[发明专利]用于高能量密度电化学双层电容器的电池设计

说明书

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§120要求2012年9月5日提交的美国申请系列第13/603,760号的优先权，该申请是2011年11月16日提交的美国专利申请系列第13/297,847号的部分继续申请，其内容构成本申请的基础并通过援引完整地结合于此，在此根据35U.S.C.§120要求优先权。

背景

本公开内容一般涉及电化学双层电容器，更具体地涉及促进EDLC的高能量密度输出的电池和包装设计。

储能装置如电化学双层电容器[EDLC，也称作超级电容器(ultracapacitor)或超电容器(supercapacitor)]可用于需要离散功率脉冲的各种用途。这些用途的范围是从手机到混合动力汽车。超级电容器可包括两个或更多个被多孔隔膜和有机电解质隔开的碳基电极。上述活性组件限定了电极组，可设置成各种构造。示例性构造包括平行板设计和果冻卷型设计。在使用中，活性组件装在外壳或包装中。

超级电容器的重要特性是它能够提供的能量密度和功率密度。能量密度和功率密度在很大程度上决定于活性组件的性质。另一个重要特性是成本。影响装置成本的因素包括原料成本以及相关封装的直接和间接成本，相关封装会影响性能、可制造性和可靠性。使超级电容器包装简单、廉价同时坚固、高效是有利的。

超级电容器包装的一个方面是利用可用的体积来提供所需能量的效率。通过最大程度减小包装内未加利用的体积，可增加装置的体积能量密度。鉴于前文所述，需要高效、经济和坚固的超级电容器电池和包装设计。

概述

本申请揭示了一种具有优化几何形状的电化学双层电容器。具体而言，通过提供具有高长宽比的电极组(以及附带包装)，可在更大程度上更有效率地实现可用体积的利用，比采用常规几何形状得到更高的体积能量密度。

在一个实施方式中，用于电化学双层电容器的圆柱形电极组所具有的高度和直径使由高度/直径定义的长宽比在约3.1-15的范围内。例如，用于电化学双层电容器的盘绕型电极组可包含第一电极，所述第一电极包括具有相反主表面的第一集流体和在第一集流体的相反主表面中的每个主表面上形成的活性炭层；第二电极，所述第二电极包括具有相反主表面的第二集流体和在第二集流体的相反主表面中的每个主表面上形成的活性炭层；以及位于第一和第二电极之间的多孔隔膜，其中电极组的长宽比大于3.1。

在相关的实施方式中，电化学双层电容器的包装包含限定内部体积的外壳，所述外壳具有端壁、侧壁以及端盖，端盖构造成用于可密封地接合侧壁，从而围住内部体积，其中内部体积具有高度(h_罐体)和直径(d_罐体)，使得由h_罐体/d_罐体定义的长宽比在约3.1-15的范围内。

实施方式还涉及具有前述构造并且还包含活性炭的电化学双层电容器，所述活性炭具有高体积比电容。(电极组和相应包装)的总体几何形状可以是圆柱形，但其他包括长方形或长圆形截面的棱柱形状也包括在本发明的构思当中。

一种形成用于电化学双层电容器的盘绕型电极组的方法包括形成第一电极，所述第一电极包括具有相反主表面的第一集流体和在第一集流体的相反主表面中的每个主表面上形成的活性炭层；形成第二电极，所述第二电极包括具有相反主表面的第二集流体和在第二集流体的相反主表面中的每个主表面上形成的活性炭层；在第一电极与第二电极之间提供多孔隔膜；并将第一电极、第二电极和隔膜卷成盘绕型电极组，其中电极组的长宽比大于3.1。

在以下的详细描述中给出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的本发明而被认识。

应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都提出了本发明的实施方式，目的是提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图举例说明了本发明的各种实施方式，并与描述一起用来解释本发明的原理和操作。

附图简要说明

图1是来自比较EDLC和本发明EDLC的数据的拉贡(Ragone)图；

图2是根据各种实施方式的EDLC几何形状的示意图；

图3是显示示例性EDLC的未卷绕层的示意图；

图4显示了圆柱形EDLC的模拟尺度；

图5显示了圆柱形EDLC的边缘效应；

图6显示了圆柱形EDLC的简化模型；