專利名稱：雙電荷層電容器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有高靜電電容的雙電荷層電容器，它應(yīng)用雙電荷層原理，此雙電荷層在活性碳和電解質(zhì)之間的界面上形成。
近來，基于雙電荷層原理的高容量電容器作為電子系統(tǒng)中存儲器的備用電源已得到發(fā)展，并廣泛應(yīng)用在微計算機和集成電路存儲器中。
例如，在美國專利3，536，936中披露了一種類型的雙電荷層電容器。其圖5示出了所披露的雙電荷層電容器的結(jié)構(gòu)，該雙電荷層電容器包括由一對電子傳導(dǎo)器的集電器101組成的基本單元(Single basic cell)，集電器101用作一對收集器電極;一對由活性碳粒子制成的碳電極102;一對不導(dǎo)電的密封墊圈103;和位于碳電極102之間用以防止電子在電極102之間運動的絕緣板104，碳電極102是由濃縮漿料制成膠糊電極，濃縮漿料是粉末狀或散粒狀活性碳和電解質(zhì)的混合物。電解質(zhì)完成三種功能，它作為離子傳導(dǎo)率的促進劑，離子源和碳粒子的粘合劑。
降低雙電荷層電容器的內(nèi)阻是重要的。雙電荷層電容器的內(nèi)阻受極化電極活性碳的接觸電阻和收集器電極與極化電極之間的接觸電阻的影響很大。
因此，為了降低極化電極的內(nèi)阻和收集器與極化電極之間的接觸電阻，每個基本單元都應(yīng)控制其垂直壓力以使膠糊活性碳的粒子相互間有良好的電接觸。常規(guī)雙電荷層電容器要求每個單元都控制在約100kg/cm2的壓力下，盡管它取決于電極尺寸、碳材料的顆粒尺寸，或者所用電解質(zhì)的種類。在以往的雙電荷層電容器中，各單元通過使電容器外殼變形或者把集電器牢固地粘接到密封墊圈上來控制其壓力。如果雙電荷層電容器被用作大容量電容器，例如激勵馬達的電源，因而就必須增加電極基本單元的截面積。因此不得不增加施加到基本單元的壓力。然而增加壓力產(chǎn)生一些實際問題，例如施加壓力的裝置的選擇和對容納基本單元的外殼的高強度的要求。
為解決上述問題，申請人已推薦了一種具有高儲能密度并且不需要電極加壓裝置的結(jié)構(gòu)簡單的雙電荷層電容器，如在日本專利申請No.1(1989)-215277(相應(yīng)于美國專利申請No.550，170和歐洲專利申請No.980，308，781，5)中所披露的。所推薦的雙電荷層電容器有極化電極，每個極化電極都是由通過燒結(jié)聯(lián)結(jié)在一起的微細活性碳粒子組成的多孔燒結(jié)體。
然而，極化電極的密度，體積電阻(電阻率)和單位表面積隨微細活性碳粒子的直徑而變化，并對雙電荷層電容器的能量密度和內(nèi)阻有很大影響。例如，當(dāng)微細活性碳粒子在相同條件下燒結(jié)時，所獲得的極化電極的體積電阻(電阻率)當(dāng)微細活性碳粒子直徑大時則大，當(dāng)微細活性碳粒子的直徑小時則小。因此，如果應(yīng)用較小直徑的微細活性碳粒子，所得到的雙電荷層電容器就有較小的內(nèi)阻。然而，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，較小直徑的微活性碳粒融合在一起，從而使單位表面積減少，能量密度降低。
本發(fā)明的任務(wù)是提供一種應(yīng)用雙電荷層原理的雙電荷層電容器，雙電荷層由活性碳和電解質(zhì)之間的界面組成，此雙電荷層電容器有較小的內(nèi)阻而不影響能量密度。
本發(fā)明提供了一種有由活性碳和電解質(zhì)之間的界面組成的雙電荷層的雙電荷層電容器，它至少包括二個極化電極，每一個都是由多孔燒結(jié)體組成，而多孔燒結(jié)體是由不同直徑的微細活性碳粒子燒結(jié)和聯(lián)結(jié)而成;一插在兩極化電極之間的隔板;和一外殼，其中密封有極化電極，隔板和電介質(zhì)。本發(fā)明也提供一種制造雙電荷層電容器極化電極的方法，雙電荷層電容器有由活性碳和電介質(zhì)之間的界面組成的雙電荷層，此方法包括如下步驟至少把兩種不同直徑的微細活性碳粒子粉末混合在一起將此混合物放入模具中，向模具中的混合物加壓，當(dāng)壓力加到混合物上時，在微細活性碳粒子之間施加脈沖電壓以使其間產(chǎn)生放電，并使微細活性碳粒子保持在予定溫度，以便燒結(jié)此微細活性碳粒子。
本發(fā)明的上述和其它目的，特性和優(yōu)點，由以下結(jié)合附圖對優(yōu)選實施例的描述，將變得更加明顯。


圖1是表示本發(fā)明雙電荷層電容器極化電極的微細活性碳的結(jié)構(gòu)圖;
圖2是表示制造本發(fā)明多孔燒結(jié)體裝置的電路圖;
圖3是加到微細活性碳粒子上的壓力，流過微細活性碳粒子的平均電流和微細活性碳粒子的溫度隨時間變化的曲線圖;
圖4是本發(fā)明雙電荷層電容器的截面圖;和圖5是具有懸浮體膠糊電極的常規(guī)雙電荷層電容器的剖面圖。
圖1示出本發(fā)明雙電荷層電容器極化電極的微細活性碳粒子的結(jié)構(gòu)。圖2示出制造本發(fā)明多孔燒結(jié)體的裝置。
如圖2所示，將微細活性碳微粒的粉末放入燒結(jié)模具10中，燒結(jié)模具10由高強度的金屬，如鎢鋼制成，其中心有孔，用以放置活性碳粒子。孔的內(nèi)壁用公知的方法，如汽相生長法涂復(fù)上一層絕緣材料，如氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)從而形成絕緣層11。沖桿12、13的上端和下端分別插入燒結(jié)模具10的孔中。上、下沖桿12和13是用耐熱金屬，如鎢，鉬或其類似材料制成。活性碳微細粒子16被密封在上、下沖桿12、13之間。上、下沖桿12、13分別連接到上、下電極14、15。
雖然在圖2中未示出，此上、下沖桿13、14和上、下電極14、15是用水壓機按箭頭所示的方向被可控制地加壓，所以能把所要求的壓力加到微細粒子16。將微細粒子16和燒結(jié)模具10放到所要求的氣氛中。使上、下電極14、15電連接到由開關(guān)SW1SW2和電容器C串聯(lián)連接的電路，可變電阻R和可變電壓源17的串聯(lián)電路并聯(lián)連接到電容器C和開關(guān)SW2的串聯(lián)電路上。開關(guān)SW1SW2的開關(guān)時間由開關(guān)控制電路18來控制。開關(guān)SW1為常開開關(guān)而開關(guān)SW2為常閉開關(guān)。
燒結(jié)模10可以用陶瓷材料來制造，例如氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)或其它類似的陶瓷材料。
下面將討論圖2所示裝置的工作。
在上、下電極14、15之間未加電壓時，上、下沖桿12、13被相對驅(qū)動，以逐漸增加施加到置于其間的微細粒子的壓力。
在圖2所示的條件下，電容器C充分地充電。當(dāng)加到微細粒子16的壓力達到予期的水平時，控制開關(guān)SW1使之重復(fù)地進行開和關(guān)。
控制開關(guān)SW1的接通時間，使之與電容器C在上、下電極14、15之間的放電時間相等或更短?？刂崎_關(guān)SW1的斷開時間使之與電容器C的充電時間基本上相等或更長。因此，流過上、下電極14、15之間的電流在最大值和最小值之間往復(fù)變化。
當(dāng)開關(guān)SW1重復(fù)進行開和關(guān)時，如圖3所示在上、下沖桿之間就流過強烈的脈沖沖擊電流。
此脈沖沖擊電流加在上、下沖桿12、13之間，直到夾在上、下沖桿之間的幾乎所有微細活性碳粒子都互相接觸和融合。此后，當(dāng)加至微細粒子16的壓力一直保持在恒定水平時，開關(guān)SW2持續(xù)斷開，開關(guān)SW1持續(xù)接通，而且可變電阻器R的電阻和可變電壓源17的電壓被調(diào)整，以便如圖3所示在上、下電極14、15之間連續(xù)地通過一給定數(shù)值的加熱電流。
由于微細粒子的這些未互相充分接觸和融合或者互相融合不穩(wěn)定的部分往往塌陷(Callapse)或者由于細粒子的融接區(qū)域往往移動，導(dǎo)致局部的高溫，在用加熱電流激發(fā)的最初階段加熱電流即被控制，因此，微細粒子的溫度將緩慢上升。
在達到予定溫度后，所施加的加熱電流保持在恒定水平，從而使至此已升溫的活性碳多孔燒結(jié)體維持在一恒定溫度(見圖3)。
在這樣條件下構(gòu)成多孔燒結(jié)體的活性碳的微細粒子穩(wěn)定地互相粘接?，F(xiàn)在切斷上、下電極14、15之間所加的放電電壓，也去掉在其間所加的壓力。當(dāng)多孔燒結(jié)體的溫度降至常溫時將其從燒結(jié)模具10中取出。
當(dāng)按上述燒結(jié)工藝分別燒結(jié)直徑為20μm和5μm的微細活性碳粒子粉末時，由直徑小的微細活性碳粒子燒結(jié)成的燒結(jié)體，其密度就高，如下表所示<
<p>直徑較大的粒子其融合在一起的區(qū)域較小，直徑較小的粒子其大多數(shù)部分融合在一起。由于粒子按上述燒結(jié)工藝用通過電流所產(chǎn)生的熱被短時間燒結(jié)，這些粒子因直徑是較小的，其總體被更多地加熱。因此，如果粒子的直徑是較小的，則燒結(jié)體的單位表面積就降低，其體積電阻也減少。上表所列的燒結(jié)體是按如下工藝燒結(jié)的在壓力為300kg/cm2溫度為800℃所維持的2分鐘期間，加750A脈沖電流90秒鐘。當(dāng)將不同粒徑的微細活性碳粒子混合并燒結(jié)時，如圖1所示較大直徑的粒子L保持原狀，較小直徑的粒子S被融合。
圖4示出本發(fā)明的雙電荷層電容器的剖面圖。圖4所示的雙電荷層電容器包括一對極化電極20，其每一個都是通過將平均粒徑分別為20μm和5μm的微細活性碳粒子按10∶1的比率混合、并按上述燒結(jié)工藝將此混合物在圖2所示的燒結(jié)模具中燒結(jié)成多孔燒結(jié)體而制成的。向極化電極20中注入稀釋的硫酸。雙電荷層電容器也有一由不導(dǎo)電橡膠組成的，其間容納有極化電極20絕緣墊圈30和一設(shè)置在極化電極之間的用以防止電子在極化電極之間運動的隔離板40。由導(dǎo)電橡膠組成的集電器50被用粘合劑粘接到密封墊圈30的上下表面，并且通過硫化作用而與極化電極20連接。
有不同直徑的微細活性碳粒子按如下方法混合平均粒徑為20μm和平均粒徑為5μm的微細活性碳粒按10∶1的比率混合，并向此混合物中加進蒸餾水，然后將其燒結(jié)成膠糊。當(dāng)將此膠糊狀混合物充入燒結(jié)模具中時，它比細粉更易加工和測量。
然后將所得到的糊狀混合物燒粘成極化電極。燒結(jié)成的極化電極其密度為0.64g/cm3，體積電阻(電阻率)為0.6Ωcm單位表面積為1300m2/g。
此燒結(jié)成的極化電極在相同條件下有比用平均粒徑為20μm的微細活性碳粒子燒結(jié)成的燒結(jié)體有稍少的單位表面積以及少得多的體積電阻(電阻率)。因此，具有這樣燒結(jié)成的極化電極的雙電荷層電容器其內(nèi)阻少，對能量密度也無大的影響。
盡管只展示和討論了一些優(yōu)選實施例，但應(yīng)如此理解，即其許多改變和變種均未超出附加權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1.一種有由活性碳和電解質(zhì)之間界面組成的雙電荷層的雙電荷層電容器，它包括至少兩個極化電極，每一個都包括有由不同直徑的微細活性碳粒子燒結(jié)和粘接構(gòu)成的多孔燒結(jié)體；插在所說的極化電極之間的隔離板；和其中密封有所說的極化電極、所說的隔離板和電介質(zhì)的外殼
2.按照權(quán)利要求1所說的雙電荷層電容器，其中所說的多孔燒結(jié)體是由兩種不同直徑的微細活性碳粒子的粉末構(gòu)成，較小直徑的微細活性碳粒子粉末約含10%
3.一種制造有由活性碳和電解質(zhì)之間的介面組成的雙電荷層的雙電荷層電容器的方法，所說的方法包括如下步驟將至少兩種不同直徑的微細活性碳粒子粉末混合在一起;把混合物放入一模具中;向模具中的混合物加壓力;在向混合物施加所說的壓力時，再在微細活性碳粒子之間施加一脈沖電壓以使其間產(chǎn)生放電;和維持微細活性碳粒子在一預(yù)定溫度以使微細活性碳粒子燒結(jié)。
4.按照權(quán)利要求3所說的方法，其中所說的將至少兩種微細活性碳粒子粉末混合的步驟包括向所說至少兩種微細活性碳粉末加蒸餾水以及將此混合物燒結(jié)成膠糊的步驟。
全文摘要
將至少兩種微細活性炭粒子粉末混合，并將此混合物放入一模具有。在向模具有的混合物施加壓力時再在微細活性炭粒子之間加上脈沖電壓以使其間產(chǎn)生放電，令微細活性炭粒子，保持在一預(yù)定溫度，從而將微細活性炭粒子燒結(jié)成用作電極的多孔燒結(jié)體。向兩個這樣的電極注入電解質(zhì)以產(chǎn)生極化電極。一種雙電荷層電容器包括兩個夾在集電器之間并被隔離板隔開的極化電極。
文檔編號H01G9/155GK1053966SQ9110073
公開日1991年8月21日 申請日期1990年12月28日 優(yōu)先權(quán)日1989年12月28日
發(fā)明者土屋善信, 倉林研, 諸星博芳 申請人:五十鈴汽車有限公司