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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung eines bipolaren
Superkondensators, der spiralförmig
gewickelt und kantenversiegelt ist, und im Besonderen auf die Herstellung
von Superkondensatormodulen, die aus mehreren Superkondensatorrollen
bestehen, die in den Fächern
eines Behälters
angeordnet sind um Leistungen mit hohen Spannungen und hohen Strömen bereitzustellen.
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Eine
Batterie ist die am weitesten verbreitete tragbare Vorrichtung für Energiespeicherung
und Energieversorgung. Bei der Verwendung einer Batterie wird deren
Anwendbarkeit durch zwei funktionale Kriterien, das heißt, Verwendungsdauer
und Leistungsabgabe, bestimmt, vor allem bei Anwendungen in Fahrzeugen.
Um eine lange Verwendungsdauer zu erreichen, haben die Elektroden
einer Batterie im Allgemeinen eine hohe Masse, anderenfalls muss
ein neues Elektrodenmaterial entwickelt und geprüft werden, wie bei der Entwicklung
von Blei-Säure-
hin zu Lithiumbatterien. Entgegengesetzt der Strategie der dicken
Elektroden werden dünne
Elektroden für
eine Batterie verwendet um eine hohe Leistungsabgabe zu liefern,
wie in US-Pat. Nr. 5,047,300; 5,108,848; 5,223,351 und 5,993,983
gelehrt wird. In den ersten drei der oben aufgezählten Patente, sind sowohl
dicke als auch dünne
Elektroden in demselben Batteriegehäuse enthalten. Eine Batterie
aus einem dünnen
Metallfilm wird in Patent '983
verwendet, um mit einer existierenden Batterie als ein Leistungsverstärker verbunden
zu werden. Ein ähnlicher
verbundener Typ eines Leistungsverstärkers wird in US Pat. Nr. 5,568,537;
5,637,978 und 5,796,188 offenbart. Laden und Entladen einer Batterie
hat immer chemische Reaktionen beinhaltet, infolgedessen ist die Leistungsabgabe
einer Batterie wesensgemäß durch Reaktionsgeschwindigkeiten
beschränkt.
Was die Ansprechzeit angeht, sind chemische Reaktionen langsamer
als physikalische Vorgänge.
Aus diesem Grund ist die Leistungsabgabe einer Batterie geringer
als die eines Kondensators, da letzterer von einem physikalischen
Vorgang abhängt
wie etwa Ladungsanreicherung oder Oberflächenabsorption zur Energiespeicherung.
Ein Kondensator ist logischerweise ein besserer Verstärkter als
Batterien mit dünnen
Elektroden für
Batterien mit dicken Elektroden, und die Verwendungszeit von letzterem
kann ebenfalls verlängert
werden.
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Ähnlich dem
Defizit in der Leistungsdichte einer Batterie hat ein Kondensator
seinen eigenen Nachteil, was die Energiedichte angeht.
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Ironischerweise
handelt es sich um denselben physikalischen Vorgang, der dem Kondensator eine
hohe Leistungsdichte verleiht, der die niedrige Energiedichte des
Kondensators verursacht. Er kann beschrieben werden als „easy come,
easy go". Der Energiegehalt
eines Kondensators kann mit folgender Gleichung (1) berechnet werden E = (1/2)CV2 (1)wobei E die
gespeicherte Energie in Joule (J) ist, C ist die Kapazität in Farad
(F), und V ist die Arbeitsspannung des Kondensators in Volt (V).
Offensichtlich wird durch Erhöhen
sowohl von C als auch von V der Energiegehalt eines Kondensators
erhöht.
Da V zum Quadrat genommen wird, hat es eine größere Auswirkung als C auf die
Erhöhung
der Energiedichte eines Kondensators. Des Weiteren kann der Wert
der Kapazität
(C) eines Kondensators mit Hilfe von Gleichung (2) berechnet werden.
Gleichung (2) zeigt, dass C proportional zu der dielektrischen Konstante (K)
eines Elektrodenmaterials eines Kondensators ist und der Elektrodenfläche (A)
in Metern zum Quadrat, und umgekehrt proportional zu dem Abstand
zwischen Elektroden (D) in Metern. C = KA/D (2)
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Um
den Wert von C zu erhöhen,
werden Elektrodenmaterialien mit hohen K-Werten entwickelt, und
der Oberflächenbereich
einer Elektrode (A) wird durch Ätzen
oder andere Mittel vergrößert, während der
Abstand zwischen der Elektrode (D) durch dichtes Packen der Elektroden
minimiert wird. Ein Superkondensator ist eine Art von elektronischem Kondensator,
der Materialien mit sehr großer
Oberfläche
wie etwa kohlenstoffhaltiges Material verwendet, oder ein Metalloxid
mit katalytischer Aktivität
für das
Speichern von elektrischer Energie über physikalische Vorgänge an der
Berührungsfläche zwischen
Elektrode und Elektrolyt. Neben Superkondensatoren sind andere Namen
erfunden worden um Kondensatoren mit hohen Kapazitätswerten
zu beschreiben, zum Beispiel wird die Vorrichtung, in der kohlenstoffhaltiges
Material verwendet wird elektrischer Doppelschichtkondensator (EDLC,
electric double layer capacitor) genannt, während Metalloxid eins ein Ultrakondensator
ist. Bei einem großen Oberflächenbereich
kann ein Superkondensator statische Ladung speichern bis zu mehreren
tausend Farad speichern.
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Obwohl
ein Superkondensator einen hohen Kapazitätswert haben kann, liegt die
Spannung, die zwischen zwei Elektroden, das heißt, der Anode und der Kathode,
aufgebaut wird, nur im Bereich von 1.0 V bis 3.0 V, abhängig davon,
ob eine wässrige
Lösung
oder eine organische Lösung
als Elektrolyt für den
Kondensator verwendet wird.
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Tatsächlich entsprechen
die niedrigen Arbeitsspannungen von Superkondensatoren den Zersetzungsspannungen
der Lösungsmittel
des für
den Kondensator verwendeten Elektrolyten. Im Allgemeinen bieten
organische Elektrolyten höhere
Arbeitsspannungen als ihre wässrigen
Entsprechungen, was wiederum die Leitfähigkeit verringert. Während neue
Elektrolytsysteme weit entwickelt werden, um ihre erreichten Spitzenspannungen
zu erhöhen,
wird die Arbeitsspannung eines Superkondensators bequem und sofort
durch Reihenschaltungen erhöht. Es
gibt zwei Wege, einen Superkondensator in Reihe zu schalten, einer
davon ist der, mehrere Elektroden in einen einzigen Kondensator
zu integrieren wie in US Pat. Nr. 5,450,279; 5,955,215; 6,005,764; 6,187,061;
6,449,139 und 6,507,479, der andere besteht darin, mehrere einzelne
Kondensatoreinheiten nach Verkapselung in einem Leistungsmodul wie
in US Pat. Nr. 6,072,691 und 6,215,278 offenbart, zusammenzusetzen.
Verbindung innerhalb der Zelle von mehreren Elektroden hat mehrere
Vorteile gegenüber
der Reihenschaltung von mehreren verkapselten Einheiten: 1) nur
ein Gehäuse
wird verwendet gegenüber
mehreren Behältern
für letzteres,
2) kurze Kabelverbindungen, oder in einigen Fällen kein Verbindungskabel
gegenüber
langen elektrischen Kabeln für
letzteres, 3) einmalige Verkapselung gegenüber mehrfachen Arbeitsgängen für letzteres,
und 4) homogenisierter innerer Widerstand oder Ersatzreihenwiderstand
(ESR) gegenüber
verschiedenen ESRs in den Einheiten von letzterem. Für eine Verbindung
der Elektroden innerhalb der Zelle ist ein effektives und ökonomisches
Verfahren die Verwendung einer Bipolarelektrode. Die vorhergehende Elektrode
ist eine Elektrode die gleichzeitig als negative und positive Elektrode
dienen kann. In anderen Worten hat eine Seite der Bipolarelektrode
positive Polarität
und die andere Seite negative Polarität. Strukturell wird die Bipolarelektrode
erzeugt durch Einschließen
eines Elektrolyten innerhalb von zwei Elektroden einer Elementarzelle
ohne Elektrolytaustausch zwischen Zellen. Von da an beträgt die minimale
Anzahl von Elektroden eines Bipolarpakets drei, wobei die erste
und die dritte Elektrode jeweils Anode und Kathode sind, und die
mittlere Elektrode die Bipolarelektrode ist. Bei Verwendung der
bipolaren Ausgestaltung werden zwei Elementarzellen in Reihe geschaltet
ohne Draht zu verbinden, sodass sie ein einzelnes Paket bilden,
und es wird weniger Material verbraucht um dieselben Betriebsspannungen
zu erhalten wie die, die bei der Reihenschaltung von zwei einzelnen
verkapselten Kondensatoren gewonnen werden. Dies wird in der detaillierten
Beschreibung der Erfindung ausgeführt.
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GB 2,056,774 beschreibt
einen Kondensator des Standes der Technik mit hoher Spannung und niedriger
Kapazität
US 6,510,043 offenbart einen
spiralförmig
gewickelten Kondensator des Standes der Technik.
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Der
Stand der Technik, zum Beispiel US Pat. Nr. 5,450,279 und 6,005,764
haben die bipolare Ausgestaltung angewendet um ihre Kondensatoren
zusammen zu setzen. Dennoch beruhen beide Arbeiten auf dem Stapeln
von Elektroden um die Kondensatoren zu aufzubauen.
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Patent '279 verwendet auch
einen Trennelementbehälter,
ein eingebautes Trennelement und einen eingebauten Stromabnehmer
für den
bipolaren Effekt, während
Patent '764 zahlreiche
sorgfältig
gestapelte Elementarzellen verwendet, zum Beispiel 100 Paare von
Anode und Kathode für
eine Arbeitsspannung von 100 V. Zusammensetzung der Zellen mit der
Stapelmethode erfordert viele Arbeitsschritte bei der Herstellung,
was den Durchsatz verringert und gleichzeitig die Kosten erhöht. Des
Weiteren wird der ganze Stapel, nachdem die Elektroden gestapelt sind,
oft durch zwei Endplatten in Verbindung mit Bolzen und Muttern gesichert,
was zu einem sperrigen und schweren Gerät führt. Ein Superkondensator sollte
unter einfacher Herstellung der Elementarzelle hergestellt werden,
gefolgt von einfachem Zusammenbau und Packen, um den Anforderungen
der Anwendung zu entsprechen. Wenn die Kosten eines Superkondensators
durch einfache und produktive Herstellung kontrolliert werden können, zusammen mit
einem möglichst
geringen Materialverbrauch, kann der Kondensator auf breite Akzeptanz
stoßen.
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Ein
Superkondensator ist eine vielseitig verwendbare Energiespeichervorrichtung,
dennoch ist die Beachtung, die es in der Industrie findet, unangemessen.
Stückpreis
und elektrische Leistungsfähigkeit
sind die beiden Hauptgründe,
die verhindern, dass Superkondensatoren sich durchsetzen. Dementsprechend
ist ein Gegendstand der vorliegenden Erfindung, einen Superkondensator
mit ausreichender Energiedichte in einem einzigen Paket herzustellen,
um die Anforderungen der Anwendung zu erfüllen.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Superkondensator mit hoher Energiedichte bereitgestellt,
der folgendes umfasst: eine Anode, eine Kathode, wenigstens eine
Bipolarelektrode, die zwischen die Anode und die Kathode geschaltet
ist; eine Vielzahl von Trennelementen, wobei jeweils ein Trennelement nach
der Anode, der Kathode und der Bipolarelektrode angeordnet ist;
und ein Elektrolyt, mit dem die Trennelemente imprägniert sind,
wobei die Anode, die Kathode, die Bipolarelektrode und die Trennelemente
spiralförmig
gewickelt sind, sodass sie eine Rolle bilden, mit einer elektrischen
Zuleitung, die mit der Anode verbunden ist und einer separaten elektrischen
Zuleitung, die mit der Kathode verbunden ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Superkondensator mit hoher
Energiedichte bereitgestellt, der folgendes umfasst: eine Vielzahl
von Kondensatorrollen, wobei jede eine Anode umfasst; eine Kathode;
eine Vielzahl von Trennelementen, die jeweils hinter der Anode,
der Kathode und der Bipolarelektrode angeordnet sind; und ein Elektrolyt,
mit dem die Trennelemente imprägniert sind,
wobei die Anode, die Kathode, die Bipolarelektrode und die Trennelemente
spiralförmig
gewickelt sind, so dass sie eine Rolle mit einer elektrischen Zuleitung
bilden, die mit der Anode verbunden ist, und einer separaten elektrischen
Zuleitung, die mit der Kathode verbunden ist; und eine Behälter mit
mehreren Fächern
zur Aufnahme der Rollen, wobei jede Rolle in einem Fach des Behälters mit
mehreren Fächern
für Reihenschaltung,
Parallelschaltung oder eine Kombination aus beiden angeordnet ist.
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Somit
beinhaltet die Integration der erforderlichen Anzahl von Elementarzellen
in ein Teil der gewünschten
Vorrichtung in der Herstellungsphase niedrigere Kosten und weniger
Aufwand als nachträgliche
Verbindung von verkapselten einzelnen Kondensatoren. Des Weiteren
stellt eine derartige Integration für den Endnutzer einen großen Vorteil
dar.
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Bei
Verwendung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine spiralförmige Wicklung
von, je nach Bedarf, Elektroden und Trennelementen in eine zylindrische,
ovale oder quadratische Rolle eines unitären Superkondensators bereitzustellen.
Jeder unitäre
Kondensator wird in der richtigen Größe hergestellt, um ausreichende
Kapazität
zu liefern wie von den Anwendungen gefordert, sowie in angemessener
Konfiguration für
bestmögliche
Ausnutzung des Raumes des Kondensatorgehäuses. Verglichen mit dem Stapeln
kann das Wickeln einen hohen Oberflächenbereich des unitären Superkondensators
in einem Arbeitsschritt erzeugen. Durch Verwenden von automatischen
Maschinen kann das Wickeln einen Superkondensator schaffen, der
einen hohen Durchsatz aufweist, so dass die Produkte kommerzielle
Lebensfähigkeit
besitzen.
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Bei
Verwendung der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, bipolares
Packen anzuwenden, um die Arbeitsspannung eines unitären Superkondensators
zu erhöhen.
Es kann vier Anwendungen der Kantenabdichtung bei vier verschiedenen
Stufen der spiralförmigen
Wicklung der Elektroden und Trennelemente geben, wobei ein härtbares
Polymer verwendet wird. Die Kantenabdichtung kann nicht nur die
Elektrolyten zwischen zwei Elektroden jeder Elementarzelle einschließen, sondern
auch die Elektroden isolieren, um elektrische Kurzschlüsse und elektrochemische
Reaktionen zu verhindern, so dass der Kriechstrom (LC, leakage current)
des Kondensators verringert werden kann. Da die Elektroden durch
Kantenversiegelung befestigt sind, können Beschädigungen der Elektroden durch
Erschütterung beim
Laden und Entladen des Kondensators minimiert werden.
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Es
ist auch möglich,
nach Bedarf eine Anzahl von unitären
Superkondensatoren in einem Behälter zu
platzieren mit einer benötigten
Anzahl von Fächern,
so dass die einzelnen Einheiten in einer einzigen Vorrichtung mit
ausreichender Energiedichte integriert werden können. Wenn die Strombelastung
einer Anwendung bestimmt wird, dann können die Anzahl sowie die Abmessungen
der Fächer
des Kondensatorgehäuses
festgelegt werden. Dementsprechend werden die unitären Superkondensatoren
hergestellt und in dem Behälter
zusammengesetzt, um den Anforderungen der Anwendung ohne unnötige Materialverschwendung
zu entsprechen. Es gibt keine Beschränkung der Größe des Behälters, der
die unitären
Superkondensatoren beherbergt, solange der integrierte Superkondensator
in den Raum der Anwendung passt.
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Ferner
ist es möglich,
ein härtbares
Vergussmaterial zu verwenden, um das Kondensatorgehäuse hermetisch
abzudichten um die Integration der unitären Superkondensatoren abzuschließen. In
Verbindung mit der Kantenversiegelung sollte Verguss allgemein und
wirksam dazu beitragen, dass die Elektroden vor Beschädigung durch
Erschütterung durch
mechanische Bewegungen, die während
dem Laden und Entladen der Superkondensatoren induziert werden,
geschützt
sind. Viele Vergussmaterialien können
eine mechanische Festigkeit bereitstellen, die der von Bolzen und
Muttern vergleichbar ist. Dennoch ist der Arbeitsschritt des Vergießens einfacher und
schneller als Verschrauben und ersteres führt ebenfalls zu einer dauerhaften
Befestigung.
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Es
soll verstanden werden, dass sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung
als auch die folgende detaillierte Beschreibung exemplarisch sind und
eine weitergehende Erklärung
der Erfindung wie beansprucht bereitstellen.
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Die
begleitenden Zeichnungen sind eingefügt um ein breiteres Verständnis der
Erfindung bereitzustellen und sind in diese Spezifikation inkorporiert
und stellen einen Teil von ihr dar. Die Zeichnungen veranschaulichen
Ausführungsformen
der Erfindung und dienen, zusammen mit der Beschreibung, dazu, die
Prinzipien der Erfindung zu erklären.
Von den Zeichnungen zeigt
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1 eine
typische Rolle des spiralförmig gewickelten
Superkondensators, die 2 Elektrodenblätter und 2 Trennelementblätter gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung enthält;
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2 einen
handbetriebenen Aufwickler, mit dem eine längliche quadratische Rolle
erzeugt werden kann gemäß der bevorzugten
Ausführungsform der
Erfindung;
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3 sechs
unitäre
Rollen, die in den sechs Fächern
eines Behälters
angeordnet sind, darin sind die Rollen in Reihe geschaltet gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung
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4 einen
integrierten Superkondensator, der einen hohen Kapazitätswert und
hohe Arbeitsspannung aufweist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung; und
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5 die
Entladungskurven mit vier verschiedenen Entladungsraten eines exemplarischen Superkondensators
wie in 4 veranschaulicht.
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Die
Entwicklung von Superkondensatoren wurde aktiv in zwei Bereichen
fortgeführt,
einer ist die Verbesserung der Vorrichtung, der andere sind innovative
Anwendungen von Kondensatoren. Ohne leistungsstarke und erschwingliche
Superkondensatoren können
die Anwendungen nicht realisiert werden. Viele Anstrengungen werden
darauf verwendet, die Energie der Vorrichtung zu verbessern. Sowohl
die Kapazität
als auch die Spannung müssen
gemeinsam ihr jeweiliges Minimum erreichen wie durch eine Last definiert,
anderenfalls kann der Superkondensator diese Last nicht ansteuern.
Jedoch werden unitäre
Kondensatoren im Allgemeinen hergestellt, um unter einer Spannung
von 3.0 V, oder genau genommen 2.3 V bis 2.5 V, betrieben zu werden
während
der Kapazitätswert
eines Kondensators 1000 F übersteigen kann.
Viele Anwendungen, zum Beispiel Memory-Backups von Computern und
Verbrennungsmotoren von Fahrzeugen erfordern eine Fahrspannung über 3.0
V, haben jedoch weniger als 1000 F Bedarf an Kapazität. Darin
besteht für
Benutzer das Dilemma, dass zwei 2.5 V Kondensatoren für eine Arbeit, die
lediglich 3.0 V oder 3.3 V erfordert, in Reihe geschalten werden
müssen.
Nicht nur sind die Kosten hoch, sondern es kann auch sein, dass
es nicht genug Platz für
zwei Kondensatoren gibt. Es wäre
vorteilhaft, die Arbeitsspannung eines unitären Superkondensators von 2.5
auf 5.0 V zu erhöhten.
Durch geschicktes Packen kann ein unitärer Superkondensator leicht
eine Arbeitsspannung von 5.0 V oder höher erreichen, wobei er weniger
Material benötigt
als die herkömmliche
Baugruppe. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung, wobei eine längliche
quadratische Rolle 100 durch spiralförmiges Wickeln einer Anode 102 und
einer Kathode 104 zusammen mit zwei Trennelementen 103 gebildet wird.
Jede der beiden Elektroden ist auch durch Punktschweißen oder
Crimpen an einer elektrischen Zuleitung befestigt, wie etwa die
Anodenzuleitung 106 und die Kathodenzuleitung 108.
Im Übrigen
veranschaulicht 1 auch die Basisarchitektur
eines herkömmlichen
Superkondensator, der durch konzentrisches Wickeln hergestellt wird,
wobei ebenfalls zwei Elektroden und zwei Trennelemente verwendet werden.
Elektroden 102 und 104 werden am einfachsten durch
Walzenbeschichten mit einer Paste eines kostengünstigen und aktiven Materials,
wie etwa aktivierte Kohle, Fe3O4,
MnO2 oder NiO, auf einem ökonomischen
Substrat wie etwa Alufolie mit einer Dicke von 20 bis 100 μm, gefolgt
von thermischem Trocknen. Poröse
Materialien wie etwa Manilapapier, Polyethylen (PE) oder Polypropylen
(PP) mit einer Dicke von 20 bis 100 μm können als das Trennelement verwendet
werden um Kurzschlüsse zu
verhindern, auch um den Elektrolyten zu enthalten. Nachdem die Rolle 100 mit
einem Elektrolyten imprägniert
wurde, zum Beispiel 1 M Tetraethylamoniumtetrafluoroborat ((C2H5)4NBF4) in Propylencarbonat (PC), kann der so
hergestellte Kondensator mit einer Arbeitsspannung von 2.5 V geladen
werden, während
der Kapazitätswert
des Kondensators bestimmt wird durch den Oberflächenbereich, oder die Länge und
Breite von in der Rolle 100 eingeschlossenen Elektroden.
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Wie
in 1 gesehen, gibt es ein nach jeder Elektrodenfolie
platziertes Trennblatt, so dass ein elektrischer Kurzschluss verhindert
werden kann. Wenn man eine Elektrode 109 und ein weiteres Trennelement 103 an
die Stelle hinter das Trennelement 103 neben der Kathode 104 einsetzt,
zusammen mit an vier Seiten der Rolle während oder nach dem Wickelvorgang
angewendeter Kantenversiegelung, wird so ein bipolarer Superkondensator
in einer unitären
Rolle erzeugt. Am Anfang des spiralförmigen Wickelns von drei Elektroden
und drei Trennelementen werden die Anfänge der sechs Blätter verbunden
unter Verwendung eines härtbaren
Polymers, zum Beispiel Epoxiden, Polyacrylaten, Polyurethanen oder
Polyestern. Dies stellt die erste Kantenversiegelung des bipolaren
Pakets dar. Daraufhin, nach Abschluss des Wickelvorgangs und nachdem die
Rolle mit einem Band gesichert ist, werden die äußersten Enden der sechs Blätter erneut
mit demselben Abdichtungsmittel verbunden, um eine zweiten Kantenversiegelung
zu erhalten. Anschließend wird
das untere Ende der Rolle versiegelt unter Verwendung des Polymers,
während
das obere Ende der Rolle mit den hervorstehenden Zuleitungen versiegelt
wird, nachdem ein Elektrolyt eingespritzt wurde, um die Trennelemente
zu durchweichen. Die Aushärtezeit
des Kantenabdichtungsmittels kann eingestellt werden, indem die
Formulierung des Abdichtungsmittels modifiziert wird. Daraufhin
wird der Elektrolyt durch die Kantenversiegelung in der Rolle eingeschlossen
und der resultierende Kondensator kann bei 5.0 V betrieben werden
unter Verwendung von 1 M (C2H5)4NBF4/PC oder anderer
geeigneter organischer Lösungen
als Elektrolyt. Tatsächlich
hat der obige Vorgang des Kantenversiegelns dazu geführt, dass
zwei Elementarzellen innerhalb der unitären Rolle in Reihe geschaltet
werden, ohne dass ein Verbindungsdraht benutzt wird. In Verbindung
mit der Anode 102 funktioniert die Oberflächenseite
der Mittelelektrode 109 als eine Kathode, während die
andere Seite derselben Elektrode funktional eine Anode für die Kathode 104 darstellt.
Aufgrund zwei verschiedener Polaritäten, die auf der Mittelelektrode 109 existieren,
wird sie eine Bipolarelektrode genannt. Alle drei Elektroden, Anode,
Kathode und Bipolarelektrode 109 sind identisch hergestellt.
Wenn mehr Bipolarelektroden 109 zwischen Anode 102 und
Kathode 104 inkorporiert sind, dann ist ein unitärer Superkondensator
in der Lage, bei Spannungen über 5.0
V zu arbeiten.
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Ein
5.0 V Bipolarkondensator des Wicklungstyps besteht aus drei Blättern von
Elektroden und drei Blättern
von Trennelementen in einem Behälter.
Um die gleiche Arbeitsspannung von 5.0 V zu erreichen, müssen zwei
herkömmliche
Superkondensatoren von jeweils 2.5 V unter Verwendung eines Verbindungsdrahts
in Reihe geschaltet werden. Beim Verbinden der beiden herkömmlichen
Kondensatoren verbraucht das Paket vier Elektroden und vier Trennelemente,
sowie zwei Behälter.
Von da an verbraucht das bipolare Packen weniger Material als bei
dem herkömmlichen
Weg des Aufbaus des Superkondensators mit 5.0 V Arbeitsspannung.
Des Weiteren, aufgrund der Tatsache, dass das Trennelement einen
Großteil
des Elektrolyten enthält
und der Elektrolyt die teuerste Komponente des Superkondensators
ist, wird, je mehr Trennelemente verwendet werden, dies zu höheren Materialkosten
des Superkondensators führen.
Ein weiterer Vorteil des bipolaren Packens ist der, dass die Kantenabdichtung auch
das Substratmetall, Aluminium in der Erfindung, isolieren kann,
das während
der Herstellung exponiert sein kann, sodass Kriechstrom des Superkondensators
dadurch verringert werden kann, dass man verhindert, dass das blanke
Metall mit irgendeinem beliebigen aktiven Verschmutzungsstoff, zum Beispiel,
Wasser, der in dem System vorliegen kann reagiert.
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2 zeigt
einen handbetriebenen Wickler 200 für das Herstellen einer Superkondensatorrolle wie
etwa 100. Ohne die Abmessungen zu spezifizieren, besteht
Wickler 200 aus einem Metallblock 212 als Hauptkörper, der
oben auf dem Amboss 211 sitzt, der an einer Arbeitsfläche befestigt
werden kann (Befestigungsmuttern werden nicht gezeigt). Es gibt
zwei Wände,
die durch 201 dargestellt werden, die über Sechskantschrauben, die
mit 202 ausgewiesen sind, an dem Körperblock 212 befestigt
sind. Regler 204 ist mit einem Rissgriff 203 für das manuelle
Drehen ausgestattet, und einem Schlitz 205 für das Halten
der Anfänge
der Elektroden und der Trennelementblätter. Unter Verwendung einer
drehbaren Platte 207, einer Blende 209, der Einstellleiste 208 und
den mit 210 bezeichneten Befestigungsschrauben, kann der Regler 204 fest über die
Wände von
Wickler 200 angeordnet werden. Während Schlitz 205 die
Elektroden und Trennelemente hält,
kann der Führungsstab 206 in
Verbindung mit einer durch Handgreifen erzeugten Spannung der vorhergehenden
Blätter
dazu beitragen, dass die zahlreichen Blätter eine sorgfältig geformte
Rolle bilden. Wenn der Wicklungsvorgang abgeschlossen ist, dann
kann die Rolle durch Ziehen des Griffs 203 nach rechts
entnommen werden. Anwendung eines Abdichtungsmittels für die Kantenversiegelung,
sowie Verkleben der Rolle für
die Komprimierung werden manuell ausgeführt. Nichtsdestoweniger können sämtliche
manuelle Vorgänge
einschließlich
Wickeln, Kantenversiegelung, Verbinden der elektrischen Zuleitung
und Vergießen
automatisiert werden. Dabei wird der handbetriebene Wickler 200 dazu
verwendet, eine einfache Darlegung der Gegenstände der Erfindung bereitzustellen
anstatt den Wickler als ein Massenproduktionshilfsmittel zu beanspruchen.
Beide Durchmesser, das heißt,
Länge in
der längeren
Richtung und Höhe
der Kondensatorrolle wie etwa 100, werden bestimmt durch
die Breite und Länge
des linken Teilbereichs, der außerhalb
der linken Wand des Wicklers, bzw. des Reglers 204 liegt.
Die dritte Abmessung der Rolle wie etwa 100, oder die Rollendicke,
kann leicht durch die Anzahl der Drehungen des Rissgriffs 203 gesteuert
werden, und die Dicke der Rollen wiederum ist entscheidend für den Kapazitätswert des
hergestellten Kondensators.
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3 veranschaulicht
eine weitere bevorzugte Ausführungsform
des Superkondensators mit hoher Energiedichte 300 gemäß der vorliegenden
Erfindung. Superkondensator 300 verwendet einen herkömmlichen
kastenartigen Behälter 310 einer Blei-Säure-Batterie
mit sechs Fächern,
die durch 312 dargestellt werden. In jedem Fach ist eine
längliche quadratische
Rolle, die durch 340 dargestellt wird, angeordnet, die
unter Verwendung eines handbetriebenen Wicklers, wie der in 2 veranschaulichte, hergestellt
wird. Jede Kondensatorrolle wird so hergestellt, dass sie den Platz
in jedem Fach optimal ausnutzt. Anschließend werden die sechs Kondensatorrollen über Verbindungskabel,
die durch 350 dargestellt werden, in Reihe geschaltet,
um das Modul mit hoher Energiedichte 300 zu bilden. Einschließlich der
Zuleitungen 320 und 330, die jeweils als Anode und
Kathode dienen, sollten sämtliche
Verbindungskabel in der Lage sein, hohe Ströme zu transportieren, zum Beispiel,
Hunderte von Ampere (A). Wenn die Kondensatorrollen 340 vom
herkömmlichen
Typ sind, der einen organischen Elektrolyten verwendet, kann Superkondensator 300 bei
15 V betrieben werden. Jedoch, wenn die Kondensatorrollen 340 durch das
biolare Packen hergestellt werden, dann kann Superkondensator 300 bei
30 V betrieben werden, dennoch wird sein Kapazitätswert geringer sein als der
durch herkömmliche
Kondensatorrollen erzeugte. Im Hinblick auf Gleichung (1) wird der
Elektrodenabstand (D) n-fach erhöht
wenn n Teile von Kondensatoren gleicher Kapazität in Reihe geschaltet werden,
sodass die Gesamtkapazität
gleich der Kapazität
eines einzelnen Kondensators geteilt durch die Anzahl (n) der Kondensatoren,
die das Packet bilden, ist. Bei Verwenden des gleichen Materialsystems
und Elektrodenoberflächenbereichs,
sollte ein bipolarer Superkondensator, der eine Bipolarelektrode
enthält, mindestens
die Hälfte
des Kapazitätswerts
einer nicht bipolaren Entsprechung aufweisen.
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Andererseits
weist der bipolare Superkondensator mit dem zweifachen Wert der
Arbeitsspannung gemäß Gleichung
(2) den zweifachen Energiegehalt des nicht bipolaren auf. Während die
Materialentwicklung viel Zeit und kostspielige Arbeiten erfordert,
um die Arbeitsspannung eines Superkondensators erfolgreich zu erhöhen, ist
die Reihenschaltung ein sofort wirksames Mittel, um die Arbeitsspannung des
Superkondensators zu verbessern. Reihenschaltung beeinträchtigt jedoch
oftmals die Zuverlässigkeit eines
Systems, wobei die enthaltenen Bauteile in der Reihenkonfiguration
sind. Fällt
ein Bauteil aus, dann bricht sofort das gesamte System zusammen.
Aus diesem Grund sollte Reihenschaltung unter Verwendung von so
wenig Bauteilen und Verbindungselementen wie möglich durchgeführt werden.
Eine biopolare Ausgestaltung der Erfindung kann zwei Elementarzellen
in einem Paket in Reihe schalten, lediglich mittels eines Bipolarelektrodenteils,
und die Arbeitsspannung wird gegenüber der nicht polaren Entsprechung
verdoppelt. Die bipolare Vorrichtung ist ein Baustein, der weitere
Reihenschaltung hin zu höheren
Arbeitsspannungen erleichtern kann, wie in 3 veranschaulicht.
Durch Anbringen einer Abdeckung 420 über die Oberseite von Gehäuse 310,
das nun in FIG. Durch 410 dargestellt ist, wird ein verkapselter
Superkondensator 400 mit hohem Kapazitätswert und hoher Arbeitsspannung
gemäß der Erfindung
hergestellt. Auf der Abdeckung 420 befindet sich eine positive
Kontaktklemme 430, sowie eine negative Kontaktklemme 440,
die jeweils elektrisch mit Zuleitungen 320 und 330 verbunden
sind, um verschiedene Leistungen an verschiedene Lasten zu liefern.
Sowohl Abdeckung 420 als auch Gehäuse 410 bestehen aus
einem elastischen Material, zum Beispiel PE, PP, verstärktes PE
oder verstärktes
PP. Wenn ein Abdichtungsmittel zur Kantenabdichtung an der Unterseite
der bipolaren Rollen 340 aufgetragen wird, dann kann das
Abdichtungsmittel auch in jedem Fach von Gehäuse 410 aufgetragen
werden, sodass die Kondensatorelemente dauerhaft an einer Stelle
fixiert werden. Durch Kantenversiegelung und Fixierung können die
Elemente, aus denen Superkondensator 400 besteht, vor Beschädigungen
durch Erschütterung
während
dem Laden und Entladen des Kondensators geschützt werden. Anstatt Bolzen und
Muttern zu verwenden, können
Abdeckung 420 und Gehläuse 410 über ein
Vergussmaterial befestigt werden, das oben erwähnten Abdichtungsmittel ähnlich ist.
Neben den erforderlichen Kapazitätswerten und
Arbeitsspannungen sollte der Superkondensator auch einen niedrigen
ESR-Wert aufweisen, um eine Anwendung zu unterstützen. Ein hoher ESR-Wert kann
die Leistungsabgabe des Superkondensators unter den Antriebswert
herabsetzten. Kompaktes Packen der Superkondensatorelektroden durch
konzentrisches Wickeln, Kantenversiegelung, und Befestigen kann
insgesamt den ESR des Kondensators minimieren. Dabei stellt die
Erfindung Herstellungen von zylindrischen, ovalen oder quadratischen
Superkondensatoren mit Kapazitätswerten
gleich oder über
1 F und Arbeitsspannungen gleich oder über 5 V sowie einem ESR unter
30 mΩ bereit.
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Das
folgende Beispiel, bei dem eine spiralförmige Wicklung und ein Behälter mit
mehreren Fächern
verwendet werden, dient lediglich dazu, die Herstellung eines Superkondensators
mit hoher Energiedichte gemäß der Erfindung
zu demonstrieren, nicht aber dazu, diese einzuschränken.
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BEISPIEL
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Sechs
längliche
quadratische Rollen werden auf dem handbetriebenen Wickler, wie
in 2 gezeigt, vorbereitet. Ein Blei-Säure-Gehäuse mit
sechs Zellen, das eine Länge
von 11 cm, eine Breite von 6.6 cm, eine Höhe von 8.5 cm aufweist und
in dem jedes Fach Abmessungen von 1.6 × 6.3 × 7 cm aufweist, wird verwendet
um die Kondensatorrollen zu enthalten. Jede Kondensatorrolle besteht
aus zwei Elektroden und 2 Trennelementen mit einer derartigen Größe, dass
sie genau in das Fach passen. Nachdem die Kondensatorrollen mit
1 M (C2H5)4NBF4/PC imprägniert wurden,
werden die Rollen in Reihe geschaltet und derart verkapselt, dass
sie einen Superkondensator von 15 V × 32 F, wie in 4 angezeigt,
bilden. Obwohl der Superkondensator primitiv durch ein manuelles
Verfahren hergestellt wird, ergibt er gute Entladungskurven bei
vier verschiedenen Entladungsraten, wie in 5 gezeigt.
Mit einem Gesamtgewicht von 550 g und einem gemessenen Spitzenstrom
von 170 A hat der so hergestellte Superkondensator eine experimentelle
Energiedichte von 4.6 KW/Kg, die ausreichend für viele Anwendungen einschließlich des
Anlassens von Fahrzeugen ist.
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Einem
Fachmann ist ersichtlich, dass verschiedenen Änderungen und Variationen an
der Struktur der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne
von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Im Hinblick auf
das Voranstehende, ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung
sich auf Änderungen
und Variationen dieser Erfindung erstreckt, vorausgesetzt, diese
fallen in den Schutzumfang der folgenden Ansprüche.