專利名稱：混合型超級電容器的制作方法
技術領域：
本發明屬于大功率電子器件技術領域，涉及混合型超級電容器及其制備方法。特別涉及一種能提高單元工作電壓，且內部采用1～5個單元并聯連接技術的超級電容器。
背景技術：
超級電容器是介于靜電電容器和蓄電池之間的一種具有較高儲能密度的儲能元件。它與傳統的靜電電容器的區別在于存儲電荷的機理不同。靜電電容器是通過介質極化存儲電荷的，通常其儲能密度較低，但功率密度卻很高，能夠迅速地存儲或釋放電荷；而超級電容器是通過離子遷移存儲電荷的，其電容量和儲能密度極高。正是由于超級電容器具有這一優良特性，使它在電動車動力電源和其他備用電源等方面具有很好的應用前景。
當前，現有的超級電容器主要是以電化學方式存儲電荷的，所以也稱之為電化學超級電容器。它主要是由極化電極、電解質、隔板、電極終端引線和外殼幾部分組成。由于受電解質擊穿電壓的限制，超級電容器的單元工作電壓很低，通常水性電解質小于1.2V，有機電解質小于3.5V，這就限制了它的應用范圍。而在實際應用中，尤其在大功率脈沖電源系統中，如電能武器的電源系統和電動車動力電源等，往往工作電壓都很高，這就需要成百上千個單元串聯，才能滿足電壓的要求。由于各單元電容器的性能和參數存在著一定差異，當電容器串聯使用時，各單元上的電壓分布通常是不均勻的，這就容易造成局部擊穿，最終導致全部擊穿。為了解決串聯結構的均壓問題，一般采取串聯單元的數量冗余，以降低各單元電容器上的平均工作電壓。但是隨著串聯數量的增加，將會使總電容量降低、等效串聯電阻增加。很顯然，現有的超級電容器是很難滿足脈沖電源系統的要求的，因此，從本質上提高超級電容器的單元工作電壓，是保證其作為大功率儲能器件的重要前提之一，同時還要減小內電阻，才能使之滿足大電流快速釋能的要求。
目前，在我國形成產品化的超級電容器都是雙電層電容器，主要是低壓系列有3.5V、5.5V、11V等；而高工作電壓的超級電容器，如400V的產品，都是采用若干單元串聯組成的，所以重量、體積均較大。工作電壓低已成為阻礙利用電容器儲能，來實現大功率脈沖電源技術發展的瓶頸。所以，超級電容器作為大功率儲能元件，提高其單元工作電壓是急待解決的問題。
發明內容
本發明的目的是提供一種大功率超級電容器，解決超級電容器在脈沖功率系統中的應用問題，實現高儲能密度和高功率密度在超級電容器元件上的統一。
本發明所采用的技術方案是結合金屬鉭陽極、電解質/隔板和二氧化釕電極組成超級電容器單元；在封裝外殼內采用1～5個單元并聯連接的技術，組成混合型超級電容器元件。
本發明所提供的混合型超級電容器，鉭陽極2包括陽極表面上的鉭氧化物薄膜(也稱陽極電介質)和電解液4形成電解電容器，二氧化釕電極3在電解液4中形成電化學電容器，兩極之間插入隔板5，通過電解液4等效串聯后，在終端分別由陽極陰線1和陰極引線7引出，如圖1所示。形成具有電解電容器和電化學電容器共同優點的混合型超級電容器，它是一個兩極不對稱、且具有極性的電容器，由陽極表面上的電介質來承擔電容器的工作電壓。所以，超級電容器的單元工作電壓是由陽極電介質層的厚度決定的，該電壓根據設計需要可以實現高達160V。
本發明所提供的混合型超級電容器，外殼內可以封裝1～5個單元電容器，各單元平行堆放，由絕緣板9隔開，組成緊密的結構。單元之間采用并聯連接技術，各陰極之間無需物理連接，通過電解質相連，最終由陰線引線7引出；各陽極之間通過鉭絲連接，最終由陽極引線1引出。如圖2所示。
本發明所提供的二氧化釕電極3是通過二氧化釕粉末與乙醇、導電劑和聚四氟乙烯乳液粘結劑混合，制得電極薄膜，電極薄膜的厚度為0.05～0.3mm。
本發明的效果和益處從本質上提高了超級電容器的工作電壓，它不必借助于現有超級電容器使用的串聯結構，單只電容器就可滿足百伏以上工作電壓的要求，或者少量串聯就可以滿足千伏工作電壓以上的要求，從而更能有效地利用超級電容器的大容量和高儲能密度。混合型超級電容器內部采用了1～5個單元并聯連接技術，可以得到最佳的參數匹配，進而提高電容器的容量和儲能密度，同時也可以減小電阻，使之滿足大功率快速充放電的要求。該電容器結構簡單，工業實現方便，本發明可廣泛用于脈沖功率系統、電動車的輔助電源和其他備用電源等。
圖1是混合型超級電容器的結構示意圖。
圖中1陽極引線；2陽極；3陰極；4電解質；5隔板；6外殼；7陰極引線。
圖2是采用3個單元并聯連接技術封裝的混合型超級電容器結構示意圖。
圖中1陽極引線；2陽極；3陰極；4電解質；5隔板；6外殼；7陰極引線；8內部連線；9絕緣隔板；10玻璃絕緣子。
具體實施例方式
以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施例。
實施例一將制備的二氧化釕薄膜(φ35mm×0.1mm)壓制在基板集流體上形成陰極3，與鉭陽極2(φ35mm×h3.2mm)之間用玻璃纖維布隔板5隔開，組成超級電容器單元；然后裝入金屬鉭外殼6內，注入電解質溶液，兩電極最終分別由陽極引線1和陰極引線7引出。電解質采用濃度為30％～40％之間的硫酸，每100CC硫酸添加2.1g硫酸銅。本實例中電容器的工作電壓設計為40V，測得容量為6mF，內阻為0.78Ω，儲能密度為1.03J/cm3。
本實例不應理解為本發明的限制，凡是基于本發明的技術思想所做的其他形式上的修改、替換或變更而實現的發明均屬于本發明范圍。
實施例二混合型超級電容器內部采用三個單元并聯連接。單元制作方法同實施例一，單元之間平行堆放，用玻璃纖維布絕緣隔板9隔開。三個陰極之間無需物理連接，通過電解質相連，最終由陰極引線7引出，三個陽極通過內部連線8連接，最終由陽極引線1引出。玻璃絕緣子10使陽極引線1與外殼6絕緣，陰極引線7與外殼6相連；本實施例中單元工作電壓為40V，測得容量為18.4mF，內阻為0.25Ω，儲能密度為1.16J/cm3。
實施例三將30g的RuCl3·xH2O溶于蒸餾水中，制得0.1mol/L的溶液；將0.3mol/L的NaOH溶液緩慢加入RuCl3·xH2O溶液中，嚴格控制溶液的PH＝7。將生成的黑色RuO2·xH2O顆粒過濾，再用蒸餾水沖洗若干遍，然后在100℃溫度下脫水處理10小時，制得無定型水合二氧化釕。將水合二氧化釕粉末與無水乙醇、炭黑導電劑和聚四氟乙烯粘結劑，按質量比為90∶4∶3∶3的比例混合，壓制成厚度為0.2mm的電極薄膜。測得該電極的比容量為736F/g，內阻為0.82Ω。
權利要求
1.一種混合型超級電容器，由鉭陽極(2)，二氧化釕陰極(3)，電解液(4)，隔板(5)，陽極引線(1)和陰極引線(7)，外殼(6)組成，其特征在于鉭陽極(2)和電解液(4)形成電解電容器，二氧化釕陰極(3)在電解液(4)中形成電化學電容器，兩者通過電解液串聯后，分別由陽極引線(1)和陰極引線(7)引出；其中鉭陽極(2)由鉭粉直接壓制在陽極引線(1)上，二氧化釕直接涂敷于基板集流體上組成陰極(3)，中間輔以絕緣隔板(5)隔開，構成超級電容器單元；封裝外殼內部由1～5個單元并聯連接，形成超級電容器元件。
2.根據權利要求1所述的一種混合型超級電容器，其特征在于二氧化釕陰極(3)是通過二氧化釕粉末、無水乙醇、炭黑導電劑和聚四氟乙烯乳液粘結劑混合，制得電極薄膜，電極薄膜的厚度為0.05～0.3mm。
3.根據權利要求1所述的一種混合型超級電容器，其特征在于電解液(4)濃度為30％～40％的硫酸，每100CC硫酸添加2.1g硫酸銅。
全文摘要
本發明屬于大功率電子器件技術領域，涉及一種混合型超級電容器。其特征是用鉭做電容器的陽極，用二氧化釕電極做電容器的陰極，充以電解液。鉭陽極和電解液形成電解電容器，二氧化釕電極在電解液中形成電化學電容器，二者通過電解液等效串聯，形成具有電解電容器和電化學電容器共同優點的超級電容器。這種電容器的鉭陽極由鉭粉壓制而成，二氧化釕涂敷于基板集流體上形成陰極，電解液是硫酸溶液。本發明的效果和益處是提高超級電容器的工作電壓，并保持高儲能密度的特點。消除了常規超級電容器工作電壓低、多級串聯會降低儲能密度和功率密度的不足，解決了一般超級電容器不能用于脈沖功率系統的問題。本電容器結構簡單，工業實現方便。
文檔編號H01G9/035GK1963966SQ20061013446
公開日2007年5月16日 申請日期2006年11月29日 優先權日2006年11月29日
發明者張莉, 鄒積巖, 宋金巖 申請人:大連理工大學