TWM527147U - 超級電容器結構 - Google Patents

Description

超級電容器結構

本創作係有關於一種超級電容器的結構，特別是有關於一種能夠承受高溫製程的超級電容器結構。

超級電容器(supercapacitor；ultracapacitor)，又叫雙電層電容器(Electrical Double-Layer Capacitor)、黃金電容、法拉電容，是通過極化電解質來儲能。由於超級電容器是一種電化學元件，但其在儲能的過程中，並不發生化學反應，故其儲能過程是可逆的，也正因此，使得超級電容器可以反復充放電數十萬次。

由於製程的進步，一個5V、0.5法拉的超級電容器，其尺寸已經可以製造成長度約15~20mm、寬度約10~15mm及厚度約1~1.5mm。然而，為了使超級電容器能夠在不同的環境下發揮其元件的功能，同時，為因應不同電流供應的需求，需要經由半導體後段的打線製程來產生不同的電流供應；因此，為了能保護金線並且能夠讓超級電容器與外在環境隔離，故需要進行封裝。由於，超級電容器中包含有電解液，故在封裝過程中，若溫度過高時，例如，在進行回焊(reflow)時，由於回焊溫度可能需要在160~250度下，持續30秒；可能會使超級電容器中的電解液汽化，而造成超級電容器在封裝過程中爆炸或失效。

為解決超級電容器在封裝過程中爆炸的問題，檢視目前一般超級電容器的結構，如圖1所示，其係台灣第I446381專利或美國第US8947856B2專利之代表圖；首先，超電容40包含第一電極基板42、第二電極基板44、中間基板46及串聯用電極基板48，而第一電極基板42與第二電極基板44之下表面塗佈有活性物質43，第二電極基板44之極性與第一電極基板42之極性相反；其中，活性物質43係為金屬氧化物或活性碳，金屬氧化物包含二氧化釕、二氧化錳或氮氧化鈦(TiNO)；其次，在第一電極基板42之下表面與中間基板46之上表面各設置呈框狀之絕緣環50，在第二電極基板44之下表面與中間基板46之上表面各設置呈框狀之絕緣環50，此絕緣環50除了可以形成一個槽體外，還可以藉由此絕緣環50將第一電極基板42與中間基板46或是將第二電極基板44與中間基板46接合；並且還可以在槽體中加入電解液後，即可形成超電容器之結構。

然而，由圖1所示，絕緣環50是形成在第一電極基板42與第二電極板44之活性物質43上，而為了要增加法拉電容，通常會形成一種多孔性的活性物質43。因此，當後段封裝製程進行的過程中，當溫度直接或擴散進入超電容器後，會使超級電容器中的電解液汽化，而汽化後的電解液會經由多孔性的活性物質43而竄出，使得用來黏著第一電極基板42與第二電極板44的絕緣環50無法發揮其黏著之效果，故造成超級電容器在封裝過程中爆炸或失效的主要原因。上述這種問題在現有的超級電容器結構中，均普遍存在，例如，美國第US8345406B2等，也都是存在此一問題。

而如何解決這個長久以來使得超級電容器在封裝過程中爆炸或失效的主要原因，將成為超級電容器能否大量製造並使用在各種產品上的關鍵因素之一。

為解決超級電容器在封裝過程中爆炸或失效之問題，本創作的目的在於提出一種超級電容器的結構，是將黏著材料直接與電極基板接合，由於電極基板為一種平整的堅固結構，能夠與黏著材料間產生良好的黏著性，因此當溫度升高使得電解液汽化時，可以藉由完好的黏著狀況，可以對溫度有較高的容忍度；故可以藉此改良的超級電容器來解決前述之問題。

根據上述之目的，本創作揭露一種超級電容器的封裝結構，包括：超級電容器結構，包括：第一電極基板，其第一面上的大部分區域形成具有第一極性的多孔性金屬氧化物，並暴露出第一電極基板的周邊區域；第二電極基板，其第一面上的大部分區域形成具有第二極性的多孔性金屬氧化物，並暴露出第二電極基板的周邊區域；其中第一電極基板與第二電極基板所暴露出的周邊區域相對應，藉由一黏著層直接與第一電極基板及第二電極基板所暴露出的周邊區域接觸並固接，使得第一電極基板與第二電極基板之間形成一間隙，並於間隙中配置有一電解液。

根據上述之目的，根據本創作對超級電容器的結構的改良，可以讓超級電容器結構能夠對溫度有更高的容忍度，因此，當形成多個超級電容器的堆疊結構後，同樣的可以達到對高溫的容忍度，使得本創作的超級電容器結構可以符合工業級電子元件必須能夠在85℃的溫度環境下正常操作的規格。

10‧‧‧超級電容器

10’‧‧‧超級電容器堆疊結構

100‧‧‧第一電極基板

100'‧‧‧第二電極基板

110、110’‧‧‧多孔性金屬氧化物

110'‧‧‧多孔性金屬氧化物

120、120’‧‧‧電極基板暴露的周邊區域

130‧‧‧凹槽

140‧‧‧黏著材料

200‧‧‧電解液

40‧‧‧超電容

42‧‧‧第一電極基板

43‧‧‧活性物質

44‧‧‧第二電極基板

46‧‧‧中間基板

48‧‧‧串聯用電極基板

圖1 為先前技術之超級電容器之剖示圖；圖2A 為本創作的第一電極基板之上視圖； 圖2B 為本創作的第一電極基板之剖示圖；圖3 為本創作的第一電極基板已形成黏著材料之立體示意圖；圖4A 為形成本創作的超級電容器的分解示意圖；圖4B 為本創作組合後的超級電容器的剖視圖；圖5 為本創作形成多個超級電容器的剖視圖。

本創作主要目的為改良即有超級電容器的結構，以使本創作改良後的超級電容器結構能夠適用在較高的溫度範圍，而不會爆炸或失效，故形成超級電容器的活性物質或是金屬氧化物等的詳細過程，是與先前技術相同，故不再加以贅述。此外，所附圖式所繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，已為相關技術領域具有通常知識者所能明瞭，故以下文中之說明，非用以限定本創作可實施之限定條件，僅針對本創作的超級電容器製造過程中的實現，進行詳細說明。此外，於下述內文中之圖式，亦並未依據實際之相關尺寸完整繪製，其作用僅在表達與本創作特徵有關之示意圖。

請參閱圖2A及圖2B；其中，圖2A為本創作的第一電極基板之上視圖及圖2B為本創作的第一電極基板之剖示圖。

首先，如圖2A所示，是一個在第一電極基板100的第一面上形成多孔性金屬氧化物之後的上視圖；在本實施例中，第一電極基板100是以電性為5V、4.7毫法拉(mF)的超級電容器10為例來說明，第一電極基板100其尺寸為長度約9mm、寬度約7mm及厚度約0.1mm(即100um)；其中，在本創作的一個較佳實施例中，第一電極基板100的材質為鈦基板。接著，在第一電極基板100的周邊區域上，先行成一光阻層(其為製程過程，故未顯示於 圖中)且暴露出第一電極基板100的其他大部分的區域，之後，再以沉積製程，在第一電極基板100上形成一層具有第一極性多孔性金屬氧化物110(例如：正極的多孔性金屬氧化物)，其厚度約0.1mm(即100um)，並且此一形成在本創作鈦基板上的多孔性金屬氧化物110可以選擇釕氧化合物，但並不加以限制。接著，將光阻層移除後，即形成圖2所示的結果，使得第一電極基板100的第一面上的大部分區域形成具有第一極性的多孔性金屬氧化物110，並暴露出第一電極基板100的周邊區域120。

此外，要進一步說明的是，可以使用相同的材質及製程，形成另一個第二電極基板100’，其中，第二電極基板100’的尺吋即在其第一面上所形成的多孔性金屬氧化物110’的區域及暴露的周邊區域120’，均與第一電極基板100相同；而不同的是，在第二電極基板100’第一面上所形成具有第二極性的多孔性金屬氧化物110’(例如：負極的多孔性金屬氧化物)，其厚度約0.1mm(即100um)，並且此一形成在本創作鈦基板上的多孔性金屬氧化物110可以選擇釕氧化合物，但並不加以限制。

接著，在上述形成具有第一極性的多孔性金屬氧化物110或是形成具有第二極性的多孔性金屬氧化物110’的過程中，可以選擇使用一種膠質材料(例如：環氧樹脂)，先形成在第一電極基板100第一面的周邊及第二電極基板100’第一面的周邊上；之後，在進行多孔性金屬氧化物110及多孔性金屬氧化物110’的沉積製程；待完成後，再將此一膠質材料剝離後，同樣可以形成圖2所示的結果，暴露出第一電極基板100的周邊區域120及暴露出第二電極基板100'的周邊區域120’。

接著，請參考圖3，在第一電極基板100的周邊區域120或是選擇在第二電極基板100'的周邊區域120’上，形成一層黏著層140，其寬度可以選擇在0.5~1mm，可以將暴露出第一電極基板100的周邊區域120覆蓋，使得 層黏著層140直接與第一電極基板100接觸，而其厚度可以選擇在150~200um；其中，此一黏著層140材料必須要能夠抗酸性腐蝕的性質，例如：矽膠材質；而其形成的方式，可以使用網印方式形成，但並不加以限制。此外，當黏著層140直接形成在第一電極基板100的周邊區域120後，由於黏著層140具有150~200um厚度，即會在第一電極基板100上形成一個凹槽130並且可以將多孔性金屬氧化物110暴露出來；很明顯的，此一凹槽130的深度為50~100um。

再接著，請參考圖4A及圖4B；其中，圖4A為形成本創作的超級電容器的分解示意圖；而圖4B為本創作組合後的超級電容器的剖視圖。首先，請參考圖4A，先提供一個已在周邊區域120上形成黏著層140的第一電極基板100，接著，再提供一個暴露出周邊區域120’的第二電極基板100'，其中，第一電極基板100的凹槽130中可以暴露出具有第一極性的多孔性金屬氧化物110，而第二電極基板100'則將周邊區域120’暴露出來。當第二電極基板100'反轉過來後，可以使得第二電極基板100'暴露的周邊區域120’能夠與第一電極基板100上的黏著層140相對應，故可以使當第二電極基板100'暴露的周邊區域120’與黏著層140接觸後，即可以將第一電極基板100與第二電極基板100'接合在一起，並使得第一電極基板100與第二電極基板100'之間形成一個50~100um的間隙，再經過是當的加熱製程後，可以使得第一電極基板100與第二電極基板100'接合更穩固。然而，在將第二電極基板100'接合至第一電極基板100之前，需要先將一種電解液直接充填至第一電極基板100的凹槽130中，而此一電解液可以是30%稀硫酸；此外也可以使用種具有吸收電解液的介質，例如：紙；當紙已吸收電解液後，再將其配置到第一電極基板100的凹槽130中，之後，再將反轉過來第二電極基板100'與第一電極基板100接合在一起後，即完成本創作的一個超級電容器結構，如圖4B所示。

再接著，將本創作的超級電容器結構與圖1類似的超級電容器結構進行加熱測試，其測試結果如下表： 根據上表的測試結果，圖1的超級電容器結構再加熱至80℃後，在持續60秒後，已經看到超級電容器結構中的電解液已經滲出超級電容器結構外，很明顯的，此時的超級電容器結構已經失效；而本創作的超級電容器結構在加熱至80℃及持續60秒後，本創作的超級電容器結構保持正常(即未發現有任何電解液滲出超級電容器結構外)；接著，將測試溫度升高至90℃及持續60秒後，本創作的超級電容器結構仍然保持正常。很明顯的，經由本創作的改良後，使得黏著材料直接與第一電極基板100與第二電極基板100'的基板直接黏著後，可以增加超級電容器結構對高溫的容忍度；而要做此測試的另一主要目的是，在工業級的電子元件必須能夠在85℃的溫度環境下正常操作。很明顯的，經由本創作的改良後的超級電容器結構可以符合工業溫度範圍。

最後，請參考圖5，為本創作形成多個超級電容器的剖視圖。如圖5所示，可以選擇在多個與前述相同的電極基板的兩個面的大部分區域上均形成多孔性金屬氧化物，並暴露出電極基板的周邊區域；之後，在每一個相同的電極基板的其中一面上形成黏著層後，將電解液充填至黏著層所形成的凹槽中；之後，將另一個電極基板未配置黏著層的一面與電極基板的黏著層黏著後，集會形成第一個超級電容器結構；在接著，可以選擇將此 第一個超級電容器結構的其中一個電極基板未形成黏著層一面暴露的周邊區域與另一個已將電解液充填至黏著層所形成的凹槽中的電極基板固接後，即會形成第二個超級電容器結構，如圖5所示；之後，可以根據重複此過程，以形成多個超級電容器的堆疊結構10’。而要將此多個超級電容器的堆疊結構以何種方式形成串聯或是並聯，則可以根據目前之技術達成，本創作並再贅述與不加以限制。

根據圖5的結果，一層超電容是厚100um的在上下層的鈦板中間形成100um的稀硫酸層所組成，故可以形成堆疊結構；若要達到5V電壓，而必需要堆疊5層的結構時，其最大的厚度約為1100um(即1.1mm)。在此要強調的是，根據本創作對超級電容器的連接結構的改良，可以讓超級電容器結構能夠對溫度有更高的容忍度，因此，當形成多個超級電容器的堆疊結構後，同樣的可以達到對高溫的容忍度。

雖然本創作以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本創作，任何熟習本領域技藝者，在不脫離本創作之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本創作之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧電極基板

100'‧‧‧第二電極基板

110‧‧‧多孔性金屬氧化物

110'‧‧‧多孔性金屬氧化物

140‧‧‧黏著層

200‧‧‧電解液

Claims (9)

1. 一種超級電容器結構，包括：一第一電極基板，其第一面上的大部分區域形成具有第一極性的多孔性金屬氧化物，並暴露出該第一電極基板的周邊區域；一第二電極基板，其第一面上的大部分區域形成具有第二極性的多孔性金屬氧化物，並暴露出該第二電極基板的周邊區域，其中該第二電極基板與該第一電極基板所暴露出的周邊區域相對應；一黏著層，直接與該第一電極基板及該第二電極基板所暴露出的該周邊區域接觸並固接，使得該第一電極基板與該第二電極基板之間形成一間隙；一電解液，配置在該間隙中。
2. 如申請專利範圍第1項之超級電容器結構，其中，該第一電極基板及該第二電極基板的材質為鈦。
3. 如申請專利範圍第1項之超級電容器結構，其中，該多孔性金屬氧化物為釕氧化合物。
4. 如申請專利範圍第1項之超級電容器結構，其中，該黏著層為矽膠材質。
5. 如申請專利範圍第1項之超級電容器結構，其中，該電解液為稀硫酸。
6. 如申請專利範圍第5項之超級電容器結構，其中，該稀硫酸為一種30%稀硫酸。
7. 如申請專利範圍第1項之超級電容器結構，其中，該電解液是經由一介質吸附。
8. 如申請專利範圍第7項之超級電容器結構，其中，該電解液為稀硫酸。
9. 如申請專利範圍第1項之超級電容器結構，其進一步由多個超級電容器堆疊而成。