[实用新型]一种高性能双极性超电容器

说明书

技术领域

本实用新型涉及电容器，特别是一种双极性构造的高性能超电容器。

背景技术

在储能装置中，电池（如二次电池的锂电池、镍氢电池或一次电池中的干电池）与电容器（铝电解电容、陶瓷电容或钽质电容）被视为两大代表组件。电池是一种电能的能量储存器，具有高的储存能量特性，但只有低输出功率。而电容刚好相反，是一种功率储存器，具高的输出功率，但能量储存特性较差。

超高容量电容器（Ultracapacitor）是介于电池和传统电容器之间的电子组件，同时具备电池和电容的优点，并能弥补其不足，具有体积小、质量轻、高功率、高电容和生命周期长等特色，是一种兼具高功率与高能量密度的新能量储存工具。

超高容量电容器基本上包含两种储电形式：一种是以电双层(double layer)机制储存静电能；另一种是除电双层外，尚牵涉到氧化还原机制来储存电能，称为拟电容（或伪电容, pseudocapacitance），其能量密度约为电双层机制的5至10倍。

  用于超电容的电极材料大致上可分成三种：碳材、金属氧化物及导电高分子。碳超电容是电双层机制储能的代表，一般是以活性碳(active carbon)、玻璃碳(glass cabon)或活性碳纤维布为主要的电极材料，其储能机构是由于电极及电解液界面的电荷分离的电双层生成。而拟电容常用的电极材料有两种：(1)金属氧化物，如RuO₂、IrO₂、Co₃O₄、MoO₃、WO₃和molybdenum nitride等；(2)导电性高分子薄膜，如polyaniline, polypyrrole, 和polythiophene等。

超高容量电容器组装的方法有三种，第一种是卷绕型，许多的碳超电容都采取卷绕构造。最大优点是可提供大面积卷绕，但对于超电容单元间的串联、积密度及电极的联接等特性较差。而第二种是叠置型，其优点是单元间的串联容易，叠置密度高。第三种是双极性叠置，以电极两面分别担任正负极，易获得高工作电压组件，单元组装较有效率，易缩小组件 的体积，可降低制造成本。此构造需单元的电解液独立封装，技术难度较高。其中漏液与单元均匀分压是封装最困难关键，量产技术门坎远比卷绕、叠置型组装高。

如图1所示，超电容的基本单元10，是经涂布电极12的基材11的两电极板，以绝缘物体粘，其间以隔离膜14浸渍电解液再封胶13构成。依电解液的不同，单元的工作电压由1V（水是电解质）~3V（有机溶液电解质）不等。基本单元可由串并联提高工作电压及电容量，例如工作电压为1V，电容量为1F的基本单元可经100个串联，提高工作电压至100V，但电容量只有1/100F。而并联100个，电容量可达100F，但工作电压仍只有1V。

超电容单元可经电路、粘贴及双极性构造得到高工作电压。电路串联是最简单的方法，经由电路可串联无数个超电容。但对于高工作电压的超电容而言，电路电路串联需庞大电路。加上个别电容单元的差异，必须加上平衡电路，确保整体超电容的可靠性。使得高工作电压的超电容不仅在体积、重量、价格及制造上都相当不利。

超电容单元粘贴是较有效率的方法，透过银胶或导电胶的粘着，串联超电容单元。该技术将电解液填注并密封于两个电极片之间一适当间隙而形成单一的蓄电单元。然后将复数个以同样方式形成的蓄电单元互相粘贴叠置。图2为蓄电单元，图3为叠置的蓄电单元。蓄电单元间以银胶或导电胶粘结，如同蓄电单元的串联。最后提供容器将叠置的蓄电单元上下以导电弹性体顶住顶板与底板，形成高工作电压超电容装置。此法虽优于电路串联，但银胶或导电胶在充放电的衰退现象，使超电容在可靠度受到挑战。此外，电极片的使用效率远亦不如双极性构造。

双极性构造是最有效率的串联构造，每一个电极片的两面同时扮演正极与负极角色。每一个单元可紧密串联。电极片使用量约占粘贴串联的一半，例如100V工作电压超电容需1V基本单元电极片200片，而双极性构造只需101片。此构造方法特色是各蓄电单元电性与物性均一，各单元电解质独立隔绝。

如图4所示，为一种已知的超高容量电容器结构20。该电容器的顶面与底部有一上导电片211及下导电片212作为对外连接电气用，直接将一定层数的电极22叠置成预备单元。使用条棒(cord)23，插入预备单元预留的封口埠(port) 24。每一片电极片之间夹有垫圈(gasket)，最后再以电解液填充封口端口，完成超高容量电容器结构20的制作。