專利名稱：多孔蜂窩狀超級(jí)電容器和混合電容器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及超級(jí)電容器和混合電容器及其制造方法，特別地涉及使用多 孔蜂窩狀分離器結(jié)構(gòu)的高能量密度和高功率密度的超級(jí)電容器和混合電容器及其 制造方法
背景技術(shù)：
超級(jí)電容器通常稱為電雙層電容器，它可潛在地用于需要或要求脈沖功率或 功率電平的許多應(yīng)用中。這些應(yīng)用可以從便攜式電話之類的小型裝置到混合機(jī)動(dòng)車
之類的大型設(shè)備。目前已知的超級(jí)電容器的能量和功率密度一般還不能高到滿足包 括混合機(jī)動(dòng)車之類各種應(yīng)用的要求。因此，需要一種耐久、容易制造、高能量密度 和/或高功率密度的器件。
發(fā)明概述
本發(fā)明一個(gè)方面的超級(jí)電容器或混合電容器包括非導(dǎo)電剛性或半剛性多孔 蜂窩結(jié)構(gòu)體，該蜂窩結(jié)構(gòu)體具有沿同一方向延伸的孔，且在與該同一方向垂直 的平面內(nèi)所述孔的平均密度/單位面積超過(guò)15.5個(gè)/平方厘米。該平均密度宜為 更高，如平均高達(dá)31個(gè)、62個(gè)、或甚至124個(gè)或者更多個(gè)孔/平方厘米。
本發(fā)明的多孔蜂窩結(jié)構(gòu)體宜用300。C或以上溫度下穩(wěn)定的材料制成，從而 可以使用高溫處理來(lái)確保最終產(chǎn)品的高純度。該材料宜為氧化物或非氧化物型 陶瓷，如堇青石、氮化硅、氧化鋁、鈦酸鋁、鋯石、玻璃或玻璃陶瓷。
按照本發(fā)明，電極含在所述孔中并沿所述孔延伸，至少部分電極是高表面 積的非伽伐尼電極。電解質(zhì)經(jīng)所述多孔蜂窩結(jié)構(gòu)體的孔與電極接觸。所有電極 可以是高表面積的非伽伐尼電極，或部分電極可以是伽伐尼電極，從而使形成 的器件是混合電容器。
在本發(fā)明的一個(gè)變化形式中，用作集電器的多孔導(dǎo)電層可負(fù)載在所述蜂窩 結(jié)構(gòu)體中孔的內(nèi)表面上，且其厚度僅為20微米或甚至5微米。在本發(fā)明該變 化形式的另一個(gè)替代形式中，導(dǎo)電層可僅負(fù)載在一部分孔的內(nèi)表面上，如所述 孔內(nèi)表面的角上。在本發(fā)明的另一個(gè)變化形式中，可以把導(dǎo)線或?qū)щ婁N插入所 述蜂窩結(jié)構(gòu)體的孔中，用作集電器。
在本發(fā)明的另一個(gè)變化形式中，所述蜂窩結(jié)構(gòu)體的孔是非均勻大小的，并 且可以根據(jù)特定混合電容器的化學(xué)性質(zhì)對(duì)這些孔的尺寸或者尺寸差別進(jìn)行優(yōu) 化。
在本發(fā)明的另一方面，提供本發(fā)明電容器的制造方法。
本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在下面的詳細(xì)描述部分中加以說(shuō)明，并且部分 地是本領(lǐng)域中普通技術(shù)人員通過(guò)閱讀說(shuō)明書容易理解的或通過(guò)實(shí)施下面詳細(xì) 描述部分、權(quán)利要求書以及附圖中所描述的本發(fā)明時(shí)加以認(rèn)識(shí)的。
應(yīng)當(dāng)理解，無(wú)論上述對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式的一般性描述還是下述對(duì)本發(fā)明實(shí)施 方式的詳細(xì)描述都試圖為理解要求保護(hù)的發(fā)明的本質(zhì)和特點(diǎn)提供一個(gè)概況或框架。 包括附圖是為了能進(jìn)一步理解本發(fā)明，該附圖結(jié)合在說(shuō)明書中并構(gòu)成說(shuō)明書的一部 分。該


本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施方式，并與說(shuō)明書一起用于解釋本發(fā)明的原理和 操作。
附圖的詳細(xì)說(shuō)明
圖1是本發(fā)明超級(jí)電容器的截面圖。
圖2是本發(fā)明超級(jí)電容器的另一個(gè)實(shí)施方式的截面圖。
圖3是用于本發(fā)明某些器件和方法的蜂窩分離器結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施方式的透視圖。
圖4是用于本發(fā)明某些器件和方法的導(dǎo)電銷陣列結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施方式的透視圖。
圖5是表示用于本發(fā)明內(nèi)容的集電器的一個(gè)實(shí)施方式的正面透視圖。
圖6是表示用于本發(fā)明內(nèi)容的集電器的另一個(gè)實(shí)施方式的正面透視圖。
圖7是用于本發(fā)明內(nèi)容的一個(gè)孔幾何形狀的截面圖。
圖8是用于本發(fā)明內(nèi)容的一個(gè)可供選擇的孔幾何形狀的截面圖。
圖9是用于本發(fā)明內(nèi)容的另一個(gè)可供選擇的孔幾何形狀的截面圖。
圖IO是是用于本發(fā)明內(nèi)容的再一個(gè)可供選擇的孔幾何形狀的截面圖。
圖11是圖5所示相似結(jié)構(gòu)的拋光橫截面的掃描電子顯微鏡(SEM)反向散射
電子圖象，放大倍率為250X。 優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述
現(xiàn)在詳細(xì)參照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，在附圖中說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)例。如有可 能，在整個(gè)附圖中用相同的附圖標(biāo)記表示相同或相似的部件。
圖1表示本發(fā)明超級(jí)電容器或混合電容器10的一個(gè)實(shí)施方式的橫截面。超級(jí) 電容器IO形成在圖1中僅用截面圖表示的剛性或半剛性陶瓷或聚合物蜂窩結(jié)構(gòu)體 12之上和之中。該蜂窩結(jié)構(gòu)體的孔在圖中朝向左和向右方向延伸。該蜂窩結(jié)構(gòu)體 12是多孔的，以便讓電解質(zhì)滲過(guò)該蜂窩結(jié)構(gòu)體中相鄰孔之間的壁，從而通過(guò)孔隙 接觸相反的電極。
蜂窩結(jié)構(gòu)體具有非常高的表面積-體積比，從而容易使電荷經(jīng)通過(guò)該結(jié)構(gòu)體壁 的電解質(zhì)遷移。另外，蜂窩結(jié)構(gòu)體12的開口體積分?jǐn)?shù)也可以通過(guò)控制壁厚和孔密 度加以控制。蜂窩分離器結(jié)構(gòu)在制成的器件中不僅提供了分離而且還提供了結(jié)構(gòu)強(qiáng)
度和整體性。如下面更完整解釋的那樣，可以用這些屬性制造堅(jiān)固、高能量和/或 功率密度的小型超級(jí)電容器或混合電容器。
雖然蜂窩結(jié)構(gòu)體12可含有熱塑性和/或熱固性聚合物，如PTFE(聚四氟乙烯)、 PVDF (聚偏二氟乙烯)、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等， 但該蜂窩結(jié)構(gòu)體更宜由(l)堇青石、氧化鋁、鈦酸鋁、多鋁紅柱石、鋯石、玻璃 或玻璃陶瓷之類的陶瓷材料或由(2)SiC、 Si4N4等等之類不導(dǎo)電的其它氧化物或非 氧化物型陶瓷制成。這些陶瓷材料易耐300。C或以上的加工溫度。這是重要的， 因?yàn)槌Ｒ?guī)超級(jí)電容器和混合電容器的化學(xué)材料對(duì)電解質(zhì)或電極材料中雜質(zhì)非 常敏感。特別是，高性能的有機(jī)電解質(zhì)溶液對(duì)水非常敏感，而且只有在沒(méi)有水 的情況下才能獲得最佳的性能。選擇在高溫下處理分離器材料提供了一種快速 達(dá)到終產(chǎn)物中雜質(zhì)和含水量非常低的方便方法。更傳統(tǒng)的聚合物分離器沒(méi)有這 種優(yōu)點(diǎn)。
如上所述，蜂窩結(jié)構(gòu)體的多孔壁用作相鄰孔之間的分離器。如圖1所示， 相鄰孔的相反末端宜用堵塞物14堵塞。
集電器宜以多孔導(dǎo)電層16和18的形式提供，這些導(dǎo)電層宜采用涂覆或沉 積或貼合在蜂窩結(jié)構(gòu)體12壁上金屬層的形式。導(dǎo)電層16和18構(gòu)造時(shí)應(yīng)避免 基本上延伸穿透蜂窩結(jié)構(gòu)體12的多孔壁，從而在蜂窩結(jié)構(gòu)體12的相鄰孔之間 沒(méi)有電接觸，即除了通過(guò)所需的電解質(zhì)以外導(dǎo)電層16和18之間沒(méi)有接觸。由 于多孔導(dǎo)電層16和18是負(fù)載在蜂窩結(jié)構(gòu)體12上，因此它們的厚度不必大到 能自支承，而且一般可以比現(xiàn)有超級(jí)電容器或混合電容器設(shè)計(jì)中的集電器層更
薄。導(dǎo)電層16和18的厚度宜至少為20微米或以下，更好為10微米。
由蜂窩結(jié)構(gòu)體12的壁所限定的蜂窩孔含有充滿電解質(zhì)溶液的高可及表面 積(high-accessible-surface)電極材料20，上述的電解質(zhì)溶液也可透過(guò)導(dǎo)電層16 和18以及蜂窩結(jié)構(gòu)體12所限定的多孔壁。本發(fā)明中可用的電解質(zhì)例如包括 H2S04、 KOH之類的水性電解質(zhì)和碳酸亞丙酯或乙腈中四氟硼酸四乙銨之類的 有機(jī)溶劑基電解質(zhì)以及其它本領(lǐng)域中己知的電解質(zhì)。
電極材料20選自非伽伐尼材料，即在所述器件的所需操作電壓范圍內(nèi)在 所選電解質(zhì)溶液中不發(fā)生法拉第反應(yīng)的材料。這種非伽伐尼材料宜為含有活性 炭和/或碳納米管、碳?xì)馊苣z粉末、以及一種或多種石墨粉末、碳黑、碳納米纖 維等的碳漿料，任選地含有氟聚合物之類的粘合劑。
作為一種可供選擇的實(shí)施方式，由蜂窩結(jié)構(gòu)體形成的某些孔可填充一種或 多種化學(xué)活性的電極材料，從而形成混合電容器。在本領(lǐng)域中已知用于形成混
合電容器的這些化學(xué)活性或"伽伐尼"電極材料例如包括氧化鐵、氧化釕、氧 化鉛、氧化錳和鈦酸鋰。導(dǎo)電填料和粘合劑均是任選的。如有，粘合劑可以是 氟聚合物或其它合適的材料。
超級(jí)電容器10的相反末端宜連接到金屬箔22和24或其它有用的集電器上， 以形成超級(jí)電容器10的電末端。雖然易于認(rèn)識(shí)到其它電互連圖案也是可能的，但 要求每個(gè)孔宜與具有相反極性的孔接壤，并要求一個(gè)電極位于箔22處電容器的一 個(gè)末端，而另一個(gè)電極位于箔24處電容器的相反末端。
圖2表示本發(fā)明超級(jí)電容器的一個(gè)可供選擇實(shí)施方式的橫截面。在圖2所示 的實(shí)施方式中，金屬線或?qū)щ娭驅(qū)щ婁N26可插入每個(gè)蜂窩孔中用作集電器，而 且可以省略金屬層16和18。每一個(gè)導(dǎo)電柱或?qū)щ婁N26與兩塊板28和30之一電 接觸，而且可由板28和30支承或與其形成一體。圖3表示正方形孔蜂窩結(jié)構(gòu)體 12的透視圖，圖4表示導(dǎo)電銷板32的透視圖，該導(dǎo)電銷板可例如通過(guò)把這些導(dǎo)電 銷插入蜂窩結(jié)構(gòu)體12的孔而與圖4所示蜂窩結(jié)構(gòu)體12組裝在一起。導(dǎo)電銷板32 的導(dǎo)電銷之間的間距與蜂窩結(jié)構(gòu)體12相配，以便在每隔一個(gè)孔提供導(dǎo)電銷板32 的一個(gè)導(dǎo)電銷。
本發(fā)明與其它目前可得的技術(shù)相比具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。目前的超級(jí)電容器設(shè)計(jì)一 般僅含有約40-45% (體積)高表面積電極材料，即高能量和功率密度所需的關(guān)鍵 材料。與之相比，每平方英寸具有400個(gè)孔(62個(gè)孔/平方厘米)和壁厚為5密耳 (125微米)的陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體例如具有80%的正面開口面積(OFA)。這表明這
種結(jié)構(gòu)中近80%的總體積可用于填充活性材料。為了環(huán)境目的用現(xiàn)有方法生產(chǎn)的
蜂窩陶瓷材料提供的900個(gè)孔/平方英寸(139.5個(gè)孔/平方厘米)和2密耳(50微 米)壁厚的結(jié)構(gòu)體具有88X的OFA。由于這種分離器是自支承的且比較堅(jiān)固，負(fù) 載在該分離器表面的金屬集電器不必很厚，從而可以為電極材料節(jié)省大量體積。因 此，本發(fā)明的超級(jí)電容器，相對(duì)于目前的超級(jí)電容器，提供了在給定的超級(jí)電容器 體積中將總電極體積增加一倍的可能性，從而也可以把每單位體積內(nèi)的能量密度加 倍。
對(duì)于每單位面積具有高孔數(shù)的蜂窩結(jié)構(gòu)體12來(lái)說(shuō)，電極材料上任何點(diǎn)與最接 近集電器之間的距離被最小化，從而可以在相同體積的器件中具有較低的內(nèi)電阻和 較高的功率輸出。
為了獲得高能量密度和功率密度，可以使用密度大于100個(gè)蜂窩孔/平方英寸 (15.5個(gè)孔/平方厘米)、較好至少為200個(gè)孔/平方英寸，即31個(gè)孔/平方厘米的蜂窩 結(jié)構(gòu)體。為了獲得更高的性能，宜使用400個(gè)或以上/平方英寸(62個(gè)/平方厘米)， 更好為800個(gè)或以上/平方英寸(124個(gè)/平方厘米)的孔密度。目前能制造孔密度 高達(dá)1600個(gè)孔/平方英寸(248個(gè)/平方厘米)和壁厚低達(dá)1密耳(約25微米)的 蜂窩結(jié)構(gòu)體。
本發(fā)明的陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體提供了剛性耐久的管殼(packaging)結(jié)構(gòu)，同時(shí)多孔壁 用作分離器。這些壁的孔隙率可成功地調(diào)節(jié)到50%或以上，與常規(guī)分離器的30-40 %孔隙率相比，這可以讓電解質(zhì)在該結(jié)構(gòu)中更好地流動(dòng)。
另外，基本上任何類型的電極材料都可用于本發(fā)明的器件中，例如可以使用 夾層的碳、合成碳、碳納米管或其混合物，視所需的綜合性能而定。也可以使用非 碳電極。因此，為滿足各種需要，本發(fā)明的電容器在設(shè)計(jì)上是靈活的。
按本發(fā)明構(gòu)造的電容器的另一個(gè)可能的優(yōu)點(diǎn)是成本。常規(guī)超級(jí)電容器高達(dá)50 %的成本是花在分離器和管殼材料上。具有整體分離器的蜂窩結(jié)構(gòu)體以較低的成本 同時(shí)提供了分離器和管殼材料，因?yàn)樘沾煞涓C體技術(shù)是大規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)的，而且已 表明所需的制造成本很低。這種蜂窩體是有用的管殼，但不僅是管殼。它提供了與 器件的結(jié)構(gòu)整體性。
這種陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體按本領(lǐng)域中已眾所周知的方法制造。視所需的組成(多 鋁紅柱石或堇青石等)，按適當(dāng)?shù)谋壤旌洗笾路勰畹脑先缯惩粱蚍勰畹臒o(wú) 機(jī)氧化物和氫氧化物，然后在該批料中加入粘合劑(如甲基纖維素粘合劑)和增塑 劑，同時(shí)加入適量的水。將該批料與任選地加入的成孔劑混合，然后通過(guò)具有所需 孔密度和壁厚的模具擠出。然后將擠出的蜂窩結(jié)構(gòu)體干燥，在合適的溫度(例如對(duì)
于堇青石而言為1500。C左右)下燒制，以燒掉粘合劑(如有，和成孔劑)，并燒 結(jié)成具有高正面開口面積的堅(jiān)固而多孔的蜂窩結(jié)構(gòu)體。蜂窩孔的橫截面可以是圓
形、長(zhǎng)方形、三角形、六方形或其它所需的形狀。
接著，需堵塞蜂窩結(jié)構(gòu)體一個(gè)表面上交替孔開口 (將會(huì)認(rèn)識(shí)到交替堵塞和集
電器結(jié)構(gòu)是可能的)。堵塞物14可含有無(wú)機(jī)粉末和粘合劑，然后再次進(jìn)行燒制， 以除去粘合劑和燒結(jié)堵塞物。在一個(gè)可供選擇的方法中，堵塞物14可以是有機(jī)聚 合物材料成形的堵塞物，這種聚合物例如是環(huán)氧樹脂、氟聚合物、有機(jī)硅或能與陶 瓷蜂窩體形成良好粘接并與電解質(zhì)相容的其它聚合物。作為另一種選擇，堵塞的蜂 窩結(jié)構(gòu)體可以在一個(gè)加工步驟中模制或擠出，這是本領(lǐng)域中已知的。無(wú)論使用什么
方法，蜂窩結(jié)構(gòu)體的另一表面按同樣方法堵塞，以確保該結(jié)構(gòu)的幾何形狀如圖1 所示。
作為蜂窩結(jié)構(gòu)體12的陶瓷材料的替代，也可以通過(guò)聚合物粉末擠出、注塑或 本領(lǐng)域中已知的其它聚合物成型方法制備聚合物蜂窩結(jié)構(gòu)體，也可以按同樣方法堵 塞交替的末端。如上所述，熱塑性和熱固性聚合物，如PTFE(聚四氟乙烯)、PVDF (聚偏二氟乙烯)、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等可用于制 造聚合物蜂窩結(jié)構(gòu)體。
然后用各種技術(shù)把金屬集電器涂覆在該蜂窩結(jié)構(gòu)體的內(nèi)壁上。上述的技術(shù)例 如是電鍍、噴墨打印后燒結(jié)、熔融金屬中浸涂、用金屬顆粒漿料的漿料涂覆、熱蒸 發(fā)、CVD、濺射、電子束蒸發(fā)、或其它合適的技術(shù)。這些技術(shù)一般是本領(lǐng)域中已 知的。
圖5表示已涂有導(dǎo)電層16和18的蜂窩結(jié)構(gòu)體12的簡(jiǎn)化透視圖。(為了便于 說(shuō)明，蜂窩結(jié)構(gòu)體12孔的低數(shù)(lownumber)和導(dǎo)電層16和18的基本厚度都是夸大 的)。導(dǎo)電層16和18沿該蜂窩結(jié)構(gòu)體中孔的同一方向延伸，并覆蓋這些孔的整個(gè) 內(nèi)表面。然而，作為本發(fā)明的另一個(gè)可供選擇的實(shí)施方式，導(dǎo)電層16和18不必覆 蓋各個(gè)孔的整個(gè)內(nèi)表面。
圖6是本發(fā)明一個(gè)方面另一個(gè)可供選擇的實(shí)施方式的簡(jiǎn)化透視圖。圖6表示 的蜂窩結(jié)構(gòu)體12在每個(gè)孔內(nèi)表面的多個(gè)不連續(xù)部分(在這種情況下，在每個(gè)孔內(nèi) 表面的內(nèi)角部分)上具有沿這些孔的同一方向延伸的多孔導(dǎo)電材料層34。圖6所 示的導(dǎo)電層34可按如下方法制備，即先按圖5所示涂覆這些孔的整個(gè)內(nèi)表面，然 后蝕刻掉連續(xù)涂層，僅在轉(zhuǎn)角處留下涂層材料?；蛘呖梢允褂脙?yōu)選淀積在角度中的 淀積法。圖6所示實(shí)施方式的集電器或?qū)щ妼咏Y(jié)構(gòu)，通過(guò)裸露相鄰孔之間的壁，可 以使相鄰孔中的電極材料隔離最小化，同時(shí)仍提供存在于這些孔中的良好集電器。 在每個(gè)孔中，四個(gè)分離的平行角導(dǎo)線在沿同一方向延伸。
如果形成用作集電器的導(dǎo)電銷或?qū)Ь€，則可以通過(guò)化學(xué)蝕刻金屬箔、電成形、
噴墨印刷、放電加工(EDM)或本領(lǐng)域中己知的其它金屬成形或微加工技術(shù)在導(dǎo)電銷
板上平行地形成這些導(dǎo)電銷。
活性炭之類非伽伐尼電極材料可以由天然或合成前體之類合適的前體獲得。
活性炭可以是標(biāo)準(zhǔn)活化的高表面積碳或用嵌入法(如K嵌入)制造的具有較低表 面積的碳。碳納米管也可用作電極材料中的成分。這種碳納米管可以與活性炭粉末 一起使用或不與其一起使用。用于改善連通性和導(dǎo)電性的其它電極添加劑可包括炭 黑、石墨、碳納米纖維、金屬粉末等等之類的粉末。可以制造上述組分按選定比例 的混合物。可任選地加入聚合物粘合劑之類的粘合劑，以產(chǎn)生電極漿料。雖然至少 在目前而言碳是優(yōu)選的，但本發(fā)明中可用的電極材料并不局限于碳。
一種可用于裝配圖1所示電容器的方法包括制造具有所需幾何形狀和上述組 成的堵塞蜂窩結(jié)構(gòu)體。然后用金屬涂覆壁。涂覆金屬后，將該蜂窩結(jié)構(gòu)體浸漬在電 解質(zhì)中。然后將電極漿料擠入該蜂窩結(jié)構(gòu)體的孔中。填充入電極漿料以后，其它電 解質(zhì)可擴(kuò)散入該器件中。如果集電器的形狀是導(dǎo)電銷陣列(如圖2所示)，則在漿 料填充入上述結(jié)構(gòu)后把該陣列插入漿料中。然后把頂部和底部金屬觸點(diǎn)放置到位， 并把該器件密封在合適的容器中，產(chǎn)生最終的管殼。
陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體的典型幾何形狀包括正方形孔，如圖7中橫截面所示。雖然 不是必需的，但為了獲得最佳能量和功率密度，如圖7所示，在兩個(gè)方向上每隔一 個(gè)孔應(yīng)具有相反極性。
然而，本發(fā)明的蜂窩結(jié)構(gòu)體并不局限于正方形孔。在每個(gè)壁相遇點(diǎn)偶數(shù)個(gè)壁 相遇的任何幾何形狀都能使每個(gè)孔邊界成為一個(gè)極性邊界。圖8-10示意性表明這 個(gè)情況。
圖8表示一個(gè)具有三角形孔的例子，其中在每一個(gè)點(diǎn)都有六個(gè)壁相遇，而且 可以將極性排列成每個(gè)壁都是極性邊界。本發(fā)明這種可供選擇的實(shí)施方式對(duì)于機(jī)械 強(qiáng)度而言是合適的。
圖9和圖IO表示孔不是一種標(biāo)準(zhǔn)尺寸的例子。在圖9所示的孔幾何形狀中， 有四種不同的長(zhǎng)方形，每種長(zhǎng)方形的總面積都不同。在圖IO所示的孔幾何形狀中， 較大面積的六方形之間散布有較小面積的三角形。這些孔面積分布不相等的本發(fā)明 備選實(shí)施方式特別適用于使用一種或多種伽伐尼電極的本發(fā)明實(shí)施方式，即混合電 容器實(shí)施方式。具體混合電容器的化學(xué)性能僅用不同尺寸的電極進(jìn)行優(yōu)化。具有不 同尺寸孔的多孔蜂窩結(jié)構(gòu)體提供了機(jī)械強(qiáng)度高的分離器結(jié)構(gòu)，它能容納兩種不同類
型的混合電容器電極，并確定和控制它們各自的尺寸，以確保該混合電容器的優(yōu)化 性能。
實(shí)施例1
進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)是為了顯示蜂窩結(jié)構(gòu)體壁上金屬鍍層的某些能力。通過(guò)浸涂將
膠態(tài)銀涂覆在一個(gè)密度為600個(gè)孔/平方英寸(186個(gè)孔/平方厘米)和壁厚為4密耳 (100微米)的堇青石蜂窩結(jié)構(gòu)體上。這種特定蜂窩結(jié)構(gòu)體的壁孔隙率為40%。該 蜂窩結(jié)構(gòu)體的壁完全涂覆電連續(xù)的銀涂層。最重要的是，該蜂窩結(jié)構(gòu)體的斷裂面顯 示銀顆粒沒(méi)有滲透到蜂窩孔結(jié)構(gòu)中。這表明這是一個(gè)可行的涂布金屬方法。圖10 是所得涂覆蜂窩結(jié)構(gòu)體中一個(gè)交叉處拋光橫截面的掃描電子顯微鏡(SEM)反向 散射電子圖象，放大倍率為250X。該圖表示蜂窩材料36、蜂窩材料中的孔38、淀 積在蜂窩材料36表面上但沒(méi)有滲透入孔38的銀層40。
實(shí)施例2
將鋁熱蒸發(fā)在尺寸為600個(gè)孔/平方英寸(186個(gè)孔/平方厘米)和壁厚為4密耳 (IOO微米)的堇青石蜂窩結(jié)構(gòu)體上。在壁上獲得粘合性極佳的鋁涂層。該涂層的 孔隙率用水滴試驗(yàn)測(cè)量。
實(shí)施例3
得到孔尺寸為600個(gè)孔/平方英寸(186個(gè)孔/平方厘米)、壁厚為4密耳(100微 米)、壁孔隙率為 40%和孔徑為3-5微米的堇青石蜂窩結(jié)構(gòu)體。通過(guò)化學(xué)蝕刻鎳 板或箔制備鎳電極的導(dǎo)電銷陣列。所得的導(dǎo)電銷陣列用有機(jī)硅(Dow Corning Sylgardl86)從一端密封到上述蜂窩結(jié)構(gòu)體中。含有導(dǎo)電銷的孔然后用80重量％活 性炭、10重量XPVDF和10重量％碳黑在丙酮中的漿料填充。在填充和干燥上述 孔以后，在這些導(dǎo)電銷周圍形成非常緊密和牢固的結(jié)構(gòu)。干燥以后，這些孔的開口 端用有機(jī)硅樹脂封蓋。對(duì)該試樣的另一端重復(fù)上述步驟。把從該試樣每一端突出的 導(dǎo)電銷陣列末端連接在一起，形成電容器的正極端和負(fù)極端。然后通過(guò)浸漬把電解 質(zhì)加入上述結(jié)構(gòu)中。然后把整個(gè)裝置包封在一個(gè)容器中，形成一個(gè)工作電容器元件。
權(quán)利要求
1.一種超級(jí)電容器或混合電容器，它包括非導(dǎo)電剛性或半剛性多孔蜂窩結(jié)構(gòu)體，該蜂窩結(jié)構(gòu)體具有沿同一方向延伸的孔，在與該同一方向垂直的平面內(nèi)所述孔的平均密度/單位面積超過(guò)15.5個(gè)/平方厘米；在或沿所述孔中第一和第二孔延伸的至少第一和第二電極，至少所述第一電極是高表面積的非伽伐尼電極；經(jīng)所述多孔蜂窩結(jié)構(gòu)體的孔與所述第一和第二電極相互接觸的電解質(zhì)。
2. 如權(quán)利要求1所述的電容器，其特征在于，所述孔在與該同一方向垂直 的平面內(nèi)的平均密度/單位面積超過(guò)62個(gè)/平方厘米。
3. 如權(quán)利要求1所述的電容器，其特征在于，所述孔在與該同一方向垂直 的平面內(nèi)平均密度/單位面積超過(guò)124個(gè)/平方厘米。
4. 如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的電容器，其特征在于，該蜂窩結(jié)構(gòu)體由 能耐至少300。C的材料組成。
5. 如權(quán)利要求l-4中任一項(xiàng)所述的電容器，其特征在于，該蜂窩結(jié)構(gòu)體含 有氧化物或非氧化物陶瓷材料。
6. 如權(quán)利要求5所述的電容器，其特征在于，所述的陶瓷材料是堇青石、 氮化硅、氧化鋁、鈦酸鋁、鋯石、玻璃或玻璃陶瓷之一。
7. 如權(quán)利要求l-6中任一項(xiàng)所述的電容器，其特征在于，所述的第二電極 是伽伐尼電極。
8. 如權(quán)利要求l-6中任一項(xiàng)所述的電容器，其特征在于，所述的第二電極 是高表面積的非伽伐尼電極。
9. 如權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的電容器，其特征在于，所述的電容器包 括多個(gè)第一電極和多個(gè)第二電極。
10. 如權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的電容器，其特征在于，它還包括沿與 所述第一電極電接觸的第一孔延伸的至少一個(gè)集電器結(jié)構(gòu)。
全文摘要
超級(jí)電容器或混合電容器包括非導(dǎo)電剛性或半剛性多孔蜂窩結(jié)構(gòu)體(12)，該蜂窩結(jié)構(gòu)體具有沿同一方向延伸的孔，且在與該同一方向垂直的平面內(nèi)平均密度/單位面積超過(guò)15.5/平方厘米，該蜂窩結(jié)構(gòu)體宜用300℃以上溫度下穩(wěn)定的材料制成，從而可以使用高溫處理來(lái)確保最終產(chǎn)品的高質(zhì)量。該材料宜為氧化物或非氧化物型陶瓷，如堇青石、氮化硅、氧化鋁、鈦酸鋁、鋯石、玻璃或玻璃陶瓷。
文檔編號(hào)H01G9/00GK101185148SQ200680018822
公開日2008年5月21日 申請(qǐng)日期2006年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月31日
發(fā)明者H·-H·盛, K·P·蓋德卡瑞, M·D·帕蒂爾, M·J·索利埃爾, R·J·波西亞 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司