DE69015525T2 - Elektrischer Doppelschichtkondensator. - Google Patents

Elektrischer Doppelschichtkondensator.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Doppelschichtkondensator hoher elektrostatischer Kapazität, der die Prinzipien einer elektrischen Doppelschicht nutzt.
  • Kürzlich sind basierend auf den Prinzipien der elektrischen Doppelschicht Kondensatoren hoher Kapazität als Sicherheitsspannungsversorgungen von Speichern in elektronischen Systemen entwickelt worden, und finden in Mikrocomputern und IC Speichern eine weite Verbreitung.
  • Ein elektrischer Doppelschichtkondensatortyp wird z.B. im US-A-3536963 offengelegt. Fig. 6 der beigefügten Abbildungen zeigt die Struktur des offenbarten elektrischen Doppelschichtkondensators. Der elektrische Doppelschichtkondensator enthält eine einzige Basiszelle, zusammengesetzt aus einem Stromkollektorpaar 30 eines elektonischen Leiters, welches als Kollektorelektrodenpaar dient, einem Kohlenstoffelektrodenpaar 20 aus aktivierten Kohlenstoffpartikein, einer nichtleitenden Dichtung 10 und einem Separator 40, der zwischen den Kohlenstoffelektroden 20 angeordnet ist, um eine Elektronenbewegung zwischen den Elektroden 20 zu verhindern. Die Kohlenstoffelektroden 20 sind als pastöse Elektroden aus einer konzentrierten Aufschlämmung ausgeführt, welche eine Mischung pulverförmigem oder partikularein aktivierten Kohlenstoffs und eines Elektrolyten ist. Der Elektrolyt hat drei Funktionen. Er dient als Promotor der Ionenleitfähigkeit, als eine Ionenquelle und als ein Bindemittel für die Kohlenstoffpartikel.
  • Von Bedeutung ist, daß der Innenwiderstand eines elektrischen Doppelschichtkondensators gering ist. Der Innenwiderstand eines elektrischen Doppelschichtkondensators wird stark durch den Kontaktwiderstand der Aktivkohle der polarisierten Elektroden und dem Kontaktwiderstand zwischen den Kollektorelektroden und den polarisierten Elektroden beeinflußt.
  • Um folglich den Innerenwiderstand der polarisierten Elektroden und den Kontaktwiderstand zwischen dem Kollektor und den polarisierten Elektroden zu reduzieren, sollte jede Basiszelle mit vertikalem Druck beaufschlagt werden, damit die Partikel der aktivierten Kohlenstoffmasse in gutem elektrischen Kontakt zueinander stehen. Herkömmliche elektrische Doppelschichtkondensatoren erfordern, daß jede Zelle mit Druck von 100 kg/m² beaufschlaqt ist, obgleich dies von der Größe der Elektroden, der Partikelgröße des Kohlenstoffmaterials oder der Art des verwendeten Elektrolyten abhängig ist. In älteren elektrischen Doppelschichtkondensatoren sind die Zellen durch Formänderung der äußeren Kondensatorgehäuse oder durch feste Bindung der Stromkollektoren an die Dichtungen mit Druck beaufschlagt worden. Wird ein elektrischer Doppelschichtkondensator als ein Kondensator großer Kapazität verwendet, z.B. als eine Spannungsversorgung zum Betreiben eines Motors, dann ist eine Vergrößerung der Querschnittsflächen der Elektroden der Basiszelle notwendig. Folglich muß der beaufschlagte Druck erhöht werden. Die Druckerhöhung zieht allerdings einige praktische Probleme nach sich wie diejenigen, der Auswahl einer Einrichtung um den Druck aufzubringen und der Notwendigkeit hoher Steifigkeit der äußeren Zelle, welche die Basiszelle beherbergt.
  • Um die obengenannten Probleme zu bewältigen, stellt der Anmelder einen elektrischen Doppelschichtkondensator vor, mit polarisierten Elektroden jede in der Form eines porosen, gesinterten Körpers und mit Stromkollektoren jeder aus elektrischleitfähigem Material, welches in eine Basis gemischte elektrischleitfähige feine Partikel umfaßt, wobei die Stromkollektoren mit einer Oberfläche der polarisierten Elektroden und mit Eintrittsporen der polarisierten Elektroden verbunden sind (siehe die japanische Patentanmeldung Nr. 1 (1989)-232243). Da die polarisierten Elektroden als dünne Platten poröser gesinterter Körper ausgeführt sind, weist der elektrische Doppelschichtkondensator einen geringen Innenwiderstand auf. Nimmt zum Erreichen einer höheren elektrostatischen Kapazität die Größe der Elektroden zu, reduziert sich aufgrund der geringen Dichte der porösen gesinterten Körper deren mechanische Stärke, und die Elektroden neigen folglich bei Wirkung externer Biege- und Drehbelastungen zum Zerbrechen. Herstellung großer gesinterter Elektroden erfordert teuere Formen, und ist dadurch hinsichtlich der Kosten problematisch.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektrischen Doppelschichtkondensator mit einer elektrischen Doppelschicht zu schaffen, welche sich aus einer Grenzfläche zwischen polarisierten Elektroden und einem Elektrolyten zusammensetzt, wobei der elektrische Doppelschichtkondensator einen reduzierten Innenwiderstand der polarisierten Elektroden und einen reduzierten Kontaktwiderstand zwischen Kollektor und den polarisierten Elektroden aufweist, und derart aufgebaut ist, daß die Elektroden vor Zerstörung geschützt und kostengünstig hergestellt werden.
  • Erfindungsgemäß ist ein elektrischer Doppelschichtkondensator vorgesehen mit einer elektrischen Doppelschicht, welche sich aus einer Grenzfläche zwischen polarisierten Elektroden und einem Elektrolyten zusammensetzt, wobei der Kondensator enthält:
  • mindestens zwei polarisierte Elektroden, von denen jede mehrere dünne plattenartige Elektrodenelemente aufweist, welche nebeneinander und durch Zwischenräume voneinander getrennt angeordnet sind, wobei die polarisierten Elektroden Oberflächen aufweisen, die ohne Kontakt zueinander in gegenüberliegender Beziehung ausgerichtet sind;
  • zwei Stromkollektoren, welche mit anderen Oberflächen dieser Elektrodenelemente verbunden sind;
  • pastösen Elektroden, welche diese Zwischenräume zwischen den Elektrodenelementen ausfüllen und jede sich aus einer gemischten Masse bzw. Paste aktivierten Kohlenstoffpulvers und des Elektrolyten zusammensetzt; und
  • einer Dichtung, die zwischen den Stromkollektoren angeordnet ist und die polarisierten Elektroden umgibt, wobei die Dichtung mit peripheren Kanten der Stromkollektoren verbunden ist.
  • Die obenerwähnten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung weiter verdeutlicht, welche erfindungsgemäße bevorzugte Ausführungsbeispiele als erläuterende Beispiele darstellen.
  • In der Zeichnung ist:
  • Fig. 1 ein Teilstück einer Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines elektrischen Doppelschichtkondensators;
  • Fig. 2 eine Ansicht des Querschnitts entlang der Linie II - II der Fig. 1;
  • Fig. 3 eine Querschnittsansicht des elektrischen Doppelschichtkondensators;
  • Fig. 4 ein Teilstück einer Querschnittsansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines elektrischen Doppelschichtkondensators;
  • Fig. 5 ein Teilstück einer Querschnittsansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines elektrischen Doppelschichtkondensators; und
  • Fig. 6 eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen elektrischen Doppelschichtkondensators.
  • Wie in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellt, enthält ein elektrischer Doppelschichtkondensator ein Dichtungspaar 1a, 1b jede aus einem isolierenden Material und mit einer geeigneten Breite versehen, wobei die Dichtungen 1a, 1b den gesamten Umfang einer rechteckigen Konfiguration umgeben.
  • Der elektrische Doppelschichtkondensator weist mehrere dünne plattenförmige rechteckige Elektrodenelemente 2a auf, jedes in der Form eines porösen gesinterten Körpers, welcher aus feinen Partikeln aktivierten Kohlenstoffs durch Feuerung oder Plasmazerstäubung gefertigt wird, wobei die Elektrodenelemente 2a die Gestalt eines wabenförmigen Aufbaus haben und als eine erste polarisierte Elektrode fungieren. Da die aktivierten Kohlenstoffpartikel in jedem der Elektrodenelemente 2a durch Sinterung zusammengefügt worden sind, ist der Innenwiderstand der Elektrodenelemente 2a von geringer Größe. Die Elektrodenelemente 2a haben aufgrund ihrer porösen Natur eine große Oberfläche. Die Elektrodenelemente 2a sind mit einem Elektrolyten getränkt bzw. imprägniert.
  • Der elektrische Doppelschichtkondensator weist ebenfalls mehrere dünne plattenförmige rechteckige Elektrodenelemente 2b auf, jedes in der Form eines porösen gesinterten Körpers, welcher aus feinen Partikeln aktivierten Kohlenstoffs durch Feuerung oder Plasmazerstäubung gefertigt wird, wobei die Elektrodenelemente 2b die Gestalt eines wabenförmigen Aufbaus haben und als eine zweite polarisierte Elektrode fungieren. Die Elektrodenelemente 2a und die Elektrodenelemente 2b haben gegenüberliegende Oberflächen, die miteinander keinen Kontakt haben. Die gegenüberliegenden Oberflächen der Elektrodenelemente 2a, 2b stehen in jeweiligem Kontakt mit Stromkollektoren 3a, 3b und sind miteinander elektrisch verbunden.
  • Jeder der Stromkollektoren 3a, 3b wird wie folgt hergestellt: Elektrischleitfähige feine Partikel werden in unvulkanisiertes Gummi als eine Basis gemischt, und die Mischung wird mit den Elektrodenelementen durch Heißvulkanisierung (hot curing) verbunden. Das Material der Stromkollektoren dringt dadurch in die Poren der porösen Elektrodenelemente ein, und die peripheren Kanten der Stromkollektoren werden in undurchdringlichem innigstem Kontakt mit den gesamten Umfangskanten der Dichtungen 1a, 1b sicher befestigt.
  • Pastöse Elektroden 5a, 5b, jede hergestellt aus einer gemischten Masse bzw. Paste aktivierten Kohlenstoffpulvers und eines Elektrolyten werden in Zwischenräume zwischen den Elektrodenelementen 2a und in Zwischenräume zwischen den Elektrodenelementen 2b gefüllt. Elektrische Ladungen, die von dem aktiviertem Kohlenstoff der pastösen Elektroden 5a, 5b gespeichert sind, werden durch die Stromkollektoren 3a, 3b gesammelt.
  • Zwischen einer Struktur, aufgebaut van der ersten polarisierten Elektrode, welche sich zusammensetzt aus den Elektrodenelementen 2a, der pastösen Elektrode 5a, dem Stromkollektor 3a und der Dichtung 1a, und einer weiteren Struktur, aufgebaut von der zweiten polarisierten Elektrode 2b, welche sich zusammensetzt aus den Elektrodenelementen 2b, der pastösen Elektrode 5b, dem Stromkollektor 3b und der Dichtung 1b, ist ein Separator 4 aus Vliesmaterial wie Polypropylen angeordnet, um keine Kontaktierung der Elektrodenelemente 2a, 2b und der pastösen Elektroden 5a, 5b zu zulassen, wobei eine Elektronenbewegung zwischen den Elektrodenelementen und den pastösen Elektroden verhindert wird, während eine Ionenbewegung zwischen denselben zulässig ist. Bei Übereinanderlagerung der obengenannten Strukturen ist der Separator 4 zwischen den polarisierten Elektroden positioniert, und die äußere Peripherie des Separators 4 ist fest mit den Dichtungen 1a, 1b verbunden.
  • Elektrische Ladungen, welche von den mit dem Elektrolyten getränkten bzw. imprägnierten Elektrodenelementen 2a, 2b und von den aktivierten Kohlenstoffpartikeln der pastösen Elektroden 5a, 5b gespeichert sind, werden durch die Stromkollektoren 3a, 3b gesammelt, die gebunden an oder befestigt gegen die Elektrodenelemente 2a, 2b und die pastösen Elektroden 5a, 5b sind. Da die Elektrodenelemente 2a, 2b, aus denen die polarisierten Elektroden aufgebaut sind, als dünne plattenförmige poröse gesinterte Körper ausgeführt sind, sammeln die Stromkollektoren 3a, 3b über Pfade eines geringen Innenwiderstands elektrische Ladungen, die von dem aktivierten Kohlenstoff der Elektrodenelemente gespeicherter werden. Folglich weist der elektrische Doppelschichtkondensator einen geringen Innenwiderstand auf. Die polarisierten Elektroden bauen sich aus den Elektrodenelementen 2a, 2b auf, welche parallel zu den Stromkollektoren 3a, 3b verbunden sind. Elektrische von den Elektrodenelementen gespeicherte Ladungen werden miteinander vereinigt, obgleich diese elektrischen Ladungen einzeln ein geringes Niveau haben, und von den pastösen Elektroden 5a, 5b gespeicherte elektrische Ladungen werden ebenfalls zugefügt. Als Folge dessen, ergibt sich eine hohe Kapazität für den elektrischen Doppelschichtkondensator. Da die Elektrodenelemente 2a, 2b der polarisierten Elektroden eine kleine Größe haben, ist jede Verformung oder Spannung des Kondensators selbst bei Einwirkung externer Kräfte auf den Kondensator klein und jegliche auf den Kondensator wirkenden Beanspruchungen werden vereinzelt und verteilt. Der Kondensator wird folglich vor der Zerstörung durch übermäßige externe Kräfte geschützt.
  • Fig. 4 zeigt bruchstückhaft ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines elektrischen Doppelschichtkondensators. Die Teile der Fig. 4, die mit denjenigen der Fig. 1 bis 3 übereinstimmen, sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und werden im folgenden nicht im Detail beschrieben. Im Ausführungsbeispiel in Fig. 4 haben Elektrodenelemente 21a (21b), jedes in der Form eines porösen gesinterten Körpers aus aktiviertem Kohlenstoff ausgeführt und als polarisierte Elektrode fungierend, jeweils die Gestalt eines rechteckigen Aufbaus. Die Elektrodenelemente mente 21a (21b) sind durch dazwischenliegende schmale Zwischenräume getrennt, und mit den Stromkollektoren 3a (3b) verbunden. Die schmalen Zwischenräume zwischen den Elektrodenelementen 21a (21b) werden mit einer pastösen Elektrode 51a (51b) aus einer gemischten Masse bzw. Paste aktivierten Kohlenstoffpulvers und eines Elektrolyten ausgefüllt. Die Elektrodenelemente sind mit einem Elektrolyten getränkt bzw. imprägniert, und zwei Strukturen werden übereinander gelagert und miteinander mit einem dazwischenliegendem Separator verbunden, wodurch ein elektrischer Doppelschichtkondensator vervollständigt wird.
  • Fig. 5 stellt bruchstückhaft ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines elektrischen Doppelschichtkondensators dar. Die Teile in Fig. 5, die mit denjenigen der Fig. 1 bis 3 übereinstimmen, sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und werden im folgenden nicht im Detail beschrieben. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 haben Elektrodenelemente 22a (22b), jedes in der Form eines porösen gesinterten Körpers aus aktiviertem Kohlenstoff ausgeführt und als polarisierte Elektrode fungierend, jeweils die Gestalt eines kreisförmigen Aufbaus. Die Elektrodenelemente 22a (22b) sind durch dazwischenliegende schmale Zwischenräume getrennt, und mit den Stromkollektoren 3a (3b) verbunden. Die schmalen Zwischenräume zwischen den Elektrodenelementen 22a (22b) werden mit einer pastösen Elektrode 52a (52b) aus einer gemischten Masse bzw. Paste aktivierten Kohlenstoffpulvers und eines Elektrolyten ausgefüllt.

Claims (7)

1. Ein elektrischer Doppelschichtkondensator mit einer elektrischen Doppelschicht, die eine Grenzfläche zwischen polarisierten Elektroden und einem Elektrolyten umfaßt, wobei der Kondensator enthält:
mindestens zwei polarisierte Elektroden, von denen jede mehrere dünne plattenförmige Elektrodenelemente (2a, 2b) aufweist, welche nebeneinander und durch Zwischenräume voneinandergetrennt angeordnet sind, wobei die polarisierten Elektroden Oberflächen aufweisen, die ohne Kontakt zueinander und in gegenüberliegender Beziehung ausgerichtet sind;
zwei Stromkollektoren (3a, 3b), welche mit anderen Oberflächen dieser Elektrodenelemente verbunden sind; pastöse Elektroden (5a, 5b), welche die Zwischenräume zwischen den Elektrodenelementen (2a, 2b) füllen und jede sich aus einer gemischten Masse bzw. Paste aktivierten Kohlenstoffpulvers und des Elektrolyten zusammensetzt; und
einer Dichtung (1a, 1b), die zwischen den Stromkollektoren angeordnet ist und die polarisierten Elektroden umgibt, wobei die Dichtung mit peripheren Kanten der Stromkollektoren verbunden ist.
2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich jede der Elektrodenelemente (2a, 2b) aus einem gesinterten Körper zusammensetzt.
3. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenelemente (2a, 2b) in einem wabenförmigen Aufbau angeordnet sind.
4 Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Elektrodenelemente (21a, 21b) rechteckförmig ist.
5. Kondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Elektrodenelemente (22a, 22b) kreisförmig ist.
6. Kondensator nach Anspruch 2 oder nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Stromkollektoren eine Basis unvulkanisiertem Gummis mit darin vermischten elektrischleitfähigen feinen Partikeln umfaßt, wobei die Stromkollektoren mit den Elektrodenelementen durch eine Heißvulkanisierung (hot curing) des unvulkanisierten Gummis verbunden sind.
7. Kondensator nach Anspruch 2 oder Anspruch 2 und einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß weiter enthalten sind ein Separator (4) zwischen diesen polarisierten Elektroden angeordnet, um eine Elektronenbewegung zwischen diesen polarisierten Elektroden zu verhindern, während eine Ionenbewegung dazwischen zugelassen wird.
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