ES2608497T3 - Supercondensador de múltiples bobinas - Google Patents

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ES2608497T3 ES09712744.3T ES09712744T ES2608497T3 ES 2608497 T3 ES2608497 T3 ES 2608497T3 ES 09712744 T ES09712744 T ES 09712744T ES 2608497 T3 ES2608497 T3 ES 2608497T3
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Philippe Azais
Olivier Caumont
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Abstract

Supercondensador electroquímico de doble capa, que comprende por lo menos dos complejos (2, 3) y por lo menos un separador (4) entre los dos complejos (2, 3), comprendiendo cada complejo un colector de corriente y por lo menos un electrodo, devanándose juntos los complejos (2, 3) y el separador (4) en espiras según un eje de devanado de manera que se forme un elemento bobinado (10), comprendiendo este supercondensador además por lo menos otro complejo (1) y por lo menos otro separador (4), devanándose juntos el otro complejo (1) y el otro separador (4) en espiras alrededor del elemento bobinado (10) de manera que se forme por lo menos un elemento bobinado consecutivo (20), caracterizado por que estos elementos bobinados sucesivos (10, 20) están separados por un espacio aislante electrónico de anchura d según una dirección perpendicular al eje de devanado.

Description

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DESCRIPCION
Supercondensador de multiples bobinas.
La presente invencion se refiere al campo tecnico general de los supercondensadores, es decir de los condensadores electroqulmicos de doble capa (o EDLC, sigla de la expresion en ingles “Electrochemical Double Layer Capacitor”).
Presentacion general de la tecnica anterior
Un supercondensador es un medio de almacenamiento de energla que permite obtener una densidad de potencia y una densidad de energla intermedias entre las de los condensadores dielectricos y las baterlas. Su tiempo de descarga es generalmente del orden de algunos segundos.
Un supercondensador comprende de manera clasica un elemento bobinado cillndrico que comprende por lo menos dos electrodos. Cada electrodo se fabrica a partir de una mezcla de carbon activo (tambien denominado “materia activa”), de negro de carbono y de pollmeros. Cuando tiene lugar una etapa denominada de extrusion, se deposita una pasta conductora sobre un colector de aluminio, que sirve como colector de corriente. Los dos electrodos estan separados por un separador poroso para evitar los cortocircuitos entre los dos electrodos. Cuando tiene lugar una etapa denominada de impregnacion, el supercondensador se llena de un electrolito. Este electrolito se compone de una sal disuelta en un disolvente, generalmente acetonitrilo. Esta sal se separa en dos especies cargadas que se denominan iones (por ejemplo: BF4- y TEA+).
El grosor de un electrodo es tlpicamente de 100 pm. Los iones presentan un tamano del orden de 1/1000 pm, es decir 100.000 veces mas pequenos que el grosor del electrodo. El carbon activo (o materia activa), es un material extremadamente poroso.
Cuando se aplica una tension con un generador continuo entre los dos electrodos del supercondensador, los iones se desplazan por la porosidad de forma mas proxima a la superficie del carbon. Cuanto mas importante es la cantidad de iones presentes en la superficie del carbon, mas importante es la capacidad.
La cantidad de energla almacenada en un supercondensador depende de la tension aplicada entre los dos electrodos y de la capacidad total del supercondensador.
Numerosos trabajos han mostrado que cuanto mas elevada es la tension de funcionamiento de los supercondensadores, mas se acorta la duracion de vida, debido a una generacion muy importante de gas en el supercondensador.
Esta generacion de gas esta relacionada con la descomposicion del material que forma el electrolito, siendo esta descomposicion en funcion de la tension aplicada entre los electrodos del supercondensador.
Por ejemplo, la tension de descomposicion de acetonitrilo puro es de 5,9 V.
Actualmente, la tension de referencia aplicada a los electrodos de los supercondensadores es de 2,7 V (vease concretamente el documento WO 9815962 que ensena al experto en la materia que la tension de un supercondensador debe limitarse para no degradar demasiado el electrolito).
Para paliar este inconveniente, se sabe como conectar electricamente varios supercondensadores entre si para formar un modulo. Esto permite aumentar la tension aplicada al modulo.
Para conectar electricamente dos supercondensadores adyacentes, se utilizan medios de conexion que comprenden dos tapas y una regleta .
Cada tapa es adecuada para cubrir un supercondensador respectivo de modo que se conecte electricamente a la misma, por ejemplo mediante soldadura.
Cada tapa comprende ademas un terminal de conexion adecuado para entrar en contacto con un taladrado pasante de la regleta, de modo que se conecten electricamente los dos supercondensadores adyacentes.
No obstante, tales supercondensadores presentan inconvenientes.
Concretamente, el volumen y la masa de dos supercondensadores conectados electricamente mediante una regleta y dos tapas son importantes.
Por otro lado, el coste de fabricacion relacionado con la compra y el montaje de las regletas y de las tapas para la conexion de dos supercondensadores es importante.
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Ademas, es importante la resistencia en serie Rs entre dos supercondensadores conectados electricamente, que corresponde a la suma de las resistencias de los supercondensadores y de los medios de conexion (regleta+ tapa + soldadura).
Tambien se conoce a partir del documento US n° 6.414.838, un conjunto de electrodos para un condensador de doble capa (es decir, un supercondensador) que comprende por lo menos dos complejos 15, 12 y por lo menos un separador 13, 16 entre los dos complejos, comprendiendo cada complejo un colector de corriente 14, 11 y por lo menos un electrodo e. Los complejos y el separador se devanan juntos en espiras segun un eje de devanado de manera que se forme un elemento bobinado 1. Por otro lado, en el modo de realizacion de la figura 10, el supercondensador descrito comprende por lo menos otro complejo, y por lo menos otro separador, devanandose juntos el otro complejo y el otro separador en espiras alrededor del elemento bobinado de manera que se forme por lo menos un elemento bobinado consecutivo.
No obstante, un supercondensador de este tipo no permite evitar las sobretensiones y, por tanto, su posible degradacion.
El objetivo general de la invencion es el de proponer un supercondensador cuya duracion de vida se aumente a la tension de referencia.
Otro objetivo de la presente invencion es el de proponer un supercondensador en el que se limita la generacion de gas.
Otro objetivo de la presente invencion es el de proponer un supercondensador adecuado para soportar una tension superior a la tension de referencia sin experimentar degradacion.
Presentacion de la invencion
Para ello, se preve un supercondensador electroqulmico, de doble capa que comprende por lo menos dos electrodos y por lo menos un separador entre los dos complejos, comprendiendo cada complejo un colector de corriente y por lo menos un electrodo, devanandose juntos los complejos y el separador en espiras segun un eje de devanado de manera que se forme un elemento bobinado, comprendiendo este supercondensador ademas por lo menos otro complejo y por lo menos otro separador, devanandose juntos el otro complejo y el otro separador en espiras alrededor del elemento bobinado de manera que se forme por lo menos un elemento bobinado consecutivo.
Segun la invencion, estos elementos bobinados sucesivos estan separados por un espacio aislante electronico de anchura d segun una direccion perpendicular al eje de devanado.
Se denomina “complejo” a la asociacion de un colector de corriente y de por lo menos un electrodo, presentando el colector de corriente y el electrodo una superficie electricamente conductora en comun.
Se denominan “complejos sucesivos” a dos complejos coplanarios (antes del devanado en espira para formar un elemento bobinado) y separados cuando tiene lugar su devanado por un espacio aislante electronico de anchura d.
Se denomina “complejo comun” a cualquier asociacion de complejos en continuidad electronica.
El/los separador(es) sobresale(n) de electrodos de cada complejo pero no frente a colectores de los complejos que sirven como conexion hacia el exterior.
Aspectos preferidos pero no limitativos del modulo segun la invencion son los siguientes:
- un complejo del supercondensador es comun a los dos elementos bobinados sucesivos,
- el supercondensador comprende ademas por lo menos otro segundo complejo, devanandose juntos los otros complejos y el otro separador en espiras alrededor del elemento bobinado de manera que se forme el elemento bobinado consecutivo,
- el espacio aislante electronico esta constituido por un zunchado formado por lo menos por una vuelta de material aislante dielectrico,
- el espacio aislante electronico esta constituido por una distancia q que separa por lo menos uno de los complejos del primer elemento bobinado de por lo menos un complejo del segundo elemento bobinado,
- la distancia q debe ser por lo menos igual a 1 mm,
- los separadores son continuos de modo que el supercondensador comprende un separador unico comun a
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los diferentes elementos bobinados y que actua como zunchado entre los diferentes elementos bobinados,
- la altura de cada elemento bobinado es constante,
- los elementos bobinados presentan alturas diferentes,
- los elementos bobinados estan desviados unos con respecto a otros segun su eje longitudinal,
- los elementos bobinados se conectan electricamente mediante una primera tapa conductora por toda su superficie, estando dispuesta dicha tapa en una de las caras de base de los elementos bobinados,
- la primera tapa presenta una seccion transversal dentada,
- la primera tapa se extiende sustancialmente en un plano,
- los elementos bobinados se conectan electricamente mediante una segunda tapa conductora por toda su superficie, estando dispuesta dicha tapa en la otra de las caras de base de los elementos bobinados de modo que se conecten los elementos bobinados en paralelo,
- los elementos bobinados se conectan electricamente mediante una segunda tapa conductora que comprende porciones electricamente conductoras, estando separadas las porciones conductoras unas de otras por porciones electricamente aislantes, estando respectivamente cada porcion conductora en contacto electrico con un elemento bobinado de modo que se conecten en serie los elementos bobinados,
- una de las porciones electricamente conductoras tiene forma de disco, y las otras porciones electricamente conductoras tienen forma de corona, estando separadas las porciones conductoras unas de otras por porciones electricamente aislantes en forma de corona,
- la segunda tapa se extiende globalmente en un plano,
- la segunda tapa presenta una seccion transversal dentada,
- cada porcion conductora tiene forma de porcion de disco, estando separadas las porciones de discos unas de otras por porciones aislantes radiales,
- la altura del zunchado esta comprendida entre la altura de materia activa del primer elemento bobinado y la altura total de dicho primer elemento bobinado,
- los electrodos de los elementos bobinados son de longitudes diferentes,
La invencion tambien se refiere a un modulo que comprende una caja en la que esta dispuesto por lo menos un supercondensador tal como se describio anteriormente.
Presentacion de las figuras
Se desprenderan todavla otras caracterlsticas, objetivos y ventajas de la presente invencion a partir de la siguiente descripcion, que es puramente ilustrativa y no limitativa y debe leerse con respecto a los dibujos adjuntos en los que:
- las figuras 1a a 7 ilustran diferentes modos de realizacion de elementos bobinados de un supercondensador segun la invencion,
- las figuras 8 a 13 ilustran diferentes modos de realizacion de tapas del supercondensador segun la invencion,
- las figuras 14, 15 y 16 ilustran respectivamente un modo de realizacion de regleta de conexion para la conexion de supercondensadores adyacentes, segun la invencion y otros dos ejemplos que no forman parte de la invencion,
- la figura 17 ilustra un supercondensador de la tecnica anterior,
- las figuras 18 a 20 son representaciones graficas que representan el volumen V de un supercondensador en funcion del numero de elementos bobinados,
- las figuras 21 a 23 son representaciones graficas que representan la masa m de un supercondensador en funcion del numero de elementos bobinados,
- las figuras 24 a 28 ilustran diferentes montajes electricos que pueden realizarse con supercondensadores
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segun la invencion.
Descripcion de la invencion
Van a describirse a continuacion diferentes modos de realizacion del supercondensador segun la invencion con referencia a las figuras 1 a 23. En estas diferentes figuras, los elementos equivalentes del supercondensador llevan las mismas referencias numericas.
Con referencia a las figuras 1a y 1b, se ha ilustrado una vista en seccion segun un eje transversal de un primer modo de realizacion del supercondensador.
El supercondensador comprende dos complejos 2, 3 dispuestos enfrentados y separados por un separador 4.
Los complejos 2, 3 y el separador 4 se devanan juntos en espira para formar un primer elemento bobinado.
El supercondensador tambien comprende otro complejo 1 sucesivo a un complejo 2 de los complejos 2, 3 y otro separador 4. El otro electrodo y el otro separador se devanan juntos en espiras alrededor del primer elemento bobinado de manera que se forma por lo menos un segundo elemento bobinado consecutivo.
Los complejos sucesivos 1, 2 estan espaciados una distancia q segun una direccion circunferencial al eje longitudinal del supercondensador.
Ventajosamente, la distancia q entre los complejos sucesivos 1, 2 esta prevista de manera suficiente para aislar electricamente los complejos sucesivos 1, 2 uno del otro. En el modo de realizacion ilustrado en la figura 1, la distancia q es superior o igual a 1 millmetro.
En efecto, una distancia q de un millmetro es suficiente para evitar que el campo electrico creado entre los dos complejos sucesivos 1, 2 sea demasiado importante, con lo que se correrla el riesgo de descomponer el electrolito en condiciones normales de utilizacion del supercondensador.
El complejo 3 dispuesto enfrente de los dos complejos sucesivos se denomina “complejo comun”.
Los separadores 4 permiten aislar electricamente los complejos sucesivos 1, 2 del complejo comun 3. Uno de los separadores esta dispuesto entre el complejo comun 3 y los complejos sucesivos 1, 2. El otro separador 4 esta dispuesto en la otra cara del complejo comun 3 de modo que el complejo comun 3 se situe entre los separadores 4.
Cada complejo 1, 2, 3 comprende un colector de corriente 11, 21, 31 y por lo menos un electrodo que se compone de materia activa, presentando el electrodo una cara electricamente conductora en comun con el colector de corriente 11, 21, 31.
En el modo de realizacion ilustrado en las figuras 1a y 1b, cada complejo 1, 2, 3 comprende dos electrodos 12, 13, 22, 23, 32, 33 opuestos a una y otra parte del colector de corriente 11, 21, 31. Cada electrodo 12, 13, 22, 23, 32, 33 presenta una superficie electricamente conductora en comun con una cara respectiva del colector de corriente 11, 21, 31.
Las zonas enfrente de los complejos sucesivos y comunes definen dos celdas de supercondensador cuyas capacidades estan determinadas por sus longitudes respectivas. La continuidad del complejo comun 3 permite la puesta en serie de las dos celdas de supercondensador.
Los complejos 1, 2, 3 y los separadores 4 estan constituidos respectivamente por una o varias hojas superpuestas.
Ventajosamente, los complejos sucesivos 1, 2, el complejo comun 3 y los separadores 4 se devanan sucesivamente juntos en espira para formar un primer elemento bobinado y un segundo elemento bobinado consecutivos.
La solucion propuesta es menos costosa que los supercondensadores de la tecnica anterior descritos anteriormente. En efecto, el numero de regletas, de tapas y de tubos (que sirven como alojamiento para los elementos bobinados) para conectar electricamente dos celdas de supercondensador es inferior al numero de regletas, de tapas y de tubos necesarios para la conexion electrica de varios supercondensadores de la tecnica anterior.
Por otro lado, la solucion propuesta anteriormente permite disminuir la resistencia en serie Rs del sistema (mediante la disminucion del numero de tapas y regletas necesarios para conectar las celdas de supercondensador con respecto al numero de tapas y de regletas necesarios para conectar supercondensadores de la tecnica anterior), y aumentar de modo importante la energla admisible por unidad de volumen al tiempo que se optimiza la capacidad.
El supercondensador descrito anteriormente permite as! obtener una estructura compacta bobinada:
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- que permite conexiones electricas en serie o en paralelo de celdas de supercondensador de capacidad identica C, o de capacidades diferentes C, C' que funcionan a la misma tension de alimentacion Un con el objetivo de aumentar las corrientes y/o tension globales de la estructura compacta,
- que responde a imperativos particulares de equilibrado en la aplicacion (montaje triangular o en estrella de celdas de supercondensador de cualquier capacidad que funciona a cualquier tension),
- que permite la optimizacion de las densidades volumetricas y masicas de energla y de potencia de conjuntos de celdas de supercondensador de capacidad identica C que funcionan a la misma tension Un.
Otras ventajas relacionadas con la eliminacion de regletas y tapas para conectar dos celdas de supercondensador en serie/paralelo son las siguientes
- disminucion del volumen del supercondensador
- disminucion de la masa con respecto a dos supercondensadores de la tecnica anterior conectados en serie,
- disminucion del volumen de dos supercondensadores conectados en serie/paralelo: el doble del volumen de un supercondensador de la tecnica anterior (obtenido devanando juntos en espira dos complejos y un separador) es superior al volumen de un supercondensador segun la invencion (obtenido devanando juntos en espira tres complejos y dos separadores) tal como se ilustra en la figura 1, por tanto
- aumento de las densidades volumetricas y masicas de energlas y potencias,
- sin disminucion del volumen libre interno con respecto a una asociacion en serie de supercondensadores de la tecnica anterior (convencionales),
- ganancia de tiempo desde un punto de vista del procedimiento de fabricacion (n celdas en 1 solo supercondensador) mediante una simplificacion del procedimiento de fabricacion, ya que hay bobinado unico, impregnacion unica, tratamiento termico unico y soldadura unica.
Con referencia a la figura 2, se ha ilustrado otro modo de realization del supercondensador segun la invencion.
El supercondensador ilustrado en la figura 2 difiere del supercondensador ilustrado en la figura 1 en que comprende cuatro complejos en lugar de tres.
Dos primeros complejos 2, 3a estan dispuestos enfrentados. Un complejo 2 de los dos primeros complejos esta dispuesto entre dos separadores 4. Los dos primeros complejos 2, 3a y los separadores 4 se devanan juntos en espira para formar un primer elemento bobinado.
Otros dos complejos 1, 3b son sucesivos a los dos primeros complejos 2, 3a y estan espaciados (de los dos primeros complejos) una distancia q segun una direction circunferencial al supercondensador.
Los dos complejos 1, 3b se devanan juntos en espira alrededor del primer elemento bobinado constituido por los complejos 2, 3a de manera que se forma por lo menos un segundo elemento bobinado consecutivo.
En este modo de realizacion, cada elemento bobinado forma un supercondensador independiente. Se garantiza la union electrica en serie o en paralelo de los dos supercondensadores as! formados mediante tapas 50, tal como se explicara con mas detalle a continuation.
En la figura 3, se han representado diferentes elementos bobinados 10, 20, 30 de un supercondensador segun la invencion. Los elementos bobinados sucesivos 10, 20, 30 son coaxiales al eje Z. Estos elementos bobinados 10, 20, 30 sucesivos estan separados por un espacio aislante electronico. Este espacio aislante electronico permite aislar los elementos bobinados unos de otros.
Segun una variante de realizacion, el espacio aislante electronico esta constituido por una distancia q que separa dos elementos bobinados sucesivos. Ventajosamente, esta distancia q esta prevista de manera suficiente para evitar el paso directo de la corriente entre dos elementos bobinados sucesivos. Por ejemplo, la distancia q puede ser superior a un millmetro.
Segun otra variante de realizacion, el espacio aislante electronico puede estar constituido por un zunchado 40 formado por lo menos por una vuelta de material aislante dielectrico. La utilization de un zunchado para separar electricamente dos elementos bobinados sucesivos facilita la fabricacion del supercondensador.
Ventajosamente, la altura del zunchado esta comprendida entre la altura de materia activa del primer elemento bobinado y la altura total de dicho primer elemento bobinado.
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Tal como se ilustra en la figura 4, los separadores 4 pueden ser continuos de modo que el supercondensador comprende un separador 4 unico comun a los diferentes elementos bobinados y que actua como zunchado entre los elementos bobinados sucesivos.
En el modo de realizacion ilustrado en la figura 3, los diferentes elementos bobinados 10, 20, 30 son de altura constante. Por otro lado, las bases de los diferentes elementos bobinados 10, 20, 30 son coplanarias. Esto permite facilitar el devanado de los elementos bobinados sucesivos.
En otros modos de realizacion, tal como se ilustra en la figura 5, los elementos bobinados sucesivos 10, 20, 30 son de alturas diferentes, presentando los elementos bobinados sucesivos una base coplanaria.
En todavla otros modos de realizacion, los elementos bobinados sucesivos 10, 20, 30 son de altura identica, pero sus bases estan desviadas unas con respecto a otras segun su eje longitudinal. Tales modos de realizacion se ilustran en las figuras 6 y 7.
En el modo de realizacion de la figura 6, los elementos bobinados sucesivos 10, 20, 30 estan encajados unos en otros. Dicho en otras palabras, los elementos bobinados sucesivos son coaxiales y estan apilados alrededor del elemento bobinado central 10.
En el modo de realizacion ilustrado en la figura 7, los elementos bobinados sucesivos 10, 20, 30 estan desviados unos con respecto a otros de modo que sus bases forman un dentado segun una vista en seccion longitudinal.
Los elementos bobinados sucesivos del supercondensador estan destinados a conectarse entre si o con elementos bobinados de otros supercondensadores adyacentes por medio de tapas 50 y/o de regletas.
Van a describirse a continuacion con mas detalle los diferentes tipos de tapas 50 que pueden utilizarse para conectar entre si los elementos bobinados de un supercondensador o de diferentes supercondensadores adyacentes.
Con referencia a la figura 8, se ha ilustrado un primer modo de realizacion de una tapa 50 que permite la conexion electrica de dos elementos bobinados de un mismo supercondensador. La tapa 50 presenta una seccion transversal dentada.
Este primer modo de realizacion de la tapa 50 esta destinado a cubrir un supercondensador cuyos elementos bobinados presentan bases desviadas unas con respecto a otras. Para conectar electricamente elementos bobinados de altura identica no desviados unos con respecto a otros (tal como se representa en la figura 5), se utilizara una tapa 50 que se extiende sustancialmente en un plano.
Ventajosamente, la tapa 50 es conductora por toda su superficie, y permite la puesta en contacto electrico de los elementos bobinados sucesivos de un supercondensador de modo que se forme un terminal comun para estos elementos bobinados.
La otra cara del supercondensador puede cubrirse con una tapa 50 conductora por toda su superficie de modo que se conecten electricamente en paralelo los elementos bobinados sucesivos del supercondensador.
La otra cara del supercondensador tambien puede cubrirse con una tapa 50 que comprende porciones electricamente conductoras, estando separadas las porciones conductoras unas de otras por porciones electricamente aislantes, estando respectivamente cada porcion electricamente conductora en contacto electrico con un elemento bobinado de modo que se conecten en serie los elementos bobinados.
En las figuras 9 y 10, se han ilustrado modos de realizacion de tapas que comprenden porciones electricamente conductoras destinadas a entrar respectivamente en contacto electrico con uno de los elementos bobinados.
En el modo de realizacion ilustrado en la figura 9, la tapa comprende dos porciones electricamente conductoras. La primera porcion electricamente conductora S1 tiene forma de disco. La segunda porcion electricamente conductora S2 tiene forma de corona. Las porciones electricamente conductoras S1, S2 estan separadas unas de otras por porciones electricamente aislantes 60 en forma de corona. Esta tapa 50 esta destinada a cubrir un supercondensador que comprende dos elementos bobinados sucesivos. La primera porcion electricamente conductora S1 esta conectada electricamente al elemento bobinado central 10 del supercondensador. La segunda porcion electricamente conductora S2 esta conectada electricamente al elemento bobinado periferico 20 del supercondensador.
En el modo de realizacion ilustrado en la figura 10, la tapa 50 comprende tres porciones electricamente conductoras S1, S2, S3. Una de las porciones electricamente conductoras S1 tiene forma de disco. Las otras porciones electricamente conductoras S2, S3 tienen forma de corona. Las porciones electricamente conductoras S1, S2, S3
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estan separadas unas de otras por porciones electricamente aislantes 60 en forma de corona. Las porciones electricamente conductoras S1, S2, S3 estan conectadas electricamente a un elemento bobinado 10, 20, 30 respectivo. Esta tapa 50 esta destinada a cubrir un supercondensador que comprende tres elementos bobinados sucesivos.
Por supuesto, la tapa 50 puede comprender mas de tres porciones electricamente conductoras, estando el numero de porciones conductoras en funcion del numero de elementos bobinados del supercondensador.
Segun la aplicacion, la tapa 50 puede extenderse sustancialmente en un plano, o presentar una seccion transversal dentada tal como se ilustra en la figura 11.
Por otro lado, las porciones electricamente conductoras pueden presentar otras formas. En las figuras 12 y 13, se han ilustrado tapas 50 en las que las porciones electricamente conductoras estan respectivamente en forma de porcion de disco. Las porciones de disco estan separadas unas de otras por porciones aislantes radiales.
En el modo de realizacion ilustrado en la figura 12, la tapa 50 comprende dos porciones electricamente conductoras S1, S2 en forma de semidisco. Cada porcion S1 (respectivamente S2) esta destinada a conectarse electricamente a un elemento bobinado 10 respectivo (respectivamente 20) del supercondensador en una zona Z1 (respectivamente Z2) de cada porcion S1 (respectivamente S2). Esta tapa 50 esta destinada a cubrir un supercondensador que comprende dos elementos bobinados.
En el modo de realizacion ilustrado en la figura 13, la tapa 50 comprende tres porciones electricamente conductoras S1, S2, S3 en forma de tercios de disco. Cada porcion S1 (respectivamente S2, respectivamente S3) esta conectada electricamente a un elemento bobinado 10 respectivo (respectivamente 20, respectivamente 30) del supercondensador a nivel de soldaduras Z1 (respectivamente Z2, respectivamente Z3). Esta tapa 50 esta destinada a cubrir un supercondensador que comprende tres elementos bobinados 10, 20, 30.
Una vez se cubre el supercondensador con una de las tapas 50 descritas anteriormente con referencia a las figuras 9 a 13, el supercondensador puede conectarse a uno (o a los) supercondensador(es) adyacente(s) utilizando regletas de conexion electricamente conductoras.
Con referencia a la figura 14, se ha ilustrado un ejemplo de regleta de conexion 70 que no forma parte de la invencion. Cada regleta de conexion 70 comprende una parte electricamente conductora destinada a entrar en contacto respectivamente con una porcion conductora S1, S2, S3 en forma de disco de la tapa 50 descrita con referencia a la figura 13.
Mas especlficamente, cada regleta 70 es sustancialmente plana. El cuerpo principal de la regleta de conexion 70 es rectangular. Los extremos 80 de la regleta son de forma triangular. El tamano y la forma de estos extremos 80 se preven de manera suficiente para entrar en contacto con una porcion conductora S1, S2, S3 respectiva de la tapa 50, sin recubrir la parte aislante que separa dos porciones conductoras de la tapa 50. Asl, las regletas de conexion 70 estan aisladas unas de otras. Evitando el contacto entre las regletas 70, se garantiza el aislamiento electrico de las regletas 70 de modo que se evite un cortocircuito.
Con referencia a la figura 15, se ha ilustrado una variante de regleta de conexion 70 que no forma parte de la invencion. Esta regleta de conexion 70 permite la conexion electrica de dos supercondensadores del tipo descrito con referencia a las figuras 9 y 10.
La regleta de conexion 70 comprende dos (o mas de dos) partes electricamente conductoras aisladas una de la otra (respectivamente unas de otras) por una (o varias) parte(s) electricamente aislante(s). Cada parte electricamente conductora esta destinada a entrar en contacto respectivamente con una porcion conductora S1, S2, S3 de la tapa 50. Cada parte electricamente conductora comprende un elemento de conexion 90 sobresaliente en los extremos 80 de la regleta de conexion 70. Cada uno de estos elementos 90 sobresalientes esta destinado a entrar en contacto con una porcion conductora S1, S2, S3 respectiva de la tapa 50.
Con referencia a la figura 16, se ilustra otro ejemplo de realizacion de regleta de conexion 70 y de tapa. No forma parte de la invencion. Esta regleta de conexion 70 y esta tapa estan adaptadas para la conexion de dos supercondensadores que comprenden cada uno tres elementos bobinados. Por supuesto, esta tapa y esta regleta pueden comprender mas de tres porciones electricamente conductoras en el caso en el que los supercondensadores comprendan mas de tres elementos bobinados.
La regleta de conexion 70 es sustancialmente plana. La tapa comprende zonas electricamente aislantes que se extienden por la superficie de contacto entre la tapa y la regleta. Estas zonas electricamente aislantes estan dispuestas de modo que cada parte conductora de la regleta esta en contacto electricamente con una sola porcion conductora de la tapa. Esto permite conectar electricamente dos a dos los elementos bobinados de los supercondensadores asl conectados.
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Ventajosamente, el supercondensador puede ser disimetrico, es decir, que los electrodos de los diferentes complejos pueden ser diferentes en cuanto a longitud.
El hecho de trabajar con un supercondensador disimetrico permite optimizar:
- la capacidad del supercondensador por un lado, y
- el envejecimiento del supercondensador por otro lado, debido a un mejor control del potencial de cada electrodo.
La disimetrla del supercondensador puede obtenerse, por ejemplo, haciendo variar el grosor de los electrodos de los elementos bobinados, de modo que los electrodos positivos y negativos de cada elemento bobinado presenten volumenes diferentes.
La disimetrla del supercondensador tambien puede obtenerse haciendo variar los grosores y/o longitudes de los electrodos de los elementos bobinados.
La disimetrla tambien puede obtenerse haciendo variar la naturaleza de los constituyentes de los electrodos de los elementos bobinados. Por ejemplo, en un modo de realizacion, los electrodos de un elemento bobinado son de grosor identico pero estan constituidos por materiales diferentes de modo que presenten densidades de corriente faradica diferentes.
Los supercondensadores pueden presentar diferentes formas. Por ejemplo, los supercondensadores pueden ser cillndricos.
Caso general que permite demostrar el aumento de volumen en un sistema cobobinado
Tal como se describio anteriormente, el supercondensador segun la invencion permite reducir el volumen asociado a la conexion electrica en serie o en paralelo de dos supercondensadores con respecto a los modulos de la tecnica anterior.
Se ilustra un modulo de este tipo de la tecnica anterior en la figura 17. El modulo comprende dos supercondensadores 120. Cada supercondensador 120 comprende un elemento bobinado cillndrico que comprende dos electrodos y un separador. Una porcion 190 de los electrodos sobresale hacia el exterior. Los supercondensadores se conectan en serie por medio de una regleta de union 170 y de tapas 180. Cada tapa 180 cubre un supercondensador 120 respectivo de modo que se conecte electricamente al mismo a nivel de la porcion 190 de electrodo que sobresale hacia el exterior. Cada tapa 180 esta en contacto mediante soldadura con una regleta 70, de modo que se conecten electricamente en serie los dos supercondensadores 120.
Para demostrar el aumento de volumen del supercondensador segun la invencion con respecto al modulo de la tecnica anterior, son necesarios los siguientes parametros:
C: capacidad a obtener (F)
X: densidad de corriente faradica (F/cm3)
h: altura activada (cm)
H: altura total (cm)
e: grosor del elemento intercalado bobinado Separador / Electrodo / Colector / Electrodo / Separador / Electrodo / Colector / Electrodo (cm)
0int: diametro interior alrededor del que comienza el bobinado (0n > 0) (cm)
Los datos de salida son los siguientes: k: numero de vueltas
0ext: diametro exterior de un bobinado de capacidad C que comprende k vueltas (cm)
Cn: capacidad de n bobinados encajados en paralelo (F)
0ext n: diametro exterior de la capacidad Cn (cm)
Vn: volumen de la capacidad n-encajada de valor Cn (cm3)
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V: volumen de n capacidades de valor C en paralelo (cm3) Formulas:
imagen1
0exi = 0int + 2 k e
k =
imagen2
8C
0ext =
imagen3
8 C qnh
imagen4
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Aplicacion numerica de las formulas establecidas anteriormente:
A continuacion en los ejemplos numericos, se toma el valor de capacidad de cada devanado como identico, lo que en la practica significa que los devanados de mayores diametros presentan un grosor mas pequeno que los devanados de menores diametros, siendo identica la longitud de devanado para cada capacidad.
Ejemplo numerico 1
C = 600 F X = 30 F/cm3 h = 8 cm H = 10 cm
e = 0,05 cm 0int = 2,5 cm
La figura 18 muestra el volumen V de n elementos bobinados asociados en modulo y el equivalente de un solo supercondensador segun la invencion que contiene n elementos cobobinados Vn. Los volumenes se expresan en cm3 (las ordenadas a la izquierda). %DV representa el aumento en porcentaje entre un elemento cobobinado y elementos asociados (eje de las ordenadas a la derecha).
Ejemplo numerico 2
C = 2600 F X = 30 F/cm3 h = 8 cm H = 10 cm
e = 0,05 cm 0int = 2,5 cm
La figura 19 muestra el volumen V de n elementos bobinados asociados en modulo y el equivalente de un solo supercondensador segun la invencion que contiene n elementos cobobinados Vn. Los volumenes se expresan en cm3 (las ordenadas a la izquierda). %DV representa el aumento en porcentaje entre un elemento cobobinado y elementos asociados (eje de las ordenadas a la derecha).
Ejemplo numerico 3
C = 5000 F X = 30 F/cm3 h = 8 cm H = 10 cm
e = 0,05 cm 0n = 2,5 cm
La figura 20 muestra el volumen V de n elementos bobinados asociados en modulo y el equivalente de un solo
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supercondensador segun la invencion que contiene n elementos cobobinados Vn. Los volumenes se expresan en cm3 (las ordenadas a la izquierda). %AV representa el aumento en porcentaje entre un elemento cobobinado y elementos asociados (eje de las ordenadas a la derecha
Resultado:
Las figuras 18, 19, 20 muestran que se obtiene el aumento de volumen independientemente del numero de elementos cobobinados e independientemente de la capacidad inicial utilizada.
Caso general que permite demostrar el aumento de masa en un sistema cobobinado
Tal como se describio anteriormente, el supercondensador segun la invencion permite reducir la masa asociada a la conexion electrica en serie o en paralelo de dos supercondensadores con respecto a los modulos de la tecnica anterior.
Para demostrar el aumento de masa del supercondensador segun la invencion con respecto al modulo de la tecnica anterior, son necesarios los siguientes parametros:
ec: grosor de la tapa (cm)
et: grosor del tubo (cm)
muC: masa de la capacidad C (g)
d: masa volumetrica de la materia del tubo y de la tapa (g/cm3)
Los datos de salida son los siguientes:
mcC: masa de la tapa de una capacidad de valor C (g) mtC: masa del tubo de una capacidad de valor C (g) m: masa total de n capacidades de valor C en paralelo (g) mn: masa total de la capacidad n-encajada de valor Cn (g)
Formulas:
mcC = 71 0ext2 Sc d mtc = 7t 0ext etHd m = n (muc + 2 mcc + mtc) mn = muCn + 2mcCn + mtCn
Aplicacion numerica de las formulas establecidas anteriormente:
ec = 0,4 cm et = 0,05 cm
d (masa volumetrica del aluminio) = 2,7 g/cm3 mu = 75 g mu = 325 g
Ejemplo numerico 1
ec = 0,4 cm
d (masa volumetrica del aluminio)
600F _ 7c _
mu = 75 g
et = 0,05 cm 2,7 g/cm
3
La figura 21 muestra la masa m de n elementos bobinados asociados en modulo y el equivalente de un solo supercondensador segun la invencion que contiene n elementos cobobinados mn. Las masas se expresan en gramos (las ordenadas a la izquierda). %Am representa el aumento de masa en porcentaje entre un elemento cobobinado y elementos asociados (eje de las ordenadas a la derecha).
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Ejemplo numerico 2
ec = 0,4 cm
d (masa volumetrica del aluminio)
m 2600F _ oOJ-
mu = 325 g
et = 0,05 cm 2,7 g/cm
3
La figura 22 muestra la masa m de n elementos bobinados asociados en modulo y el equivalente de un solo supercondensador segun la invencion que contiene n elementos cobobinados mn. Las masas se expresan en gramos (las ordenadas a la izquierda). %Dm representa el aumento de masa en porcentaje entre un elemento cobobinado y elementos asociados (eje de las ordenadas a la derecha).
Ejemplo numerico 3
ec = 0,4 cm et = 0,05 cm
d (masa volumetrica del aluminio) = 2,7 g/cm
5000F
mu = 650 g
3
La figura 23 muestra la masa m de n elementos asociados en modulo y el equivalente de un solo supercondensador segun la invencion que contiene n elementos cobobinados mn. Las masas se expresan en gramos (las ordenadas a la izquierda). %Dm representa el aumento de masa en porcentaje entre un elemento cobobinado y elementos asociados (eje de las ordenadas a la derecha).
Resultado:
Las figuras 21, 22, 23 muestran que se obtiene el aumento de masa independientemente del numero de elementos cobobinados e independientemente de la capacidad inicial utilizada. Este aumento de masa no tiene en cuenta el aumento consiguiente en cuanto a la conectividad de elementos extra (regletas de conexion, tapa, etc.), lo que aumenta todavla mas el aumento obtenido en cuanto a masa.
Conclusion:
Independientemente del numero de elementos cobobinados, el aumento simultaneo de masa y de volumen existe con respecto a un conjunto en serie o paralelo de varios elementos bobinados tal como se propone en la tecnica anterior.
Este nuevo sistema corresponde por tanto a un aumento significativo de la densidad de energla volumetrica y masica.
Es importante precisar que la masa de cada electrodo, el grosor del revestimiento, del colector, el tipo de carbono y la anchura de amplitud pueden ser diferentes, tal como se muestra en los diferentes esquemas descriptivos.
En los ejemplos que se han citado, se han tomado los casos mas sencillos, pero podrlan multiplicarse facilmente segun se desee. Independientemente del tipo de disposicion, se tiene como objetivo el aumento de masa y de volumen de manera ventajosa. Este aumento tambien puede realizarse en cuanto a tension, segun disposiciones del tipo descrito en la figura 8.
Cada electrodo puede ser simetrico (el caso mas sencillo y generalmente aplicado) con respecto a un colector apropiado de modo que se duplique la cantidad de materia activa de la capacidad as! formada y se aumente de modo drastico la capacidad volumetrica del conjunto, y por tanto la energla maxima admisible. El caso de la disimetrla no puede descartarse:
- caso de devanados de capacidades diferentes en el mismo elemento,
- caso de materias activas diferentes (por ejemplo porosidad de carbonos diferentes)
- combinacion de cobobinados de multiples pistas, es decir, un supercondensador tal que comprende por lo menos dos complejos yuxtapuestos espaciados por una distancia d y por lo menos un complejo comun enfrente de los dos complejos yuxtapuestos y separado de los mismos por lo menos por un separador, devanandose juntos el separador y los complejos en espira para formar un elemento bobinado (que forma el objeto de una solicitud de patente independiente) con las multiples bobinas, objeto de la presente solicitud.
En las figuras 24 a 28, se han ilustrado diferentes ejemplos de montajes que pueden realizarse con el supercondensador segun la invencion.
Con referencia a la figura 24, se ha ilustrado un ejemplo de montaje en el que la sucesion de elementos bobinados 10, 20, 30 (que constituyen, cada uno, un supercondensador) conectados en serie gracias a un tipo de tapa
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particular que comprende diferentes zonas conductoras y aislantes, permite obtener una conexion electrica en serie de los diferentes elementos bobinados.
Con referencia a la figura 25, se ha ilustrado otro ejemplo de montaje en el que cada elemento bobinado 10, 20, 30 de un primer supercondensador se conecta en serie a un elemento bobinado 10', 20', 30' de otro supercondensador, conectandose en paralelo los diferentes elementos bobinados del primer supercondensador.
Mas especlficamente, las bases de cada supercondensador se cubren con tapas (del tipo ilustrado en la figura 10) que comprenden tres porciones electricamente conductoras S1, S2, S3 (S1 en forma de disco y S2n S3 en forma de corona) separadas unas de otras por porciones electricamente aislantes 60 (en forma de corona). Los dos supercondensadores se apilan a continuacion de modo que:
- el elemento bobinado central 10 del primer supercondensador se conecta en serie al elemento bobinado central 10' del segundo supercondensador
- el elemento bobinado periferico 30 del primer supercondensador se conecta en serie al elemento bobinado periferico 30' del segundo supercondensador, y
- el elemento bobinado intermedio 20 del primer supercondensador se conecta en serie al elemento bobinado intermedio 20' del segundo supercondensador.
La ventaja de este montaje es que la conexion electrica de los dos supercondensadores no requiere la utilizacion de regleta de conexion. Resulta muy evidente que en el caso de la conexion electrica de dos supercondensadores adyacentes, puede realizarse el mismo montaje utilizando regletas de conexion particulares (tales como la regleta de conexion ilustrada en la figura 16), tal como se ilustra en la figura 26.
Con referencia a la figura 27, se ha ilustrado un modo de realization en el que los elementos bobinados sucesivos de un supercondensador se conectan de modo que se forme un montaje en estrella.
Mas especlficamente, la base inferior del supercondensador se cubre con una tapa conductora por toda su superficie, y la base superior del supercondensador se cubre con una tapa del tipo ilustrado en la figura 13 que comprende tres porciones de disco conectadas a un elemento bobinado respectivo del supercondensador. Se utilizan regletas de conexion del tipo descrito con referencia a la figura 14 para conectar los elementos bobinados del supercondensador a los elementos bobinados de otros supercondensadores adyacentes.
Con referencia a la figura 28, se ilustra finalmente un ejemplo de montaje en el que dos supercondensadores se conectan electricamente en serie, conectandose en paralelo los elementos bobinados de cada supercondensador.
Mas especlficamente, las bases de cada supercondensador se cubren con tapas conductoras por toda su superficie y se conectan mediante regletas de union conductoras por toda su superficie.
Por tanto, los supercondensadores segun la invention permiten la realizacion de un gran numero de montajes electricos de manera mucho mas ergonomica que los supercondensadores de la tecnica anterior.
El lector habra comprendido que pueden introducirse numerosas modificaciones en el supercondensador descrito anteriormente sin apartarse materialmente de las nuevas ensenanzas y de las ventajas descritas en la presente memoria.
Por consiguiente, todas las modificaciones de este tipo estan destinadas a incorporarse dentro del alcance del supercondensador tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Este tipo de diseno de elemento tambien puede encontrar su aplicacion para baterlas o pilas de cualquier naturaleza (de ion Li, de pollmero de litio, Ni-Cd, Ni-MH), o incluso en pilas de combustible.
El supercondensador segun la invencion presenta numerosas ventajas:
- para un supercondensador segun la invencion, con energla volumetrica identica a la de 2 supercondensadores convencionales, puede aplicarse una tension inferior y limitar por tanto muy fuertemente la creation de gas y, por tanto, aumentar de forma muy ventajosa la duration de vida,
- el volumen interno de un supercondensador segun la invencion puede ser ventajosamente superior, por montaje, al volumen interno de dos supercondensadores convencionales asociados. En este caso, tambien se aumentara la duracion de vida.
Finalmente, en un modulo que comprende una pluralidad de supercondensadores conectados entre si, por lo menos la mitad de la resistencia en serie del modulo es una resistencia de conectividad entre las bobines y las tapas. En un
modulo que comprende una pluralidad de supercondensadores segun la invencion, la resistencia en serie del modulo se disminuye fuertemente, debido a la reduccion del numero de uniones necesarias entre tapa y bobina con respecto a un modulo que comprende una pluralidad de supercondensadores convencionales.

Claims (21)

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    REIVINDICACIONES
    1. Supercondensador eiectroqulmico de doble capa, que comprende por lo menos dos complejos (2, 3) y por lo menos un separador (4) entre los dos complejos (2, 3), comprendiendo cada complejo un colector de corriente y por lo menos un electrodo, devanandose juntos los complejos (2, 3) y el separador (4) en espiras segun un eje de devanado de manera que se forme un elemento bobinado (10), comprendiendo este supercondensador ademas por lo menos otro complejo (1) y por lo menos otro separador (4), devanandose juntos el otro complejo (1) y el otro separador (4) en espiras alrededor del elemento bobinado (10) de manera que se forme por lo menos un elemento bobinado consecutivo (20), caracterizado por que estos elementos bobinados sucesivos (10, 20) estan separados por un espacio aislante electronico de anchura d segun una direccion perpendicular al eje de devanado.
  2. 2. Supercondensador segun la reivindicacion 1, caracterizado por que un complejo (3) del supercondensador es comun a los dos elementos bobinados sucesivos (10, 20).
  3. 3. Supercondensador segun la reivindicacion 1, caracterizado por que el supercondensador comprende ademas por lo menos otro segundo complejo (3b), devanandose juntos los otros complejos (3a, 3b) y el otro separador (4) en espiras alrededor del elemento bobinado (10) de manera que se forme el elemento bobinado consecutivo (20).
  4. 4. Supercondensador segun una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que el espacio aislante electronico esta constituido por un zunchado (40) formado por lo menos por una vuelta de material aislante dielectrico.
  5. 5. Supercondensador segun la reivindicacion 1 o 2, en el que el espacio aislante electronico esta constituido por una distancia q que separa por lo menos uno de los complejos (2) del primer elemento bobinado (10) de por lo menos un complejo (1) del segundo elemento bobinado (20).
  6. 6. Supercondensador segun la reivindicacion 5, en el que la distancia q debe ser por lo menos igual a 1 mm.
  7. 7. Supercondensador segun una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que los separadores (4) son continuos de modo que el supercondensador comprende un separador unico comun a los diferentes elementos bobinados (10, 20, 30) y que actua como zunchado (40) entre los diferentes elementos bobinados (10, 20, 30).
  8. 8. Supercondensador segun una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que la altura de cada elemento bobinado (10, 20, 30) es constante.
  9. 9. Supercondensador segun una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que los elementos bobinados (10, 20, 30) presentan alturas diferentes.
  10. 10. Supercondensador segun una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que los elementos bobinados (10, 20, 30) estan desviados unos con respecto a otros segun su eje longitudinal (Z).
  11. 11. Supercondensador segun una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por que los elementos bobinados (10, 20, 30) se conectan electricamente mediante una primera tapa (50) conductora por toda su superficie, estando dispuesta dicha tapa (50) en una de las caras de base de los elementos bobinados (10, 20, 30).
  12. 12. Supercondensador segun la reivindicacion 11, caracterizado por que la primera tapa (50) presenta una seccion transversal dentada.
  13. 13. Supercondensador segun la reivindicacion 11, caracterizado por que la primera tapa (50) se extiende sustancialmente en un plano.
  14. 14. Supercondensador segun una de las reivindicaciones 10 a 13, caracterizado por que los elementos bobinados (10, 20, 30) se conectan electricamente mediante una segunda tapa (50) conductora por toda su superficie, estando dispuesta dicha tapa (50) en la otra de las caras de base de los elementos bobinados (10, 20, 30) de modo que se conecten los elementos bobinados (10, 20, 30) en paralelo.
  15. 15. Supercondensador segun una de las reivindicaciones 10 a 13, caracterizado por que los elementos bobinados (10, 20, 30) se conectan electricamente mediante una segunda tapa (50) conductora que comprende porciones electricamente conductoras (S1, S2, S3), estando separadas las porciones conductoras (S1, S2, S3) unas de otras por unas porciones electricamente aislantes (60), estando respectivamente cada porcion conductora (S1, S2, S3) en contacto electrico con un elemento bobinado (10, 20, 30) de modo que se conecten en serie los elementos bobinados (10, 20, 30).
  16. 16. Supercondensador de energla segun la reivindicacion 15, caracterizado por que una de las porciones electricamente conductoras (S1) tiene forma de disco, y las otras porciones electricamente conductoras (S2, S3) tienen forma de corona, estando separadas las porciones conductoras (S1, S2, S3) unas de otras por porciones electricamente aislantes (60) en forma de corona.
  17. 17. Supercondensador de energla segun una de las reivindicaciones 14 a 16, caracterizado por que la segunda tapa (50) se extiende globalmente en un plano.
    5 18. Supercondensador segun una de las reivindicaciones 14 a 16, caracterizado por que la segunda tapa (50)
    presente una seccion transversal dentada.
  18. 19. Supercondensador de energla segun la reivindicacion 15, caracterizado por que cada porcion conductora (S1, S2, S3) tiene forma de porcion de disco, estando separadas las porciones de disco (S1, S2, S3) unas de otras por
    10 las porciones aislantes radiales (60).
  19. 20. Supercondensador segun una de las reivindicaciones 4 a 19, caracterizado por que la altura del zunchado (40) esta comprendida entre la altura de materia activa del primer elemento bobinado (10) y la altura total de dicho primer elemento bobinado (10).
    15
  20. 21. Supercondensador segun una de las reivindicaciones 1 a 19, caracterizado por que los electrodos (12, 13, 22, 23, 32, 33) de los complejos (1, 2, 3a, 3b) de los elementos bobinados (10, 20, 30) son de longitudes diferentes.
  21. 22. Modulo caracterizado por que comprende una caja en la que esta dispuesto por lo menos un supercondensador 20 segun una de las reivindicaciones 1 a 21.
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