TWI719951B - 可再充電的電池充電器、含有其之可再充電的電池充電器陣列以及可攜式電子裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明係提供一可再充電的電池充電器，且其特徴含：●一由一或多層石墨烯或含石墨烯之材料所組成的超級電容器；●一適於自被額定為100伏特或更高之交流電的來源提供至高40安培至該超級電容器之電源模組；●一適於自該超級電容器輸送直流電力至一用於連接至一經電池供電的電子裝置之輸出埠的輸出轉換器、及●一適於自動控制該充電器之各種功能、及/或用於管理並調整一得自該超級電容器之可變輸出的控制模組。
該充電器特別可用於將可攜式電子裝置(諸如智慧型手機、平板電腦、筆電或類似的手持式或穿戴式項目)再充電。
Description
本發明係有關於一適用於可攜式電子裝置(諸如行動電話、平板電腦、筆電等)之可再充電電池充電器。
如藉以下事實而闡明，可攜式電子裝置普遍存在於整個社會：在許多已開發國家中，經估計在超過16歲的人口中有超過90%的人使用行動電話，雖然有關於該等用以將此等裝置充電的可再充電電池之技術研發多年來已打算使此等裝置可用得更久，但是仍存在很多爭議。這些爭議包括(1)由於該電池的老化，所以必須更頻繁地將該裝置再充電、及(2)藉新式軟體的操作而寄予的電力需求會不可避免地更快速將電池耗盡。因此，現在，大多數的使用者發現必須將其等之裝置再充電的頻率高於過去。
其隨後也已導致一技術問題，因為當插入一習知電力環形幹線(典型上，交談多小時)電時，現在使用的該等電流鋰離子電子的再充電速率很慢。由於在機場、咖啡廳、會議中心等內，通常會有很多人等著使用牆壁插座，所以明顯可知，對旅行者很不方便。因此對該旅行者有用的是具有一可靠的可攜式電池充電器，其可將此等電池安全地再充電，而且本身可快速地再充電。雖然市面上有許多此
等裝置，但是它們傾向於體積大及/或將本身再充電的速度仍慢。
一達成更快速再充電之方法為使一併有超級電容器的充電器，因為其等可兼容納相當數量的電荷且可快速充電及放電。然而，其等之貯存電荷密度仍小且業經估計自雙捲繞鋁箔薄片製成的習知超級電容器必須是小飲料罐的大小，且重量大約為半公斤才能將普通的智慧型手機充電。其不能用於攜帶並連接至該裝置。
因此，本發明之一目標為提供一電池充電器，其可將本身、及後續的可攜式電子裝置、及其它裝置快速地再充電以使一裝置夠輕且夠小而方便攜帶。
我們先前已在臉書(Facebook)上引起市場對於我們的以下意圖之注意：銷售一配備可將任何類型的行動電話或平板電腦充電的一般USB埠之被額定為1500mAh的石墨烯超級電容器電池充電器。然而在本一般揭示文內並無下文所主張的設計且尤其是可使用之該控制模組的性質之教示。
在電容器之建構內使用石墨烯的方法已揭示在以下專利案內：WO2013180661、CN104229780、US2012170171、KR20140094346、CN104064364、US2014127584、US2012045688及US8503161。
US20140321027揭示一用於行動裝置之可再充電電源，其包括一具有已連接至一配置在一金屬箔上之小
於100奈米厚金屬氧化物層碳奈米管之超級電容器。
1:護罩
2,3:30插腳電纜插座
4:電源
5:輸出轉換器
6,12:超級電容器
7:控制模組
10:低電力MCU
11:PMIC
13:AC/DC電源
14:LDO
15:未返回
16:輸出控制切換開關
17:輸出功率
18:通訊&控制
19,21,23:DC-DC轉換器
20:舊有手機裝置
22:平板電腦/智慧型手機OUT2
24:QI充電埠電力傳送器
25:感測及控制
圖1為根據本發明之一電池充電器示意圖。
圖2表示一用於根據本發明之電池充電器的方塊電路線圖。
因此，根據本發明，係提供一含以下特徴的可再充電電池充電器：●一由一或多層石墨烯或含石墨烯之材料所組成的超級電容器；●一適於自被額定為100伏特或更高之交流電的來源提供至高40安培至該超級電容器之電源模組；●一適於自該超級電容器輸送直流電力至一用於連接至一經電池供電的電子裝置之輸出埠的輸出轉換器、及●一適於自動控制該充電器之各種功能、及/或用於管理並調整一得自該超級電容器之可變輸出的控制模組。
該控制模組較佳包括，一用於自動控制其各別功能之部份或全部，及用於管理並調整一得自該超級電容器的可變輸出之微處理器及/或切換開關元件。
該超級電容器本身應該適合為一可以貯存至少1000F(法拉(Farad))電容，且較佳2000F、或最佳3000F或更大的電容，而且可單獨或一起傳送至少1000mA的輸出，費
時至少15分鐘，例如自15至60分鐘；或60分鐘或更久。亦應該可以於至少2.5V，例如在2.7至7V、3至7V或甚至高於7V的電壓下操作。應該可將該電池充電器所連接的該電子裝置充電至其電容之至少20%，例如自20%至50%或50%至100%。該充電時間可取決於藉該等鋰電池而允許的充電之最高速率、及/或該裝置之輸入埠的電容。然而，該電池充電器應該可在5至30分鐘內將該裝置充電至20%。
文中所使用的超級電容器很適合自一或多片石墨烯、或含石墨烯的材料製成；這些材料不僅重量輕、具高導電性，而且可於高密度下貯存電荷。在一實施例中，該含石墨烯的材料包含石墨烯及/或懸浮在一導電性基質內之大小典型上為小於1微米、較佳小於100奈米之減少的石墨烯氧化物顆粒之複合薄片。在此種實施例內，這些奈米顆粒較佳顯示具有在2至50奈米之大小範圍內的中孔之中孔隙率。在另一實施例中，該含石墨烯的材料可額外含有碳奈米管、活性碳、巴克敏芙(buckminsterfullerene)及/或可額外經可以使在該最終超級電容器上得到一程度之假電容性質的材料之奈米顆粒摻雜；例如金屬(諸如鋰)或具有不止一氧化態的過渡金屬(其包括鎳、錳、釕、鉍、鎢或鉬)之鹽、氫氧化物及氧化物。在又另一實施例中，該等石墨烯或含石墨烯之材料的薄片被製成顯著地呈安裝在或列印在一導電金屬(諸如銅、鎳或鋁)之薄片上的含石墨烯薄層形式。
在一較佳實施例中，該超級電容器為雙層類型，
且由至少兩各含一經如上述之石墨烯或含石墨烯之材料塗覆的鋁箔之電極(其係藉一經具有熔點低於100℃之離子性液體浸漬的聚合物薄膜而分隔)所組成。在一較佳實施例中，本離子性液體係選自以下陽離子之低熔點鹽：烷基或經取代烷基吡錠陽離子、噠
陽離子、嘧錠陽離子、吡
陽離子、咪銼陽離子、哌錠陽離子、吡咯錠陽離子、吡銼陽離子、噻銼陽離子、或
銼陽離子或三銼陽離子。在此情況下，該相對陰離子較佳大、多原子性，且具有一超過50至100埃(Å)之瓦得瓦(Van der Waals)體積，見，例如US 5827602，其提供以參照方式併入本發明內且涵蓋在本發明範圍內之闡明例。在一實施例中，本相對陰離子係選自，例如六氟磷酸鹽、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。在另一較佳實施例中，該離子性液體係選自這些陰離子的經C1至C4烷基取代之咪銼、哌錠或吡咯錠鹽，其中明確地預期之上述的該等陽離子及陰離子之任何排列係如文中所揭示。以這些鹽為基礎的具體、非限制性實例包括1-乙基-3-甲基-咪銼(EMIM)雙(氟磺醯基)醯亞胺、1-乙基-3-甲基-咪銼雙(三氟甲基磺醯基)醯亞胺；1-乙基-3-甲基-咪銼雙(全氟乙基磺醯基)醯亞胺；1-甲基-1-丙基吡咯錠雙(氟磺醯基)醯亞胺；1-甲基-1-丁基吡咯錠雙(氟磺醯基)醯亞胺；1-甲基-1-丙基吡錠雙(三氟甲基磺醯基)醯亞胺；1-甲基-1-丁基吡咯錠雙(三氟甲基磺醯基)醯亞胺；1-乙基-3-甲基-咪銼六氟磷酸鹽；
1-乙基-3-甲基-咪銼二氰胺；1-甲基-1-丙基吡唑錠六氟磷酸鹽；1-甲基-1-丙基吡咯錠二氰胺；1-甲基-1-丁基吡咯錠六氟磷酸鹽或1-甲基-1-丙基吡咯錠二氰胺。
在一實施例中，上述該超級電容器被製成其可撓性足以捲成一圈，因而節省空間的似平片複合物。在本實施例內，典型上係接著以一絕緣體填充該等捲圈內的空隙。在另一實施例中，該超級電容係裝在一僅電子連接器可突出來的密封袋內。
該電源適於接受得自一額定為110V、220V、230V、240V或其他家用標準的來源之AC電力；諸如家用或商業用環形幹線。本裝置可額外包括一能使該超級電容器於最合適的電壓下經充電之變壓器。在另一實施例中，在本裝置內之該等組份中之至少一者亦可包括石墨烯或一含石墨烯的材料。
該輸出轉換器適於傳送直流電力至一或多個標準輸出埠，且因此，經由一連接器(諸如習知鉛線)而通至欲經充電之該電子裝置上的一入口；例如經由習知USB埠或額定為5V之類似連接器。在另一實施例中，該輸出轉換器之該等組份中的至少一者包括石墨烯或一含石墨烯之材料。
查閱該控制模組，其可藉一切換開關或微處理器而控制。在一實施例中，該控制模組包括至少一經調整可致使當將該電池充電器插入通電時，其可偵測該超級電容器已經充電之程度的充電電流。且其後僅供應電荷以使其
返回100%充電。在一較佳實施例中，其係藉可接收一得自該超級電容器之回饋電壓或電流的該控制模組而進行。在另一實施例中，係使該控制模組連接至一音響警報器或指示燈(例如位於該電池充電器之護罩上)以讓該使用者知道什麼時候該超級電容器之充電已完成。在又另一實施例中，該控制模組包括額外電路元件，因此，當該電池充電器欲經充電或當充電完成時，仍可藉該超級電容器而將該相關裝置充電。
該控制模組可進一步且可擇地包括一系列二極體或包含防止漏電或該超級電容器之不安全電子放電返回通過該充電電路(群)的單向電路。在一實施例中，其可包括一當完全充電或拔掉插頭時可隔離該超級電容器之構件。該控制模組亦可兼包括用以確保這些失控保護部件係經自動啟動的電壓及熱感測器。最後，在一實施例中，該充電器可包括一可將該超級電容器快速放電的構件，而非經由該欲充電的裝置(例如經由一電阻器或一等效電路元件)而放電，但其限制條件為必須用於緊急情況或由於旅行限制，該使用者被要求這麼做。
在本發明之另一方面中，該電池充電器係顯著地被製成一配置在一護罩(其不僅具機械堅固性、抗震性及接地性，而且可經由使用一可釋放的連接器(諸如鉛線或硬連接器)而連接至該欲經充電的電子裝置)內之重量輕的可攜式獨立運行之項目。該護罩本身可以由任何良好的絕緣材料(諸如塑膠、經纖維強化的複合材料、克維拉纖維(Kevlar)、
陶瓷纖維、玻璃纖維玻璃)製成。若經合適地絕緣，其亦可以由金屬(諸如鋁、鋼等)製成。在又另一方面，該電池充電器本身係按照標準尺寸製成的，且可經安裝入其欲經使用之該可攜式電子裝置之護罩內的對應孔隙內且自其移除，或可安裝至該護罩之一外表面上。在此等實施例中，該控制模組之功能的部份或全部可被製成不可或缺的、或與該電子裝置本身之彼等功用共享。在又另一實施例中，該電池充電器不具可攜帶性，且反倒是永久地安裝於一建築內之鄰近該AC電源的固定位置，例如牆壁。在本實施例之一變化形式內，本發明該電池充電器係顯著地被製成呈一含二或多種通常經設置且合用該相同AC電源及/或該等相同超級電容器之此等電池充電元件的陣列。在此種實施例中，可能使一用於確認這些電池充電器元件係處於可使用狀態或該陣列之使用者應該選擇的充電器元件的構件與該陣列內之各元件連接。在另一實施例中，可以使該陣列連接一系統，以致使該相關元件之啟動取決於費用的支付。此等陣列特別適於人們可預期會花很多時間的公有空間(諸如機場、火車站、會議中心、旅館、餐廳、咖啡廳、購物中心等)內之地點。
在該電池充電器的獨立運行形式之一實施例中，該電源及輸出轉換器適合永久地位於一亦包括一可將該超級電容器(群)插入於其內或可經移除的孔隙之護罩內。如果失效或漏電，其可以使該超級電容器(群)經輕易地更換。
該電池充電器可經合適地設計並製造以致使其
符合有關於廢電子組件之處置的EU指令EC 2002/96、或全世界之其它管轄區域內之相等的國家或聯邦法令。該電池充電器適合亦符合相關的國家及聯邦產物安全法令；例如歐洲的EC 2001/95。
本發明該電池充電器可進一步包含用於，例如用於熱管理之熱絕緣體及熱滙的技藝之其它材料及組件；輔助性電絕緣體；切換開關器；及用於監測充電(若必要，則指該充電器及電子裝置兩者)之進展的指示燈、刻度、儀錶等。
可使用本發明該電池充電器以將包括以下之任何電池供電的電子裝置再充電；無線電動工具(例如電鑽、螺絲起子、砂輪機(sanders)等)、及無線家用電器(真空吸塵器等)；特別為可攜式或可輕易經輸送的彼等裝置。在一特別有用的實施例中，本發明該電池充電器係經設計用於將以下之個人電子裝置再充電：諸如智慧型手機、收音機、CD及DVD播放器、平板電腦、筆電或類似的手持式或穿戴式項目。
現在參考圖1及圖2(其等不應被視為對本發明範圍的限制)闡明本發明該電池充電器。
根據本發明之一電池充電器係示於附圖1內。其包含一護罩1，該護罩1含一包含變壓器(圖中未顯示)及一藉充電與放電電路而連接至三個超級電容器6之輸出轉換器5的電源4。該等超級電容器各係由一密封聚合物袋所組成，該密封聚合物袋含具有一夾入於其間且經離子性液體
EMIM TFSI浸漬之聚合物薄膜的經石墨烯塗覆之鋁箔電極、或兩含有一夾在兩聚合物薄片間之石墨烯薄片的線圈捲繞薄片。2及3包含30插腳電纜插座，諸如可在iPhone®或類似裝置上發現的電纜插座。與5成為一體的元件為用於將自6產生的電流送至插座3且流經該放電電路之控制模組7。
圖2亦表示一用於根據本發明之電池充電器的方塊電路線圖。其包括一上述類型之超級電容器、一用於管理符合該宿主系統的電力需求之電源管理積體電路(PMIC)、一低電力微控制器、一自AC電源提供電力的電壓調節器、及DC至DC輸出轉換器。以下係示於圖2內：低電力MCU(10)；PMIC(11)；超級電容器(12)；AC/DC電源(13)；LDO(14)；未返回(15)；輸出控制切換開關(16)；輸出功率(17)；通訊&控制(18)；DC-DC轉換器(19)；舊有手機裝置OUT1(20)；DC-DC轉換器(21)；平板電腦/智慧型手機OUT2(22)；DC-DC轉換器(23)；
QI充電埠電力傳送器(24)；及感測及控制(25)。
10:低電力MCU
11:PMIC
12:超級電容器
13:AC/DC電源
14:LDO
15:未返回
16:輸出控制切換開關
17:輸出功率
18:通訊&控制
19,21,23:DC-DC轉換器
20:舊有手機裝置
22:平板電腦/智慧型手機OUT2
24:QI充電埠電力傳送器
25:感測及控制
Claims (13)
- 一種可攜式可再充電的電池充電器，其包含：●一超級電容器，其由一或多層石墨烯或含石墨烯之材料所組成，其中(i)該含石墨烯之材料包含石墨烯及/或懸浮在一導電性基質內且大小為小於100奈米之石墨烯氧化物顆粒的複合薄片，其中該等奈米顆粒顯示具有在2至50奈米大小範圍內之中孔的中孔隙率，或(ii)該含石墨烯之材料係經使該超級電容器上得到假電容性質之材料的奈米顆粒摻雜；其中該超級電容器可傳送高達1000mA之輸出，持續至少15分鐘；其中該超級電容器包括至少兩各含一含石墨烯的材料層在一導電金屬薄片上之電極、及一經具有熔點低於100℃之離子性液體浸漬且夾於該等電極間的聚合物薄膜；其中該離子性液體係選自以下陽離子之低熔點鹽類：烷基或經烷基取代的吡錠陽離子、噠陽離子、嘧錠陽離子、吡
陽離子、咪銼陽離子、哌錠陽離子、吡咯錠陽離子、吡銼陽離子、噻銼陽離子、
銼陽離子或三銼陽離子；●一電源模組，其適於自被額定為100伏特或更高之交流電的來源提供高達40安培之電流至該超級電容器；●一輸出轉換器，其適於自該超級電容器輸送直流 電力至一用於連接至一經電池供電的電子裝置之輸出埠，及●一控制模組，其適於自動控制該可再充電的電池充電器之各種功能、及/或用於管理並調整一得自該超級電容器之可變輸出；其中該控制模組包括至少一充電電路，該充電電路適於偵測該超級電容器已經充電的程度且其後使其返回100%充電；且其中該控制模組進一步接收一得自該超級電容器的回饋電壓或電流。
- 如請求項1之可攜式可再充電的電池充電器，其中該控制模組包括防止該超級電容器之漏電或不安全的放電流回經過該至少一充電電路之構件。
- 如請求項1之可攜式可再充電的電池充電器，其中該可攜式可再充電的電池充電器包括與該控制模組連接或成為一體的電壓感測器及熱感測器。
- 如請求項1之可攜式可再充電的電池充電器，其中該可攜式可再充電的電池充電器包括一非經由欲經充電的該經電池供電的電子裝置而將該超級電容器放電的藉使用者操作之構件。
- 如請求項1之可攜式可再充電的電池充電器，其中該咪銼陽離子、哌錠陽離子或吡咯錠陽離子係選自經C1至C4烷基取代的咪銼陽離子、哌錠陽離子或吡咯錠陽離子。
- 如請求項1之可攜式可再充電的電池充電器，其中該陽離子之相對陰離子係選自六氟磷酸鹽、二氰胺、雙(氟 磺醯基)醯亞胺、雙(三氟甲基磺醯基)醯亞胺或雙(全氟C2至C4烷基磺醯基)醯亞胺。
- 如請求項1之可攜式可再充電的電池充電器，其中該可攜式可再充電的電池充電器可在5至30分鐘內將其所連接之該電子裝置充電到其電容至少20%。
- 如請求項1之可攜式可再充電的電池充電器，其中該電源模組及該輸出轉換器係永久位於一護罩內，該護罩亦包括一將該超級電容器插入於其中或移除的外殼。
- 如請求項1之可攜式可再充電的電池充電器，其中該電源模組適於接收得自一家用或商業環形幹線的AC電力。
- 如請求項1之可攜式可再充電的電池充電器，其中該可攜式可再充電的電池充電器可以於一自2.7伏特至7伏特之範圍內的電壓下操作。
- 一種可再充電的電池充電器陣列，其含有數個如請求項1之可攜式可再充電的電池充電器。
- 一種可攜式電子裝置，其包括一適於接收並連接至一如請求項1之可攜式可再充電的電池充電器之孔隙。
- 如請求項12之可攜式電子裝置，其中該可攜式可再充電的電池充電器之控制模組係與該可攜式電子裝置之控制模組成為一體。
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