[发明专利]一种高工作电压的内串联型超级电容器

说明书

技术领域

本发明属于超级电容器领域，具体涉及一种高工作电压的具有内串联结构的超级电容器。

背景技术

超级电容器是一种介于传统静电电容器和二次电池之间的新型储能器件，具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长等优点。在通讯、电动汽车、航空航天、军工、备用电源等领域都有着广泛的应用前景。其中，超级电容器在高电压大功率电源方面的应用是其应用热点之一。通过电容器串联的方式提高整体电压，同时利用超级电容器本身的高功率密度是制备高压大功率电源的理想解决方案之一。

超级电容器根据所采用电解质的不同，分为水系和有机系两类。采用目前的组装方式，水系超级电容器的工作电压为1-2V（一般为1V），有机系超级电容器的工作电压在2-3V（一般为2.5-2.7V）之间。由于上述超级电容器单体的电压过低，需要对其进行串联，即采用外串联的方式将若干个超级电容器单体连接到一起，组成具有高工作电压的超级电容器模组，以满足不同的市场需求。例如：丰田汽车在旗下的8款40多万辆混合动力车上应用了1000余万个超级电容器，采用7个2.1V，68F超级电容器单体串联，之后3组并联组成14.7V，29.1F系统；斯堪尼亚集团在其125V乙醇混合动力车中采用了由Maxwell公司制造的4个125V超级电容器模组，总容量为400Wh；空中客车A380的应急舱门动力系统采用了美国Maxwell超级电容器模组，其峰值电流为60A，总功率11kW，待机时间为8小时，使用寿命可达25年；采用混合动力的某型号重型战术卡车将电能存储在超级电容器模块中，该模块可提供100kW的输出功率，同时使卡车的燃油消耗率降低了20%。但是，采用外串联方式构建超级电容器模组以提高超级电容器工作电压的技术方案存在如下问题：在通过外串联方式构建的超级电容器模组（或超级电容器包）中，存在诸如连接件、封装壳体以及模组均衡系统等一系列额外的辅助部件。这无疑会增加超级电容器模组整体的体积和重量，导致系统能量密度和功率密度的降低。Shiue等在其申请的美国专利（US6579327B1）中提出了一种高电压柱状电容器的制作方法：将电容器正极、负极以及双层电极通过隔膜进行隔开并卷绕成一体。采用该方法制备的以Fe₃O₄/C为活性物质的电容器可以在0-5V的电位区间内进行充放电。Amatucci在专利（US2002136946A1）中提出一种叠片式软包装超级电容器及其制备方法。但是，柱状卷绕式结构只能够对叠片层数（即相互串联的电容器单体个数）有严格的限制，电容器的电压提升空间很小；叠片式软包装的结构由于软包装生产工艺的制约同样对叠片层数有着严格的限制。此外，采用上述专利中所提出的结构，注液后会出现隔膜与隔膜之间的接触，从而导致电容器内短路现象的发生。当电容器在高电压窗口下工作时，这种内短路会引起电解液的分解，造成电容器胀裂或发生爆炸。

为了解决上述问题，本发明提出了一种具有内串联结构的柱状叠片式超级电容器，即通过在一个壳体内将电极片、隔膜以及绝缘环依次循环串联，组成具有高工作电压的柱状超级电容器。绝缘环能够防止隔膜与隔膜之间的接触，进而有效地避免电容器内短路情况的发生。通过内串联的方式将多层电极片与隔膜组装在一个柱状电容器中，构成多个相互串联的单电容，可以使电容器的工作电压可从由双层电极构成的单体的工作电压1V（水系）或2.5V（有机系）提高到几十伏至数百伏。与外串联型电容器模组相比，采用本发明的结构构建高工作电压的超级电容器可以有效地降低系统的重量和体积，从而进一步提高超级电容器系统的能量密度和功率密度。本发明对于空间和重量受到严格限制的应用场合显得尤为重要。采用本发明的结构有望将超级电容器的应用拓展到空间受限高压应用领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种高工作电压的内串联型超级电容器，该超级电容器通过内串联的方式将多层电极片组装在一个柱状电容器中，可将超级电容器的工作电压从传统超级电容器的2.5V提高到几十伏至数百伏。

本发明提供了一种高工作电压的内串联型超级电容器，该超级电容器由上端盖板（1），绝缘环片（2），电极片（3），隔膜（4），壳体（5）组成；

绝缘环片（2），电极片（3），隔膜（4）位于壳体（5）的内部，且按照绝缘环片（2）、电极片（3）、隔膜（4）顺序反复循环串联；

其中临近的电极片和隔膜构成单电容，这些单电容相互串联，从而提高整个电容器的工作电压。

绝缘环片内环尺寸与电极片尺寸相同，绝缘环片外环尺寸略大于隔膜尺寸。