電極與引線之間的連接結構、具有該結構的電雙層電容器及其製造方法
2023-09-22 01:32:45 2
專利名稱：電極與引線之間的連接結構、具有該結構的電雙層電容器及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種電極與引線之間的連接結構、具有該結構的電雙層電容器以及製造該電容器的方法，且特別涉及一種可保持電容器的電容量並提高接觸可靠性的電極與引線之間的連接結構、具有該結構的電雙層電容器以及製造該電容器的方法。
背景技術：
超級電容器的電容量至少為傳統電容器的300倍。此外，超級電容器可存儲的能量比電池相對較少，但是它能在非常短的時間內提供約10到100倍於電池的瞬時峰值功率。因此，超級電容器被用作替代或補充電池的能量裝置。
其中一種超級電容器為電雙層電容器，利用不同於利用化學反應的電池的電能儲存機制，將電荷儲存在形成於電解液界面中的離子層，即所謂電雙層內。也就是說，超級電容器以物理電荷積累的方式儲存電能。因此，超級電容器不會表現出重複使用所引起的退化，並且其壽命周期沒有限制。考慮到以上特徵，超級電容器被用作需要長時間使用而不需大量能量的能量裝置。
在普通的電雙層電容器中，正電極箔和負電極箔以及相應的引線是通過超聲波焊接、鉚接(caulking)或擠壓(compressing)來接合的。
超聲波焊接形成的接合的較好的一方面是由於金屬彼此連接而電阻低。然而，由於在正電極膜表面上形成的電介質氧化物層的效應，因此超聲波焊接接合不利於確保足夠的接合力。此外，還有另一問題，就是在超聲波焊接工藝中產生的火花所造成的雜質附著到超聲波焊接接合點。
通過鉚接形成的接合的較好的一方面是這種接合可提供足夠的接合力。然而，問題是，在正電極膜和負電極膜與引線之間造成了相對高的接觸電阻。
通過擠壓形成的接合因為金屬能夠彼此緊密連接而表現出低接觸電阻，類似於超聲波焊接。然而，問題是，與超聲波焊接接合和鉚接接合相比，這種接合提供的接合力較低。
發明內容
構思本發明為的是解決現有技術的問題，因此本發明的目的是提供一種電極與引線之間的連接結構，該連接結構能夠通過將電容器的電極與引線之間的電阻減至最小並提高引線的接觸可靠性而使得電容器的電極與引線之間的接觸電阻最小；具有上述電容器的電雙層電容器；以及製造上述電容器的方法。
為了實現上述目的，本發明提供一種將引線電連接到電極的連接結構，其中極化電極層形成在集流器板的表面上，其中所述電極的將要接合所述引線的區域不含有所述極化電極層，並且所述引線通過壓合(stitching)而接合到所述集流器板，隨後所述引線被擠壓到所述集流器板。
優選地，至少一個引線附接到所述集流器板。此外，電極與引線之間的接觸面積優選處於10mm2至300mm2的範圍內。此處，優選在引線接合區域至少設置三個壓合銷。並且，各銷孔的直徑優選為0.2mm至5mm。
同時，與所述電極將要接合所述引線的區域相對的區域也可不含有極化電極層。此處，極化電極層優選為活性碳塗層。
所述隔離件在所述負電極引線與所述正電極引線之間的表面距離，即沿該隔離件的表面測得的距離，優選處於0.3cm至30cm的範圍內。
在本發明的另一方案中，還提供一種電雙層電容器，其包含正電極和負電極，在所述正電極和負電極的每一個中，在集流器板的表面上形成極化電極層，正電極引線和負電極引線分別連接到所述正電極和負電極，隔離件插入在所述正電極與所述負電極之間，且電解液浸透所述隔離件，其中各電極的將要接合所述引線的區域不含有所述極化電極層，並且各引線通過壓合而接合到所述集流器板，隨後各引線被擠壓到所述集流器板。
優選地，至少一個正電極引線或負電極引線接合到每個電極。並且，各電極與正電極引線或負電極引線之間的接觸面積優選處於10mm2至300mm2的範圍內。此外，優選在每個引線接合區域至少設置三個壓合銷。並且，各銷孔的直徑優選為0.2mm至5mm。
同時，與所述電極將要接合所述引線的區域相對的區域也可不含有極化電極層。此處，極化電極層優選為活性電極塗層。
優選地，分別接合所述正電極引線和負電極引線的所述正電極和負電極設置為，在所述正電極與所述負電極基於所述隔離件對稱的方向上，以預定距離間隔開。此外，所述隔離件和電極優選沿其長度方向卷繞成捲筒形。此處，由以下公式定義的各引線的定位(L)，優選大於0.1並小於1。
優選地，所述隔離件在所述負電極引線與所述正電極引線之間的表面距離，即沿該隔離件的表面測得的距離，處於0.3cm至30cm的範圍內。此外，在所述隔離件和電極卷繞起來之後，所述負電極引線與正電極引線之間的直線距離優選處於5mm至30mm範圍內。並且優選地，所述負電極基於卷繞起來的捲筒的中心設置在正電極的相對較外側。
在本發明的又一方案中，還提供一種製造電雙層電容器的方法，該方法包括以下步驟(a)通過在正集流器板和負集流器板上除了要接合引線的區域之外的區域塗覆極化電極層，來製備正電極和負電極；(b)將引線壓合到所述正電極和負電極的要接合引線的區域，並隨後將所述引線擠壓到該區域；(c)將接合所述引線的所述正電極和負電極卷繞成捲筒形，隔離件插入在所述正電極與所述負電極之間；以及(d)將電解液浸透隔離件。
優選地，與將要接合引線的區域相對的區域不含有所述極化電極層。
優選地，步驟(c)包括以下步驟在基於所述隔離件對稱的方向上設置所述正電極和負電極；以及將所述正電極、負電極及隔離件卷繞成捲筒形，使得所述負電極位於外側。
在設置所述正電極和負電極時，所述隔離件在所述負電極引線與所述正電極引線之間的表面距離，即沿該隔離件的表面測得的距離，優選控制在0.3cm至30cm的範圍內。此外，通過壓合接合引線時，優選使用至少三個銷。更優選的是，當通過壓合來接合所述引線時，將銷孔形成為0.2mm至5mm大小。此外，當擠壓所述引線時，優選施加0.3Mpa或更高的壓強。
從以下參照附圖對實施例所作的描述，本發明的其它目的和方案將會變得顯而易見，附圖中圖1是示出根據本發明優選實施例的電雙層電容器的電極的展開狀態的平面圖；圖2是示出提供給根據本發明優選實施例的電雙層電容器的電極的展開狀態的剖視圖；圖3是示出根據本發明優選實施例的電雙層電容器的隔離件的局部剖視圖；圖4是示出通過卷繞設置在根據本發明優選實施例的電雙層電容器的電極而獲得的卷繞元件的示意圖；而圖5是示出製造根據本發明優選實施例的電雙層電容器的方法的流程圖。
具體實施例方式
以下參照附圖詳細描述根據本發明的優選實施例。在描述之前應當理解的是，說明書與所附權利要求書中使用的術語不應解釋為僅限於通常的或字典上的含義，而是根據發明人為了最好地進行說明而可適當地定義術語的原則，基於對應於本發明技術方案的含義和概念來解釋。因此，這裡提供的描述僅僅是為了說明目的的優選實例，而不是為了限制本發明的範圍，因此應當理解的是，可作出其它等同物或改型而不脫離本發明的精神和範圍。
圖1是示出根據本發明優選實施例的電雙層電容器的電極的展開狀態的平面圖。圖2是示出提供給根據本發明優選實施例的電雙層電容器的電極的展開狀態的剖視圖。圖3是示出根據本發明優選實施例的電雙層電容器的隔離件的局部剖視圖。
參照圖1至3，本實施例的電雙層電容器包括正電極11和負電極12，正電極11和負電極12在集流器板1、3的表面上形成有極化電極層2、4；引線41、42，分別附接到電極11、12；以及隔離件30，插入在電極11與電極12之間。
正電極11包括正集流器板1和極化電極層2。此處，正集流器板1是普通的金屬箔，並且是由帶狀導電材料製成的。此外，在正集流器板1的表面上形成的極化電極層2是由活性碳塗層製成的。並且，正集流器板1的由正電極引線41附接到的表面區域優選不含有極化電極層2。
此外，正集流器板1的與由正電極引線41附接到的上述表面區域相對的表面區域同樣優選不含有極化電極層2。
同時，當正電極引線41附接到正電極11時，如果正電極引線41與正集流器板1之間的接觸面積等於或小於10mm2，則正電極引線41和正集流器板1可能因連接可靠性惡化而分開。此外，如果該接觸面積等於或大於300mm2，則電容可能惡化。因此，正電極引線41與正集流器板1之間的接觸面積優選處於10mm2至300mm2範圍內。
此外，正電極引線41在被壓合到正集流器板1上之後再被擠壓到正集流器板1上。此處，如果將3個或更少的銷用於壓合，則正電極引線41可能從正集流器板1分離。並且，如果壓合所產生的銷孔的直徑為0.2mm或更小，則可能不能適當地進行壓合，從而使已接合到正集流器板1的正電極引線41從正集流器板1分離。此外，如果銷孔的直徑為5mm或更大，正集流器板1就可能斷裂。因此，壓合工藝中產生的銷孔優選直徑範圍為0.2mm至5mm。此外，如果以小於0.3Mpa的壓強將正電極引線41擠壓到正集流器板1上，則正電極引線41的壓合部分的接觸可靠性可能惡化。此外，因壓合而可能留下尖銳端。因此，優選在0.3Mpa或更高壓強下將正電極引線41擠壓到正集流器板1上。
同時，負電極12包括由普通電容器電極構成的負集流器板3，類似於正電極11。此外，由活性碳塗層和負電極引線42構成的極化電極層2附接到負集流器板3，負電極引線42用於將充至電容器中的「負電荷」傳送到外部。
此外，在對正電極11的說明中所描述的接觸面積、用於壓合的銷的數目以及壓合所產生的銷孔的直徑，同樣地適用於負電極12。此外，對於負集流器板3與負電極引線42之間的連接而言，負集流器板3的由負電極引線42附接到的表面區域優選不含有極化電極層4，這類似於正電極引線41的連接。更優選的是，負集流器板3的與由負電極引線42附接到的表面區域相對的表面區域可不含有極化電極層4。
圖4是示出通過卷繞設置在根據本發明優選實施例的電雙層電容器的電極而獲得的卷繞元件(taken-up unit)的示意圖。
參照圖4，可卷繞正電極11、負電極12以及隔離件30，從而將它們重新構造為捲筒形的卷繞元件50。此處，在卷繞元件50中，優選負電極12位於正電極11的相對較外側。
當構造卷繞元件50時，如果隔離件30的介於正電極引線41與負電極引線42之間的表面距離(例如沿隔離件30的表面測得的距離)為0.3cm或更小，則在卷繞工藝之後正電極引線41與負電極引線42可能彼此接觸，這可能導致短路。此外，如果該表面距離為30cm或更大，在卷繞工藝之後正電極引線41與負電極引線42也可能彼此接觸，這也可能導致短路。因此，在卷繞工藝之前，正電極引線41與負電極引線42之間的表面距離的範圍優選為0.3cm至30cm。
此外，在卷繞工藝之後，如果正電極引線41與負電極引線42之間的間距S為5mm或更小，則引線41、42可能彼此接觸，這可能引起短路。此外，如果間距S為30mm或更大，則正電極引線41和負電極引線42可能與外殼接觸，這可能引起短路。因此，在卷繞工藝之後，正電極引線41與負電極引線42之間的間距S的範圍優選為5mm至30mm。
同時，引線41、42的定位是根據以下的公式1確定的。如果引線41、42的定位L小於0.1，或者等於或大於1，則在與外部端子接觸時，引線41、42可能被短路。因此，引線41、42的定位L優選滿足0.1≤L＜1的關係。
公式1L=d2AV]]>此處，d是從電容器的中心軸到正電極引線41或負電極引線42的距離，V是正電極11、負電極12以及隔離件30的體積之和，而A是電容器的高度。
以下，將基於實驗給出詳細說明，以表明根據本發明的電容器能穩定地保持足夠的電容量而不短路，並且還能確保低的初始電阻值。
實驗性實例1根據圖3所示結構構造五個電容器。在構造各電容器時，僅從引線要接合到電極的區域處除去活性碳塗層。此外，同時利用壓合和擠壓將引線接合到電極。此後，將電容器卷繞，並隨後獲得在1 kHz的初始電阻值、在0.1A低電流模式下的電容量以及在3A高電流模式下的電容量的平均值。
實驗性實例2構造五個電容器，類似於實驗性實例1。但是，不僅從引線要接合到電極的區域處除去活性碳塗層，而且還從與上述區域相對的區域處除去活性碳塗層。此外，同時利用壓合和擠壓將引線接合到電極。此後，將電容器卷繞，並隨後在與實驗性實例1相同的條件下，獲得電容器的初始電阻值和電容量的平均值。
比較性實例1構造五個電容器，類似於實驗性實例1。但是，在構造各電容器時，在塗覆了活性碳的正電極和負電極中，從將要接合引線的區域處除去活性碳塗層。此外，利用壓合將引線接合到電極。此後，將電容器卷繞，並隨後在與實驗性實例1相同的條件下測量電容器的初始電阻值和電容量，且隨後獲得它們的平均值。
比較性實例2構造五個電容器，類似於實驗性實例1。但是，不從將要接合引線的區域處除去活性碳塗層。此外，同時利用壓合和擠壓將引線接合到電極。此後，將電容器卷繞，並隨後在與實驗性實例1相同的條件下獲得電容器的初始電阻值和電容量的平均值。
以下表1示出電容器的電容量和初始電阻值的平均值，它們是通過實驗性實例1、2以及比較性實例1、2獲得的。
表1
參看表1，在實驗性實例1、2中，從引線的接合區域、或從引線的接合區域及其相對側除去活性塗層，電容器的電容量並未因此而顯著減少。然而，可以發現比較性實例2中(此實例中未除去活性碳塗層)的初始電阻值顯著增加了。此外，還應當理解，如果不除去活性碳塗層(比較性實例2)，電容器的電容量在高電流模式下顯著減少。
此外，雖然除去了活性碳塗層(比較性實例1)，應當理解的是，如果僅利用壓合將引線接合到電極，會發生短路。因為如果僅利用壓合來接合引線，引線就形成尖銳端，尖銳端在卷繞工藝中會損傷隔離件並引起電連接。
以下，將參照上述電雙層電容器的各元件以及圖5，描述用於製造根據本發明優選實施例的電雙層電容器的方法。
首先，製備隔離件30、正電極11以及負電極12，作為電雙層電容器的元件(S10)。
此時，通過在正集流器板1和負集流器板3的外表面上形成極化電極層2、4，來製備正電極11和負電極12，其中正集流器板1和負集流器板3是由導電材料製成的。此處，極化電極層2、4優選由活性碳塗層構成。此後，從正電極11和負電極12的將要接合引線41、42的表面區域除去極化電極層2、4。作為替代方案，也可以從一開始就不在將要接合引線41、42的區域上形成極化電極層2、4。
隨後，將正電極引線41和負電極引線42分別接合到正電極接合部分21和負電極接合部分22，並隨後將它們擠壓到正電極接合部分21和負電極接合部分22(S20)。此時，將引線41、42的接合面積控制在10mm2至300mm2的範圍內。此外，將壓合銷的數目設定為3個或更多。此時，將壓合銷孔的直徑設定為0.2mm至5mm。並且，將壓強設定為0.3Mpa或更高。壓合條件和擠壓條件的理由上文已作了解釋。
然後，將隔離件30插入接合引線的正電極11與負電極12之間(S30)。此時，將設置在正電極11和負電極12的引線41與引線42之間的間隔距離控制在0.3cm至30cm的範圍內。這一條件的理由上文已作了解釋。此後，將正電極11、負電極12以及隔離件30卷繞，以形成如圖4所示的卷繞元件50(S41、S42)。此外，將卷繞器件50浸入電解液，並隨後密封於外殼內，從而完成電雙層電容器(S50)。
已經詳細描述了本發明。然而，應理解詳細描述和特定實例儘管說明了本發明的優選實施例，但卻僅僅是以例示方式給出的，因為對於本領域技術人員來說，根據此詳細描述，各種處於本發明的精神和範圍內的改動和修改將顯而易見。
工業實用性根據本發明的電雙層電容器和引線連接方法，通過以優化方式從電極與引線的接合區域除去活性碳塗層，將電容器因除去活性碳塗層而產生的電容量減少最小化。
此外，通過壓合接合或擠壓接合來接合引線，本發明可將電極與引線之間的接觸電阻最小化，並且提高引線的接觸可靠性。
權利要求
1.一種將引線電連接到電極的連接結構，其中極化電極層形成在集流器板的表面上，其中所述電極的將要接合所述引線的區域不含有所述極化電極層，並且，所述引線通過壓合而接合到所述集流器板，隨後所述引線被擠壓到所述集流器板。
2.根據權利要求1所述的連接結構，其中所述電極與所述引線之間的接觸面積處於10mm2至300mm2的範圍內。
3.根據權利要求1所述的連接結構，其中至少有三個壓合銷設置在所述引線的接合區域，並且每個銷孔的直徑為0.2mm至5mm。
4.根據權利要求1所述的連接結構，其中與所述電極的將要接合所述引線的區域相對的區域不含有所述極化電極層。
5.根據權利要求1所述的連接結構，其中所述極化電極層是活性碳塗層。
6.根據權利要求1所述的連接結構，其中至少一個引線接合到所述電極。
7.一種電雙層電容器，包含正電極和負電極，在所述正電極和負電極的每一個中，在集流器板的表面上形成有極化電極層，正電極引線和負電極引線分別連接到所述正電極和負電極，隔離件插入在所述正電極與所述負電極之間，且電解液浸透所述隔離件，其中各電極的將要接合所述引線的區域不含有所述極化電極層，並且各引線通過壓合而接合到所述集流器板，隨後各引線被擠壓到所述集流器板。
8.根據權利要求7所述的電雙層電容器，其中各電極與所述正電極引線或負電極引線之間的接觸面積處於10mm2至300mm2的範圍內。
9.根據權利要求7所述的電雙層電容器，其中每個引線接合區域設置有至少三個壓合銷，並且每個銷孔的直徑為0.2mm至5mm。
10.根據權利要求7所述的電雙層電容器，其中與所述電極的將要接合所述引線的區域相對的區域不含有所述極化電極層。
11.根據權利要求7所述的電雙層電容器，其中至少一個正電極引線或負電極引線接合到每個電極。
12.根據權利要求7所述的電雙層電容器，其中分別接合所述正電極引線和負電極引線的所述正電極和負電極設置為，在所述正電極與所述負電極基於所述隔離件對稱的方向上，以預定距離間隔開，並且其中所述隔離件和電極沿其長度方向卷繞成捲筒形。
13.根據權利要求12所述的電雙層電容器，其中所述隔離件在所述負電極引線與所述正電極引線之間的表面距離，即沿該隔離件的表面測得的距離，處於0.3cm至30cm的範圍內。
14.根據權利要求12所述的電雙層電容器，其中由以下公式定義的各引線的定位(L)等於或大於0.1，但小於1L=d2AV]]>其中，d是從所述電容器的中心軸到所述正電極引線或負電極引線的距離，V是所述正電極、所述負電極和所述隔離件的體積之和，A是所述電容器的高度。
15.根據權利要求12所述的電雙層電容器，其中在所述隔離件和所述電極卷繞起來的時候，所述負電極引線與所述正電極引線之間的直線距離處於5mm至30mm的範圍內。
16.根據權利要求12所述的電雙層電容器，其中在捲筒形的卷繞元件中，所述負電極置於所述正電極的相對較外側。
17.根據權利要求7所述的電雙層電容器，其中所述極化電極層是活性碳塗層。
18.一種製造電雙層電容器的方法，包括(a)通過在正集流器板和負集流器板上除了要接合引線的區域之外的區域塗覆極化電極層，來製備正電極和負電極；(b)將引線壓合到所述正電極和負電極的要接合引線的區域，並隨後將所述引線擠壓到該區域；(c)將接合所述引線的所述正電極和負電極卷繞成捲筒形，隔離件插入在所述正電極與所述負電極之間；以及(d)將所述隔離件浸入電解液。
19.根據權利要求18所述的製造電雙層電容器的方法，其中在步驟(a)中，與要接合所述引線的區域相對的區域不含有所述極化電極層。
20.根據權利要求18所述的製造電雙層電容器的方法，其中，步驟(c)包括在基於所述隔離件對稱的方向上設置所述正電極和負電極；以及將所述正電極、負電極及隔離件卷繞成捲筒形，使得所述負電極位於外側。
21.根據權利要求20所述的製造電雙層電容器的方法，其中在設置所述正電極和負電極時，將所述隔離件在所述負電極引線與所述正電極引線之間的表面距離，即沿該隔離件的表面測得的距離，控制在0.3cm至30cm的範圍內。
22.根據權利要求18所述的製造電雙層電容器的方法，其中在步驟(b)中，通過壓合接合所述引線時，使用至少三個銷。
23.根據權利要求18所述的製造電雙層電容器的方法，其中在步驟(b)中，當通過壓合來接合所述引線時，形成直徑為0.2mm至5mm的銷孔。
24.根據權利要求18所述的製造電雙層電容器的方法，其中在步驟(b)中，當擠壓所述引線時，施加0.3Mpa或更高的壓強。
全文摘要
一種將引線電連接到電極的連接結構，其中極化電極層形成在集流器板的表面上。所述電極的將要接合所述引線的區域不含有所述極化電極層。所述引線通過壓合而接合到所述集流器板，隨後所述引線被擠壓到所述集流器板。這種連接結構可保持電容器的電容量並提高接觸可靠性。還提供了具有上述結構的電雙層電容器以及製造該電容器的方法。
文檔編號H01G9/155GK101022056SQ200710008069
公開日2007年8月22日 申請日期2007年2月9日 優先權日2006年2月14日
發明者姜鎮娥, 李熙英 申請人:Ls電線有限公司