DE10085271B3 - Elektrochemische Energiespeichervorrichtung mit verbesserter Gehäuseanordnung - Google Patents

Elektrochemische Energiespeichervorrichtung mit verbesserter Gehäuseanordnung Download PDF

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Abstract

Elektrochemische Energiespeichervorrichtung, umfassend: einen Kondensator und eine Batterie, welche parallel geschaltet sind, wobei der Kondensator und die Batterie elektrisch mit einem bipolaren Stromkollektor (24) verbunden sind; ein vorgeformtes Metallfolienaußengehäuse (36), welches elektrisch mit dem Kondensator und der Batterie verbunden ist und als externer Kontakt dient.

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 mit Kondensatoren und 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.
  • Da elektronische Vorrichtungen und andere elektrische Vorrichtungen zunehmend tragbar werden und mehr Funktionalität liefern, müssen Fortschritte bezüglich der Vorrichtungen derartiger Vorrichtungen, die eine solche Tragbarkeit ermöglichen, gemacht werden. Wie es oftmals bei derzeitiger Elektroniktechnologie der Fall ist, ist der limitierende Faktor sowohl hinsichtlich Größe als auch hinsichtlich Funktionalität einer elektronischen Vorrichtung die Größe und das Gewicht der Komponententeile derselben, insbesondere die Größe und das Gewicht der Energiespeicherkomponenten derselben. Außerdem erlebte die Miniaturisierung von Elektronik einen Schub in Richtung des Integrierens verschiedener Komponenten in eine einzelne Vorrichtung, um sowohl Raum als auch Gewicht innerhalb tragbarer und stationärer Vorrichtungen zu sparen.
  • Die derzeitige Hauptenergiequelle, welche für tragbare Elektronik verwendet wird, ist die elektrochemische Batterie und/oder der elektrochemische Kondensator. Eines der limitierenden Merkmale derartiger derzeitiger Energiespeichervorrichtung ist die Packung des elektrochemischen Systems. Gehäuse des Standes der Technik für flache und niedrige Gestaltungen weisen mehrere Nachteile auf. Knopfzellen für runde Anordnungen mussten mittels Quetschen bzw. Hämmern geschlossen werden, was eine kostspielige Präzisionsbearbeitung erforderlich macht. Ferner erfordert ein derartiges Einschließen eine genaue Anordnung und/oder Steuerung von Schließdrücken, was sehr zeitraubend sein kann. Prismenzellengestaltungen für rechtwinklige und quadratische Anordnungen erfordern genaue Eckradien und eine äquivalente Schließkraft über den gesamten Bereich der Gestaltung, um einen guten Kontakt zwischen dem Gehäuse und den internen Zellen zu gewährleisten. Obwohl zweckdienlich, erzwangen diese Gestaltungen des Standes der Technik höherer Produktionskosten und längere Produktionszeiten infolge der Präzision und der technisch komplexen Anordnungsverfahren.
  • Ferner ist sowohl bei den Knopf- als auch bei den Prismengestaltungen eine Gummiringdichtung erforderlich, um ein Kurzschließen zwischen den beiden Polen des elektrochemischen Systems zu verhindern. Sollte die elektrochemische Vorrichtung aus einer Vielzahl von Zellen in einem Stapel bestehen, so muss die Gummiringdichtung dazu dienen, den Rand des Packs von dem Gehäuse und die beiden Abschnitte des Gehäuses zu isolieren, die mit den beiden Polen der Vorrichtung in Berührung sind. Somit wirkt die Gummiringdichtung derart, dass diese die Erzeugung einiger gewünschter Formen von Verbindungen mit einer Vielzahl von Zellen verhindert.
  • Es ist daher erwünscht, eine Mehrfachzellen-Energiespeichervorrichtung zu schaffen, welche entweder einen elektrochemischen Kondensator, einen Doppelschichtkondensator oder eine Batterie umfasst. Bei einer elektrochemischen Kondensatorversion (nicht separater Teil der vorliegenden Erfindung), welche ebenso als Pseudokondensator oder Batcap bezeichnet wird, umfassen die Elektroden Material, welches bei reversiblen Ladungsübertragungsreaktionen beteiligt sein kann. Somit wird ein Teil der Energie in der Doppelschicht an der Oberfläche der Elektroden gespeichert, und ein anderer Teil wird durch die Ladungsübertragungsreaktionen beigesteuert. Bei einer Doppelschichtkondensatorversion (nicht separater Teil der vorliegenden Erfindung) wird im Wesentlichen die gesamte Energie in der Doppelschicht an der Oberfläche der Elektroden gespeichert. Bei einer Batterieversion der vorliegenden Erfindung werden die Anoden- und Kathodenmaterialien spezifisch gewählt, so dass jedes während eines Zellenbetriebs reagiert. Die chemische Energie, welche in den Elektroden gespeichert ist, wird in elektrische Energie über die Ladungsübertragungsreaktionen aktiver Materialien umgewandelt. Es ist ebenso erwünscht, eine neue Packung für eine elektrochemische Einzel- oder Mehrfachzellen-Energiespeichervorrichtung zu schaffen, wobei die Zellen bei einer Mehrfachzellengestaltung in Reihe, parallel bzw. in einer Kombination daraus aufgrund des Aufbaus der Vorrichtung in einer integrierten Struktur angeordnet sein können.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung erkennt verschiedene oben genannte Einschränkungen und Nachteile und geht diese und andere an, welche die Gestaltung einer elektrochemischen Einzel- oder Mehrfachzellen-Energiespeichervorrichtung betreffen. Daher liefert die vorliegende Erfindung eine verbesserte elektrochemische Einzel- oder Mehrfachzellen-Energiespeichervorrichtung einschließlich einer Batterie sowie eine äußere Packung derselben.
  • Es ist daher eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte elektrochemische Einzel- oder Mehrfachzellen-Energiespeichervorrichtung zu schaffen. Genauer ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrochemische Einzel- oder Mehrfachzellen-Energiespeichervorrichtung innerhalb eines verbesserten Gehäuses zu schaffen. In einem derartigen Kontext ist es eine noch speziellere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrochemische Einzel- oder Mehrfachzellen-Energiespeichervorrichtung zu schaffen, wobei das verbesserte Gehäuse eine vorgeformte Metallfolie umfasst.
  • Ferner ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes elektrisch leitfähiges Einzelschichtgehäuse für eine elektrochemische Einzel- oder Mehrfachzellen-Energiespeichervorrichtung zu schaffen. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine derartige verbesserte elektrochemische Einzel- oder Mehrfachzellen-Energiespeichervorrichtung und ein Gehäuse zu schaffen, welche einfach und kostengünstig herzustellen sind. In einem derartigen Kontext ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrochemische Einzel- oder Mehrfachzellen-Energiespeichervorrichtung und ein verbessertes Gehäuse zu schaffen, welches einen niedrigen Ersatzreihenwiderstand (im weiteren mit ESR bezeichnet) und einen niedrigen Innen- und Kontaktwiderstand innerhalb des inneren Stapels der Vorrichtung bzw. zwischen dem inneren Stapel und dem Gehäuse aufweist.
  • Diese Aufgaben werden durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Vorteile der Erfindung werden in der nachfolgenden genauen Beschreibung dargelegt bzw. werden Fachleuten auf diesem Gebiet daraus ersichtlich. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Abwandlungen und Änderungen an den spezifisch dargestellten und dargelegten Merkmalen und Materialien hiervon bei verschiedenen Ausführungsbeispielen und Anwendungen der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von Wesen und Umfang derselben abzuweichen, wobei dies mittels der vorliegenden Referenz darauf erfolgt. Derartige Änderungen können ein Austauschen äquivalenter Einrichtungen, Merkmale und Materialien gegen die dargestellten bzw. dargelegten sowie ein funktionales Wechseln bzw. Positionswechseln verschiedener Elemente, Merkmale oder ähnlichem sein, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
  • Ferner sei darauf hingewiesen, dass verschiedene Ausführungsbeispiele, sowie verschiedene derzeit bevorzugte Ausführungsbeispiele, der vorliegenden Erfindung verschiedene Kombinationen bzw. Gestaltungen von hier offenbarten Merkmalen, Elementen bzw. deren Äquivalenten (einschließlich Kombinationen von Merkmalen bzw. Gestaltungen davon, welche nicht ausdrücklich in der Zeichnung dargestellt bzw. in der genauen Beschreibung erwähnt sind) umfassen können.
  • Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden genauer ersichtlich unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die beiliegenden Ansprüche. Die beiliegende Zeichnung, welche in diese Beschreibung integriert ist und einen Bestandteil derselben bildet, zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und dient, zusammen mit der Beschreibung, der Erläuterung der Grundgedanken der Erfindung.
  • Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann ein Mehrfachzellenkondensator vorgesehen sein, welcher eine Kohlenstoff-/Kunststoff-Verbundfolie, welche mit einer metallischen Folie auf der Außenseite davon als Anschlussstromkollektor beschichtet ist, und eine Vielzahl nicht leitfähiger vorgeformter Isolierrahmen umfasst, wobei innerhalb der Öffnungen, welche in jedem der perforierten Isolierrahmen ausgebildet sind, eine auf Kohlenstoff basierende Elektrode mit hohem Oberflächenbereich vorhanden ist, um kapazitive Elektrodenplatten zu bilden.
  • Ein bipolarer Stromkollektor zur Verwendung innerhalb eines Stapels von in Reihe geschalteter bipolarer Zellen kann einen einzelnen Stromkollektor aus leitfähigem Polymer umfassen. Der Polymerstromkollektor innerhalb der bipolaren Anordnung muss keine Metallfolienbeschichtung aufweisen. Auf jeder Seite des bipolaren Stromkollektors in den innerhalb der perforierten Isolierrahmen ausgebildeten Vertiefungen kann eine auf Kohlenstoff basierende Elektrodenpaste mit hohem Oberflächenbereich zum Bilden von Elektrodenplatten angeordnet sein.
  • Die Kondensatorvorrichtung kann durch Stapeln sukzessiver Schichten aus einem bipolaren Stromkollektor und Elektroden gebildet werden, wobei die Elektroden durch protonenleitfähige Polymermembrane getrennt sind. Die Enden der Stapel sind mit einem Anschlussstromkollektor abgeschlossen. Die Membrane wirken als protonenleitfähige Schicht innerhalb jeder Kondensatorzelle. Der Stapel kann, lediglich entlang dem Umfang davon, mit einem isolierenden Material, wie beispielsweise einem Epoxid oder anderem, gekapselt werden, um eine gute Dichtung aufrecht zu erhalten und das Eindringen von Feuchtigkeit aus der umgebenden Umwelt zu verhindern. Ein äußeres leitfähiges Gehäuse, wie eine vorgeformte Metallfolie, dient als Schale um das Umgebungskapselmaterial und ist in physischem Kontakt mit den Anschlussstromkollektoren.
  • Bei einer derartigen elektrochemischen Mehrfachzellen-Energiespeichervorrichtung kann ein Verschließen ohne Verwendung einer Gummiringdichtung erfolgen, und es besteht kein Bedarf eines Quetschens bzw. Hämmerns. Die internen Zellen können in einer bipolaren Gestaltung in Reihe geschaltet sein, um die Packspannung zu erhöhen. Alternativ hierzu kann eine Zungengestaltung verwendet werden, um zwei oder mehr bipolare Stapel parallel innerhalb eines einzelnen Gehäuses zu kombinieren, um die Kapazität zu erhöhen und den Innenwiderstand zu verringern. Das Außengehäuse dient als gemeinsamer Pol für jeden der Stapel und die Zunge als gemeinsamer Pol der umgekehrten Polarität.
  • Das Gehäuse kann ein Paar U-förmiger Schalen sein, welche über dem Epoxid-gehaltenen inneren Stapel bzw. den Epoxid-gehaltenen inneren Stapeln angebracht und entlang den angrenzenden Seiten der Schalen verbunden sind. Bei einem alternativen beispielhaften Ausführungsbeispiel kann das Gehäuse eine einzelne Folie einer vorgeformten Metallfolie sein, welche nahe dem Mittelpunkt davon gekrümmt ist, um den Epoxid-gehaltenen inneren Stapel zu umschließen, und welche entlang der angrenzenden Enden des Folienblatts verbunden ist. Bei einem weiteren beispielhaften Ausführungsbeispiel kann das Gehäuse rohrförmig sein. Bei jeglichem beispielhaften Ausführungsbeispiel kann das Außengehäuse gekrümmt sein, um eine vorgespannte Struktur zu bilden, welche eine federartige Last auf die Schale aufbringt, um den Kontakt zwischen der Schale und dem Stapel zu verbessern und Wärmeausdehnungszyklen zu versetzen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Eine vollständige und befähigende Offenbarung der vorliegenden Erfindung einschließlich der besten Ausführungsform davon, welche an Fachleute auf diesem Gebiet gerichtet ist, ist in der Beschreibung dargelegt, welche auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug nimmt. Es zeigen:
  • 1 eine isometrische Explosionsansicht der Bildung der Elektrodenplatte in einem perforierten Isolierrahmen mit einem angebrachten Anschlussstromkollektor;
  • 2 eine isometrische Explosionsansicht eines beispielhaften Ausführungsbeispiel eines hergestellten Stapels;
  • 3A eine Querschnittsansicht eines beispielhaften Ausführungsbeispiels einer In-Reihe-Schaltung der Zellen des internen Stapels;
  • 3B eine Querschnittsansicht eines beispielhaften Ausführungsbeispiels von 2, welche eine Parallelschaltung zweier bipolarer internen Stapel mit Zunge zeigt;
  • 4A eine isometrische Ansicht eines beispielhaften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Außengehäuses mit zwei vorgespannten U-förmigen Schalen;
  • 4B eine isometrische Ansicht des Außengehäuses des beispielhaften Ausführungsbeispiels von 4A nach einem endgültigen Zusammenbau der Vorrichtung;
  • 5A eine isometrische Ansicht eines alternativen beispielhaften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Außengehäuses, welches eine einzelne Folie umfasst;
  • 5B eine isometrische Ansicht des Außengehäuses des beispielhaften Ausführungsbeispiels von 5A nach einem endgültigen Zusammenbau der Vorrichtung;
  • 6 eine isometrische Ansicht eines alternativen beispielhaften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Außengehäuses mit einem Rohr nach einem endgültigen Zusammenbau der Vorrichtung;
  • 7 eine Tabelle, welche Arbeitskenngrößen einer herkömmlichen Kondensatortechnologie mit denjenigen einer vorliegenden Offenbarung hergestellten Vorrichtung vergleicht; und
  • 8 eine Tabelle, welche Arbeitskenngrößen verschiedener elektrochemischer Vorrichtungen gemäß vorliegender Offenbarung vergleicht.
  • Eine wiederholte Verwendung von Bezugszeichen die gesamte vorliegende Beschreibung und die beiliegende Zeichnung hindurch soll gleiche bzw. analoge Merkmale oder Elemente der Erfindung darstellen.
  • GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Es wird nun genau auf derzeit bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung Bezug genommen, wobei Beispiele davon vollständig in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind. Derartige Beispiele werden zur Erläuterung der Erfindung und nicht zur Einschränkung derselben gegeben. In der Tat ist Fachleuten auf diesem Gebiet ersichtlich, dass verschiedene Abwandlungen und Änderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von Wesen und Umfang derselben abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, welche als Teile eines Ausführungsbeispiels dargestellt bzw. beschrieben wurden, bei einem anderen Ausführungsbeispiel verwendet werden, um ein wiederum anderes Ausführungsbeispiel zu erhalten. Ferner können Änderungen in der Auswahl von Materialien und/oder Eigenschaften vorgenommen werden, um speziell gewünschten Nutzerkriterien gerecht zu werden. Deshalb soll die vorliegende Erfindung derartige Abwandlungen und Änderungen, welche innerhalb des Umfangs der vorliegenden Merkmale und deren Äquivalente liegen, abdecken.
  • Wie oben dargelegt, betrifft die vorliegende Erfindung insbesondere eine verbesserte elektrochemische Einzel- bzw. Mehrfachzellen-Energiespeichervorrichtung, bei welcher die Zellen in Reihe bzw. parallel gemäß des Aufbaus der Vorrichtung angeordnet sind, sowie eine verbesserte Packung dafür. Die vorliegende Erfindung ist anwendbar auf die Generation von Doppelschicht-Kondensatoren, Pseudokondensatoren und/oder Batterien sowie auf Kombinationen davon, welche zusammen bzw. individuell in einer gegebenen Anordnung hergestellt werden. Der Kürze halber ist das unter gemeinsamem Eigentum befindliche und gemeinsam erteilte Patent US 6,576,365 B1 mit dem Titel ”ULTRA-THIN ELECTROCHEMICAL ENERGY STORAGE DEVICES”, eingereicht am 21. November 2000, welches bezüglich einer gemeinsamen provisorischen Anmeldung Priorität beansprucht, hiermit vollständig mittels Verweis für sämtliche Zielsetzungen enthalten.
  • Die Herstellung eines derartigen elektrochemischen Systems mit niedrigem Innenwiderstand ist möglich durch Anordnen individueller Zellen bzw. bipolarer Stapel in einem gemeinsamen perforierten Isolierrahmen und durch Verbinden derselben mit einem Reihenschaltungs-Stromkollektor, der nicht bipolar ist. Innerhalb des Systems liefert die vorliegende Offenbarung eine höhere Vielseitigkeit beim Erreichen von Zwischenzellen- bzw. Zwischen-Teilanordnungs-Schaltungen in Reihe, parallel oder in einer Kombination daraus. Ferner können derartige Systeme in vorteilhafter Weise einen hohen Spannungs-/Kapazitäts-Wert unter Aufrechterhaltung eines entsprechend niedrigen ESR und Innenwiderstands nachweisen.
  • 1 zeigt einen nicht-leitfähigen perforierten Isolierrahmen 20. Ein derartiger Rahmen 20 bildet einen Hohlraum für die Elektrode. Der Rahmen 20 ermöglicht das Erzeugen eines bipolaren Stapels bzw. von Einzelzellenunteranordnungen. Der Rahmen 20 kann im allgemeinen rechtwinklig sein bzw. anderer Formen aufweisen.
  • Ferner in 1 dargestellt ist ein Stromkollektor 24. Das Außengehäuse der vorliegenden Erfindung wirkt als Stromkollektor/Außenanschluss der Vorrichtung. Infolge der ebenen Geometrie der vorliegenden Erfindung erfordern die bipolaren elektrischen Verbindungen zwischen den Zellen und Unteranordnungen eine äußerst gute Querleitfähigkeit. Ferner müssen die elektrischen Verbindungen druckunempfindlich sein. Leitfähige Polymere und Polymergemische weisen eine gute Querleitfähigkeit, jedoch eine schlechte Lateralleitfähigkeit auf.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht daher der Stromkollektor aus zwei Schichten. Die erste Schicht ist eine leitfähige Kohlenstoffschicht, welche mit der Zellelektrode in Kontakt ist. Die zweite Schicht ist ein Metall, welches zwischen der ersten Schicht und dem Gehäuse angeordnet ist. Ein Metall, eine Metalllegierung bzw. eine Metallfolie, welche eine hohe Leitfähigkeit und einen niedrigen Kontaktwiderstand aufweisen, sind bevorzugt, um die Lateralleitfähigkeit des Stromkollektors 24 zu erhöhen. Leider sind viele Metalle, welche eine hohe Lateralleitfähigkeit und geringe Kosten aufweisen, bei Vorhandensein der Elektrolyten, welche allgemein bei Doppelschichtkondensatoren, Pseudokondensatoren und Batterien verwendet werden, nicht stabil. Folglich weist das bevorzugte Ausführungsbeispiel des Stromkollektors 24 eine zweite Verbundschicht auf, welche ein leitfähiges Material, das in der Nähe derartiger Elektrolyten stabil ist, und ein Metall bzw. eine Metallfolie aufweist.
  • Ein Beispiel eines derartigen leitfähigen Materials ist eine Polymerfolie bzw. eine Kohlenstoff/Kunststoff-Verbundfolie. Das Metall bzw. die Metalllegierung kann Nickel, Chrom, Blei, Zinn, Silber, Titan, Messing, Gold und/oder Kupfer sein, ist jedoch nicht darauf begrenzt. Eine der beiden Materialien der bevorzugten zweiten Verbundschicht kann als die Basis der Verbundschicht wirken. Das Polymermaterial kann auf die Metallbasisschicht aufgebracht werden unter Verwendung eines der folgenden Verfahren, wobei keine Begrenzung auf diese Verfahren erfolgt: Siebdruck, Anstreichen, Treibsprühen/Luftbürsten bzw. Gießen. Alternativ hierzu kann das Metall auf die Polymersubstratbasisschicht 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 kann der Stromkollektor 24 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 Elektrode, Druckunempfindlichkeit, Lötbarkeit, Kriechen, Passivierung, Kontaktwiderstand und Permeabilität bezüglich dem Elektrolyt sowie die gewünschten Arbeitskennlinien der gesamten Energiespeichervorrichtung zu erzielen.
  • In Öffnungen 22 innerhalb der gemeinsamen perforierten Isolierrahmen 20 kann eine auf Kohlenstoff basierende Paste 26 mit hohem Oberflächenbereich angeordnet werden. Eine derartige Paste 26 kann derart wirken, dass diese Elektrodenplatten 28 bildet. Wie in 1 dargestellt, welche eine derartige Anordnung 100 zeigt, kann ein Anordnen einer derartigen Paste 26 innerhalb der Öffnungen 22 des perforierten Isolierrahmens 20 zu der Bildung von Elektrodenplatten 28 führen. Die Paste ist vorzugsweise eine Kombination aus einem Kohlenstoffmaterial gemischt mit einer wässrigen Schwefelsäure. Die Schwefelsäurenkonzentration kann in einem Bereich von 1–8 Mol liegen, der Kohlenstoffgehalt der Elektrode kann in dem Bereich von 8 bis 36 Gew.-% liegen. Vorzugsweise liegt die Elektrodendicke in dem Bereich von 30 bis 300 μm.
  • Bei einem beispielhaften 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 Begrenzung auf diese Materialien.
  • Bei einem beispielhaften bevorzugten Ausführungsbeispiel kann ein elektrochemischer Mehrfachzellenkondensator, wie in 2 dargestellt, gebildet werden durch Verwenden zweier Anordnungen (wie in 1 dargestellt) und einer bipolaren Anordnung 200 mit deren jeweiligen Elektrodenplatten 28 durch Stapeln der Anordnungen 100, 200 und 100 und durch Trennen derselben mittels protonenleitfähigen Polymermembranen 30. Die Membrane 30 wirken als protonenleitfähige Schicht zwischen Elektrodenplatten 28. Der Mehrfachzellenkondensator kann dann mit einem Stromkollektor 24 verbunden werden, wie oben beschrieben.
  • Der gesamte interne Stapel 32, wie in 3A und 3B dargestellt (ohne Batterie), außer der Seite, welche dem Stromkollektor 24 gegenüberliegt, kann dann in ein nicht-leitfähiges Material 34, einschließlich einem Epoxidmaterial, jedoch nicht darauf beschränkt, gekapselt bzw. damit beschichtet werden. Das Außengehäuse 36 kann dann auf beiden Seiten des bestehenden Stapels 32 gebildet und in elektrische Verbindung mit der nicht epoxidbeschichteten Seite des Stapels 32 gebracht werden. (Das Verfahren des Vorbereitens und Bildens des Außengehäuses wird nachfolgend genauer beschrieben). Eine solche Vorrichtung ist in 3A zu sehen.
  • 3B zeigt eine ähnliche elektrochemische Vorrichtung. Bei diesem alternativen beispielhaften Ausführungsbeispiel sind zwei interne Stapel 32 gemeinsam mit einem Stromkollektor (auch als Zunge bezeichnet) 24 parallel geschaltet. Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel können die internen Stapel 32 (welche lediglich durch den Stromkollektor 24 getrennt sind) lediglich an deren Enden mit dem nicht-leitfähigen Epoxid 34 beschichtet werden. Dies lässt einen Verbindungspunkt für jeden Stapel 32 mit dem Außengehäuse 36 übrig. Eine derartige Vorrichtung verbessert die Kapazität und verringert den ESR der Vorrichtung.
  • Die vorliegende Anmeldung offenbart einen bipolaren Stapel einer Vielzahl von Zellen. Der Stapel ist mit einem dichtenden Material, wie beispielsweise einem Epoxid, jedoch nicht darauf beschränkt, an den vier Umfangskanten davon gekapselt. Ein vorgeformtes Metallgehäuse deckt zwei gegenüberliegende Umfangskanten des gekapselten Stapels unter Aufrechterhaltung eines guten elektrischen Kontakts mit den Anschlussstromkollektors ab. Die Anschlusskollektoren sind an den nicht-gekapselten gegenüberliegenden Flächen des Stapels angeordnet. Dies liefert den Vorteil kleinerer Volumina, vielseitigerer elektrischer Verbindungen, einer leichten Veränderbarkeit von Größe und Anzahl der Zellen in einer Anordnung ohne aufwendige neue Bearbeitung sowie der Möglichkeit des Herstellen von Hybridsystemen aus einer Batterie bzw. mehreren Batterien und einem Kondensator bzw. mehreren Kondensatoren in einer Packung.
  • Das Außengehäuse 36 der vorliegenden Erfindung, unabhängig von Form oder Bauweise, wird in kontinuierlichen Kontakt mit dem internen Stapel 32 gedrückt. Entsprechend ist das bevorzugte Material für das Außengehäuse 36 eine vorgeformte Metallfolie, einschließlich rostfreiem Stahl, jedoch nicht darauf begrenzt. Eine vorgeformte Metallfolie ist gewünscht, um die Leitfähigkeit des Außengehäuses 36 zu verbessern. Rostfreier Stahl ist ein bevorzugtes Material infolge der Stabilitätseigenschaften desselben. Leider weist rostfreier Stahl im allgemeinen eine Oxidationsschicht auf, die entfernt werden muss. Um die Verringerung des Widerstands eines Außengehäuses aus rostfreiem Stahl zu unterstützen, wird, sobald die Oxidationsschicht von der Oberfläche des Gehäuses 36 entfernt wurde, diese mit einem hoch leitfähigen Material, wie Gold, Nickel, Platin, Silber, Blei, Zinn oder Messing, jedoch nicht auf diese Materialien begrenzt, beschichtet. Das Material kann in einem der bekannten Verfahren des Beschichtens eines Substrats mit einem Metall angebracht werden, einschließlich Sputtern bzw. Elektrometallisierung bzw. elektrolose Metallisierung.
  • Ist der interne Stapel 32 in dem Außengehäuse 36 untergebracht und wird dieses in Kontakt mit dem internen Stapel 32 mit ausreichend Kraft gedrückt, so ist das Ergebnis eine flexible Energiespeichervorrichtung, die eine geringe Größe aufweist, leicht eingestellt werden kann, so dass diese der Dicke des internen Stapels 32 angemessen ist, und welche einen geringen ESR, hohe Kapazität/Spannung aufweist und äußerst kostengünstig in der Herstellung ist. Ferner ermöglicht eine derartige flexible Gestaltung die Verwendung der gleichen Druckniveaus zum Bilden von Vorrichtungen unterschiedlicher Größe mit identischen Arbeitskennlinien.
  • 4A und 4B zeigen ein Beispiel eines derartigen Außengehäuses 36, welches zwei U-förmige Schalen 38 und 40 umfasst, vor und nach Vollendung der Herstellung der Vorrichtung. Jede Schale umfasst Seitenabschnitte 42 und 44, welche um den internen Stapel 32 verlaufen. Es kann zugelassen werden, dass die Seitenabschnitte 42 und 44 entlang der Seite des internen Stapels 32 überlappen, um denselben zu umschließen. Die Seitenabschnitte 42 und 44 werden dann miteinander entlang der Überlappung verbunden, um das Außengehäuse 36 zu vollenden.
  • Wie in 4A dargestellt, können die U-förmigen Schalen 38 und 40 leichte Wölbungen 46 aufweisen, um eine federartige Last in die Schalen einzubringen. Sobald um den internen Stapel 32 angebracht, kann eine derartige federartige Last ermöglichen, dass das Außengehäuse 36 eine periodische Wärmeausdehnung der Vorrichtung während des Betriebs davon bewältigt.
  • In ähnlicher Weise zeigen die 5A und 5B ein alternatives beispielhaftes Außengehäuse 36. Bei diesem beispielhaften Ausführungsbeispiel umfasst das Außengehäuse 36 eine einzelne Folie 48 der vorgeformten Metallfolie mit Endabschnitten 50 und 52. Wie beim vorherigen Ausführungsbeispiel kann ein gegenseitiges Überlappen von Endabschnitten 50 und 52 nach einem Anbringen um den internen Stapel 32 zugelassen werden. Die Endabschnitte 50 und 52 werden dann entlang der Länge der Überlappung verbunden, um den Aufbau der Vorrichtung zu vollenden. Ebenfalls wie zuvor kann das Außengehäuse 36 Wölbungen 46 aufweisen, um die federartige Last zum Entgegenwirken der periodischen Wärmeausdehnung einzubringen.
  • Wie in 6 dargestellt, kann ein drittes beispielhaftes Ausführungsbeispiel des Außengehäuses 36 aus einer nahtlosen vorgeformten Metallrohrstruktur 45 bestehen. Ähnlich den vorhergehenden beiden beispielhaften Ausführungsbeispielen umschließt bei dem Mehrfachschalengehäuse und dem Einzelfoliengehäuse die nahtlose vorgeformte Metallrohrstruktur 45 den internen Stapel 32 und kann eine Federlast integrieren, um die Wirkungen einer Wärmeausdehnung zu versetzen.
  • 7 liefert eine Tabelle, welche verschiedene Kondensatortechnologien mit der erfindungsgemäß hergestellten vergleicht und die Veränderbarkeit der physikalischen Eigenschaften und das Leistungsniveau der vorliegenden Erfindung zeigt. In ähnlicher Weise liefert 8 eine Tabelle, welche physikalische Eigenschaften und Arbeitskenngrößen verschiedener erfindungsgemäß hergestellter elektrochemischer Vorrichtungen vergleicht.

Claims (19)

  1. Elektrochemische Energiespeichervorrichtung, umfassend: einen Kondensator und eine Batterie, welche parallel geschaltet sind, wobei der Kondensator und die Batterie elektrisch mit einem bipolaren Stromkollektor (24) verbunden sind; ein vorgeformtes Metallfolienaußengehäuse (36), welches elektrisch mit dem Kondensator und der Batterie verbunden ist und als externer Kontakt dient.
  2. Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das vorgeformte Metallfolienaußengehäuse (36) zwei Schalen (38, 40) umfasst, wobei jede Schale (38, 40) einander gegenüberliegende Seitenabschnitte (42, 44) umfasst, um eine erweiterbare Außenabdeckung für die Anordnung zu bilden, und wobei die Seitenabschnitte (42, 44) einander überlappen und miteinander verbunden sind.
  3. Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Schalen (38, 40) U-förmig sind und ein kastenförmiges Außengehäuse (36) bilden.
  4. Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Außengehäuse (36) an jedem der überlappenden Seitenabschnitte (42, 44) schweißverbunden ist.
  5. Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die vorgeformte Metallfolie rostfreier Stahl ist.
  6. Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Außengehäuse (36) von jeglichen Oxidationsprodukten befreit und mit einem hoch leitfähigen Metall, wie Gold, Nickel, Platin, Silber, Blei, Zinn oder Messing, beschichtet wird.
  7. Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 6, wobei das hoch leitfähige Metall Gold ist.
  8. Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Außengehäuse (36) teilweise gekrümmt ist, um eine Federlast darauf aufzubringen.
  9. Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das vorgeformte Metallfolienaußengehäuse (36) eine einzelne Folie (48) ist, welche zumindest einmal an deren Mittelpunkt und zumindest einmal an jedem Ende geknickt ist, um Seitenabschnitte (50, 52) zu bilden, und wobei die Seitenabschnitte (50, 52) einander gegenüberliegen, um eine erweiterbare Außenabdeckung für die Anordnung zu bilden, und wobei die Seitenabschnitte (50, 52) einander überlappen und miteinander verbunden sind.
  10. Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Außengehäuse (36) an jedem der überlappenden Seitenabschnitte (50, 52) schweißverbunden ist.
  11. Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 9, wobei die vorgeformte Metallfolie rostfreier Stahl ist.
  12. Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Außengehäuse (36) von jeglichen Oxidationsprodukten befreit und mit einem hoch leitfähigen Metall, wie Gold, Nickel, Platin, Silber, Blei, Zinn oder Messing, beschichtet wird.
  13. Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 12, wobei das hoch leitfähige Metall Gold ist.
  14. Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Außengehäuse (36) teilweise gekrümmt ist, um eine Federlast darauf aufzubringen.
  15. Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das vorgeformte Metallfolienaußengehäuse (36) ein Rohr (45) ist.
  16. Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 15, wobei die vorgeformte Metallfolie rostfreier Stahl ist.
  17. Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 16, wobei das Außengehäuse von jeglichen Oxidationsprodukten befreit und mit einem hoch leitfähigen Metall, wie Gold, Nickel, Platin, Silber, Blei, Zinn oder Messing, beschichtet wird.
  18. Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 17, wobei das hoch leitfähige Metall Gold ist.
  19. Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 15, wobei das Außengehäuse teilweise gekrümmt ist, um eine Federlast darauf aufzubringen.
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