本发明专利技术公开了用于在具有硫酸电解液的双电层电化学电容器中使用的集流器。该集流器使用具有ｐ型传导特性的传导碳（如石墨箔）基础部分。保护膜覆盖石墨箔基础部分的至少一部分。保护膜由用具有ｐ型传导特性的传导碳和传导有机聚合物制成的传导合成材料组成。保护膜生长在集流器基础部分上，使得其优选填充集流器基础部分的孔。集流器基础部分的接线片部分可用绝缘聚合物保护。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本申请要求2007年2月19日申请的美国临时申请60/890,581的权益。
技术介绍
本专利技术涉及电化学电容器尤其是双电层(EDL)电容器的集流器 技术及制造。本专利技术集流器可用于制造具有高比能和稳定能量特征的 电化学电容器。电化学电容器集流器(下文中称为"集流器") 一般己使用在特 殊水性及非水性电解质中稳定的金属和金属合金构造。例如，这样的 金属可包括Al、 Ti、 Ni、 Ag、 Nb、 Ta、 W、 Pb和Cu。尽管这样宽 范围的金属可在集流器中使用，但许多所述材料并不能提供宽范围的 电容器工作电压。尤其在电容器具有水性电解质时更是如此。因此， 采用所述材料的集流器的电容器可能遭受能量和容量参数劣化，可能 具有更大的储能成本，其应用因而受到限制。大多数前述金属的成本高是使用所述金属及其合金制造集流器 的另一负面方面。此外，为降低自放电、稳定能量参数和增加关联电 容器的循环寿命，在集流器中使用所述金属的高纯度版。这妨碍了与 电化学电容器制造有关的技术的开发并使这样的电容器很难大量生目前，各种活性碳材料最普遍用作电化学电容器的可极化负电极 的活性体，无论是连同水性电解质还是连同非水性电解质使用。当选 择/制造与具有活性碳活性体的电化学电容器电极一起使用的集流器时，通常考虑下述基本因素集流器和活性材料的电物理、电及电化 学参数；电极电位的工作范围；所使用电解质的性质；工作温度；运 行期间的参数稳定性；循环寿命；及成本。其表面受保护以免受电解质的任何负面影响的各种金属和金属合金常常用作具有活性碳活性体的电极的集流器。向集流器的表面施 加各种在电解质中稳定的传导涂层是普遍使用的保护方法。电化学电容器还可包括一个或多个不可极化正电极，如由二氧化 铅制成的正电极。普遍用于制造前述二氧化铅电极的集流器的材料， 尤其当所述电极连同水硫酸电解液使用时，例如可包括(a)铅及其 合金；(b)具有保护性涂层的各种铅合金；及(C)具有由耐酸清漆 浸渍的石墨箔制成的保护性涂层的钢。这些集流器也可在制造具有可 极化碳电极和水硫酸电解液的对称电化学电容器时使用。在水硫酸电解液中长期运行之后，在基于铅及含铅合金的集流器 的工作表面上将形成一薄层具有高比电阻和不稳定电参数的材料。使 用具有前述材料层的集流器可导致电容器的能量和功率参数、工作稳 定性、可靠性和循环寿命降级。因此，为确保电化学电容器将具有长的服务寿命和高度稳定的功 率参数，对用于遮蔽集流器而使其免遭因与某些电解质接触引起的降 级的保护性涂层有严格要求。 一方面，应当理解，很难开发具有适合 每一电容器的参数的通用保护性涂层。另一方面，对于每一具体的电 容器(来自大量类型的这些装置)，通常必须开发与电容器的所有特 有性质兼容的特殊保护性涂层。这导致关联集流器及电容器整体的成 本大大增加。此外，许多已知的保护性涂层对大多数电容器尤其是具 有水性电解质的电容器并不能给予长的服务寿命和稳定的能量及功 率参数。基于具有石墨箔保护性涂层的钢的集流器也众所周知。在这些集 流器同样具有某些缺陷的同时，消除所述缺陷将使可能大大提高电容器的能量和功率参数，尤其是提高其循环寿命。某一已知的集流器由钢板及约0.3mm厚的由耐酸聚合物浸渍的 石墨箔保护性涂层组成。保护性涂层在几个点粘合到集流器的钢基础 部分。在电容器组装该集流器之后，电容器被密封以确保电解质不与 集流器的钢基础部分接触。形成该己知集流器的保护性涂层的石墨箔具有多孔结构。为防止电解质渗透到集流器的钢基础部分的表面，所述箔的孔用在所选电解 质中稳定的聚合物清漆填充。由于保护性涂层仅在几个点粘合到集流 器的钢基础部分，在保护性涂层中即使只有单一贯穿孔或微裂痕也足 以使电解质逐渐弥漫钢集流器材料的整个表面。毫无疑问，电解质与 集流器的钢基础部分接触将导致其溶解和分解。在该溶解和分解期 间，组成钢基础部分的铁离子及其它成分转移到电解质将导致安装该 集流器的电容器的自放电电流大幅增加，及导致电容器的能量参数降 低和电容器加速损坏。这种已知集流器的其它明显缺陷包括保护性涂层的石墨箔的电 容量小，当电解质进入其孔中时，石墨箔开始部分运行为电容器的充 电/放电过程中的活性材料。在长期运行之后，该过程导致石墨箔结 构膨胀、机械参数低下及部分或全部分解。结果导致集流器及电容器 整体的电阻增加。还应注意，当用非传导聚合物浸渍该己知集流器的保护性涂层的 石墨箔时，聚合物与石墨箔的碳粒子接触并使其电阻增加。这也使集 流器及关联的电容器整体的电阻增加。集流器本身的特别设计是该已知集流器的另一缺陷。也就是说， 该已知集流器设计成在具有一个正电极板和两个负电极板的电容器 中使用。因此，该己知集流器经不起具有不同数量的并联连接的正和 /或负电极板的电容器中的使用检验。因此，该集流器不能用于产生 高电容量的电容器及产生可接受的能量和功率参数。为获得具有高储 能的电容器模块，并联及串联单元连接的使用实际上将导致仅具有一 个正电极板的电容器的比能和功率参数大大降低。因此，应当理解， 采用该已知集流器的前述电化学电容器具有低比能、低可靠性、不稳 定的能量参数、高储能成本、及短服务寿命。这样的电容器的低具体 参数大大限制了其应用范围。已知电极的活性材料及其集流器之间的接触电阻在确保电化学 电容器展现稳定的能量和功率参数方面扮演重要角色。电极的材料及 其集流器之间的电阻直接随所使用的材料及电解质的电物理参数而变。在电容器充电和放电期间，电子从电极的活性体传到集流器和/ 或从集流器传到电极的活性体。因此，为获得高功率及稳定参数的电 容器，必须确保电荷传送的能垒的高度最小及确保其在电容器工作期 间不变。通常用于制造可极化电化学电容器电极的活性材料(即活性碳粉末)主要为退化p型半导体，其Fermi水平(EF)处于价带中。在具 有这样的电极的电容器充电和放电期间，活性体的孔壁的近表面层中 及电极的活性体和集流器之间的接触区域中电荷载流子浓度发生变 化。这导致活性体的传导率值变化，该变化率与电容器的充电和放电 深度有关。具有高比电容量的电容器在充电和放电期间其电极的传导 率在宽范围中变化。如图1中所见，在电容器的电极高极化期间(为获得高电压和能 量)，在电极表面层中存在的传导类型发生变化。该变化在电极的活 性体1和集流器2之间的接触区域中出现，从活性体的侧面及在孔5 的孔壁的近表面层3中变化。该图表明，在具有S厚度的接触区域中 (及活性体的孔壁的近表面层中)的区带明显变形期间，Fermi水平 Ef高于传导区带的底部。这意味着，该区域中的材料为p型传导特性 的退化材料。这导致沿活性体的侧面的接触区域中出现p-n结。p-n 结的空间电荷的体积厚度和分布与固体电极材料的电物理参数、电解 质4及电极的电位有关。
技术实现思路
从前面的描述可明显看出，p-n结的参数在电容器充电和放电过 程期间变化很大。当用以制造集流器的材料的电物理参数相当不同于 电极活性体的电物理参数时，在活性体和集流器之间的接触区域中出 现异质结。当用以制造集流器的材料的电物理参数与电极活性体的电 物理参数类似时，在活性体和集流器之间的接触区域中出现同质结。 众所周知，相比于异质结，同质结展现降低的电阻。由于碳材料的禁用区本文档来自技高网...
【技术保护点】
用于在具有硫酸电解液的双电层电化学电容器中使用的集流器，包括： 用ｐ型传导特性的传导含碳活性材料制成的集流器基础部分；及 覆盖所述集流器的至少一部分并填充其孔的保护膜，所述保护膜进一步包括由具有ｐ型传导特性的传导碳粉和有机聚合物制成的传导合成材料。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：SA卡扎良，GG哈里索夫，VA卡扎罗夫，SN拉祖莫夫，SV利特维年科，
申请(专利权)人：通用超级电容器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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