TW201907635A - 超級電容裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種電氣裝置。該電氣裝置之特徵在於包含： · 至少一個操作元件，其用於執行該裝置之分配工作； · 一超級電容器，其由含奈米碳之電極、一離子液體電解質及之一離子可滲透膜組成，用於向該操作元件供電及/或對一相關聯電池再充電； · 一充電電路，其用於藉助於一外部電源對該超級電容器再充電； · 一控制電路，其用於控制該操作元件之操作； · 一監視電路，其用於監視該超級電容器及/或該操作元件之效能所特有之一或多個參數及用於產生對應狀態資訊； · 一傳輸器，其用於將包含該狀態資訊之一第一信號傳輸至一遠端接收位置；以及 · 一接收器，其用於自該遠端接收位置接收一第二信號，該第二信號包含待由該控制單元及視情況該操作元件作用之指令。
Description
發明領域 本發明係關於一種含有超級電容器之電氣裝置，其經調適以將資料流傳輸至遠端位置及基於對該資料之分析自該遠端位置接收指令。
發明背景 US20120274273在第299-209段描述一種將能量、通訊及電子器件整合於單一平台裝置中之積體電路電池裝置，諸如起搏器。
WO2014066824大體上描述一種超級電容器及一種用於小型可植入醫學裝置之配置。
US20130106341教示一種用於攜帶型電子裝置之混成電池系統。
在諸如WO2016075431之先前申請案中，吾人已揭示基於含奈米碳之電極及離子液體電解質的可再充電電池充電器及新穎超級電容器電池，其效能優於一系列能量儲存應用中的習知鋰離子電池。詳言之，此等電池展現久得多的可用循環壽命；例如達至100,000或甚至1,000,000次充電/放電循環而其電荷保持能力不明顯減弱或電阻不增加。此意謂，在許多情況下，其效用可超過其經設計以供電之操作元件。
因此，其對於如下裝置應用極其引人注目，其中不期望常規零件替換(例如其中裝置經設計以具防水性)或其中進入部署有裝置之環境可為困難、破壞性或危險的。舉例而言，在緊急照明或環境監視系統中，電池可永久地建置至建築物之網狀架構中。
若採用此方法，則出於技術原因，特別需要裝置進一步包括藉助於傳輸器/接收器遠端地連接至外部世界之控制系統，以便裝置及電池本身之效能可得到密切監視且在緊急情況出現或操作需求改變時進行調整。該(等)調整可呈以下形式：在某些環境中(不同氣候、不同季節、在建築物一般維護期間等)接通或切斷裝置、改變超級電容器之充電及放電之週期性或在裝置即將發生崩潰之警示之前改變。其亦可使得裝置之能量消耗可遠端地控制，此在能量當前基於計量或量入為出提供之環境中極其合乎期望。
發明概要 吾人現已將此方法應用於吾等超級電容器電池以產生裝置，其不僅展現高度遠端可控制性，而且可用於不期望替換電源之情況。因此，根據本發明，提供一種電氣裝置，其特徵在於包含： ● 至少一個操作元件，其用於執行該裝置之分配工作； ● 一超級電容器，其由含奈米碳之電極、一離子液體電解質及一離子可滲透膜組成，用於向該操作元件供電及/或對一相關聯電池再充電； ● 一充電電路，其用於藉助於一外部電源對該超級電容器再充電； ● 一控制電路，其用於控制該操作元件之操作； ● 一監視電路，其用於監視該超級電容器及/或該操作元件之效能所特有之一或多個參數及用於產生對應狀態資訊； ● 一傳輸器，其用於將包含該狀態資訊之一第一信號傳輸至一遠端接收位置；以及 ● 一接收器，其用於自該遠端接收位置接收一第二信號，該第二信號包含待由該控制單元及視情況該操作元件作用之指令。
裝置之其他構成零件可用以向廣泛範圍之操作元件提供電力。舉例而言，在一個實施例中，操作元件係燈泡或照明單元，尤其需要能夠在主電力故障或中斷之情況下運作的燈泡或照明單元。在另一實施例中，其係環境監視裝置，諸如煙霧、一氧化碳或其他氣體偵測器。在又另一實施例中，其係工業中常常稱為「微塵」之感測器節點，其中感測器出於報導目的感測關鍵物理參數，諸如溫度、壓力、振動、力、厚度或其類似參數。該等微塵常常部署於工業設備(工廠、礦場、煉油廠及化學設備及儲存單元)多個位置且藉助於無線或永久有線網路彼此及/或與中央資料接收位置連接。在又另一實施例中，操作元件係向零售消費者或批發或工業消費者提供電能之操作元件，且封閉於經設計以防篡改或經裝甲或以其他方式抗創傷事件之外殼中。
在本發明之一個實施例中，超級電容器的含奈米碳之電極包含基本上由呈薄可撓性薄片(例如鋁、銀或銅箔)形式之導電金屬集電器組成的陽極及陰極表面，該等表面塗佈有包含包括奈米碳組份的碳電荷攜帶元件之層。在另一實施例中，此等陽極及陰極表面中之至少一些安置於同一薄片之相對側。此等電荷攜帶元件中之至少一些宜為平均最長維度小於10微米之碳粒子。較佳地，此等粒子展現中孔隙性，其中孔隙之大小範圍係2至50奈米。在另一實施例中，碳電荷攜帶元件可用可賦予最終超級電容器一定程度之贗電容特性的材料之奈米粒子補充；該等材料例如金屬之鹽、氫氧化物及氧化物，該等金屬諸如鋰或具有超過一種氧化態之過渡金屬，包括鎳、錳、釕、鉍、鎢或鉬。
在一個實施例中，層由嵌入於聚合物黏合劑基質中之碳粒子組成且特徵在於粒子與黏合劑之重量比在0.2:1至20:1範圍內。在另一實施例中，黏合劑具導電性。在又另一實施例中，碳粒子包括石墨烯粒子；在又另一實施例中，碳粒子包括碳奈米管。在一個較佳實施例中，採用石墨烯及碳奈米管之混合物，視情況存在活性碳。在又另一適合實施例中，碳粒子包含此等三種組份之混合物，活性碳、碳奈米管及石墨烯以重量比0.5-2000:0.5-100:1、較佳0.5-1500:0.5-80:1存在。
術語活性碳意謂表面積典型地大於500 m2
g-1
、較佳為1500至2500 m2
g-1
且平均粒度小於1微米之任何高純度非晶碳。該等材料容易自多個商業來源獲得。所用之碳奈米管典型地具有在2-500微米(較佳100-300微米)範圍內之平均長度及在100-150奈米範圍內之平均直徑。奈米管可為單壁或多壁或兩者之混合物。
術語石墨烯意謂粒子結構實質上二維的碳之同素異形體。在極端情況下，此等粒子包含具有石墨結構之單一原子層片層，但出於本發明之目的，此組件可包含少量的該等片層，一個堆疊在另一個上，例如1至20個、較佳1至10個片層。在一個實施例中，此等片層呈非氧化形式。在另一實施例中，如藉由穿透電子顯微術所量測，片層獨立地具有在1至4000奈米、較佳20至3000或10至2000奈米範圍內之平均尺寸。可使用任何已知方法來製造該等材料，該等材料亦可商購；舉例而言，以名稱Elicarb®購自英國(United Kingdom)之Thomas Swann Limited。
在另一實施例中，碳電荷攜帶元件可進一步包括高達20%、較佳1至20重量%之導電碳。此導電碳宜包含具有一多晶結構及在1至500 m2
g-1
範圍內之一表面積的高導電性非石墨碳。在一個實施例中，其係碳黑；例如，已用作鋰離子電池中之導電添加劑的彼等材料之一(例如Timcal SuperC65®及/或Timcal SuperC45)。
在一個實施例中，在製造之後電極中的殘餘濕氣應小於100 ppm；較佳小於50 ppm。
在又另一實施例中，含碳之陽極及陰極彼此不對稱；換言之，其具有不同厚度，例如不同厚度之層，或添加有具有贗電容效應之添加劑。
至於導電黏合劑，此宜包含一或多種導電聚合物且較佳選自纖維素衍生物、聚合彈性體或其混合物。在一個實施例中，纖維素衍生物係羧烷基纖維素，例如羧甲基纖維素。在另一實施例中，彈性體係苯乙烯-丁二烯橡膠或具有等效特性之材料。
複合層中的各個組件之總電荷攜載表面積宜為＞ 250 m2
g-1
、較佳＞ 260 m2
g-1
。
在另一實施例中，電極係自撐式的且不採用金屬集電器且特徵在於包含基本上由75-90重量%活性碳及5至25重量%導電碳均勻分散於5至15重量%聚合物黏合劑中的含奈米碳之基質組成的剛性或機械彈性之導電薄片。該等薄片之適合實例將具有大於0.4 g/cm3
之密度、超過100 F/g之平均重力電容及當在硬幣電池中量測時小於30歐姆之等效串聯電阻(ESR)。
至於離子液體電解質，此宜包含在低於100℃下熔融且較佳在環境溫度下或低於環境溫度下熔融之有機離子鹽。在另一實施例中，其係包含一或多種離子液體之混合物且混合物在25℃下之黏度在10至80厘泊、較佳20至50厘泊範圍內。在又另一實施例中，電解質係至少兩種組份之共晶或近共晶混合物，該至少兩種組份之一係離子液體。此等混合物之熔點宜低於100℃，較佳低於50℃，且更佳低於30℃。共晶特性係兩種或更多種組份之彼等混合物的熟知特徵，在既定組成範圍內，相對於可基於拉午耳定律(Raoult's law)所預計的，該等混合物之熔點顯著降低。因此，此處術語「共晶或近共晶混合物」應理解為涵蓋根據本發明之組份的熔點顯示出如此降低之任何混合物；實際共晶點之降低超過50%、較佳降低超過90%者最佳。在一尤佳實施例中，共晶組合物本身用作電解質。在另一實施例中，所採用的離子液體中之至少一者之電化學窗口超過3 v。
在一個實施例中，所採用的電解質係包含US5827602或WO2011/100232中所述之離子液體中之至少一者的混合物，例如共晶或近共晶混合物，US5827602或WO2011/100232可將讀者指向完整清單。在另一實施例中，混合物由該等離子液體中之至少兩者組成。
因此，電解質中所採用的離子液體或所採用的離子液體之一宜為烷基或經取代之烷基吡啶鎓、噠嗪鎓、嘧啶鎓、吡嗪鎓、咪唑鎓、哌啶鎓、吡咯啶鎓、吡唑鎓、噻唑鎓、噁唑鎓、三唑鎓或氮雜環庚烷鎓陽離子的四級鹽。在該種情況下，較佳地，與各陽離子有關的相對陰離子係大的多原子陰離子且凡得瓦(Van der Waals)體積超過50或100埃(例如參見US 5827602，其提供涵蓋在本發明範疇內之例示性實例)。此外較佳地，陰離子經選擇以便其相對於陽離子不對稱，確保液體中之離子不容易緊密堆疊及造成結晶。在一個實施例中，相對陰離子係選自由以下組成之群：四氟硼酸根、六氟磷酸根、二氰胺、雙(氟磺醯基)醯亞胺(FSI)、雙(三氟甲基磺醯基)醯亞胺(TFSI)或雙(全氟C2
至C4
烷基磺醯基)醯亞胺，例如雙(全氟乙基磺醯基)醯亞胺陰離子或其類似物。在另一較佳實施例中，離子液體係選自此等陰離子之C1
至C4
烷基取代之咪唑鎓、哌啶鎓或吡咯啶鎓鹽，陽離子及陰離子之任何置換設想為本文所揭示。在此清單中，以下二元系統係較佳的：哌啶鎓鹽與咪唑鎓鹽；哌啶鎓鹽與吡咯啶鎓鹽；及咪唑鎓鹽與吡咯啶鎓鹽。在替代性實施例中，二元系統可包含(a)以上所提及之陰離子之一的哌啶鎓鹽及任何經取代之龐大四級銨鹽，例如其三烷基(烷氧基烷基)銨鹽，其中烷基或烷氧基部分獨立地具有一、二、三或四個碳原子；或(b) WO2011/100232中所例示的氮雜環庚烷鎓鹽中之一或多者。在以上所提及之所有情況中，所採用的鹽較佳應各自具有超過3伏之電化學窗口及低於30℃之熔點。
可以採用的電解質之特定非限制性實例包括衍生自以下陽離子及以上所提及之陰離子的鹽或鹽混合物：1-乙基-3-甲基咪唑鎓(EMIM)、1-丁基-3-甲基咪唑鎓(BMIM)、1-甲基-1-丙基吡咯啶鎓、1-甲基-1-丁基吡咯啶鎓。在一個實施例中，電解質係此等陽離子之一或多種四氟硼酸鹽、FSI鹽或TFSI鹽。在另一實施例中，其係與方法步驟(a)中所用相同的鹽。
在另一實施例中，離子液體係諸如N,N-二乙基-N-甲基-N-(2-甲氧基乙基)銨(DEME)之四級銨陽離子及其同系物的鹽。
離子液體之水含量宜小於100 ppm，較佳小於50 ppm。
位於電解質中相鄰陽極及陰極電極之間的離子可滲透膜宜由聚合物或類似多孔材料製成。
充電電路典型地係經設計以向超級電容器供應DC電力之電路且在電源係AC電源時將進一步包括整流器。
監視電路發揮監視超級電容器及/或操作元件之效能所特有之一或多個參數的功能。在一個實施例中，所監視之該(該等)參數包括該超級電容器之充電狀態及/或電阻。在另一實施例中，所監視之該(該等)參數包括該超級電容器已經歷的充電/放電循環之數目之一計數。在又另一實施例中，所監視之該(該等)參數包括該裝置之位置或該操作元件之磨損特性。可使該等參數之變化顯示為操作元件及/或超級電容器之狀態之電流、電壓或電阻變化或分佈特徵，該特徵可轉化為對應資料流，該資料流被傳至用於向前傳輸至遠端位置之傳輸器，該資料流在該遠端位置被分析及/或儲存於電腦資料庫中。此傳輸器宜具Wi-Fi功能、具藍芽功能或藉由固定陸上通訊線(例如電話線)連接至遠端位置。其亦可藉由無線電或微波連接。傳輸之週期性可在有來自接收位置之命令後進行調整。
裝置類似地具備亦具Wi-Fi功能、具藍芽功能或藉由固定陸上通訊線、無線電或微波連接至遠端位置之接收器，該接收器在一個實施例中可與傳輸器整合在一起用於自遠端位置接收用於藉由控制單元及/或操作元件或超級電容器實施之指令。
在一個實施例中，裝置之電氣組件中的一些或全部位於堅固殼體，例如絕緣、防水或抗腐蝕或抗衝擊殼體中。在另一實施例中，殼體係剛性的且由諸如金屬或工程塑膠之耐磨損材料製成。或者，其係可撓性的且由聚合物膜製成，該聚合物膜例如聚乙烯、聚丙烯、聚酯或其類似物。在又另一實施例中，殼體經調適以對接至連接至外部電源之對應對接位置且經調適以與充電電路協作。視情況，電氣裝置進一步包括鋰離子電池作為用於操作元件之主級或次級電源。若包括鋰離子電池，則組件宜經配置以便超級電容器之工作包括或限於電池之涓流充電。
在另一實施例中，提供多個單元，其包含上文所描述之組件中的一些或全部連接在一起且視情況在遠端位置處藉助於具Wi-Fi或藍芽功能之網路連接至一共同接收/傳輸站。在此實施例中，該網路宜包含一照明系統、一警報系統、用於有害物質之一偵測系統或一工業控制系統。
Claims (15)
- 一種電氣裝置，其特徵在於包含： · 至少一個操作元件，其用於執行該裝置之分配工作； · 一超級電容器，其由含奈米碳之電極、一離子液體電解質及一離子可滲透膜組成，其用於向該操作元件供電及/或對一相關聯電池再充電； · 一充電電路，其用於藉助一外部電源對該超級電容器再充電； · 一控制電路，其用於控制該操作元件之操作； · 一監視電路，其用於監視該超級電容器及/或該操作元件之效能之一或多個參數特性及用於產生對應狀態資訊； · 一傳輸器，其用於將包含該狀態資訊之一第一信號傳輸至一遠端接收位置；以及 · 一接收器，其用於自該遠端接收位置接收一第二信號，該第二信號包含待由該控制單元及可擇的該操作元件作用之指令。
- 如請求項1之電氣裝置，其特徵在於所監視之該(等)參數包括該超級電容器之充電狀態。
- 如請求項1或2之電氣裝置，其特徵在於所監視之該(等)參數包括該超級電容器之電阻及/或電容。
- 如請求項1至3中任一項之電氣裝置，其特徵在於所監視之該(等)參數包括超級電容器充電及放電循環之數目的一計數。
- 如請求項1至4中任一項之電氣裝置，其特徵在於所監視之該(等)參數包括該裝置之位置。
- 如請求項1至5中任一項之電氣裝置，其特徵在於該電氣裝置係一電動工具，且所監視之該(等)參數包括該操作元件之磨損特性。
- 如請求項1至6中任一項之電氣裝置，其特徵在於該傳輸器及該接收器係藉由電話線、無線電、微波、藍芽或Wi-Fi連接。
- 如請求項1至7中任一項之電氣裝置，其特徵在於電氣裝置進一步包含用於容納該裝置之電氣組件的一堅固殼體。
- 如請求項8之電氣裝置，其特徵在於殼體經調適以與連接至該外部電源之一對應對接位置對接。
- 如請求項1至9中任一項之電氣裝置，其特徵在於進一步包含經調適以接收來自該超級電容器之一涓流充電(trickle-charge)的一鋰離子電池。
- 如請求項1至10中任一項之電氣裝置，其特徵在於含奈米碳之碳電極包含嵌入於一導電聚合物基質中的選自石墨烯、碳奈米管或其混合物的含奈米碳之組份。
- 如請求項11之電氣裝置，其特徵在於該等含奈米碳之碳電極包括具有一多晶結構及在1至500 m2 g-1 範圍內之一表面積的一非石墨碳。
- 如請求項1至12中任一項之電氣裝置，其特徵在於該離子液體包含陽離子：1-乙基-3-甲基咪唑鎓(EMIM)、1-丁基-3-甲基咪唑鎓(BMIM)、1-甲基-1-丙基吡咯啶鎓、1-甲基-1-丁基吡咯啶鎓中之一或多者；及陰離子：四氟硼酸根、FSI或TFSI中之一或多者。
- 一種如請求項1至13中任一項之電氣裝置之網路，其特徵在於其係在遠端位置處藉由Wi-Fi或藍芽連接至一共同接收/傳輸站。
- 如請求項14之網路，其特徵在於包含一照明系統、一警報系統、用於有害物質之一偵測系統或一工業控制系統。
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