[发明专利]一种提高电化学电容器储能密度的方法

摘要

一种提高电化学电容器储能密度的方法，它属于电化学电容器技术领域。通过改变现有电化学电容器的结构和充电方法来数倍提高其储能密度技术要点：在电容器的电解液中增加正极、负极充电极板，正极充电电源接电容器正极集流体及正极充电极板，负极充电电源接电容器负极集流体及负极充电极板，由正极充电电源对正极电极材料界面与溶液侧界面形成的双电层电容充电；负极充电电源对负极电极材料界面与溶液侧界面形成的双电层电容充电；或者对正极、负极、正负极三条支路同时充电；放电时，由电容器正极端端口与负极端端口向负载释放电能。主要用途：电动汽车动力，风能/太阳能电站储能，不间断电源UPS，各种装备电源。

主权项

1.一种提高电化学电容器储能密度的方法与现有技术的共同特征：/n在电容器结构上相同的部分：现有的电化学电容器主要由正极、负极、隔膜、电解液、引线、外壳组成，正极和负极之间设有隔膜，其中正极、负极的金属集流体面积最大的两个表面都涂覆有电极材料，现有技术中，也有正极、负极不需要金属集流体的；正极、负极间设有防漏电措施；使用现有电化学电容器的生产材料、制造工艺、生产技术要求；/n电化学电容器包括双电层电化学电容器、赝电容、混合电容，本发明适用于这三种电容器；/n现有单体电容器并联时，是相同功能的电极并联在一起，把多只并联的单体电容器看成一只电容来处理，单体电容器串联时，是相邻两个电容器的正极负极串联在一起，直至最后，由位于最上位的电容器的正极与位于最下位的电容器的负极构成对外供电输出端，这也是电容器组接受充电的输入端；电容器的能量存储在电容器的正极侧双电层电容和负极侧双电层电容中，正极侧双电层电容和负极侧双电层电容所存储的能量之和就是整个单体双电层电化学电容器所存储的能量，能实现电容器的串联均衡充电，本发明的电容器亦是如此；/n一种提高电化学电容器储能密度的方法其特征是：电容器的结构上的区别和充电/放电方法上的区别/n1电容器结构上的区别：/n单体电化学电容器制造上的区别：首先：遵循现有技术中的生产技术要求，正负极之间要有防漏电措施，以防止自放电或无效充电，因本发明的电容器在电解液中增加了一块或者多块充电极板，充电极板也可以做在电容器外壳的内表面上，还有电极体的耳极，所以在电解液中的电极耳极及其焊接导线、电容器正极负极引出导线等没有电极材料覆盖的地方焊接好后都要涂覆绝缘防腐层，正极充电电源的负极输出端与充电极板上的正极充电极板引出线焊接，负极充电电源的正极输出端与充电极板上的负极充电极板引出线焊接，焊好后涂覆绝缘防腐层，正极充电电源输出端及其负载要有防漏电措施，负极充电电源输出端及其负载也要有防漏电措施；本发明的电容器的电极体有两种结构：即卷绕型和叠层型；卷绕型电极，在正极金属集流体、负极金属集流体的始端或者末端分别留出裸体金属作为耳极部分，金属集流体的表面涂覆电极材料，耳极部分是分别与电容器的正极、负极引脚焊接在一起的，焊好后涂覆绝缘防腐层，按上下层关系依次将上层隔膜、上层电极、下层隔膜、下层电极叠放好待卷绕的电极体，以上层隔膜卷绕在内侧作为卷绕方向为例来描述，当上层的隔膜、上层电极绕完后，继续用下层隔膜、下层电极按原方向卷绕，当下层电极绕完后，继续用下层隔膜覆盖下层电极绕一周，保证所有电极表面(电极厚度所在的侧面除外)都有一层隔膜覆盖，下层隔膜长度是最长的；叠层型电极，每块金属集流体留出裸体金属耳极部分，每块金属集流体的表面都涂覆电极材料，做好电极片后，按正极片/隔膜/负极片/隔膜/正极片/隔膜/负极片这样依次叠层放置，当然，反过来也可以，即按负极片/隔膜/正极片/隔膜/负极片/隔膜/正极片这样依次叠层放置，每张隔膜两边电极极性相反，两块电极间有一张隔膜，在电极体的左右两端即左右两端绝缘板内侧各放置一张隔膜，用左右两端绝缘板适度压紧电极体后，牢固电极体，焊接好每块正极金属集流体耳极及其横梁，将正极金属集流体横梁与电容器的正极引出脚焊接好，然后涂覆绝缘防腐层，焊接好每块负极金属集流体耳极及其横梁，将负极金属集流体横梁与电容器的负极引出脚焊接好，然后涂覆绝缘防腐层；其次：在电解液中增加充电极板，充电极板有两种形式，第一种是在同一块充电极板上增加了正极充电电极(或者叫正极充电极板)，负极充电电极(或者叫负极充电极板)，正极充电电极，负极充电电极均匀相间分布，第二种充电极板是：整块充电极板要么为负极充电极板，要么为正极充电极板；在电容器制造中增加充电极板的数量可以是一块到多块，直至包围整个电极体，也可以将充电极板做在电容器外壳的内表面(但要保证增加的充电电极与电容器的整个电极体都浸没在电解液里)，对于卷绕型的电极体，可以在上底或者下底位置；也可以在上底及下底位置；还可以在上底、下底、圆柱体柱面外围位置增加充电极板，包围整个电极体；对于叠层型电极体，可以在集流体厚度所在表面的垂直方向增加一块到四块充电极板，也可以在电极体的前后左右上下这6个方位增加充电极板，包围整个电极体，对于采用非相间分布的充电极板，其在电容器中的数量是成对出现的，即正极充电极板、负极充电极板各一块；各2块，各三块等等。/n2电化学电容器充电/放电方法上的区别/n单体电化学电容器的充电方法上的区别：/n使电容器的正极有单独的正极充电电源，并且正极充电电源的正极输出端接电容器的正极(有金属集流体时接正极金属集流体)，正极充电电源的负极输出端接在电解液中新增的正极充电电极引出线，实现正极充电电源输出端所接极板形成的电场能对电容器正极电极界面与溶液侧界面形成的双电层电容充电，使电容器的负极有另外一套负极充电电源，并且负极充电电源的负极输出端接电容器的负极(有金属集流体时接负极金属集流体)，负极充电电源的正极输出端接在电解液中新增的负极充电电极引出线，实现负极充电电源输出端所接极板形成的电场能对电容器负极电极界面与溶液侧界面形成的双电层电容充电，正极充电电源、负极充电电源都是由电流内环电压外环双闭环控制的开关电源产生；在由多只单体电容器并联成一组，由多组电容串联成电容器阵列的充电/放电方法上的区别：对于电机这样的负载(比如电动汽车)，刹车时，由回馈能源给电容器阵列充电，我把它定义为动态充电，由电网能源给电容器阵列充电，我把它定义为静态充电，多只单体电容器并联成一组，是将所有单体电容器的相同功能电极引出线分别焊接在一起，把这一组电容当成一只电容来看待，每组电容器的正极充电电源输入端、负极充电电源输入端都与相应的均衡充电变压器的副边整流输出端相连，通过接触器的常开触头将所有电容器组负极充电电源输入端串联起来，接在负极充电电源上，负极充电电源由电流内环电压外环双闭环控制的开关电源产生；通过接触器的常开触头将所有电容器组正极充电电源输入端串联起来，接在正极充电电源上，正极充电电源由电流内环电压外环双闭环控制的开关电源产生；通过接触器的常闭触头依次将相邻电容器组的正极负极相连，此支路接触器用于控制动态充电或放电；静态充电时，所有控制负极充电电源支路的常开接触器触头全部闭合，所有控制正极充电电源支路的常开接触器触头全部闭合，所有用于控制动态充电或放电的接触器常闭触头全部打开；电容器阵列处于动态充电或者放电状态时，所有用于静态充电的接触器常开触头全部打开，即所有控制负极充电电源支路的接触器常开触头全部打开，所有控制正极充电电源支路的接触器常开触头全部打开，用于相邻组电容器正负极连通的接触器常闭触头全部闭合，由位于最上位的电容器组的正极与位于最下位的电容器组的负极对外输出电能，也由这两端接受回馈电能的充电，在接受动态充电时，充电电压不能大于电容器组的串联组数乘以电解液的分解电压；另外一种方案是：由多只单体电容器并联成一组，由多组电容串联成电容器阵列的充电/放电控制电路中，用于控制负极充电电源支路中的接触器，至少留出一组触头(最好先留出该支路电流流入的第一个接触器的触头)由接触器控制，其余触头的开/闭可由连接器的断/通来实现，用于控制正极充电电源支路中的接触器，至少留出一组触头(最好先留出该支路电流流入的第一个接触器的触头)由接触器控制，其余触头的开/闭可由连接器的断/通来实现，用于控制动态充电/放电支路中的接触器，至少留出一组触头(最好先留出该支路电流流入的第一个接触器的触头)由接触器控制，其余触头的开/闭可由连接器的断/通来实现；连接器的制作是这样的：在A、B、C三块绝缘板上打孔，位于两端的A、C两块绝缘板固定不动，全部安装连接器的公体部分，位于中间位置的B绝缘板上全部安装连接器的母体部分(当然，公体母体连接器安装位置互换也可以)，B板与C板上的每一对连接器对应接触器的一组触头，B绝缘板可在导轨上平行移动，通过手动或电动的办法移动B绝缘板，使C板上的公体连接器与B板上的母体连接器的接通或断开来代替接触器触头的接通或断开，A板上的公体连接器与B板上的母体连接器始终接通，这样的三套装置就能分别实现上述三条支路中接触器触头的开闭控制，每一套对应实现其中的一条支路接触器触头的开闭控制，在三条支路中，每条都至少留一组触头由接触器控制，由微处理器控制每条支路连接器B板的运动及该支路接触器触头的开闭，也由微处理器控制B板位置的锁定与解锁，以保证三条支路连接器在拔插过程中不通电，充电结束后各支路移动连接器B板位置的锁定。/n电容器组的充电支路分为三条，它们是：第一条为串联的电容器组负极充电支路；第二条为串联的电容器组正极充电支路；第三条为电容器组之间的正负极串联充电支路，新增下列六种充电方法，第一类是：取消第三条支路中电容器组之间串联所用的连接器开关CF连接方式，改为紧密接触直通连接电容器组之间的正负极，或者用导线直接连通电容器组之间的正负极。这一类新增的充电方法如下：/n(1)断开第三条支路，先把第一条支路，第二条支路充满了，断开第一条支路，第二条支路后，再充第三条支路，第三条支路充满了之后，断开第三条支路，由电容器组的正负极端口对外供电。/n(2)断开第一条支路，第二条支路，先把第三条支路充满了，断开该支路后，再充第一条支路，第二条支路；第一条支路，第二条支路充满了之后，断开第一条支路，第二条支路，由电容器组的正负极端口对外供电。/n(3)第一条支路、第二条支路与第三条支路同时进行充电，全部支路充满电后，断开第三条支路及第一条支路，第二条支路，由电容器组的正负极端口对外供电。/n上述的新增充电方法(1)(2)(3)中讲的断开第一条支路，第二条支路是指：断开该支路连接充电电源的接触器触头j