JP2011129952A - 電荷蓄積装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】水溶性電解質を用いるキャパシタにおいて、印加され得る電圧の範囲を比較的大きく許容し、高電力に適用した場合の内部抵抗を抑制した電荷蓄積装置を提供する。
【解決手段】第1の電極21と、第1の電極21に対向し、第1の電極21から間隔をあけられた第2の電極23と、電極間に配置された多孔質セパレータ25と、電極、セパレータ、および電極が浸漬された電解質を収納する封止パッケージと、第1の電極21および第2の電極23にそれぞれ電気的に接続され、上記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第1の端子および第2の端子とを含み、この装置の重量FOMは約2.1ワット/グラムより大きい。
【選択図】図2

Description

本発明は、電荷蓄積装置およびその製造方法に関する。
本発明は、主にスーパーキャパシタなどの電気化学電荷蓄積装置に用いるために開発されており、これ以降その適用例に関して述べる。スーパーキャパシタは、ウルトラキャパシタ、電気二層キャパシタおよび電気化学キャパシタその他などの用語で示され、これらすべてがこの明細書で用いられているような「スーパーキャパシタ」という用語の範囲内に含まれることになる。
明確な範囲内にある特殊な動作特徴を有するスーパーキャパシタの大量生産は公知である。大量生産は費用の点から言えば有利であるが、これは本来柔軟性の欠如を伴う。すなわち、特定の適用例に対するスーパーキャパシタの所望の特徴が一般に適用可能な範囲に収まらない場合は、妥協解決策が必要となる。1つの選択肢は、所望のスーパーキャパシタを一品生産または少数生産として製造することである。この後者の選択肢は費用が非常に嵩むことが多いので、ほとんど実行できない。
公知のスーパーキャパシタは、通常、コンピュータの無停電電源または揮発性メモリのバックアップ電源などの電源に適用される。これに応じて、これらのスーパーキャパシタを高エネルギ密度、低自己放電率および低価格に最適化することが一般的となっている。
より最近では、スーパーキャパシタは高電力パルスの適用例に理論的に適用可能であると考えられている。実際、このようなスーパーキャパシタを短期間の電流源またはシンクとして適合するよう作製した試みもある。そのような適用例には、内燃機関の始動、ハイブリッド車の負荷電力平準化および種々のパルス通信システムなどがある。しかしながら、これらのスーパーキャパシタの成功は、高等価直列抵抗その他の要因によってこれまで制限されてきた。たとえば、従来技術の二層キャパシタには、ボタンセルまたは螺旋巻き技術を用いるものがある。これらは、通常2つのグループのうちのいずれかに属し、第1のグループは高電力の適用例に関し、第2のグループは低電力の適用例に関する。第1のグループでなく第2のグループでは、高エネルギ密度を得ることが可能であった。
この第1および第2のグループは、概して、使用される電解質のタイプ、すなわちそれぞれ水溶性および非水溶性によって規定される。これは主に、高電力、したがって高電流の適用例により適した水溶性電解質によって本来もたらされる、より低い抵抗によるものである。つまり、抵抗が低いと、結果として水溶性電解質のIR損失がより低くなる。しかしながら、このトレードオフは、これらの水溶性電解質に関して、容量セルにわたって印加され得る電圧が極めて限られているということである。
従来技術の二層キャパシタの第2のグループは、これとは逆の欠点を有する。すなわち、これらは利用可能なエネルギ密度を向上させるより大きな電圧窓をもたらす一方、高電力の適用例には不適切となる高い内部抵抗を有することである。
ジョン・R・ミラー著、1998年12月7〜9日、フロリダ、ディアフィールドビーチで開催された「2層キャパシタおよび同様のエネルギ蓄積装置に関する第8回国際セミナー」のための「電気化学キャパシタのパルス電力パフォーマンス:現在市販の装置の技術的実情」と題された論文
本発明の目的は、少なくとも好ましい実施例においては、従来技術の1つもしくはそれ以上の欠点を克服するかまたは実質的に改善すること、または少なくとも有用な代替策を提供することである。
本発明の第1の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この電荷蓄積装置は、
第1の電極と、
第1の電極に対向し、第1の電極から間隔をあけられた第2の電極と、電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータ、および電極が浸漬された電解質を収納する封止パッケージと、
第1の電極および第2の電極にそれぞれ電気的に接続され、上記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第1の端子および第2の端子とを含み、この装置の重量FOMは約2.1ワット/グラムより大きい。
好ましくは、この装置の重量FOMは約2.5ワット/グラムより大きい。より好ましくは、この装置の重量FOMは約3ワット/グラムより大きい。さらに好ましくは、この装置の重量FOMは約3.5ワット/グラムより大きい。いくつかの実施例では、この装置の重量FOMは約5ワット/グラムより大きい。
より好ましくは、第1の電極および第2の電極は容量セルを形成し、上記装置は並列に電気的に接続され、かつパッケージ内に配置された複数のセルを含む。しかしながら、他の実施例では、これらのセルは直列に接続される。さらなる実施例では、直列接続および並列接続の組合せが用いられる。直列接続によってセルはより高い電圧の適用例に適用できるようになり、一方並列接続によってセルはより高い結合容量を装置に与えることが可能になるとわかる。本発明によってこれらの異なる接続が安心して適応されるということは、好ましい実施例が高電力システムから低電力システムにわたる多種多様の処理に適用可能であることを意味する。
好ましい形態では、この容量セルまたは各容量セルの最大動作電圧は約4ボルト未満である。より好ましくは、この容量セルまたは各容量セルの最大動作電圧は約3.5ボルト未満である。さらに好ましくは、この容量セルまたは各容量セルの最大動作電圧は約3ボルト未満である。
好ましくは、第1の電極および第2の電極はそれぞれ第1の炭素コーティングおよび第2の炭素コーティングを含み、それらのコーティングにおいて用いられる炭素の表面積は20m/グラムより大きい。
本発明の第2の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
第1の電極を提供するステップと、
第2の電極を第1の電極に対向し第1の電極から間隔をあけて配置するステップと、
電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、
電極、セパレータおよび電解質を封止パッケージ内に収納するステップとを含み、上記電極は電解質に浸漬されており、上記方法はさらに、
第1の端子および第2の端子を、上記パッケージから延びるこれらの端子がそれぞれの電極への外部電気接続を可能にするように、それぞれ第1の電極および第2の電極に電気的に接続するステップとを含み、上記装置の重量FOMは約2.1ワット/グラムより大きい。
好ましくは、この装置の重量FOMは約2.5ワット/グラムより大きい。より好ましくは、この装置の重量FOMは約3ワット/グラムより大きい。さらに好ましくは、この装置の重量FOMは約3.5ワット/グラムより大きい。いくつかの実施例では、この装置の重量FOMは約5ワット/グラムより大きい。
より好ましくは、第1の電極および第2の電極が容量セルを形成し、この装置は、並列に電気的に接続されかつパッケージ内に配置された複数のセルを含む。しかしながら、他の実施例では、これらのセルは直列に接続される。さらなる実施例では、直列接続および並列接続の組合せが用いられる。
好ましい形態では、この容量セルまたは各容量セルの最大動作電圧は約4ボルト未満である。より好ましくは、この容量セルまたは各容量セルの最大動作電圧は約3.5ボルト未満である。さらに好ましくは、この容量セルまたは各容量セルの最大動作電圧は約3ボルト未満である。
好ましくは、第1の電極および第2の電極はそれぞれ第1の炭素コーティングおよび第2の炭素コーティングを含み、これらのコーティングに用いられる炭素の表面積は20m/グラムより大きい。
本発明の第3の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この電荷蓄積装置は、
第1の電極と、
第1の電極と対向し第1の電極から間隔をあけられた第2の電極と、
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび中に電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
第1の電極および第2の電極にそれぞれ電気的に接続され、上記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第1の端子および第2の端子とを含み、この装置の容積FOMは約3.2ワット/cmより大きい。
好ましくは、この装置の容積FOMは約4ワット/cmより大きい。より好ましくは、この装置の容積FOMは約5ワット/cmより大きい。さらに好ましくは、この装置の容積FOMは約7ワット/cmより大きい。いくつかの実施例では、この装置の容積FOMは約8ワット/cmより大きい。
より好ましくは、第1の電極および第2の電極は容量セルを形成し、上記装置は並列に電気的に接続され、かつパッケージ内に配置された複数のセルを含む。しかしながら、他の実施例では、これらのセルは直列に接続される。さらなる実施例では、直列接続および並列接続の組合せが用いられる。直列接続によってセルはより高い電圧の適用例に適用できるようになり、一方並列接続によってセルはより高い結合容量を装置に与えることが可能になるとわかる。本発明によってこれらの異なる接続が安心して適応されるということは、好ましい実施例が高電力システムから低電力システムにわたる多種多様の処理に適用可能であることを意味する。
好ましい形態では、この容量セルまたは各容量セルの最大動作電圧は約4ボルト未満である。より好ましくは、この容量セルまたは各容量セルの最大動作電圧は約3.5ボルト未満である。さらに好ましくは、この容量セルまたは各容量セルの最大動作電圧は約3ボルト未満である。
好ましくは、第1の電極および第2の電極はそれぞれ第1の炭素コーティングおよび第2の炭素コーティングを含み、それらのコーティングにおいて用いられる炭素の表面積は20m/グラムより大きい。
本発明の第4の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
第1の電極を提供するステップと、
第2の電極を第1の電極に対向し第1の電極から間隔をあけて配置するステップと、
電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、
電極、セパレータおよび電解質を封止パッケージ内に収納するステップとを含み、上記電極は電解質に浸漬されており、上記方法はさらに、
第1の端子および第2の端子を、上記パッケージから延びるこれらの端子がそれぞれの電極への外部電気接続を可能にするように、それぞれ第1の電極および第2の電極に電気的に接続するステップとを含み、上記装置の容積FOMは約3.2ワット/cmより大きい。
好ましくは、この装置の容積FOMは約4ワット/cmより大きい。より好ましくは、この装置の容積FOMは約5ワット/cmより大きい。さらに好ましくは、この装置の容積FOMは約7ワット/cmより大きい。いくつかの実施例では、この装置の容積FOMは約8ワット/cmより大きい。
本発明の第5の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この電荷蓄積装置は、
第1の導電性基板を有する第1の電極と、
第1の基板上に支持され、かつ400m/グラムより大きい表面積を有する炭素から形成される第1の炭素層と、
第2の導電性基板を有する第2の電極と、
第2の基板上に支持され、400m/グラムより大きい表面積を有する炭素から形成される第2の炭素層と、
電極間に配置される多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される有機電解質を収納する封止パッケージとを含み、第1の層と第2の層とは対向し間隔をあけられており、上記装置はさらに、
第1の電極および第2の電極にそれぞれ電気的に接続され、上記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第1の端子および第2の端子を含み、この装置の容積FOMは約1.1ワット/cmより大きい。
本発明の第6の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
第1の導電性基板を有する第1の電極を提供するステップと、
第1の炭素層を第1の基板上に支持するステップとを含み、第1の層は400m/グラムより大きい表面積を有する炭素から形成されており、上記方法はさらに、
第2の導電性基板を有する第2の電極を提供するステップと、
第2の基板上に第2の炭素層を支持するステップとを含み、第2の層は400m/グラムより大きい表面積を有する炭素から形成されており、上記方法はさらに、
電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される有機電解質を封止パッケージ内に収納するステップを含み、第1および第2の層は対向し間隔をあけられており、上記方法はさらに、
第1の端子および第2の端子を、これらの端子が上記パッケージからともに延び、それぞれの電極への外部電気接続を可能にするように、それぞれ第1の電極および第2の電極に電気的に接続するステップを含み、この装置の容積FOMは約1.1ワット/cmより大きい。
本発明の第7の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この電荷蓄積装置は、
第1の電極と、
第1の電極に対向し、第1の電極から間隔をあけられた第2の電極と、
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータ、および電極が浸漬される電解質を収納するための封止パッケージと、
第1の電極および第2の電極にそれぞれ電気的に接続され、上記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第1の端子および第2の端子とを含み、この装置の応答時間(T)は約0.09秒未満である。
好ましくは、Tは約10−2秒未満である。より好ましくは、Tは約10−3秒未満である。さらに好ましくは、Tは約10−4秒未満である。いくつかの実施例では、Tは約5×10−5秒未満である。
本発明の第8の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
第1の電極を提供するステップと、
第1の電極から対向し第1の電極から間隔をあけられた第2の電極を提供するステップと、
電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を封止パッケージに収納するステップと、
第1の端子および第2の端子を、これらの端子が上記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にするように、それぞれ第1の電極および第2の電極に電気的に接続するステップとを含み、この装置の応答時間(T)が約0.09秒未満である。
好ましくは、Tは約10-2秒未満である。より好ましくは、Tは約10−3秒未満である。さらに好ましくは、Tは約10−4秒未満である。いくつかの実施例では、Tは約5×10−5秒未満である。
本発明の第9の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この電荷蓄積装置は、
第1の電極と、
第1の電極と対向し第1の電極から間隔をあけられた第2の電極と、
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
第1の電極および第2の電極にそれぞれ電気的に接続され、上記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第1の端子および第2の端子とを含み、この装置の重量当たりの最大電力は約12.5ワット/グラムより大きい。
好ましくは、この装置の重量当たりの最大電力は約15ワット/グラムより大きい。より好ましくは、この装置の重量当たりの最大電力は約17ワット/グラムより大きい。さらに好ましくは、この装置の重量当たりの最大電力は約20ワット/グラムより大きい。いくつかの実施例では、この装置の重量当たりの最大電力は約26ワット/グラムより大きい。
本発明の第10の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
第1の電極を提供するステップと、
第1の電極に対向し第1の電極から間隔をあけて第2の電極を配置するステップと、
電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、
電極、セパレータおよび電解質を封止パッケージ内に収納するステップとを含み、上記電極は上記電解質に浸漬されており、上記方法はさらに、
第1の端子および第2の端子を、上記パッケージから延びるこれらの端子がそれぞれの電極への外部電気接続を可能にするように、それぞれ第1の電極および第2の電極に電気的に接続するステップを含み、この装置の重量当たりの最大電力は約12.5ワット/グラムより大きい。
好ましくは、この装置の重量当たりの最大電力は約15ワット/グラムより大きい。より好ましくは、この装置の重量当たりの最大電力は約17ワット/グラムより大きい。さらに好ましくは、この装置の重量当たりの最大電力は約20ワット/グラムより大きい。いくつかの実施例では、この装置の重量当たりの最大電力は約26ワット/グラムより大きい。
本発明の第11の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この電荷蓄積装置は、
第1の電極と、
第1の電極に対向し、第1の電極から間隔をあけられた第2の電極と、
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
第1の電極および第2の電極にそれぞれ電気的に接続され、上記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第1の端子および第2の端子とを含み、この装置の容積当たりの最大電力は約35ワット/cmより大きい。
本発明の第12の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
第1の電極を提供するステップと、
第1の電極に対向し第1の電極から間隔をあけて第2の電極を配置するステップと、
電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、
電極、セパレータ、および電解質を封止パッケージ内に収納するステップとを含み、上記電極は上記電解質に浸漬されており、上記方法はさらに、
第1の端子および第2の端子を、これらの端子が上記パッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にするように、それぞれ第1の電極および第2の電極に電気的に接続するステップを含み、この装置の容積当たりの最大電力は約35ワット/cmより大きい。
本発明の第13の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この電荷蓄積装置は、
第1の電極と、
第1の電極に対向し、第1の電極から間隔をあけられた第2の電極と、
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
第1の電極および第2の電極にそれぞれに電気的に接続され、上記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第1の端子および第2の端子とを含み、この装置の時定数は約0.03秒未満である。
好ましくは、この装置の時定数は約10−2秒未満である。より好ましくは、この装置の時定数は約10−3秒未満である。さらに好ましくは、この装置の時定数は約10−3秒未満である。いくつかの実施例では、この装置の時定数は約10−4秒未満である。
本発明の第14の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
第1の電極を提供するステップと、
第1の電極に対向し第1の電極から間隔をあけて第2の電極を提供するステップと、
電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を封止パッケージに収納するステップと、
第1の端子および第2の端子を、これらの端子が上記パッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にするように、それぞれ第1の電極および第2の電極に電気的に接続するステップとを含み、この装置の時定数は約0.03秒未満である。
好ましくは、この装置の時定数は約10−2秒未満である。より好ましくは、この装置の時定数は約10−3秒未満である。さらに好ましくは、この装置の時定数は約10−3秒未満である。いくつかの実施例では、この装置の時定数は約10−4秒未満である。
本発明の第15の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この電荷蓄積装置は、
それぞれの第1のタブがそこから延びる複数の第1のシート電極と、
第1の電極と互い違いにされ、それぞれの第2のタブがそこから延びる複数の第2のシート電極と、
隣接する電極間に配置された多孔質セパレータ手段と、
電極、セパレータ手段および電解質を収納する封止パッケージとを含み、これによって、第1のタブは第1の端子に電気的に接続され、第2のタブは第2の端子に電気的に接続され、第1および第2の両端子がパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする。
本発明の第16の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
それぞれの第1のタブがそこから延びる複数の第1のシート電極を提供するステップと、
複数の第2のシート電極と第1の電極とを互い違いにするステップとを含み、第2のシート電極はそこから延びるそれぞれの第2のタブを有し、上記方法はさらに、
隣接する電極間に多孔質セパレータ手段を配置するステップと、
電極、セパレータ手段および電解質を封止パッケージ内に収納するステップと、
第1のタブを第1の端子に、かつ第2のタブを第2の端子に電気的に接続するステップとを含み、第1および第2の両端子が上記パッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする。
本発明の第17の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この電荷蓄積装置は、
第1のシート電極と、
第1のシート電極に隣接して配置された第2のシート電極とを含み、これにより電極はそれぞれの長さで折り返され、上記装置はさらに、
隣接する電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび電解質を収納する封止パッケージとを含み、これにより第1の電極は第1の端子に電気的に接続され、第2の電極は第2の端子に電気的に接続され、第1および第2の両端子はパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする。
本発明の第18の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
第1のシート電極を提供するステップと、
第1の電極に近接して第2のシート電極を配置するステップと、
電極をそれらのそれぞれの長さで折り返すステップと、
隣接する電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、
電極、セパレータおよび電解質をパッケージ内に封止するステップと、
第1の電極を第1の端子に、かつ第2の電極を第2の端子に電気的に接続するステップとを含み、第1および第2の両端子は上記パッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする。
本発明の第19の局面によれば、複合電荷蓄積装置が提供され、この複合電荷蓄積装置は、
第1の端子に電気的に接続されている第1の電極と、
第1の電極に近接して配置され、かつ第2の端子に電気的に接続されている第2の電極と、
第1の電極に近接して配置され、かつ第2の端子に電気的に接続されている第3の電極と、
隣接する電極間に配置された1つ以上の多孔質セパレータと、
電極、1つ以上のセパレータおよび電解質を収納するパッケージとを含み、これにより上記端子はパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする。
本発明の第20の局面によれば、複合電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
第1の電極を提供するステップと、
第1の電極を第1の端子に電気的に接続するステップと、
第2の電極を第1の電極に近接して配置するステップと、
第2の電極を第2の端子に電気的に接続するステップと、
第3の電極を第1の電極に近接して配置するステップと、
第3の電極を第2の端子に電気的に接続するステップと、
隣接する電極間に1つ以上の多孔質セパレータを配置するステップと、
電極、1つ以上のセパレータおよび電解質をパッケージ内に収納するステップとを含み、これにより、上記端子は上記パッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする。
本発明の第21の局面によれば、複合電荷蓄積装置が提供され、この装置は、
電解質を収納する封止キャビティを規定するパッケージと、
各々が、キャビティ内に位置付けられた第1の端部とパッケージ外部の第2の端部との間に延びる、2つの間隔をあけられたキャパシタ端子と、
キャビティ内に位置付けられ、かつ電解質と接触している第1のキャパシタセルとを含み、第1のセルは第1の予め定められた時定数と、それぞれのキャパシタ端子に電気的に接続された2つのセル端子との両方を有し、上記装置はさらに、
キャビティ内に位置付けられ、電解質と接触し、第1のセルに対して間隔をあけた構成で維持される第2のキャパシタセルを含み、第2のキャパシタセルは第2の予め定められた時定数と、それぞれのキャパシタ端子に電気的に接続された2つのセル端子との両方を有する。
本発明の第22の局面によれば、複合電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
パッケージにより規定された封止キャビティに電解質を収納するステップと、
各々が、キャビティ内に位置付けられた第1の端部とパッケージ外部の第2の端部との間に延びる、2つの間隔をあけたキャパシタ端子を提供するステップと、
キャビティ内に電解質と接触させて第1のキャパシタセルを位置付けるステップとを含み、第1のセルは、第1の予め定められた時定数と、それぞれのキャパシタ端子に電気的に接続された2つのセル端子との両方を有し、上記方法はさらに、
第2のキャパシタセルをキャビティ内に電解質に接触させて、かつ第1のセルに対して間隔をあけた構成で維持されるよう位置付けるステップを含み、第2のセルは、第2の予め定められた時定数と、それぞれのキャパシタ端子に電気的に接続された2つのセル端子との両方を有する。
本発明の第23の局面によれば、複合電荷蓄積装置が提供され、この装置は、
第1の端子に電気的に接続され、かつ少なくともその一方上に第1のコーティングを有する第1のシート電極を含み、このコーティングは予め定められた変動的な厚さであり、上記装置はさらに、
第1の電極に近接して配置され、かつ第2の端子に電気的に接続されている第2の電極と、
隣接する電極間に配置された1つ以上の多孔質セパレータと、
電極、1つ以上のセパレータおよび電解質を収納するパッケージとを含み、これにより端子はパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする。
本発明の第24の局面によれば、複合電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
第1のシート電極を提供するステップと、
第1の電極を第1の端子に電気的に接続するステップと、
第1の電極の少なくとも一方側上に第1のコーティングを施すステップとを含み、このコーティングは予め定められた変動的な厚さであり、上記方法はさらに、
第2の電極を第1の電極に近接して配置するステップと、
第2の電極を第2の端子に電気的に接続するステップと、
1つ以上の多孔質セパレータを隣接する電極間に配置するステップと、
電極、1つ以上のセパレータおよび電解質をパッケージ内に収納するステップとを含み、これにより端子はパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする。
本発明の第25の局面によれば、複合電荷蓄積装置が提供され、この装置は、
第1の端子に電気的に接続され、かつその一方側上に第1のコーティング、およびその他方側上に第2のコーティングを含む第1のシート電極を含み、第1のコーティングは第1の予め定められた厚さであり、第2のコーティングは第2の予め定められた厚さであり、上記装置はさらに、
第2の端子に電気的に接続され、かつ第1の電極の一方側に近接して配置された第2のシート電極を含み、この第2の電極はその一方側上に第3の予め定められた厚さの第3のコーティングを含み、この第3のコーティングは第1のコーティングと対向しており、上記装置はさらに、
第2の端子に電気的に接続され、かつ第1の電極の他方側に近接して配置された第3の電極を含み、この第3の電極はその一方側上に第4の予め定められた厚さの第4のコーティングを含み、この第4のコーティングは第2のコーティングと対向しており、上記装置はさらに、
隣接する電極間に配置された1つ以上の多孔質セパレータと、
電極、1つ以上のセパレータおよび電解質を収納するパッケージとを含み、これにより端子はパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする。
本発明の第26の局面によれば、複合電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
第1のシート電極を提供するステップと、
第1の電極を第1の端子に電気的に接続するステップと、
第1の電極の一方側に第1のコーティングを、かつ他方側に第2のコーティングを施すステップとを含み、第1のコーティングは第1の予め定められた厚さであり、第2のコーティングは第2の予め定められた厚さであり、上記方法はさらに、
第2の電極の一方側に第3のコーティングを施すステップを含み、第3のコーティングは第3の予め定められた厚さであり、前記方法はさらに、
第2のシート電極を、第3のコーティングが第1のコーティングに対向するように第1の電極に近接して配置するステップと、
第2の電極を第2の端子に電気的に接続するステップと、
第4の予め定められた厚さの第4のコーティングを第3の電極に与えるステップと、
第4のコーティングが第2のコーティングに対向するように、第3の電極を第1の電極に近接して配置するステップと、
第3の電極を第2の端子に電気的に接続するステップと、
1つ以上の多孔質セパレータを隣接する電極間に配置するステップと、
電極、1つ以上のセパレータおよび電解質をパッケージ内に収納するステップとを含み、これにより、端子はパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする。
本発明の第27の局面によれば、スーパーキャパシタにおいて用いるための電極が提供され、これらの電極は、
基板と、
上記基板上にコーティングされた、プロトン化されたカルボキシメチルセルロースの懸濁物と混合された炭素粒子とを含む。
本発明の第28の局面によれば、スーパーキャパシタが提供され、このスーパーキャパシタは、
カーボン粒子と、少なくとも1対の電極の対向する面上にコーティングされた、プロトン化されたカルボキシメチルセルロースの懸濁物との混合物を有する、少なくとも1対の電極と、
上記少なくとも1対の電極の上記対向する面の間に位置付けられたセパレータと、
このセパレータを湿らす電解質とを含む。
本発明の第29の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この装置は、
発泡しない炭素から形成された第1の層を有する第1の電極と、
発泡しない炭素から形成された第2の層を有する第2の電極とを含み、第2の層は第1の層に対向し第1の層から間隔をあけられており、上記装置はさらに、
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
第1の電極および第2の電極にそれぞれ電気的に接続され、上記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第1の端子および第2の端子とを含み、第1および第2の層を形成するのに用いられる炭素の表面積は20m/グラムより大きい。
本発明の第30の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
第1の電極を発泡しない炭素から形成された第1の層でコーティングするステップと、
第2の電極を発泡しない炭素から形成された第2の層でコーティングするステップと、
第1の層と第2の層とを間隔をあけた構成で対向させるステップと、
電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を封止パッケージにまとめて収納するステップと、
第1の端子および第2の端子を、これらの電極がともに上記パッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にするように、それぞれ第1の電極および第2の電極に電気的に接続するステップとを含み、第1および第2の層を形成するのに用いられる炭素の表面積は20m/グラムより大きい。
本発明の第31の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この装置は、
第1の基板およびこの基板によって支持された第1の炭素層を有する第1の電極を含み、上記層は少なくとも約400m/グラムの表面積を有する炭素から形成されており、上記装置はさらに、
第2の基板および第2の基板によって支持された第2の炭素層を有する第2の電極を含み、この第2の層は少なくとも約400m/グラムの表面積を有する炭素から形成されており、第2の層は第1の層と対向し第1の層から間隔をあけられ、上記装置はさらに、
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
第1の電極および第2の電極にそれぞれ電気的に接続され、上記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第1の端子および第2の端子とを含み、この装置の重量当たりの最大電力は約4.8ワット/グラムより大きい。
好ましくは、炭素の表面積は少なくとも1200m/グラムである。より好ましくは、少なくとも1つの層が1種類より多くの炭素を含む。
本発明の第32の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
第1の基板およびこの基板によって支持された第1の炭素層を有する第1の電極を提供するステップを含み、第1の炭素層は少なくとも約400m/グラムの表面積を有する炭素から形成されており、上記方法はさらに、
第2の基板および第2の基板によって支持された第2の炭素層を有する第2の電極を提供するステップを含み、第2の層は少なくとも400m/グラムの表面積を有する炭素から形成されており、第2の層は第1の層に対向して第1の層から間隔をあけられており、上記方法はさらに、
電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を封止パッケージ内に収納するステップと、
第1の端子および第2の端子を、これらの端子が上記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にするように、それぞれ第1の電極および第2の電極に電気的に接続するステップとを含み、この装置の重力当たりの最大電力は約4.8ワット/グラムより大きい。
好ましくは、炭素の表面積は少なくとも1200m/グラムである。より好ましくは、上記層のうち少なくとも1層が1種類より多くの炭素を含む。
本発明の第33の局面によれば、エネルギ蓄積装置が提供され、この装置は、
ハウジングと、
第1および第2の電荷蓄積容量をそれぞれ有する第1および第2の対向する電極とを含み、これらの電極はハウジング内に配置され、第1の電荷蓄積容量が第2の電荷蓄積容量より大きく、上記装置はさらに、
電極の中間にあるセパレータと、
ハウジング内に配置され、かつ電極と電荷をやり取りする電解質とを含む。
好ましくは、第1の電極はその一方側に第1の炭素コーティングを有するアルミニウムシートを含み、第2の電極はその一方側に第2の炭素コーティングを有するアルミニウムシートを含み、第1および第2のコーティングは対向している。より好ましくは、これらのシートは実質的に寸法上等価であり、電荷蓄積容量は第1のコーティングと第2のコーティングとの差により変動する。さらに好ましくは、第1のコーティングは第2のコーティングより厚い。しかしながら、他の実施例では、第1のコーティングの特定の容量が第2のコーティングのものより大きい。つまり、第1のコーティングはグラム当たり予め定められた容量をもたらす炭素を含み、これは第2のコーティングに含まれた炭素のものより大きい。さらなる実施例では、電荷蓄積容量における差は、cm当たりのコーティングの付着量の差によるものである一方、他の実施例では、これは電極の単位面積当たりの炭素の活性表面積における差によるものである。
好ましくは、電荷蓄積容量は第1および第2の電極の表面積における差により異なる。
好ましい形態では、第1の電荷蓄積容量と第2の電荷蓄積容量との比は、約9:7から2:1の範囲内にある。より好ましくは、この比は約5:3から2:1の範囲内にある。
好ましい形態では、第1および第2の電荷蓄積容量における差は、充填材料を含む第2の電極によるものである。いくつかの実施例では、この充填材料はより小さい表面積の炭素である一方、他の実施例では、金属繊維または炭素ナノ(nano)チューブが用いられる。より好ましくは、充填材料は導電性である。さらに好ましくは、第1および第2の電極は、充填材料を含むか否かにかかわらず、公称の厚さはほぼ同じである。
本発明の第34の局面によれば、ハウジングを有するエネルギ蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
第1および第2の電荷蓄積容量をそれぞれ有する第1および第2の対向する電極をハウジング内に配置するステップを含み、第1の電気蓄積容量は第2の電荷蓄積容量より大きく、上記方法はさらに、
電極の中間にセパレータを配置するステップと、
電極と電荷をやり取りするためにハウジング内に電解質を設けるステップとを含む。
好ましくは、第1の電極はその一方側に第1の炭素コーティングを有するアルミニウムシートを含み、第2の電極はその一方側に第2の炭素コーティングを有するアルミニウムシートを含み、上記方法はさらに、第1および第2のコーティングを対向させるステップを含む。より好ましくは、上記シートは実質的に寸法上等価であり、上記方法はさらに、第1のコーティングと第2のコーティングとの間に差を設けて電荷蓄積容量に変化をもたらすステップを含む。さらに好ましくは、第1のコーティングは第2のコーティングより厚い。しかしながら、他の実施例では、第1のコーティングの特定の容量は第2のコーティングのものより大きい。
本発明の第35の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この装置は、
ハウジングと、
ハウジング内に配置された第1のシート電極と、
第1のシート電極に近接し、かつ対向してハウジング内に配置された第2のシート電極と、
第1の電極の実質上すべてを包み、かつ間隔をあけた構成で電極同士を維持するためのセパレータと、
電極の中間に配置される電解質と、
それぞれの電極から延び、かつハウジングの外側で終わり電極への外部電気接続を可能にする2つの端子とを含む。
好ましくは、セパレータは少なくとも1つの共通端に沿って接続される2枚の対向するセパレータシートを含み、第1の電極はこれらのセパレータシートの間に配置される。より好ましくは、セパレータシートは一体的に形成される。さらに好ましくは、セパレータシートは共通端に沿って一体的に形成される。
また好ましくは、各セパレータシートは、ともに共通端から離れるように延びる、第1の端縁と、第1の端縁から間隔をあけられた第2の端縁とを含む。より好ましくは、各セパレータシートはまた、第1の端縁と第2の端縁との間に延びる第3の端縁を含み、第1の端縁は対向してともに接合され、第2の端縁は対向してともに接合される。さらに好ましくは、第3の端縁は対向している。
好ましい形態では、第1の電極は第1のサブシートと第1のサブシートに対向する第2のサブシートとを含む。より好ましくは、第1および第2のサブシートは対向している。さらに好ましくは、第1および第2のサブシートの各々は共通端に沿って接合される。また好ましくは、第1および第2のサブシートの間の共通端は2つの対向するセパレータシート間の共通端に近接して配置される。
本発明の第36の局面によれば、ハウジングを有する電荷蓄積装置を構築する方法が提供され、この方法は、
少なくとも2つの対向するシート電極をハウジング内に配置するステップと、
電極のうちの第1のものの実質上すべてをセパレータで包み、間隔をあけた構成で電極を維持するステップと、
電極の中間に電解質を配置するステップと、
それぞれの電極から延び、かつハウジングの外側で終わり電極への外部電気接続を可能にする2つの端子を設けるステップとを含む。
好ましくは、セパレータは少なくとも1つの共通端に沿って接続された2つの対向するセパレータシートを含み、上記方法はさらに、第1の電極をこのセパレータシート間に配置するステップを含む。より好ましくは、セパレータシートは一体的に形成される。さらに好ましくは、セパレータシートは共通端に沿って一体的に形成される。
また好ましくは、各セパレータシートは第1の端縁および第1の端縁から間隔をあけられた第2の端縁を含み、これらはともに共通端から離れるように延びる。より好ましくは、各セパレータシートはまた、第1の端縁と第2の端縁との間に延びる第3の端縁も含み、上記方法はさらに、第1の端縁をともに接合し第2の端縁をともに接合するステップを含む。さらに好ましくは、第3の端縁は対向している。
本発明の第37の局面によれば、電荷蓄積装置が提供され、この装置は、炭素粒子のコーティングをそれぞれ有する2つの対向する電極を含み、これらの粒子は予め定められた公称直径を有し、コーティングは公称直径より大きいが公称直径のオーダである厚さを有し、上記装置はさらに、
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
第1の電極および第2の電極にそれぞれ電気的に接続され、かつパッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第1の端子および第2の端子を含む。
好ましくは、予め定められた公称直径は約8ミクロン未満であり、コーティングの厚さは100ミクロン未満である。より好ましくは、予め定められた公称直径は約6ミクロン未満であり、コーティングの厚さは約36ミクロン未満である。さらに好ましくは、予め定められた公称直径は約2ミクロン未満であり、コーティングの厚さは約6ミクロン未満である。
本発明の第38の局面によれば、電荷蓄積装置の製造方法が提供され、この方法は、
炭素粒子のコーティングをそれぞれ有する2つの電極を対向させるステップを含み、これらの粒子は予め定められた公称直径を有し、コーティングはこの公称直径より大きいが公称直径のオーダである厚さを有し、上記方法はさらに、
電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を封止パッケージに収納するステップと、
第1の端子および第2の端子を、上記パッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にするように、それぞれ第1の電極および第2の電極に電気的に接続するステップとを含む。
この文章中に特に明記しない限り、明細書および請求の範囲全体にわたって、「含む(comprise)」「含んでいる(comprising)」という語は排他的または網羅的な意味ではなく包括的な意味として、すなわち「含んでいるが限定はされない」という意味として解釈されるべきである。さらに、「含む(includes)」「含んでいる(including)」などの語は、「含む(comprise)」「含んでいる(comprising)」などの語と互換可能に用いられる。
スーパーキャパシタの形の、この発明に従う電荷蓄積装置の斜視図である。 この発明の第1の実施例に従う、電極の構成の概略図である。 シート電極の概略的な側面図である。 交互に配された複数の図3のシート電極を用いた、この発明の別の局面に従う、電荷蓄積装置の概略的な平面図である。 この発明に従う代替的なスーパーキャパシタの概略的な正面図である。 図5のスーパーキャパシタの概略的な左側面図である。 図5のスーパーキャパシタの概略的な右側面図である。 この発明に従うさらなる代替的なスーパーキャパシタの概略的な正面図である。 図8のスーパーキャパシタの概略的な側面図である。 この発明に従う別のスーパーキャパシタの概略的な正面図である。 図10のスーパーキャパシタの概略的な側面図である。 図10のスーパーキャパシタの概略的な断面図である。 この発明の特定の例のための、重量FOM対Tのグラフの図である。 この発明の特定の例のための、容積FOM対Tのグラフの図である。 この発明の特定の例のための、重量当りの最大電力対時定数のグラフの図である。 この発明の特定の例のための、容積当りの最大電力対時定数のグラフの図である。 この発明の寸法適用性を示す表である。 いくつかの先行技術のスーパーキャパシタおよびこの発明のスーパーキャパシタのパラメータを示す表である。 この発明の別の局面に従う、スーパーキャパシタの概略的な断面図である。 この発明のさらなる局面に従う、スーパーキャパシタの概略的な断面図である。 この発明に従って作られたスーパーキャパシタのさらなる例を示す表である。 この発明の1つの実施例に従う、スーパーキャパシタの概略的な断面図である。 図21のスーパーキャパシタ用のセパレータの平面図である。 図21のスーパーキャパシタの電極の1つの概略的な平面図である。 図22のセパレータおよび図23の電極を含む電極アセンブリの概略的な斜視図である。 図23に示されたものと同様の電極内に入れ子状にされた、図24のアセンブリの概略的な斜視図である。
この発明の第1の局面に従うと、電荷蓄積装置であって、
第1の電極と、
第1の電極と対向しかつ間隔を空けられた第2の電極と、
電極間に配置された多孔質セパレータと、
電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収容するための封止パッケージと、
第1の端子および第2の端子とを含み、それらはそれぞれ第1の電極および第2の電極に電気的に接続されかつ両者ともパッケージから延在してそれぞれの電極への外部からの電気的接続をもたらし、装置の重量FOMは約2.1ワット/グラムよりも大きい、電荷蓄積装置が提供される。
重量FOMは、パルス電力の適用を意図されたエネルギ蓄積装置とともに用いるのにより適切な効果尺度であることが認められる。すなわち、そのような適用は必然的に周波数依存であり、したがって、効果尺度の計算は、蓄積装置のインピーダンスが−45°の位相角に達する周波数fをまず識別するステップを含む。次にfの逆数は蓄積装置に特有の応答時間Tを与える。fでのインピーダンスZ″の虚数部の値は、装置がその周波数で供給することができるエネルギEを計算するのに用いられる。より特定的には、以下の式のとおりであり、
=1/2CV
式中、C=−1/(2πfZ″)であり、Vは装置の定格電圧である。次にEを装置の質量およびTで除することにより、重量効果尺度が計算される。すなわち、以下の式のとおりとなる。
重量FOM=E/(m.T
重量効果尺度は、1998年12月7〜9日、フロリダ、ディアフィールドビーチで開催された「2層キャパシタおよび同様のエネルギ蓄積装置に関する第8回国際セミナー」("8th International Seminar on Double Layer Capacitors and Similar Energy Storage Devices")のための「電気化学キャパシタのパルス電力パフォーマンス:現在市販の装置の技術的実情」("Pulse Power Performance of Electrochemical Capacitors: Technical Status of Present Commercial Devices")と題される論文でジョン・R・ミラー(John R. Miller)により提案された。この論文の中の教示および開示は相互参照により本明細書中に援用される。
ミラーの論文には、Tと装置の容積の両者によって除算されたEに基づく容積効果尺度(容積FOM)の計算も詳細に説明されている。容積FOMはワット/cmという形で表記される。
これらの効果尺度は、パルス電力の周波数依存の性質および装置に適用されている他のそのような適用例とさらに一致する、蓄積装置の異なる特徴をもたらす。装置の性能はこれまで用いられてきた単純なRCモデルで十分に説明できないことにも留意しなければならない。このような単純なモデルは、パルス化された適用例または高電力の適用例のいずれの周波数依存の性質も説明できないが、この発明を特徴づけるのに用いられるFOMはそのような適用例に直接的に関係するパラメータである。
好ましくは、第1の電極は第1の基板および基板によって支持される第1の炭素層を含み、第2の電極は第2の基板および第2の基板によって支持される第2の炭素層を含み、第1および第2の炭素層は対向しかつ少なくとも400m/グラムの表面積を含み、装置の重量FOMは約1ワット/グラムよりも大きい。
/Gと表記される表面積の本明細書中の測定値は窒素BET技術によって得られることが認められる。
より好ましくは、炭素層の表面積は少なくとも1200m/グラムである。さらに好ましくは、炭素層の少なくとも1つは2つ以上のタイプの炭素を含む。
さらに好ましくは、炭素層は、プロトン化されたカルボキシメチルセルロース(CMC)の懸濁液と組合された、高表面積炭素および高導電性炭素の約2.5:1の比率の混合である。しかしながら、他の実施例では他の結合剤を用いることが認められるであろう。たとえば、そのような別の結合剤はCMCナトリウムである。
図1を参照すると、この発明に従う、スーパーキャパシタ1の形のエネルギ蓄積装置の1つの実施例が示される。スーパーキャパシタ1は、第1の端3と間隔を空けられた第2の端4との間に軸方向に延在する円柱形のハウジング2の中に収められる。他の実施例では異なって形づくられたハウジングが用いられる。
ハウジングは円柱形の側壁6を有し、それぞれの端3および4に隣接して配置された円形の上面7および底面8を有する。底面、側壁および上面のすべての隣接する端縁は封止するように係合される。この実施例では、ハウジング2は金属から形成され、上面7および底面8は封止するように側壁6に接着される。
上面7は、それぞれの端子11および12を封止するように受けるための径方向に間隔を空けられた2つのポート9および10を含む。端子は、それらがスーパーキャパシタ1の電極のそれぞれのものまたは組に電気的に接続されるハウジング2の中から延在する。多数の可能な電極がこの発明のさまざまな実施例に用いられるが、最も好ましいものが以下に詳細に論じられる。
端子11および12はゴムの封止材13および14によりそれぞれのポートの中に封止するように保持される。
第1の好ましい電極の構成が図2に示される。より特定的には、この実施例では、スーパーキャパシタ1は複数の第1のシート電極21を含み、シート電極はそれから延在するそれぞれの第1のタブ22を有する。複数の同様の第2のシート電極23が電極21と交互に配され、そこから延在するそれぞれの第2のタブ24を有する。複数の多孔質シートセパレータ25は隣接する電極間に配置される。図1を参照して説明されたように、ハウジング2は、電極21および23、セパレータ25ならびに電解質(図示せず)を収容する。タブ22は端子11に電気的に接続され、タブ24は端子12に電気的に接続されてそれぞれの電極へ外部からの電気的接続をもたらす。
図2には、2つの電極21および2つの電極23が示されるが、実際の実施例は、すべて相互接続されて予め定められた容量をもたらすはるかに多くの数のこのようなシート電極を含むことが認められるであろう。この形でのこの発明は、容量のモジュラーユニットすなわち1つの電極21、1つの電極23および中間セパレータ25が容易に大量生産されかつ複数の同様のユニットと組合されて特定の用途に必要な容量を与えるという点で特に有利である。したがって、特定の性能特性を有するスーパーキャパシタは、大きな需要があるときと同じ単位原価で容易にかつ少数だけ生産され得る。いくつかの実施例では、異なるサイズのハウジングが求められる。しかし、ハウジングの相対的なコストは大きくない。
タブ22および24はそれぞれ中央に配置された開口27および28を含む。これらの開口は同様のタブを電気的に相互接続するためのそれぞれの導電ロッド29および30を受ける。次にロッドはハウジング2内でそれぞれの電極11および12に電気的に接続される。
いくつかの実施例では、2つの隣接する電極21および23はともに折り曲げられて電極の一方の寸法を減じる。公知の容量が求められるが、パッケージングの要件が非常に限られる状況ではこれは特に有利である。
別の実施例では、2つまたはそれ以上のシート電極およびともに螺旋に巻かれた1つまたはそれ以上の中間セパレータを用いることにより、同様の効果が達成される。2つのシート電極は縦方向に細長くかつ横方向にオフセットされるため、それらの対向する端縁がそれぞれのタブを規定する。この実施例では、シート電極の長さは特定の容量の要件に合せられる。この種のスーパーキャパシタの製造がこれから詳細に説明される。他の実施例では、図1を参照して説明されたもののように、同様の準備およびコーティング技術が用いられる。しかしながら、当業者には明らかなように、図1のシート電極は巻かれるよりはむしろ積重ねられる。
スーパーキャパシタは2層タイプのものであり、螺旋に巻かれた構成向けには、1つの好ましい実施例では、長さが2500mm、幅が85mmであるアルミニウムのシート電極を用いる。第1のステップは以下のものを含むコーティング混合物の準備である。それらはすなわち、
高表面積炭素
導電性炭素
結合剤
界面活性剤および
水である。
コーティングのプロセスではワイヤバー(wire-bar)技術を用いるが、リバースロール、ドクターブレードなどの他の好適な技術も利用可能であることが当業者には認められるであろう。
コーティング手順が完了したすぐ後、一切の残余の水分を取除き結合剤を硬化させるため、電極スプールはオーブンに入れられる。これによりアルミニウムの腐蝕も防ぐ。オーブンの温度は110℃から140℃の範囲に維持され、好ましくは窒素気体を送風される。後者は酸化を最小化するためである。硬化の時間は少なくとも5時間であり、ある状況下では一切の損傷がなければより長くたとえば12時間放置される。電極を取除くのに先だって、酸化を最小限にするため、オーブンは室温に冷まされなければならない。
ホイルの狭い幅をコーティングするよりも、アルミニウムホイル電極の全幅をコーティングしてその後所望の幅に細く切ることがより好都合である。いくつかの実施例では、コーティングされていない端縁が用いられ、それに従って炭素層が設けられる。
シート電極は片側をコーティングされたのみであるが、他の実施例では、それは両側のコーティングを含む。しかしながら他の実施例では、両側をコーティングするよりもむしろ、片側をコーティングされた2枚のシートが背中合せの構成に設けられて両面電極を規定する。すなわち、ホイル電極は接着されるかまたはさもなければそれぞれの炭素層が外向きになりかつ隣接する電極上の炭素層と対向するようにともにしっかりと固定される。
各々の端の接続がただ1つの電極としかもたらされないように、2つの電極間にオフセットが必要である。
アルミニウムの噴霧によって端子が形成される実施例では、平坦な端縁を用いて各々の電極の対向する自由端縁を90°曲げる。これにより端子の形成に用いられるアルミニウムの噴霧の浸透を止める。この曲げは、素子が回転している間に20cmのへらの平坦な端を用いて行なわれるのが好都合である。好ましい実施例では、電極の端縁の約1mmから2mmが曲げられる。長い方の軸に沿って素子を見たとき、電極間のギャップが見えてはならない。
アルミニウム噴霧のプロセスのより詳細な説明は同時継続中のPCT出願番号PCT/AU98/00406に見られ、その詳細は相互参照により本明細書中に援用されている。
しかしながら簡単に言えば、注記されるのは、巻き線との電気的な接続をもたらすのにアルミニウム金属噴霧が用いられることである。炎の非常に高い温度のために、素子にわたる噴霧器の安定した動きは、噴霧器の先端から約20cmの距離をおいて各々の素子にわずか約1秒から2秒のみしか用いられない。この動きが3度繰返されてから、素子が回転されて残りの側面が噴霧される。このプロセスは、連続したアルミニウム面ができるまで、熱すぎて素子に触れられなければ冷却期間を間に挟んで、必要なだけ繰返される。あるセパレータは低い軟化温度を有し、その温度よりも上では横方向に縮むことが認められる。
十分なアルミニウムが一旦付着すると、端子を取付けるのに十分な平滑な平坦域が得られるまで、端が研削される。研削の間に大量の熱が発生するため、キャパシタを過熱させないように注意が払われる。この平坦域は、各々の端ごとに異なるが、端全体ほど大きくなくてもよい。下方端すなわち上面7から最も遠くに配置されることが意図される端に、コアから径方向に延在する平坦なタブを溶接される電極が設けられる。したがって、少なくとも10mmの幅のかつ平滑な表面を有する平坦域がコアから端縁まで必要である。上端の端子はコアと端縁の中間に接線方向に溶接され、したがって平滑であるためには端の約1/3または1/2を必要とする。
次に端子タブのレーザ溶接が行われる。この装置は500W連続定格のLasag社のNd:YAGレーザであった。3mmまでの間隔を空けた少なくとも2つの8mmの溶接の列が各々のタブ上に作られた。ビームは約140mm/分で動かされ、29.5ジュール/パルスのエネルギで10Hzでパルスされる。
金属缶の形であるパッケージに現在形成されたキャパシタ素子の最終的な設置に先立って、端子とアルミニウムを噴霧された上面との間にテフロン(登録商標)の絶縁体が設けられて、底面からの端子が上面に触れて短絡を起こすのを防ぐ。この絶縁体は1mmの厚みのテフロン(登録商標)の円板であり、真中に3mmの穴を開けられ、この穴から端縁まで径方向のスリットを有する。この穴は中央の端子上の絶縁体の位置決めをし、この端子がアルミニウムの端の接続に触れるのを防ぐ。テフロン(登録商標)の円板もパッケージの中に設けられて缶から素子の底面を絶縁する。ほとんどの場合、発泡ポリプロピレンが缶の底面に配置されて素子をしかるべき場所に保持する。しかしながら他の実施例では、成形プラスチックロケーターが用いられる。
容量素子が一旦缶の中に設けられると、一切の水分を取除くため最終の乾燥のステップが実行される。これは最大温度80℃で真空オーブン中で実行される。この低温乾燥はセパレータの軟化を回避する。低温乾燥は、150Paよりもよい真空をもたらすことができる回転真空ポンプを用いて約12時間実行される。
次に、上方向に延在する端子を除いて容量素子が完全に覆われるように、電解質が缶に加えられる。オーブンの中の圧力は、炭素の穴に閉じ込められた気体が取除かれるように約53Paに徐々に減じられる。最初のガス抜きが落ち着くと、真空は8Paに増加される。この過程はオーブンを60℃に暖めることによって促進される。約30分後、ガス抜きは実質的に止まったはずであり、オーブンは窒素により大気圧にもたらされる。その後キャパシタがオーブンから取出される。さらなる電解質が加えられ、電解質が入らなくなるまでこの過程が繰返される。2サイクルまたは3サイクルが行なわれるのが通常である。最後に、一切の余分の電解質が取除かれる。
次にキャパシタは端子上に上面を取付けることによって完成される。この実施例では上面はベークライトからなるが、他の実施例では他の材料が用いられる。缶の最上端縁は100rpmまでで小型のボール盤の封止工具を用いて上面の周を丸く形作られる。
好ましくは、2つのタイプの炭素がキャパシタで用いられる。第1に高表面積炭素または活性炭、第2に導電性カーボンブラックなどの炭素である。
電極は好ましくはアルミニウムホイルである。
この実施例では、電解質は炭酸プロピレン(PC)に溶解されたテトラエチルアンモニウムテトラフルオロホウ酸塩(TEATFB)の1.0Mの溶液からなる。すなわち、1リットルの溶液中217グラムのTEATFBである。電解質中の水の量は絶対最小値に保たれ、好ましくは50ppmよりも少ない。したがって、シグマアルドリッチ社が生産するような無水物PCが用いられる。さらに、TEATFBは使用に先立って徹底的に乾燥される。約6時間または水分含有量を十分に減じるのに足る時間の間、160℃の真空オーブン乾燥によってこの乾燥が達成される。
TEATFBは溶解が遅く、室温でそれが完全に溶解するのに24時間かかるのは珍しいことではない。しかしながらこの好ましい方法は、溶液を50℃に加熱することによりこの時間を減じる。水分含有量を低く保つため、電解質の準備は乾燥した窒素グローブボックス中で行なわれる。
この発明での使用のために、セパレータは望ましい多孔性、強さおよび薄さを有する。
この発明の代替的な実施例が図3および図4に示される。この実施例では、基本的な容量ユニットは、図4に最もよく示されるように、ともに折り曲げられた2つの同様のシート電極35および36を含む。各々のシート電極は矩形であり、4つの隣接する端縁37、38、39および40を含む。それぞれ開口43および44を有する対称に間隔を空けられた2つのタブ41および42は、端縁40から外向きに延在する。これらのタブは、複数の同様のタブとともにそれらが接続されかつキャパシタ1の端子11または12にまとめて電気的に結合されるという点において、図2のタブ22および24と同様に機能する。
使用の際、各々の電極35および36は、端縁37および39と平行な軸45の付近で中央で折り曲げられる。図4に示されるように、各々の電極は、各電極の端縁39が他の電極の軸45と隣接して存在するように、他の電極と交互に配される。多孔質セパレータ46も電極の各々の隣接する部分の間に含まれる。図4の例示はこの発明の構成の理解を助けるように概略的に示されたものであることがわかる。実際には、隣接する電極およびセパレータは、図4に示された間隔を空けられた構成というよりはむしろ互いにすぐ近くに隣接している。
電極35および36は、上述のように与えられる1層の活性炭を各々の側に含む。しかしながら、当業者には認められるように、上述の方法の巻くステップは、予め定められた複数の容量素子を折り曲げて次に積重ねてスーパーキャパシタ1に所望の電気的特徴をもたらすステップと置換えられる。
複数の容量素子が用いられるところでは、隣接する素子間に多孔質セパレータが配置されて電気的短絡を防ぐ。
いくつかの実施例では、電極35および36はまずともに広範囲にセパレータと当接し次に一緒に折り曲げられる。
他の実施例では、一方の電極の端縁40は、タブ41および42が互いから離れて延在するように、他方の電極の端縁38と隣接して存在する。いくつかのこのような実施例では、各々が軸45と平行でかつそれからの間隔を空けられた複数の軸に沿って、各々の電極が他の電極および中間セパレータとともに折り曲げられる。さらなる実施例では、電極は、軸45と垂直である1つまたはそれ以上の軸に沿って折り曲げられる。代替的な実施例では、電極35および36は、軸45と平行な少なくとも1つの軸および軸45に垂直な少なくとも1つの軸に沿って折り曲げられる。
この発明およびその適用例をさらに示すため、スーパーキャパシタの開発の理論的かつ実践的基礎を見ることが有用である。より特定的には、この発明のスーパーキャパシタは高電力の適用例に用い得ることが認められる。このようなスーパーキャパシタの特徴により、適用例に求められる効率、サイズおよび質量が規定される。所与の質量または容積および容量については、高効率のスーパーキャパシタを低効率のスーパーキャパシタと区別する(等価直列抵抗またはesrとして公知の)のは、電気抵抗の特徴である。すなわち、損失を最小化するため、高電力の適用には低いesrが望ましい。
いずれのキャパシタに対しても、質量および容積を増すことによって電気抵抗を減じることができる。しかしながら、結果として望まれるのは、容量を維持しながら、抵抗、質量および容積を同時に減少させることである。
電気抵抗に寄与するファクタには以下のものが含まれる。すなわち、炭素ベースのスーパーキャパシタとしての、炭素の固有の導電性、両面抵抗、金属電極および接続抵抗ならびに電解質およびセパレータの抵抗である。高効率の動作を達成するため、これらの要因を最小化するよう試みられてきた。
従来のキャパシタでは、誘電体によって分離された2つの平坦な電極間に電流の流れが存在する。炭素ベースのキャパシタは同様の態様で作られるように見えるが、金属電極間の材料は誘電体ではなく、高表面積炭素、電解質およびセパレータ(活性材料)である。誘電体は炭素表面にあるナノメータ薄の溶媒の層である。電流は金属電極からこれらの材料を通って流れるため、それらの抵抗はキャパシタのesrを減じるよう最小化されなければならない。これは、たとえば炭素コーティングの密度を増すことまたはより薄いコーティングを用いることにより、活性材料の厚みを減じることで達成される。このような線に沿った別の試みは、より薄いセパレータを用いることである。電流が流れなければならない経路を最小化することにより、厚みの減少が電解質の抵抗成分も減じる。
活性材料の抵抗を減じる別の手段は、より導電性の高い炭素および電解質を用いることである。より導電性の高い活性材料をより薄い設計と組合せることで、質量および/または容積を維持または減少させながら、高電力が達成できる。
一般的に時定数と称される、抵抗と容量(RC)の積がキャパシタを特徴づけるのにしばしば用いられる。理想的なキャパシタでは、時定数は周波数独立である。しかしながら、炭素ベースのスーパーキャパシタでは、RとCの両者とも周波数依存である。これは、高表面積炭素の微孔質の特徴および炭素表面上の電気二重層の電荷蓄積の性質から発生する。スーパーキャパシタのRとCを測定する従来の方法は、定電流充電または放電を用いることならびにサイクルの開始または終了の際の電圧ジャンプおよびそれぞれサイクルの間の電圧の変化率を測定することである。しかしながらこれは、高周波数のRおよび低周波数のCをもたらす効果がある。別のより好適な方法は、複素インピーダンスの周波数応答を測定することおよび単純なRC素子をデータにモデル化することである。これは、定電流技術を用いて測定されたものと相関し得るまたは相関し得ない周波数範囲にわたってRおよびCの推定値を与える。キャパシタの好適性の尺度としてRC時定数を用いることにより大きな不確実さを被ることは明らかである。電流および電圧の位相角が−45°である周波数でRとCが測定されるよりも有用な技術が最近提案された。この周波数の逆数は「応答時間」であり、他の方法よりもより明確に規定される。さらに、次にこの周波数での容量がエネルギを計算するのに用いられて、質量または容積で正規化されると効果尺度(FOM)をもたらし得る。
いずれのキャパシタからも利用可能な理論上の最大電力は、電圧の二乗をesrの4倍で除した商である。質量または容積に正規化されると、これは理論上の最大出力密度をW/kgでもたらす。最大電力は、(上記に示されたように)抵抗を減じること、動作電圧を増すことまたはその両者のいずれかによって増加され得るのは明らかである。動作電圧の増加は、スーパーキャパシタの材料の構成の一切の変化なしに、キャパシタが動作する電圧窓を最大化することによって達成できる。対称な炭素ベースの電極を備えるスーパーキャパシタでは、電圧は両電極に等しく分配される。動作の間、最大キャパシタ電圧は最も弱い電極の降伏電圧によって限定される。より高い動作電圧は、各電極の容量を調整して利用可能な電圧窓を十分に活用することにより達成できる。各々の電極で異なる炭素ローディングを用いることにより、これは好都合に達成される。
この明細書中に説明される発明の局面は、目標とされたエネルギおよび出力密度が新しいスーパーキャパシタの設計および関連する製造プロセスによって達成されるのを可能にする。移動体通信での適用に好適な、非常に薄い、高電力のキャパシタが1つの結果である。別のものはハイブリッド電気自動車の負荷の平準化に好適である。これらの具体例が以下の説明にさらに示される。
[例]
例1
図5から図7に概略的に示されるように、スーパーキャパシタ51は第1の複数の間隔を空けられた矩形のアルミニウムシート52の形の第1の電極を含む。第2の複数の間隔を空けられた矩形のアルミニウムシート53の形の第2の電極は、シート52と交互に配されかつそれらと対向する。複数の多孔質セパレータ54は隣接するシート52と53の間に介在される。矩形の封止されたプラスチックパッケージ55は、電極52および53、セパレータ54ならびに電極が浸漬される電解質56を収容する。この実施例では、電解質はTEATFBを用いたアセトニトリルである。矩形のタブ57および矩形のタブ58は一体となるように形成され、シート52および53のそれぞれから上方向に延在する。タブ57は端子59に当接しかつ電気的に接続され、タブ58は端子60に当接しかつ電気的に接続される。この電気的接続はこの実施例では超音波溶接によってもたらされる。端子59と60の両者は、パッケージ55から延在してそれぞれの電極への外部からの電気的接続をもたらす。
シート52および53の各々は、約70mmの幅、約170mmの高さおよび約20ミクロンの厚みを有する。この特定の実施例では、各々50枚のシート52および53、すなわち合計で100枚のシートが用いられる。これにより電極の総面積5950cmが与えられる。
図面に示されるように、シート52および53は、前述の実施例を参照して説明されたように、片側のみを活性炭層62で各々がコーティングされる。適切なところでは、2枚の同様のシートが背中合せで当接して、シートの他方上の同様の炭素層と対向する外向きの活性炭層を設ける。この実施例では、層62はシートにわたって実質的に均一であり、約36ミクロンの厚みを有する。
パッケージ55は、外部寸法が約17mm×110mm×190mmを有する、ABSからなる矩形の柱状の形を有する。端子59および60がパッケージを通って延在するところでは、適切な封止材を用いてパッケージ55から電解質56が出るのを防いだり、また重要なことには、パッケージ55への空気、水分または他の汚染物質の浸入を防いだりする。
当業者には認められるように、セパレータ54は間隔を空けられた構成にある対向する層62を維持してその間の電気的導通を防ぐ。しかしながら、セパレータ52は層62間の電解質内のイオンの動きを許す。この特定の実施例では、セパレータ54はシート53の背中合せの対の付近で折り曲げられる。
スーパーキャパシタ51は定格を2.5ボルトとし、270ファラッドの公称容量を与える。しかしながら、電解質およびパッケージを含む全体の重量は295グラムであることが重要である。測定された1秒のTと組合せてこれらの数字を用いることにより、2.2ワット/グラムの重量FOMおよび1.6ワット/cmが与えられる。
単純なRCモデルを用いると、等価直列抵抗は約1mΩであり、RC時定数は約280msである。
例2
この発明に従って作られたスーパーキャパシタ71の別の具体例が図8および図9に概略的に示される。これらの図面では、対応する参照番号によって対応する特徴が示される。
シート52および53の各々は、約40mmの幅、約40mmの高さおよび約20ミクロンの厚みを有する。この特定の実施例では、各々40枚のシート52および53、すなわち合計で80枚のシートが用いられる。これにより電極の総面積640cmが与えられる。
この実施例では、層62はここでもシートにわたって実質的に均一であり、約36ミクロンの厚みを有する。
パッケージ55は、外部寸法約10mm×50mm×50mmを有し、ABSからなる矩形の柱状の形を有する。
スーパーキャパシタ71は定格を2.5ボルトとし、30ファラッドの公称容量を与える。電解質およびパッケージを含む全体の重量は25グラムである。測定された0.48秒のTと組合わせてこれらの数字を用いることにより、2.71ワット/グラムの重量FOMおよび2.71ワット/cmの容積FOMが与えられる。単純なRCモデルを用いると、等価直列抵抗は約4mΩであり、RC時定数は約120msである。
例3
この発明に従って作られたスーパーキャパシタの別の具体例は、図8および図9に示されたのと同じ構造のものである。しかしながら、この実施例では、各々20枚のシート52および53、すなわち合計で40枚のシートが用いられる。これにより電極の総面積320cmが与えられる。
この実施例では、層62はここでもシートにわたって実質的に均一であり、約12ミクロンの厚みを有する。
パッケージ55は、外部寸法約5mm×50mm×50mmを有する、ABSからなる矩形の柱状の形を有する。
この例のスーパーキャパシタは定格を2.5ボルトとし、10ファラッドの公称容量を与える。電解質およびパッケージを含む全体の重量は17グラムである。測定された0.11秒のTと組合わせてこれらの数字を用いることにより、2.64ワット/グラムの重量FOMおよび3.00ワット/cmの容積FOMが与えられる。
単純なRCモデルを用いると、等価直列抵抗は約5mΩであり、RC時定数は約50msである。
例4
図10、図11および図11Aにはスーパーキャパシタ81が示され、対応する参照番号によって対応する特徴が示される。上述の他の例と同様に、シート電極が用いられる。しかしながら、これらのシートはクレジットカードまたはスマートカードのサイズのパッケージ82内に収容される。
各々のシート52および53は、約40mmの幅、約65mmの高さおよび約20ミクロンの厚みを有する。この特定の実施例では、各々3枚のシート52および53、すなわち合計6枚のシートが用いられる。これにより電極の総面積78cmが与えられる。
ここでも層62はシートにわたって実質的に均一であり、約12ミクロンの厚みを有する。
パッケージ55はPVCシートからなる矩形の柱状の形を有し、外部寸法約2mm×54mm×86mmを有する。
スーパーキャパシタ81は定格を2.5ボルトとし、0.3ファラッドの公称容量を与える。電解質およびパッケージを含む全体の重量は12グラムである。測定された0.037秒のTと組合わせてこれらの数字を用いることにより、1.27ワット/グラムの重量FOMおよび1.68ワット/cmの容積FOMが与えられる。単純なRCモデルを用いると、等価直列抵抗は約22.5mΩであり、RC時定数は約6.3msである。
例5
スーパーキャパシタ90の形の多重または複合電荷蓄積装置が図18に概略的に示される。スーパーキャパシタ90は、アルミニウムシート94および96によってまとめて規定される第1のシート電極を含む。他の実施例では、単一の折り曲げられたシートが用いられる。当業者には単一のシートを用い得ることも認められるであろう。
シート94と96の両者は第1の端子(図示せず)に電気的に接続される。シート94はその片側上に第1のコーティング95を含み、シート96の反対側には第2のコーティング97を含む。第1のコーティングは第1の予め定められた厚みのものであり、第2のコーティングは第1の厚みとは異なる第2の予め定められた厚みのものである。第2のシート電極98は第2の端子92に電気的に接続され、電極94の片側に隣接して配置される。また、電極98はその片側上に、第1の予め定められた厚みと等しい第3の予め定められた厚みの第3のコーティング199を含む。コーティング199はコーティング95と対向する。第3の電極200は端子92と電気的に接続され、シート96に隣接して配置される。電極200はその片側上に、第4の予め定められた厚みの第4のコーティング201を含む。さらに、コーティング201はコーティング97と対向する。他の実施例と同様に、それぞれの隣接する電極間に複数の多孔質セパレータが配置される。さらに、スーパーキャパシタ90は、電極、1つまたはそれ以上のセパレータおよび電解質を収容するためのパッケージ91を含み、それを通して端子が延在して、それぞれの電極に外部から電気的な接続がもたらされる。
この実施例のすべてのコーティングは同じ調製を用いる。しかしながら、スーパーキャパシタを構成する2つの容量セルが互いに平行であることを考慮すれば、異なる厚みはスーパーキャパシタ90に多重または複合時定数を与える。この場合、セルはそれぞれ対向しかつ隣接する炭素コーティングによって規定される。
他の実施例では、コーティングの厚みは同じであり、コーティングの調製はセル間で変化して、容量の差をもたらす。これは次に、多重または複合時定数スーパーキャパシタを与える。
例6
スーパーキャパシタ99の形の代替的な多重または電荷蓄積装置が図19に概略的に示される。このスーパーキャパシタは、第1の端子(図示せず)に電気的に接続されかつ第1の予め定められた厚みを有する第1のコーティング102をその片側に含む、第1のシート電極100を含む。第2のシート電極103は、第2の端子(図示せず)に電気的に接続され、電極100に隣接して配置される。第2の電極はその片側に、第2の予め定められた厚みを有する第2のコーティング106を含む。示されたように、コーティング106はコーティング102と対向する。
多孔質セパレータ54は隣接した電極間に配置されて、固定された間隔をあけられた構成にこれらの電極を維持する。さらに、パッケージ105は、電極、セパレータおよび電解質を収容し、それにより端子(図示せず)がパッケージから延在して、それぞれの電極への外部からの電気的接続を可能にする。
別個の電極にわたり炭素の厚みが異なるこの配置により、多重または複合時定数スーパーキャパシタも提供される。
便宜上、図19に示された電極の対はセルとして規定される。他の実施例では、ともに積み重ねられかつ平行に接続されて所望の容量を与える複数の同様のセルが用いられる。好ましくはまた、1つのセルのより薄い端およびより厚い端が少なくとも1つの隣接するセルのそれぞれより厚い端およびより薄い端と並列されるように、セルが積み重ねられる。
他の実施例では、上述の例と同様の構造であるが異なる物理的パラメータを備えるものが用いられて異なる特徴をもたらす。そのような代替的な物理的パラメータおよび結果として生じる特徴のいくつかの例が図17および図20の表に示される。参照を容易にするため、図12は、図17に示されたこの発明の例のための重量FOM対Tのグラフでの表示を示し、図中、基準平面上のスーパーキャパシタのそれぞれの場所が図17の表中の項目番号に対応する数字によって表わされる。図13は、容積FOM対Tを示すスーパーキャパシタの例のための対応する表示を示す。
図17に項目12として示されるスーパーキャパシタは、直列に接続される容量セルの対の平行な組合せを含む。したがって、公称動作電圧は5ボルトである。他の実施例では、3つ以上の容量セルが直列に接続されて、より高い動作電圧をもたらす。
この発明のキャパシタを技術分野でより一般的に用いられる基準で特徴づけることも有用である。より特定的には、スーパーキャパシタから利用可能な最大電力(Pmax)は以下の方程式を用いて計算された。
max=V/4R
式中、Vはキャパシタの最大動作電圧であり、Rはキャパシタの単純RCモデルから定められた抵抗である。
図17の例のPmaxの値は、一方ではそれぞれの装置の質量で除算されて重量Pmaxを与え、他方ではそれぞれの装置の容積で除算されて容積Pmaxを与えた。次にこれらの値は時定数に対してそれぞれ図14および図15にプロットされた。
図12から図15にまとめて特に示されたように、上述の例に説明されたスーパーキャパシタは非常に有利なパルス電力負荷の特徴をもたらす。すなわち、低い応答時間Tおよび時定数は、負荷の切換またはパルス化が発生する適用例で遭遇するのと同様に、高周波数負荷に対する優れた過渡応答を確実にする。例に示された高い重量FOMおよびPmaxならびに高い容積FOMおよびPmaxと組合わせると、これは、この発明が広範囲の用途に適用されるのを可能にする。この点を示すため、例1のスーパーキャパシタは、回生ブレーキングおよび短期間の高いトルクの設備を容易にする高電力自動車への適用ならびに対応する高い電流負荷の必要性に対して主に意図される。しかしながら、例4のスーパーキャパシタは、携帯電話のバッテリと並行して用いることが主に意図される。
図12から図15のグラフの各々は、示された範囲の上部領域にわたって延在する、2本の実線を含む。各々の場合、これらの線は、図17に示された例3および例12向けに示されているさまざまなパラメータの理論上の上限を表わす。特徴の所与の組合せおよび炭素コーティングの所与の調製については、パッケージングの容積または質量の装置全体への寄与が小さい、理論上の最大値が存在する。他の調製については、理論上の最大値は異なる。
本明細書中の教示の利点により、スーパーキャパシタのさまざまなパラメータがいずれの特定の用途の特定の要件にも合うように容易に調整されるという点においても、この発明が有利であることが当業者には認められるであろう。すなわち、この発明は寸法適用に特に適する。例として、図16は、この発明の多数の他の実施例向けのさまざまな計算された特徴を示す。より薄い層は、より低い時定数と応答時間だけでなく、より高い出力密度と効果尺度をもたらすことをこれは示している。
図に含まれる実線は2つの所与の調製の限界を表わすことがわかる。しかしながら、拡大された動作性の範囲をもたらしかつより低い時定数だけでなくより高い効果尺度と出力密度を達成することを可能にする他の調製が存在する。
図16の計算は以下のものの抵抗を含む装置の抵抗に基づくものである。それらはすなわち、
1.端子、
2.アルミニウム電極、
3.電極/炭素インターフェイス、
4.炭素粒子間インターフェイス、
5.炭素層の中の電解質および
6.セパレータの中の電解質、である。
この発明はこのモデルを用いて、高容量、高い効果尺度、高い出力密度および所望の応答時間を依然として提供しながら、さまざまな抵抗を最適化する。
重量FOMは重量出力密度に従って尺度が決まることが予測され、容積FOMは容積出力密度に従って尺度が決まることが予測される。これらの後者の量は、V、1/Rおよび1/質量または1/容積のいずれかに比例する。したがって、適用のために最適化される所与の電圧に対し、FOMの増加は、減少するR、減少する質量および減少する容積によりもたらされる。コーティングの所与の調製および所与の厚みについては、Rは電極の面積と本質的に反比例する。最小限のパッケージの質量または容積については、質量および容積は電極の面積に比例する。したがって、「より大きな」装置を作ることは、より少ないパッケージングによりFOMを僅かに増加させるにすぎない。したがって、装置の所与のサイズについては、装置にとって望ましい時定数または応答時間と両立するコーティングの厚みを減じることにより、抵抗が最小化される。次に、炭素の混合の選択およびコーティング材料の調製によって、装置の容量が定められる。
この発明のスーパーキャパシタの優れた性能は、炭素粒子およびプロトン化されたカルボキシメチルセルロース(CMC)の混合剤の使用によってもたらされる個別の炭素粒子間の向上した導電性により寄与されるとも考えられる。理論に縛られることを望まなければ、そのような向上した導電性は以下に示される多数の要因の結果であると考えられる。それらはすなわち、個別の炭素粒子の増加した密集度、個別の炭素粒子の表面上の分子間空間への増加した電解質の移動および炭素粒子と電解質間のインターフェイス領域のサイズの全体的な減少である。高表面積炭素と高導電性炭素の混合がこれらの効果を最適化すると考えられる。
さらに、プロトン化されたCMCの相対的な不溶性がこの発明のスーパーキャパシタの増加した全体的な寿命に寄与する。
「浸漬された」という用語または同様の用語は、他に明確に注記されなければ、電解質の中の電極の配置を参照して用いられる際に、過剰な電解質が用いられるそれらのスーパーキャパシタだけでなく電解質の量が電極を単に湿らせるのに十分なスーパーキャパシタも含むことが意図されることがわかる。すなわち、電解質の量は、スーパーキャパシタの動作を可能にするのに十分な量だけ必要である。
上述の例は別々のセルに主に関するが、この発明はバイポーラ構成にも適用可能なことも認められる。
さらに、「有機電解質」という用語または同様の用語が有機溶媒中の電解質を指すことが認められる。
比較の目的のため、図17は、いくつかの先行技術のスーパーキャパシタだけでなくこの発明のスーパーキャパシタのパラメータを示す表を提供する。
図21を参照すると、電荷蓄積装置301は封止された柱状のハウジング302を含む。2つの対向する折り曲げられた矩形のアルミニウム電極303および304がハウジング302内に配置され、それぞれ金属端子305および306に接続されて電極への外部からの電気的接続を可能にする。ソルポア(登録商標)シートセパレータ307は電極303および304の間に配置され、それらの電極を固定された間隔をあけられた構成に維持する。電解質(図示せず)も電極間に配置される。
セパレータ307は「ポケット」構成に形成され、それは折り返され、横方向の端はともに固定されて横方向の端の間に開口308を設ける。図示を容易にするため、セパレータ307は2本の折り曲げ線を有するように示される。しかしながら実際には、対向する電極に対してセパレータが直接的に隣り合うと、1本の折り曲げ線が用いられる。セパレータの多孔質の性質により、電極間の電解質中のイオンの移動が可能になる。
各々の電極は、それぞれの端子305および306と電気的に係合する少なくとも1つのタブ309を有する単一の同様のアルミニウムシートから形成される。電極は、図面に示される重なりおよび入れ子状の構成に折り曲げられる。ここでも、図示を容易にするために、電極304が2本の折り曲げ線で示されることがわかる。しかし実際には、この電極がセパレータ307に対して直接的に隣り合うように単一の折り曲げが作られる。
電極303は開口308内で受けられ、タブ309のみが「ポケット」またはパウチから延在するようにセパレータ307によって包まれる。次にこの電極とセパレータとの組合せが折り曲げられた電極304に挿入されて単一の容量セルを完成する。この実施例では単一のセルのみが示されるが、他の実施例では2つまたはそれ以上のこのようなセルが用いられる。電極の電極面積は約102cmであり、2.5ボルトで約28ファラッドの公称容量を与える。
各々の電極303および304は活性炭の高表面積コーティング310を含む。このコーティングは予め定められた厚みのものであり、炭素と電極間の密な係合を容易にする結合剤を含む。
端子305および306はハウジング302の内側から外側に延在するため、それらはそれぞれの端の間をハウジングと封止するように係合される。この実施例では、封止係合は2つのゴムのグロメット311および312により行なわれる。他の実施例では、他の材料または材料の組合せから作られるグロメットが用いられる。たとえば、ある装置はシリコンの封止化合物および接着剤を用いる。
図22から図24を参照して、電極303および304がより詳細に説明される。より特定的には、図23に最もよく示されるように、電極303は実質的に矩形であり、2つの矩形のサブシート315および316を含む。サブシートは一体となるように形成され、共通の端縁318を規定する折り曲げ線317のまわりで対称である。シート315および316は、図24に示されるように隣接してまとめてタブ309を規定する、それぞれ一体として形成された矩形のサブタブ319および320を含む。
シート315は、垂直方向に端縁318から離れて延在する2つの間隔をあけられかつ平行な端縁321および322を含む。さらなる端縁323は端縁321と322の間に延在する。図23にも示されるように、タブ319は、端縁322と端縁が会うところに隣接する端縁323から離れて延在する。同様に、シート316は、垂直方向に端縁318から離れて延在する2つの間隔をあけられかつ平行な端縁325および326を含む。さらなる端縁327は端縁325と326の間に延在する。また同様に、タブ320は、端縁326とその端縁が会うところに隣接する端縁327から離れて延在する。
電極303は片側のみを活性炭でコーティングされ、次に、図21に示されるようにコーティングされた側が外向きになるように線317の付近で折り曲げられる。
電極304は、それぞれのタブ309が間隔をあけられるように、それが反対の向きに交互に配されることを除けば、電極303と同じである。これは以下に詳述される。便宜上、電極の対応する特徴は対応する参照番号で示される。
セパレータ307は、縮尺に従わずに図22に平面で示され、共通の端縁333に沿って一体として形成される2つの矩形のサブシート331および332を含む。この端縁も折り曲げ線334を規定する。シート331は、垂直方向に端縁333から離れて延在する、2つの間隔をあけられかつ平行な端縁335および336も含む。自由端縁337は端縁335と336の間に延在する。同様に、シート332は、垂直方向に端縁333から離れて延在する、2つの間隔をあけられかつ平行な端縁339および340を含む。自由端縁341は端縁339と340の間に延在する。
製造の間に、電極303は、シート315および316のコーティングされた側が反対にかつ外向きになるように、線317の付近で折り曲げられる。さらに、タブ319および320が当接する。これとは別に、セパレータ307は、端縁335および339が平行でかつともに当接し、端縁336および340が平行でともに当接し、かつ端縁337および341が平行に互いに隣接するように、線334の付近で折り曲げられる。その後、端縁335および339がともに結合され、端縁336および340がともに結合される。いくつかの実施例では、これは接着剤を用いて達成され、他の実施例では熱溶接または他の熱処理が用いられる。さらなる実施例では、端縁は結合されない。
図24に最もよく示されるように、電極303は次に、セパレータ307によって形成される「パウチ」または「ポケット」内で入れ子状にされる。示されたように、セパレータは電極303の実質的にすべてを包み、以下に説明されるように、電極303および304を間隔をあけた構成に維持する。タブ309は、隣接する端縁337および341を超えて外向きに延在して、端子305へのその電気的接続をもたらす。図示を容易にするため、図24に、セパレータ307は熱溶接により結合された端縁336および340とともに示されるが、端縁335および339はまだ結合されていないが隣接している。
次に電極304は、電極303を形成するのと同様のコーティングされたシートを折り曲げることにより形成される。より特定的には、折り曲げは、シート315および316のコーティングされた側が対向しかつ内向きになるように、折り曲げ線318に沿って作られる。さらに、タブ319および320は互いに隣接しかつ対向する。次に図24のアセンブリは、図25に最もよく示されるように電極304内に入れ子状にされ、電極のそれぞれのタブ309は間隔をあけられる。次に電極304のタブ319および320は、端子306に当接しかつ固定されて電極への外部からの電気的接続をもたらす。
図25の電極のアセンブリは単一セルと称され、本明細書中の教示から当業者には認められるように、複数のセルが平行に接続されてスーパーキャパシタ301の容量を比例して増すことができる。他の実施例では、複数のセルが平行に積み重ねられて、同様の電極303および304に対するそれぞれのタブ309が同様のタブの2つの間隔をあけられた積み重ねを形成する。各々の積み重ねの中のタブは次にともにクランプされ、積み重ねがそれぞれの端子305および306に電気的に接続される。
この発明の好ましい実施例は非水性の電解質を用いて高いエネルギ密度を達成する。しかしながら、このタイプの電解質に関するそれと反対の従来の知識にもかかわらず、それらが高い出力密度およびFOMも達成できるのは驚くべきことである。この結果は、スーパーキャパシタの全体的な抵抗を減じる一致した試みにより、好ましい実施例において達成される。以下の特徴を用いることがこの結果に寄与する。すなわち、
・電解質によって与えられる、電流径路の長さしたがって抵抗を最小化する、薄い非常に多孔質のセパレータ、
・単位体積当りの高容量を依然として提供しながら、アルミニウム電極に炭素を介した短い電流径路を提供するための(約100ミクロンよりも薄い)高表面積炭素の薄い層、
・炭素層の導電性を向上させるための導電性カーボンブラックを含む炭素の混合および
・(1.0モルのオーダの)高濃度の塩を含む電解質、である。
いくつかの実施例では、結合剤を含む各々の炭素コーティングの厚みは100ミクロンよりも少ない。図17および図20に示される例については、それぞれの炭素コーティングの厚みが示される。6ミクロンのコーティングの例外があるものの、炭素粒子の直径は僅か6から8ミクロンである。しかしながら、6ミクロンのコーティングのためには、僅か2ミクロンの直径に研削される同じサイズの粒子が用いられる。より小さい僅かな直径の炭素が用いられる実施例では、コーティングはここでもさらに薄い。
単位体積当りでより大きな容量を与えるのに、従来の知識では比較的厚い炭素コーティングを用いてきた。そのようなコーティングは約150ミクロンまたはそれよりも大きいオーダである。しかしながら、説明された実施例で用いられたように、炭素コーティングを通る電流径路の長さが小さくなるに従い、より薄いコーティングが減じられたesrをもたらすことがわかっている。薄いコーティングはまた、それらが先行技術の装置で用いられるより厚いコーティングよりも少ない容積しか占めないため、高いFOMにプラスの寄与を有する。しかしながら、この発明の好ましい実施例に従う装置は、活性炭およびプロトン化された結合剤の使用により利用可能な表面積が比較的高いままであるため、比較的高い容量を依然として提供するのは驚くべきことである。
理論に制限されることは望まないが、より薄いコーティングが用いられると、別のメカニズムが働き始めることがここで理解される。より特定的には、好ましい実施例で用いられた活性炭は、結果として炭素コーティング内に粒子間のボイドを生じる。これらのボイドは典型的に入り組んだ性質のものである。炭素粒子のサイズよりも著しく大きな厚みを有する先行技術のコーティングについては、コーティングのインピーダンスは高い。しかしながら、コーティングの厚みが炭素粒子のサイズと同じオーダの大きさである好ましい実施例のコーティングについては、インピーダンスに対する粒子間のボイドの影響は最小限である。すなわち、活性炭粒子のサイズ、炭素層の厚みおよびその層によって与えられる結果として生じるインピーダンスの間の強い関係が存在することが発見された。
この発明の好ましい実施例はより薄い炭素コーティングを用いてこの関係を利用し、それにより単位体積当りのより高い容量、したがって高いFOMを達成する。
FOMを定めるための容積および質量の測定は、電極、セパレータおよび電解質が収容されるパッケージを考慮に入れる。この発明の説明された実施例を用いて達成可能である高いFOMは、パッケージ自体および別個の構成要素をパッケージ内に配置するコンパクト化の方法によっても寄与される。
この発明に従って作られたより大きなスーパーキャパシタについては、絶対的に必要であるよりも重くかつかさばるパッケージを用いて、依然として比較的高いFOMを達成することが公知である。たとえば、厳しい環境での動作のために非常に頑丈なパッケージを有することが望ましい場合、FOMにおける何らかの妥協が許容される。しかしながら、これらのより大きな装置に対しては、装置の全体的な容積または重さに比例して寄与するところが減少するパッケージのために、比較的高いFOMが依然として可能である。
いくつかのより小さな装置については、柔軟な多層プラスチックパッケージの使用により、高いFOMが一部達成される。そのようなパッキングの例は、本発明の出願人の名前で同時係属中の国際特許出願番号PCT/AU99/00780に開示される。このPCT出願中の開示は、相互参照により本明細書中に援用される。
この発明は特定の例を参照して説明されたが、それが多くの他の形で実現され得ることが当業者には認められるであろう。
1 スーパーキャパシタ、2 ハウジング、3 第1の端、4 第2の端、6 側壁、7 上面、8 底面、9,10 ポート、11,12 端子、13,14 封止材、21 第1シート電極、22 第1のタブ、23 第2のシート電極、24 第2のタブ、25 多孔質シートセパレータ、27,28 開口、29,30導電ロッド。

Claims (51)

  1. 電荷蓄積装置であって、前記装置は、
    第1の電極と、
    第1の電極に対向し、第1の電極から間隔をあけられた第2の電極と、電極間に配置された多孔質セパレータと、
    電極、セパレータ、および電極が浸漬された電解質を収納する封止パッケージと、
    第1の電極および第2の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第1の端子および第2の端子とを含み、前記装置の重量FOMは約2.1ワット/グラムより大きい、電荷蓄積装置。
  2. 約2.5ワット/グラムから3ワット/グラム、または
    約3ワット/グラムから約3.5ワット/グラム、または
    約3.5ワット/グラムから約5ワット/グラム、または
    約5ワット/グラムより大きい、
    のうちのいずれかの範囲内にある重量FOMを含む、請求項1に記載の装置。
  3. 第1の電極および第2の電極が容量セルを形成し、前記装置は、パッケージ内に配置された複数の同様のセルを含み、各セルが前記パッケージ内で他の1つのセルと並列または直列のいずれかで電気的に接続される、請求項1に記載の装置。
  4. 前記容量セルまたは各容量セルの最大動作電圧が、
    約3.5ボルトから4ボルト、または
    約3ボルトから3.5ボルト、または
    約3ボルト未満、
    の範囲内にある、請求項3に記載の装置。
  5. 第1の電極および第2の電極が、それぞれ第1の炭素コーティングおよび第2の炭素コーティングを含み、これらのコーティングにおいて用いられる炭素の表面積が20m/グラムより大きい、請求項1に記載の装置。
  6. 電荷蓄積装置であって、前記装置は、
    第1の電極と、
    第1の電極と対向し第1の電極から間隔をあけられた第2の電極と、
    電極間に配置された多孔質セパレータと、
    電極、セパレータおよび中に電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
    第1の電極および第2の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第1の端子および第2の端子とを含み、前記装置の容積FOMは約3.2ワット/cmより大きい、電荷蓄積装置。
  7. 約3.2ワット/cmから4ワット/cm、または
    約4ワット/cmから5ワット/cm、または
    約5ワット/cmから7ワット/cm、または
    約7ワット/cmから8ワット/cm
    の範囲内にある容積FOMを有する、請求項6に記載の装置。
  8. 電荷蓄積装置であって、前記装置は、
    第1の導電性基板を有する第1の電極と、
    第1の基板上に支持され、かつ400m/グラムより大きい表面積を有する炭素から形成される第1の炭素層と、
    第2の導電性基板を有する第2の電極と、
    第2の基板上に支持され、400m/グラムより大きい表面積を有する炭素から形成される第2の炭素層と、
    電極間に配置される多孔質セパレータと、
    電極、セパレータおよび電極が浸漬される有機電解質を収納する封止パッケージとを含み、第1の層と第2の層とは対向し間隔をあけられており、前記装置はさらに、
    第1の電極および第2の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第1の端子および第2の端子を含み、前記装置の容積FOMは約1.1ワット/cmより大きい、電荷蓄積装置。
  9. 前記炭素の表面積が、少なくとも1200m/グラムである、請求項8に記載の装置。
  10. 少なくとも1つ以上の層が、1種類より多くの炭素を含む、請求項8に記載の装置。
  11. 電荷蓄積装置であって、前記装置は、
    第1の電極と、
    第1の電極に対向し、第1の電極から間隔をあけられた第2の電極と、
    電極間に配置された多孔質セパレータと、
    電極、セパレータ、および電極が浸漬される電解質を収納するための封止パッケージと、
    第1の電極および第2の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第1の端子および第2の端子とを含み、前記装置の応答時間(T)は約0.09秒未満である、電荷蓄積装置。
  12. が、
    約0.09秒から10−2秒、または
    約10−2秒から10−3秒、または
    約10−3秒から約10−4秒、または
    約5×10−5秒未満、
    の範囲内にある、請求項19に記載の装置。
  13. 電荷蓄積装置であって、前記装置は、
    第1の電極と、
    第1の電極と対向し第1の電極から間隔をあけられた第2の電極と、
    電極間に配置された多孔質セパレータと、
    電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
    第1の電極および第2の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第1の端子および第2の端子とを含み、前記装置の重量当たりの最大電力は約12.5ワット/グラムより大きい、電荷蓄積装置。
  14. 約12.5ワット/グラムから15ワット/グラム、または
    約15ワット/グラムから17ワット/グラム、または
    約17ワット/グラムから26ワット/グラム、または
    約26ワット/グラムより大きい、
    の範囲内に重量当たりの最大電力を有する、請求項13に記載の装置。
  15. 電荷蓄積装置であって、前記装置は、
    第1の電極と、
    第1の電極に対向し、第1の電極から間隔をあけられた第2の電極と、
    電極間に配置された多孔質セパレータと、
    電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
    第1の電極および第2の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第1の端子および第2の端子とを含み、前記装置の容積当たりの最大電力は約35ワット/cmより大きい、電荷蓄積装置。
  16. 電荷蓄積装置であって、前記装置は、
    第1の電極と、
    第1の電極に対向し、第1の電極から間隔をあけられた第2の電極と、
    電極間に配置された多孔質セパレータと、
    電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
    第1の電極および第2の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第1の端子および第2の端子とを含み、前記装置の時定数は約0.03秒未満である、電荷蓄積装置。
  17. 約0.03秒から10−2秒、または
    約10−2秒から10−3秒、または
    約10−3秒から10−4秒、または
    約10−4秒から10−5秒、または
    約10−5秒未満、
    の範囲内にある時定数を有する、請求項16に記載の装置。
  18. 電荷蓄積装置であって、前記装置は、
    それぞれの第1のタブがそこから延びる複数の第1のシート電極と、
    第1の電極と互い違いにされ、それぞれの第2のタブがそこから延びる複数の第2のシート電極と、
    隣接する電極間に配置された多孔質セパレータ手段と、
    電極、セパレータ手段および電解質を収納する封止パッケージとを含み、これによって、第1のタブは第1の端子に電気的に接続され、第2のタブは第2の端子に電気的に接続され、第1および第2の両端子がパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする、電荷蓄積装置。
  19. 電荷蓄積装置であって、前記装置は、
    第1のシート電極と、
    第1のシート電極に隣接して配置された第2のシート電極とを含み、これにより電極はそれぞれの長さで折り返され、前記装置はさらに、
    隣接する電極間に配置された多孔質セパレータと、
    電極、セパレータおよび電解質を収納する封止パッケージとを含み、これにより第1の電極は第1の端子に電気的に接続され、第2の電極は第2の端子に電気的に接続され、第1および第2の両端子はパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする、電荷蓄積装置。
  20. 複合電荷蓄積装置であって、前記装置は、
    第1の端子に電気的に接続されている第1の電極と、
    第1の電極に近接して配置され、かつ第2の端子に電気的に接続されている第2の電極と、
    第1の電極に近接して配置され、かつ第2の端子に電気的に接続されている第3の電極と、
    隣接する電極間に配置された1つ以上の多孔質セパレータと、
    電極、1つ以上のセパレータおよび電解質を収納するパッケージとを含み、これにより前記端子はパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする、複合電荷蓄積装置。
  21. 複合電荷蓄積装置であって、前記装置は、
    電解質を収納する封止キャビティを規定するパッケージと、
    各々が、キャビティ内に位置付けられた第1の端部とパッケージ外部の第2の端部との間に延びる、2つの間隔をあけられたキャパシタ端子と、
    キャビティ内に位置付けられ、かつ電解質と接触している第1のキャパシタセルとを含み、第1のセルは第1の予め定められた時定数と、それぞれのキャパシタ端子に電気的に接続された2つのセル端子との両方を有し、前記装置はさらに、
    キャビティ内に位置付けられ、電解質と接触し、第1のセルに対して間隔をあけた構成で維持される第2のキャパシタセルを含み、第2のキャパシタセルは第2の予め定められた時定数と、それぞれのキャパシタ端子に電気的に接続された2つのセル端子との両方を有する、複合電荷蓄積装置。
  22. 複合電荷蓄積装置であって、前記装置は、
    第1の端子に電気的に接続され、かつ少なくともその一方上に第1のコーティングを有する第1のシート電極を含み、このコーティングは予め定められた変動的な厚さであり、前記装置はさらに、
    第1の電極に近接して配置され、かつ第2の端子に電気的に接続されている第2の電極と、
    隣接する電極間に配置された1つ以上の多孔質セパレータと、
    電極、1つ以上のセパレータおよび電解質を収納するパッケージとを含み、これにより端子はパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする、複合電荷蓄積装置。
  23. 複合電荷蓄積装置であって、前記装置は、
    第1の端子に電気的に接続され、かつその一方側上に第1のコーティング、およびその他方側上に第2のコーティングを含む第1のシート電極を含み、第1のコーティングは第1の予め定められた厚さであり、第2のコーティングは第2の予め定められた厚さであり、前記装置はさらに、
    第2の端子に電気的に接続され、かつ第1の電極の一方側に近接して配置された第2のシート電極を含み、この第2の電極はその一方側上に第3の予め定められた厚さの第3のコーティングを含み、この第3のコーティングは第1のコーティングと対向しており、前記装置はさらに、
    第2の端子に電気的に接続され、かつ第1の電極の他方側に近接して配置された第3の電極を含み、この第3の電極はその一方側上に第4の予め定められた厚さの第4のコーティングを含み、この第4のコーティングは第2のコーティングと対向しており、前記装置はさらに、
    隣接する電極間に配置された1つ以上の多孔質セパレータと、
    電極、1つ以上のセパレータおよび電解質を収納するパッケージとを含み、これにより端子はパッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする、複合電荷蓄積装置。
  24. スーパーキャパシタにおいて用いるための電極であって、前記電極は、
    基板と、
    前記基板上にコーティングされた、プロトン化されたカルボキシメチルセルロースの懸濁物と混合された炭素粒子とを含む、電極。
  25. カーボン粒子と、少なくとも1対の電極の対向する面上にコーティングされた、プロトン化されたカルボキシメチルセルロースの懸濁物との混合物を有する、少なくとも1対の電極と、
    前記少なくとも1対の電極の前記対向する面の間に位置付けられたセパレータと、
    このセパレータを湿らす電解質とを含む、スーパーキャパシタ。
  26. 電荷蓄積装置であって、前記装置は、
    発泡しない炭素から形成された第1の層を有する第1の電極と、
    発泡しない炭素から形成された第2の層を有する第2の電極とを含み、第2の層は第1の層に対向し第1の層から間隔をあけられており、前記装置はさらに、
    電極間に配置された多孔質セパレータと、
    電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
    第1の電極および第2の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第1の端子および第2の端子とを含み、第1および第2の層を形成するのに用いられる炭素の表面積は20m2/グラムより大きい、電荷蓄積装置。
  27. 電荷蓄積装置であって、前記装置は、
    第1の基板およびこの基板によって支持された第1の炭素層を有する第1の電極を含み、前記層は少なくとも約400m/グラムの表面積を有する炭素から形成されており、前記装置はさらに、
    第2の基板および第2の基板によって支持された第2の炭素層を有する第2の電極を含み、この第2の層は少なくとも約400m/グラムの表面積を有する炭素から形成されており、第2の層は第1の層と対向し第1の層から間隔をあけられ、前記装置はさらに、
    電極間に配置された多孔質セパレータと、
    電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
    第1の電極および第2の電極にそれぞれ電気的に接続され、前記パッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第1の端子および第2の端子とを含み、前記装置の重量当たりの最大電力は約4.8ワット/グラムより大きい、電荷蓄積装置。
  28. 前記炭素の表面積が少なくとも1200m/グラムである、請求項44に記載の装置。
  29. 少なくとも1つの層が1種類より多くの炭素を含む、請求項44に記載の装置。
  30. エネルギ蓄積装置であって、前記装置は、
    ハウジングと、
    第1および第2の電荷蓄積容量をそれぞれ有する第1および第2の対向する電極とを含み、これらの電極はハウジング内に配置され、第1の電荷蓄積容量が第2の電荷蓄積容量より大きく、前記装置はさらに、
    電極の中間にあるセパレータと、
    ハウジング内に配置され、かつ電極と電荷をやり取りする電解質とを含む、エネルギ蓄積装置。
  31. 第1の電極はその一方側に第1の炭素コーティングを有するアルミニウムシートを含み、第2の電極はその一方側に第2の炭素コーティングを有するアルミニウムシートを含み、第1および第2のコーティングは対向している、請求項30に記載の装置。
  32. 前記シートは実質的に寸法上等価であり、前記電荷蓄積容量は第1のコーティングと第2のコーティングとの差により変動する、請求項31に記載の装置。
  33. 第1のコーティングが第2のコーティングより厚い、請求項32に記載の装置。
  34. 第1のコーティングの特定の容量が第2のコーティングのものより大きい、請求項32に記載の装置。
  35. 前記電荷蓄積容量は、第1および第2の電極の表面積における差により異なる、請求項30に記載の装置。
  36. 電荷蓄積装置であって、前記装置は、
    ハウジングと、
    ハウジング内に配置された第1のシート電極と、
    第1のシート電極に近接し、かつ対向してハウジング内に配置された第2のシート電極と、
    第1の電極の実質上すべてを包み、かつ間隔をあけた構成で電極同士を維持するためのセパレータと、
    電極の中間に配置される電解質と、
    それぞれの電極から延び、かつハウジングの外側で終わり電極への外部電気接続を可能にする2つの端子とを含む、電荷蓄積装置。
  37. 前記セパレータが、少なくとも1つの共通端に沿って接続される2枚の対向するセパレータシートを含み、第1の電極がこれらのセパレータシートの間に配置される、請求項36に記載の装置。
  38. 前記セパレータシートが一体的に形成される、請求項37に記載の装置。
  39. 前記セパレータシートが共通端に沿って一体的に形成される、請求項38に記載の装置。
  40. 各セパレータシートが、ともに共通端から離れるように延びる、第1の端縁と、第1の端縁から間隔をあけられた第2の端縁とを含む、請求項39に記載の装置。
  41. 各セパレータシートがさらに、第1の端縁と第2の端縁との間に延びる第3の端縁を含み、第1の端縁は対向してともに接合され、第2の端縁は対向してともに接合される、請求項40に記載の装置。
  42. 第3の端縁が対向している、請求項41に記載の装置。
  43. 第1の電極が第1のサブシートと第1のサブシートに対向する第2のサブシートとを含む、請求項42に記載の装置。
  44. 第1および第2のサブシートが対向している、請求項43に記載の装置。
  45. 第1および第2のサブシートの各々が共通端に沿って接合される、請求項44に記載の装置。
  46. 第1および第2のサブシートの間の共通端が2つの対向するセパレータシート間の共通端に近接して配置される、請求項45に記載の装置。
  47. 電荷蓄積装置であって、前記装置は、
    炭素粒子のコーティングをそれぞれ有する2つの対向する電極を含み、これらの粒子は予め定められた公称直径を有し、コーティングは公称直径より大きいが公称直径のオーダである厚さを有し、前記装置はさらに、
    電極間に配置された多孔質セパレータと、
    電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を収納する封止パッケージと、
    第1の電極および第2の電極にそれぞれ電気的に接続され、かつパッケージからともに延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にする第1の端子および第2の端子を含む、電荷蓄積装置。
  48. 前記予め定められた公称直径が約8ミクロン未満であり、前記コーティングの厚さが100ミクロン未満である、請求項46に記載の装置。
  49. 前記予め定められた公称直径が約6ミクロン未満であり、前記コーティングの厚さが約36ミクロン未満である、請求項46に記載の装置。
  50. 前記予め定められた公称直径が約2ミクロン未満であり、前記コーティングの厚さが約6ミクロン未満である、請求項46に記載の装置。
  51. 電荷蓄積装置の製造方法であって、前記方法は、
    炭素粒子のコーティングをそれぞれ有する2つの電極を対向させるステップを含み、これらの粒子は予め定められた公称直径を有し、前記コーティングは前記公称直径より大きいが前記公称直径のオーダである厚さを有し、前記方法はさらに、
    電極間に多孔質セパレータを配置するステップと、
    電極、セパレータおよび電極が浸漬される電解質を封止パッケージに収納するステップと、
    第1の端子および第2の端子を、前記パッケージから延びてそれぞれの電極への外部電気接続を可能にするように、それぞれ第1の電極および第2の電極に電気的に接続するステップとを含む、電荷蓄積装置。
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