CN105097296B - 一种具有4个双电层结构的单体高压超级电容器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有4个双电层结构的单体高压超级电容器,它包括正电极板（1）、负电极板（2）、隔膜（3）、非电解质溶液和电解质溶液，隔膜（3）位于正电极板（1）和负电极板（2）之间，且正电极板（1）和隔膜（3）与负电极板（2）和隔膜（3）之间分别形成离子储存空间，非电解质和电解质溶液分别位于离子储存空间内。本发明具有如下两个优点：一是4个双电层的层间距离与电解质或非电解质分子的大小相当，因而本电容器具有现有双电层电容器所具备的极距小的特点。二是现有单体超级电容器的工作电压均低于电解质分解电压，而本电容器工作电压可高于电解质分解电压，由于电容器储能与电压的平方成正比，因而，本电容器具有较大的存储电能的潜力。

Description

一种具有4个双电层结构的单体高压超级电容器

技术领域

本发明涉及电容器领域，具体涉及一种具有4个双电层结构的单体高压超级电容器。

背景技术

现有超级电容器具有较大的电容量，使其具有一定的存储电能的能力，但现有单体超级电容器工作电压一般很低，由于电容器储能与其工作电压的平方成正比，其存储电能的能力十分有限，存储能量密度远低于化学蓄电池，远不能满足实际使用要求。

目前，超级电容器及其他储能电容器的典型改进产品有如下几类：一是组合式超级电容器，即将超级电容器的一个双电层改做成绝缘膜电极的形式，也就是将超级电容器的2个双电层改成为1个双电层+1个绝缘膜，由于绝缘膜可承受较高的电压，因而提高了单体超级电容器的工作电压。二是赝电容器，此种电容器的电极能够发生可逆的电化学反应，等效于增大了电容量。三是与现有蓄电池技术相结合，以集合两者的优点，进而提高超级电容器的存储能力。

采用相对介电常数很大的材料，可大幅度提高电容器工作电压，这也是储能电容器研究的一个选项。此类产品无双电层特点，已脱离现有超级电容器典型结构，但从原理上讲，由于能够大幅度提高工作电压，因而可储存较多的电能。

还有一种所谓高压超级电容器，是通过将单体超级电容器串或并联组合而成，以适应高电压使用条件，这只是超级电容器的一种应用，并未实质性地改善单体超级电容器的性能。

由上所述，以上改进并未涉及到超级电容器原理上的重大革新，因而改进效果十分有限。

有必要寻求新的原理和思路，以期实现存储能力的较大突破。

发明内容

本发明主要通过下述技术方案以解决现有超级电容器的不足：

一种具有4个双电层结构的单体高压超级电容器，其特征在于，包括：

正电极板：为电容器的正极，用于给电容器充电时接电源的正极；或给负载放电时接负载的正极；

负电极板：为电容器的负极，用于给电容器充电时接电源的负极；或给负载放电时接负载的负极。所述正电极板和负电极板之间为离子储存空间；

非电解质溶液：分为两种情况，

情况一：充斥在正电极板内表面，在正电极板聚集正电荷后，在正电极板的内表面形成1层由非电解质分子构成的致密排列的电偶极子，同时形成了2个双电层，即正电极板与电偶极子的负电荷端之间形成A电层,电偶极子的负电荷端与正电荷端之间形成B电层；

情况二：充斥在负电极板内表面，在负电极板聚集负电荷后，在负电极板的内表面形成1层由非电解质分子构成的致密排列的电偶极子，同时形成了2个双电层，即负电极板与电偶极子的正电荷端之间形成E电层,电偶极子的负电荷端与正电荷端之间形成F电层；

电解质溶液：分为两种情况，

情况一：电解质溶液充斥在离子储存空间内，且充斥的顺序是在B电层形成之后。由于电解质负离子与正电极板之间被B电层阻隔，而B电层由非电解质分子构成，因此，电解质负离子不会与B电层的正电荷端进行电荷交换，也不会穿过B电层去与正电极板内表面接触，B电层相当于对电解质负离子具有绝缘作用，即电解质负离子只会聚集在B电层的正电荷端近邻并与之形成C电层；

另外，电解质正离子与负电极板之间形成D电层；

所述A电层、B电层、C电层和D电层4个双电层中，只有B电层由非电解质分子形成；同时，因为B电层由非电解质分子形成，能够承受高于电解质分解电压的电压，从而由A电层、B电层、C电层和D电层构成具有4个双电层结构的单体高压电容器；

情况二：电解质溶液充斥在离子储存空间内，且充斥的顺序是在F电层形成之后，由于电解质正离子与负电极板之间被F电层阻隔，而F电层由非电解质分子构成，因此，电解质正离子不会与F电层的负电荷端进行电荷交换，也不会穿过F电层去与负电极板内表面接触，F电层相当于对电解质负离子具有绝缘作用，即电解质正离子只会聚集在F电层的负电荷端近邻并与之形成G电层；

另外，电解质负离子与正电极板之间形成H电层；

所述E电层、F电层、G电层和H电层4个双电层中，只有F电层由非电解质分子形成；同时，因为F电层由非电解质分子形成，能够承受高于电解质分解电压的电压，从而由E电层、F电层、G电层和H电层构成具有4个双电层结构的单体高压电容器。

在上述的一种具有4个双电层结构的单体高压超级电容器，还包括一隔膜：设置在正电极板和负电极板之间，使正电极板与隔膜、以及负电极板与隔膜分别形成一个离子储存空间；分别是上部离子储存空间以及下部离子储存空间；

在上述的一种具有4个双电层结构的单体高压超级电容器，非电解质溶液由极性分子构成；或虽为非极性分子，但在外电场的作用下，分子的正电荷中心与负电荷中心能够分离，能够形成电偶极子。

在上述的一种具有4个双电层结构的单体高压超级电容器，还包括一个电压监控装置，电压监控装置的正、负极两端分别与正电极板和负电极板电连接。

在上述的一种具有4个双电层结构的单体高压超级电容器，充斥在正电极板或负电极板内表面的非电解质分子的数量满足条件：

定义正电极板或负电极板内表面的面积为S，非电解质分子截面积为P，非电解质分子个数M＝kS/P，k≥1为系数；当正电极板或负电极板聚集电荷后，在电场力的作用下，非电解质分子构成的电偶极子将沿正电极板或负电极板内表面整齐排列，当非电解质分子全部参与排列、并且排列成为致密排列的电偶极子时，k＝1为最佳，即非电解质分子全部覆盖在正电极板或负电极板内表面。

本发明具有如下优点：1、定义电容器正电极板和负电极板之间的距离称为极距。由于1个双电层相当于1个电容器，显然，上述4个双电层之极距与电解质或非电解质分子的大小相当，因此，本发明具有极距小的优点，这一点与现有双电层电容器类似；2、现有双电层电容器可视为2个电容器串联，而本电容器可视为4个电容器串联，但两者极距相近，若两者的正负电极的面积相同，则本发明的电容量约为双电层电容器的1/2。但双电层电容器之工作电压不能高于电解质分解电压，而本发明之工作电压可高于电解质分解电压，由于电容器储能与电压平方成正比，因此，本发明具备较大的存储电能的潜力。

附图说明

图1-1是正电极内表面充斥非电解质分子形成致密排列的电偶极子并形成A电层和B电层的示意图。

图1-2是图1-1中充斥电解质溶液后形成C电层和D电层的示意图。

图1-3是图1-2中隔膜加入后的示意图。

图2-1是负电极内表面充斥非电解质分子形成致密排列的电偶极子并形成E电层和F电层的示意图。

图2-2是图2-1中充斥电解质溶液后形成G电层和H电层的示意图。

图2-3是图2-2中隔膜加入后的示意图。

图3为本发明中，非电解质溶液充斥在正电极板内表面时，整个电容的结构示意图。

图4为本发明的结构简要示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

下面，以非电解质溶液充斥在正电极板1内表面为例，进行说明。

如图1所示。本发明包括正电极板1、负电极板2、隔膜3、非电解质溶液和电解质溶液，隔膜3位于正电极板1和负电极板2之间，且正电极板1和隔膜3与负电极板2和隔膜3之间分别形成离子储存空间，非电解质溶液和电解质溶液分别位于离子储存空间内。

在靠近正电极板1一侧的离子储存空间充斥适量的非电解质溶液并施加直流电压后，由非电解质分子构成的电偶极子在电场力的作用下，会向正电极板1聚集，并在正电极板1的内表面形成由非电解质分子构成的、致密排列的电偶极子，同时形成了2个双电层，即正电极板1与电偶极子的负电荷端之间形成A电层11,电偶极子的负电荷端与正电荷端之间形成B电层12。在B电层12形成后，再在离子储存空间注入电解质溶液，由于电解质会离解成正离子和负离子，但电解质负离子与正电极板1之间被B电层12阻隔，而B电层12由非电解质分子构成，因此，电解质负离子不会与B电层12的正电荷端进行电荷交换，也不会穿过B电层12去与正电极板1内表面接触，B电层12相当于对电解质负离子具有绝缘作用，即电解质负离子只会聚集在B电层12的正电荷端近邻并与之形成C电层13；另外，电解质正离子与负电极板2之间形成D电层14，从而由A电层11、B电层12、C电层13、D电层14组成1个具有4个双电层结构的单体高压电容器。

在离子储存空间充斥适量的非电解质溶液中，“适量”的含义：若正电极板1附着非电解质电偶极子的面积为S，非电解质电偶极子截面积为P，非电解质分子个数M＝kS/P，k≥1为系数。在正电极板1与负电极板2之间施加电压而使正电极板1的表面聚集电荷后，在电场力的作用下，非电解质分子构成的电偶极子将沿正电极板1内表面整齐排列，当非电解质电偶极子全部参与排列、并且电偶极子排列成为致密结构时k＝1为最佳，即非电解质分子全部覆盖在正电极板1表面。与最佳相近时视为“适量”。另外，k＝1时正电极板1和负电极板2之间施加的电压称为临界控制电压。

电压监控装置以临界控制电压为控制标准，当电容器正负电极间的电压接近此临界控制电压时，予以报警。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种具有4个双电层结构的单体高压超级电容器，其特征在于，包括：

正电极板(1)：为电容器的正极，用于给电容器充电时接电源的正极；或给负载放电时接负载的正极；

负电极板(2)：为电容器的负极，用于给电容器充电时接电源的负极；或给负载放电时接负载的负极；所述正电极板(1)和负电极板(2)之间为离子储存空间；

非电解质溶液：分为两种情况，

情况一：充斥在正电极板(1)内表面，在正电极板(1)聚集正电荷后，在正电极板(1)的内表面形成1层由非电解质分子构成的致密排列的电偶极子，同时形成了2个双电层，即正电极板(1)与电偶极子的负电荷端之间形成A电层(11),电偶极子的负电荷端与正电荷端之间形成B电层(12)；

情况二：充斥在负电极板(2)内表面，在负电极板(2)聚集负电荷后，在负电极板(2)的内表面形成1层由非电解质分子构成的致密排列的电偶极子，同时形成了2个双电层，即负电极板(2)与电偶极子的正电荷端之间形成E电层(21),电偶极子的负电荷端与正电荷端之间形成F电层(22)；

电解质溶液：分为两种情况，

情况一：电解质溶液充斥在离子储存空间内，且充斥的顺序是在B电层(12)形成之后，由于电解质负离子与正电极板(1)之间被B电层(12)阻隔，而B电层(12)由非电解质分子构成，因此，电解质负离子不会与B电层(12)的正电荷端进行电荷交换，也不会穿过B电层(12)去与正电极板(1)内表面接触，B电层(12)相当于对电解质负离子具有绝缘作用，即电解质负离子只会聚集在B电层(12)的正电荷端近邻并与之形成C电层(13)；

另外，电解质正离子与负电极板(2)之间形成D电层(14)；

所述A电层(11)、B电层(12)、C电层(13)和D电层(14)4个双电层中，只有B电层(12)由非电解质分子形成；同时，因为B电层(12)由非电解质分子形成，能够承受高于电解质分解电压的电压，从而由A电层(11)、B电层(12)、C电层(13)和D电层(14)构成具有4个双电层结构的单体高压电容器；

情况二：电解质溶液充斥在离子储存空间内，且充斥的顺序是在F电层(22)形成之后，由于电解质正离子与负电极板(2)之间被F电层(22)阻隔，而F电层(22)由非电解质分子构成，因此，电解质正离子不会与F电层(22)的负电荷端进行电荷交换，也不会穿过F电层(22)去与负电极板(2)内表面接触，F电层(22)相当于对电解质负离子具有绝缘作用，即电解质正离子只会聚集在F电层(22)的负电荷端近邻并与之形成G电层(23)；

另外，电解质负离子与正电极板(1)之间形成H电层(24)；

所述E电层(21)、F电层(22)、G电层(23)和H电层(24)4个双电层中，只有F电层(22)由非电解质分子形成；同时，因为F电层(22)由非电解质分子形成，能够承受高于电解质分解电压的电压，从而由E电层(21)、F电层(22)、G电层(23)和H电层(24)构成具有4个双电层结构的高压电容器。

2.根据权利要求1所述的一种具有4个双电层结构的单体高压超级电容器，其特征在于，还包括一隔膜(3)：设置在正电极板(1)和负电极板(2)之间，使正电极板(1)与隔膜(3)、以及负电极板(2)与隔膜(3)分别形成一个离子储存空间；分别是上部离子储存空间以及下部离子储存空间。

3.根据权利要求1所述的一种具有4个双电层结构的单体高压超级电容器，其特征在于，非电解质溶液由极性分子构成；或虽为非极性分子，但在外电场的作用下，分子的正电荷中心与负电荷中心能够分离，能够形成电偶极子。

4.根据权利要求1所述的一种具有4个双电层结构的单体高压超级电容器，其特征在于，还包括一个电压监控装置，电压监控装置的正、负极两端分别与正电极板(1)和负电极板(2)电连接。

5.根据权利要求1所述的一种具有4个双电层结构的单体高压超级电容器，其特征在于，充斥在正电极板(1)或负电极板(2)内表面的非电解质分子的数量满足条件：

定义正电极板(1)或负电极板(2)内表面的面积为S，非电解质分子截面积为P，非电解质分子个数M＝kS/P，k≥1为系数；当正电极板(1)或负电极板(2)聚集电荷后，在电场力的作用下，非电解质分子构成的电偶极子将沿正电极板(1)或负电极板(2)内表面整齐排列，当非电解质分子全部参与排列、并且排列成为致密排列的电偶极子时，k＝1为最佳，即非电解质分子全部覆盖在正电极板(1)或负电极板(2)内表面。