DE19628265C2 - Elektrischer Doppelschichtkondensator - Google Patents

Elektrischer Doppelschichtkondensator

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Doppelschichtkondensator, der zum Spei­ chern von Energie verwendet wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Elektrische Doppelschichtkondensatoren werden zum Spei­ chern von Energie verwendet. Ein solcher Kondensatoren ist an sich bekannt.
Fig. 2 der beiliegenden Zeichnung zeigt einen Quer­ schnitt dieses bekannten elektrischen Doppel­ schichtkondensators. Der Kondensator weist zwei Kollektoren 10 und 12, eine positiv polarisierte Elektrodenschicht 14, eine negativ polarisierte Elektrodenschicht 16 und ein Trenn­ stück 18 auf. Die positiv polarisierte Elektrode 14 ist auf dem Kollektor 10 angeordnet, während die negativ polari­ sierte Elektrode auf dem Kollektor 12 angeordnet ist.
Diese positiv und negativ polarisierten Elektroden 14 bzw. 16 beinhalten Aktivkohle und Rußschwarz, die auf Alu­ miniumnetzen gebunden sind. Eine Menge (g) von Kohle und Rußschwarz, die pro Einheitsfläche (1 cm2) gebunden sind, ist sowohl in der positiv als auch negativ polarisierten Elektrode 14 bzw. 16 ungefähr gleich.
Das Trennstück 18 befindet sich zwischen der positiv und negativ polarisierten Elektrode 14 bzw. 16. Die Elek­ troden 14 und 16 und das Trennstück 18 sind mit einem Elek­ trolyt durchsetzt.
Der zuvor beschriebene herkömmliche elektrische Doppel­ schichtkondensator weist verglichen mit einem Akkumulator in einer Bleibatterie oder dergleichen eine verhält­ nismäßig niedrige Energiedichte auf. Somit wird der Konden­ sator, wenn er in ein Kraftfahrzeug eingebaut ist, um wie­ dergewonnene Energie zu speichern, relativ groß und schwer.
Der elektrische Doppelschichtkondensator weist elektri­ sche Charakteristiken auf, die denen eines Kondensators ähnlich sind, und seine Energiekapazität E ist durch 1/2CV2 (E = 1/2CV2) ausgedrückt. Um die Energiekapazität E zu er­ höhen, muß die angelegte Spannung erhöht werden. Wenn eine Spannung von ungefähr 2.2 Volt oder höher zwischen der po­ sitiven und negativen Elektrode 14 bzw. 16 angelegt wird, um die Energiekapazität E zu erhöhen, wird aufgrund der Zersetzung des Elektrolyts ein irreversibler Strom verursacht. Dies würde die Leistungsfähigkeit des elektrischen Doppelschichtkondensators verschlechtern und würde den Kondensator unbeständiger machen. Um dieses Pro­ blem zu überwinden, wird es bevorzugt, daß herkömmliche elektrische Doppelschichtkondensatoren an Spannungen von ungefähr 2.2 Volt oder niedriger verwendet werden.
Es ist demgemäß die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen Doppelschichtkondensator zu schaffen, welcher bei gleichen Abmessungen an höheren Spannungen verwendet werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektri­ schen Doppelschichtkondensator nach Anspruch 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Augestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert, in der durchgängig gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
Es zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt eines elektrischen Doppelschicht­ kondensators gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 2 einen Querschnitt eines herkömmlichen elektrischen Doppelschicht­ kondensators.
Nachstehend erfolgt die Beschreibung eines Ausführungs­ beispiels der vorliegenden Erfindung.
Es wird auf Fig. 1 verwiesen. Ein Kollektor 10 ist ei­ ner positiv polarisierten Elektrodenschicht 14 (als die "positive Elektrode 14" bezeichnet) zugeordnet, während ein Kollektor 12 einer negativ polarisierten Elektrodenschicht 16 (als die "negative Elektrode 16" bezeichnet) zugeordnet ist. Diese positiven und negativen Elektroden 14 bzw. 16 beinhalten Aktivkohle und Rußschwarz, welche unter Verwendung von PTFE als ein Bindemittel gesintert sind. Das Rußschwarz ist beim Verbessern der Leitfähigkeit der polarisierten Elektroden 14 und 16 wirkungsvoll. Beide Kollektoren 10 und 12 beste­ hen aus Aluminiumfolie. Die positive und negative Elektrode 14 bzw. 16 sind auf die als die Kollektoren 10 bzw. 12 die­ nenden Aluminiumfolien aufgetragen und werden dann gesin­ tert, nachdem sie gepreßt worden sind.
Ein Separator bzw. Trennstück 18, welches aus einem porösen Film auf Polyolefinbasis besteht, befindet sich zwischen der positi­ ven und negativen Elektrode 14 bzw. 16. Die positive und negative Elektrode 14 bzw. 16 und das Trennstück 18 sind mit einem Elektrolyt durchsetzt, welcher 1 Mol/Liter Te­ traethylammoniumtetrafluorborat (EtnN . BF4) enthält, das in einem Lösemittel aus Propylenkarbonat aufgelöst ist.
In dieser Erfindung beträgt die Menge (g) der Aktivkoh­ le und des Rußschwarz, die pro Elektrodeneinheitsfläche (1 cm2) der positiven Elektrode 14 gebunden sind, mehr als die der negativen Elektrode 16, das heißt, die positive Elek­ trode 14 ist dicker als die negative Elektrode 16, wie es in Fig. 1 gezeigt ist.
Der elektrische Doppelschichtkondensator weist elektri­ sche Charakteristiken auf, die denen eines Kondensators ähnlich sind. Somit wird, je mehr Ladungen Q in der positi­ ven und negativen Elektrode 14 bzw. 16 gespeichert werden, die Potentialdifferenz zwischen der positiven und negativen Elektrode 14 bzw. 16 umso größer. Um die Ladungen Q zu erhöhen, die in der positiven und negativen Elektrode 14 bzw. 16 gespeichert sind (d. h., die Energiekapazität E), muß die Spannung, die zwischen diesen Elektroden 14 und 16 angelegt wird, erhöht werden. Jedoch wird aufgrund der Zer­ setzung des Elektrolyts mit der Erhöhung der angelegten Spannung ein irreversibler Strom verursacht, wenn die positive und negative Elektrode 14 bzw. 16 einmal bestimmte Potentiale erreichen. Wenn der Kondensator in diesem Zustand verwendet wird, würden sich die positive und negative Elektrode 14 bzw. 16 verschlechtern. Deshalb ist es notwendig, die Potentiale der positiven und negativen Elektrode 14 bzw. 16 unter dem Potential zu halten, an dem der irreversible Strom verursacht wird (als "Zersetzungspotential" bezeichnet).
Es wurde festge­ stellt, daß die positive und negative Elektrode 14 bzw. 16 unterschiedliche Zersetzungspotentiale aufweisen, an wel­ chen der irreversible Strom verursacht wird. Nachfolgend wird angenommen, daß 0 V ein Potential be­ zeichnet, an dem die positive und negative Elektrode 14 bzw. 16 kurzgeschlossen sind.
Wenn mehr Ladungen Q in dem elektrischen Doppelschicht­ kondensator gespeichert werden, weisen die Potentiale der positiven und negativen Elektrode 14 bzw. 16 entgegenge­ setzte Potentiale gleicher Höhe und sich erhö­ hende Absolutwerte auf. Somit wird ein irreversibler Strom in der positiven oder negativen Elektrode 14 bzw. 16 verur­ sacht, wenn deren Absolutwert des Zersetzungspotentials kleiner ist. Somit ist, wenn eine Elektrode, die den größeren Abso­ lutwert des Zersetzungspotentials aufweist, derart abgeän­ dert werden kann, daß sie gleichzeitig ihr Zersetzungspo­ tential erreichen kann, wenn die andere Elektrode, die den kleineren Absolutwert des Zersetzungspotentials aufweist, ihr Zersetzungspotential erreicht, die Potentialdifferenz zwischen der positiven und negativen Elektrode 14 bzw. 16 derart, das die angelegte Spannung einer Maximalspannung des elektrischen Doppelschichtkondensa­ tors entspricht.
Andererseits hängen die Potentiale der positiven und negativen Elektrode 14 bzw. 16 von ihren Einzelelektroden­ kapazitäten C und gespeicherten Ladungen Q ab. Die Poten­ tiale ϕ der positiven und negativen Elektrode 14 bzw. 16 weisen eine Beziehung auf, die als ϕ = Q/C ausgedrückt ist. Da die gespeicherten Ladungsmengen Q in der positiven und negativen Elektrode 14 bzw. 16 gleich sind, ändert sich das Potential ϕ mit der Einzelelektrodenkapazität C jeder Elek­ trode 14 und 16. Die Einzelelektrodenkapazitäten C der Elektroden 14 bzw. 16 werden derart eingestellt, daß die Potentiale dieser Elektroden 14 und 16 jeweils unterschiedliche Werte annehmen, wenn der Kondensator die Ladungen Q speichert.
Die vorliegende Erfindung legt dar, daß ein Verhältnis der Einzelelektrodenkapazität C der positiven Elektrode 14 zu der der negativen Elektrode 16 so gewählt wird, daß die Elektroden 14 und 16 gleichzeitig ihr eigenes Zersetzungspotential erreichen können.
Das Verhältnis der Einzelelektrodenkapazität C der po­ sitiven Elektrode 14 zu der der negativen Elektrode 16 kann durch Abändern ihrer jeweiligen Bestandteile, zum Bei­ spiel des quantitativen Verhältnisses der Aktivkohle in der positiven Elektrode 14 zu dem in der negativen Elek­ trode 16 oder eines Verhältnisses des Oberflächenbereichs der Aktivkohle in der positiven Elektrode 14 zu dem in der negativen Elektrode 16, geändert werden. Weiterhin kann, wenn die positive und negative Elektrode 14 bzw. 16 die gleichen Bestandteile beinhalten, das Verhältnis der Ein­ zelelektrodenkapazität C durch ein Ändern eines Verhältnis­ ses der Kohle- und Rußschwarzmenge pro Elektrodeneinheits­ fläche in der positiven Elektrode 14 zu dem der negativen Elektrode 16 geändert werden.
Das Verhältnis einer Kohle- und Rußschwarzmenge pro Elektrodeneinheitsfläche ist als W+/W- definiert, wobei W+ die Kohle- und Rußschwarzmenge pro Einheitsfläche (cm2) der positiven Elektrode 14 ist und W- die Kohle- und Ruß­ schwarzmenge pro Einheitsfläche der negativen Elektrode 16 ist. Dieses Verhältnis wird hier im weiteren Verlauf als das "quantitative Verhältnis" bezeichnet.
Die Tabelle 1 listet Spannungen (die zwischen den Elek­ troden 14 und 16 angelegt werden) auf, bei denen durch Ändern des quantitativen Verhältnisses ein irreversibler Strom verursacht wird, wenn sie an die positive und nega­ tive Elektrode 14 bzw. 16 angelegt werden, welche so aufge­ baut sind, daß sie Zellen bilden. In diesem Fall sind die Potentiale der positiven und negativen Elektrode 14 bzw. 16 unter Verwendung einer Ag/Ag+-Ionen-Referenzelektrode ge­ messen worden und sind als Potentiale ϕ+ und ϕ- der posi­ tiven und negativen Elektrode 14 bzw. 16 gezeigt.
Tabelle 1
In Tabelle 1 bezeichnet das quantitative Verhältnis "1" die Bestandteile des herkömmlichen elektrischen Doppel­ schichtkondensators. Die positive und negative Elektrode 14 bzw. 16 weisen gleiche quantitative Verhältnisse auf. Wenn die Spannung, die zwischen der positiven und negativen Elektrode 14 bzw. 16 angelegt wird, auf 2.2 Volt ansteigt, weisen die Elektrode 14 und 16 die gleiche Einzelelektro­ denkapazität C auf, so daß sie ein positives bzw. negatives Potential von 1.1 Volt bzw. -1.1 Volt aufweisen. Hieraus wird deutlich, daß aufgrund der Zersetzung des Elektrolyts an diesen Potentialen der irreversible Strom ver­ ursacht wird. Jedoch ist nicht bekannt, welche der posi­ tiven oder negativen Elektrode 14 bzw. 16 den irreversiblen Strom bewirkt.
Wenn das quantitative Verhältnis der Elektroden 14 und 16 "1.2" beträgt und wenn eine Spannung von 2.4 Volt zwi­ schen den Elektroden 14 und 16 angelegt wird, beträgt das Potential der positiven Elektrode 14 1.1 Volt und das der negativen Elektrode 16 beträgt -1.3 Volt und ein irreversi­ bler Strom wird verursacht. Wenn dieser Fall mit dem Fall des quantitativen Verhältnisses von "1" verglichen wird, versteht es sich, daß der irreversible Strom in jedem Fall verursacht wird, wenn das Potential der positiven Elektrode 14 1.1 Volt beträgt. Deshalb ist offensichtlich, daß der irreversible Strom verursacht wird, wenn das Potential der positiven Elektrode 14 auf 1.1 Volt ansteigt, und ein irre­ versibler Strom wird verursacht. Anders ausgedrückt, das Zersetzungspotential für die positive Elektrode 14 beträgt 1.1 Volt.
Als nächstes beträgt, wenn das quantitative Verhältnis "2.5" beträgt und eine Spannung, die zwischen den Elektro­ den 14 und 16 angelegt ist, auf 2.7 Volt ansteigt, das Po­ tential der positiven Elektrode 14 0.8 Volt, während das der negativen Elektrode 16 -1.9 Volt beträgt. In diesem Fall wird angenommen, daß der irreversible Strom in der negativen Elektrode 16 verursacht worden ist, da sich das Potential der positiven Elektrode 14 unter 1.1 Volt befin­ det. Somit versteht es sich, daß die negative Elektrode 16 das Zersetzungspotential von -1.9 Volt aufweist.
Aus den vorhergehenden Ausführungen wird deutlich, daß der irreversible Strom in der positiven Elektrode 14 bei 1.1 Volt und in der negativen Elektrode bei -1.9 Volt verursacht wird. Wenn das quantitative Verhältnis auf einen zweckmäßigen Wert zwischen 1.2 und 2.5 eingestellt ist, sollte es eine Maximalspannung geben, die derart zwischen den Elektroden 14 und 16 anzulegen ist, daß der irreversi­ ble Strom verursacht wird, wenn das Potential der positiven Elektrode 14 1.1 Volt beträgt und gleichzeitig das Poten­ tial der negativen Elektrode 16 -1.9 Volt beträgt. Zu die­ sem Zweck wird das quantitative Verhältnis auf "1.75" ein­ gestellt, um die Spannungen zu überprüfen, an denen der ir­ reversible Strom verursacht wird. Es wird auf Tabelle 1 verwiesen. Der irreversible Strom wird verursacht, wenn ei­ ne Spannung von 3.0 Volt zwischen der positiven und negati­ ven Elektrode 14 bzw. 16, die das Potential von 1.1 Volt bzw. -1.9 Volt aufweisen, angelegt wird. Diese Kombination der Potentiale der positiven und negativen Elektrode 14 bzw. 16 und die Zwischenelektrodenspannung von 3.0 Volt ist das Maximum für den elektrischen Doppelschichtkondensator der vorliegenden Erfindung. Anders ausgedrückt, das quanti­ tative Verhältnis "1.75" ist das Optimum für den elektri­ schen Doppelschichtkondensator.
Wenn das quantitative Verhältnis auf "4" erhöht wird und wenn eine Spannung von 2.4 Volt zwischen den Elektroden 14 und 16 angelegt wird, wird weiterhin der irreversible Strom bei 0.5 Volt an der positiven Elektrode und bei -1.9 Volt an der negativen Elektrode verursacht. In diesem Fall ist die Zwischenelektrodenspannung höher als die Spannung bezüglich des quantitativen Verhältnisses "1" des herkömm­ lichen Kondensators, was eine Erhöhung verwendbarer Span­ nungen bedeutet.
Auf der Grundlage von Tabelle 1 befindet sich das quan­ titative Verhältnis W+/W- über 1.2 und unter 4 (d. h., 1.2 < W+/W- < 4). Es ist zu sehen, daß die Spannung verglichen mit dem herkömmlichen elektrischen Dop­ pelschichtkondensator erhöht werden kann.
Weiterhin befindet sich das quantitative Verhältnis vorzugsweise über 1.4 und unter 2.5 (d. h., 1.4 < W+/W- < 2.5).
Der irreversible Strom wird so betrachtet, daß er hauptsächlich durch die Zersetzung des Elektrolyts verur­ sacht wird. Der irreversible Strom wird ebenso so betrach­ tet, daß er auf einer Grenzfläche des Kollektors 10 oder 12 oder der Elektrode 14 oder 16 verursacht wird. Somit ist es möglich, das Zersetzungspotential zu erhöhen, an welchem der irreversible Strom durch ein Ändern von Bestandteilen und Typen der Kollektoren 10 und 12, der positiven und ne­ gativen Elektrode 14 bzw. 16 und des Elektrolyts verursacht wird. Dies ermöglicht es, daß der elektrische Doppel­ schichtkondensator an höheren Spannungen verwendbar ist.
Die Erfindung ermöglicht, daß durch eine Optimierung des Verhältnisses zwischen den Einzelelektrodenkapazitäten der positiven und negativen Elektrode Spannungen an die po­ sitive und negative Elektrode in Übereinstimmung mit ihren Zersetzungspotentialen angelegt werden. Dies ermöglicht es, daß der elektrische Doppelschichtkondensator an höheren Spannungen verwendbar ist.

Claims (6)

1. Elektrischer Doppelschichtkondensator, mit:
  • 1. [a] zwei Kollektoren (10, 12);
  • 2. [b] einer positiv polarisierten Elektrodenschicht (14), die auf einem der Kollektoren (10) angeordnet ist, und einer negativ polarisierten Elektrodenschicht (16), die auf dem anderen Kollektor (12) angeordnet ist;
  • 3. [c] einem Trennstück (18), das sich zwischen der po­ sitiv polarisierten Elektrodenschicht (14) und der negativ polari­ sierten Elektrodenschicht (16) befindet; und
  • 4. [d] einem Elektrolyten, der die positiv polarisierte Elektrodenschicht (14), die negativ polarisierte Elektrodenschicht (16) so­ wie das Trennstück (18) durchsetzt,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Verhältnis der Kapazität der positiv polarisierten Elektrodenschicht (14) zur Kapazität der negativ polarisierten Elektrodenschicht (16) in der Weise unterschiedlich festgelegt ist, daß beide Elektrodenschichten (14, 16) gleichzeitig dasjenige elektrodenspezifische Potential (ϕ+, ϕ-) erreichen, bei dem die Zersetzung des Elektrolyts der betreffenden Elektrodenschicht beginnt.
2. Elektrischer Doppelschichtkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Verhältnis der Ka­ pazitäten der Elektrodenschichten (14, 16) im Bereich von 1.2 bis 4 liegt, insbesondere in Bereich von 1.4 bis 2.5.
3. Elektrischer Doppelschichtkondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das gewünschte Verhält­ nis der Kapazitäten der Elektrodenschichten (14, 16) durch geeigne­ tes Einstellen des Mengenverhältnisses (W+/W-) der Bestandteile der positiv polarisierten Elektrodenschicht (14) zu den Bestandtei­ len der negativ polarisierten Elektrodenschicht (16) festgelegt wird.
4. Elektrischer Doppelschichtkondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das gewünschte Verhält­ nis der Kapazitäten der Elektrodenschicht (14, 16) durch geeigne­ tes Einstellen des Verhältnisses des Oberflächenbereichs eines Bestandteils der positiv polarisierten Elektrodenschicht (14) zu dem entsprechenden Oberflächenbereich dieses Bestand­ teils in der negativ polarisierten Elektrodenschicht (16) festge­ legt wird.
5. Elektrischer Doppelschichtkondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das gewünschte Verhält­ nis der Kapazitäten der Elektrodenschichten (14, 16) durch geeigne­ tes Einstellen der jeweiligen Dicke der beiden Elektroden (14, 16) festgelegt wird.
6. Elektrischer Doppelschichtkondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kollektoren (10, 12) aus Aluminiumfolie bestehen,
die positiv polarisierte Elektrodenschicht (14) und die nega­ tiv polarisierte Elektrodenschicht (16) Aktivkohle und Rußschwarz beinhalten, welche durch Polytetrafluorethylen als Binde­ mittel zusammengebacken oder gesintert sind, und
der Elektrolyt eine Lösung aus Tetraethylammoniumtetr­ afluorborat ist, das in Propylenkarbonat aufgelöst ist.
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