[发明专利]一种高温离子电容器

说明书

技术领域

本发明涉及电容器，特别是在较高温度环境下电解质呈离子状态工作的电容器。

背景技术

作为一种新兴的能量存储设备，超级电容器具有功率密度高、充放电速率快以及循环寿命长等特点，近年来一起了人们的广泛关注。在某些领域可以作为电池的补充甚至取代电池。目前商业化的超级电容器主要采用碳材料为电极材料，水系/有机溶液为电解质，隔膜以聚丙烯薄膜和无纺布为主。受电解质和隔膜材料的限制，目前商业化超级电容器的使用温度范围约为-40～70℃。在诸如航空发动机内部这种高温工作环境下，市场上的超级电容器显然不能满足需求。因而，开发出能够在高温环境下工作的电容器具有重要意义。

对于耐高温电容器，其内部所有结构材料以及封装材料都必须是耐高温材料，最关键的是要解决高温下电解质中的离子传输问题，从而实现器件的电荷存储功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种适宜在高温环境下工作的电容器，能够为高温环境下工作的器件诸如温度传感器提供电能。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术手段：

一种高温离子电容器，包括两片具有一定柔性的薄膜电极、填充在电极中间的电解质、以及电解质中间用于防止短路的多孔陶瓷隔膜；电容器以耐高温材料进行封装；两薄膜电极分别引出与外界连接的导线；所述电解质根据使用温度的不同可选择下列常温下为固态的离子化合物之一：NaF、KF、NaCl、KCl、LiCl、RbCl、CaCl₂、MgCl₂、HgCl、ZnCl₂、NaBr、KBr、KOH、NaOH、LiOH、KNO₃、NaNO₃、Na2SO₄、K2SO₄、NaClO₄、KClO₄。

采用如上这些在常温下呈固态的电解质，在常温下，其中没有可以自由移动的离子，因而器件不表现出电容性能；而在高温使用环境下，电解质由固态转变为熔融态，正负离子在界面形成双电层存储能量。能够为高温下的无线传感网络以及低功耗电子设备供能，可以在诸如航空发动机内部转子件等极端的高温环境下使用，其预期使用温度范围为300～1000℃。

器件封装前分别从两电极引出导线或金属片，用于同外界设备的连接。导线的和金属片可以选择金、银、铜等导电性较好的材质。接头处可以通过焊接或涂刷银浆的方式进行固定。

整个器件应用耐高温的绝缘高分子材料106进行封装，具体封装材料为：聚四氟乙烯、聚醚醚酮、聚醚酮、聚苯并咪唑、聚苯并噁唑、聚苯并噻唑、有机聚硅(矽)氮烷以及上述材料的改性产物或衍生物等。器件的封装应该在恒定的低水氧含量的气氛中进行，以防止空气中的水分进入器件。

与现有技术相比，本发明具有下列有益效果：

1、针对较高的使用温度，本发明提供的高温离子电容器，创造性地采用了常温下为固态的电解质，在常温下不实现电荷存储的功能；在高温下电解质由固态转变为熔融态，此时电解质能够导通离子，从而实现电荷存储功能。相比于目前应用于超级电容器的主流的水系/有机系电解质，这种电解质能够满足高温环境下的使用要求。

2、本发明提供的高温离子电容器，采用多孔陶瓷薄膜作为隔膜，相比于目前市场上的聚丙烯以及无纺布隔膜，陶瓷隔膜具有化学稳定性好、耐高温的特点，能够在高温环境下进行长期稳定的工作。

3、本发明提供的高温离子电容器，电极材料主要采用碳材料以及金属氧化物，这两种材料均具有较好的电容性能，且具有耐高温的特点；还可以通过碳材料和金属氧化物的复合以及形貌调控来提高电容器的容量。

4、本发明提供的高温离子电容器，电极采用的碳材料以及碳化物衍生碳都具有一定的微纳结构，具有较大的比表面积，能够大大提高与电解质的接触面积，从而提高其电容性能。

5、本发明的高温离子电容器采用三明治结构，组装简单，体积较小，封装成型以后为薄片式结构，能够很方便地与其他电子器件整合。还可以通过优化结构，做成微型耐高温电容器，然后做成并联的电容器阵列，以提高其储能本领。

6、此类型电极-电解质-隔膜-电解质-电极的核心结构还可以通过多种方式进行表达，从而制备出各种形状的器件，包括纽扣式电容器、纤维状电容器等。附图5给出了一种纤维状高温离子电容器的结构示意图，这种器件仍然遵循电极-电解质-隔膜-电解质-电极的核心结构，但是长径比很大，可以很便利地整合到可穿戴器件中。

附图说明