aus der Gruppe von Materialen, bestehend aus: Wasser, wässrige Säurelösungen, Sulfonsäuren, Polysulfonsäuren, Protonendonatoren, Zusammensetzungen mit einer oder mehreren alkoholischen Hydroxylgruppen, Zusammensetzungen mit einer oder mehreren Carbonsäuregruppen, Zusammensetzungen mit einer oder mehreren der folgenden Gruppen: Sulfonimide, -PO₂H₂, -CH₂PO₃H₂, -OSO₃H, -OPO₂H₂, -OPO₃H₂, -OArSO₃H, und Kombinationen daraus.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Elektroden (48) einen Kohlenstoff mit großer Oberfläche und eine wässrige Säure umfassen.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 20, wobei die wässrige Säure eine Schwefelsäure mit einer Konzentration innerhalb des Bereichs von 1 bis 8 Mol ist.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 20, wobei der Gehalt an Kohlenstoff mit großer Oberfläche innerhalb der Elektroden (48) zwischen 8 bis 36 Gew.-% liegt.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Dicke jeder der Elektroden (48) zwischen 30 bis 300 Mikrometer liegt.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Energiespeichervorrichtung einen Doppelschichtkondensator, einen Pseudokondensator, eine Batterie oder parallele Kombinationen davon umfasst.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Dicke der Vorrichtung zwischen 0,3 und 3 Millimeter liegt.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Dicke der Vorrichtung zwischen 0,3 und 1 Millimeter liegt.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung, ferner umfassend die Schritte: Vorsehen von mehreren Rahmen (26, 27, 36, 42, 44), welche parallel zueinander stapelartig angeordnet werden, und jeweils mindestens eine Öffnung (28, 38, 46) aufweisen; Vorsehen von mehreren Elektroden (48), wobei die Elektroden (48) jeweils innerhalb einer der Öffnungen (28, 38, 46) in einem der Rahmen (26, 27, 36, 42, 44) befestigt werden; Vorsehen von mehreren Stromkollektoren (20, 22, 30, 32, 40), wobei die Stromkollektoren (20, 22, 30, 32, 40) an den Rahmen (26, 27, 36, 42, 44) befestigt werden; und Vorsehen von mehreren protonenleitfähigen Membranen (50), wobei jede der Membrane (50) zwischen einem Paar von sich in benachbarten Rahmen (26, 27, 36, 42, 44) gegenüber liegenden Elektroden (48) angeordnet wird, und wobei das Paar von gegenüber liegenden Elektroden (48) und zugehöriger protonenleitfähiger Membran (50) eine Zelle definiert, wobei die Stromkollektoren (20, 22, 30, 32, 40) mindestens einen bipolaren Stromkollektor (40) umfassen, welcher innerhalb der Vorrichtung bleibt.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 27, wobei jeder der Rahmen (26, 27, 36, 42, 44) mehr als eine Öffnung (28, 38, 46) aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 27, wobei jede der Öffnungen (28, 38, 46) innerhalb benachbarter individueller Rahmen (26, 27, 36, 42, 44) ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 27, wobei die Rahmen (26, 27, 36, 42, 44) aus einem nicht-leitfähigen Material sind.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 30, wobei das nicht-leitfähige Material einen Kunststoff umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 27, wobei die Stromkollektoren (20, 22, 30, 32, 40) mindestens einen gemeinsamen Stromkollektor (20, 32), welcher eine außen liegende elektrische Längsverbindung zwischen auf gleicher Ebene angeordneten Zellen liefert, und externe Anschlussstromkollektoren, welche eine elektrische Verbindung der Vorrichtung mit einer externen Schaltungsanordnung ermöglichen, umfassen.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 32, wobei der mindestens eine gemeinsame Stromkollektor (20, 32) ferner eine einheitliche Verlängerungszungenstruktur (24, 34) umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 32, wobei die externen Anschlussstromkollektoren ferner eine einheitliche Verlängerungszungenstruktur umfassen.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 32, wobei der mindestens eine gemeinsame Stromkollektor (20, 32) und die externen Anschlussstromkollektoren mehrlagig sind.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 35, wobei der mindestens eine gemeinsame Stromkollektor (20, 32) und die externen Anschlussstromkollektoren jeweils eine leitfähige Polymerschicht, welche den jeweiligen Elektroden zugewandt ist, und jeweils eine zweite leitfähige Struktur (52), welche den jeweiligen Elektroden (48) abgewandt ist, umfassen.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 36, wobei die leitfähige Polymerschicht ein leitfähiges Polymer und/oder ein Polymerverbundmaterial mit einem leitfähigen Füllstoff und/oder eine Kombination daraus umfasst, und wobei die leitfähige Polymerschicht als Substrat für die zweite leitfähige Struktur (52) dient.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 37, wobei die zweite leitfähige Struktur (52) mindestens eine Schicht aus einem Metall, einer Metalllegierung, einem Metall enthaltenden Film oder einer Kombination oder Mischung daraus als ein Belag auf dem Substrat umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 38, wobei die mindestens eine Schicht aus einem Metall, einer Metalllegierung, einem Metall enthaltenden Film oder einer Kombination oder Mischung daraus mindestens eines aus der Gruppe umfasst: Nickel, Chrom, Blei, Zinn, Silber, Titan, Messing, Gold, Kupfer und Bronze.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 38, wobei die mindestens eine Schicht aus einem Metall, einer Metalllegierung, einem Metall enthaltenden Film oder einer Kombination oder Mischung daraus aufgebracht wird auf das Substrat mittels einer aus der Gruppe von Techniken, bestehend aus: Vakuumaufdampfung; Überzugsspritzen; Schmelzbadtauchen; Wärmelaminierung; stromloses Beschichten; Galvanisieren; Plasmaauftragen; Sputtern; und Treibgassprühen und Luftbürsten von Metallteilchen in einem Träger.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 36, wobei die zweite leitfähige Struktur (52) mindestens eine Schicht aus einem Metall, einer Metalllegierung, einem Metall enthaltenden Film oder einer Kombination oder Mischung daraus als Substrat für eine weitere Schicht der zweiten leitfähigen Struktur (52) umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 41, wobei die mindestens eine Schicht aus einem Metall, einer Metalllegierung, einem Metall enthaltenden Film oder einer Kombination oder Mischung daraus mindestens eines aus der Gruppe umfasst, welche umfasst: Nickel, Chrom, Blei, Zinn, Silber, Titan, Messing, Gold, Kupfer und Bronze.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 41, wobei die leitfähige Polymerschicht ein leitfähiges Polymer und/oder ein Polymerverbundmaterial mit einem leitfähigen Füllstoff und/oder eine Kombination daraus als Belag auf dem Substrat umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 43, wobei das leitfähige Polymer und/oder ein Polymerverbundmaterial mit einem leitfähigen Füllstoff und/oder einer Kombination daraus auf dem Substrat aufgebracht ist durch eine der Gruppe von Techniken, bestehend aus: Siebdruck; Anstreichen; Treibgassprühen und Luftbürsten; und Gießen.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 27, wobei die Elektroden (48) ein Kohlenstoffmedium mit großer Oberfläche und ein Protonenmedium umfasst, wobei das Protonenmedium ausgewählt ist aus der Gruppe von Materialen, bestehend aus: Wasser, wässrige Säurelösungen, Sulfonsäuren, Polysulfonsäuren, Protonendonatoren, Zusammensetzungen mit einer oder mehreren alkoholischen Hydroxylgruppen, Zusammensetzungen mit einer oder mehreren Carbonsäuregruppen, Zusammensetzungen mit einer oder mehreren der folgenden Gruppen: Sulfonimide, -PO₂H₂, -CH₂PO₃H₂, -OSO₃H, -OPO₂H₂, -OPO₃H₂, -OArSO₃H, und Kombinationen daraus.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 27, wobei die Elektroden (48) einen Kohlenstoff mit großer Oberfläche und eine wässrige Säure umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 46, wobei die wässrige Säure Schwefelsäure mit einer Konzentration innerhalb des Bereichs von 1 bis 8 Mol ist.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 46, wobei der Gehalt an dem Kohlenstoff mit großer Oberfläche innerhalb der Elektroden (48) zwischen 8 bis 36 Gew.-% liegt.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 45, wobei die Dicke jeder der Elektroden (48) zwischen 30 und 300 Mikrometer liegt.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 27, wobei die Energiespeichervorrichtung einen Doppelschichtkondensator, einen Pseudokondensator, eine Batterie oder parallele Kombinationen daraus umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 27, wobei die Dicke der Vorrichtung zwischen 0,3 und 3 Millimeter liegt.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 27, wobei die Dicke der Vorrichtung zwischen 0,3 und 1 Millimeter liegt.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Rahmen (26, 27, 36, 42, 44) nicht leitfähig sind; die Elektroden (48) Kohlenstoff-Elektroden mit großer Oberfläche sind, welche in wässriger Säure getränkt sind; die Stromkollektoren (20, 22, 30, 32, 40) mehrlagig sind; mindestens ein Paar von Zungenstrukturen (24, 34) vorgesehen ist, wobei die Zungenstrukturen (24, 34) elektrisch mit den mehrlagigen Stromkollektoren (20, 22, 30, 32, 40) verbunden sind.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 53, wobei die Stromkollektoren (20, 22, 30, 32, 40) jeweils eine leitfähige Polymerschicht, welche den jeweiligen Elektroden zugewandt ist, und jeweils eine zweite leitfähige Struktur (52), welche den jeweiligen Elektroden (48) abgewandt ist, umfassen.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 54, die Stromkollektoren (20, 22, 30, 32, 40) mindestens einen gemeinsamen Stromkollektor (20, 32), welcher eine externe elektrische Längsverbindung zwischen auf gleicher Ebene angeordneten Zellen liefert, und externe Anschlussstromkollektoren, welche eine elektrische Verbindung der Vorrichtung mit einer externen Schaltungsanordnung über die Zungenstrukturen (24, 34) ermöglichen, umfassen.