DE10333550A1 - Elektrochemischer Doppelschichtkondensator und Verfahren zur Imprägnierung eines Doppelschichtkondensators - Google Patents

Elektrochemischer Doppelschichtkondensator und Verfahren zur Imprägnierung eines Doppelschichtkondensators Download PDF

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Abstract

Es wird vorgeschlagen, die Imprägnierung eines elektrochemischen Doppelschichtkondensators durch einen Separator mit eingeprägter Struktur zu unterstützen. Erfindungsgemäß ist zwischen zwei flächig ausgebildeten Elektroden ein poröser Separator vorgesehen, der zumindest eine Lage eines Materials umfasst, in die eine Struktur eingeprägt ist, die zumindest Vertiefungen umfasst.

Description

  • Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren erlangen zunehmend Bedeutung als ergänzende Energiequell, die schnell und für kurze Zeit eine hohe elektrische Leistung zur Verfügung stellen kann. Eine solche Leistung wird beispielsweise bei unterbrechungsfreien Stromversorgungen oder auch in neu entwickelten Hybridfahrzeugen benötigt, um bei Leistungsspitzen, beispielsweise beim Beschleunigen oder beim Starten zusätzliche Leistung zur Verfügung zu stellen. Die im Doppelschichtkondensator gespeicherte elektrische Energie unterstützt dabei eine vorhandene Energiequelle oder einen vorhanden Generator oder überbrückt bei Stromausfall die Zeit, bis ein Notaggregat zeitverzögert gestartet werden kann.
  • Ein elektrochemischer Doppelschichtkondensator besteht im wesentlichen aus zwei Elektroden, die entweder mit einem Elektrodenmaterial hoher Oberfläche beschichtet sind oder von sich aus eine hohe Oberfläche aufweisen. Zwischen den beiden Elektroden ist ein Separator angeordnet, der zur elektrischen Isolation der beiden Elektrodenschichten dient, der porös ausgebildet ist und den Elektrolyten aufnehmen kann und der darüber hinaus für den Elektrolyten und insbesondere für die Ionen, die sich durch Dissoziation des im Elektrolyten gelösten Leitsalzes ausbilden, durchlässig ist.
  • Üblicherweise bestehen die Elektroden eines elektrochemischen Doppelschichtkondensators aus Metallfolien, die mit einer Kohlenstoffmodifikation beschichtet sind, beispielsweise mit einem Kohlenstoffpulver oder mit einem Kohlenstofftuch. Als Separatoren werden poröse Materialien gewählt, beispielsweise aus Papier. Möglich sind jedoch Separatoren aus anderen Mate rialien, beispielsweise Kunststoffolien, Filzen oder Geweben aus Kunststoff- oder Glasfasern.
  • Eine einfache Kondensatorzelle besteht dabei aus zumindest zwei Elektroden und einer dazwischenliegenden Separatorschicht. Üblicherweise werden jedoch zur Erhöhung der Kapazität mehrere Elektrodenlagen und Separatorschichten alternierend übereinander gestapelt, beispielsweise als planarer Stapel oder noch einfacher und platzsparender in Form eines Wickels. Nach dem Herstellen eines Stapels aus Elektroden und Separatorschichten wird dieser in ein Gehäuse eingebracht und anschließend durch eine Imprägnieröffnung mit einem Elektrolyten imprägniert. Bei der Imprägnierung muss der Elektrolyt sämtliche Hohlräume und Poren des Separators und der porösen Elektrodenbeschichtung füllen und darin enthaltenes Gas aus dem Wickel oder Stapel verdrängen.
  • Es hat sich herausgestellt, dass die Imprägnierung trotz Unterstützung durch einen Druckunterschied, beispielsweise durch Anlegen eines Vakuums ans Kondensatorgehäuse oder durch Verwendung eines Überdrucks bei der Zugabe des Elektrolyten, ein zeitintensiver und somit kostenbestimmender Faktor ist. Das Problem der aufwendigen Imprägnierung wird mit zunehmender Größe des Wickels oder Stapels verstärkt. So benötigt der Wickel eines Kondensators mit einer Kapazität von beispielsweise 5000 F mit dem herkömmlichen Imprägnierverfahren ca. 72 Stunden, bis er vollkommen durchtränkt und bis das gesamte Gas daraus verdrängt und durch die Imprägnieröffnung aus dem Kondensatorgehäuse ausgetreten ist. Eine vollständige Imprägnierung ist aber wichtig, da bei unvollständigem Austausch des Gases gegen den Elektrolyten ein späteres Ausgasen erfolgen kann, welches bei verschlossenem Kondensatorgehäuse im Extremfall zu einem Bersten des Kondensatorgehäuses und damit zu einer Zerstörung des Kondensators führt. Außerdem ist bei einem nicht vollständig mit Elektrolyt getränkten Wickel die Kapazität geringer und der ESR höher.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen elektrochemischen Doppelschichtkondensator anzugeben, welcher die Imprägnierung erleichtert und beschleunigt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektrochemischen Doppelschichtkondensator mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Imprägnierung eines Doppelschichtkondensators sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung beruht auf der grundlegenden Idee, das Eindringen des Elektrolyten in den Kondensatorwickel oder Stapel dadurch zu unterstützen, dass zusätzlich zum bereits von Haus aus porösen Separatormaterial weitere Eintrittswege für den Elektrolyten geschaffen werden. Dies wird erfindungsgemäß durch eine Struktur erreicht, die in eine Lage des Separators eingeprägt ist und zumindest Vertiefungen umfasst.
  • Vorzugsweise sind solche Vertiefungen in Form von Gräben ausgebildet, die nach außen bis zu den offenen Kanten des Stapels oder Wickels des Kondensators führen. Im Schichtaufbau aus alternierenden Elektroden und Separatorschichten bilden die Gräben zusammen mit der jeweils benachbarten Schicht Kanäle aus. Diese Kanäle können durchgehend durch den gesamten Schichtaufbau, also durchgehend durch den gesamten Wickel oder Stapel führen. Ausreichend ist es jedoch auch, wenn die Gräben von außen bis in die Mitte des Stapels oder Wickels führen, oder auch wenn nur zusätzliche isolierte Volumina im porösen Separator für den Elektrolyten geschaffen werden. Dies kann in einem einfachen mechanischen Prägeverfahren erfolgen.
  • Die Strukturen können ausschließlich Vertiefungen sein, die in den flächig ausgebildeten Separator oder in zumindest eine von gegebenenfalls mehreren Lagen des Separators eingeprägt sind. Möglich ist es jedoch auch, die Strukturen durchzuprägen, ohne dass sich dabei die Dicke der jeweiligen Separator lage wesentlich ändert. Dies führt dazu, dass die Separatorlage eine Welligkeit erhält, bei der jeder Vertiefung auf der anderen Seite der Separatorlage eine entsprechende Erhöhung zugeordnet ist. Möglich ist auch ein Separator oder eine Separatorlage, in die beidseitig Vertiefungen eingeprägt sind.
  • Die eingeprägte Struktur umfasst wie gesagt vorzugsweise grabenartige Vertiefungen, die vorteilhaft parallel zueinander ausgerichtet sind. Auf diese Weise läßt sich eine maximale Anzahl an Vertiefungen in der Separatorlage erzeugen, die einen besonders schnellen Transport des Elektrolyten in den Schichtaufbau des Kondensators hinein ermöglichen. Die Vertiefungen können geradlinig ausgerichtet sein. Möglich ist es jedoch auch, Vertiefungen in einem beliebigen zweidimensionalen Muster im Separator vorzusehen, vorzugsweise ein Muster von Vertiefungen, welche miteinander verbunden sind. Ein solches Muster kann regelmäßig oder unregelmäßig ausgebildet sein.
  • Der Separator kann auch mehrere Lagen umfassen, die zusammen laminiert sein können, wobei zumindest eine Lage erfindungsgemäß die eingeprägte Struktur aufweist. Sofern sich im mehrlagigen Separator Lagen mit grabenförmigen Vertiefungen befinden, so können die entsprechenden Kanäle zwischen unterschiedlichen Separatorlagen oder zwischen einer Separatorlage und einer Elektrodenschicht sein. Möglich ist es auch, zumindest zwei Lager mit eingeprägter Struktur in einer Separatorschicht vorzusehen, die vorzugsweise so angeordnet sind, dass sich das Muster der Vertiefungen gegenseitig zu Hohlräumen ergänzt. Möglich ist es auch, in unterschiedlichen Lagen unterschiedliche Strukturen oder relativ zueinander verdrehte Muster zu verwunden.
  • Die eingeprägte Struktur kann wellig sein und beispielsweise keine Kanten aufweisen. Möglich ist es jedoch, stufenartige Vertiefungen einzuprägen oder Vertiefungen mit dreieckigem oder trapezförmigem Querschnitt. Möglich sind jedoch auch Vertiefungen mit einem beliebigen Querschnitt oder Strukturen, die Vertiefungen mit unterschiedlichen Querschnitten aufweisen.
  • Der Separator ist vorzugsweise aus einem Material ausgebildet, der die Erzeugung einer eingeprägten Struktur erlaubt, bzw. der die eingeprägte Struktur ausreichend lange konserviert. Dies setzt eine gewisse Materialsteifigkeit voraus, die jedoch mit den meisten der bereits bisher bei Separatoren eingesetzten Materialien erreicht wird.
  • Erfindungsgemäß ist es beispielsweise möglich, als Separatoren Kunststoffolien einzusetzen, beispielsweise Polyolefinfolien wie insbesondere Polypropylen oder Polyethylen. Diese lassen sich in einer gewünschten Porösität und Durchlässigkeit für den Elektrolyten erzeugen. Bei einer Dicke von 5 bis 150 μm sind sie ausreichend stabil, um ein eingeprägtes Muster zu konservieren. Dabei ist es vorteilhaft, bei geringerer Materialsteifigkeit Strukturen in Form von Mustern zu erzeugen, die nicht ausschließlich geradlinig und parallel zueinander ausgerichtet sind. Dies erhöht die Steifigkeit und damit die Stabilität der geprägten Strukturen. Mögliche Materialien für Separatorlagen mit eingeprägter Struktur sind Gewebe und Fließe aus Kunststoff- oder Glasfasern. Auch herkömmliches Papier, hergestellt aus Lyocell-, Kraft-, Manila-, Hanf-, Baumwolle- oder Esparto-Zellstoff bzw. deren Mischungen, läßt sich durch Prägen mit einer erfindungsgemäßen Struktur versehen und als Separator oder Separatorlage einsetzen. Für den Separator sind auch Mischungen oder unterschiedliche Lagen aus unterschiedlichen Materialien geeignet.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine dünne Separatorlage mit einer Struktur versehen und mit einer weiteren nicht geprägten Separatorlage verbunden und so versteift. Auf diese Weise läßt sich auch die eingeprägte Struktur auch bei Materialien ungenügender Steifigkeit einfach konservieren.
  • Die eingeprägten Strukturen sind vorteilhaft so ausgebildet, dass sie die elektrischen Eigenschaften des elektrochemischen Doppelschichtkondensators nicht oder nur wenig beeinträchtigen. Dies bedeutet, dass durch die Strukturen die Separatorfunktionen nicht beeinträchtigt sind. Vorteilhaft sind die Strukturen so ausgebildet, dass bei gegebenenfalls durch das Prägen erzeugter Schichtdickenreduzierung des Separators stets zumindest 50% der ursprünglichen Lagendicke erhalten bleibt. Dadurch wird auch die Isolationswirkung des Separators bzw. der Separatorlage erhalten, so dass es zu keinem Kurzschluss und damit nicht zu einer unerwünschten Entladung des Kondensators kommt.
  • Wird mit der eingeprägten Struktur eine Welligkeit erzeugt, so wird die Welligkeit vorzugsweise so bemessen, dass die Gesamtdicke des Separators, die sich dann an den höchsten Strukturerhebungen bemisst, maximal der doppelten Schichtdicke eines herkömmlichen Separators bzw. der doppelten Schichtdicke eines Separators ohne eingeprägte Struktur entspricht. Auf diese Weiss wird gewährleistet, dass sowohl die Kapazität als auch der Serienwiderstand weitgehend unverändert bleibt.
  • Die eingeprägten Strukturen umfassen Vertiefungen, die ausreichend breit sind, den Elektrolyten einer gegebenen Viskosität ausreichend schnell in das Innere des Kondensatorstapels zu befördern. Vorzugsweise werden die Strukturbreiten der eingeprägten Strukturen aber minimiert, wobei mit einer höheren Anzahl kleinerer Strukturen eine schnellere Imprägnierung erreicht werden kann als mit weniger und größeren Strukturen. Eine höhere Anzahl an Strukturen, die dann dementsprechend geringere Strukturdurchmesser aufweisen, führt außerdem zu einer schnelleren Verteilung des Elektrolyten im Kondensatorstapel oder -wickel bei der Imprägnierung.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert.
  • Die Figuren zeigen anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellungen einen erfindungsgemäßen Doppelschichtkondensator und in erfindungsgemäßen Doppelschichtkondensatoren eingesetzte Separatoren.
  • 1 zeigt eine einzelne Doppelschichtkondensatorzelle im schematischen Querschnitt
  • 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Separator in der Draufsicht mit flächig und punktförmig ausgebildeten Vertiefungen
  • 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Separator in der Draufsicht mit Vertiefungen, die als durchgehende Gräben ausgebildet sind
  • 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Separator in schematischer Draufsicht, bei dem die Vertiefungen in Form nicht durchgehender Gräben ausgebildet sind
  • 5 zeigt erfindungsgemäße Separatorlagen mit eingeprägter Struktur im schematischen Querschnitt
  • 6 zeigt einen aus zwei Lagen bestehenden Separator im schematischen Querschnitt
  • 7a zeigt den an sich bekannten Aufbau eines planaren Kondensatorstapels
  • 7b zeigt. den an sich bekannten Aufbau eines Kondensatorwickels.
  • 1 zeigt eine einzelne Zelle eines elektrochemischen Doppelschichtkondensators im schematischen Querschnitt. Ein solcher Kondensator besteht aus zwei Elektroden E1, E2, wobei je eine Elektrode als Anode bzw. Kathode geschalten wird. Üb licherweise besteht jede Elektrode aus einer Metallfolie M1, M2, die auf der Oberfläche mit einem Elektrodenmaterial B1, B2 beschichtet ist. Das Elektrodenmaterial weist eine hohe Oberfläche und eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit auf. Vorzugsweise werden dazu Kohlenstoffmaterialien verwendet, insbesondere Kohlenstoffpulver, Kohlenstofftücher, Metallcarbide, Kohlenstoffaerogele, graphitischer Kohlenstoff, nanostrukturierter Kohlenstoff oder mittels PVD und/oder CVD aufgebrachter Kohlenstoff. Die Elektrode entsteht dabei durch Beschichtung der Metallfolie mit dem Elektrodenmaterial, oder indem eine feste Elektrodenmaterialmodifikation mit der Metallfolie fest verbunden wird.
  • Zwischen den Elektroden E1, E2 ist ein Separator S angeordnet, der eine Porösität und eine ausreichende Durchlässigkeit für den Elektrolyten aufweist. Erfindungsgemäß weist der Separator S eingeprägte Vertiefungen V auf. Die Einzelschichten der elektrochemischen Doppelschichtkondensatorzelle stehen in innigem Kontakt miteinander, der durch den Einbau in ein Gehäuse aufrecht erhalten werden kann. Eine weitere Befestigung der Schichten untereinander ist nicht erforderlich.
  • 2a und 2b zeigen in schematischer Draufsicht auf einen Separator bzw. auf eine einzelne Separatorlage SL eine eingeprägte Struktur, die hier aus kleinflächigen nicht miteinander verbundenen Vertiefungen V besteht. In 2a sind dies punkt- oder kreisförmige Vertiefungen, in 2b sind dies eckige und insbesondere viereckige und vorteilhaft quadratische Vertiefungen V.
  • 3 zeigt in schematischer Draufsicht eine Separatorlage SL mit verschiedenen grabenförmigen Vertiefungen V, die über die gesamte Fläche der Separatorlage durchgezogen sind. Während in 3a die Vertiefungen V geradlinig und insbesondere parallel zu einer Separatorkante verlaufen, sind in den 3b und 3c nicht geradlinig verlaufende Vertiefungen V dargestellt. Die grabenförmigen Vertiefungen V können in ih rem Verlauf zumindest einmal abgeknickt sein, wie dies beispielsweise in 3b dargestellt ist. Die grabenförmigen Vertiefungen V können auch einen gebogenen Verlauf nehmen, wie dies in 3c dargestellt ist.
  • 3d zeigt voneinander verschiedene grabenförmige Vertiefungen, die sich über die gesamte Oberfläche einer Separatorlage SL erstrecken und die mit unterschiedlicher Orientierung ausgerichtet sind und sich gegenseitig schneiden. Vorteilhaft ist hier, dass die Vertiefungen V zumindest bis an die Kante der Separatorlage SL reichen. Wird die Separatorlage in einem Kondensatorwickel eingebaut, so ist ein Schnittpunkt der Vertiefungen mit der Kante vorzugsweise an der Wickeloberseite angeordnet.
  • 4 zeigt grabenförmige Vertiefungen, die hier parallel zueinander und geradlinig ausgebildet sind und von außen in das Innere der Separatorlage bzw. von außen in das Innere des Wickels oder des Kondensatorstapels hineinreichen. Auch auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass der Elektrolyt gut und schnell in den Kondensatorstapel oder -wickel eindringen kann und die dort befindlichen Gase durch die Vertiefungen bzw. durch die im Kondensatorstapel oder -wickel gebildeten Hohlräume entweichen können.
  • 5 zeigt anhand mehrerer schematischer Querschnitte durch erfindungsgemäße Separatorlagen verschiedene Möglichkeiten an, die Einprägungen vorzunehmen. In den dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Separatorlagen SL beidseitig geprägt, so dass auf beiden Oberflächen der Separatorlage entsprechende Vertiefungen bzw. Auswölbungen vorhanden sind. Jede der 5a bis 5d zeigt dabei zwei Anordnungen, bei der die eingeprägte Struktur an Ober- und Unterseite entweder übereinstimmend ist (siehe die jeweils obere Darstellung) oder gegeneinander versetzt ist (siehe die jeweils untere Darstellung).
  • 5a zeigt eine eingeprägte Struktur mit rechteckigem Querschnitt.
  • 5b zeigt Separatorlagen mit eingeprägten Vertiefungen, die die Form von Kreissegmenten, beispielsweise von Halbkreisen aufweisen oder die allgemein eine gerundete Form besitzen.
  • 5c zeigt Separatorlagen SL mit keilförmigen Vertiefungen V.
  • 5d zeigt Separatorlagen SL mit Vertiefungen V, die einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen.
  • In allen Darstellungen der 5 führt die gegeneinander versetzt eingeprägte Struktur auf beiden Seiten der Separatorlage dazu, dass die Materialdicke der Separatorlage eine Welligkeit erhält, wobei die Schichtdicke der Separatorlage nur geringfügig durch die eingeprägten Strukturen verringert wird. Werden die eingeprägten Strukturen beiderseits der Separatorlage jedoch deckungsgleich aufgebracht, wie dies in der jeweils oberen Darstellung gezeigt ist, so führt dies zu Vertiefungen V, die auf gleicher Höhe auf beiden Seiten der Separatorlage angeordnet sind, die durch eine nur noch dünne Schichtdicke der Separatorlage SL voneinander getrennt sind. Diese Ausführung hat Vorteile bezüglich einer verbesserten Durchlässigkeit der Separatorlage für den Elektrolyten. Die im Bereich der dünneren Schichtdicke verminderte elektrische Isolation ist unproblematisch, wenn der Durchmesser der Vertiefungen V entsprechend gering gewählt wird, so dass die Unebenheiten der Elektrodenoberfläche nicht ausreichend sind, in den Vertiefungen einen elektrischen Kurzschluss zwischen den beiden Elektroden E1 und E2 hervorzurufen, die durch die Separatorlage bzw. durch den die Separatorlage SL umfassenden Separator voneinander getrennt sind.
  • In den in der jeweils unteren Darstellung gezeigten Ausführungen sind die Strukturen gegeneinander versetzt, wobei eine erhöhte mechanische Stabilität der Separatorlage erhalten wird. Zur erhöhten Stabilität der Separatorlage trägt auch bei, wenn grabenförmige Vertiefungen V nicht geradlinig durch die gesamte Separatorlage hindurchgehen. Bevorzugt sind dazu unregelmäßige, gekrümmte, geknickte oder nicht miteinander verbundene Vertiefungen (siehe beispielsweise 2a, 2b, 3b oder 3c).
  • 6 zeigt anhand eines schematischen Querschnitts einen aus zwei Separatorlagen SL, SL' aufgebauten Separator S. Zumindest eine der beiden Separatorlagen SL weist eine eingeprägte Struktur auf, die hier beispielsweise gemäß dem Ausführungsbeispiel von 5c ausgebildet ist. Die zweite Separatorlage SL' kann ohne eingeprägte Struktur sein. Vorzugsweise ist jedoch auch die zweite Separatorlage SL' mit einer eingeprägten Struktur versehen. Die gegenseitige Ausrichtung der eingeprägten Strukturen in den beiden Separatorlagen SL, SL' kann so sein, dass sich die Vertiefungen beider Lagen gegeneinander zu Hohlräumen ergänzen. Möglich ist es jedoch auch, die Vertiefungen gegeneinander zu versetzen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, zwei Lagen mit gleicher eingeprägter Struktur vorzusehen, die gegeneinander verdreht sind, oder zwei Lagen, in denen die Strukturen unterschiedlich ausgerichtet sind oder sich schneiden. Auf diese Weise wird eine erhöhte Stabilität des zweilagigen Separators erhalten. Ein zwei- oder mehrlagiger Separator kann alternativ oder zusätzlich durch Zusammenlaminieren seiner Lagen stabilisiert sein.
  • 7 zeigt verschiedene Möglichkeiten, mehrere Kondensatorzellen alternierend übereinander anzuordnen, wobei 7a einen flachen Stapel und 7b einen Kondensatorwickel darstellt. In der gestapelten Anordnung sind die Elektroden beidseitig mit Elektrodenmaterial B versehen, so dass eine Elektrodenschicht beidseitig als Elektrode wirken kann. Al ternierend sind die Elektrodenschichten B unterschiedlichen Potentialen zugeordnet und über metallische Anschlussbändchen wie in der 7a dargestellt mit dem Anodenanschluss A bzw. dem Kathodenanschluss K verbunden. Diese Anschlüsse werden durch das Kondensatorgehäuse KG geführt und an der Außenseite mit den Außenanschlüssen T1 bzw. T2 verbunden. 7b zeigt den Aufbau eines Kondensatorwickels, wobei zwei Elektrodenfolien E1, E2 alternierend mit zwei Separatorfolien S, S' angeordnet und über einen Wickeldorn D zu einem Kondensatorwickel aufgewickelt werden. Die beiden Elektrodenfolien E1, E2 sind z.B. an der Oberseite des Wickels an zumindest einer Stelle mit den entsprechenden Anschlüssen, dem Anodenanschluss A bzw. dem Kathodenanschluss K verbunden. Es kann alternativ auch eine Elektrodenfolie an der Oberseite und die andere Elektrodenfolie an der Unterseite des Wickels aus dem Kondensatorgehäuse herausgeführt werden, so dass der Kondensator einen Anschluss am Boden und einen am Deckel hat.
  • Der Kondensatorwickel wird in ein vorzugsweise becherförmiges Kondensatorgehäuse eingesetzt. Vorzugsweise nach dem Einbau in das Kondensatorgehäuse erfolgt die Imprägnierung. Diese kann wieder durch Evakuierung des Kondensatorgehäuses unterstützt werden, wobei der Unterdruck die Verdrängung der Gase aus den porösen Separatorlagen und der ebenfalls porösen Elektrodenbeschichtung B unterstützt.
  • In einem spezifischen Ausführungsbeispiel wird die Imprägnierung eines erfindungsgemäßen Doppelkondensators mit der eines herkömmlichen Doppelschichtkondensators mit herkömmlichem Separator verglichen. Die elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren werten mit einer Kapazität von 5000 F als Kondensatorwickel gemäß 7b realisiert. Es werden aus Papier bestehende Separatoren verwendet. Der erfindungsgemäße Separator wird mit punktförmig eingeprägten Vertiefungen versehen. Durch die Einprägung erhöht sich die Dicke des Separators hier von ursprünglich 40 μm auf 45 μm.
  • Alle Testkondensatoren werden für dann bei einer erhöhter Temperatur und bei Unterdruck getrocknet. Anschließend werden sie in einer Imprägnierkammer imprägniert, wobei in der Kammer ein Unterdruck, auf Seiten des Elektrolyten dagegen ein Überdruck mit Hilfe einer Inertgasbeaufschlagung aufgebaut wird.
  • Bei den herkömmlich aufgebauten Standardkondensatoren werden mehr als 20 Stunden benötigt, um eine vorgegebene notwendige Elektrolytmenge einzufüllen. Die erfindungsgemäßen und ansonsten gleichartig aufgebauten Doppelschichtkondensatoren mit geprägter Separatorlage können in weniger als 1 Stunde mit der gleichen vorgegebenen Elektrolytmenge befüllt werden.
  • Anschließend werden die Testkondensatoren auf ihre elektrischen Eigenschaften überprüft. Es zeigt sich, dass die erfindungsgemäßen Kondensatoren in ihren elektrischen Parametern weitgehend mit herkömmlichen bekannten Doppelschichtkondensatoren übereinstimmen und teilweise sogar verbessert sind. Beispielsweise wird eine um 6% reduzierte Zeitkonstante und damit ein höherer Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Doppelschichtkondensators erhalten.
  • Mit Hilfe dieses direkten Vergleichs erfindungsgemäßer Kondensatoren mit ansonsten baugleichen Kondensatoren kann eindrucksvoll der Vorteil eines erfindungsgemäßen Kondensators gezeigt werden. Die beim erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel gegenüber bekannten Kondensatoren von mehr als 20 Stunden auf weniger als 1 Stunden reduzierte Imprägnierzeit stellt eine wesentliche und so nicht erwartete Verbesserung dar, die neben einer schnelleren und vollständigeren Befüllung die Herstellungszyklen verkürzt und damit die Produktionskosten erfindungsgemäßer Kondensatoren deutlich reduziert.
  • Obwohl die Erfindung nur anhand weniger Ausführungsbeispiele dargestellt werden konnte, ist sie doch nicht auf diese be schränkt. Insbesondere sind sämtliche Größenangaben, sämtliche realen Ausformungen nur beispielhaft zu sehen. Die Erfindung umfasst auch Doppelschichtkondensatoren mit eingeprägten Strukturen, die in den Ausführungsbeispielen nicht dargestellt werden konnten. Möglich sind beliebige Variationen der dargestellten Strukturen, insbesondere auch Kombinationen der unterschiedlichen Strukturen. Auch die Materialangaben für Elektroden und Separatoren sind nur beispielhaft zu sehen, und es können auch andere als die angegebenen Materialien verwendet sein.

Claims (16)

  1. Elektrochemischer Doppelschichtkondensator – mit einander gegenüber stehenden Elektroden (E1, E2) unterschiedlicher Polarität – mit einem porösen flächig ausgebildeten Separator (S), der zwischen den Elektroden angeordnet ist, der zur Aufnahme eines Elektrolyten, durchlässig für den Elektrolyten und zur gegenseitigen elektrischen Isolation der Elektroden vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass – der Separator eine Lage (SL) eines Materials umfasst, in die eine Struktur eingeprägt ist, die zumindest Vertiefungen (V) umfasst.
  2. Doppelschichtkondensator nach Anspruch 1, bei dem die Vertiefungen in der Draufsicht punkt- oder kreisförmig sind.
  3. Doppelschichtkondensator nach Anspruch 1, bei dem die Vertiefungen grabenförmig sind.
  4. Doppelschichtkondensator nach einem der Ansprüche 1–3, bei dem die in den Separator (S) eingeprägten Strukturen durchgeprägt sind und Erhebungen umfassen.
  5. Doppelschichtkondensator nach einem der Ansprüche 1–4, bei dem die eingeprägte Struktur nach außen zu den Kanten des Separators (S) hinführende Gräben ausbildet.
  6. Doppelschichtkondensator nach einem der Ansprüche 1–5, bei dem die eingeprägte Struktur im Querschnitt wellig, stufig oder sägezahnartig ausgebildet ist.
  7. Doppelschichtkondensator nach einem der Ansprüche 1–6, bei dem der Separator (S) aus einem porösen Polymerfilm, einem Vlies, einem Filz, einem Gewebe aus Polymeren oder Glasfasern oder aus saugfähigem Papier ausgebildet ist.
  8. Doppelschichtkondensator nach Anspruch 7, bei dem der Separator (S) aus einem porösen Polymerfilm aus aus einem Vlies aus PP, PE, PTFE oder Polyolefinen ausgebildet ist.
  9. Doppelschichtkondensator nach einem der Ansprüche 1–8, bei dem der Separator (S) aus mehreren porösen Lagen (SL) ausgebildet ist, wobei zumindest eine der Lagen die eingeprägte Struktur aufweist.
  10. Doppelschichtkondensator nach Anspruch 9, bei dem der Separator (S) zwei übereinander liegende Lagen (SL, SL') mit eingeprägter Struktur aufweist, wobei die eingeprägten Strukturen zwischen den Lagen geschlossene Hohlräume oder Kanäle ausbilden.
  11. Doppelschichtkondensator nach einem der Ansprüche 1–10, bei dem zwei, drei oder mehr Lagen (SL, SL') zusammenlaminiert sind.
  12. Doppelschichtkondensator nach einem der Ansprüche 1–11, bei dem die in das Material der Lage (SL) eingeprägten Vertiefungen (V) bis zu einer Tiefe reichen, die 10–50% der Schichtdicke des Materials der Lage entspricht.
  13. Doppelschichtkondensator nach einem der Ansprüche 1–12, bei dem die eingeprägte Struktur in der Lage (SL) eine Welligkeit erzeugt, deren Gesamtdicke inklusive der Welligkeit maximal der doppelten Schichtdicke des Materials der Lage entspricht.
  14. Verfahren zur Imprägnierung eines Doppelschichtkondensators, – bei dem alternierend Elektrodenschichten (E1, E2) und elektrisch isolierende poröse Separatorschichten (S, SL) übereinander zu einem Stapel oder Wickel angeordnet werden, – bei dem der Stapel oder Wickel in ein Kondensatorgehäuse (KG) eingestellt wird, – bei dem der Stapel oder Wickel mit einem Elektrolyten imprägniert wird, wobei man in den porösen Separatorschichten befindliches Gas entweichen lässt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beschleunigung der Imprägnierung Separatorschichten verwendet werden, die jeweils eine Lage (SL) eines porösen Materials umfassen, in die eine Struktur eingeprägt ist, die zumindest Vertiefungen (V) umfasst.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Imprägnierung durch eine Imprägnieröffnung im Kondensatorgehäuse (KG) erfolgt, die nach der Imprägnierung verschlossen wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem die Imprägnierung durch einen Druckunterschied zwischen dem Innern und dem Äußeren des Kondensatorgehäuses (KG) unterstützt wird.
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