具有不均匀单元几何形状的蜂窝混合型电容器制造技术

一种混合型电容器包括：不导电刚性或半刚性多孔蜂窝结构，该结构具有沿一共同方向延伸的单元，其中各单元具有多个横截面形状。该蜂窝结构期望由在３００℃或更高的温度下稳定的材料形成，使得可将高温处理用于帮助保证最终产品的高纯度。该结构的材料期望是氧化物或非氧化物陶瓷，诸如堇青石、氮化硅、氧化铝、钛酸铝、锆石、玻璃以及玻璃陶瓷。单元的多种形状包括其中设置非电流电极的较大的形状，而电流电极设置在其它形状的单元中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般涉及混合型电容器，尤其涉及采用带有不均匀单元几何形状的蜂 窝分离器结构的高能量密度和高功率密度混合型电容器，以及其制造方法。
技术介绍
超级电容器通常也被称为双电层电容器，它潜在地用于期望或需要脉冲功率或功率均匀化(powerleveling)的很多应用。这些应用的范围从诸如蜂窝电话之类的 小设备直到诸如混合动力汽车之类的大设备。期望一种具有类似于超级电容器的功率密度但具有增加的能量密度的器件， 于是研发出了混合型电容器。在如此处使用的超级电容器中，电极是非电流电极， 意味着它们不会在器件的预期工作电压范围内经历相关联的电解质溶液中的感生 电流反应。此处使用的混合型电容器除包括至少一个非电流电极外还包括至少一个 电流电极。目前已知混合型电容器的能量密度和功率密度不如包括混合动力汽车的各种 应用通常期望的那样高。因此期望一种耐用、易于制造、高能量密度和/或高功率 密度的器件。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面， 一种超级电容器器件包括不导电刚性或半刚性 多孔蜂窝结构，该结构具有沿共同方向延伸的单元，其中各单元是不均匀的几何形 状。可将各单元的大小和/或大小差优化以用于特定的混合型电容器化学性质。各 单元期望在垂直于共同方向的平面内的每单位面积的平均密度超过每平方厘 米15.5。平均密度可以更高平均每平方厘米高达31、 62或甚至124或更多 的单元。本专利技术的多孔蜂窝结构期望由在30(TC或更高的温度下稳定的材料形成， 使得可将高温处理用于帮助保证最终产品的高纯度。该材料期望是氧化物或非氧化物陶瓷，诸如堇青石、氮化硅、氧化铝、钛酸铝、锆石、玻璃以及玻璃陶瓷。 根据本专利技术，电极包含在单元中并沿单元延伸，这些电极中的至少某些是高 表面积非电流电极，而其它的是非电流电极。电解质经由多孔蜂窝结构的孔与电极 接触。在本专利技术的一个变型中，可将用作集电器多孔导电层支承在蜂窝结构单元的 内表面上，且可薄至20微米甚至5微米。在本专利技术的该变型的选择版本中，导电 层可支承在内表面的一部分上，诸如单元的内表面的角落处。作为本专利技术的另一个 变型，可将导线或引脚插入蜂窝结构的单元中以用作集电器。在本专利技术的另一个方面，提供了用于制造本文所述的专利技术器件的方法。本专利技术的另外的特征和优点将在以下的详细描述中阐述，并且本领域的技术 人员在从说明书或通过实施本文所述的专利技术认识到部分特征和优点，说明书包括以 下的详细描述、权利要求书以及附图。应理解对本专利技术的实施例的以上的一般描述和以下的详细描述旨在提供对要 求保护的专利技术的本质和特性的理解的概述和框架。包括了附图以提供对本专利技术的进 一步的理解，并且附图结合到说明书中并构成该说明书的一部分。附图示出了本发 明的各实施例，并与说明书一起用于解释本专利技术的原理和操作。附图简述附图说明图1是根据本专利技术的混合型电容器的横截面示意图； 图2是根据本专利技术的混合型电容器的另一个实施例的横截面示意图； 图3是在本专利技术的器件和方法的某些实施例中使用的蜂窝分离器结构的一个 实施例的立体图；图4是在本专利技术的器件和方法中的某些中使用的引脚阵列结构的一个实施例 的立体图；图5是示出在本专利技术的上下文中使用的集电器的一个实施例的正视立体图；图6是示出在本专利技术的上下文中使用的集电器的另一个实施例的正视立体图；图7是在本专利技术的上下文中使用的单元几何形状的横截面示意图；图8是在本专利技术的上下文中使用的另一个单元几何形状的横截面示意图；图9是在本专利技术的上下文中使用的又一个单元几何形状的横截面示意图；图10是与以上的图5中表示的结构类似的抛光横截面结构的扫描电子显微镜 (SEM)背散射电子图像，该图像的放大倍率是250X。优选实施例的详细描述现在详细参考本专利技术的优选实施例，其例子在附图中示出。只要有可能，相 同的附图标记在各附图中指示相同或相似的部件。图1示出根据本专利技术的混合型电容器OO的一个实施例的横截面。混合型电容 器IO形成于刚性或半刚性陶瓷或聚合物蜂窝结构12之上和之中，参见图1的仅为横截面的图，且蜂窝的各单元沿图中向左和向右的方向延伸。蜂窝结构12是多孔的以允许电解质渗透蜂窝结构内的相邻单元之间的壁，以便使相对电极经由细孔接触。如图1所示相邻单元按要求在单元的相对端部由塞14来阻塞。可将集电器按要求设置成多孔导电层16和18的形式，它可采用涂覆或沉积 金属层或另外与蜂窝结构12的壁相符的形式。导电层16和18被构造成避免延伸 穿过蜂窝结构12的多孔壁，使得除经由釆用的电解质外蜂窝结构12内的相邻单元 之间没有电接触，即，导电层16和18之间没有接触。由蜂窝结构12的壁限定的某些蜂窝单元(图1的横截面中所示实施例中的每隔 一个单元)包括与集电极接触并以电解质溶液充满的高可及表面积非电流电极材料 20，该溶液还渗透导电层16和18以及由蜂窝结构12限定的多孔壁。本专利技术中使 用的电解质包括例如诸如H2S04、 KOH之类的含水电解质以及诸如丙烯碳酸酯或 乙腈中的四乙铵四氟硼酸盐之类的基于有机溶剂的电解质以及本领域中已知的其 它电解质。非电流电极材料20在器件的预期工作电压范围内不经受所选的电解质溶液中 的感应电流反应。这种非电流电极材料期望是包含活性碳和/或碳纳米管、碳气凝 胶粉末以及石墨粉、碳黑、碳纳米纤维等中的一种或多种的碳膏，选择地具有诸如 含氟聚合物之类的粘合剂。由蜂窝结构形成的至少某些单元(图1所示的实施例中的每隔一个单元)填充 有与另一个集电器接触的化学活性电极材料21。本领域中已知的且在制造混合型 电容器中使用的这种化学活性或电流电极材料包括例如氧化铁、氧化钌、氧化 铅、氧化锰以及钛酸锂。导电填充剂和粘合剂两者都是可选的。粘合剂如果存在的 话可以是含氟聚合物或其它适当的材料。为了优化混合型电容器的性能，非电流电极材料20的期望体积一般按比例地 大于电流电极材料21的期望体积。因此，根据本专利技术蜂窝结构12具有不均匀的单 元几何形状，这种不均匀的单元几何形状在图1所示的本专利技术的实施例中使得含有非电流电极材料20的单元的横截面积和总体积大于含有电流电极材料的单元的横 截面积和总体积。蜂窝结构的强度和耐久性可在器件的有效寿命中保持非电流和电 流单元之间的期望的体积比。蜂窝结构具有非常大的表面面积与体积比，允许实现电荷经由电解质穿过结构12的壁的容易的迁移。此外，蜂窝结构12的开放体积分数(内部单元体积比结 构占据的总体积)可通过控制壁厚度和单元密度来控制。蜂窝分离器结构的使用在 完整器件中不仅提供分离还提供结构强度和完整性。尽管蜂窝结构12可包括热塑性和/或热固性聚合物，诸如PTFE(聚四氟乙烯)、 PVDF(polyvinyledene fluoride)、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、环氧树脂、酚醛树脂 等，但蜂窝结构更理想地由以下材料制造(l)陶瓷材料，诸如堇青石、氧化铝、钛 酸铝、莫来石、锆石、玻璃或玻璃陶瓷，或者(2)任何其它的氧化物或非氧化物陶 瓷，例如，SiC、 Si4N4，它们几乎是不导电的。这些陶瓷可容易地承受30(TC或更 高的处理温度。这非常重要，因为一般的超级电容器和混合型电容器化学性质对电 解质或电极材料中的任何杂质非常敏感。具体地，最高性能的有机电解质溶液对水 非常敏感，且仅在没有水本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混合型电容器器件，它包括：不导电刚性或半刚性多孔蜂窝结构，所述结构具有沿一共同方向延伸的单元，所述单元具有多个横截面形状；包含在第一多个所述单元和第二多个所述单元中并分别沿第一多个所述单元和第二多个所述单元延伸的多个第一电极和多个第二电极，所述第一电极是非电流电极，所述第二电极是电流电极；以及经由所述多孔蜂窝结构的孔与所述多个第一电极和所述多个第二电极相互接触的电解质。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2005-7-30 60/703,9231.一种混合型电容器器件，它包括不导电刚性或半刚性多孔蜂窝结构，所述结构具有沿一共同方向延伸的单元，所述单元具有多个横截面形状；包含在第一多个所述单元和第二多个所述单元中并分别沿第一多个所述单元和第二多个所述单元延伸的多个第一电极和多个第二电极，所述第一电极是非电流电极，所述第二电极是电流电极；以及经由所述多孔蜂窝结构的孔与所述多个第一电极和所述多个第二电极相互接触的电解质。2. 如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述多个横截面形状包括较 大的横截面面积形状和较小的横截面面积形状，且其中非电流电极被设置在具 有较大横截面面积形状的单元中。3. 如权利要求1和2中的任一项所述的器件，其特征在于，所述单元在 垂直于所述共同方向的平面内的每单位面积的平均密度至少为每平方厘米31。4. 如权利要求1至3中的任一项所述的器件，其特征在于，所述蜂窝结 构包括氧化物或非氧化物陶瓷材料。5. 如权利要求4所述的器件，其特征在于，所述陶瓷材料是堇青石、氮化 硅、氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：RJ布尔希尔，KP加德卡里，MD帕蒂尔，H沈，MJ索里尔，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]