DE69030700T2

DE69030700T2 - Elektrischer Doppelschichtkondensator

Info

Publication number: DE69030700T2
Application number: DE69030700T
Authority: DE
Inventors: Ken Kurabayashi; Yoshinobu Tsuchiya
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1989-09-12
Filing date: 1990-09-03
Publication date: 1997-09-04
Anticipated expiration: 2010-09-04
Also published as: JPH0748464B2; EP0417949A3; KR100225160B1; DE69030700D1; EP0417949B1; KR910007013A; CN1050284A; US5142451A; CA2023169A1; CA2023169C; EP0417949A2; CN1023269C; JPH0399415A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Doppelschichtkondensator hoher elektrostatischer Kapazität, der das Prinzip einer elektrischen Doppelschicht nutzt.
Vor kurzem hat man auf dem elektrischen Doppelschicht-Prinzip basierende Kondensatoren hoher Kapazität als Notstromversorgungen für Speicher in elektronischen Systemen entwickelt, und sie werden bei Mikrocomputern und 10-Speichern in breitem Umfang genutzt.
Ein Typ eines elektrischen Doppelschichtkondensators ist beispielsweise in US-A-3 536 963 (=FR-A-2 009 550, im Recherchebericht zitiert) offenbart. Fig. 5 der beigefügten Zeichnungen zeigt die Struktur des offenbarten elektrischen Doppelschichtkondensators. Der elektrische Doppelschichtkondensator umfaßt eine einzelne Grundzelle, die aus einem Paar Stromsammlern 30 eines Elektronenleiters, das als ein Paar Sammelelektroden dient, einem Paar Kohleelektroden 20, die aus aktivierten Kohlenstoffpartikeln hergestellt sind, einer nichtleitenden Dichtung 10 und einer Trennlage 40, die zwischen den Kohleelektroden 20 angeordnet ist und ein Wandern von Elektronen zwischen den Elektroden 20 verhindert, zusammengesetzt ist. Die Kohleelektroden 20 werden als Pastenelektroden aus einer konzentrierten Aufschlämmung hergestellt, die ein Gemisch aus pulverförmigem oder partikelförmigem aktiviertem Kohlenstoff und einem Elektrolyten ist. Der Elektrolyt hat drei Funktionen. Er dient zur Förderung der Ionenleitfähigkeit, als Ionenquelle und als Binder für die Kohlenstoffteilchen.
Es ist wichtig, daz der innere Widerstand eines elektrischen Doppelschichtkondensators gering ist. Der innere Widerstand eines elektrischen Doppelschichtkondensators wird stark von dem Kontaktwiderstand des aktiven Kohlenstoffs der gepolten Elektroden und dem Kontaktwiderstand zwischen den Sammelelektroden und den gepolten Elektroden bestimmt.
Um den inneren Widerstand der gepolten Elektroden und den Kontaktwiderstand zwischen den Stromsammlern und den gepolten Elektroden zu verringern, sollte daher jede Grundzelle unter vertikalem Druck gehalten werden, um die Partikel des pastösen aktivierten Kohlenstoffs in einen guten elektrischen Kontakt miteinander zu bringen. Konventionelle elektrische Doppelschichtkondensatoren erfordern, daß jede Zelle unter einem Druck von etwa 100 kg/cm² gehalten wird, wobei dies von der Größe der Elektroden, der Größe der Partikel des Kohlenstoffmaterials oder der Art des verwendeten Elektrolyten abhängt.
Bei bekannten elektrischen Doppelschichtkondensatoren werden die Zellen unter Druck gehalten, indem man die Außengehäuse der Kondensatoren verformt oder die Stromsammler fest mit den Dichtungen verbindet. Falls ein elektrischer Doppelschichtkondensator als Kondensator hoher Kapazität verwendet werden soll - z.B. als Stromversorgung zum Antreiben eines Motors -, dann ist es notwendig, die Querschnittsflächen der Elektroden der Grundzelle zu vergrößern. Daher muß der auf die Grundzelle auszuübende Druck erhöht werden. Ein Erhöhen des Druckes verursacht aber einige praktische Probleme, wie z.B. die Auswahl der Mittel zum Ausüben des Drucks und die Notwendigkeit einer hohen Steifigkeit für die Außenzelle, die die Grundzelle beherbergt.
Um die genannten Probleme zu lösen, hat der Anmelder einen elektrischen Doppelschichtkondensator mit gepolten Elektroden, die jeweils als poröse Sinterkörper ausgebildet sind, und mit Stromsammlern vorgeschlagen, die jeweils aus einem elektrisch leitfähigen Material, welches aus elektrisch leitfähigen und in einen Grundbestandteil eingemischten feinen Partikeln hergestellt ist, bestehen, wobei die Stromsammler an einer Oberfläche der gepolten Elektroden angebracht sind und in die Poren der gepolten Elektroden eindringen (vgl. japanische Patentanmeldung Nr. 1(1989)-232243). Da die gepolten Elektroden als dünne Platten poröser Sinterkörper aufgebaut sind, weist der elektrische Doppelschichtkondensator einen kleinen inneren Widerstand auf. Falls die Elektroden zur Erzielung einer höheren elektrostatischen Kapazität vergrößert werden, verringert sich deren mechanische Stärke, da die porösen Sinterkörper eine geringe Dichte besitzen, und deshalb besteht die Gefahr, daß die Elektroden brechen, wenn sie Biegungen oder Torsionsbelastungen von außen unterworfen werden. Die Herstellung großer Sinterelektroden erfordert teure Preßplatten und ist daher im Hinblick auf die Kosten problematisch.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen Doppelschichtkondensator mit einer elektrischen Doppelschicht vorzuschlagen, die aus einer Grenzfläche zwischen gepolten Elektroden und einem Elektrolyten besteht, und der einen reduzierten inneren Widerstand der gepolten Elektroden und einen reduzierten Kontaktwiderstand zwischen Stromsammlern und gepolten Elektroden aufweist, und der so ausgebildet ist, daß er eine Beschädigung der Elektroden verhindert und kostengünstig herzustellen ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein elektrischer Doppelschichtkondensator mit einer elektrischen Doppelschicht vorgeschlagen, die aus einer Grenzfläche zwischen gepolten Elektroden und einem Elektrolyten zusammengesetzt ist, wobei der Kondensator folgendes umfaßt:
- mindestens zwei gepolte Elektroden, die jeweils mehrere dünne, plattenähnliche Elektrodenelemente umfassen, welche Seite an Seite angeordnet sind und jeweils aus einem porösen, mit dem Elektrolyten getränkten Sinterkörper hergestellt sind, wobei die gepolten Elektroden Oberflächen aufweisen, die ohne Kontakt miteinander in Gegenüberstellung angeordnet sind,
- zwei mit anderen Oberflächen der Elektrodenelemente verbundene Stromsammler und
- eine Dichtung, die zwischen den Stromsammlern angeordnet ist und die gepolten Elektroden umgibt, wobei die Dichtung mit umlaufenden Kanten der Stromsammler verbunden ist.
Die obige und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher werden, in denen bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als erläuternde Beispiele gezeigt sind.
In den beigefügten Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittansicht eines Bruchstücks eines elektrischen Doppelschichtkondensators gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Querschnittansicht entlang der Linie II - II der Fig. 1;
Fig. 3 eine Querschnittansicht des elektrischen Doppelschichtkondensators;
Fig. 4 eine Querschnittansicht eines Bruckstücks eines elektrischen Doppelschichtkondensators gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 5 eine Querschnittansicht eines herkömmlichen elektrischen Doppelschichtkondensators.
Wie in Fig. 1, 2 und 3 gezeigt, umfaßt ein elektrischer Doppelschichtkondensator ein Paar Dichtungen 1a, 1b, die jeweils aus einem isolierenden Material hergestellt sind und eine geeignete Dicke aufweisen, wobei die Dichtungen 1a, 1b den gesamten Rand einer rechteckigen Kondensatoranordnung umschließen.
Der elektrische Doppelschichtkondensator besitzt mehrere dünne, plattenähnliche, rechteckige, jeweils als poröse Sinterkörper ausgebildete Elektrodenelemente 2a, die durch Hartbrennen oder Plasmasprayen aus feinen Partikeln aktivierten Kohlenstoffs hergestellt sind, wobei die Elektrodenelemente 2a als erste gepolte Elektrode dienen. Da die aktivierten Kohlenstoffpartikel durch Sintern in jedem der Elektrodenelemente 2a miteinander verbunden sind, ist der innere Widerstand der Elektrodenelemente 2a gering. Die Elektrodenelemente 2a weisen eine große Oberfläche auf, da sie porös sind. Die Elektrodenelemente 2a sind mit einem Elektrolyten getränkt.
Der elektrische Doppelschichtkondensator besitzt ferner mehrere dünne, plattenähnliche, rechteckige, jeweils als poröse Sinterkörper ausgebildete Elektrodenelemente 2b, die durch Hartbrennen oder Plasmasprayen aus feinen Partikeln aktivierten Kohlenstoffs hergestellt sind, wobei die Elektrodenelemente 2b als zweite gepolte Elektrode dienen. Die Elektrodenelemente 2a und die Elektrodenelemente 2b besitzen einander gegenüberliegende Oberflächen, die ohne Kontakt miteinander angeordnet sind. Die entgegengesetzten Oberflächen der Elektrodenelemente 2a, 2b sind jeweils in Kontakt mit Stromsammlern 3a, 3b gehalten und sind elektrisch miteinander verbunden.
Jeder der Stromsammler 3a, 3b wird wie folgt hergestellt: elektrisch leitfähige feine Partikel werden in unvulkanisiertes Gummi als Grundbestandteil hineingemischt, und das Gemisch wird durch Heißvulkanisieren an den Elektrodenelementen angebracht. Das Material der Stromsammler dringt so in die Poren der porösen Elektrodenelemente ein, und die äußeren Kanten der Stromsammler werden in dichtem, engem Kontakt mit den gesamten umlaufenden Kanten der Dichtungen 1a, 1b verbunden.
Zwischen der ersten gepolten Elektrode, die aus den Elektrodenelementen 2a besteht, und der zweiten gepolten Elektrode, die aus den Elektrodenelementen 2b besteht, ist eine aus nichtgewebter Folie - wie zum Beispiel aus Polypropylen - hergestellte Trennlage 4 angeordnet, um die Elektrodenelemente 2a, 2b außer Kontakt miteinander zu halten und dadurch zu verhindern, daß Elektronen sich zwischen den Elektrodenelementen bewegen, wohingegen Ionen dazwischen wandern können. Die Trennlage 4 ist zwischen den gepolten Elektroden angeordnet, wenn Montagegesamtheiten der Elektrodenelemente und der Stromsammler übereinander angeordnet werden, und der äußere Rand der Trennlage 4 wird fest mit den Dichtungen 1a, 1b verbunden.
Da die die gepolten Elektroden bildenden Elektrodenelemente 2a, 2b als dünne, plattenähnliche, poröse Sinterkörper ausgeführt sind, werden vom aktivierten Kohlenstoff der Elektrodenelemente gespeicherte elektrische Ladungen mittels der Stromsammler 3a, 3b über Pfade geringen inneren Widerstands gesammelt. Daher besitzt der elektrische Doppelschichtkondensator einen geringen inneren Widerstand. Die gepolten Elektroden sind aus den Elektrodenelementen 2a, 2b aufgebaut, die jeweils mittels der Stromsammler 3a, 3b parallel verbunden sind, wobei mittels der Elektrodenelemente gespeicherte elektrische Ladungen zusammen vereinigt werden, obwohl diese elektrischen Ladungen einzeln jeweils nur klein sind. Als Folge besitzt der elektrische Doppelschichtkondensator eine hohe elektrostatische Kapazität. Da die Elektrodenelemente 2a, 2b der gepolten Elektroden eine geringe Größe besitzen, ist selbst dann, wenn äußere Kräfte auf den Kondensator einwirken, jede Verformung oder mechanische Beanspruchung des Kondensators gering, und alle auf den Kondensator einwirkenden mechanischen Spannungen werden zerstreut und verteilt. Infolgedessen wird verhindert, daß der Kondensator durch übermäßige äußere Kräfte beschädigt wird.
Fig. 4 zeigt ein Bruchstück eines elektrischen Doppelschichtkondensators gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Diejenigen in Fig. 4 gezeigten Teile, welche identisch sind mit den in den Fig. 1 - 3 gezeigten Teilen, werden durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht mehr im Detail beschrieben. Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind Elektrodenelemente 21a (21b), die jeweils als aus aktiviertem Kohlenstoff hergestellte, poröse Sinterkörper ausgebildet sind und als gepolte Elektrode dienen, in einer Wabenanordnung angeordnet. Die Elektrodenelemente 21a (21b) sind mit schmalen Lücken dazwischen beabstandet angeordnet und mit den Stromsammlern 3a (3b) verbunden. Die Elektrodenelemente 21a (21b) sind an die Dichtung 1a (1b) angepaßt ausgebildet. Die Elektrodenelemente sind mit einem Elektrolyten getränkt, und zwei Aufbaugesamtheiten sind übereinander angeordnet und zusammen mit einer dazwischen angeordneten Trennlage miteinander verbunden, wodurch ein elektrischer Doppelschichtkondensator vervollständigt wird.

Claims

1. Elektrischer Doppelschichtkondensator mit einer elektrischen Doppelschicht, die aus einer Grenzfläche zwischen gepolten Elektroden und einem Elektrolyten zusammengesetzt ist, wobei der Kondensator folgendes umfaßt:

- mindestens zwei gepolte Elektroden, die jeweils mehrere dünne, plattenähnliche Elektrodenelemente (2a, 2b) umfassen, welche Seite an Seite angeordnet sind und jeweils aus einem porösen, mit dem Elektrolyten getränkten Sinterkörper hergestellt sind, wobei die gepolten Elektroden Oberflächen aufweisen, die ohne Kontakt miteinander in Gegenüberstellung angeordnet sind,

- zwei mit anderen Oberflächen der Elektrodenelemente verbundene Stromsammler (3a, 3b) und

- eine Dichtung (1a, 1b), die zwischen den Stromsammlern angeordnet ist und die gepolten Elektroden umgibt, wobei die Dichtung mit umlaufenden Kanten der Stromsammler verbunden ist.

2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Elektrodenelemente von rechteckiger Form ist.

3. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenelemente in einer Wabenanordnung angeordnet sind.

4. Kondensator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Stromsammler einen Grundbestandteil aus unvulkanisiertem Gummi umfaßt, in den elektrisch leitfähige feine Partikel hineingemischt sind, wobei die Stromsammler durch Heißvulkanisieren des unvulkanisierten Gummis an den Elektrodenelementen befestigt sind.

5. Kondensator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner eine zwischen die gepolten Elektroden geschaltete Trennlage (4) umfaßt, um zu verhindern, daß Elektronen sich zwischen den gepolten Elektroden bewegen, wohingegen Ionen sich dazwischen bewegen können.