TWI517192B - 一種儲能裝置的封裝結構 - Google Patents

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Description

一種儲能裝置的封裝結構
本發明係關於一種儲能裝置的封裝結構，尤指一種將至少一電容單元重複堆疊並封裝成單顆儲能裝置的封裝結構。
習知之傳統電容由金屬集流板、電極、電解質以及隔離膜所構成，電極外層為金屬集流板，兩電極之間放置已含浸於液態或膠態電解質之多孔性隔離膜，由於使用液態或膠態電解質，因此須設置隔離膜隔絕正負極，以防止電容自我放電及兩極短路，並且為防液態或膠態電解質滲漏，隔離膜外圍需放置高分子封環，兩引腳由外部穿入聚氯乙烯(PVC)等塑膠外殼內部，再分別焊接於金屬集流板表面，最後將環氧樹脂等填充膠注入殼內並硬化後完成封裝程序，因此傳統電容需考慮電解質滲漏及集流板之電流導引等因素，故造成傳統電容封裝製程較為複雜，且具化學毒性、易燃、外洩危險，存在使用安全性低、廠房和製程設備費用較高等問題。
另外傳統電容為提高輸出之電壓或功率，通常將電容成品進行串聯或並聯，並且製作支架輔以加工技術如鑽孔、栓合、焊接等方式與連線設計，使之成為一具有高性能之電容模組，不僅使得製程較為複雜亦顯著增加了製作成本及模組體積，而且傳統電容之電極電阻甚高，也不 適合在電容內部以重複堆疊電容單元的串聯方式提高電壓和功率。
因此由上述可知習知之傳統電容需考慮電解質滲漏及集流板之電流導引等因素，故造成封裝製程較為複雜，且具化學毒性、易燃、外洩危險，存在使用安全性低、廠房和製程設備費用較高等問題。而且為提高輸出之電壓或功率，通常需輔以額外加工技術如鑽孔、焊接、螺釘栓合及製作支架等施工形成電容模組，使得製程不僅較為複雜亦顯著增加了製作成本和模組體積，另外傳統電容之電極電阻甚高，因此也不適合在單一顆電容內部以重複堆疊電容單元的串聯方式提高電壓和功率。
所以為解決上述技術之缺憾，本發明採用一對高導電性改良式碳質電極及居中之固態高分子電解質壓合成三明治結構之電容單元，故不需設置集流板與隔離膜，而且不具化學毒性、易燃以及電解質滲漏困擾，並將至少一電容單元重複堆疊形成多個三明治結構串聯的等效電路，並經由本發明之封裝結構，封裝為一高電壓、高功率之單顆式儲能裝置，其性能可媲美傳統電容模組，而且不須額外加工技術及連線設計，省去了傳統電容模組製作時其鑽孔、焊接、螺釘栓合及製作支架等施工，因而降低了製造成本。
因此本發明主要目的為提供一種儲能裝置的封裝結構，包含一上封裝體；一下封裝體，該下封裝體壓合該上封裝體；以及一電容單元組，由至少一電容單元重複堆疊而成，置於該上封裝體與該下封裝體之間；其中該至少一電容單元為一磺化聚醚醚酮之固態高分子電解質及含離子導電性黏著劑之二改良式碳質電極所組成之三明治結構。其中單一個 該電容單元之厚度可小於5mm，因此將該至少一電容單元重複堆疊後其總厚度仍低，該電容單元組可以鈕扣式或螺旋式之一金屬外殼、模壓成型或射出成型做一塑膠外殼、熱封合或真空熱封合一塑膠袋或一內襯塑膠膜之鋁箔袋等方式封裝，即可得到一高電壓與高功率之單顆儲能裝置，省去了傳統電容模組製作時其鑽孔、焊接、螺釘栓合及製作支架等施工。
其中該二改良式碳質電極為將碳布、碳氈或碳紙等導電性碳纖維基材經塗佈活性物質而製成，其特性優於傳統電極，由於具高導電性故不須設置集流板，而且使用該固態高分子電解質則無須設置隔離膜，因此可簡化使用傳統液態或膠態電解質所需之複雜製程，且無電解質滲漏問題，並具抗燃、防止環境污染等工安環保效益。
當該電容單元組以該金屬外殼封裝時，其封裝結構包含一金屬上殼；一金屬下殼，該金屬下殼咬合該金屬上殼；一高分子密封墊片，置於該金屬上殼與該金屬下殼之間；以及一電容單元組，由至少一電容單元重複堆疊而成，置於該金屬下殼內；其中該至少一電容單元為該磺化聚醚醚酮之固態高分子電解質及含離子導電性黏著劑之該二改良式碳質電極所組成之三明治結構。該二改良式碳質電極為將碳布、碳氈或碳紙等導電性碳纖維基材經塗佈活性物質而製成，故該二改良式碳質電極具高導電性，不須設置集流板，使用該固態高分子電解質則無須設置隔離膜。該金屬上殼以及該金屬下殼以衝壓成型方式緊壓該電容單元組並咬合居中之該高分子密封墊片，形成鈕扣型封裝結構；另外該金屬上殼與該金屬下殼可分別具有陰、陽螺牙，以供栓緊咬合居中之該高分子密封墊片，形成螺旋式圓筒封裝結構，經由鈕扣型封裝結構和螺旋式圓筒封裝結構，使本發 明之該儲能裝置形狀可為鈕扣型和圓筒型。而且由於該二改良式碳質電極具高導電性，因此使該金屬上殼與該金屬下殼兼具有傳統電容之集流板與引腳功能。
另外當該電容單元組以該塑膠外殼、該塑膠袋或該內襯塑膠膜之鋁箔袋封裝時，其封裝結構包含一電容單元組，由至少一電容單元重複堆疊而成；至少二引腳，分別連接於該電容單元組之外表面；以及一塑膠封裝體，包覆該電容單元組，並外露該至少二引腳，其中該至少一電容單元為一磺化聚醚醚酮之固態高分子電解質及含離子導電性黏著劑之二改良式碳質電極所組成之三明治結構。該塑膠封裝體為該塑膠外殼時，在該電容單元組之該二改良式碳質電極之外表面分別連接該至少二引腳，該至少二引腳連接方式可採焊接或以導電膠黏合，並將該塑膠外殼以模壓成型或射出成型方式包覆該電容單元組，並外露該至少二引腳，形成塑膠外殼封裝結構，易於模組化生產，使得產品製作速度較快、效率較好。
當該塑膠封裝體為該塑膠袋或該內襯塑膠膜之鋁箔袋時，在該電容單元組之該二改良式碳質電極之外表面分別連接該至少二引腳，連接方式可採用焊接或以導電膠黏合，將該電容單元組置入該塑膠袋或該內襯塑膠膜之鋁箔袋中進行熱封合或真空熱封合，並外露該至少二引腳，形成袋式封裝結構，經由袋式封裝結構，使本發明之該儲能裝置形狀可為袋式，另外也可將具袋式封裝結構之該儲能裝置，經捲繞或折疊後置入堅固且不易變形之一保護殼具中，並以上蓋封裝，即可得具有保護殼具之該儲能裝置。
上述封裝結構之形狀、尺寸仍有諸多選擇，但相較於傳統 電容模組之製造方式，本發明藉由該改良式碳質電極及該固態高分子電解質等材料創新與結構設計，使得該至少一電容單元重複堆疊後之封裝製程更加簡易，省去傳統上製作電容模組之鑽孔、焊接、螺釘栓合及製作支架等施工，進而降低了製作成本，在本發明中單一個該電容單元之厚度可小於5mm，故將該至少一電容單元重複堆疊後其總厚度仍低，而且本發明之單一個該電容單元之工作電壓可達數伏特，功率可高於數千瓦，因此將該至少一電容單元重複堆疊後封裝成單顆式之該儲能裝置可獲得更高之電壓及功率，其性能可媲美傳統上將多數個電容成品串聯或並聯製成之電容模組，故由本發明形成之大型該儲能裝置適用於電力電網、風力發電系統、電動車輛、及不斷電系統等，小型該儲能裝置則可使用於各式電子產品等。
1‧‧‧電容單元組
10‧‧‧至少一電容單元
11‧‧‧改良式碳質電極
12‧‧‧固態高分子電解質
20‧‧‧金屬上殼
30‧‧‧高分子密封墊片
40‧‧‧金屬下殼
50‧‧‧塑膠封裝體
60‧‧‧二引腳
70‧‧‧上蓋
80‧‧‧保護殼具
100‧‧‧儲能裝置
第1圖係本發明之螺旋式圓筒封裝結構。
第2圖係本發明之鈕扣型封裝結構。
第3圖係本發明之堆疊兩個電容單元之鈕扣型封裝結構。
第4圖係本發明之塑膠外殼封裝結構。
第5圖係本發明之堆疊兩個電容單元之塑膠外殼封裝結構。
第6圖(a)係本發明之塑膠封裝體。
第6圖(b)係本發明之堆疊兩個電容單元之電容單元組。
第6圖(c)係本發明之袋式封裝結構。
第7圖(a)係本發明之儲能裝置之上蓋。
第7圖(b)係本發明之袋式封裝結構儲能裝置另一實施例。
第7圖(c)係本發明之儲能裝置之保護殼具。
第7圖(d)係本發明之具有保護殼具之儲能裝置。
本發明藉由電極及電解質等材料創新與結構設計，使得至少一電容單元10重複堆疊後之封裝製程更加簡易，不僅容易封裝而且省去傳統上製作電容模組之鑽孔、焊接、螺釘栓合及製作支架等施工，進而降低了製作成本，其封裝方式詳述在以下實施例中。
實施例一
第1圖係為一儲能裝置100之實施例一，包含一金屬上殼20、一金屬下殼40、一高分子密封墊片30以及一電容單元組1，該高分子密封墊片30置於該金屬上殼20與該金屬下殼40之間，該電容單元組1置於該金屬下殼40內，其中該電容單元組1為該至少一電容單元10重複堆疊而成，該至少一電容單元10為一固態高分子電解質12及二改良式碳質電極11所組成之三明治結構，由於單一個該電容單元10之厚度小於5mm，可知該至少一電容單元10重複堆疊後之總厚度仍低。該金屬上殼20和該金屬下殼40分別具有陰、陽螺牙可供互相栓鎖，栓牢該金屬上殼20和該金屬下殼40，使該金屬下殼40咬合該金屬上殼20，並緊壓位於該金屬上殼20和該金屬下殼40之間該高分子密封墊片30，形成具螺旋式圓筒封裝結構之該儲能裝置100，經由螺旋式圓筒封裝結構，使本發明之該儲能裝置100形狀可為圓筒型，由於省去傳統電容模組製作時其鑽孔、焊接、螺釘栓合及製作支架等施工，故降低了製造成本。該二改良式碳質電極11為將碳布、碳氈或碳紙等導電性碳纖維基材經塗佈活性物質而製成，活性物質由活性碳等主成分、碳黑 及少量黏著劑或離子導電性黏著劑組成，因此該二改良式碳質電極11具有很高的導電性，所以不須另外設置集流板，而該固態高分子電解質12可為磺化聚醚醚酮(SPEEK)等離子導電性高分子，使用該固態高分子電解質12，則無須設置隔離膜，而且也不需考量電解質是否外漏因素，因此不需複雜製程，且具抗燃、防止環境污染等工安環保效益。
實施例二
第2圖係為該儲能裝置100之實施例二，本實施例中使用單一個該電容單元10，單一個該電容單元10為該固態高分子電解質12及其兩側之該二改良式碳質電極11組成三明治結構，單一個該電容單元10之厚度小於5mm，其中該二改良式碳質電極11為將碳布、碳氈或碳紙等導電性碳質基材經塗佈活性物質而製成，將單一個該電容單元10置於該金屬下殼40內，並採用衝壓成型等方式使該金屬上殼20和該金屬下殼40緊壓該高分子密封墊片30，並使得單一個該電容單元10密封於該金屬上殼20和該金屬下殼40中，而且該金屬上殼20與該金屬下殼40分別緊壓住高導電性之該二改良式碳質電極11，形成具鈕扣型封裝結構之該儲能裝置100，經由鈕扣型封裝結構，使本發明之該儲能裝置100形狀可為鈕釦型。由於該二改良式碳質電極11具有高導電性，故不須另外設置集流板，因此該金屬上殼20和該金屬下殼40亦兼具傳統電容之集流板與引腳的功能。
實施例三
第3圖係為該儲能裝置100之實施例三，該電容單元組1由兩個該電容單元10互相堆疊而成，單一個該電容單元10之厚度小於5mm，故將兩個該電容單元10互相堆疊後之總厚度仍低，其中單一個該電容單元10 為該固態高分子電解質12與其兩側該二改良式碳質電極11構成三明治結構，由於兩個三明治結構之該電容單元10互相堆疊接合形成串聯電路，因此操作電壓將可增加一倍，輸出功率亦可大幅提升，最後採用衝壓成型等方式使該金屬上殼20和該金屬下殼40緊壓高分子密封墊片30，並將具有兩個該電容單元10之該電容單元組1密封於該金屬上殼20和該金屬下殼40之中，使該金屬上殼20和該金屬下殼40分別與高導電性之該改良式碳質電極11緊密相接，形成具鈕扣型封裝結構之該儲能裝置100，經由鈕扣型封裝結構，使本發明之該儲能裝置100形狀可為鈕釦型。由於該二改良式碳質電極11具有高導電性，故不需設置集流板，所以該金屬上殼20和該金屬下殼40亦兼具傳統電容之集流板與引腳之功能。
實施例四
第4圖係為該儲能裝置100之實施例四，其包含單一個該電容單元10，單一個該電容單元10為該固態高分子電解質12及其兩側之該二改良式碳質電極11壓合成三明治結構，單一個該電容單元10總厚度小於5mm，二引腳60分別連接於該二改式碳質電極11之外表面，連接方式可採焊接或以導電膠黏合，最後採用模壓成型或射出成型等製程將一塑膠封裝體50包覆單一個該電容單元10，並外露該二引腳60，即形成具塑膠外殼封裝結構之該儲能裝置100，此封裝結構易於模組化生產，使得產品製作速度較快、效率較好，其中該塑膠封裝體50亦可採用含橡膠材料之外殼。
實施例五
第5圖係為該儲能裝置100之實施例五，該電容單元組1由兩個該電容單元10互相堆疊而成，其中單一個該電容單元10為該固態高分子 電解質12與其兩側之該二改良式碳質電極11構成三明治結構，將兩個該電容單元10互相堆疊形成串聯電路以提高該儲能裝置100之電壓及功率，並將該二引腳60則分別連接於最外側之該改良式碳質電極11外表面，連接方式可採焊接或以導電膠黏合，最後採用模壓成型或射出成型等製程將該塑膠封裝體50包覆該電容單元組1，並外露該二引腳60，即形成具塑膠外殼封裝結構之該儲能裝置100，此封裝結構易於模組化生產，使得產品製作速度較快、效率較好，其中該塑膠封裝體50亦可採用含橡膠材料之外殼。
實施例六
第6圖係為該儲能裝置100之實施例六，第6圖(a)為該塑膠封裝體50，該塑膠封裝體50可為塑膠袋或內襯塑膠膜之鋁箔袋，第6圖(b)為該電容單元組1，該電容單元組1為兩個該電容單元10互相堆疊串聯，單一個該電容單元10為該固態高分子電解質12與其兩側之該二改良式碳質電極11構成三明治結構，將該電容單元組1最外側之該改良式碳質電極11分別連接該二引腳60，最後將此組件置入該塑膠封裝體50中進行熱封合或真空熱封合，形成具袋式封裝結構之該儲能裝置100，經由袋式封裝結構，使本發明之該儲能裝置100形狀可為袋式，如第6圖(c)所示。
實施例七
第7圖係為該儲能裝置100之實施例七，第7圖(b)所示係將圖6(c)之具袋式封裝結構之該儲能裝置100經捲繞或折疊後，將此組件置入堅固且不易變形之一保護殼具80中(第7圖(c))，並以堅固且不易變形且絕緣之一上蓋70(第7圖(a))封裝，即得第7圖(d)所示具有該保護殼具80之該儲能裝置100。
上述封裝結構之形狀、尺寸仍有諸多選擇，但相較於傳統電容模組之製造方式，本發明藉由該改良式碳質電極11及該固態高分子電解質12等材料創新與結構設計，使得該至少一電容單元10重複堆疊後之封裝製程更加簡易，省去傳統上製作電容模組之鑽孔、焊接、螺釘栓合及製作支架等施工，進而降低了製作成本，在本發明中單一個該至少一電容單元10之厚度可小於5mm，故將該至少一電容單元10重複堆疊後其總厚度仍低，而且本發明之單一個該電容單元10之工作電壓可達數伏特，功率可高於數千瓦，因此將該至少一電容單元10重複堆疊後封裝成單顆式之該儲能裝置100可獲得更高之電壓及功率，其性能可媲美傳統上將多數個電容成品串聯或並聯製成之電容模組。故本發明形成之大型該儲能裝置100適用於電力電網、風力發電系統、電動車輛、及不斷電系統等，小型該儲能裝置100則可使用於各式電子產品等。
1‧‧‧電容單元組
10‧‧‧至少一電容單元
11‧‧‧改良式碳質電極
12‧‧‧固態高分子電解質
20‧‧‧金屬上殼
30‧‧‧高分子密封墊片
40‧‧‧金屬下殼
100‧‧‧儲能裝置

Claims (23)

  1. 一種儲能裝置的封裝結構，包含：一上封裝體；一下封裝體，該下封裝體壓合該上封裝體；以及一電容單元組，由複數個電容單元重複且不黏著地堆疊而成，且該複數個電容單元與該上封裝體及該下封裝體不黏著，並置於該上封裝體與該下封裝體之間；該複數個電容單元為一磺化聚醚醚酮之固態高分子電解質及二改良式碳質電極所組成之三明治結構，其中該二改良式碳質電極為將導電性碳纖維基材經塗佈活性物質而製成，該活性物質由活性碳、碳黑及黏著劑或離子導電性黏著劑組成。
  2. 如請求項1所述之儲能裝置的封裝結構，其中單一個該複數個電容單元厚度小於5mm。
  3. 如請求項1所述之儲能裝置的封裝結構，其中該導電性碳纖維基材為碳布、碳氈或碳紙。
  4. 如請求項1所述之儲能裝置的封裝結構，其中該上封裝體以及該下封裝體可以為一金屬外殼、一塑膠外殼、一塑膠袋或一內襯塑膠膜之鋁箔袋等。
  5. 如請求項4所述之儲能裝置的封裝結構，其中該上封裝體以及該下封裝體為該金屬外殼，在該上封裝體以及該下封裝體間放置一高分子密封墊片。
  6. 如請求項5所述之儲能裝置的封裝結構，其中該金屬外殼可分別具有陰、陽螺牙，以供栓緊咬合居中之該高分子密封墊片，形成螺旋式圓筒封裝結構。
  7. 如請求項5所述之儲能裝置的封裝結構，其中該金屬外殼，以衝壓成型方式緊咬合居中之該高分子密封墊片，形成鈕扣型封裝結構。
  8. 如請求項4所述之儲能裝置的封裝結構，其中該上封裝體以及該下封裝體為該塑膠外殼、該塑膠袋或該內襯塑膠膜之鋁箔袋，在該電容單元組之該二改良式碳質電極之外表面分別連接至少二引腳。
  9. 如請求項8所述之儲能裝置的封裝結構，其中該至少二引腳連接方式可採焊接或以導電膠黏合。
  10. 如請求項8所述之儲能裝置的封裝結構，其中該塑膠外殼以模壓成型或射出成型方式包覆該電容單元組，並外露該至少二引腳，形成塑膠外殼封裝結構。
  11. 如請求項8所述之儲能裝置的封裝結構，其中該上封裝體以及該下封裝體為該塑膠袋或該內襯塑膠膜之鋁箔袋，將該電容單元組置入該塑膠袋或該內襯塑膠膜之鋁箔袋中進行熱封合或真空熱封合，並外露該至少二引腳，形成袋式封裝結構。
  12. 一種儲能裝置的封裝結構，包含：一金屬上殼；一金屬下殼，該金屬下殼咬合該金屬上殼； 一高分子密封墊片，置於該金屬上殼與該金屬下殼之間；以及一電容單元組，由複數個電容單元重複且不黏著地堆疊而成，且該複數個電容單元與該金屬上殼及該金屬下殼不黏著，並置於該金屬下殼內；該複數個電容單元為一磺化聚醚醚酮之固態高分子電解質及二改良式碳質電極所組成之三明治結構，其中該二改良式碳質電極為將導電性碳纖維基材經塗佈活性物質而製成，該活性物質由活性碳、碳黑及黏著劑或離子導電性黏著劑組成。
  13. 如請求項12所述之儲能裝置的封裝結構，其中單一個該複數個電容單元厚度小於5mm。
  14. 如請求項12所述之儲能裝置的封裝結構，其中該導電性碳纖維基材為碳布、碳氈或碳紙。
  15. 如請求項12所述之儲能裝置的封裝結構，其中該金屬上殼及該金屬下殼可分別具有陰、陽螺牙，以供栓緊咬合居中之該高分子密封墊片，形成螺旋式圓筒封裝結構。
  16. 如請求項12所述之儲能裝置的封裝結構，其中該金屬上殼及該金屬下殼以衝壓成型方式緊咬合居中之該高分子密封墊片，形成鈕扣型封裝結構。
  17. 一種儲能裝置的封裝結構，包含：一電容單元組，由複數個電容單元重複且不黏著地堆疊而成；至少二引腳，分別連接於該電容單元組之外表面；以及 一塑膠封裝體，包覆該電容單元組，且該複數個電容單元與該塑膠封裝體不黏著，並外露該至少二引腳；該至少一電容單元為一磺化聚醚醚酮之固態高分子電解質及二改良式碳質電極所組成之三明治結構，其中該二改良式碳質電極為將導電性碳纖維基材經塗佈活性物質而製成，該活性物質由活性碳、碳黑及黏著劑或離子導電性黏著劑組成。
  18. 如請求項17所述之儲能裝置的封裝結構，其中單一個該複數個電容單元厚度小於5mm。
  19. 如請求項17所述之儲能裝置的封裝結構，其中該導電性碳纖維基材為碳布、碳氈或碳紙。
  20. 如請求項17所述之儲能裝置的封裝結構，其中該塑膠封裝體可為一塑膠外殼、一塑膠袋或一內襯塑膠膜之鋁箔袋等。
  21. 如請求項20所述之儲能裝置的封裝結構，其中該塑膠封裝體為該塑膠外殼，將該塑膠外殼以模壓成型或射出成型方式包覆該電容單元組，並外露該至少二引腳，形成塑膠外殼封裝結構。
  22. 如請求項20所述之儲能裝置的封裝結構，其中該塑膠封裝體為該塑膠袋或該內襯塑膠膜之鋁箔袋，將該電容單元組置入該塑膠袋或該內襯塑膠膜之鋁箔袋中進行熱封合或真空熱封合，並外露該至少二引腳，形成袋式封裝結構。
  23. 如請求項17所述之儲能裝置的封裝結構，其中該至少二引腳連接方式可採焊接或以導電膠黏合。
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