專利名稱：用于電化學元件的層電極和具有所述層電極的電化學雙層電容器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于電化學元件的具有大量纖維的層電極。此外，本發(fā)明涉及一種具有該層電極的電容器。
電化學雙層電容器從出版的EP 0786142 B1可知，其電極是活性碳布。已知的碳布由彼此交叉在一起編織的絲線制成。碳布的這種編織是一個代價高昂的過程，因此碳布的生產(chǎn)昂貴。
此外，已知的碳布有如下缺陷，即它有250μm-600μm之間相對大的厚度。因此，在固定的電容器容積中，只有少量的電極層插入到電容器容積中。對于此數(shù)量的電極層來說，用于碳布與鋁-分路器接觸的面積也很小，因此已知的電容器有相對高的歐姆電阻。
進一步，由彼此交織的絲線生產(chǎn)碳布有如下缺陷，即由于交織形成的空隙使碳材料的密度相對小，這樣由碳布作成的電容器的與容積有關(guān)的電容相對小。
因此，本發(fā)明的目的是提供用于電化學元件中的層電極，所述層電極有小的層厚并且經(jīng)濟地生產(chǎn)。
根據(jù)本發(fā)明，這個目的通過依照權(quán)利要求1的層電極達到。本發(fā)明優(yōu)選構(gòu)型以及具有按照本發(fā)明的層電極的電容器可以從其它的權(quán)利要求中得出。
本發(fā)明提供一個用于電化學元件的層電極，所述層電極包含大量纖維，這些纖維至少以段的形式在擇優(yōu)取向方向上并排伸展，并且，其中這些纖維通過粘接彼此結(jié)合在一起。
根據(jù)本發(fā)明的層電極有如下優(yōu)點，即可以通過在唯一的擇優(yōu)取向方向上并排伸展的纖維代替編織纖維或者絲線。這樣根據(jù)本發(fā)明的層電極可以低成本地生產(chǎn)。此外，由于纖維通過粘接彼此結(jié)合在一起，因此用于形成層電極元件的結(jié)合而進行的纖維的疊放和相互編織不再必要，這樣可能實現(xiàn)用于層電極的很小的層厚，即層厚為10μm-500μm。
特別地，纖維是激活的碳質(zhì)纖維，其構(gòu)成束。(也是公知的英文“tow”)。
由于降低了層厚，在預先確定了電容器容積的情況下可插入到電容器中的層電極數(shù)目增加了。由于與層電極接觸的面積由層厚的面積預先確定，并且由于一個電容器的接觸電阻的總和由相應表示單個層電極的單個接觸電阻的并聯(lián)構(gòu)成，因此接觸電阻因?qū)与姌O數(shù)量的增加而下降，電容器的歐姆損失也因此減少。
纖維的彼此附著比如可以通過如下方式得到，即纖維束用具有倒鉤的穿針以橫穿纖維方向扎透。再將這個穿針拉出來后，幾個纖維段偏離擇優(yōu)取向方向伸展并且彼此鉤在一起。這樣在層電極內(nèi)部形成機械結(jié)合。不過偏離擇優(yōu)取向方向的纖維段中的纖維總數(shù)最大不超過20％，這使得纖維束與羊毛明顯不同，在羊毛中各纖維完全沒有擇優(yōu)取向。
本發(fā)明的另一種實施方式是一些纖維可以彼此絞合起來，從而形成紗線(Garn)。本發(fā)明的這種制作方式有如下優(yōu)點，即橫穿擇優(yōu)取向方向的機械結(jié)合比未絞合的纖維優(yōu)越。
根據(jù)本發(fā)明的層電極的制作有進一步的優(yōu)點，即彼此相對編織在一起的纖維可以提高材料密度，從而用這種層電極生產(chǎn)出的電化學雙層電容器可以有增大的電容量。
在彼此絞合在一起構(gòu)成紗線的纖維中，紗線以及形成紗線的纖維的相互附著通過偏離擇優(yōu)取向方向伸展的，彼此鉤在一起的纖維段實現(xiàn)。
進一步可能，要形成層電極的機械結(jié)合，可以借助縫合線橫穿纖維方向相互縫合纖維。優(yōu)選地，采用合成材料做纖維，所述合成纖維通過熱解作用(也被公知為碳化作用)以及隨后的表面激活來變?yōu)樘祭w維。借助縫合線縫合纖維可以在熱解作用和合成材料-原材料的激活之前實現(xiàn)，也可以在激活之后實現(xiàn)。所有不會使電化學元件電性能變差的材料都適合于作為縫合線的材料。在電化學元件是電化學雙層電容器的情形，可考慮比如用聚丙烯、聚乙烯、或聚四氟乙烯做縫合線。
為了沒有過分增加層電極的層厚，最好采用厚度為10μm-50μm之間的縫合線?？p合線可以由單個纖維或者紗線構(gòu)成。
在根據(jù)本發(fā)明的另一種實施方式中，層電極內(nèi)部的纖維結(jié)合可以由此得到促進，即促成纖維之間附著的材料局部地涂在層電極的表面上。同樣，促成纖維之間附著的材料也可以局部地涂在層電極里。
所有不會使電化學元件的電性能變差的材料都適合于此。在電化學雙層電容器情形中尤其適用這種材料，即它相對于電化學雙層電容器中所采用的電解質(zhì)呈惰性。為了穩(wěn)定層電極，可考慮將碳材料借助氣相分離噴進層電極里或者噴到層電極的表面上。但是也可以將其他材料，尤其是金屬，例如鋁或銅借助氣相分離噴涂在層電極的表面上或者里面。
此外，層電極中的纖維結(jié)合可以通過聚合添加物生成或形成?？赡艿木酆咸砑游锸潜热缇垡蚁⒕郾?、聚二氟乙烯以及聚四氟乙烯。最好以層電極碳成分的2-20％的重量份額添加聚合添加物。
采用金屬作為促成纖維之間粘合的材料有以下優(yōu)點，即它同時可與層電極接觸。
金屬，比如鋁或銅還可以通過火焰噴涂、電弧噴涂或者氣相噴涂到層電極的上面或者里面。還可以考慮將層電極壓入軟化金屬形成的膜中，通過電致發(fā)熱，對流熱，輻射熱或者感應熱或用緊貼的發(fā)熱面或者發(fā)熱輥加熱使金屬變熱。這些方法有如下好處，即層電極或者層電極纖維在張應力下沿擇優(yōu)取向方向放置，這使得在將纖維布置在金屬上時，保證纖維基本平行的取向。
特別優(yōu)選地，采用包括C6環(huán)的合成材料作為纖維的原材料。這種合成材料通過在抽出空氣或者在含有少量氧的大氣中加熱而熱解，這樣它幾乎完全變?yōu)樘疾牧?，這個過程被公知稱為碳化。纖維碳化之后，纖維表面可以通過侵蝕過程被激活。侵蝕可以通過氣體處理，例如借助CO2或者H2O進行以及通過化學或電化學進行。通過激活纖維，纖維表面急劇擴大，這樣，比如可以由一個100m2g的表面得到一個3000m2g的表面。
例如，用于纖維的原材料可以采用酚醛纖維、纖維素、瀝青、聚乙烯醇以及它們的衍生物或者聚丙烯腈。
進一步優(yōu)選地，采用厚度在5-50μm的纖維，因為用這樣的纖維生產(chǎn)厚度為5-500μm的薄的層電極變得容易。當采用很薄的纖維時，如果可能，還可以把很多個纖維疊放在一起以形成層電極。當采用大量纖維疊放在一起時，得到的層電極具有提高機械穩(wěn)定性的優(yōu)點。然而與此相對的可能的情況是層電極只由僅有的一層纖維層構(gòu)成。這樣，可以在適當?shù)睦w維強度下生產(chǎn)盡可能薄的層電極。
此外，本發(fā)明提供了一種電化學電容器，所述電化學電容器包含一個具有兩個根據(jù)本發(fā)明的層電極的電容器卷軸(Kondensatorwickel)。所述層電極用含離子的液體浸透，并且通過分離層彼此隔開。所述分離層使層電極彼此電絕緣，并且對液體離子而言，分離層是可滲透的。每個層電極與一個接觸層連接，所述接觸層允許層電極電接觸到電容器的外接口上。因此特別地，電容器卷軸可以是由重疊放置的電極層對構(gòu)成的層組件。接觸層可以具有接線片，所述接線片在層細件的一個側(cè)面從層組件上引出并且與電容器的外接口接觸。
下面根據(jù)實施例和附圖對本發(fā)明進行進一步地解釋。


圖1以透視圖的形式示例地展示根據(jù)本發(fā)明的層電極。
圖2以俯視圖的形式示例地展示層電極的第一種機械穩(wěn)定實施形式。
圖3以截面圖的形式示例地展示層電極的另一種機械穩(wěn)定實施形式。
圖4以截面圖的形式展示了根據(jù)本發(fā)明的層電極，在層電極的表面上散布有促使纖維之間粘著的材料。
圖5以截面圖的形式示例地展示了電容器的電容器卷軸。
圖1展示了根據(jù)本發(fā)明的，具有沿擇優(yōu)取向方向伸展的纖維1的層電極。所述擇優(yōu)取向方向如箭頭所示。因此每一個纖維1與相鄰的纖維1直接接觸，這對于材料的密度特別有好處。
圖2展示了纖維1之間的結(jié)合，所述結(jié)合通過偏離擇優(yōu)取向方向(箭頭所示)伸展的，彼此鉤在一起的纖維段2形成。這樣纖維1扭絞成紗線5。
圖3展示了厚度為D的纖維1，所述纖維1以單層并排擺放，并且通過縫合線3彼此縫合在一起。縫合線3可以比纖維1細得多，因此層電極的層厚沒有由于纖維1的縫合而導致很大的增加。這是應該注意的，即出于講解縫合的目的，纖維之間的距離以放大的形式展示。
圖4展示了層電極6，所述層電極6由根據(jù)圖1并排排列的纖維1構(gòu)成的束，通過在其表面上的鋁金屬的局部蒸鍍(Aufdampfen)而形成，所述鋁金屬形成促使纖維1之間粘在一起的材料4。所述蒸鍍只允許局部實現(xiàn)，在這種情況下通常纖維具有一個很小的、露出的并且因此活性的表面。根據(jù)圖4的實施例，層電極6的層厚d為50μm。因此纖維1的厚度為10μm。
圖5展示具有層電極6的電化學雙層電容器的層卷軸的一部分，所述層電極6通過分離層7彼此隔開。層電極6用電解質(zhì)浸透。絕緣的分離層7對于離子電解質(zhì)中的離子來說是可滲透的。借助接觸層8，尤其借助突出層電極6的接觸層8的接線片9，電極層6可以通過側(cè)面進行電接觸。
本發(fā)明不局限于所描述的實施例，而是由權(quán)利要求1所限定的一般形式。
權(quán)利要求
1.用于電化學元件的層電極，-具有大量纖維(1)，所有的纖維(1)至少以段的形式沿擇優(yōu)取向方向并排伸展，-其中，纖維(1)通過粘接彼此結(jié)合在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的層電極，層電極的層厚(d)為5μm-500μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的層電極，其中，偏離擇優(yōu)取向方向伸展的纖維段(2)彼此鉤在一起。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的層電極，其中，纖維(1)通過縫合線(3)彼此縫合在一起。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一的層電極，其中，多個形成紗線(5)的纖維(1)彼此絞合在一起。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一的層電極，其中，將在纖維之間起粘接作用的連接材料(4)部分地涂覆于層電極的表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一的層電極，其中，將在纖維之間起粘接作用的連接材料(4)部分地加入到層電極中。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7的層電極，其中，所述材料(4)相對于在電化學雙層電容器中所使用的電解質(zhì)是惰性的。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的層電極，其中所述材料(4)是金屬。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的層電極，其中，所述材料(4)包括碳元素。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的層電極，其中，所述材料(4)通過火焰噴涂或者電弧噴涂進行涂覆。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的層電極，其中，所述材料(4)通過氣相噴涂進行涂覆。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-12之一的層電極，其中，所述纖維(1)由包括C6環(huán)的合成材料制成。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的層電極，其中，所述纖維(1)被熱解。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的層電極，其中，所述纖維(1)的表面通過侵蝕過程變粗糙。
16.根據(jù)權(quán)利要求1-15之一的層電極，其中，所述纖維(1)的厚度(D)為5μm-50μm。
17.根據(jù)權(quán)利要求8的層電極，其中，所述材料(4)是聚合物。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的層電極，其中，所述材料(4)是聚乙烯、聚丙烯、聚二氟乙烯或聚四氟乙烯。
19.具有電容器卷軸的電容器，所述電容器卷軸包括兩個根據(jù)權(quán)利要求1-18之一的層電極(6)，所述層電極(6)浸在含離子的液體中，在所述層電極(6)之間布置有對于液體中的離子可滲透的絕緣分離層(7)，并且其中每個層電極(6)與接觸層(8)相連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于電化學元件的層電極(6)，所述層電極(6)具有至少以段的形式沿擇優(yōu)取向方向并排伸展的大量纖維(1)，其中纖維(1)通過粘接彼此結(jié)合在一起。纖維(1)的彼此粘接可以通過刺開層電極或者通過縫合制得。根據(jù)本發(fā)明的層電極(6)有如下優(yōu)點薄并且可以經(jīng)濟地生產(chǎn)。此外，本發(fā)明給出了具有根據(jù)本發(fā)明的層電極(6)的電容器。
文檔編號H01M4/02GK1610647SQ02807088
公開日2005年4月27日 申請日期2002年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月23日
發(fā)明者T·肖爾茨, C·韋伯 申請人:埃普科斯股份有限公司