改進(jìn)的電化學(xué)蓄能裝置和制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了電化學(xué)蓄能裝置的一個實(shí)施例。該裝置包括殼體、容納在殼體內(nèi)的電解液和至少部分地浸沒在電解液中的電極布置結(jié)構(gòu)。該殼體具有涂覆有活性碳材料的內(nèi)表面。本發(fā)明還描述了電化學(xué)蓄能裝置的制造方法。
【專利說明】
改進(jìn)的電化學(xué)蓄能裝置和制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明的領(lǐng)域總體涉及電化學(xué)蓄能裝置的結(jié)構(gòu)和制造，更具體地涉及可在特定電壓范圍內(nèi)以改進(jìn)的性能工作的電化學(xué)蓄能裝置如超級電容器的結(jié)構(gòu)和制造。
【背景技術(shù)】
[0002]至少一些具有較高蓄能能力的常規(guī)電容器被視為超級電容器(或超級電容)。這些超級電容器通常包括至少部分地浸沒在密閉的金屬殼體內(nèi)的電解液中的電極。在這方面，已知在較高的電壓下在殼體與電解液之間發(fā)生不希望有的化學(xué)反應(yīng)，并且此類化學(xué)反應(yīng)會不利地影響超級電容器的性能和使用壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]—方面，本發(fā)明提供一種電化學(xué)蓄能裝置，其包括:殼體;容納在所述殼體內(nèi)的電解液;和至少部分地浸沒在所述電解液中的電極布置結(jié)構(gòu)，其中，所述殼體包括涂覆有活性碳材料的內(nèi)表面。
[0004]另一方面，本發(fā)明提供一種制造電化學(xué)蓄能裝置的方法，所述方法包括:提供具有活性碳涂層的電極;提供具有被涂覆以涂覆有活性碳的內(nèi)表面的殼體;將所述電極插入到所述殼體內(nèi)中；和將電解液注入到所述殼體內(nèi)中。
[0005]本發(fā)明還提供一種電化學(xué)蓄能裝置，其包括:由鋁制成的大體筒狀殼體，所述殼體具有第一端部區(qū)域、第二端部區(qū)域和內(nèi)表面;容納在所述殼體內(nèi)的電解液;和至少部分地浸沒在所述電解液中的螺旋卷繞式電極布置結(jié)構(gòu)，所述電極布置結(jié)構(gòu)包括:由涂覆有活性碳的第一鋁箔片制成的第一電極；由涂覆有活性碳的第二鋁箔片制成的第二電極;配置在所述第一電極與所述第二電極之間的第一纖維素基隔板;和配置在所述第二電極與所述殼體的內(nèi)表面之間的第二纖維素基隔板，其中，所述殼體的內(nèi)表面具有面向所述第二電極的所述活性碳涂層的活性碳涂層。
【附圖說明】
[0006]參照【附圖說明】非限制性和非詳盡的實(shí)施例，在全部各圖中同樣的附圖標(biāo)記表示同樣的部分，除非另外指出。
[0007]圖1是超級電容器的側(cè)視圖。
[0008]圖2是圖1所示的超級電容器的分解圖。
[0009]圖3是沿圖1的平面3-3截取的圖1所示的超級電容器的截面圖。
[0010]圖4是在區(qū)域4內(nèi)截取的圖3所示的截面的放大部位。
【具體實(shí)施方式】
[0011]下面闡述電化學(xué)蓄能裝置結(jié)構(gòu)和方法。這種結(jié)構(gòu)和方法有利于提供克服上述缺點(diǎn)和問題的裝置。特別地，雖然相信以下公開的結(jié)構(gòu)和方法特別有益于電化學(xué)電容器裝置(例如，超級電容器裝置)，但下述技術(shù)可擴(kuò)展到超出本文具體描述的裝置。因此，以下說明意圖出于說明而非限制的目的。亦即，本文的發(fā)明思想不必局限于下面說明并在圖中示出的具體實(shí)施例。
[0012]如本文所用的術(shù)語“超級電容器”一般指的是一類具有大于100F/g的比電容的電化學(xué)電容器，包括雙電層電容器、超級電容器、準(zhǔn)電容器、電化學(xué)雙層電容器和超級電容。此類超級電容器用于各種應(yīng)用，包括但不限于用于短期斷電過渡的記憶型電容、用于改善電池的電流處理或?qū)Ω哓?fù)荷需求提供電流放大的電池管理應(yīng)用、用于增強(qiáng)峰值負(fù)荷性能的燃料電池應(yīng)用、車輛上的再生制動和車輛起動系統(tǒng)。
[0013]圖1-4是具有第一(或負(fù)極)端子102、第二(或正極)端子104和管狀(例如，大體圓筒狀)的殼體106的電化學(xué)蓄能裝置100的各種視圖，所述殼體106具有第一端部區(qū)域108和第二端部區(qū)域110。在所說明的實(shí)施例中，電化學(xué)蓄能裝置100是超級電容器(例如，2.7V超級電容器)。然而，在其它實(shí)施例中，電化學(xué)蓄能裝置100可屬于如本文所述起作用的任意合適的類型。雖然在所說明的實(shí)施例中第一端子102和第二端子104位于殼體106的相對的端部區(qū)域108、110中(S卩，在所說明的實(shí)施例中，殼體106構(gòu)造成在裝置100的操作期間帶電)，但在一些實(shí)施例中第一端子102和第二端子104可位于殼體106的同一端部區(qū)域108、110中(例如，在一些實(shí)施例中，殼體106可構(gòu)造成在裝置100的操作期間不帶電)。此外，雖然圖示的第一端子102、第二端子104和殼體106全都由金屬材料(例如，鋁)制成，但其它實(shí)施例的第一端子102、第二端子104和殼體106可由任意合適的材料制成。
[0014]在所示出的實(shí)施例中，螺旋卷繞式電極布置結(jié)構(gòu)112(通稱為“卷芯(jellyroll)”)插入到殼體106中。該布置結(jié)構(gòu)112是至少以下構(gòu)件的層狀構(gòu)型:第一電極114、第二電極116、第一隔板118和第二隔板120。第一隔板118配置在第一電極114與第二電極116之間，且第二隔板120與第二電極116相鄰成使得第二隔板120形成電極布置結(jié)構(gòu)112的外表面121(即，當(dāng)電極布置結(jié)構(gòu)112插入到殼體106中時，第二隔板120配置在第二電極116與殼體106之間)。在所說明的實(shí)施例中，第一隔板118和第二隔板120各自都由多孔的(例如，纖維素基)材料板制成。然而，在其它實(shí)施例中，隔板118、120可由任意合適的材料制成。此外，電極布置結(jié)構(gòu)112通過卷繞在第二隔板120周圍的合適的帶(未示出)而保持處于其螺旋卷繞的構(gòu)型。在替代實(shí)施例中，電極布置結(jié)構(gòu)112可具有由任意合適的材料呈任意合適的形狀制成并以有利于使得殼體106能夠如文中所述起作用的任意合適的方式布置的任意合適數(shù)量的電極和隔板。
[0015]在所示出的實(shí)施例中，電化學(xué)蓄能裝置100還包括焊接在電極布置結(jié)構(gòu)112的相對兩端上的第一杯體122和第二杯體124，并且各杯體122、124用作用于將端子102、104中的相應(yīng)一個焊接(即，電連接)在電極114、116上的底座。更具體地，第一杯體122焊接在電極114、116上，且第一端子102焊接在第一杯體122上。類似地，第二杯體124焊接在電極114、116上，且第二端子104焊接在第二杯體124上。此外，絕緣或非導(dǎo)電的(例如，橡膠的)0形環(huán)126設(shè)置用于將第一端子102與殼體106電絕緣，并且支承環(huán)128設(shè)置用于在第二端子104處支承第二杯體124。此外，殼體106被至少部分地充填以電解液130(例如，電解液130可以以合適的方式注入到殼體106中)以使得電解液130滲透隔板118、120并與電極114、116接觸。這樣一來，有利于電極114、116與電解液130之間經(jīng)隔板118、120的離子迀移率。
[0016]在所示出的實(shí)施例中，第一電極114和第二電極116各自都由具有活性碳涂層134的鋁箔片132制成，所述活性碳涂層134覆蓋鋁箔片132的至少一個部段(S卩，第二電極116的活性碳涂層134的外表面135經(jīng)第二隔板120面向殼體106的側(cè)壁136)。特別地，殼體106的側(cè)壁136的內(nèi)表面138也設(shè)置有活性碳涂層140。例如，在一些實(shí)施例中，殼體106的內(nèi)表面138可具有組分與電極114、116的活性碳涂層134相同的活性碳涂層140(例如，在一些實(shí)施例中，電極114、116的活性碳涂層134和殼體106的活性碳涂層140可采用同一種粘接劑材料)。在一個特定實(shí)施例中，活性碳涂層140覆蓋殼體106的側(cè)壁136的整個內(nèi)表面138，以便圍繞殼體106的整個圓周從殼體106的第一端部區(qū)域108延伸到殼體106的第二端部區(qū)域110。在本文中，術(shù)語“活性碳”指的是一種碳基材料，該碳基材料已被加工成變得更多孔的以便增加碳基材料的表面積并因此提尚碳基材料的蓄能能力。
[0017]尤其注意，在殼體106的內(nèi)表面138未被涂覆的情況下，在裝置100的工作期間儲存在第二電極116的活性碳涂層134的外表面135中的電荷可能已產(chǎn)生第二電極116與殼體106之間相對于基準(zhǔn)的不希望有的電壓差。這種相對于基準(zhǔn)的電勢的增大可能會引起電解液130與殼體106的未涂覆內(nèi)表面138之間不希望有的反應(yīng)。這些反應(yīng)可能會產(chǎn)生可能積累在殼體106內(nèi)的氣態(tài)副產(chǎn)物，最終削弱裝置100的總體性能并降低其使用壽命。然而，通過在所示出的實(shí)施例中在殼體106的內(nèi)表面138設(shè)置活性碳涂層140，抑制了電解液130與殼體106之間這些不希望有的反應(yīng)。此外，殼體106的活性碳涂層140(更像電極114、116的活性碳涂層134)有利于在裝置100的工作期間儲存電荷，由此增大裝置100的總電容。
[0018]換言之，殼體106的內(nèi)表面138上的活性碳涂層140有利于在電解液130與殼體106的側(cè)壁136之間提供鈍化層。除該鈍化益處以外，活性碳涂層140還儲存電荷以提高裝置100的總電容。此外，活性碳涂層140還有利于殼體106處的電壓變換(S卩，由于活性碳涂層140儲存電荷，所以殼體106與第二電極116之間的電壓不平衡可以變換到更理想的范圍內(nèi))。在這方面，活性碳涂層140的厚度可以被選擇成適應(yīng)期望的、預(yù)定的電壓變換(例如，可以使活性碳涂層140較厚以產(chǎn)生較大的電壓變換，或可較薄以產(chǎn)生較小的電壓變換)。這種電壓變換作用有利于抑制殼體106與電解液130之間的反應(yīng)，由此提高裝置100的總體性能和使用壽命O
[0019]現(xiàn)在相信已關(guān)于所公開的示例性實(shí)施例充分說明本發(fā)明的益處。
[0020]已公開電化學(xué)蓄能裝置的一個實(shí)施例。該裝置包括殼體、容納在殼體內(nèi)的電解液和至少部分地浸沒在電解液中的電極布置結(jié)構(gòu)。該殼體具有以活性碳材料涂覆的內(nèi)表面。
[0021]可選地，該電化學(xué)蓄能裝置可以是超級電容器。該電化學(xué)蓄能裝置還可以是2.7V超級電容器。此外，該殼體可以是管狀殼體。此外，該電極布置結(jié)構(gòu)可以是螺旋卷繞式電極布置結(jié)構(gòu)。該電極布置結(jié)構(gòu)可具有至少一個電極和至少一個隔板的層狀構(gòu)型。此外，隔板可配置在電極與殼體之間。該層狀構(gòu)型可具有一對電極和一對隔板。此外，該電極可由鋁箔片制成。此外，該鋁箔片的至少一個部段可涂覆有活性碳材料。該殼體可具有第一端部區(qū)域和第二端部區(qū)域，并且該裝置還可包括位于第一端部區(qū)域中的第一端子和位于第二端部區(qū)域中的第二端子。此外，該殼體可構(gòu)造成在裝置的工作期間帶電。此外，該殼體可具有第一端部區(qū)域和第二端部區(qū)域，并且該裝置還可包括兩者都位于殼體的第一端部區(qū)域中的第一端子和第二端子。該殼體可構(gòu)造成在裝置的工作期間帶電。該電極布置結(jié)構(gòu)可包括具有活性碳涂層的電極，并且電極的活性碳涂層可具有與殼體的活性碳涂層相同的組分。
[0022]此外，電極的活性碳涂層和殼體的活性碳涂層可采用相同的粘接劑材料。此外，殼體可具有第一端部區(qū)域和第二端部區(qū)域，且活性碳涂層可從殼體的第一端部區(qū)域延伸到其第二端部區(qū)域。殼體可呈管狀并且可具有圓周，并且活性碳涂層可圍繞殼體的圓周延伸。活性碳涂層可在殼體的內(nèi)表面上提供鈍化層。此外，電極布置結(jié)構(gòu)可包括電極和配置在電極與殼體的內(nèi)表面之間的隔板，并且電極可具有包括經(jīng)隔板面向殼體的內(nèi)表面的外表面的活性碳涂層。殼體的活性碳涂層還可構(gòu)造成儲存電荷。此外，殼體的活性碳涂層可構(gòu)造成變換殼體上的電壓。此外，殼體的活性碳涂層的厚度可被選擇成產(chǎn)生預(yù)定的電壓變換。
[0023]還公開了制造電化學(xué)蓄能裝置的方法的一個實(shí)施例。該方法包括提供具有活性碳涂層的電極，并且該方法還包括提供具有涂覆有活性碳的內(nèi)表面的殼體。該方法還包括將電極插入到殼體中，并且該方法還包括將電解液注入到殼體中。
[0024]可選地，該方法可包括將電極卷制成螺旋卷繞式電極布置結(jié)構(gòu)。該方法還可包括將隔板配置在電極附近以使得隔板形成電極布置結(jié)構(gòu)的外表面。該方法還可包括將電極布置結(jié)構(gòu)插入到殼體中，以使得電極的活性碳涂層的外表面經(jīng)隔板面向殼體的活性碳涂層。此外，該方法可包括為電極和殼體設(shè)置由相同的活性碳材料組分制成的活性碳涂層。所述活性碳涂層也可采用相同的粘接劑材料。該方法還可包括為殼體提供殼體的從殼體的第一端部區(qū)域延伸到殼體的第二端部區(qū)域的活性碳涂層。該方法還可包括將殼體設(shè)置為具有圓周的管狀殼體，其中殼體的活性碳涂層圍繞殼體的圓周延伸。
[0025]還公開了一種電化學(xué)蓄能裝置。該裝置包括由鋁制成的大體筒狀殼體，并且殼體具有第一端部區(qū)域、第二端部區(qū)域和內(nèi)表面。該裝置還包括容納在殼體內(nèi)的電解液，和至少部分地浸沒在電解液中的螺旋卷繞式電極布置結(jié)構(gòu)。該電極布置結(jié)構(gòu)包括:由涂覆有活性碳的第一鋁箔片制成的第一電極；由涂覆有活性碳的第二鋁箔片制成的第二電極;配置在第一電極與第二電極之間的第一纖維素基隔板;和配置在第二電極與殼體的內(nèi)表面之間的第二纖維素基隔板。殼體的內(nèi)表面具有與第二電極的活性碳涂層對向的活性碳涂層。
[0026]此書面描述使用了包括最佳模式在內(nèi)的實(shí)例來公開本發(fā)明，并且還使本領(lǐng)域的任何技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制造并利用任何裝置或系統(tǒng)并且執(zhí)行任何所結(jié)合的方法。本發(fā)明的可專利范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它示例。如果此類其它示例沒有不同于權(quán)利要求的文字語言所描述的結(jié)構(gòu)元件，或者它們包括與權(quán)利要求的文字語言無實(shí)質(zhì)性區(qū)別的等同結(jié)構(gòu)元件，則認(rèn)為此類其它示例包含在權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種電化學(xué)蓄能裝置，包括: 殼體； 容納在所述殼體內(nèi)的電解液;和 至少部分地浸沒在所述電解液中的電極布置結(jié)構(gòu)， 其中，所述殼體包括涂覆有活性碳材料的內(nèi)表面。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)蓄能裝置，其中，所述電極布置結(jié)構(gòu)包括鋁箔片。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電化學(xué)蓄能裝置，其中，所述鋁箔片的至少一個部段涂覆有活性碳材料。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)蓄能裝置，其中，所述殼體包括第一端部區(qū)域和第二端部區(qū)域，所述電化學(xué)蓄能裝置還包括位于所述第一端部區(qū)域的第一端子和位于所述第二端部區(qū)域的第二端子。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電化學(xué)蓄能裝置，其中，所述殼體構(gòu)造成在所述電化學(xué)蓄能裝置工作期間帶電。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)蓄能裝置，其中，所述殼體包括第一端部區(qū)域和第二端部區(qū)域，所述電化學(xué)蓄能裝置還包括第一端子和第二端子，所述第一端子和第二端子兩者都位于所述殼體的所述第一端部區(qū)域。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電化學(xué)蓄能裝置，其中，所述殼體構(gòu)造成在所述電化學(xué)蓄能裝置工作期間不帶電。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)蓄能裝置，其中，所述電極布置結(jié)構(gòu)包括具有活性碳涂層的電極，所述電極的所述活性碳涂層具有與所述殼體的活性碳涂層相同的組分。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電化學(xué)蓄能裝置，其中，所述電極的所述活性碳涂層和所述殼體的所述活性碳涂層采用相同的粘接劑材料。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)蓄能裝置，其中，所述殼體包括第一端部區(qū)域和第二端部區(qū)域，所述活性碳涂層從所述殼體的所述第一端部區(qū)域延伸到所述第二端部區(qū)域。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電化學(xué)蓄能裝置，其中，所述殼體呈管狀并具有圓周，所述活性碳涂層圍繞所述殼體的圓周延伸。12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)蓄能裝置，其中，所述活性碳涂層在所述殼體的內(nèi)表面上提供鈍化層。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電化學(xué)蓄能裝置，其中，所述電極布置結(jié)構(gòu)包括電極和配置在所述電極與所述殼體的內(nèi)表面之間的隔板，所述電極包括具有經(jīng)所述隔板面向所述殼體的內(nèi)表面的外表面的活性碳涂層。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電化學(xué)蓄能裝置，其中，所述殼體的所述活性碳涂層構(gòu)造成儲存電荷。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電化學(xué)蓄能裝置，其中，所述殼體的所述活性碳涂層構(gòu)造成變換所述殼體處的電壓。16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)蓄能裝置，其中，所述電化學(xué)蓄能裝置為超級電容器。17.—種制造電化學(xué)蓄能裝置的方法，所述方法包括: 提供具有活性碳涂層的電極； 提供具有涂覆有活性碳的內(nèi)表面的殼體； 將所述電極插入到所述殼體內(nèi)；和 將電解液注入到所述殼體內(nèi)。18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括: 將所述電極卷制成螺旋卷繞式電極布置結(jié)構(gòu)； 將隔板配置在所述電極附近以使得所述隔板形成所述電極布置結(jié)構(gòu)的外表面;和將所述電極布置結(jié)構(gòu)插入到所述殼體內(nèi)，使得所述電極的所述活性碳涂層的外表面經(jīng)所述隔板面向所述殼體的所述活性碳涂層。19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括為所述電極和所述殼體設(shè)置由相同的活性碳材料組分制成并采用相同的粘接劑材料的活性碳涂層。20.—種電化學(xué)蓄能裝置，包括: 由鋁制成的大體筒狀殼體，所述殼體具有第一端部區(qū)域、第二端部區(qū)域和內(nèi)表面； 容納在所述殼體內(nèi)的電解液;和 至少部分地浸沒在所述電解液中的螺旋卷繞式電極布置結(jié)構(gòu)，所述電極布置結(jié)構(gòu)包括: 由涂覆有活性碳的第一鋁箔片制成的第一電極； 由涂覆有活性碳的第二鋁箔片制成的第二電極； 配置在所述第一電極與所述第二電極之間的第一纖維素基隔板;和 配置在所述第二電極與所述殼體的內(nèi)表面之間的第二纖維素基隔板， 其中，所述殼體的內(nèi)表面具有面向所述第二電極的所述活性碳涂層的活性碳涂層。
【文檔編號】H01G11/78GK105990042SQ201610112133
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年2月29日
【發(fā)明人】C·D·約翰斯
【申請人】庫珀技術(shù)公司