电化学双层电容器的排气组件的制作方法
【专利摘要】电化学双层电容器的容器包括：外壳；适于偶联到外壳的帽部分；通过外壳或帽部分之一的孔；以及与容器流体地连通并固定在孔内的排气组件。外壳和帽部分限定容器的内部空间，至少一部分的排气组件位于容器内部空间内。
【专利说明】电化学双层电容器的排气组件
[0001]相关申请的交互参照
[0002]本申请根据35U.S.C.§ 120要求对2011年11月23日提交的美国专利申请系列N0.13/303517的优先权益，本文依赖于该申请的内容，并以参见方式引入其全部内容，该申请N0.13/303517根据35U.S.C.§ 119要求对2011年9月30日提交的美国临时专利申请系列N0.61/541，521的优先权益，本文依赖于该申请的内容，并以参见方式引入其全部内容。
【技术领域】
[0003]本发明总的涉及电化学双层电容器的排气组件。
【发明内容】
[0004]双层电容器或超电容器是电化学能量储存器件，其显现出比其他类型电化学电容器更高的能量密度。然而，当电化学双层电容器以其额定电压充电，随时间推移，气体可在装有电容的容器内产生。该气体的产生是不理想的化学和电化学反应的副产物，其会在储存、充电和放电该电化学双层电容器时发生。气体的发生可趋于增加容器的内压。
[0005]为了释放电化学双层电容器的装有电极和电解液的容器内形成的内压，可将排气组件纳入该容器内。该排气组件可相对于容器布置，使得排气组件不增加容器的外部尺寸。尽管本发明的概念主要参照可重密封的排气组件进行描述，但也可构思，本文披露的排气组件也可以呈不可重密封的爆破阀组件。在一个实施例中，排气组件可包括大致位于容器中心线的排气管，它延伸入容器的内部空间内。在该实施例中，排气组件可包括将偏置力施加到球上的压缩弹簧，该弹簧趋于密封该球抵住阀座。当容器内压力增大时，该压力可压缩该压缩弹簧，并使球平移离开阀座，由此，允许流体流过排气孔。当容器内压力降低时，在压缩弹簧对着阀座平移球时，排气组件形成密封。在另一实施例中，排气组件可包括定位在容器内的爆破盘，爆破盘与排气管流体地连通，这样，在过压的情况下，容器内的流体冲破爆破盘，并通过排气管排出。
`[0006]本文构思的排气组件还可提供传热路径，其允许热量从电极和电解液排放到容器的外表面。
[0007]鉴于以下结合附图的详细描述，将会更完整地理解本文所述的由实施例提供的上述的和另外的特征。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]附图中阐述的实施例在本质上是说明性的和示范性的，并不意图限制权利要求书所定义的主题。当结合以下附图来阅读时，便可理解以下说明性实施例的详细描述，附图中，同样的结构用同样的附图标记表示，且附图中:
[0009]图1示出电化学双层电容器剖切的立体图，该电容器包括具有根据这里所示和所述的一个或多个实施例的排气组件的容器；
[0010]图2示出沿着图1中线A-A剖切的电化学双层电容器示意是侧视剖视图，该电容器包括具有根据这里所示和所述的一个或多个实施例的排气组件的容器；
[0011]图3示出电化学双层电容器示意的侧视剖视图，该电容器包括具有根据这里所示和所述的一个或多个实施例的排气组件的容器；以及
[0012]图4示出电化学双层电容器示意的侧视剖视图，该电容器包括具有根据这里所示和所述的一个或多个实施例的排气组件的容器。
【具体实施方式】
[0013]这里所述的实施例涉及用于电化学双层电容器(EDLC)的排气组件。该EDLC包括容器，电极和电解液设置在该容器内。该EDLC还包括与电解液流体地连通的排气组件。本文构思的排气组件可包括可重密封的阀组件，阀组件包括球和使球密封抵靠住阀座的压缩弹簧。当容器内压力由于容器内化学反应而增大时，容器的内压将打开力施加到球上，球趋于压缩该压缩弹簧。当打开力超过压缩弹簧施加到球上的偏置力时，球从关闭位置移动到打开位置，允许流体排出密封的容器之外。在其他的实施例中，排气组件可包括位于EDLC容器内并与排气管流体地连通的爆破阀组件，这样，从密封的容器中排出的任何流体通过排出管流出。
[0014]参照图1和2，EDLC200包括具有流体密封的储存器214的容器210。在所示的实施例中，容器210包括外壳212，该外壳212具有内腔213和帽部分216，帽部分216连接到外壳212或与外壳做成一体。外壳212和帽部分216 —起形成流体密封的储存器214，双层电容器单元400可插入在该储存器214内。双层电容器单元400被液体的电解液包围，电解液填充在流体密封的储存器214内的任何空隙。容器210的内部空间215被定义为容器210这样的区域，其至少部分地被内腔213和帽部分216包围。容器210的外部空间211被定义为容器210这样的区域，其由外壳212和帽部分216的面向外表面形成。外壳212或帽部分216之一包括孔218，其形成容器210内的开口。
[0015]排气组件260包括排气管262，其沿着果冻卷型的EDLC200电极402内部延伸入容器210的内部空间215内。通过排气组件260的一部分与容器210的孔218相匹配，使排气组件260纳入到容器210内。可重密封的排气组件261包括阀座264，其沿着排气管262的端部位于内部空间215内。阀座264可滑动地与排气管262啮合。球266通过弹簧268保持抵靠在阀座264上，弹簧268通过端帽270保持在排气管262内。球266与流体密封的储存器214流体地连通。如图2所示，通过定位排气组件260使排气管262和弹簧268延伸在容器210的内部空间215内，将排气组件260添加到容器210内，并不明显改变容器210外部空间211的尺寸，该外部空间由外壳212和帽部分216的面向外表面所限定。
[0016]电化学双层电容器200包括双层电容器单兀400,其包括被非导电的分离器层406分离开的两个电极402，非导电的分离器层406将电极402物理分开并防止电极402彼此电气短路。非导电的分离器层可由多孔的介电材料形成，该种材料包括但不限于纸。双层电容器单元400可以是“果冻卷”型，其中，电极402和非导电的分离器层406彼此包裹成大致的圆柱形。电解液分散在双层电容器单元400的所有层间。当电压横贯两个电极402的各个电极施加时，电解液可电离，各个电极402表面上的电场可积聚电荷。电化学双层电容器200可储存该电荷，直到需要时，那时电极402可被放电。
[0017]根据本发明的电极402可包括适用于电化学双层电容器200的任何导电材料。在一个实施例中，至少一个电极402包括柔性的导电材料，其例如可以是折叠的、卷起的或盘卷的。在另一实施例中，至少一个电极402包括金属，例如包括铝。在另一方面，一个或两个电极402包括碳材料，例如包括碳涂层，其增加电极402的表面面积。不要求两个电极402具有相同的成分，可构思电极402具有相同的和不同的成分的两个方面。在另一实施例中，电极402包括相容的材料，该材料与电化学双层电容器200设计中所用的其他材料和电解液相容。
[0018]电极402包括在电化学双层电容器200环境中基本上不腐蚀的材料。在某些实施例中，至少一个电极402在其至少一个表面上包括涂层，例如，包括全块的电极402或一部分的电极402。在这些实施例中，例如包括高表面面积碳的碳涂层存在于至少一个电极402的一个表面的至少一部分上。另一方面，电极402表面的所有活性区域包括高表面面积的碳涂层。电极402和电极402涂层材料可在市场上市购，本【技术领域】内技术人员可选择合适的电极402和/或电极402涂层材料。
[0019]非导电的分离器层406例如可包括纸、云母、玻璃、陶瓷、气凝胶、硅石、非导电碳、聚合物材料，或它们的组合。非导电材料是在给定的电化学双层电容器200运行的电压和操作条件之下基本上不导电。非导电的分离器层406可以是多孔的，以允许电解液通过非导电的分离器层406渗透和/或扩散。
[0020]由于电极402缠绕成大致的圆柱形，所以双层电容器单元400引入到外壳212的内腔213。液体电解液被引入到内腔213，使电解液包围电极402。帽部分216偶联到并固定到外壳212，形成流体密封的储存器214，使外壳212将液体电解液保持在该外壳212和因此的容器210内。
[0021]多个EDLC200可电气地偶联在一起，以对给定的应用提供要求的电力储存。容器210可包括多个流体密封的储存器214，双层电容器单元400可插入到每个储存器内。
[0022]如图3所示，在包括可重密封的排气组件261的排气组件260的另一实施例中，阀座264可纳入到排气管262内，例如，通过向内卷起排气管262的边缘进行操作。靠近卷起边缘部位的排气管262内部由此形成阀座264，球266抵靠该阀座264而密封。
[0023]现参照图4，图中示出包括具有爆破盘280的排气组件260的EDLC200。爆破盘280定位在排气管262端部附近，使爆破盘280与外壳212和帽部分216形成的流体密封的储存器214流体地连通。爆破盘280可机械地与排气管262互锁，例如，通过毗邻部件之间的压配实现互锁。在其他的实施例中，爆破盘280可通过将毗邻部件焊接在一起而永久地固定到排气管262。
[0024]排气组件260构造成在预定的内压下打开，以从流体密封的储存器214中排走流体，从而减缓容器210内的高压状态。可根据容器210的结构要求来选择该“爆破压力”，结构要求包括外壳212和帽部分216的厚度和材料。
[0025]在一个实施例中，将该爆破压力选定为大约50psi,这样,一旦容器210内压力达到50psi，容器210内的流体将打开力施加到可重密封的排气组件261的球266上，该力大于弹簧268施加到球266上的偏置力，或破裂压力施加到爆破盘280上，其大于爆破盘280的强度。根据特殊的应用也可选择其他的爆破压力。
[0026]在如图2所示的具有排气组件260的容器210的实施例中，当打开力增大到大于偏置力时，球266平移远离阀座264，并允许流体沿着排气管262流出流体密封的储存器214。同样地，在如图4所示的具有排气组件的容器的实施例中，当内压超过爆破盘280的爆破压力时，爆破盘280将撕破，或由于张力过载而破裂，并允许流体沿着排气管262流出流体密封的储存器214。当流体流出流体密封的储存器214时，容器210内的压力下降，对应于施加到球266上的打开力的下降。当打开力下降到小于偏置力时，球266朝向阀座264平移，弹簧268再次在球266和阀座264之间形成流体密封。
[0027]弹簧268施加到球266上的偏置力根据多个因素确定，包括弹簧268的变形和不变形长度和刚度。当弹簧268的刚度增加时，将球266压紧在阀座264上的偏置力相应地增大。在一个实施例中，弹簧268具有5.41bf/in的弹簧刚性系数和1.375英寸的不变形长度。当球安装到排气管262上使球266压紧在阀座264上时，弹簧268具有1.31英寸的变形长度，并提供0.351bf的偏置力。因为作用在球266上的压力面积相当小，所以使用“软”精度的弹簧在容器210内相对低的压力下排放，例如是大约50psi。因为排气组件160使用排气管262延伸入容器210内部，所以，弹簧268的长度可大于弹簧268的直径。弹簧268增加的相对长度在排放压力的软弹簧设计中提供较大的柔度。控制弹簧268刚度的变量包括弹簧268的钢丝直径(横截面面积)、弹簧268的外直径、弹簧268盘卷的匝数以及用来形成弹簧268的材料等。如果弹簧268较刚，例如，因为弹簧268做得长度比直径短，则在爆破压力下将会难于精确地控制打开球266。
[0028]包括根据本发明的可重密封排气组件261的排气组件260，允许流体(乙腈蒸气和气体)在升高压力下从容器210跑逸掉，从而限制损坏容器210的危险，同时，防止存在于容器210外面的空气和水蒸汽变得引入到容器210内。因为当容器210内的流体处于低于爆破压力的压力时，球266与阀座264形成密封，所以，球266将密封住阀座264，使流体相对于环境压力提升。这样，在排气组件260打开和排出流体的如此时间期间，容器210内流体压力将大于环境空气和包围EDLC200的水蒸汽压力。因此，流体流出容器210外的流动将趋于防止空气和水蒸汽流过排气组件260流入容器210内。
[0029]参照图2和3，所示排气组件260的实施例包括阀座264处的急剧过渡，这在球266和阀座264之间提供“线接触”。此外，在某些实施例中，球266用弹性体制成，例如，EPDM或氟橡胶(R)的氟化弹性体。用如此材料制成的球266柔软顺从，并可由于弹簧268施加偏置力而挠曲。在某些实施例中，与阀座264线接触的球266的表面可在阀座264的区域内挠曲。如果从容器210中跑逸出的任何流体停留在球266上并蒸发掉，留下固体残留盐在球266上，则抵靠在阀座264上的球266的挠曲趋于破坏掉线接触区域内的盐。球266的该种变形趋于剥落掉球266上的盐,这有助于球266与阀座264的密封。此外,在某些实施例中，阀座264在包围阀座264的区域内包括凹陷272。通过球266因流动而从容器210中跑逸出的任何流体可收集在该凹陷272内并蒸发掉，不在球266或阀座264的密封表面上留下固体残余盐的沉淀。
[0030]再参照图4，爆破盘280可用不受液体电解液化学腐蚀影响的各种材料制造，例如，包括铝和其合金、钢合金以及固化的聚合物。在某些实施例中，爆破盘280包括局部减薄的区域，其设计成在容器210内过压状态的事件中处于拉力过载部位。
[0031]排气组件260还提供热传导路径，该路径朝向容器210的外表面大致地远离果冻卷的电极402的中心。能够从EDLC200中排热，可允许有总体上较低的电容器内部温度，并因此有较高的可靠性和较长的寿命。此外，通过能够排走较大量的热，可提高彼此电气地偶联的多个EDLC200的充填密度。通过提高从EDLC200中排热的效率，可需要较小的和不笨重的外部散热器。因此，增大从EDLC200中排热可在各种运行应用中改进EDLC200的充填和包装。
[0032]多个热电偶310可附连到排气组件260的部件上，例如，沿着排气管262的长度进行附连。这些热电偶310可用来估计EDLC200的内部温度，以监测EDLC200的健康状况和特性。
[0033]根据本发明的EDLC200可根据各种方法进行制造和组装。在一个实施例中，电极402可插入外壳212内，并被帽部分216封闭。单独地，排气组件260可组装成包括排气管262、阀座264、球266、弹簧268和端帽270。使电极402位于外壳212内，排气组件260大致沿着果冻卷电极402的中心线通过帽部分216内的开口安装。排气组件260然后可偶联到外壳212或帽部分216，例如，进行焊接操作，形成流体密封的储存器214。替代地，排气组件260可通过机械互锁偶联到外壳212或帽部分216，例如机械互锁可以是排气组件260和通过外壳212或帽部分216之一的孔218之间的压配。
[0034]在另一实施例中，排气组件260可在帽部分216偶联到外壳212之前安装到帽部分216内。在该实施例中，电极402可插入外壳212内，而帽部分216和排气组件260偶联到外壳212，一起在容器210内形成流体密封的储存器214。
[0035]在还有另一实施例中，通过围绕排气组件260卷绕电极402展开的板片材料来形成电极402。由于电极402围绕排气组件260卷绕，电极402和排气组件260插入到外壳212内。电极402可卷绕成螺旋形，该螺旋形与排气管262享有共同的轴线。其后，帽部分216偶联到外壳212和排气组件260，以形成容器210的流体密封的储存器214。
[0036]排气组件260的部件可用各种材料制造，包括但不限于:铝和其合金或铜和其合金。排气组件260的部件(例如，排气管262和阀座264)可通过各种方法彼此进行附连，所述方法包括但不限于:紧固、粘结、焊接、钎焊，和/或摩擦互锁。
[0037]在某些实施例中，电气绝缘构件可位于排气组件260和电极402之间。电气绝缘构件例如可包括:纸、云母、玻璃、陶瓷、气凝胶、硅石、非导电碳、聚合物材料，或它们的组合。电气绝缘构件还可包括表面处理，例如，通过阳极化工艺施加到排气组件260上的电气绝
缘氧化层。
[0038]现应该理解到，根据本发明的EDLC包括定位在容器内部空间内的排气组件。排气组件包括排气管、球和位于排气管内的弹簧，以及阀座。弹簧将偏置力施加到球上，使球抵靠住阀座而密封。排气组件允许释放EDLC容器内过度的压力，不允许环境空气和/或水蒸汽进入容器。
[0039]应该指出的是，术语“基本上”和“大约”在本文中可用来代表固有的不确定性程度，该不确定性可归属于任何数量上的比较、数值、测量值或其他的表示法。这些术语在文中还用来代表一种程度，数量表示法依据该程度偏离所述参考值变化，而不导致所述主题的基本功能的变化。
[0040]尽管文中已经图示和描述了特殊的实施例，但应该理解到，还可作出各种其他的变化和修改，而不会脱离所主张的本发明的精神和范围。此外，尽管这里已经描述了所主张的本发明各个方面，但如此的方面不需组合起来使用。因此，附后的权利要求书意欲涵盖落入在所主张的本发明范围之内的所有如此的变化和修改。
【权利要求】
1.一种电化学双层电容器的容器,包括: 外壳; 适于偶联到外壳的帽部分； 通过外壳或帽部分中至少之一的孔；以及 与容器流体地连通并固定在孔内的排气组件。
2.如权利要求1所述的容器，其特征在于，所述排气组件包括可重密封的排气组件。
3.如权利要求1所述的容器，其特征在于，所述排气组件包括爆破阀组件。
4.如权利要求1所述的容器，其特征在于，所述排气组件焊接在孔内。
5.如权利要求1所述的容器，其特征在于，所述排气组件与孔机械地互锁。
6.如权利要求1所述的容器，其特征在于，所述外壳、帽部分和排气组件适于形成流体密封的储存器，用于保持多层的电容器和电解液。
7.如权利要求1所述的容器，其特征在于， 外壳和帽部分限定容器的内部空间；以及 所述排气组件的至 少一部分位于容器内部空间内。
8.如权利要求7所述的容器，其特征在于，还包括延伸到内部空间内的排气管，其中，所述排气组件的阀座偶联到所述排气管。
9.如权利要求2所述的容器，其特征在于，所述可重密封的排气组件包括压缩弹簧和球。
10.如权利要求9所述的容器，其特征在于，所述球包括弹性体。
11.如权利要求9所述的容器，其特征在于，所述压缩弹簧适于使球与可重密封的排气组件的阀座啮合。
12.如权利要求9所述的容器，其特征在于，所述压缩弹簧适于压缩，沿着对应于阀座到孔的方向的方向将力施加到球上。
13.如权利要求2所述的容器，其特征在于，所述可重密封的排气组件包括压缩弹簧和提升阀。
14.一种电化学双层电容器,包括容器、电极和液体电解液，其特征在于， 所述容器包括具有凹陷的外壳、偶联到外壳的帽部分，以及纳入到外壳或帽部分之一的排气组件； 电极和液体电解液位于容器的凹陷内； 外壳和帽部分限定容器的内部空间；以及 排气组件位于容器内部空间内。
15.如权利要求14所述的电化学双层电容器，其特征在于， 电极相对于彼此缠绕在中心线周围；以及 排气组件沿着电极中心线定位。
16.如权利要求15所述的电化学双层电容器，其特征在于，至少一个电极接触所述排气组件。
17.如权利要求14所述的电化学双层电容器，其特征在于，所述排气组件纳入到外壳或帽部分之一内。
18.如权利要求14所述的电化学双层电容器，其特征在于，所述排气组件适于将热量从电极传递走。
19.如权利要求14所述的电化学双层电容器，其特征在于，还包括热电偶，所述热电偶附连到所述排气组件并位于容器内部空间内。
20.如权利要求14所述的电化学双层电容器，其特征在于，所述排气组件包括可重密封的排气组件。
21.如权利要求14所述的电化学双层电容器，其特征在于，所述排气组件包括爆破阀组件。
22.—种电化学双层电容器的容器,包括: 外壳; 适于偶联到外壳的帽部分；以及 纳入到外壳或帽部分之一的排气组件， 其特征在于， 所述外壳和帽部分限定容器的内部空间；以及 至少一部分的排气组件位于容器内部空间内。
23.如权利要求 22所述的容器，其特征在于，所述排气组件包括纳入到排气管内的可重密封的排气组件。
24.如权利要求23所述的容器，其特征在于，所述可重密封的排气组件包括阀座、球和适于将力施加到球以抵靠住阀座的压缩弹簧。
25.如权利要求24所述的容器，其特征在于，所述压缩弹簧适于压缩，沿着对应于阀座到孔的方向的方向将力施加到球上。
26.如权利要求22所述的容器，其特征在于，所述排气组件包括纳入到排气管内的爆破阀组件。
【文档编号】H01G11/78GK103828001SQ201280047006
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2012年9月28日 优先权日:2011年9月30日
【发明者】T·M·韦瑟里尔 申请人:康宁股份有限公司