專利名稱：雙極性超高電容器及其模組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種同心卷繞加上側(cè)邊密封的雙極性超高電容器(supercapacitor)，尤其為多個(gè)雙極性超高電容器卷體在一容器的多隔間中組合，所形成的雙極性超高電容器模組，以提供高電壓與大電流。
背景技術(shù)：
電池為能量?jī)?chǔ)存與能量供應(yīng)的最常用的攜帶式元件。使用電池時(shí)，元件的兩項(xiàng)功能特性，即使用時(shí)間與輸出功率決定其實(shí)用性，尤其在車輛的應(yīng)用上。為了獲得長(zhǎng)久的使用時(shí)間，電池的電極常制成粗厚，不然新型的電極材料即須被開(kāi)發(fā)與印證，如同電池由鉛酸演進(jìn)成鋰電池。相反于粗厚電極策略，細(xì)薄電極被用于電池的大電力輸出，如美國(guó)專利號(hào)5,047,300；5,108,848；5,223,351與5,993,983所公開(kāi)。前三篇專利中，粗厚與細(xì)薄電極一起封裝于同一電池盒中。后一篇專利5,993,983號(hào)則以使用細(xì)薄電極的電池外加在原有電池上，作為電力推助器。類似的外加的電力推助器也被公開(kāi)于美國(guó)專利號(hào)5,568,537；5,937,978與5,796,188中。電池的充放電包含化學(xué)反應(yīng)，因此電池的電力輸出基本上受制于反應(yīng)速率。就反應(yīng)時(shí)間而言化學(xué)反應(yīng)比物理變化慢。故電池的電力輸出小于電容器，因后者由如電荷聚集或表面吸附的物理變化來(lái)儲(chǔ)能。理論上，電容器比使用細(xì)薄電極電池更適于作為粗厚電極電池的推助器，同時(shí)厚電池的使用時(shí)間也能被延長(zhǎng)。
如同電池的功率密度低，電容器也有不足之處，例如能量密度低。諷刺的是，促使電容器具有高功率密度的物理變化，也就是電容器的低能量密度的原因。此種情形可用＂來(lái)得容易，去也容易＂形容。電容器的儲(chǔ)能可用方程式1計(jì)算E＝(1/2)CV21
式中，E為以焦耳(J)為單位的儲(chǔ)能，C為以法拉(F)為單位的電容量，V為以伏特(V)單位的電容器工作電壓。顯然地，增加C與V時(shí)，電容器的儲(chǔ)能即變大。由于平方之故，V在改進(jìn)電容器的能量密度上，其效益較C大。其次，電容器的電容量可用方程式2計(jì)算。方程式2描述C與電容器的電極材料的介電常數(shù)(K)，及以m2為單位的電極面積(A)成正比，而與以m為單位的兩極間距(D)成反比。
C＝KA/D2為了提高C，開(kāi)發(fā)出具高(K)值的電極材料，并以蝕刻或其他方法增加電極面積(A)。至于電極間距(D)，則以緊密的封裝來(lái)縮小電極。超高電容器是一種使用具有極大表面積的材料如碳材，或具催化能力的金屬氧化物，并透過(guò)電極與電解液介面上的物理變化來(lái)儲(chǔ)存電能的電化學(xué)電容器。除了超高電容器，尚有其他稱呼形容這種具有超大電容量的電容器。例如，使用碳材的元件被稱為電雙層電容器(electric double layercapacitor，EDLC)，而使用金屬氧化物為超級(jí)電容器(ultracapacitor)。藉由大表面積，超高電容器能快速儲(chǔ)存高達(dá)數(shù)千法拉的靜電荷。
超高電容器雖能儲(chǔ)存極大的電容量，但兩極間，即陽(yáng)極與陰極，所建立的電壓只有1.0至3.0V，視使用水系或有機(jī)系電解液而定。事實(shí)上，超高電容器的低工作電壓便是電容器所用電解液的溶劑的分解電壓。一般而言，有機(jī)電解液的工作電壓較水系高，但前者的導(dǎo)電度較低。當(dāng)新電解液被廣泛開(kāi)發(fā)以提高其耐電壓時(shí)，超高電容器的工作電壓可由串聯(lián)而簡(jiǎn)單迅速地提升。超高電容器的串聯(lián)可用兩種方式完成，一是許多電極整合成單一個(gè)電容器，如美國(guó)專利號(hào)5,450,279；5,955,215；6,055,764；6,187,061；6,449,139及6,507,479等所公開(kāi)；另一是整合許多個(gè)已封裝的電容器成為一電力模組，如美國(guó)專利號(hào)6,072,691與6,215,278所敘述。以上所引用的全部美國(guó)專利皆列為本發(fā)明的參考文獻(xiàn)。然而，前述專利均有使用多個(gè)容器、使用長(zhǎng)連接線、需多次封裝以及組成單體的內(nèi)阻(ESR)高低不一等缺點(diǎn)。
另外，還有兩篇美國(guó)專利號(hào)5,450,279與6,005,764是采用雙極性設(shè)計(jì)制作其電容器。不過(guò)兩者均以堆疊法制作電容器。專利5,450,279還使用隔離袋、埋藏式隔離膜及埋藏式集電板，以產(chǎn)生雙極效應(yīng)，而專利6,005,764則很辛苦地堆疊許多電容器單元，例如以100對(duì)陽(yáng)極與陰極獲得100V的工作電壓。所以堆疊法整合電容器將因?yàn)榘^(guò)多處理步驟，而降低產(chǎn)能并增加成本。尤有進(jìn)者，在全部電極堆疊后，整疊常用兩個(gè)端板夾住，再用螺釘與螺帽緊鎖固定，而形成龐大與笨重的物品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種雙極性超高電容器及其模組，以獲得具有足夠的能量密度的單一包裝超高電容器，以滿足應(yīng)用的需求。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種雙極性超高電容器及其模組，以獲得具有大表面積的超高電容器單元，并以高產(chǎn)能生產(chǎn)雙極性超高電容器，使產(chǎn)品具有競(jìng)爭(zhēng)力。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種雙極性超高電容器及其模組，以提升超高電容器單元的工作電壓。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種雙極性超高電容器及其模組，以防止電氣短路或電化學(xué)反應(yīng)，使電容器的漏電流(LC)因而降低。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種雙極性超高電容器及其模組，以精簡(jiǎn)材料的使用，并且只要能符合應(yīng)用所提供的空間，雙極性超高電容器并無(wú)形狀制作上的限制。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種雙極性超高電容器及其模組，以防止電極因超高電容器充放電時(shí)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)而受到震動(dòng)傷害。
根據(jù)上述與其它目的，本發(fā)明提出一種雙極性超高電容器，包含一卷體，具有一上部，該卷體包括一陽(yáng)極；一陰極，相鄰于該陽(yáng)極；至少一雙極性電極，置于該陽(yáng)極與該陰極之間；以及一隔離膜，配置于上述每一電極之后；一第一電氣導(dǎo)體，連接位于該卷體該上部的該陽(yáng)極的一端；以及一第二電氣導(dǎo)體，連接位于該卷體該上部的該陰極的一端。
所述的雙極性超高電容器，其中該卷體為圓筒型、橢圓型、方型其中之一。
所述的雙極性超高電容器，其中該卷體四邊均被一封邊材料密封。
所述的雙極性超高電容器，其中該封邊材料為環(huán)氧樹(shù)脂、聚丙稀酯、聚胺基甲酸乙酯或聚酯的族群其中之一。
所述的雙極性超高電容器，其中該雙極性電極相對(duì)于連接該第一電氣導(dǎo)體該陽(yáng)極的一邊作用為陰極，而該雙極性電極相對(duì)于連接該第二電氣導(dǎo)體該陰極的另一邊則作用為陽(yáng)極。
所述的雙極性超高電容器，其特征在于，其中該雙極性電極與該第一電氣導(dǎo)體以及該第二電氣導(dǎo)體為電性隔絕。
本發(fā)明另外提出一種雙極性超高電容器模組，包含一容器，具有復(fù)數(shù)個(gè)隔間；復(fù)數(shù)個(gè)卷體，置于該容器的該些隔間中，該些卷體具有一上部與一底部，且各該卷體包括一陽(yáng)極；一陰極，相鄰于該陽(yáng)極；至少一雙極性電極，置于該陽(yáng)極與該陰極之間；以及一隔離膜，配置于上述每一電極之后；一可聚合的高分子，包覆上述每一電極與該隔離膜的起始端、上述每一電極與該隔離膜的尾端、該卷體的該上部以及該底部；一第一導(dǎo)線，連接位于該些卷體其中之一的該陽(yáng)極的一端；一第二導(dǎo)線，連接位于該些卷體其中的一的該陰極的一端；以及復(fù)數(shù)條連接電線，連接該些卷體。
所述的雙極性超高電容器模組，其中該些卷體為圓筒型、橢圓型、方型其中之一。
所述的雙極性超高電容器模組，其中該可聚合的高分子為環(huán)氧樹(shù)脂、聚丙稀酯、聚胺基甲酸乙酯或聚酯的族群其中之一。
所述的雙極性超高電容器模組，其中該雙極性電極與該第一導(dǎo)線、該第二導(dǎo)線以及該些連接電線是電性隔絕。
所述的雙極性超高電容器模組，其中該容器還包括一上蓋，用以氣密封裝；以及一底座，用以盛裝該些卷體。
所述的雙極性超高電容器模組，其中該容器材料為聚乙烯、聚丙烯、強(qiáng)化聚乙烯或強(qiáng)化聚丙烯的群組其中之一。
所述的雙極性超高電容器模組，其中該上蓋與該底座以一種填塞材料結(jié)合。
所述的雙極性超高電容器模組，其中該容器所含的該些卷體經(jīng)串聯(lián)，并聯(lián)或串并聯(lián)后所形成的電容器，可在7.5V或更高的電壓工作，并具有10F或更高的電容量，以及30mΩ以下的內(nèi)電阻(ESR)。
本發(fā)明利用多數(shù)個(gè)電極在容器內(nèi)部的串聯(lián)，與公知多個(gè)已封裝的電容器的串聯(lián)相比，具有下列的優(yōu)勢(shì)1.前者只有用一個(gè)容器，后者使用多個(gè)容器，2.前者的連接線短或無(wú)需連接線，后者使用長(zhǎng)連接線，3.前者只需一次封裝，后者需多次，及4.前者具均勻的內(nèi)阻或等效串聯(lián)電阻(ESR)，后者的組成單體的內(nèi)阻(ESR)高低不一。
此外，本發(fā)明所采用的雙極性電極一面帶正電，另一面則帶負(fù)電。結(jié)構(gòu)上，雙極性電極系將電解液封存于各單一電容器的兩電極間，且各電容器的電解液不能互相流通而形成的。因此，本發(fā)明比結(jié)合已封裝的電容器個(gè)體來(lái)得經(jīng)濟(jì)與省事。再者，本發(fā)明可整合雙極性超高電容器將帶給使用者許多方便。獲得具有足夠的能量密度的單一包裝超高電容器，以滿足應(yīng)用的需求。
而且，本發(fā)明可將所需數(shù)目的電極與隔離膜，一塊同心卷繞成圓筒型或方型的雙極性超高電容器。所以每個(gè)電容器均可依應(yīng)用所需的電容量制作成適當(dāng)?shù)某叽?，且按電容器的盒子制成具有大表面積的雙極性超高電容器單元。并且透過(guò)自動(dòng)化機(jī)器，卷繞操作能以高產(chǎn)能生產(chǎn)超高電容器，使產(chǎn)品具有競(jìng)爭(zhēng)力。
另外，本發(fā)明使用雙極性封裝法，能提升雙極性超高電容器單元的工作電壓。再者，進(jìn)行電極與隔離膜的同心卷繞時(shí)，本發(fā)明是以一種可聚合的高分子作四次的封邊。封邊不僅可將電解液封存于各單元電容器的兩電極間，還可使電極的側(cè)邊絕緣，防止電氣短路或電化學(xué)反應(yīng)，使電容器的漏電流(LC)因而降低。
此外，本發(fā)明利用將所需數(shù)目的雙極性超高電容器單元置入等數(shù)的隔間中，再整合所有單元成為具有足夠的能量密度的模組。所以當(dāng)一應(yīng)用所需的電力為已知時(shí)，所需的隔間數(shù)目與各隔間室的尺寸即能確定。
接著，因?yàn)楸景l(fā)明的雙極性超高電容器是按所需制作，精簡(jiǎn)材料的使用。只要能符合應(yīng)用所提供的空間，超高電容器并無(wú)形狀的制作上的限制。
再者，本發(fā)明因?yàn)槔靡环N可聚合的填塞材料氣密地封住電容器的容器，完成雙極性超高電容器的整合。而且，填塞材料能有效地配合封邊，共同襄助電極對(duì)抗超高電容器模組充、放電時(shí)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的震動(dòng)傷害。此外，填塞材料能提供的機(jī)械強(qiáng)度，不亞于螺釘與螺帽所能造成的強(qiáng)度，還較旋扭螺帽簡(jiǎn)單迅速，而提供一種永久性的固定。


為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉較佳實(shí)施例，并配合附圖，作詳細(xì)說(shuō)明如下圖1顯示本發(fā)明的一第一實(shí)施例的雙極性超高電容器的立體示意圖；圖2顯示雙極性超高電容器卷體的一種手動(dòng)卷繞機(jī)；圖3顯示本發(fā)明的一第二實(shí)施例的高能量密度雙極性超高電容器模組的立體示意圖；圖4為圖3所顯示的雙極性超高電容器模組完成封裝后的立體示意圖；以及圖5為圖4所示的雙極性超高電容器模組范例在四種不同放電速率下的放電曲線。
具體實(shí)施例方式
超高電容器被積極地于兩個(gè)領(lǐng)域中持續(xù)開(kāi)發(fā)，一個(gè)是元件的升級(jí)，另一為電容器的創(chuàng)新應(yīng)用。沒(méi)有強(qiáng)力與便宜的超高電容器，應(yīng)用便無(wú)法落實(shí)。人們?yōu)楦纳瞥唠娙萜鞯膬?chǔ)能付出無(wú)數(shù)心力。超高電容器的電容量與電壓須同時(shí)達(dá)到應(yīng)用所需的水準(zhǔn)，否則元件即無(wú)法推動(dòng)該負(fù)載。然而，單一超高電容器常被制作只能在3.0V下，或更準(zhǔn)確地說(shuō)2.3至2.5V操作，而該電容器的電容量可能超過(guò)1000F。許多應(yīng)用，例如電腦的儲(chǔ)存器的備用電源與車輛的內(nèi)燃機(jī)，需要3.0V以上的推動(dòng)電壓，但所需電容量往往小于1000F。對(duì)使用者而言，這是個(gè)尷尬的情況。他必須串聯(lián)2個(gè)2.5V的電容器，以進(jìn)行只需3.0或3.3V的工作。如此作法不僅費(fèi)用高，工作空間可能無(wú)法容納兩顆電容器。只要能把單元超高電容器的工作電壓從2.5提升至5.0V，將產(chǎn)生無(wú)限利益。透過(guò)巧妙的封裝方法，單元超高電容器可比傳統(tǒng)封裝法使用較少的材料下，輕易變成5.0V或更高的工作電壓。
第一實(shí)施例圖1顯示本發(fā)明的一第一實(shí)施例的雙極性超高電容器的立體示意圖。請(qǐng)參照?qǐng)D1，拉長(zhǎng)的方型雙極性超高電容器卷體100是以一個(gè)陽(yáng)極102、一個(gè)陰極104、一個(gè)雙極性電極109，及3個(gè)隔離膜103同心卷繞而成，且卷體100有一上部110。卷體100中的每一電極并以點(diǎn)焊或鉗壓連接一個(gè)電氣導(dǎo)線，如位于卷體100上部110的陽(yáng)極柄106與陰極柄108。而制作電極102、104與109的方法譬如是將便宜的活性材料如活性碳，F(xiàn)e3O4，MnO2或NiO的漿料以滾輪涂布于如20至100微米厚的鋁箔上，接著用熱干燥而成。另外，多孔材料如牛皮紙，聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)，以20至100微米的厚度可作為隔離膜103，用于防止短路并儲(chǔ)存電解液。當(dāng)卷體100以一種電解液，如1M四乙基銨四氟化硼((C2H5)4NBF4)的碳酸丙稀(PC)溶液，加以浸漬即可被充電至2.5V工作電壓。至于卷體100的電容量，則決定于電極面積或所用電極的長(zhǎng)度與寬度。
請(qǐng)?jiān)賲⒄請(qǐng)D1，如果在卷繞操作的進(jìn)行中或完成后，對(duì)卷體100的四邊施行封邊，便可產(chǎn)生雙極性超高電容器單元卷體。在同心卷繞3張電極102、104、109與3張隔離膜103的起始，6張物體的前端便以一種可聚合的高分子(未顯示)，例如環(huán)氧樹(shù)脂，聚丙稀酯，聚胺基甲酸乙酯或聚酯，經(jīng)聚合反應(yīng)后而結(jié)合成一體。如此聚集即是雙極性封裝中的第1個(gè)封邊。其次，在卷繞操作完成且卷體100以一膠帶(未顯示)固定后，6張物體的尾端再以同一封材結(jié)合成為第2個(gè)封邊。接著，可用同一高分子密封卷體100的底部，而具有突出電極柄106、108的上部110則在注射電解液含浸隔離膜后，再完成密封。封邊高分子的聚合時(shí)間可由配方的修改，而調(diào)整以利封邊的進(jìn)行。如此，電解液即因封邊而密封于卷體100中。若電解液為1M(C2H5)4NBF4/PC或其他合適的有機(jī)溶液，所制作的電容器便可在5.0V下操作。事實(shí)上，上述的封邊可使兩個(gè)單元電容器在無(wú)連接線下，于卷體中形成串聯(lián)。因?yàn)橄鄬?duì)于陽(yáng)極102，雙極性電極109的相對(duì)面作用為陰極，雙極性電極109的另一面相對(duì)于陰極104，其功能即為陽(yáng)極。陽(yáng)極102，陰極104及雙極性電極109均以相同材料與方法制作。倘若更多的雙極性電極安置于陽(yáng)極102與陰極104之間，則一個(gè)單元超高電容器便可在5.0V以上工作。
一個(gè)5.0V卷繞型雙極性超高電容器的卷體100中，包含3張電極與3張隔離膜。若要獲得同樣5.0V的工作電壓，兩個(gè)傳統(tǒng)的2.5V超高電容器即須以一連接線串聯(lián)。在兩個(gè)傳統(tǒng)電容器的串聯(lián)中，共使用4張電極與4張隔離膜，以及兩個(gè)容器。因此，同樣建造5.0V工作電壓的超高電容器，雙極性封裝法比傳統(tǒng)方法使用較少的材料。再者，由于隔離膜包藏大部份的電解液，而電解液為超高電容器中最貴的成份，因此使用愈多的隔離膜，將使超高電容器的材料成本愈高。雙極性封裝還有另一效益，那就是封邊可使在制作過(guò)程中可能被曝露的基材金屬絕緣，超高電容器可因該金屬與系統(tǒng)中可能含有的活性雜質(zhì)(如水份)的反應(yīng)被防止而降低漏電流。
圖2顯示制作如100的雙極性超高電容器卷體的一種手動(dòng)卷繞機(jī)200。在不指明尺寸下，卷繞機(jī)200可看出含有以金屬塊212作為主體，其下為一砧板211供在桌面上固定用(固定螺帽未顯示)。主體212兩邊有側(cè)板201，以六角螺絲202固定于主體上。直尺204上裝設(shè)搖桿203可供手動(dòng)旋轉(zhuǎn)，以及夾縫205以?shī)A住電極與隔離膜的前端。用轉(zhuǎn)板207，檔板209，固定塊208及以固定螺絲210，直尺204可穩(wěn)穩(wěn)地橫跨在卷繞機(jī)200的兩側(cè)邊上。卷繞時(shí)，一方面靠夾縫205固定電極與隔離膜的起始端，另一方面以手抓著電極與隔離膜的后端而產(chǎn)生的張力，引導(dǎo)輪206可襄助電極與隔離膜形成平整的卷體。當(dāng)卷繞操作完成時(shí)，卷體可因搖桿被拉向右手邊而脫落。施加高分子作封邊，以及貼膠帶對(duì)卷體作壓縮均為手動(dòng)操作。不過(guò)，全部的手動(dòng)操作包括卷繞，封邊，電氣導(dǎo)針的釘接與貼膠帶均可變成自動(dòng)化。手動(dòng)卷繞機(jī)200只是用以清晰說(shuō)明本發(fā)明的目的，而非申請(qǐng)為一種量產(chǎn)工具。如同100的電容器卷體的直徑(最長(zhǎng)的方向)與高度，可各由直尺的寬度與其位于卷繞機(jī)的左側(cè)邊外的長(zhǎng)度決定。卷體的第3個(gè)尺寸，即卷體厚度，則易從搖桿203的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)加以控制，而卷體厚度可決定所制作的電容器的電容量。
第二實(shí)施例圖3則顯示本發(fā)明的一第二實(shí)施例的高能量密度雙極性超高電容器模組的立體示意圖。請(qǐng)參照?qǐng)D3，雙極性超高電容器300利用一如盒狀鉛酸容器的容器310，其中含有數(shù)個(gè)隔間312，且容器310的材料包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、強(qiáng)化聚乙烯或強(qiáng)化聚丙烯，而于本圖是6個(gè)隔間。每一隔間312里放置一個(gè)利用如圖2所制作的拉長(zhǎng)的方型卷體340。上述的每個(gè)電容器卷體340是以盡量使用每個(gè)隔間312的空間而制作。接著，6個(gè)電容器卷體340由連接電線350進(jìn)行串聯(lián)，形成高能量密度模組，其中包括作為陽(yáng)極導(dǎo)線320與陰極導(dǎo)線330在內(nèi)，所有的電線必須能傳導(dǎo)大電流，例如幾百安培。若電容器卷體340為使用有機(jī)電解液的傳統(tǒng)型態(tài)，則雙極性超高電容器模組300可在15V操作。不過(guò)，若電容器卷體340是以雙極性封裝法制作，那么雙極性超高電容器模組300便可在30V操作，只是其電容量將小于使用傳統(tǒng)型的卷體。由方程式1E＝(1/2)CV21式中，E為以焦耳(J)為單位的儲(chǔ)能，C為以法拉(F)為單位的電容量，V為以伏特(V)單位的電容器工作電壓。幾個(gè)等電容量的電容器串聯(lián)時(shí)，電極間距(D)即增加n倍，因此串聯(lián)模組的電容量，即等于單一電容器的電容量除以n。使用相同的材料系統(tǒng)與電極面積下，含有一個(gè)雙極性電極的雙極性超高電容器，至少應(yīng)有非雙極性的電容器的一半電容量。另一方面，由于工作電壓加倍，根據(jù)方程式2，C＝KA/D 2式中，K為介電常數(shù)，A為以m2為單位的電極面積。雙極性電容器應(yīng)具有非雙極性的電容器的2倍儲(chǔ)能。不同于材料開(kāi)發(fā)須經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間與無(wú)數(shù)投資方能提升超高電容器的工作電壓，串聯(lián)乃是一種快速提升電容器的工作電壓的方法。不過(guò)，串聯(lián)常使一個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度降低。若成員有一失效，整個(gè)系統(tǒng)便跟著失效。因此，串聯(lián)須以最少數(shù)目的成員與最少數(shù)目的連接元素來(lái)進(jìn)行。本發(fā)明的雙極性封裝法只利用一個(gè)雙極性電極，便可串聯(lián)兩個(gè)單元電容器成為單一元件，而工作電壓為非雙極性電容器的2倍。雙極性元件乃是進(jìn)行如圖3所示的進(jìn)一步串聯(lián)，以獲得更高工作電壓的有力基石。
而圖4為圖3所顯示的雙極性超高電容器模組完成封裝后的立體示意圖。請(qǐng)參照?qǐng)D4，將蓋子420置于容器410的上面，即可得到組裝完成的雙極性超高電容器模組400。在蓋子420上，尚有正極接點(diǎn)430與負(fù)極接點(diǎn)440，該兩接點(diǎn)各與導(dǎo)線320與330相連接，以對(duì)各種負(fù)載提供不同電力。上蓋420與底座410均用一種彈性材料制作，例如聚乙烯(PE)，聚丙烯(PP)，強(qiáng)化PE或強(qiáng)化PP。在以高分子對(duì)卷體340的底端密封時(shí)，該聚合物也可置于底座410的每個(gè)隔間里，如此每個(gè)電容器模組400的組成素子便可免除電容器充放電時(shí)的震動(dòng)傷害。無(wú)須利用螺釘與螺帽，上蓋420與容器410底座可借助與前述封邊材料類似的填塞(potting)材料來(lái)結(jié)成一體。此外，雙極性超高電容器模組400除須同時(shí)具備所需的電容量與工作電壓，它也須具有低ESR來(lái)工作。高ESR會(huì)降低超高電容器的輸出電力至無(wú)用的水準(zhǔn)。以同心卷繞，封邊與固底，雙極性超高電容器模組400的電極能被緊壓而降低電容器的ESR。因此，利用本發(fā)明很容易制作具有1F以上電容量，5V工作電壓，以及30mΩ以下ESR的圓筒型或方型的超高電容器。
下面的實(shí)例是作為顯示舉例而用，而非限制本發(fā)明。
實(shí)例以如圖2的手動(dòng)卷繞機(jī)200制作6個(gè)拉長(zhǎng)的方型卷體。利用一個(gè)長(zhǎng)11cm，寬6.6cm，高8.5cm具有6個(gè)隔間的鉛酸電池盒，每個(gè)隔間的容積為1.6×6.3×7cm，來(lái)盛裝上述6個(gè)電容器卷體。各卷體含有2個(gè)電極與2個(gè)隔離膜，且卷體尺寸與隔間的容積相同。以如1M(C2H5)4NBF4/PC的有機(jī)電解液浸漬各電容器卷體后，全部卷體進(jìn)行串聯(lián)與封裝，形成如圖4所示的15V×32F的超高電容器模組。前述電容器雖以手工粗略制作，它也能產(chǎn)出如圖5所示的四種放電速率下的美好放電曲線。在總重550g與測(cè)得的瞬間電流為170A下，本實(shí)例的雙極性超高電容器具有4.6kw/kg的功率密度實(shí)驗(yàn)值。前述電力可用于許多應(yīng)用，包括汽車的起動(dòng)。
雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例描述如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟習(xí)此技藝人士，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視申請(qǐng)專利范圍所界定的為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種雙極性超高電容器，包含一卷體，具有一上部，該卷體包括一陽(yáng)極；一陰極，相鄰于該陽(yáng)極；至少一雙極性電極，置于該陽(yáng)極與該陰極之間；以及一隔離膜，配置于上述每一電極之后；一第一電氣導(dǎo)體，連接位于該卷體該上部的該陽(yáng)極的一端；以及一第二電氣導(dǎo)體，連接位于該卷體該上部的該陰極的一端。
2.如權(quán)利要求1所述的雙極性超高電容器，其特征在于，其中該卷體為圓筒型、橢圓型、方型其中之一。
3.如權(quán)利要求1所述的雙極性超高電容器，其特征在于，其中該卷體四邊均被一封邊材料密封。
4.如權(quán)利要求3所述的雙極性超高電容器，其特征在于，其中該封邊材料為環(huán)氧樹(shù)脂、聚丙稀酯、聚胺基甲酸乙酯與聚酯的族群其中之一。
5.如權(quán)利要求1所述的雙極性超高電容器，其特征在于，其中該雙極性電極相對(duì)于連接該第一電氣導(dǎo)體該陽(yáng)極的一邊作用為陰極，而該雙極性電極相對(duì)于連接該第二電氣導(dǎo)體該陰極的另一邊則作用為陽(yáng)極。
6.如權(quán)利要求1所述的雙極性超高電容器，其特征在于，其中該雙極性電極與該第一電氣導(dǎo)體以及該第二電氣導(dǎo)體為電性隔絕。
7.一種雙極性超高電容器模組，包含一容器，具有復(fù)數(shù)個(gè)隔間；復(fù)數(shù)個(gè)卷體，置于該容器的該些隔間中，該些卷體具有一上部與一底部，且各該卷體包括一陽(yáng)極；一陰極，相鄰于該陽(yáng)極；至少一雙極性電極，置于該陽(yáng)極與該陰極之間；以及一隔離膜，配置于上述每一電極之后；一可聚合的高分子，包覆上述每一電極與該隔離膜的起始端、上述每一電極與該隔離膜的尾端、該卷體的該上部以及該底部；一第一導(dǎo)線，連接位于該些卷體其中之一的該陽(yáng)極的一端；一第二導(dǎo)線，連接位于該些卷體其中的一的該陰極的一端；以及復(fù)數(shù)條連接電線，連接該些卷體。
8.如權(quán)利要求7所述的雙極性超高電容器模組，其特征在于，其中該些卷體為圓筒型、橢圓型、方型其中之一。
9.如權(quán)利要求7所述的雙極性超高電容器模組，其特征在于，其中該可聚合的高分子為環(huán)氧樹(shù)脂、聚丙稀酯、聚胺基甲酸乙酯與聚酯的族群其中之一。
10.如權(quán)利要求7所述的雙極性超高電容器模組，其特征在于，其中該雙極性電極與該第一導(dǎo)線、該第二導(dǎo)線以及該些連接電線是電性隔絕。
11.如權(quán)利要求7所述的雙極性超高電容器模組，其特征在于，其中該容器還包括一上蓋，用以氣密封裝；以及一底座，用以盛裝該些卷體。
12.如權(quán)利要求11所述的雙極性超高電容器模組，其特征在于，其中該容器材料為聚乙烯、聚丙烯、強(qiáng)化聚乙烯與強(qiáng)化聚丙烯的群組其中之一。
13.如權(quán)利要求11所述的雙極性超高電容器模組，其特征在于，其中該上蓋與該底座以一種填塞材料結(jié)合。
14.如權(quán)利要求11所述的雙極性超高電容器模組，其特征在于，其中該容器所含的該些卷體經(jīng)串聯(lián)，并聯(lián)或串并聯(lián)后所形成的電容器，可在7.5V或更高的電壓工作，并具有10F或更高的電容量，以及30mΩ以下的內(nèi)電阻。
全文摘要
一種雙極性超高電容器及其模組，數(shù)個(gè)電極與隔離膜被一起同心卷繞，并被密封側(cè)邊而形成圓筒型或方型的雙極性超高電容器。由于卷繞操作可提供高電容量所需的大表面積，而雙極性封裝加上使用有機(jī)電解液，單－雙極性超高電容器卷體的最低工作電壓可為5V。雙極性卷體為組裝超高電容器模組的有力建造基石。由具多隔間的容器，置入應(yīng)用所需的多個(gè)雙極性超高電容器卷體，即可在其中進(jìn)行串聯(lián)，并聯(lián)或串并聯(lián)的整合制得高能量密度的整合超高電容器模組。
文檔編號(hào)H01G9/00GK1538469SQ0312252
公開(kāi)日2004年10月20日 申請(qǐng)日期2003年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月18日
發(fā)明者薛立人, 鄭俊升, 張宗熙, 李莉頻, 羅萬(wàn)鋌, 黃昆福 申請(qǐng)人:友昕科技股份有限公司