专利名称：双极性超高电容器及其模组的制作方法
技术领域：
本发明是有关于一种同心卷绕加上侧边密封的双极性超高电容器(supercapacitor)，尤其为多个双极性超高电容器卷体在一容器的多隔间中组合，所形成的双极性超高电容器模组，以提供高电压与大电流。
背景技术：
电池为能量储存与能量供应的最常用的携带式元件。使用电池时，元件的两项功能特性，即使用时间与输出功率决定其实用性，尤其在车辆的应用上。为了获得长久的使用时间，电池的电极常制成粗厚，不然新型的电极材料即须被开发与印证，如同电池由铅酸演进成锂电池。相反于粗厚电极策略，细薄电极被用于电池的大电力输出，如美国专利号5,047,300；5,108,848；5,223,351与5,993,983所公开。前三篇专利中，粗厚与细薄电极一起封装于同一电池盒中。后一篇专利5,993,983号则以使用细薄电极的电池外加在原有电池上，作为电力推助器。类似的外加的电力推助器也被公开于美国专利号5,568,537；5,937,978与5,796,188中。电池的充放电包含化学反应，因此电池的电力输出基本上受制于反应速率。就反应时间而言化学反应比物理变化慢。故电池的电力输出小于电容器，因后者由如电荷聚集或表面吸附的物理变化来储能。理论上，电容器比使用细薄电极电池更适于作为粗厚电极电池的推助器，同时厚电池的使用时间也能被延长。
如同电池的功率密度低，电容器也有不足之处，例如能量密度低。讽刺的是，促使电容器具有高功率密度的物理变化，也就是电容器的低能量密度的原因。此种情形可用＂来得容易，去也容易＂形容。电容器的储能可用方程式1计算E＝(1/2)CV21
式中，E为以焦耳(J)为单位的储能，C为以法拉(F)为单位的电容量，V为以伏特(V)单位的电容器工作电压。显然地，增加C与V时，电容器的储能即变大。由于平方之故，V在改进电容器的能量密度上，其效益较C大。其次，电容器的电容量可用方程式2计算。方程式2描述C与电容器的电极材料的介电常数(K)，及以m2为单位的电极面积(A)成正比，而与以m为单位的两极间距(D)成反比。
C＝KA/D2为了提高C，开发出具高(K)值的电极材料，并以蚀刻或其他方法增加电极面积(A)。至于电极间距(D)，则以紧密的封装来缩小电极。超高电容器是一种使用具有极大表面积的材料如碳材，或具催化能力的金属氧化物，并透过电极与电解液介面上的物理变化来储存电能的电化学电容器。除了超高电容器，尚有其他称呼形容这种具有超大电容量的电容器。例如，使用碳材的元件被称为电双层电容器(electric double layercapacitor，EDLC)，而使用金属氧化物为超级电容器(ultracapacitor)。藉由大表面积，超高电容器能快速储存高达数千法拉的静电荷。
超高电容器虽能储存极大的电容量，但两极间，即阳极与阴极，所建立的电压只有1.0至3.0V，视使用水系或有机系电解液而定。事实上，超高电容器的低工作电压便是电容器所用电解液的溶剂的分解电压。一般而言，有机电解液的工作电压较水系高，但前者的导电度较低。当新电解液被广泛开发以提高其耐电压时，超高电容器的工作电压可由串联而简单迅速地提升。超高电容器的串联可用两种方式完成，一是许多电极整合成单一个电容器，如美国专利号5,450,279；5,955,215；6,055,764；6,187,061；6,449,139及6,507,479等所公开；另一是整合许多个已封装的电容器成为一电力模组，如美国专利号6,072,691与6,215,278所叙述。以上所引用的全部美国专利皆列为本发明的参考文献。然而，前述专利均有使用多个容器、使用长连接线、需多次封装以及组成单体的内阻(ESR)高低不一等缺点。
另外，还有两篇美国专利号5,450,279与6,005,764是采用双极性设计制作其电容器。不过两者均以堆叠法制作电容器。专利5,450,279还使用隔离袋、埋藏式隔离膜及埋藏式集电板，以产生双极效应，而专利6,005,764则很辛苦地堆叠许多电容器单元，例如以100对阳极与阴极获得100V的工作电压。所以堆叠法整合电容器将因为包含过多处理步骤，而降低产能并增加成本。尤有进者，在全部电极堆叠后，整叠常用两个端板夹住，再用螺钉与螺帽紧锁固定，而形成庞大与笨重的物品。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双极性超高电容器及其模组，以获得具有足够的能量密度的单一包装超高电容器，以满足应用的需求。
本发明的另一目的在于提供一种双极性超高电容器及其模组，以获得具有大表面积的超高电容器单元，并以高产能生产双极性超高电容器，使产品具有竞争力。
本发明的再一目的在于提供一种双极性超高电容器及其模组，以提升超高电容器单元的工作电压。
本发明的又一目的在于提供一种双极性超高电容器及其模组，以防止电气短路或电化学反应，使电容器的漏电流(LC)因而降低。
本发明的又一目的在于提供一种双极性超高电容器及其模组，以精简材料的使用，并且只要能符合应用所提供的空间，双极性超高电容器并无形状制作上的限制。
本发明的又一目的在于提供一种双极性超高电容器及其模组，以防止电极因超高电容器充放电时的机械运动而受到震动伤害。
根据上述与其它目的，本发明提出一种双极性超高电容器，包含一卷体，具有一上部，该卷体包括一阳极；一阴极，相邻于该阳极；至少一双极性电极，置于该阳极与该阴极之间；以及一隔离膜，配置于上述每一电极之后；一第一电气导体，连接位于该卷体该上部的该阳极的一端；以及一第二电气导体，连接位于该卷体该上部的该阴极的一端。
所述的双极性超高电容器，其中该卷体为圆筒型、椭圆型、方型其中之一。
所述的双极性超高电容器，其中该卷体四边均被一封边材料密封。
所述的双极性超高电容器，其中该封边材料为环氧树脂、聚丙稀酯、聚胺基甲酸乙酯或聚酯的族群其中之一。
所述的双极性超高电容器，其中该双极性电极相对于连接该第一电气导体该阳极的一边作用为阴极，而该双极性电极相对于连接该第二电气导体该阴极的另一边则作用为阳极。
所述的双极性超高电容器，其特征在于，其中该双极性电极与该第一电气导体以及该第二电气导体为电性隔绝。
本发明另外提出一种双极性超高电容器模组，包含一容器，具有复数个隔间；复数个卷体，置于该容器的该些隔间中，该些卷体具有一上部与一底部，且各该卷体包括一阳极；一阴极，相邻于该阳极；至少一双极性电极，置于该阳极与该阴极之间；以及一隔离膜，配置于上述每一电极之后；一可聚合的高分子，包覆上述每一电极与该隔离膜的起始端、上述每一电极与该隔离膜的尾端、该卷体的该上部以及该底部；一第一导线，连接位于该些卷体其中之一的该阳极的一端；一第二导线，连接位于该些卷体其中的一的该阴极的一端；以及复数条连接电线，连接该些卷体。
所述的双极性超高电容器模组，其中该些卷体为圆筒型、椭圆型、方型其中之一。
所述的双极性超高电容器模组，其中该可聚合的高分子为环氧树脂、聚丙稀酯、聚胺基甲酸乙酯或聚酯的族群其中之一。
所述的双极性超高电容器模组，其中该双极性电极与该第一导线、该第二导线以及该些连接电线是电性隔绝。
所述的双极性超高电容器模组，其中该容器还包括一上盖，用以气密封装；以及一底座，用以盛装该些卷体。
所述的双极性超高电容器模组，其中该容器材料为聚乙烯、聚丙烯、强化聚乙烯或强化聚丙烯的群组其中之一。
所述的双极性超高电容器模组，其中该上盖与该底座以一种填塞材料结合。
所述的双极性超高电容器模组，其中该容器所含的该些卷体经串联，并联或串并联后所形成的电容器，可在7.5V或更高的电压工作，并具有10F或更高的电容量，以及30mΩ以下的内电阻(ESR)。
本发明利用多数个电极在容器内部的串联，与公知多个已封装的电容器的串联相比，具有下列的优势1.前者只有用一个容器，后者使用多个容器，2.前者的连接线短或无需连接线，后者使用长连接线，3.前者只需一次封装，后者需多次，及4.前者具均匀的内阻或等效串联电阻(ESR)，后者的组成单体的内阻(ESR)高低不一。
此外，本发明所采用的双极性电极一面带正电，另一面则带负电。结构上，双极性电极系将电解液封存于各单一电容器的两电极间，且各电容器的电解液不能互相流通而形成的。因此，本发明比结合已封装的电容器个体来得经济与省事。再者，本发明可整合双极性超高电容器将带给使用者许多方便。获得具有足够的能量密度的单一包装超高电容器，以满足应用的需求。
而且，本发明可将所需数目的电极与隔离膜，一块同心卷绕成圆筒型或方型的双极性超高电容器。所以每个电容器均可依应用所需的电容量制作成适当的尺寸，且按电容器的盒子制成具有大表面积的双极性超高电容器单元。并且透过自动化机器，卷绕操作能以高产能生产超高电容器，使产品具有竞争力。
另外，本发明使用双极性封装法，能提升双极性超高电容器单元的工作电压。再者，进行电极与隔离膜的同心卷绕时，本发明是以一种可聚合的高分子作四次的封边。封边不仅可将电解液封存于各单元电容器的两电极间，还可使电极的侧边绝缘，防止电气短路或电化学反应，使电容器的漏电流(LC)因而降低。
此外，本发明利用将所需数目的双极性超高电容器单元置入等数的隔间中，再整合所有单元成为具有足够的能量密度的模组。所以当一应用所需的电力为已知时，所需的隔间数目与各隔间室的尺寸即能确定。
接著，因为本发明的双极性超高电容器是按所需制作，精简材料的使用。只要能符合应用所提供的空间，超高电容器并无形状的制作上的限制。
再者，本发明因为利用一种可聚合的填塞材料气密地封住电容器的容器，完成双极性超高电容器的整合。而且，填塞材料能有效地配合封边，共同襄助电极对抗超高电容器模组充、放电时的机械运动所产生的震动伤害。此外，填塞材料能提供的机械强度，不亚于螺钉与螺帽所能造成的强度，还较旋扭螺帽简单迅速，而提供一种永久性的固定。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下图1显示本发明的一第一实施例的双极性超高电容器的立体示意图；图2显示双极性超高电容器卷体的一种手动卷绕机；图3显示本发明的一第二实施例的高能量密度双极性超高电容器模组的立体示意图；图4为图3所显示的双极性超高电容器模组完成封装后的立体示意图；以及图5为图4所示的双极性超高电容器模组范例在四种不同放电速率下的放电曲线。
具体实施例方式
超高电容器被积极地于两个领域中持续开发，一个是元件的升级，另一为电容器的创新应用。没有强力与便宜的超高电容器，应用便无法落实。人们为改善超高电容器的储能付出无数心力。超高电容器的电容量与电压须同时达到应用所需的水准，否则元件即无法推动该负载。然而，单一超高电容器常被制作只能在3.0V下，或更准确地说2.3至2.5V操作，而该电容器的电容量可能超过1000F。许多应用，例如电脑的储存器的备用电源与车辆的内燃机，需要3.0V以上的推动电压，但所需电容量往往小于1000F。对使用者而言，这是个尴尬的情况。他必须串联2个2.5V的电容器，以进行只需3.0或3.3V的工作。如此作法不仅费用高，工作空间可能无法容纳两颗电容器。只要能把单元超高电容器的工作电压从2.5提升至5.0V，将产生无限利益。透过巧妙的封装方法，单元超高电容器可比传统封装法使用较少的材料下，轻易变成5.0V或更高的工作电压。
第一实施例图1显示本发明的一第一实施例的双极性超高电容器的立体示意图。请参照图1，拉长的方型双极性超高电容器卷体100是以一个阳极102、一个阴极104、一个双极性电极109，及3个隔离膜103同心卷绕而成，且卷体100有一上部110。卷体100中的每一电极并以点焊或钳压连接一个电气导线，如位于卷体100上部110的阳极柄106与阴极柄108。而制作电极102、104与109的方法譬如是将便宜的活性材料如活性碳，Fe3O4，MnO2或NiO的浆料以滚轮涂布于如20至100微米厚的铝箔上，接著用热干燥而成。另外，多孔材料如牛皮纸，聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)，以20至100微米的厚度可作为隔离膜103，用于防止短路并储存电解液。当卷体100以一种电解液，如1M四乙基铵四氟化硼((C2H5)4NBF4)的碳酸丙稀(PC)溶液，加以浸渍即可被充电至2.5V工作电压。至于卷体100的电容量，则决定于电极面积或所用电极的长度与宽度。
请再参照图1，如果在卷绕操作的进行中或完成后，对卷体100的四边施行封边，便可产生双极性超高电容器单元卷体。在同心卷绕3张电极102、104、109与3张隔离膜103的起始，6张物体的前端便以一种可聚合的高分子(未显示)，例如环氧树脂，聚丙稀酯，聚胺基甲酸乙酯或聚酯，经聚合反应后而结合成一体。如此聚集即是双极性封装中的第1个封边。其次，在卷绕操作完成且卷体100以一胶带(未显示)固定后，6张物体的尾端再以同一封材结合成为第2个封边。接著，可用同一高分子密封卷体100的底部，而具有突出电极柄106、108的上部110则在注射电解液含浸隔离膜后，再完成密封。封边高分子的聚合时间可由配方的修改，而调整以利封边的进行。如此，电解液即因封边而密封于卷体100中。若电解液为1M(C2H5)4NBF4/PC或其他合适的有机溶液，所制作的电容器便可在5.0V下操作。事实上，上述的封边可使两个单元电容器在无连接线下，于卷体中形成串联。因为相对于阳极102，双极性电极109的相对面作用为阴极，双极性电极109的另一面相对于阴极104，其功能即为阳极。阳极102，阴极104及双极性电极109均以相同材料与方法制作。倘若更多的双极性电极安置于阳极102与阴极104之间，则一个单元超高电容器便可在5.0V以上工作。
一个5.0V卷绕型双极性超高电容器的卷体100中，包含3张电极与3张隔离膜。若要获得同样5.0V的工作电压，两个传统的2.5V超高电容器即须以一连接线串联。在两个传统电容器的串联中，共使用4张电极与4张隔离膜，以及两个容器。因此，同样建造5.0V工作电压的超高电容器，双极性封装法比传统方法使用较少的材料。再者，由于隔离膜包藏大部份的电解液，而电解液为超高电容器中最贵的成份，因此使用愈多的隔离膜，将使超高电容器的材料成本愈高。双极性封装还有另一效益，那就是封边可使在制作过程中可能被曝露的基材金属绝缘，超高电容器可因该金属与系统中可能含有的活性杂质(如水份)的反应被防止而降低漏电流。
图2显示制作如100的双极性超高电容器卷体的一种手动卷绕机200。在不指明尺寸下，卷绕机200可看出含有以金属块212作为主体，其下为一砧板211供在桌面上固定用(固定螺帽未显示)。主体212两边有侧板201，以六角螺丝202固定于主体上。直尺204上装设摇杆203可供手动旋转，以及夹缝205以夹住电极与隔离膜的前端。用转板207，档板209，固定块208及以固定螺丝210，直尺204可稳稳地横跨在卷绕机200的两侧边上。卷绕时，一方面靠夹缝205固定电极与隔离膜的起始端，另一方面以手抓著电极与隔离膜的后端而产生的张力，引导轮206可襄助电极与隔离膜形成平整的卷体。当卷绕操作完成时，卷体可因摇杆被拉向右手边而脱落。施加高分子作封边，以及贴胶带对卷体作压缩均为手动操作。不过，全部的手动操作包括卷绕，封边，电气导针的钉接与贴胶带均可变成自动化。手动卷绕机200只是用以清晰说明本发明的目的，而非申请为一种量产工具。如同100的电容器卷体的直径(最长的方向)与高度，可各由直尺的宽度与其位于卷绕机的左侧边外的长度决定。卷体的第3个尺寸，即卷体厚度，则易从摇杆203的旋转圈数加以控制，而卷体厚度可决定所制作的电容器的电容量。
第二实施例图3则显示本发明的一第二实施例的高能量密度双极性超高电容器模组的立体示意图。请参照图3，双极性超高电容器300利用一如盒状铅酸容器的容器310，其中含有数个隔间312，且容器310的材料包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、强化聚乙烯或强化聚丙烯，而于本图是6个隔间。每一隔间312里放置一个利用如图2所制作的拉长的方型卷体340。上述的每个电容器卷体340是以尽量使用每个隔间312的空间而制作。接著，6个电容器卷体340由连接电线350进行串联，形成高能量密度模组，其中包括作为阳极导线320与阴极导线330在内，所有的电线必须能传导大电流，例如几百安培。若电容器卷体340为使用有机电解液的传统型态，则双极性超高电容器模组300可在15V操作。不过，若电容器卷体340是以双极性封装法制作，那么双极性超高电容器模组300便可在30V操作，只是其电容量将小于使用传统型的卷体。由方程式1E＝(1/2)CV21式中，E为以焦耳(J)为单位的储能，C为以法拉(F)为单位的电容量，V为以伏特(V)单位的电容器工作电压。几个等电容量的电容器串联时，电极间距(D)即增加n倍，因此串联模组的电容量，即等于单一电容器的电容量除以n。使用相同的材料系统与电极面积下，含有一个双极性电极的双极性超高电容器，至少应有非双极性的电容器的一半电容量。另一方面，由于工作电压加倍，根据方程式2，C＝KA/D 2式中，K为介电常数，A为以m2为单位的电极面积。双极性电容器应具有非双极性的电容器的2倍储能。不同于材料开发须经长时间与无数投资方能提升超高电容器的工作电压，串联乃是一种快速提升电容器的工作电压的方法。不过，串联常使一个串联系统的可靠度降低。若成员有一失效，整个系统便跟著失效。因此，串联须以最少数目的成员与最少数目的连接元素来进行。本发明的双极性封装法只利用一个双极性电极，便可串联两个单元电容器成为单一元件，而工作电压为非双极性电容器的2倍。双极性元件乃是进行如图3所示的进一步串联，以获得更高工作电压的有力基石。
而图4为图3所显示的双极性超高电容器模组完成封装后的立体示意图。请参照图4，将盖子420置于容器410的上面，即可得到组装完成的双极性超高电容器模组400。在盖子420上，尚有正极接点430与负极接点440，该两接点各与导线320与330相连接，以对各种负载提供不同电力。上盖420与底座410均用一种弹性材料制作，例如聚乙烯(PE)，聚丙烯(PP)，强化PE或强化PP。在以高分子对卷体340的底端密封时，该聚合物也可置于底座410的每个隔间里，如此每个电容器模组400的组成素子便可免除电容器充放电时的震动伤害。无须利用螺钉与螺帽，上盖420与容器410底座可借助与前述封边材料类似的填塞(potting)材料来结成一体。此外，双极性超高电容器模组400除须同时具备所需的电容量与工作电压，它也须具有低ESR来工作。高ESR会降低超高电容器的输出电力至无用的水准。以同心卷绕，封边与固底，双极性超高电容器模组400的电极能被紧压而降低电容器的ESR。因此，利用本发明很容易制作具有1F以上电容量，5V工作电压，以及30mΩ以下ESR的圆筒型或方型的超高电容器。
下面的实例是作为显示举例而用，而非限制本发明。
实例以如图2的手动卷绕机200制作6个拉长的方型卷体。利用一个长11cm，宽6.6cm，高8.5cm具有6个隔间的铅酸电池盒，每个隔间的容积为1.6×6.3×7cm，来盛装上述6个电容器卷体。各卷体含有2个电极与2个隔离膜，且卷体尺寸与隔间的容积相同。以如1M(C2H5)4NBF4/PC的有机电解液浸渍各电容器卷体后，全部卷体进行串联与封装，形成如图4所示的15V×32F的超高电容器模组。前述电容器虽以手工粗略制作，它也能产出如图5所示的四种放电速率下的美好放电曲线。在总重550g与测得的瞬间电流为170A下，本实例的双极性超高电容器具有4.6kw/kg的功率密度实验值。前述电力可用于许多应用，包括汽车的起动。
虽然本发明已以较佳实施例描述如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺人士，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视申请专利范围所界定的为准。
权利要求
1.一种双极性超高电容器，包含一卷体，具有一上部，该卷体包括一阳极；一阴极，相邻于该阳极；至少一双极性电极，置于该阳极与该阴极之间；以及一隔离膜，配置于上述每一电极之后；一第一电气导体，连接位于该卷体该上部的该阳极的一端；以及一第二电气导体，连接位于该卷体该上部的该阴极的一端。
2.如权利要求1所述的双极性超高电容器，其特征在于，其中该卷体为圆筒型、椭圆型、方型其中之一。
3.如权利要求1所述的双极性超高电容器，其特征在于，其中该卷体四边均被一封边材料密封。
4.如权利要求3所述的双极性超高电容器，其特征在于，其中该封边材料为环氧树脂、聚丙稀酯、聚胺基甲酸乙酯与聚酯的族群其中之一。
5.如权利要求1所述的双极性超高电容器，其特征在于，其中该双极性电极相对于连接该第一电气导体该阳极的一边作用为阴极，而该双极性电极相对于连接该第二电气导体该阴极的另一边则作用为阳极。
6.如权利要求1所述的双极性超高电容器，其特征在于，其中该双极性电极与该第一电气导体以及该第二电气导体为电性隔绝。
7.一种双极性超高电容器模组，包含一容器，具有复数个隔间；复数个卷体，置于该容器的该些隔间中，该些卷体具有一上部与一底部，且各该卷体包括一阳极；一阴极，相邻于该阳极；至少一双极性电极，置于该阳极与该阴极之间；以及一隔离膜，配置于上述每一电极之后；一可聚合的高分子，包覆上述每一电极与该隔离膜的起始端、上述每一电极与该隔离膜的尾端、该卷体的该上部以及该底部；一第一导线，连接位于该些卷体其中之一的该阳极的一端；一第二导线，连接位于该些卷体其中的一的该阴极的一端；以及复数条连接电线，连接该些卷体。
8.如权利要求7所述的双极性超高电容器模组，其特征在于，其中该些卷体为圆筒型、椭圆型、方型其中之一。
9.如权利要求7所述的双极性超高电容器模组，其特征在于，其中该可聚合的高分子为环氧树脂、聚丙稀酯、聚胺基甲酸乙酯与聚酯的族群其中之一。
10.如权利要求7所述的双极性超高电容器模组，其特征在于，其中该双极性电极与该第一导线、该第二导线以及该些连接电线是电性隔绝。
11.如权利要求7所述的双极性超高电容器模组，其特征在于，其中该容器还包括一上盖，用以气密封装；以及一底座，用以盛装该些卷体。
12.如权利要求11所述的双极性超高电容器模组，其特征在于，其中该容器材料为聚乙烯、聚丙烯、强化聚乙烯与强化聚丙烯的群组其中之一。
13.如权利要求11所述的双极性超高电容器模组，其特征在于，其中该上盖与该底座以一种填塞材料结合。
14.如权利要求11所述的双极性超高电容器模组，其特征在于，其中该容器所含的该些卷体经串联，并联或串并联后所形成的电容器，可在7.5V或更高的电压工作，并具有10F或更高的电容量，以及30mΩ以下的内电阻。
全文摘要
一种双极性超高电容器及其模组，数个电极与隔离膜被一起同心卷绕，并被密封侧边而形成圆筒型或方型的双极性超高电容器。由于卷绕操作可提供高电容量所需的大表面积，而双极性封装加上使用有机电解液，单－双极性超高电容器卷体的最低工作电压可为5V。双极性卷体为组装超高电容器模组的有力建造基石。由具多隔间的容器，置入应用所需的多个双极性超高电容器卷体，即可在其中进行串联，并联或串并联的整合制得高能量密度的整合超高电容器模组。
文档编号H01G9/00GK1538469SQ0312252
公开日2004年10月20日 申请日期2003年4月18日 优先权日2003年4月18日
发明者薛立人, 郑俊升, 张宗熙, 李莉频, 罗万铤, 黄昆福 申请人:友昕科技股份有限公司