一种高性能双极性超电容器制造技术

一种高性能双极性超电容器，包括至少二电极片叠置，电极片由金属基材所构成，电极涂布在金属基材平面上。电极置于金属基材平面的中央，留出金属基材周边边缘，在电极平面边缘至少开有一填充孔，第一胶体涂布在电极周围并构成环状缺圆弧角形状，第二胶体涂布在紧邻第一胶体外围，厚度高于第一胶体，电极片以填充孔作基准而叠置，其间置入隔离膜，第三胶体涂布在叠置后的电极片周围。本实用新型专利技术解决目前漏液可靠度及低效率商业量产难题，增加产品良率，提升组件储能运作寿命，并降低生产成本。本实用新型专利技术将能彻底解决量产瓶颈，构造高可靠度、高效率的储能组件。本实用新型专利技术可依客户需求，以不同单元层数及电极面积调整规格，有利商业上生产线的制造。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及电容器，特别是一种双极性构造的高性能超电容器。
技术介绍
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Ru02、Ir02、 Co3O4, MoO3> WO3 和 molybdenum nitride 等；(2)导电性高分子薄膜，如 polyaniline, polypyrrole,禾口 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。其中漏液与单元均勻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IV (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IV，电容量为IF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IV。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IV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。然而上述双极性的构造在可靠度及制作效率都有严重的瑕疵，在可靠度上首先因电极三维连接孔洞，造成侧面漏液问题。其次是电极片间距离不一，造成蓄电单元高度不同。当超电容充放电时，单元无法均勻分担电压，而造成膨胀或爆裂问题。在制作效率上 由于垫圈(垫片)的设置、条棒的摆放与抽取及封口埠的预留与封口都造成量产效率的迟缓。超电容的高电容量特性主要来自电极片表面孔洞的高表面积，而孔洞可以二维或三维结构联接或独立孔洞存在，如图5所示。孔洞依大小可分成小于10 μ m的微孔，大于 50 μ m的巨孔及介于中间的中孔。对于超电容的储电机制，微孔是无效的，而中孔尺寸最合适。由于孔洞三维联接，将造成电容组件侧漏，如图5所示，电极表面孔洞A易以封胶阻挡电极边缘，但与侧面连通的内层孔洞难以封止。纵然在电极周围涂布胶体，低粘度胶体浸入孔洞内，仍无法防止侧漏。这是因为电极周围孔洞，不全然由垂直方向连通到底。在电极层中，有些孔洞并不和电极表面连通，而和旁边上方或下方连结，电解液就由这些通道侧漏。此外，在高工作电压操作下，每个超电容单元分担相同的电压。当个别电压超过单元所能负荷，电容器就开始膨胀、漏液进而破裂。为使超电容单元均勻负担电压，每个单元组成构造应相同。其中电极片距离是相当重要参数，距离是由电极片间的胶体或垫圈控制。 现有技术中有的使用胶体，在具有孔洞的电极片上点胶或网印作为隔离电极片并控制超电容单元高度。由于胶体是建立于深度不一的孔洞电极的上，胶体的高度难以均一管控，造成每一单元高度不同，进而影响多层单元高度。例如一个单元有10 μ m的高度差，100V的超电容可能Imm误差，对于高工作电压超电容的均压将有严重影响。也有的是使用垫圈控制单元高度，此方法也是先以低粘度封胶浸入电极孔洞，再辅以垫圈控制单元高度，但也因孔洞上胶难以控制厚度，亦使垫圈失去准确度。造成单元高度不一，影响各单元。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是克服上述现有技术中所存在的缺陷，本技术提供一种一种高性能双极性超电容器。本技术技术方案如下一种高性能双极性超电容器，包括至少二张储能电极片的叠置，每张电极片由金属基材所构成，其电极经涂布或附着于金属基材的两个平面上，其特征在于电极平面小于金属基材平面并置于金属基材平面的中央，留出金属基材周边边缘，在电极平面的边缘开有至少一个用于填注电解液的填充孔，第一胶体涂布在电极片的电极周围并构成环状缺圆弧角形状，第二胶体涂布在紧邻第一胶体外围，其厚度高于第一胶体，电极片以填充孔作基准而叠置，其间置入隔离膜，第三胶体涂布在叠置后的电极片周围。本技术所述的金属氧化物一种高性能双极性超电容器具有瞬间高功率特性， 其电极经涂布或附着于金属导电基材上。金属基材可以为钛、钽、铌、锆、铁、铜、铅、锡、镍、 锌或彼此混合物。可以选择锡、铅、钒、钛、钌、铑、钽本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈勇，易润忠，陈彪，田广东，覃章健，罗俊海，蔡阳波，
申请(专利权)人：南京龙渊微电子科技有限公司，
类型：实用新型
国别省市：