改进的电化学蓄能装置和制造方法
【专利摘要】本发明公开了电化学蓄能装置的一个实施例。该装置包括壳体、容纳在壳体内的电解液和至少部分地浸没在电解液中的电极布置结构。该壳体具有涂覆有活性碳材料的内表面。本发明还描述了电化学蓄能装置的制造方法。
【专利说明】
改进的电化学蓄能装置和制造方法
技术领域
[0001]本发明的领域总体涉及电化学蓄能装置的结构和制造，更具体地涉及可在特定电压范围内以改进的性能工作的电化学蓄能装置如超级电容器的结构和制造。
【背景技术】
[0002]至少一些具有较高蓄能能力的常规电容器被视为超级电容器(或超级电容)。这些超级电容器通常包括至少部分地浸没在密闭的金属壳体内的电解液中的电极。在这方面，已知在较高的电压下在壳体与电解液之间发生不希望有的化学反应，并且此类化学反应会不利地影响超级电容器的性能和使用寿命。
【发明内容】
[0003]—方面，本发明提供一种电化学蓄能装置，其包括:壳体;容纳在所述壳体内的电解液;和至少部分地浸没在所述电解液中的电极布置结构，其中，所述壳体包括涂覆有活性碳材料的内表面。
[0004]另一方面，本发明提供一种制造电化学蓄能装置的方法，所述方法包括:提供具有活性碳涂层的电极;提供具有被涂覆以涂覆有活性碳的内表面的壳体;将所述电极插入到所述壳体内中；和将电解液注入到所述壳体内中。
[0005]本发明还提供一种电化学蓄能装置，其包括:由铝制成的大体筒状壳体，所述壳体具有第一端部区域、第二端部区域和内表面;容纳在所述壳体内的电解液;和至少部分地浸没在所述电解液中的螺旋卷绕式电极布置结构，所述电极布置结构包括:由涂覆有活性碳的第一铝箔片制成的第一电极；由涂覆有活性碳的第二铝箔片制成的第二电极;配置在所述第一电极与所述第二电极之间的第一纤维素基隔板;和配置在所述第二电极与所述壳体的内表面之间的第二纤维素基隔板，其中，所述壳体的内表面具有面向所述第二电极的所述活性碳涂层的活性碳涂层。
【附图说明】
[0006]参照【附图说明】非限制性和非详尽的实施例，在全部各图中同样的附图标记表示同样的部分，除非另外指出。
[0007]图1是超级电容器的侧视图。
[0008]图2是图1所示的超级电容器的分解图。
[0009]图3是沿图1的平面3-3截取的图1所示的超级电容器的截面图。
[0010]图4是在区域4内截取的图3所示的截面的放大部位。
【具体实施方式】
[0011]下面阐述电化学蓄能装置结构和方法。这种结构和方法有利于提供克服上述缺点和问题的装置。特别地，虽然相信以下公开的结构和方法特别有益于电化学电容器装置(例如，超级电容器装置)，但下述技术可扩展到超出本文具体描述的装置。因此，以下说明意图出于说明而非限制的目的。亦即，本文的发明思想不必局限于下面说明并在图中示出的具体实施例。
[0012]如本文所用的术语“超级电容器”一般指的是一类具有大于100F/g的比电容的电化学电容器，包括双电层电容器、超级电容器、准电容器、电化学双层电容器和超级电容。此类超级电容器用于各种应用，包括但不限于用于短期断电过渡的记忆型电容、用于改善电池的电流处理或对高负荷需求提供电流放大的电池管理应用、用于增强峰值负荷性能的燃料电池应用、车辆上的再生制动和车辆起动系统。
[0013]图1-4是具有第一(或负极)端子102、第二(或正极)端子104和管状(例如，大体圆筒状)的壳体106的电化学蓄能装置100的各种视图，所述壳体106具有第一端部区域108和第二端部区域110。在所说明的实施例中，电化学蓄能装置100是超级电容器(例如，2.7V超级电容器)。然而，在其它实施例中，电化学蓄能装置100可属于如本文所述起作用的任意合适的类型。虽然在所说明的实施例中第一端子102和第二端子104位于壳体106的相对的端部区域108、110中(S卩，在所说明的实施例中，壳体106构造成在装置100的操作期间带电)，但在一些实施例中第一端子102和第二端子104可位于壳体106的同一端部区域108、110中(例如，在一些实施例中，壳体106可构造成在装置100的操作期间不带电)。此外，虽然图示的第一端子102、第二端子104和壳体106全都由金属材料(例如，铝)制成，但其它实施例的第一端子102、第二端子104和壳体106可由任意合适的材料制成。
[0014]在所示出的实施例中，螺旋卷绕式电极布置结构112(通称为“卷芯(jellyroll)”)插入到壳体106中。该布置结构112是至少以下构件的层状构型:第一电极114、第二电极116、第一隔板118和第二隔板120。第一隔板118配置在第一电极114与第二电极116之间，且第二隔板120与第二电极116相邻成使得第二隔板120形成电极布置结构112的外表面121(即，当电极布置结构112插入到壳体106中时，第二隔板120配置在第二电极116与壳体106之间)。在所说明的实施例中，第一隔板118和第二隔板120各自都由多孔的(例如，纤维素基)材料板制成。然而，在其它实施例中，隔板118、120可由任意合适的材料制成。此外，电极布置结构112通过卷绕在第二隔板120周围的合适的带(未示出)而保持处于其螺旋卷绕的构型。在替代实施例中，电极布置结构112可具有由任意合适的材料呈任意合适的形状制成并以有利于使得壳体106能够如文中所述起作用的任意合适的方式布置的任意合适数量的电极和隔板。
[0015]在所示出的实施例中，电化学蓄能装置100还包括焊接在电极布置结构112的相对两端上的第一杯体122和第二杯体124，并且各杯体122、124用作用于将端子102、104中的相应一个焊接(即，电连接)在电极114、116上的底座。更具体地，第一杯体122焊接在电极114、116上，且第一端子102焊接在第一杯体122上。类似地，第二杯体124焊接在电极114、116上，且第二端子104焊接在第二杯体124上。此外，绝缘或非导电的(例如，橡胶的)0形环126设置用于将第一端子102与壳体106电绝缘，并且支承环128设置用于在第二端子104处支承第二杯体124。此外，壳体106被至少部分地充填以电解液130(例如，电解液130可以以合适的方式注入到壳体106中)以使得电解液130渗透隔板118、120并与电极114、116接触。这样一来，有利于电极114、116与电解液130之间经隔板118、120的离子迀移率。
[0016]在所示出的实施例中，第一电极114和第二电极116各自都由具有活性碳涂层134的铝箔片132制成，所述活性碳涂层134覆盖铝箔片132的至少一个部段(S卩，第二电极116的活性碳涂层134的外表面135经第二隔板120面向壳体106的侧壁136)。特别地，壳体106的侧壁136的内表面138也设置有活性碳涂层140。例如，在一些实施例中，壳体106的内表面138可具有组分与电极114、116的活性碳涂层134相同的活性碳涂层140(例如，在一些实施例中，电极114、116的活性碳涂层134和壳体106的活性碳涂层140可采用同一种粘接剂材料)。在一个特定实施例中，活性碳涂层140覆盖壳体106的侧壁136的整个内表面138，以便围绕壳体106的整个圆周从壳体106的第一端部区域108延伸到壳体106的第二端部区域110。在本文中，术语“活性碳”指的是一种碳基材料，该碳基材料已被加工成变得更多孔的以便增加碳基材料的表面积并因此提尚碳基材料的蓄能能力。
[0017]尤其注意，在壳体106的内表面138未被涂覆的情况下，在装置100的工作期间储存在第二电极116的活性碳涂层134的外表面135中的电荷可能已产生第二电极116与壳体106之间相对于基准的不希望有的电压差。这种相对于基准的电势的增大可能会引起电解液130与壳体106的未涂覆内表面138之间不希望有的反应。这些反应可能会产生可能积累在壳体106内的气态副产物，最终削弱装置100的总体性能并降低其使用寿命。然而，通过在所示出的实施例中在壳体106的内表面138设置活性碳涂层140，抑制了电解液130与壳体106之间这些不希望有的反应。此外，壳体106的活性碳涂层140(更像电极114、116的活性碳涂层134)有利于在装置100的工作期间储存电荷，由此增大装置100的总电容。
[0018]换言之，壳体106的内表面138上的活性碳涂层140有利于在电解液130与壳体106的侧壁136之间提供钝化层。除该钝化益处以外，活性碳涂层140还储存电荷以提高装置100的总电容。此外，活性碳涂层140还有利于壳体106处的电压变换(S卩，由于活性碳涂层140储存电荷，所以壳体106与第二电极116之间的电压不平衡可以变换到更理想的范围内)。在这方面，活性碳涂层140的厚度可以被选择成适应期望的、预定的电压变换(例如，可以使活性碳涂层140较厚以产生较大的电压变换，或可较薄以产生较小的电压变换)。这种电压变换作用有利于抑制壳体106与电解液130之间的反应，由此提高装置100的总体性能和使用寿命O
[0019]现在相信已关于所公开的示例性实施例充分说明本发明的益处。
[0020]已公开电化学蓄能装置的一个实施例。该装置包括壳体、容纳在壳体内的电解液和至少部分地浸没在电解液中的电极布置结构。该壳体具有以活性碳材料涂覆的内表面。
[0021]可选地，该电化学蓄能装置可以是超级电容器。该电化学蓄能装置还可以是2.7V超级电容器。此外，该壳体可以是管状壳体。此外，该电极布置结构可以是螺旋卷绕式电极布置结构。该电极布置结构可具有至少一个电极和至少一个隔板的层状构型。此外，隔板可配置在电极与壳体之间。该层状构型可具有一对电极和一对隔板。此外，该电极可由铝箔片制成。此外，该铝箔片的至少一个部段可涂覆有活性碳材料。该壳体可具有第一端部区域和第二端部区域，并且该装置还可包括位于第一端部区域中的第一端子和位于第二端部区域中的第二端子。此外，该壳体可构造成在装置的工作期间带电。此外，该壳体可具有第一端部区域和第二端部区域，并且该装置还可包括两者都位于壳体的第一端部区域中的第一端子和第二端子。该壳体可构造成在装置的工作期间带电。该电极布置结构可包括具有活性碳涂层的电极，并且电极的活性碳涂层可具有与壳体的活性碳涂层相同的组分。
[0022]此外，电极的活性碳涂层和壳体的活性碳涂层可采用相同的粘接剂材料。此外，壳体可具有第一端部区域和第二端部区域，且活性碳涂层可从壳体的第一端部区域延伸到其第二端部区域。壳体可呈管状并且可具有圆周，并且活性碳涂层可围绕壳体的圆周延伸。活性碳涂层可在壳体的内表面上提供钝化层。此外，电极布置结构可包括电极和配置在电极与壳体的内表面之间的隔板，并且电极可具有包括经隔板面向壳体的内表面的外表面的活性碳涂层。壳体的活性碳涂层还可构造成储存电荷。此外，壳体的活性碳涂层可构造成变换壳体上的电压。此外，壳体的活性碳涂层的厚度可被选择成产生预定的电压变换。
[0023]还公开了制造电化学蓄能装置的方法的一个实施例。该方法包括提供具有活性碳涂层的电极，并且该方法还包括提供具有涂覆有活性碳的内表面的壳体。该方法还包括将电极插入到壳体中，并且该方法还包括将电解液注入到壳体中。
[0024]可选地，该方法可包括将电极卷制成螺旋卷绕式电极布置结构。该方法还可包括将隔板配置在电极附近以使得隔板形成电极布置结构的外表面。该方法还可包括将电极布置结构插入到壳体中，以使得电极的活性碳涂层的外表面经隔板面向壳体的活性碳涂层。此外，该方法可包括为电极和壳体设置由相同的活性碳材料组分制成的活性碳涂层。所述活性碳涂层也可采用相同的粘接剂材料。该方法还可包括为壳体提供壳体的从壳体的第一端部区域延伸到壳体的第二端部区域的活性碳涂层。该方法还可包括将壳体设置为具有圆周的管状壳体，其中壳体的活性碳涂层围绕壳体的圆周延伸。
[0025]还公开了一种电化学蓄能装置。该装置包括由铝制成的大体筒状壳体，并且壳体具有第一端部区域、第二端部区域和内表面。该装置还包括容纳在壳体内的电解液，和至少部分地浸没在电解液中的螺旋卷绕式电极布置结构。该电极布置结构包括:由涂覆有活性碳的第一铝箔片制成的第一电极；由涂覆有活性碳的第二铝箔片制成的第二电极;配置在第一电极与第二电极之间的第一纤维素基隔板;和配置在第二电极与壳体的内表面之间的第二纤维素基隔板。壳体的内表面具有与第二电极的活性碳涂层对向的活性碳涂层。
[0026]此书面描述使用了包括最佳模式在内的实例来公开本发明，并且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造并利用任何装置或系统并且执行任何所结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例没有不同于权利要求的文字语言所描述的结构元件，或者它们包括与权利要求的文字语言无实质性区别的等同结构元件，则认为此类其它示例包含在权利要求的保护范围内。
【主权项】
1.一种电化学蓄能装置，包括: 壳体； 容纳在所述壳体内的电解液;和 至少部分地浸没在所述电解液中的电极布置结构， 其中，所述壳体包括涂覆有活性碳材料的内表面。2.根据权利要求1所述的电化学蓄能装置，其中，所述电极布置结构包括铝箔片。3.根据权利要求2所述的电化学蓄能装置，其中，所述铝箔片的至少一个部段涂覆有活性碳材料。4.根据权利要求1所述的电化学蓄能装置，其中，所述壳体包括第一端部区域和第二端部区域，所述电化学蓄能装置还包括位于所述第一端部区域的第一端子和位于所述第二端部区域的第二端子。5.根据权利要求4所述的电化学蓄能装置，其中，所述壳体构造成在所述电化学蓄能装置工作期间带电。6.根据权利要求1所述的电化学蓄能装置，其中，所述壳体包括第一端部区域和第二端部区域，所述电化学蓄能装置还包括第一端子和第二端子，所述第一端子和第二端子两者都位于所述壳体的所述第一端部区域。7.根据权利要求6所述的电化学蓄能装置，其中，所述壳体构造成在所述电化学蓄能装置工作期间不带电。8.根据权利要求1所述的电化学蓄能装置，其中，所述电极布置结构包括具有活性碳涂层的电极，所述电极的所述活性碳涂层具有与所述壳体的活性碳涂层相同的组分。9.根据权利要求8所述的电化学蓄能装置，其中，所述电极的所述活性碳涂层和所述壳体的所述活性碳涂层采用相同的粘接剂材料。10.根据权利要求1所述的电化学蓄能装置，其中，所述壳体包括第一端部区域和第二端部区域，所述活性碳涂层从所述壳体的所述第一端部区域延伸到所述第二端部区域。11.根据权利要求10所述的电化学蓄能装置，其中，所述壳体呈管状并具有圆周，所述活性碳涂层围绕所述壳体的圆周延伸。12.根据权利要求1所述的电化学蓄能装置，其中，所述活性碳涂层在所述壳体的内表面上提供钝化层。13.根据权利要求12所述的电化学蓄能装置，其中，所述电极布置结构包括电极和配置在所述电极与所述壳体的内表面之间的隔板，所述电极包括具有经所述隔板面向所述壳体的内表面的外表面的活性碳涂层。14.根据权利要求13所述的电化学蓄能装置，其中，所述壳体的所述活性碳涂层构造成储存电荷。15.根据权利要求14所述的电化学蓄能装置，其中，所述壳体的所述活性碳涂层构造成变换所述壳体处的电压。16.根据权利要求1所述的电化学蓄能装置，其中，所述电化学蓄能装置为超级电容器。17.—种制造电化学蓄能装置的方法，所述方法包括: 提供具有活性碳涂层的电极； 提供具有涂覆有活性碳的内表面的壳体； 将所述电极插入到所述壳体内；和 将电解液注入到所述壳体内。18.根据权利要求17所述的方法，还包括: 将所述电极卷制成螺旋卷绕式电极布置结构； 将隔板配置在所述电极附近以使得所述隔板形成所述电极布置结构的外表面;和将所述电极布置结构插入到所述壳体内，使得所述电极的所述活性碳涂层的外表面经所述隔板面向所述壳体的所述活性碳涂层。19.根据权利要求17所述的方法，还包括为所述电极和所述壳体设置由相同的活性碳材料组分制成并采用相同的粘接剂材料的活性碳涂层。20.—种电化学蓄能装置，包括: 由铝制成的大体筒状壳体，所述壳体具有第一端部区域、第二端部区域和内表面； 容纳在所述壳体内的电解液;和 至少部分地浸没在所述电解液中的螺旋卷绕式电极布置结构，所述电极布置结构包括: 由涂覆有活性碳的第一铝箔片制成的第一电极； 由涂覆有活性碳的第二铝箔片制成的第二电极； 配置在所述第一电极与所述第二电极之间的第一纤维素基隔板;和 配置在所述第二电极与所述壳体的内表面之间的第二纤维素基隔板， 其中，所述壳体的内表面具有面向所述第二电极的所述活性碳涂层的活性碳涂层。
【文档编号】H01G11/78GK105990042SQ201610112133
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年2月29日
【发明人】C·D·约翰斯
【申请人】库珀技术公司