CN1106160A - 固/气双层电容器及电存储器件 - Google Patents

Abstract

一种双层电容器，包括与气体(12)(最好是惰性 气体)接触的导电固体(10，11)，以形成具有极高比能 量密度(能量与重量之比)的双层电容器。该装置的 尺寸可小到适用于微电子技术，也可以大到适用于电 力存储；该装置可由电极或终端(4)控制，以作为有源 元件而提供可变电容。

Description

本发明涉及双层电容器，更具体地讲，涉及利用与气体（最好是惰性气体）接触的导电固体来形成具有很高的比能量密度（能量与重量之比）的双层电容器。这种器件可以小到适用于微电子技术，也可以大到适用于电力存储;并可得到控制以作为有源元件提供可变的导电性。

利用导电固体和液态电解质的双层电容器，其工作原理不同于双板电解电容器。在这些电容器中，导电固体和液态电解质的界面处出现有双层电荷。通常，导电固体浸在诸如稀硫酸之类的液态电解质中。导电固体表面内侧几个原子厚的一层固体，构成了电容器的一个电极;而第二个电极是在电解质中的“虚”电极。在界面处，固体电极之外1至2埃的空间包含着该虚电极。一层极化的溶剂分子被引向电子层的电场。在极化（偶极）层之外，有一个第二带电区，该区含有许多位于伸入溶剂主体约25埃的扩散层中的离子粒子。商业上的双层电容器，包括两个由液态电解质和离子渗透隔离器分开的导体，并且是双极器件。如果利用电解质中的离子来形成双极器件的虚电极之间的回路，电容器中的电荷就通过一负载放电。没有这种离子电荷传送通路，就无法利用虚电极的能量。

在这些器件中，通过把活性炭用于固体电极，得到了高电容。活性炭是一种有很多孔的材料，具有很大的表面积。例如，一克活性炭可有1000至2000平方米的表面积。

与电池不同，双层电容器可无限地循环使用，并有至少10年的寿命。另外，这些器件易于焊接定位、通常不会泄漏或爆炸、且易于显示其电荷。另外，它们没有电池（如Ni-Cd电池）中常见的有害存储效应。

另外，双层电容器的工作温度范围比电池的大。例如，这些电容器可在-25℃至+70℃工作，并可在-40℃至+85℃贮存。

然而，采用导电固体和液态电解质的双层电容器的一个缺点，是这种电容器的工作电压低。当电荷超过约1.2V时，商用双层电容器中常用的硫酸溶液就会分解成氢和氧。因此，这种单一的双层电容元件的最大工作电压仅为1.2V。如果超过此工作电压，会发生化学离解，使该器件损坏。由于工作电压低，双层电容器的应用受到限制。

为增加电压，必须把这种电容器串联。但这种连接有两个缺点。第一，当电容器串联时，总电容减小;第二，电阻增大，这会在充电和放电情况下造成功率耗散或损耗，从而降低电流处理能力。在双层电容器生产中，有多达6个电容单元（每单元为6法拉）被串联。这就意味着要把6个单元总计为36法拉的电容降到1法拉，和把电阻增大5倍，才能够为较高电压的应用而产生可接受的工作电压。

用气体代替液态电解质，可克服固/液双层电容器电压低的弱点。为产生等离子体或近似等离子体状态而被激发的惰性气体，在具有离子性和传导电流的能力以及可被极化方面，是与电解质等同的。惰性氦气的电离电势约为24 1/2V，因而用氦作为这种气体而制成的双层电容器会有约24 1/2V的极间电压。固/气系统对离子导电的电阻很低，因而有比固/液器件高的动态效率。由于其电离电压高-高于固/液双层电容器的击穿电压，固/气器件可存储更多的能量。电容器中的能量正比于电压的平方（E＝1/2CV²）。

固/气双层电容器与固/液电容器相比的另一优点，是极化的惰性气体原子，比在固/液双层电容器生产中形成极化层的永久水偶极子，更容易移动且具有更简单的对称性。因此，在固/气器件中有更好的偶极子填充和更大的比能量密度。另外，在固/液器件中，固体电极的电场在容剂分子的非对称永久偶极子上产生力矩，从而通过热辐射造成能量损失。

一种特别有利的固/气双层器件，由串联成一个双极器件而工作的两个双层电容单元组成。这种双极器件的放电，是利用设在气体中的栅极或造成气体电离的其他手段（如磁场），使气体电离而引发的。利用由导电材料制成的栅极，可施加电离电压，使电容元件的虚电极之间导电。固/气双极器件的一个优点是：在拉入电路时，它是可控的，而起开关的作用，其手段是向栅极（如有的话）施加一个会得到反向极性的电压以阻止电离，或阻止气体电离的其他手段。

另外，借助电势改变或频率改变而使栅极处于不同的供能状态，可产生不同的电离状态，它可影响总电容，器件的电阻，及电子层、偶极层和离子扩散层的厚度。元件间距和/或气体压力的变化也会导致电容、电阻、电子层厚度、偶极层厚度、及离子扩散层厚度参数的类似变化。

图1是用于描述本发明的固/气双层电容器的模型或示意图，图中显示了两个串联以形成一个双极器件的单元。

图2是根据本发明的实际固/气双层电容器的一个实施例的透视图。

图3是显示图2电容器部件的分解图。

图4是通过图2电容器中心的剖视图。

图5是可用于对固/气双层电容器充电的充电电路的示意图。

图6是用于对本发明的固/气双层电容器引发放电并用于调节该双极器件输出电压的电路示意图。

图7是用于控制双极固/气双层器件放电的可能电路的简化示意图。

两个或多个元件或单元组成的结构可构成双层电容器。图1显示了一个模型或示意图，用以说明根据本发明的双单元或双极器件。各单元由与气体接触的导电固体组成，其中双电荷层出现在导电固体与气体的界面上。

图1的双极器件包括：第一导电固体10（阳极）;第二导电固体11（阴极）;以及充满于导电固体10和11之间空间（除栅极13所占空间以外）的气体12。正端2与阳极10相连，负端3与阴极11相连，且控制端4与栅极13相连。第一双电荷层出现在导电固体10与气体12的界面14处。第二双电荷层出现在导电固体11和气体12间的界面15处。这两个电荷层被充以相反的电荷。

在零电荷下，导电固体可被描述为自由传导电子云中的正离子芯晶格。作为量子力学系统，这些电子具有波粒二重性。作为电磁波，电子在碰撞固体内表面时呈现出光的特性。那些以某些入射角和动能临近内表面的电子，将穿过边界层并在约2埃厚的层中形成静电电荷云。结果，电子层（及其相应的电场）、偶极层、及扩散层得以建立。当施加外电荷电势时，边界层的极性被增强或反向，从而建立了该器件的阳极和阴极。

所产生的电荷层，在图1中用界面14附近的一排电子16和界面15附近的一排正离子17表示，具有与定向极性有关的电场。各场在附近的非极性原子中感生出偶极子。具体地说，荷电层（电子）16有偶极层18，而电荷层（正离子）17有偶极层19，二者在图1中均被显示。在极化（偶极）层外侧，是第二荷电区，该构在伸入气体几埃的扩散层中含有离子（与阳极有关）或电子（与阴极有关）。边界层的极化降低了电场强度，使更多的电荷加入该层。此过程在该层的充电中持续进行，直到达到击穿点。在固/气器件的情况下，限制因素是气体与固体化合的趋势，及气体的电离击穿电势。

化合的限制，可用惰性气体作为固/气器件中的气体来消除。在表1中给出了惰性气体的电离电势。表1中还给出了各惰性气体的极化率。

表1

惰性气体的特性

He    Ne    Ar    Kr    X

极化率    0.5    1.0    4.2    6.3    10.0

电离电压    24.6    21.6    15.8    14.0    12.1

所用气体的选择是根据极化率与电离电压之间的权衡。极化率影响装置的荷电率（Chargability）。原子象是机械弹簧。非极性原子，在其最低能量态，具有与负电（电子层）中心重合的正电中心（原子核），使净电荷为零。当这样的原子离电场足够近时，正和负电荷的中心彼此发生偏移，造成了原子的极化。如此极化的原子产生电偶极子，呈现束缚（bound）电荷。由于这压缩了原子内电子层的量子间距，从而象弹簧一样存储了能量。原子的电子层越多，它的极化率就越大。当产生这种张力即极化的电场足够强时，它就迫使电子脱离原子（电离），从而造成较低的极化率和更高的电势。

图1中示意地显示的双极器件的栅极可用于两个目的。栅极13可被用来通过造成气体电离而引发单元放电。或者，可把其极性与电离电势相反的电势加到栅极13上。相反的电势会阻止极化，从而可控制栅极，使双极器件象开关电子器件那样起作用。

除了电容器体内的栅极以外，也可借助其它方法实现对放电的引发和控制。例如，可借助来自辐射源的电磁辐射，或借助磁场或等离子体束（通过气体的约束放电），使气体电离和/或控制导电。另外，也可引起电弧放电，且这种放电可用磁场控制，使放电的周界得到箍缩。能够控制固/气双层电容器的放电特性，是优于固/液双层电容器的另一显著优点。

微波或低频交变电流，可用来控制电离和放电。另外，栅极（若采用的话）的形状，以及元件的间距，影响着装置的电容和电阻。

下面结合图2、3和4描述固/气双层电容器的一个具体实施例。所要描述的器件的结构可用于宏观大小的应用，如电力的存储。应注意，这种器件的尺寸可得到调整，以适应从低能微电路到高能存储的多种用途。另外，它们可得到控制，以提供可变的电容和选定的放电特性。对高能应用，该装置的有利因素是可由大表面积的材料制成电极;而对低能应用，固体电极可用晶体金属制成。

图2显示了一双极固/气双层电容器。图3显示了一分解图，而图4是剖视图。该电容器由用复合（活性碳-碳-金属）材料制成的两个固体活性碳电极60和61组成。这种复合体构成了微孔电极，与同样尺寸的晶体金属电极相比，它提供了大的表面积。

一种有利的替代电极含有碳60（若其他Fullerene材料），它用作复合固体的组分。Fullerent材料大大增加了固体电极的表面积，并具有所需的导电特性。增大的表面积增大了电容。

由于双极器件中各电极和相邻的气体形成了电容器，且由于阳极单位表面积的电容更大，所以在图2至4的器件中阳极被做得比阴极小，以平衡电容。这是重要的，因为在串联结构中整个器件的电容减至接近其最低电容值，且电容正比于比能量密度。

阳极或正电极61是盘形的，并套在杯状的阴极或负电极60中。在阳极61和阴极60之间的间隔是杯形栅极62。栅极62借助实体错位和陶瓷杯68而避免与电极60和61直接接触。或者，可用一可透过离子的绝缘层来隔开栅极和电极。气体充满阴极60和阳极61之间的空间。该气体最好是惰性气体，且当用Fullerene作为电极中的一种材料时，尤其应是惰性气体。

阴极60被包含在金属壳63中，后者起集电板的作用并连有负端64。金属盘65也起集电板的作用并连到盘状阳极61，并与陶瓷环68和杯63一起，构成双极器件的外壳。一正端66与金属盘65相连。另外，金属盘65有一带有阀的开口，如开口67，以清除大气并把选定的气体充入器件。

其中固定有阳极61的杯状栅极62与绝缘陶瓷环68相连。杯状栅极用导电材料制成，并有穿过陶瓷环68与栅极材料相连的控制端69。

至于活性碳固体电极，该电极由活性碳与酚醛树脂混合而制成。为制作杯形阴极，该混合物被置于一具有所需尺寸的容器（集电杯）中，并加热固化。在冷却后，在高温下把整个电极热解。阳极用类似方式制作。在热解（pyrolized）后，对各电极作精加工，以制成电极。

在容器63和陶瓷环68之间装有非导电密封环70，且在金属盘65和陶瓷环68之间装有非导电环71，以为单元产生气密封。

在组装时，可把各部件装上就位，并在此腔中通过气阀67抽真空。陶瓷环68和集电盘65被拉入阴极杯63并抵住环71和72，以封闭单元。随后把适当的气体充入单元，直至选定压强。

图5中显示了一示意电路图，该电路用于对诸如图2至4所示的固/气双层电容器进行充电以引发导电或调节其放电。

图5所示的开关推挽电路有一变压器20，该变压器有两个分别经开关晶体管23和24接地的分裂初级绕组21和22。直流电压源（未显示）的正端与初级绕组21和22的中心抽头相连。此电压可根据图5的电路的使用，按需要增大或减小。变压器20的次级25的输出电压被加到桥式电路26，以进行整流。桥式电路的输出经电容器27和调整器28及电阻器29和30滤波后，在输出端31提供调整后的直流电压。图5的电路可与固/气双层电容器相连，以进行充电。或者，输出端31可与固/气双层电容器的栅极相连，以起动导电或阻止导电或控制放电。

图6示意显示了用于对诸如图2至4所示的双极器件的栅极电压进行控制的另一种电路。

如图6所示，有正端6和负端4的双极固/气双层电容器与负载40相连。通过终端69把一电势加到栅极，在双极器件中开始导电。该电势由经开关42连在栅极控制端69和正端66之间的电池41提供。如图6所示，栅极控制端69可接地。

与栅极终端69相连的，还可变阻器43的一端，而变阻器的可变连接端与双极器件80的负端64相连。变阻器43的另一端与双极器件80的正端66相连。

为了引发双极器件80经负载40放电，就通过闭合开关42而从电池41施加电压，使气体电离。一理发生电离且电流开始流动，就可通过调节变阻器43来控制电流量。也可采用控制放电的其他手段。

双极器件的栅极也可用作构成双极器件的两个单独单元的导体之一。这种应用示于图7中。

在图7的示意图中，有三种不同的负载可与双极器件80相连。第一个是负载40，它可直接跨接在整个双极器件80上。第二个是负载50，可跨接在正端66和栅极控制端69之间的单个单元上。另一个是负载51，可经开关52连在负端64和栅极控制端69之间。由开关53选择负载40或50。当开关52选择负载51时，开关53处于断开状态。

借助此电路，要么双极器件1的全电压都被加到负载40上，要么小于双极器件全电压的电压被加到负载50或负载51上。与负载40相比，负载50和51是电流很低的负载。

另外，在脉宽调制器56和晶体管开关57的控制下，利用经变压器55施加的双极器件输出，可引发并控制经双极器件80的导电。变压器55的输出电压，经开关54和整流电路58，加到栅极控制端69。

本发明的固/气双层电容器的一个特别有用的用途，是为电动车辆的电马达供电。电马达现已由固/液双层电容器供电。例如，在起动电压5    1/2V下引入16mA电流的马达，通过采用16个并联的3.3法拉固/液双层电容器，已可运行6个小时。固/液技术的比能量密度，是铅一酸电池的比能量密度的五分之一。固/气双层电容器能达到高得多的电压，从而能产生远高于这两种能量存储装置中任一种的比能量。

虽然已作为一个例子描述了本发明的说明性实施例，但本领域的技术人员应注意到，这里公布的仅是用于说明的例子，且在本发明的范围内可进行各种其他变形、更改和修正。因此，本发明不限于这里所示的具体实施例，而是仅受所附权利要求书的限定。

Claims (13)

1、一种双层电容器，包括至少一个具有多孔导电表面的固体电极和一种与电极的导电表面接触的惰性气体。

2、根据权利要求1的双层电容器，其中有两个具有多孔导电表面的固体电极，而气体分隔电极导电表面并与该表面接触。

3、根据权利要求2的双层电容器，还包括用于控制气体电离的装置。

4、根据权利要求3的双层电容器，其中控制装置包括位于两个电极间气体中的导电栅极。

5、根据权利要求1的双层电容器，其中固体电极包括一种Fullerene材料。

6、根据权利要求1的双层电容器，还包括一个用于控制电容器放电的有源元件。

7、根据权利要求1的双层电容器，还包括一个用于控制电容器的存储参数的有源元件。

8、一种双极能量存储装置，包括具有多孔导电表面的第一固体电极、与所述第一固体电极分开并具有多孔导电表面的第二固体电极、处在电极之间的空间中并与第一和第二电极的导电表面接触的惰性气体、以及用于电离惰性气体的装置。

9、根据权利要求8的装置，其中固体电极由含有活性碳的复合材料制成。

10、根据权利要求8的装置，其中各固体电极由复合材料制成并含有Fullerene材料。

11、一种固/气双层电容器，包括杯状阴极、用于阴极并起阴极集电板作用的杯状容器、套在阴极中并在实体上和电气上与阴极分开的盘状阳极、用于阳极并起阳极集电极作用的盘状盖、位于阳极和阴极之间的杯状栅极、以及充入阳极和阴极之间的空间中（栅极占据的空间除外）的惰性气体，阳极和阴极的至少一个具有与该气体接触的多孔导电表面。

12、一种双层电容装置，包括至少一个具有多孔导电表面的电极、一种与电极的导电表面接触并有某一电离电压的惰性气体，以及一个在电极与气体之间耦合以便在导电表面与气体的界面处形成双层电容器的电压源，电压源的电压值使电压源和电极之间的气体在不超过双层电容器的电离电压的情况下发生电离。

13、根据权利要求12的装置，其中多孔电极包含一种Fullerene材料。

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