CN104024573A - 生产测井仪 - Google Patents

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Abstract

一种测井***和用于操作测井***的方法通常在井眼中使用。所述测井***可包括测井仪和电缆，其中所述测井仪包括可再充电能量存储器和测井电子设备，所述电缆配置为使所述可再充电能量存储器涓流充电。所述可再充电能量存储器可包括超级电容器。所述可再充电能量存储器可通过电缆从远程电源涓流充电。

Description

生产测井仪
相关申请的交叉引用
本申请要求基于2011年11月3日提交的临时申请No.61/555,100和2012年4月13日提交的临时申请No.61/624,080的优先权，其通过引用整体并入本文。
背景技术
技术领域
本文中公开的本发明涉及油气的勘探，特别地涉及用于生产测井的井下仪器。
相关技术描述
在勘探油气时，有必要向土壤中钻出井眼。常利用降入井眼中的复杂工具来对土壤和周围地层进行评估。评估或测井可以在钻孔的同时(随钻测量(MWD或LWD))或在钻孔之后，例如通过下放电缆而完成。
可以使用许多种仪器。涉及诸如辐射测量(γ和中子产生)与涉及声学、地震、电阻率、磁共振的测量和多种其他形式的光谱的技术的仪器常被用于流体取样。遗憾的是，可用于测井的多种工具和仪器一般涉及需要连接至在上部的电源以及其他辅助装置的复杂装置。因此，要在井投入生产之前从井中移除测井装置。
然而，从井中移除测井装置导致操作者处于不可能表征井下资源的境况。因此，操作者定期停止生产以进行测井并对各生产井的运作情况进行评估。当然，生产的中断给操作者带来很大的经济影响。
因此，需要适合于在生产环境中进行测井的方法和设备。优选地，所述方法和设备应提供对生产具有最小影响的多种类型的分析。
发明内容
一种用于在井的生产期间进行井下测量的仪器，包括：勘探部件、通信通道、井下电子设备和电源模块。电源模块为生产测井仪提供电力。电源模块可包括发电机、电源连接(例如连接至上部电源)、原电池和高温可再充电能量存储器。可在能量存储器中使用超级电容器。
根据本发明的第一方面，一种用于操作测井***的方法包括：在第一时间段期间使可再充电能量存储器涓流充电；以及在比第一时间段短的第二时间段期间使用来自可再充电能量存储器的电力来操作测井电子设备。
根据本发明的第二方面，一种用于操作测井***的方法包括：使位于井眼中的测井仪的可再充电能量存储器进行涓流充电；以及在选定时间段期间使用来自可再充电能量存储器的电力来操作测井仪的测井电子设备。
根据本发明的第三方面，一种测井***包括：包含可再充电能量存储器、电缆和电子设备的测井仪，其配置为从远程电源使可再充电能量存储器充电。
根据本发明的第四方面，一种测井仪包括：测井电子设备，其配置为进行测井操作；以及可再充电能量存储器，其配置为接收来自远程电源的涓流充电并在选定时间段期间向测井电子设备供应电力。
根据本发明的第五方面，一种测井仪包括：测井电子设备，其配置为进行测井操作；和一种或更多种传感器，所述传感器选自包括以下的传感器类型：压力、温度、套管接箍***、加速计、声学密度、地震、笼状内联流量计(caged and inline flow meters)、固态流量计、电容、电感、电阻率、声发射和/或接收、无源γ、有源γ、流体取样、地层取样、磁共振成像、核磁共振、定向或惯性传感器、磁性传感器和陀螺仪；以及高温可再充电能量存储器，其配置为向测井电子设备供应电力。
根据本发明的第六方面，一种用于操作测井***的方法包括：通过机械地支持测井仪并且提供信息的传输和/或电力的传输的电缆在井内竖直地移动测井仪，其中测井仪包括高温可再充电能量存储器。
根据本发明的第七方面，一种用于操作测井***的方法包括：通过支持测井仪并且提供信息的传输和/或电力的传输的电缆在至少一个时间段期间在井中竖直地移动测井仪；以及在第二时间段期间将测井仪保持在井中的固定位置，其中测井仪包括高温可再充电能量存储器。
根据本发明的第八方面，一种分布式测井***包括：配置在井内不同位置处的多个测井仪，其中测井仪中的至少之一包括高温可再充电能量存储器。
根据本发明的第九方面，一种测井***包括：能量输入，其包括原电池、远程源和/或发电机；高温可再充电能量存储器；以及用于接收来自可再充电能量存储器的能量的负载。
附图说明
在说明书中特别地指出了本发明涉及的主题。本发明的前述及其他特征和优点通过结合附图的以下详述是明显的。在附图中：
图1示出了包括测井仪的钻柱的示例性实施方案；
图2示出了利用通过电缆部署的仪器用于测井的示例性实施方案；
图3描绘了利用生产测井仪用于测井的示例性实施方案；
图4描绘了图3的生产测井仪的部件；
图5描绘了利用多个生产测井仪的示例性构造；
图6描绘了生产测井仪的另一个实施方案；
图7描绘了生产测井仪的又一个实施方案；
图8示出了示例性超级电容器的各方面；
图9描绘了可包括在示例性超级电容器中的用于阳离子的一次结构的实施方案；
图10描绘了用于示例性超级电容器的壳体的实施方案；
图11示出了用于示例性超级电容器的存储单元的实施方案；
图12描绘了配置在壳体的本体内部上的阻隔物；
图13A和13B(在本文中统称为图13)描绘了壳体的盖的各方面；
图14描绘了根据本文中教导的超级电容器的组件；
图15A和15B(在本文中统称为图15)是分别描绘超级电容器的不具有阻隔物的实施方案和包括阻隔物的类似实施方案的性能的图；
图16描绘了作为包装材料配置在存储单元周围的阻隔物；
图17A、17B和17C(在本文中统称为图17)描绘了包括分多层的材料的盖的实施方案；
图18是包括玻璃-金属密封件的电极组件的横截面图；
图19是安装在图17B的盖中的图18的电极组件的横截面图；
图20描绘了组装过程中能量存储单元的布置；
图21A、21B和21C(在本文中统称为图21)描绘了组装的能量存储单元的实施方案；
图22描绘了在电极组件之上聚合物绝缘的使用；
图23A、23B和23C(在本文中统称为图23)描绘了用于能量存储器的盖的另一个实施方案的模板的各方面；
图24是包括半球形材料的电极组件的透视图；
图25是包括安装在图23C的模板中的图24的电极组件的盖的透视图；
图26是图25的盖的横截面图；
图27是配置在圆柱形壳体内的能量存储单元的透明等距视图；
图28是在卷成卷制的能量存储单元之前的能量存储单元的实施方案的等距视图；
图29是存储单元的侧视图，示出了一个实施方案的多个层；
图30是卷制的存储单元的等距视图，其包括用于布置多根引线的参考标记；
图31是具有参考标记的图30的存储单元在卷制之前的等距视图；
图32描绘了包括多根引线的卷起的存储单元；
图33描绘了赋予到与存储单元耦接的对齐引线(即，端子)的Z型折叠；
图34至42是描绘对于示例性超级电容器的性能的各方面的图；
图43描绘了包括发电机和超级电容器的电源的实施方案；
图44至50描绘了对于电源的控制电路的实施方案。
发明详述
本文中公开了适合在井下环境中使用的生产测井仪的各种构造。该生产测井仪为使用者提供在从井中生产期间的测井信息。为了给生产测井仪及其使用方法提供上下文，提供了一些背景信息和定义。
现在参照图1，其示出了用于钻探井眼1(也称为“钻孔”)的设备的各方面。作为惯例，沿着Z轴描述井眼1的深度，而横截面设置在由X轴和Y轴描述的平面上。
在该实施例中，使用由其中提供转动能量和向下力的钻机(未示出)驱动的钻柱11向土壤2中钻出井眼1。井眼1通常穿过可包括各种地层3(示出为地层3A、3B、3C)的地下材料。本领域技术人员将认识到在地下环境中可能遇到的各种地质特征可以称为“地层”，并且钻孔下面(即，井下)的材料阵列可以称为“地下材料”。也就是说，地层3由地下材料形成。因此，如在本文中使用的，应该认为虽然术语“地层”通常是指地质层，但是“地下材料”包括任意材料，并且可以包括例如固体、流体、气体、液体等材料。
在该实施例中，钻柱11包括驱动钻头14的钻杆12的长度。钻头14还提供钻井液4(例如，钻井泥浆)的流动。经常通过钻杆12将钻井液4泵送到钻头14，所述钻井液在这里离开钻杆进入到井眼1中。这在井眼1内产生了钻井液4的上向流。该上向流通常冷却钻柱11及其部件，带走来自钻头14的岩屑，并且防止加压烃5的喷出。
钻井液4(也称为“钻井泥浆”)通常包括如液体(例如水)、钻井液、泥浆、油、气体以及环境中可能固有的地层流体的混合物。虽然钻井作业可能引入钻井液4，但是除了测井操作之外，钻井液4的使用或存在既不是需要的也不是必要的。一般而言，材料层将存在于钻柱11的外表面与井眼1的壁之间。该层被称为“间隙层(standofflayer)”，并且包括被称为“间隙，S”的厚度。
钻柱11通常包括用于执行“随钻测量”(MWD)，也称为“随钻测井”(LWD)的装置。执行MWD或LWD通常需要测井仪10的操作，所述测井仪10被结合到钻柱11中且设计用于随钻操作。一般而言，将用于执行MWD的测井仪10耦接到电子封装件，所述电子封装件也机载在钻柱11上，并因此称为“井下电子设备13”。一般而言，井下电子设备13提供数据采集、数据分析和操作控制(例如机电作动、通信和功率处理等)中的至少之一。通常，测井仪10和井下电子设备13耦接至上部装置7。可以包括上部装置7以进一步控制操作，提供更强的分析能力以及数据记录等。通信通道(下文所讨论的)可以提供到上部装置7的通信，并且可以经由如本领域已知的并且对于给定应用时切实可行的脉冲泥浆、有线管、EM遥测、光纤和其他技术来操作。
现在参照图2，示出了用于井眼1的电缆测井的示例性测井仪10。作为惯例，沿着Z轴描述井眼1的深度，而横截面配置在通过X轴和Y轴描述的平面上。在用测井仪10测井之前，使用钻孔设备(例如在图1中所示出的)将井眼1钻入土壤2中。
在一些实施方案中，井眼1已经至少在一定程度上被填充有钻井液4。钻井液4(也称为“钻井泥浆”)通常包括液体(例如水)、钻井液、泥浆、油、气体以及如环境中可能固有的地层流体的混合物。虽然钻井作业可能引入钻井液4，但是除了电缆测井期间的测井操作之外，钻井液4的使用或存在既不是需要的也不是必要的。一般而言，材料层将存在于测井仪10的外表面与井眼1的壁之间。该层被称为“间隙层”，并且包括称为“间隙，S”的厚度。
套管21可以***井眼1中以确保物理完整性。套管可以形成在井眼1中，***井眼1中，或者以其他方式配置在井眼1中。套管21可以是分段的或连续的。为了在本文中讨论的目的，套管21通常包括水泥外壳21的各种装置以及内部生产管道(例如，生产管道)。
通常，在电缆测井中，使用通过井架6或类似装置部署的电缆8将测井仪10下放到井眼1中。一般而言，电缆8包括悬吊装置，例如，承载电缆以及其他设备。其他设备可以包括电源、通信链路(例如，有线的或光学的)以及其他这样的装置。一般而言，电缆8由服务卡车9或其他类似设备(例如，服务站、基站等)输送。通常，电缆8耦接到上部设备7。上部设备7可以向测井仪10提供电力，以及提供操作控制和数据分析中的至少之一的计算和处理能力。
在永久测井中，可以通过多种方式将测井仪输送到井眼中。在一些实施方案中，是“管道输送”的测井仪，这意指在***井眼中之前将测井仪的至少一部分固定至生产管道的一部分。当将管道***井眼中时，测井仪随之输送。在一些实施方案中，通过电缆输送测井仪，即，以与电缆测井相似的方式将测井仪下放到井眼中。在一些实施方案中，测井仪为“套管输送”，这意指在***井眼中之前将测井仪的至少一部分固定至生产套管的一部分。设计者认为合适的其他输送方法也可以。管道输送和电缆输送二者都适应改造设计，而套管输送一般需要测井仪在完井期间安装。
一般而言，可以将永久测井仪连接至永久井下电缆(PDC)。PDC可以是单导线或多导线。每种导线可以是实心的或绞合的。这些导线可以是绝缘的、封装的、铠装的或一些组合。多导线可以是绞合的或同轴配置的。该电缆可设计用于输电(电力、信息或二者)；其还可设计成支持大的机械负载，例如在电缆传输实施方案中。
在一些实施方案中，电力经光缆传输至生产测井仪100。加利福尼亚州橙郡的RLH Industries提供了一种示例性的用于经光纤提供电力的器件，并且作为“经光纤***供电(Power Over Fiber System，PoF)”销售。
电子设备13可包括电源转换器、控制器、处理器等中的至少之一。一般而言，电子设备13提供对从电源模块44向通信通道43和勘探部件15中的至少之一供电的控制。电子设备13可启动节能措施，例如通过关闭通信通道43和勘探部件15中的至少之一。当电源模块44中的供电情况(例如充电状态)未满足期望的阈值时，可以启动节能(也称为“休眠状态”或“休眠模式”)。
在一些实施方案中，电子设备13调节从多种类型的能量存储器42放电。例如，电子设备13可以从至少一个超级电容器提取电力以满足与一些器件(例如泥浆脉冲通信通道43)相关的初始启动负载。因此，电子设备13可提供“软启动”从而提高在能量存储器42中至少一种电池的可用寿命。
电子设备13可视情况调节来自电源模块44的电力。例如，电子设备13可模拟由某些类型的电源产生的电力(例如，可模拟在超级电容器中提取时由电池提供的电力)；电子设备13可缓冲电力、脉冲电力以及以被认为合适的其他方式一般地提供电力。
一般而言，测井仪10包括用于执行“井下”测量或在井眼1中测量的设备。这样的设备包括，例如多种勘测部件15。示例性勘测部件15可以包括辐射探测器、防护罩、传感器、转换器以及本领域中已知的许多的其他多种勘测部件15。部件15可以视情况与井下电子设备13通信。通常执行例如可以使用测井仪10执行的测量和其他步骤来确定并证明烃5的存在。
现参照图3，示出了示例性生产测井仪100。生产测井仪100可以放置在井眼1内，在其他设备都被取出之后该生产测井仪100将被留在井眼1内。生产测井仪100可以通过使用其他装置(例如牵引机(未示出))而放置到井下。在一些实施方案中，生产测井仪100可以包括牵引机的元件(例如马达和轨道)，使得生产测井仪100能够自放置。
一旦生产启动，则从井眼1中排出钻井液4。建立烃5的流动。在生产启动期间，在井眼1之上放置井口30。井口30提供对来自井眼1的流动的调节并且适应提取烃5的延长期。如通过向上箭头所示出的，当生产测井仪100就位时，生产(烃5的提取)可以持续不减。
现参照图4，示出了示例性生产测井仪100的部件。在该实施例中，生产测井仪100包括勘探部件15、通信通道43、井下电子设备13和电源模块44。电源模块44向生产测井仪100提供电力。
包括在电源115中的能量源401可包括各种能量输入。能量输入一般可分为三类。这些类别包括原电池、远程***和发电机。
发电机41可包括流动驱动发电机(例如由生产流动驱动的发电机)。例如，发电机41可包括旋转发电机、振动能量发电机(例如位移型发电机)或其他类型的发电机。其他类型的发电器件可单独使用或者彼此组合使用。示例性类型的发电机包括但不限于旋转发电机、电磁位移发电机、磁致伸缩位移发电机、压电位移发电机、热电发电机、热光伏发电机，并且可包括与远程发电机的连接，例如与保存在上面的发电机或电源的电缆连接。这样的发电机在工业中是公知的。一般而言，通过井下电子设备13来调节发电机41的输出。然而，该输出可以在发电机41上调节，从而使得能够从发电机41直接连接至能量存储器42。示例性能量存储器42包括多种形式的电池、超级电容器等。在一些实施方案中，能量存储器42(和/或生产测井仪10的其他部件)可替换，并且可以利用例如通过操作者提供用于远程操控的电缆工具在井下维修演化期间切换出。
示例性通信通道43包括用于提供EM遥测的部件，可以利用电场、磁场或电磁场，通过套管21和/或周围环境在通信通道43中传输信号。同样，可以通过套管21(特别地，例如通过金属生产管道或通过利用套管21作为波导)来操作通信通道。可以利用脉冲流体通过光学通道、通过有线***以及通过本领域中已知的或者后来开发的其他技术来完成通信。
生产测井仪100的一些实施方案包括配置在作为环形圆柱体的壳体中的那些，从而适应通过生产测井仪100的流动。其他实施方案可包括具有小横截面积(即，小直径)的实心圆柱形。生产测井仪100可包括伸缩式支臂或辅助例如位移和/或停留井下的其他部件(未示出)。简言之，生产测井仪100一般可以是设计者、制造者、操作者等所期望的任何物理形式。
在一些实施方案中，借助于“承载部”输送测井仪，所述承载部在生产管道***井眼中时承载测井仪的生产管道的特殊设计的部段。承载部是容纳通过其中央部分的流体流的环形圆柱体。承载部可以设计为固定测井仪，例如具有实心圆柱形的测井仪。或者，测井仪可以设计为承载部的一部分。在任一情况下，承载部可以设计为允许测井仪连接至生产管道内部和环状体外部二者。可以通过结合在承载部中的“端口”(承载部的用于传输与电、热、压力等相关的各种参数的机械开口或其他无源部分)来适应通过生产管道的壁的接口。
如上所述，示例性能量存储器42包括超级电容器。在一些实施方案中，能量存储器42适于高温操作(例如，高达约210摄氏度)。可用于能量存储器42中的其他部件包括例如可再充电电池、可逆燃料电池等。简言之，能量存储器42的多种实施方案包括适于在升高的温度下的操作并且表现出长的使用寿命。在下文中参照图8稍后描述了示例性超级电容器。
在一些实施方案中，生产测井装置100适用于在没有能量存储器42时(或在能量存储器42失效时)使用。在这些实施方案中的一些中，来自电源模块44的其他部件的电力用于为井下电子设备13和需要电力的其他部件供电。
井下测井仪100可作为独立***使用，与其他井下测井仪100组合使用(例如以提供局部测量，以及在其他井下测井仪100之间传输数据)，或者以认为合适的任何配置使用。在一些实施方案中，可期望不使用通信通道43，而仅使用生产测井仪100作为后来取回的测井器件。在这些实施方案中，一旦生产测井仪100到达上部，则可从生产测井仪100下载数据。
一般而言，测井仪100的实施例方案装配成确认以下中的至少之一：环境温度、流量、环境压力、环境和/或感应辐射水平(例如，γ)、电阻率、流体密度、流体电容、流体介电性质和周围地层3的孔隙率。
在一些实施方案中，电源连接45包括与上部电源的有线连接。在一些实施方案中，可使用无线(EM)信号(例如非常低频的信号)来传输电力，其中生产测井仪100包括用于接收电力的接收器。在另一些实施方案中，电缆或有线套管可用于传输电力。在另一些实施方案中，可以依赖波导(例如套管21)来提供电力的传输。
现参照图5，示出了利用多个生产测井仪100的示例性构造。在该实施例中，多个生产测井仪100分布在井眼1中。第一类型的生产测井仪100布置在井眼1的底部。有利地，这种生产测井仪可包括并非方便地布置在井眼1的中间位置的部件。例如，底部型生产测井仪100可包括另外的能量存储器42、另外的勘探部件15和/或并非方便地配置在井眼1的中间位置的其他类型的发电机41。使用了第二类型的生产测井仪100(为了方便起见，称为“中间类型”，或者称为其他类似术语)。在该实施例中，两种类型的生产测井仪100稳固地配置在套管内。用于将生产测井仪100配置在套管21中的器件的一个实施方案包括例如定中心器69。该中间类型的生产测井仪100可以设计成具有小的横截面积，因此在烃5的生产或流动中提供最小减少。
中间生产测井仪100可用于在沿着井眼1的长度位置处提供测井。其可用于表征或鉴定周围土壤2中烃5的消耗等。此外，每个中间生产测井仪100可装配有双向通信，使得各个中间生产测井仪100可以从沿着井眼1的另一个生产测井仪100传输数据，最终到达上部接收器。例如，该后一实施方案可用于改进通信的可靠性、范围和/或带宽。
进一步参照图6更详细地示出了生成测井仪100的一个实施例。
现参照图6，示出了生产测井仪100的一个实施方案。在该实施例中，生产测井仪100包括多个发电机41(即，旋转型发电机)。在井眼1中的烃5的流动被导向围绕涡轮叶片的罩中并促使发电机41发电。在流经涡轮叶片后，该流动离开侧通风孔71并继续沿着井眼1上升。在该实施方案中，生产测井仪100可以方便地并且可靠地通过定中心器69在井眼1中居中(如图6所示)。
当生产测井仪100中包括多个发电机41时(一些实施方案中只包括一个发电机41)，烃5的流动可以被引导到每个发电机41的周围。也就是说，每组侧通风孔71可以设置为与每个发电机41相关联。每组侧通风孔71一般包括用于闭合各侧通风孔71的闭合器(例如可旋转闭合器，未示出)。因此，操作者可选择地操作每个发电机41(或者电子设备13可以配置为在发电机41之间自动转换)。因此，在每个发电机41达到可用寿命结束时，可以开始使用另一个发电机41，从而提供长寿命的生产测井仪100。
现参照图7，示出了生产测井仪100的另一个实施方案。一旦布置就位，生产测井仪100则开始测井并追踪多个参数值。在该实施方案中，生产测井仪100包括模块化通信通道43，其包括多个分立的并且物理分开的元件(即，模块81)。当生产测井仪100将相关数据下载到多个模件81中之一时，发生周期性间隔通信，例如每月一次。每个模件81可包括例如电源(例如陶瓷电容器)、存储器(例如微型SD卡或等同物)和远程识别器件(例如射频识别(RFID)标签(或天线))。每个模件81可通过总线82耦接至生产测井仪100。一般而言，总线82包括用于分布电力以及与每个模件81通信的部件。此外，总线82包括多个用于选择性剥离每个模件81的多个剥离器(例如电磁或机电剥离器件)。
随着每个间隔结束，生产测井仪100确保相关数据集存储在选定的存储器中，例如其可通过以下为多个模件中的每个模件供电：使车载电源充电，对存储器进行编程(即，下载数据到存储器中)，然后将模件81剥离到烃5的流动中。然后该流动承载模件81直至井口30。一旦剥离的模件81接近井口30(烃5的提取在此处完成)，则完成了模件81的远程识别。例如，RFID接收器(未示出)将检测RFID标签(未示出)。一旦检测到，检测信号即可发送到操作者和/或自动化***(例如马达操作的阀)以将模件81转移到回收点。
一旦模件81***作者回收，则可下载数据。有利地，可以从井获得非常高的粒度数据(得自频繁取样和/或许多性质和参数的取样的数据)。此外，可以将数据与其他井(例如其他邻近的井)相关联。因此，则可表征油田的生产动态。这使生产者洞察另外的井的开发、现有的井的消耗以及洞察其他生产活动。
在一些实施方案中，通信通道43包括光纤元件(未示出)。光纤元件可用于从生产测井仪100到上部光纤信号接收器的直接通信。该光纤元件还可用作干涉仪，并且为使用者提供可由此收集的其他数据。光纤干涉仪的一个示例性实施方案提供于题为“Fiber Optic Sensor System UsingWhite Light Interferometry”的美国专利申请No.：12/368,576中，其通过引用整体并入本文。
总之，电源115一般包括电存储器和用于产生电输出的发电机。能量存储器可包括任何类型的可行技术。在许多个实施方案中，能量存储器包括至少一个超级电容器(在下文中参照图3对其进行了描述)。一般而言，在每种情况下，能量存储器提供高温可再充电能量存储器(HTRES)。在一些实施方案中，HTRES配置为在约80摄氏度至约210摄氏度的温度范围内的温度下操作。
HTRES的其他实施方案包括但不限于化学电池(例如铝电解电容器、钽电容器、陶瓷和金属膜电容器)、混合电容器磁能存储器(例如，空气芯或高温芯材的感应器)。其他类型的HTRES还可以适当地包括例如机械能存储装置，例如飞轮、弹簧***、弹簧-质量***、质量***、热容***(例如基于高热容液体或固体或相变材料的热容***)、液压或气动***。一个实例为可从美国罗得岛州普罗维登斯的埃文斯电容器公司(Evans Capacitor Company)得到的，产品型号HC2D060122DSCC10004-16，额定125摄氏度的高温混合电容器。另一实例为可从美国罗得岛州普罗维登斯的埃文斯电容器公司(Evans Capacitor Company)得到的，产品型号HC2D050152HT，额定200摄氏度的高温钽电容器。又一实例为可从德国慕尼黑EPCOS得到的，产品型号B41691A8107Q7，额定150摄氏度的铝电解电容器。又一实例为可从日本东京松下公司(Panasonic)得到的，日本产品型号ETQ-P5M470YFM，额定150摄氏度的感应器。其它的实施方案为可从法国巴涅奥莱市帅福得公司(Saft)得到的(产品型号锂离子VL32600-125)，其在高达125摄氏度下操作30个充放电循环；以及在高达约250摄氏度下可操作的，且处于Sadoway，Hu(马萨诸塞州坎布里奇的固体能源)的实验阶段的锂离子电池(实验的)。
作为讨论的内容，本文中讨论的电源115的实施方案涉及使用高温超级电容器，但是，这不限于可包括在电源115的能量存储器中的技术。现在介绍适合于用作高温能量存储器的超级电容器的示例性方面。
本文公开了在宽的温度范围内为使用者提供改进性能的电容器。例如，该电容器可在低至-40摄氏度至高达约210摄氏度的温度下操作。在一些实施方案中，该电容器在约80摄氏度至高达约210摄氏度的温度下可操作。
一般而言，与现有技术器件相比，该电容器包括适于提供高功率密度和高能量密度的能量存储介质。该电容器包括配置成确保在所述温度范围内操作的部件，并且包括同样额定值为所述温度范围的多种形式的电解质中的任意一种或更多种。构造、能量存储介质和电解质的组合导致在极端条件下提供稳健操作的能力。为了提供一些观点，现在介绍一个示例性实施方案的各方面。
如图8所示，示出了电容器的一个示例性实施方案。在这种情况下，该电容器是“超级电容器210”。示例性超级电容器210是双电层电容器(EDLC)。该EDLC包括至少一对电极203(其中，可将电极203单独地称为“负电极203”和“正电极203”中之一，但是，这仅仅为了在本文中引用的目的)。在组装成超级电容器210时，每个电极203在电解质界面存在双电荷层。在一些实施方案中，包括多个电极203(例如，在一些实施方案中，包括至少两对电极203)。为了讨论的目的，仅示出一对电极203。在本文中作为惯例，电极203中的至少之一使用碳基能量存储介质201(如在本文中进一步讨论的)以提供能量储存。但是，为了在本文中讨论的目的，一般假设每个电极均包括碳基能量存储介质201。应注意，电解质电容器不同于超级电容器，因为在电解质电容器中，金属电极在面积上通常相差悬殊(至少一个数量级)。
电极203中的每一个均包括各自的集电器202(也称为“电荷收集器”)。在一些实施方案中，电极203通过隔离器205隔开。一般而言，隔离器205是用于将负电极203与正电极203隔开的薄的结构材料(通常为片)。隔离器205还可充当电极203的隔离对。一旦组装，电极203和隔离器205即提供存储单元212。注意，在一些实施方案中，电极203之一或二者可不包括碳基能量存储介质201。也就是说，在一些实施方案中，相应的电极203可能仅由集电器202组成。用于提供集电器202的材料可以是粗糙化的、经过阳极化处理的等以增加其表面积。在这些实施方案中，单独的集电器202可充当电极203。然而，出于这种考虑，本文中使用的术语“电极203”一般指能量存储介质201与集电器202的组合(但出于至少前述原因，这并非限制性的)。
超级电容器210中包括至少一种形式的电解质206。电解质206填充电极203与隔离器205之中和之间的空隙空间。一般而言，电解质206是解离成带电离子的物质。适当时，在电解质206的一些实施方案中可以包括溶解该物质的溶剂。电解质206通过离子传输导电。
一般而言，存储单元212形成为卷绕形式或棱柱形式之一，然后将其封装到圆柱状或棱柱状壳体207中。一旦已容纳入电解质206，壳体207即可气密地密封。在各种实施例中，封装是通过利用激光、超声的技术和/或焊接技术来气密地密封。除了为存储单元212提供坚固的物理保护以外，壳体207还配置有外部接头以提供与壳体207内的各端子208的电通信。每个端子208进而提供对储存在能量存储介质201中的能量的电连接，所述电连接一般通过耦接至能量存储介质201的电引线实现。
如本文所讨论的，“气密”是指其性质(即，泄漏速率)以“atm-cc/秒”为单位定义的密封，“atm-cc/秒”意指在环境大气压力和温度下每秒1立方厘米的气体(例如，He)。这相当于以“标准He-cc/秒”为单位的表示。此外，认为1atm-cc/秒等于1.01325豪巴-升/秒。一般而言，本文中公开的超级电容器210能够提供泄漏速率不大于约5.0×10-6atm-cc/秒的气密密封，并且可以表现出不高于约5.0×10-10atm-cc/秒的泄漏速率。还认为成功气密密封的性能由使用者、设计者或制造者酌情判断，并且“气密”最终表示由使用者、设计者、制造者或其他利益方定义的标准。
可以例如通过使用示踪气体来实现检漏。使用示踪气体例如氦用于泄漏测试是有利的，因为它是干燥、快速、准确并且非破坏性的方法。在该技术的一个实施例中，将超级电容器210放入氦环境中。使超级电容器210经历加压的氦气。然后，将超级电容器210放在与能够监测氦存在的检测器(例如原子吸收单元)连接的真空室中。利用已知的加压时间、压力和内部容积，可以确定超级电容器210的泄漏速率。
在一些实施方案中，将至少一根引线(其在本文中也可称为“接片”)电耦接至相应的那个集电器202。多根引线(对应于超级电容器210的极性)可以组合在一起并耦接成为相应的端子208。进而，端子208可以耦接为电连接，称为“接头”(例如，壳体207和外部电极(在本文中也按照惯例称为“馈通件”或“引脚”)之一)。可参照图18、19和20。现在更详细地考虑能量存储介质201。
在示例性超级电容器210中，能量存储介质201由碳纳米管形成。能量存储介质201可以包括其他含碳材料，包括例如活性炭、碳纤维、人造纤维、石墨烯、气凝胶、碳布以及多种形式的碳纳米管。活性炭电极可以通过例如如下步骤来制造：对通过碳化合物的碳化所获得的碳材料进行第一活化处理来生产碳基材料；通过向该碳基材料添加粘合剂来制造形成体；碳化该形成体；以及最终通过对该碳化的形成体进行第二活化处理来制造活性炭电极。碳纤维电极可以例如通过使用具有高表面积的碳纤维的纸或布预成型来制造。
在一种用于制造碳纳米管的示例性方法中，用于制造定向碳纳米管聚集体的设备包括在具有催化剂的基底材料的表面上用于合成定向碳纳米管聚集体的设备。该设备包括：形成单元，该形成单元执行使催化剂周围的环境成为还原气体环境并且加热至少催化剂或还原气体的形成步骤；生长单元，该生长单元执行通过使催化剂周围的环境成为原料气体的环境和通过加热至少催化剂或原料气体来合成定向碳纳米管聚集体的生长步骤；和转移单元，该转移单元至少将基底材料从形成单元转移至生长单元。可以使用多种其他方法和设备来提供定向碳纳米管聚集体。
在一些实施方案中，用于形成能量存储介质201的材料可以包括除了纯碳(和目前可能存在的或之后设计的多种形式的碳)之外的材料。也就是说，能量存储介质201中可包括其他材料的各种制剂。更具体地，并且作为非限定性的实施例，能量存储介质201中可以使用至少一种粘合剂材料，但是，这并不是建议或要求添加其他材料(例如粘合剂材料)。然而，一般而言，能量存储介质201基本上由碳形成，并且因此在本文中可称为“含碳材料”、“含碳层”以及其他类似术语。简言之，尽管主要由碳形成，但是能量存储介质1可以包括任意形式的碳(以及被认为适当的或可接受的任意添加剂或杂质)以提供作为能量存储介质201的期望的功能性。
在一组实施方案中，含碳材料包括按质量计至少约60％的元素碳，而在另一些实施方案中，按质量计至少约75％、85％、90％、95％或98％的元素碳。
含碳材料可以包括多种形式的碳，包括炭黑、石墨等。所述含碳材料可以包括碳颗粒，包括纳米颗粒例如纳米管、纳米棒、片形式的石墨烯片，和/或形成为锥、棒、球(巴基球)等。
本文中提供了适用于能量存储介质201的多种形式的含碳材料的一些实施方案作为实施例。这些实施方案提供稳固的能量储存并且良好地适用于电极203中。应注意，这些实施例是说明性的，而并不限制适用于能量存储介质201的含碳材料的实施方案。
一般而言，术语“电极”是指用于在可结合到电路的器件中与常为非金属的另一种材料接触的电导体。一般而言，本文中使用的术语“电极”涉及集电器202和可伴随集电器202的另外的部件(例如能量存储介质201)以提供期望的功能(例如，与集电器202相匹配以提供能量储存和能量传输的能量存储介质201)。
转到集电器202，在一些实施方案中，集电器202为约0.5微米(μm)至约25微米(μm)厚。在一些实施方案中，集电器202为约20微米(μm)至约40微米(μm)厚。集电器202可表现为薄层，例如通过化学气相沉积(CVD)、溅射、电子束、热蒸发或者通过另外的合适的技术施加的层。一般而言，集电器202针对其性质例如传导性、电化学惰性以及与能量存储介质201(例如，CNT)的相容性来选择。一些示例性材料包括铝、铂、金、钽、钛，并且可包括其他材料以及多种合金。
一旦将集电器202与能量存储介质201(例如，CNT)接合，即实现了电极元件215。每个电极元件215可以单独使用作为电极203，或者可以耦接至至少另外一个电极元件215以提供电极203。
隔离器205可以由各种材料制造。在一些实施方案中，隔离器205是非织造玻璃。隔离器205还可以由玻璃纤维、陶瓷和含氟聚合物来制造，所述含氟聚合物例如通常由特拉华州威明顿(Wilmington，DE)的DuPontChemicals以TEFLONTM销售的聚四氟乙烯(PTEE)。例如，使用非织造玻璃，隔离器5可以包括主要纤维和粘合剂纤维，每根粘合剂纤维的纤维直径小于每根主要纤维的纤维直径，并且使得主要纤维能够粘合在一起。
为了超级电容器210的长寿命以及为了确保在高温下的性能，隔离器205应具有降低量的杂质，并且特别是包含于其中的非常有限量的水分。特别地，已发现期望约200ppm的水分限制以减少化学反应和延长超级电容器210的寿命，以及提供在高温应用中的良好性能。用于隔离器205中的材料的一些实施方案包括聚酰胺、聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)、氧化铝(Al2O3)、玻璃纤维以及玻璃增强塑料(GRP)。
一般而言，用于隔离器205的材料根据水分含量、孔隙率、熔点、杂质含量、所得电性能、厚度、成本、可用性等来选择。在一些实施方案中，隔离器205由疏水性材料形成。
因此，可以采用一些方法来确保从每个隔离器205除去过量的水分。可以采用真空干燥方法以及其他技术。
注意，在一些实施方案中，超级电容器210不需要或不包括隔离器205。例如，在一些实施方案中，例如在电极203由结构的几何形状确保物理隔离的实施方案中，满足电极203之间只具有电解质206。更具体地，以及作为物理隔离的一个实例，一种这样的超级电容器210可以包括配置在壳体内使得在连续的基础上确保隔离的电极203。一种台式实例将包括设置在烧杯中的超级电容器210。
超级电容器210可以实施为若干不同形状因子(即，表现出某种外观)。潜在有用的形状因子的实例包括：圆柱状单元、轮状或环状单元、扁平棱柱单元或包括盒状单元的扁平棱柱单元的堆叠体，以及适合于容纳特殊几何形状(例如弯曲空间)的扁平棱柱单元。圆柱状形状因子可以在结合圆柱状工具或以圆柱状形状因子安装的工具时最有用。轮状或环状形状因子可以在结合环状工具或以环状形状因子安装的工具时最有用。形状为适合于特殊几何形状的扁平棱柱单元可以高效利用“死空间”(即，工具或设备中的未被以其他方式占据并且可以是一般难以接近的空间)。
虽然在本文中一般以“胶状卷”应用(即，存储单元212配置用于圆柱状壳体207)的形状公开，但是卷制的存储单元223可以采取任何期望的形状。例如，相对于卷起存储单元212，可以进行存储单元212的折叠以提供卷制的存储单元223。可以使用其他类型的组件。作为一个实例，存储单元212可以是扁平的单元，称为“硬币型”单元。因此，卷起只是卷制的存储单元223的组件的一个选择。因此，虽然在本文中以“卷制的存储单元223”的方面进行讨论，但这并非限制。可以认为术语“卷制的存储单元223”通常包括以良好适合于壳体207的给定设计的任意合适形式的封装或包装的存储单元212。
可以将各种形状的超级电容器210连接在一起。可以使用已知的技术例如焊接接触在一起、通过使用至少一种机械连接器、通过布置彼此电接触的接头等来连接所述多种形状。多个超级电容器210可以以并联和串联形式中的至少之一电连接。
电解质206包括阳离子209和阴离子211对，并且可以包括溶剂。可以将电解质206视情况称为“离子液体”。可以使用阳离子209、阴离子211和溶剂的各种组合。在示例性超级电容器210中，阳离子209可以包括以下物质中的至少之一：1-(3-氰丙基)-3-甲基咪唑1，2-二甲基-3-丙基咪唑1，3-双(3-氰丙基)咪唑1，3-二乙氧基咪唑1-丁基-1-甲基哌啶1-丁基-2，3-二甲基咪唑1-丁基-3-甲基咪唑1-丁基-4-甲基吡啶1-丁基吡啶1-癸基-3-甲基咪唑1-乙基-3-甲基咪唑3-甲基-1-丙基吡啶及其组合以及认为适当的其他等同物。其他示例性阳离子209包括咪唑吡嗪哌啶吡啶嘧啶以及吡咯烷(其结构描绘于图4中)。在示例性超级电容器210中，阴离子211可以包括以下物质中的至少之一：双(三氟甲磺酰盐/酯)亚胺、三(三氟甲磺酰盐/酯)甲基化物、二氰胺、四氟硼酸盐/酯、六氟磷酸盐/酯、三氟甲磺酸盐/酯、双(五氟乙烷磺酰盐/酯)亚胺、硫氰酸盐/酯、三氟(三氟甲基)硼酸盐/酯及其组合以及认为适当的其他等同物。
溶剂可以包括：乙腈、酰胺、苄腈、丁内酯、环醚、碳酸二丁酯、碳酸二乙酯、***、二甲氧基乙烷、碳酸二甲酯、二甲基甲酰胺、二甲砜、二氧六环、二氧戊环、甲酸乙酯、碳酸亚乙酯、碳酸甲乙酯、内酯、直链醚、甲酸甲酯、丙酸甲酯、甲基四氢呋喃、腈、硝基苯、硝基甲烷、N-甲基吡咯烷酮、碳酸亚丙酯、环丁砜、砜、四氢呋喃、四氢噻吩砜、噻吩、乙二醇、二甘醇、三甘醇、聚乙二醇、碳酸酯、γ-丁内酯、腈、三氰基己烷、其任意组合或表现出适当性能特性的其他一种或更多种材料。
现在参照图9，示出了适用于离子液体以提供电解质206的阳离子209的许多个另外的实施方案。这些阳离子209可以单独使用或者彼此组合使用，与阳离子209的前述实施方案中的至少一些组合使用，并且还可以与使用者、设计者、制造者或其他类似的利益方认为相容并且合适的其他阳离子209组合使用。图9中描绘的阳离子209包括但不限于铵、咪唑 唑磷哌啶吡嗪吡嗪哒嗪吡啶嘧啶吡咯烷锍、噻唑***胍异喹啉苯并***紫精类以及官能化咪唑阳离子。
关于图9中所示的阳离子209，包括各种支链基(R1、R2、R3、...Rx)。在阳离子209的情况下，每个支链基(Rx)可以是以下之一：烷基、杂烷基、烯基、杂烯基、炔基、杂炔基、卤素、氨基、硝基、氰基、羟基、硫酸酯基、磺酸酯基或羰基，其中任意一者任选地被取代。
术语“烷基”在本领域中是公认的，并且可以包括饱和的脂肪族基团，包括直链烷基、支链烷基、环烷基(脂环族)基团、烷基取代的环烷基以及经环烷基取代的烷基。在某些实施方案中，直链或支链烷基的骨架中具有约20个或更少的碳原子(例如，直链的C1-C20，支链的C1-C20)。同样，环烷基的环结构中具有约3至约10个碳原子，或者环烷基的环结构中具有约5、6或7个碳。烷基的实例包括但不限于甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基、乙基己基、环丙基、环丁基、环戊基、环己基等。
术语“杂烷基”在本领域中是公认的，并且是指其中一个或更多个原子是杂原子(例如，氧、氮、硫等)的如本文所述的烷基。例如，烷氧基(例如，-OR)是杂烷基。
术语“烯基”和“炔基”在本领域中是公认的，并且是指与上述烷基的长度和可能取代基类似但分别含有至少一个双键或三键的不饱和的脂肪族基团。
术语“杂烯基”和“杂炔基”在本领域中是公认的，并且是指其中一个或更多个原子是杂原子(例如，氧、氮、硫等)的如本文所述的烯基和炔基烷基。
一般而言，可以使用任意带负电荷的离子作为阴离子211。所选择的阴离子211一般与大的有机阳离子209成对以形成低温熔融的离子盐。室温(以及更低)熔融的盐主要来自大的带有一个负电荷的阴离子209。在甚至更低的温度下熔融的盐一般用具有容易离域的(delocalized)电子的阴离子211来实现。任何将降低离子之间亲和力的因素(距离、电荷离域)随后都将降低熔点。虽然可能的阴离子形成几乎是无限的，但是这些中只有一个子集将在低温离子液体应用中起作用。这是离子液体的可能的阴离子形成的非限制性概述。
适用于表1中提供的阴离子211的常见取代基(α)包括：-F-、-Cl-、-Br-、-I-、-OCH3 -、-CN-、-SCN-、-C2H3O2 -、-ClO-、-ClO2 -、-ClO3 -、-ClO4 -、-NCO-、-NCS-、-NCSe-、-NCN-、-OCH(CH3)2 -、-CH2OCH3 -、-COOH-、-OH-、-SOCH3 -、-SO2CH3 -、-SOCH3 -、-SO2CF3 -、-SO3H-、-SO3CF3 -、-O(CF3)2C2(CF3)2O-、-CF3 -、-CHF2 -、-CH2F-、-CH3 -、-NO3 -、-NO2 -、-SO3 -、-SO4 2-、-SF5 -、-CB11H12 -、-CB11H6C16 -、-CH3CB11H11 -、-C2H5CB11H11 -、-A-PO4 -、-A-SO2 -、A-SO3 -、-A-SO3H-、-A-COO-、-A-CO-{其中A是苯基(苯基或苯环是具有式C6H5的原子的环状基团)或经取代的苯基、烷基(具有通式CnH2n+1的基团，通过从烷烃移去氢原子而形成)或经取代的烷基、带负电荷的烷烃基团(烷烃是仅由氢原子和碳原子组成并且只通过单键键合的化合物)、卤代烷烃和醚(其为含有与两个烷基或芳基连接的氧原子的一类有机化合物)。
关于适用于提供电解质206的离子液体的阴离子211，可使用各种有机阴离子211。表1中提供了示例性阴离子211及其结构。在第一实施方案(第1个)中，示例性阴离子211由上文中提供的取代基(α)列表或其等同物形成。在另一些实施方案(第2至5个)中，示例性阴离子211由各基础结构(Y2、Y3、Y4...Yn)和相应数目的阴离子取代基(α1、α2、α3...αn)形成，其中相应数目的阴离子取代基(α)可选自上文中提供的取代基(α)列表或其等同物。注意，在一些实施方案中，多个阴离子取代基(α)(即，至少一种不同的阴离子取代基(α))可用在阴离子11的任意一个实施方案中。还注意，在一些实施方案中，基础结构(Y)是单个原子或指定的分子(如表1所述)，或者可以是等同物。
更具体地，并且通过示例的方式，就表1中提供的示例性阴离子而言，可以实现某些组合。作为一个实例，在第2个的情况下，基础结构(Y2)包括与两个阴离子取代基(α2)键合的单一结构(例如，原子或分子)。虽然示出为具有两个相同的阴离子取代基(α2)，但无需是这种情况。也就是说，基础结构(Y2)可以与不同的阴离子取代基(α2)键合，例如上文中列举的任意阴离子取代基(α)。类似地，如第3个情况所示，基础结构(Y3)包括与三个阴离子取代基(α3)键合的单一结构(例如，原子)。此外，包括在阴离子中的每个阴离子取代基(α)可以变化或不同，并且无需重复(重复的或对称的)，如表1所示。一般而言，对于表1中的符号，基础结构之一上的下标表示各基础结构可具有与阴离子取代基(α)的键的数目。也就是说，各基础结构(Yn)的下标表示各阴离子中伴随的阴离子取代基(αn)的数目。
表1
离子液体的示例性有机阴离子
术语“氰基”被赋予其在本领域中的通常含义，并且是指基团CN。术语“硫酸酯基”被赋予其在本领域中的通常含义，并且是指基团SO2。术语“磺酸酯基”被赋予其在本领域中的通常含义，并且是指基团SO3X，其中X可以是电子对、氢、烷基或环烷基。术语“羰基”在本领域中是公认的，并且是指基团C＝O。
在超级电容器210的构造中考虑的一个重要方面是维持良好的化学卫生。为了确保部件的纯净，在许多个实施方案中，在真空环境中于升高的温度下干燥构成两个电极203的能量存储介质201的活性炭、碳纤维、人造纤维、碳布和/或纳米管。隔离器205也在真空环境中于升高的温度下干燥。一旦电极203和隔离器205在真空下干燥后，即将它们封装在壳体207中而无需在低于50份/百万份(ppm)水的气氛中最终密封或加盖。例如，可以在约100摄氏度至约300摄氏度的温度范围内在真空下干燥未加盖的超级电容器210。一旦该最终干燥完成，即可添加电解质206，并在相对干燥的气氛(例如，水分低于约50ppm的气氛)中密封壳体207。当然，可以使用其他组装方法，并且前述仅提供超级电容器210的组件的一些示例性方面。
一般而言，将电解质206中的杂质保持为最少。例如，在一些实施方案中，卤离子(氯离子、溴离子、氟离子和碘离子)的总浓度保持为低于约1000ppm。金属物质(例如，Br、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、K、Li、Mo、Na、Ni、Pb、Zn，包括其合金和氧化物中的至少一种)的总浓度保持为低于约1000ppm。此外，来自合成过程中所使用的溶剂和前体的杂质保持为低于约1000ppm，并且可以包括例如溴乙烷、氯乙烷、1-溴丁烷、1-氯丁烷、1-甲基咪唑、乙酸乙酯、二氯甲烷等。
在一些实施方案中，使用已应用于超级电容器210的电解质206的离子选择电极和卡尔·费歇尔滴定法测量了超级电容器210的杂质含量。发现根据本文教导的超级电容器210的总卤化物含量低于约200ppm的卤化物(Cl-和F-)，水含量低于约100ppm。
可以使用各种技术例如原子吸收光谱(AAS)、电感耦合等离子体质谱(ICPMS)或简化增溶和电化学感测痕量重金属氧化物颗粒来测量杂质。AAS为用于采用通过气态的自由原子的光学辐射(光)的吸收来定性和定量地测定化学元素的光谱分析方法。该技术用于测定待分析的样品中的特定元素(分析物)的浓度。AAS可用于测定溶液中或直接在固体样品中的超过70种不同的元素。ICPMS是一种质谱法，其高度灵敏并且能够测定金属和若干非金属的低于1012分之一(万亿分之一)的浓度的范围。ICPMS是基于将作为产生离子(离子化)的方法的电感耦合等离子体与作为分离和检测离子的方法的质谱结合在一起。ICPMS还能够监测所选离子的同位素形态。
可以使用另外的技术来分析杂质。这些技术中的一些对分析固体样品中的杂质特别有利。可以使用离子色谱(IC)来测定电解质206(例如，离子液体)中痕量水平的卤化物杂质。离子色谱的一个优点是可以以单一的色谱分析来测量相关的卤化物物质。使用由20mM NaOH和10％(v/v)乙腈组成的洗脱剂的Dionex AS9-HC柱是可用于定量来自离子液体的卤化物的设备的一个实例。另外一个技术是X-射线荧光技术。
可以使用X射线荧光(XRF)仪来测量固体样品中的卤素含量。在该技术中，将待分析样品放在样品杯中，然后将样品杯放在用特定波长的X射线来照射的分析仪中。样品中的任意卤素原子吸收一部分X射线，然后反射给定卤素特有波长的辐射。然后该仪器中的检测器对从卤素原子回来的辐射的量进行定量，并测量辐射强度。通过了解暴露的表面积，可以确定样品中卤素的浓度。用于评定固体样品中的杂质的另外的技术是热解技术。
可以通过使用热解和微库仑计来有效测量杂质的吸附。微库伦计能够测试几乎任意类型的材料的总氯含量。作为一个示例，将少量样品(小于10毫克)注入或放入石英燃烧管中，石英燃烧管中的温度为约600摄氏度至约1000摄氏度。使纯氧通过石英管，并且完全燃烧任意含氯组分。将所得燃烧产物吹扫进滴定单元，其中氯离子截留在电解质溶液中。电解质溶液包含银离子，银离子立即与任意氯离子组合并且作为不溶性氯化银从溶液中析出。滴定单元中的银电极电取代所用尽的银离子，直至银离子的浓度回复到滴定开始之前的浓度。通过跟踪产生所需量的银所需的电流的量，所述仪器能够测定初始样品中存在多少氯。除以由样品的重量表示的氯的总量给出实际上在样品中的氯的浓度。可以使用用于评定杂质的其他技术。
例如，可以通过红外光谱技术来检查电极203中的表面特征和水含量。在大约1130cm-1、1560cm-1、3250cm-1和2300cm-1处的四个主要吸收带分别对应于vC＝O、芳基中vC＝C、vO-H和vC-N。通过测量强度和峰位置，可以定量地确定电极203中的表面杂质。
另一种用于确定电解质206和超级电容器210中的杂质的技术是拉曼光谱。该光谱技术依赖于单色光的非弹性散射或拉曼散射，所述单色光通常来自可见光、近红外光或近紫外光范围的激光。激光与***中的分子振动、声子或其他激发相互作用，导致激光光子的能量上下变化。因此，该技术可用于表征超级电容器210中的原子和分子。采用了拉曼光谱的许多变化形式，并且可证实其可用于表征超级电容器210的内容物。
一旦制造了超级电容器210，即可将其用于具有很少泄漏电流或没有泄漏电流和电阻很少升高的高温应用中。本文所述的超级电容器210可以有效地在约-40摄氏度至约210摄氏度的温度下运行，其中泄漏电流在整个工作电压和温度范围下在装置的低于1安培/升(A/L)体积的装置体积中归一化。
通过降低超级电容器210中的水分含量(例如，至相对于电解质和杂质的质量和体积小于500份/百万份(ppm)至小于1000ppm)，超级电容器210可以在整个温度范围内有效地运行，在该温度范围和电压范围内具有低于1000毫安/升的泄漏电流(I/L)。
在一个实施方案中，通过使超级电容器210的电压保持恒定在额定电压(即，最大额定工作电压)下七十二(72)小时来测量在特定温度下的泄漏电流(I/L)。在此期间，温度保持在特定温度下相对恒定。在测量区间结束时测量超级电容器210的泄漏电流。
在一些实施方案中，在室温下超级电容器210的最大电压额定值为约4V。在升高的温度下(例如，超过210摄氏度)确保超级电容器210的性能的方法为降低(即，减小)超级电容器210的电压额定值。例如，电压额定值可以调整为低至约0.5V，以使可以获得在较高温度下延长的操作持续时间。
另一个用于确保高纯净度的实施方案包括用于提纯电解质206的示例性方法。应注意，虽然该方法以特定参数(例如量、制剂、时间等)表示，但是该表示只是用于提纯电解质的方法的示例和说明，并不对其进行限制。
在用于提纯电解质的方法的第一步，将电解质206(在一些实施方案中为离子液体)与去离子水混合，然后升高至适中的温度，保持一段时间。在概念验证中，将五十(50)毫升(ml)的离子液体与八百五十(850)毫升(ml)的去离子水混合。将该混合物升高至六十(60)摄氏度的恒定温度，保持约十二(12)小时，并进行不断搅拌(约一百二十(120)转/分钟(rpm))。
在第二步骤中，使离子液体与去离子水的混合物分离。在该实施例中，通过漏斗转移该混合物，然后使该混合物静置约四(4)小时。
在第三步骤中，收集离子液体。在该实施例中，混合物的水相位于底部，离子液体相位于顶部。将离子液体相转移到另一个烧杯中。
在第四步骤中，将溶剂与离子液体混合。在该实施例中，将体积为约二十五(25)毫升(ml)的乙酸乙酯与离子液体混合。再将该混合物升高至适中的温度并搅拌一段时间。
虽然使用乙酸乙酯作为溶剂，但是溶剂可以是以下物质中的至少之一：***、异戊烯炔(pentone)、环异戊烯炔(cyclopentone)、己烷、环己烷、苯、甲苯、1-4-二氧六环、氯仿或其任意组合以及表现出适当性能特性的其他一种或更多种材料。一些期望的性能特性包括非极性溶剂的那些以及高度挥发性。
在第五步骤中，向离子液体与溶剂的混合物中添加碳粉。在该实施例中，向混合物中添加约二十(20)重量百分比(wt％)的碳(约0.45微米直径)。
在第六步骤中，再次混合离子液体。在该实施例中，然后在约七十(70)摄氏度对具有碳粉的混合物进行不断搅拌(120rpm)过夜。
在第七步骤中，使碳和乙酸乙酯分离于离子液体。在该实施例中，采用具有玻璃微纤维过滤器的布氏漏斗来分离碳。进行多次过滤(3次)。然后，使所收集的离子液体通过0.2微米注射器式过滤器以基本上除去所有碳颗粒。在该实施例中，然后通过采用旋转蒸发来将溶剂与离子液体分离。具体地，搅拌离子液体的样品，同时将温度从七十(70)摄氏度升高至八十(80)摄氏度，并且最终为一百(100)摄氏度。在各个温度中的每个温度下，将蒸发进行约十五(15)分钟。
已证实用于提纯电解质的方法非常有效。对于样品离子液体，用由俄亥俄州哥伦布市(Columbus，Ohio)的Mettler-Toledo Inc.提供的滴定仪(型号：AQC22)，通过滴定来测量水含量。用由罗德岛州文索基特市(Woonsocket，Rhode Island)的Hanna Instruments提供的ISE仪(型号：AQC22)测量卤素含量。用于ISE仪的标准溶液得自Hanna，并且包括HI4007-03(1000ppm氯标准)、HI4010-03(1000ppm氟标准)、HI4000-00(用于卤素电极的ISA)以及HI4010-00(仅用于氟电极的TISAB溶液)。在进行测量之前，用与去离子水中混合的使用0.1、10、100和1000份/百万份(ppm)的标准品的标准溶液校正ISE仪。以1∶50的比例向标准品中添加ISA缓冲剂以测量Cl-离子。结果示于表2中。
表2
电解质的纯化数据
杂质 之前(ppm) 之后(ppm)
Cl- 5300.90 769
F- 75.61 10.61
H2O 1080 20
采用四步法工艺来测量卤离子。首先，在去离子水中测量Cl-离子和F-离子。接着，用去离子水制备0.01M的离子液体溶液。然后，在溶液中测量Cl-离子和F-离子。然后，通过用溶液中离子的量减去水中离子的量来确定卤素含量的评估。
作为概述，提供了组装圆柱形状的超级电容器210的方法。以电极203开始，一旦将能量存储介质201与集电器202相连，即制造了每个电极203。然后在适当的位置处将多根引线耦接至每个电极203。然后定向多个电极203并用合适数目的隔离器205组装于其间以形成存储单元212。然后，可将存储单元212卷成圆柱体，并用包装材料固定。一般而言，然后捆绑引线中相应的引线以形成各端子208。
在将电解质206结合到超级电容器210之前(例如，在组装存储单元212之前或之后)，可以干燥超级电容器210的各个部件以除去水分。这可以对未组装的部件(即，空壳体207以及每个电极203和每个隔离器205)进行，然后对经组装的部件(例如存储单元212)进行。
干燥可以例如在真空环境中在升高的温度下进行。一旦进行了干燥，然后即可将存储单元212封装在壳体207中，而不最终密封或加盖。在一些实施方案中，在具有低于50份/百万份(ppm)的水的气氛中进行封装。然后可再次干燥未加盖的超级电容器210。例如，可以在约100摄氏度至约300摄氏度的温度范围在真空下干燥超级电容器210。一旦完成该最终干燥，即可将壳体207密封在例如具有低于50ppm的水分的气氛中。
在一些实施方案中，一旦完成了干燥过程(也可将其称为“烘烤”过程)，即可用惰性气体填充部件周围的环境。示例性气体包括氩、氮、氦以及表现出类似性能的其他气体(及其组合)。
一般而言，填充端口(壳体207表面中的穿孔)包括在壳体207中，或者可以后来添加。一旦超级电容器210已填充有电解质206，填充端口即可闭合。闭合填充端口可以例如通过将材料(例如，与壳体207相容的金属)焊接入填充端口或焊接在填充端口之上来完成。在一些实施方案中，填充端口可以在填充之前暂时闭合，使得可以将超级电容器210移到另一环境中，用于后续再开放、填充和闭合。但是，如本文所讨论的，认为在相同的环境中干燥和填充超级电容器210。
可以使用许多方法来用期望量的电解质206填充壳体207。一般而言，控制填充工艺可以提供电容的提高、等效串联电阻(ESR)的降低、电解质206的有限浪费等。提供了真空填充方法作为用于用电解质206填充壳体207和润湿存储单元212的技术的一个非限制性实例。
然而，首先注意可以进行测量以确保可能污染超级电容器210的部件的任何材料都是干净的、可相容的和干燥的。作为惯例，可以认为实行“良好的卫生”以确保组装过程和部件不向超级电容器210中引入污染物。此外，作为惯例，可以认为，如果引入“污染物”的话，“污染物”可以被定义为将不利地影响超级电容器210的性能的任何非期望的材料。还注意，在本文中一般而言，污染物可以以浓度来评估，例如以份数/百万份(ppm)。浓度可以采用按重量计、按体积计、按样品重量计或在确定合适时以任意其他方式计。
在“真空法”中，将容器布置在壳体207上填充端口周围。然后将一定量的电解质206在基本上不含氧和水(即，水分)的环境中放置在容器中。然后在该环境中抽真空，从而从壳体抽出任何空气，并从而同时将电解质206抽入壳体207中。然后如果需要的话，可以用惰性气体(例如氩、氮等，或惰性气体的一些组合)再填充周围环境。可以检查超级电容器210以查看是否抽入了期望量的电解质206。可以根据需要重复该过程，直至期望量的电解质206在超级电容器210中。
在一些实施方案中，在填充电解质206之后，可以使材料配合至填充端口以密封超级电容器210。例如，该材料可以是与壳体207和电解质206相容的金属。在一个实施例中，将材料压配合(force fit)入填充端口，在填充端口中主要进行塞子的“冷焊”。当然，如本文中进一步讨论的，压配合可以辅以其他焊接技术。
为了示出填充方法如何影响超级电容器210，构建了超级电容器210的两个类似的实施方案。一个是在非真空下填充，另一个是在真空下填充。表3中提供了两个实施方案的电性能。通过重复进行这样的测量，注意到了通过施加真空来填充超级电容器210实现了改进的性能。已确定，一般而言，期望壳体207内的压力降低至低于约150毫托，更特别地降低至低于约40毫托。
表3
填充方法的比较性能
参数(在0.1V时) 在非真空下 在真空下 偏差
ESR45°Φ 3.569欧姆 2.568欧姆 (-28％)
电容12mHz 155.87mF 182.3mF (+14.49％)
相12mHz 79.19度 83度 (+4.59％)
为了评价真空填充技术的功效，对两种不同的袋状单元(pouch cell)进行测试。所述袋状单元包括两个电极203，每个电极203基于含碳材料。每个电极203相对布置并且彼此面对。隔离器205配置在所述电极203之间以防止短路，并且将一切都浸入电解质206中。使用两个外部接片来提供四个测量点。所用隔离器205是聚乙烯隔离器205，所述单元的总体积为约0.468ml。这导致初始泄漏电流显著降低，并且在测量间隔的后面部分的泄漏电流降低。
泄漏电流可以以多种方式来确定。定性地，一旦装置达到了平衡态，即可认为泄漏电流为引入装置中的电流。实际上，总是或几乎总是需要估计作为一般仅可渐进地逼近的平衡态的实际泄漏电流。因此，可以通过测量引入超级电容器210的电流来估计给定测量中的泄漏电流，同时超级电容器210维持在基本固定的电压并且暴露于基本固定的环境温度，保持相对长的一段时间。在一些情况下，相对长的时间段可以通过估计作为指数函数的电流时间函数，然后使得通过若干(例如，约3至5个)特性时间常数来确定。往往对于许多超级电容器技术而言，这样的持续时间为约50小时至约100小时。或者，如果这样的长时间段出于任何原因不可行，则可能可以通过估计作为指数函数的电流时间函数或认为合适的任何近似函数来简单地再次推算泄漏电流。值得注意的是，泄漏电流将一般地取决于环境温度。因此，为了表征装置在一定温度下或在一定温度范围中的性能，通常重要的是在测量泄漏电流时将装置暴露于目的环境温度。
现在参照图10，其中示出了示例性壳体207的一些方面。壳体207为超级电容器210提供结构和物理保护等。在该实施例中，壳体207包括环形圆柱状形状的本体220和补充的盖224。在该实施方案中，盖224包括已被移去并且填充有电绝缘体226的中央部分。盖馈通件219贯穿电绝缘体226从而为使用者提供所储存的能量。
用于壳体207的常见材料包括不锈钢、铝、钽、钛、镍、铜、锡、各种合金、层合材料等。结构材料例如一些基于聚合物的材料可用在壳体207(一般与至少一些金属成分组合)中。
虽然该实施例描述了盖224上的仅一个馈通件219，但是应认识到，壳体207的构造不限于本文所讨论的实施方案。例如，盖224可以包括多个馈通件219。在一些实施方案中，本体220包括在环形圆柱体的相对端处的第二相似盖224。此外，应认识到，壳体207不限于具有环形圆柱状形状本体220的实施方案。例如，壳体207可以为翻盖式设计、棱柱状设计、袋或适合设计者、制造者或使用者的需要的任何其他设计。
在该实施例中，盖224制造有设计为与本体220的内径紧密地配合的外径。在组装时，可以将盖224焊接入本体220，从而为使用者提供气密密封。
现在参照图11，其示出了示例性能量存储单元212。在该实施例中，能量存储单元212是“胶状卷”型能量存储器。在这些实施方案中，能量储存材料卷起成为紧密的封装件。多根引线一般地形成每个端子208，并且提供能量存储单元212的合适的层的电连接。一般而言，在组装时，每个端子208电耦接至壳体207(例如电耦接至各馈通件219和/或直接电耦接至壳体207)。能量存储单元212可采取多种形式。一般有至少两组多根引线(例如，端子208)，每个集电器202使用一组。为了简单起见，本文中举例说明的许多实施方案只示出了端子208之一。
期望壳体207的高效密封。也就是说，防止外部环境(例如，空气、水分等)的侵入有助于维持能量存储单元212的部件的纯净。此外，其防止电解质206从能量存储单元212泄漏。
现在参照图12，壳体207可以包括内部阻隔物230。在一些实施方案中，阻隔物230是涂层。在该实施例中，阻隔物230由聚四氟乙烯(PTFE)形成。聚四氟乙烯(PTFE)表现出各种使该组成良好地适合于阻隔物30的性质。PTFE的熔点为约327摄氏度，具有优异的介电性质，摩擦系数为约0.05至0.10(这在任何已知固体材料中第三低)，具有高耐蚀性以及其他有益的性质。一般而言，盖224的内部部分可以包括配置于其上的阻隔物230。
其他材料也可用于阻隔物230。这些其他材料由陶瓷(任何可适于应用并满足性能标准的陶瓷类型)、其他聚合物(优选高温聚合物)等形成。示例性的其他聚合物包括全氟烷氧基(PFA)和氟化乙烯丙烯聚合物(FEP)以及乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)。
阻隔物230可以包括提供减少能量存储单元212与壳体207或壳体207的部件之间的电化学类型或其他类型的反应的任意材料或材料的组合。在一些实施方案中，该组合体现为单层中不同材料的均匀分散体。在另外的实施方案中，组合体现为多个层中的不同材料。可以使用其他组合。简言之，阻隔物230可视为电绝缘体和化学惰性(即表现出低反应性)中的至少之一，并因此，显著抵抗或阻止存储单元212与壳体207之间的电相互作用和化学相互作用中的至少之一。在一些实施方案中，术语“低反应性”和“低化学反应性”一般指低于利益方的关注水平的化学相互作用速率。
一般而言，壳体207的内部可以容纳阻隔物230，使得覆盖壳体207的暴露于内部的所有表面。至少一个未经处理区域231可包括在本体220中并且在盖224的外表面236上(参见图13A)。在一些实施方案中，可以包括未经处理的区域231(参见图13B)以满足组装需求，例如将被密封或连接(例如通过焊接)的区域。
阻隔物230可以使用常规技术施用于内部部分。例如，在PTFE的情况下，可以通过将阻隔物230作为涂料涂或喷到内部表面上来施用阻隔物230。可以使用掩模作为确保未经处理区域231保留期望完整性的方法的一部分。简言之，可以采用多种技术来提供阻隔物230。
在一个示例性实施方案中，阻隔物230的厚度为约3密耳至约5密耳，而用于阻隔物230的材料为基于PFA的材料。在该实施例中，用于接受构成阻隔物230的材料的表面例如用氧化铝以喷砂处理来制备。一旦将表面清洁，首先作为液体然后作为粉末来施用材料。通过热处理工艺来固化该材料。在一些实施方案中，加热循环为在约370摄氏度的温度下约10分钟至约15分钟的持续时间。这导致对于基本不包含针孔大小或更小的缺陷的阻隔物230的连续抛光。图14描绘了根据本文教导的超级电容器210的实施方案的组装。在该实施方案中，超级电容器210包括：包含阻隔物230配置于其中的本体220；具有阻隔物230配置于其中的盖224；以及能量存储单元212。在组装期间，将盖224设置在本体220之上。第一个端子208电耦接至盖馈通件219，同时将第二个端子208通常在盖224的底部、侧部或之上电耦接至壳体207。在一些实施方案中，第二个端子208耦接至另一个馈通件219(例如，相对的盖224)。
利用配置在壳体207的内部表面上的阻隔物230，壳体207与电解质之间的电化学反应以及其他反应大大减少或基本消除。这在化学反应以及其他反应的速率通常升高的较高温度下特别明显。
现在参照图15，示出了超级电容器210相比于其他等同超级电容器的相对性能。在图15A中，示出了超级电容器210的现有技术实施方案的泄漏电流。在图15B中，示出了包括阻隔物230的等同超级电容器210的泄漏电流。在图15B中，超级电容器210与其泄漏电流示于图15A中的超级电容器电等同。在两种情况下，壳体207是不锈钢，并且施加到所述单元的电压为1.75伏，并且电解质未经纯化。温度保持恒定的150摄氏度。特别地，图15B中的泄漏电流示出比较低的初始值并且未随时间显著升高，而图15A中的泄漏电流示出比较高的初始值以及随时间显著升高。
一般而言，阻隔物230在能量存储单元212与壳体207之间提供合适厚度的合适材料。阻隔物230可包括均匀混合物、不均匀混合物和/或至少一层材料。阻隔物230可以提供完全覆盖(即，提供壳体除电极接头外的内部表面积的覆盖)或部分覆盖。在一些实施方案中，阻隔物230由多种组分形成。例如，考虑下文示出和图16中所示的实施方案。
参照图16，示出了其他实施方案的各方面。在一些实施方案中，能量存储单元212配置在包封物233中。也就是说，能量存储单元212具有配置在其上，包装在其上方，或者一旦组装即通过其他方法施用以将能量存储单元212与壳体207隔开的阻隔物230。包封物233可以在将能量存储单元212封装入壳体207中之前良好地施用。因此，包封物233的使用可存在某些优点，例如对于制造者。(注意，包封物233出于说明的目的示出为松散地配置在能量存储单元212上)。
在一些实施方案中，包封物233与涂层联合使用，其中涂层配置在内部表面的至少一部分上。例如，在一个实施方案中，涂层只配置在壳体207内部的包封物233可至少部分地受损(例如为突起端子208)的区域中。包封物233与涂层一起形成有效阻隔物230。
因此，阻隔物230的结合可提供表现出与现有技术相比具有比较低的初始值的泄漏电流并且泄漏电流随时间基本上较缓慢增加的超级电容器。显著地，当超级电容器暴露于这样的环境温度时超级电容器的泄漏电流仍然在实用水平(即，期望地低)，现有技术的电容器在该环境温度下将表现过于大的初始泄漏电流值和/或泄漏电流随时间过于快速的升高。
作为惯例，术语“泄漏电流”一般是指在给定时间段之后测量的电容器所引入的电流。该测量在电容器端子保持在基本固定的电势差(端电压)时进行。在评估泄漏电流时，典型的时间段为七十二(72)小时，但也可以使用不同的时间段。注意，现有技术电容器的泄漏电流一般随能量存储介质的体积和表面积的增加并伴随壳体的内表面积的增加而升高。一般而言，认为升高的泄漏电流表示超级电容器210中逐渐升高的反应速率。泄漏电流的性能要求一般由特定应用中普遍的环境条件定义。例如，就体积为20mL的超级电容器210而言，泄漏电流的实际限制可降至低于100mA。
由此描述了阻隔物230的实施方案及其许多个方面，应认识到，超级电容器210可表现出由壳体207与能量存储介质201之间减少的反应导致的其他益处。例如，超级电容器210的有效串联电阻(ESR)可随时间表现比较低的值。此外，在现有技术电容器中发生非期望的化学反应常产生非期望的效果例如放气，或者在气密地密封壳体的情况下壳体的鼓胀。在两种情况下，这导致壳体的结构完整性和/或电容器的气密密封受损。最终，这可导致现有技术电容器的泄漏或灾难性故障。在一些实施方案中，这些结果可以通过所公开的阻隔物230的使用来显著降低或消除。
应认识到，术语“阻隔物”和“涂层”不限于本文的教导。也就是说，可以使用任意用于将合适的材料施用于壳体207、本体220和/或盖224的内部的技术。例如，在另一些实施方案中，将阻隔物230实际上制造到构成壳体本体220的材料之内或之上，然后在适当时对该材料进行加工或成形以形成壳体207的各个部件。当考虑用于施加阻隔物230的许多可能技术中的一些时，可以等同合适地通过滚上(roll on)、溅射、烧结、层合、印刷或者通过其他方法施用所述一种或更多种材料。简言之，阻隔物230可以采用制造者、设计者和/或使用者认为合适的任何技术来施用。
用在阻隔物230中的材料可以根据例如以下性质来选择：反应性、介电值、熔点、与壳体207的材料的粘附、摩擦系数、成本以及其他这样的因素。可以使用材料的组合(例如分层的、混合的、或者通过其他方式组合的)来提供期望的性质。
在一些实施方案中，使用增强的壳体207(例如具有阻隔物230的壳体207)，限制电解质206的劣化。虽然阻隔物230示出一种用于提供增强的壳体207的技术，但是也可以采用其他技术。例如，由于在电解质206的存在下铝的电化学性质，所以使用由铝制造的壳体207是有利的。但是，考虑到铝的制造上的困难，一直未能(迄今为止)构造利用铝的壳体207的实施方案。
壳体207的另外的实施方案包括铝存在于可暴露于电解质的所有内部表面的那些实施方案，同时为使用者提供焊接和气密密封壳体的能力。超级电容器210的改善的性能可以通过减少的内部腐蚀、与传导介质中不同金属的使用相关的问题的减少以及其他原因来实现。有利地，壳体7利用现有技术，这样可得到包括玻璃-金属密封件的电极插件(并且可以包括由不锈钢、钽或其他有利材料和组分制造的那些)，因此可以经济地制造。
虽然在本文中作为适于超级电容器10的壳体207的实施方案公开，但是这些实施方案(如具有阻隔物230的情况)可与任何类型的认为合适的能量存储器一起使用，并且可以包括任意类型的可行技术。例如，可以使用其他形式的能量存储器，包括电化学电池，特别是锂基电池。
在一些实施方案中，用于构造本体220的材料包括铝，其可包括由设计者或制造者认为合适的任意类型的铝或铝合金(全部这些在本文中广义地简单称为“铝”)。可以将各种合金、层合剂等配置在铝(暴露到本体220的内部的铝)之上(例如，包覆铝)。可以使用其他材料(例如结构材料或电绝缘材料，例如一些基于聚合物的材料)来补充本体和/或壳体207。配置在铝上方的材料同样可以通过设计者或制造者认为合适的来选择。
一般而言，暴露到壳体207内部的一种或更多种材料在暴露于电解质206时表现出足够低的反应性，因此仅仅是说明性的一些实施方案而不限制本文的教导。
虽然该实施例描述了盖224上的仅一个馈通件219，但是应认识到，壳体207的构造不限于本文所讨论的实施方案。例如，盖224可以包括多个馈通件219。在一些实施方案中，本体220包括环形圆柱体相反端的第二类似的盖224。还应认识到，壳体207不限于具有环形圆柱状形状的本体220的实施方案。例如，壳体207可以为翻盖设计、棱柱状设计、袋或任何适于设计者、制造者或使用者的需要的其他设计。
期望壳体207的高效密封。也就是说，防止外部环境(例如空气、水分等)的侵入有助于维持能量存储单元212的部件的纯净。此外，其防止电解质206从能量存储单元212泄漏。
现在参照图17，示出了盖224的坯件234的实施方案的各方面。在图17A中，坯件234包括多层材料。第一材料层241是铝。第二材料层242是不锈钢。在图17的实施方案中，不锈钢包覆到铝上，从而提供表现出期望的冶金性能组合的材料。也就是说，在本文提供的一些实施方案中，铝暴露于能量存储单元(即，壳体)的内部，而不锈钢暴露于外部。以这种方式，享有铝的有利电性质，同时依赖不锈钢的结构性质(冶金学性质，即，可焊接性)来构造。在认为适当时，多层材料可以包括额外的层。
如上文所提到的，第一材料层241包覆到第二材料层242上(或第一材料层241包覆有第二材料层242)。本文中使用的术语“包覆”、“熔覆”等是指不同金属接合在一起。包覆常通过将两种金属通过模具挤出以及在高压下将片压制或卷在一起来实现。可以使用其他方法，例如激光熔覆。结果是由多层构成的材料的片，其中多层材料接合在一起使得材料可以作为单片(例如，形成为均匀材料单片)一起工作。
仍参照图17A，在一个实施方案中，使用扁平材料(如所示)的片来提供坯件234以生产扁平的盖224。可以移除第二材料层242的一部分(例如围绕盖224的周围)以有助于盖224附接至本体220。在图17B中，示出了坯件234的另一个实施方案。在该实施例中，坯件234设置为形成为凹构造的包覆材料片。在图17C中，坯件234设置为形成为凸构造的包覆材料片。由坯件234的各种实施方案(例如图17中示出的那些)制造的盖224配置成支持焊接至壳体207的本体220。更具体地，图17B的实施方案适于装配在本体220的内径中，而图17C的实施方案适于装配在本体220外径的上方。在许多个替选实施方案中，片中包覆材料的层可以颠倒。
在组装时，可以将盖224焊接至本体220，从而为使用者提供气密密封件。示例性焊接技术包括激光焊接和TIG焊接，并且可以包括其他形式的认为合适的焊接。
现在参照图18，示出了电极组件250的一个实施方案。电极组件250设计为安装在坯件234中，并且提供从能量存储介质到使用者的电连通。一般而言，电极组件250包括套筒251。套筒251围绕绝缘件226，绝缘件226进而围绕馈通件219。在该实施例中，套筒251是具有带凸缘顶部的环状圆柱体。
为了组装盖224，在坯件234中制造穿孔(未示出)。穿孔具有大小匹配电极组件250的几何形状。因此，电极组件250***坯件234的穿孔中。一旦***电极组件250，电极组件250即可通过技术例如焊接贴至坯件234。焊接可以是激光焊接，其围绕焊接套筒251的凸缘的周围焊接。参照图29，示出了进行焊接的点261。在该实施方案中，点261提供用于焊接不锈钢至不锈钢的合适位置这种相对简单的焊接工艺。因此，本文中的教导提供将电极组件250牢固地焊接至坯件234上的位置。
用于构造套筒251的材料可包括各种类型的金属或金属合金。一般而言，用于套筒251的材料根据例如结构完整性和可接合性(至坯件234)来选择。用于套筒251的示例性材料包括304不锈钢或316不锈钢。用于构造馈通件219的材料可包括各种类型的金属或金属合金。一般而言，用于馈通件219的材料根据例如结构完整性和电导率来选择。用于电极的示例性材料包括446不锈钢或52合金。
一般而言，绝缘件226通过已知技术(即，玻璃-金属接合)接合至套筒251和馈通件219。用于构造绝缘件226的材料可包括但不限于各种类型的玻璃，包括高温玻璃、陶瓷玻璃或陶瓷材料。一般而言，用于绝缘件的材料根据例如结构完整性和电阻(即，电绝缘性能)来选择。
依赖于玻璃-金属接合的部件(例如，电极组件250的前述实施方案)的使用以及各种焊接技术的使用提供能量存储器的气密密封。还可使用其他部件来提供气密密封。本文中使用的术语“气密密封”一般是指表现出不大于本文所定义的泄漏速率的密封。但是认为实际密封效率可优于该标准进行。
用于将电极组件250耦接至坯件234的额外的或其他的技术包括在认为这样的技术适当时在套筒251的凸缘下方(凸缘与第二材料层242之间)使用接合剂。
现在参照图20，能量存储单元212配置在本体220中。合适地耦接至少一个端子208(例如至馈通件219)，并且盖224与本体220匹配以设置超级电容器210。
一旦组装，盖224与本体220即可密封。图21描绘了经组装的能量存储器(在这种情况下，超级电容器210)的各种实施方案。在图21A中，使用扁平的坯件234(参见图17A)来生产扁平的盖224。一旦盖224设置在本体220上，即焊接盖224与本体220以生产密封件262。在这种情况下，因为本体220是环状圆柱体，所以焊接在本体220与盖224的周围进行以提供密封件262。在第二实施方案中，如图21B所示，使用凹坯件234(参见图17B)来产生凹盖224。一旦将盖224设置在本体220上，即焊接盖224和本体220以生产密封件262。在第三实施方案中，如图21C所示，使用凸坯件234(参见图17C)来生产凸盖224。一旦将盖224设置在本体220上，即可焊接盖224与本体220以生产密封件262。
在适当时，可以移除包覆材料(通过技术例如加工或蚀刻等)以暴露多层材料中的其他金属。因此，在一些实施方案中，密封件62可以包括铝-铝焊接件。铝-铝焊接件可以在适当时辅以其他紧固件。
可以使用其他技术来密封壳体207。例如，可以使用激光焊接、TIG焊接、电阻焊接、超声焊接和其他形式的机械密封。然而，应注意，一般而言，单独的传统形式的机械密封不足以提供超级电容器210中提供的稳固的气密密封。
在一些实施方案中，多层材料用于内部部件。例如，铝可以包覆有不锈钢以提供至少一个端子208中的多层材料。在这些实施方案中的一些中，可以移除一部分铝以暴露不锈钢。然后暴露的不锈钢可用于通过使用简单的焊接方法来将端子208附接至馈通件219。
使用用于内部部件的包覆材料可要求包覆材料的特定实施方案。例如，可能有益的是使用包括铝(底层)、不锈钢和/或钽(中间层)和铝(顶层)的包覆材料，从而其限制不锈钢暴露于超级电容器210的内部环境。这些实施方案可以通过例如利用聚合材料例如PTFE的额外的涂覆来改进。
一般而言，壳体的组装常涉及将存储单元212布置在本体220中并用电解质206填充本体220。可以进行干燥过程。示例性干燥包括通常在减压(例如，真空)下，加热具有存储单元212和其中的电解质206的本体220。一旦进行了充分(任选的)干燥，即可进行最终组装步骤。在最终步骤中，制造内部电连接，安装盖224，并且通过例如焊接盖224至本体220来使盖224气密地密封本体220。
因此，提供利用多层材料的壳体207设置了能量存储器，所述能量存储器表现出与现有技术相比具有相对低的初始值的泄漏电流并且泄漏电流随时间明显较慢地升高。显著地，在超级电容器210暴露于环境温度时，能量存储器的泄漏电流仍然在实用(即，期望地低)水平，现有技术电容器在所述环境温度下将表现出过大的初始泄漏电流值和/或泄漏电流随时间过快增加。
此外，超级电容器210可表现出由壳体207与能量存储单元212之间减少的反应导致的其他益处。例如，能量存储器的有效串联电阻(ESR)可表现出随时间比较低的值。此外，发生在现有技术电容器中的非期望的化学反应常产生非期望的结果例如放气或在气密地密封壳体的情况下壳体207的鼓胀。在两种情况下，这导致壳体207的结构完整性和/或能量存储器的气密密封受损。最终，这可导致现有技术电容器的泄漏或灾难性故障。这些效果可通过所公开阻隔物的施用而显著降低或消除。
因此，使用者现在提供有壳体207用于能量储存，其中壳体207的显著部分多至所有内部表面为铝(并且可以包括如下文所述的非干扰材料)。因此，避免了内部腐蚀问题，并且在选择用于电解质206的合适材料方面为设计者提供了更大的灵活度。
通过使用多层材料(例如，包覆材料)，可以将不锈钢结合到壳体207中，因此可以使用具有玻璃-金属密封件的部件。所述部件可以使用技术例如激光或电阻焊接来焊接至包覆材料的不锈钢侧，而包覆材料的铝侧可焊接至其他铝部件(例如，本体220)。
在一些实施方案中，绝缘聚合物可用于壳体207的涂覆部分。以该方式，可以确保能量存储器的部件只暴露于可接受类型的金属(例如铝)。示例性绝缘聚合物包括PFA、FEP、TFE和PTFE。合适的聚合物(或其他材料)仅受***设计者或制造者的需要以及各材料的性质的限制。可以参照图22，其中包括少量的绝缘材料239以限制电解质206暴露至套筒251和馈通件219的不锈钢。在该实施例中，端子208耦接至馈通件219，例如通过焊接，然后用绝缘材料239涂覆。
现在参照图23，其中描绘了组装盖224的另一个实施方案的各方面。图23A描绘了用于提供盖224的本体的模板(即，坯件234)。该模板的大小一般匹配适当类型的能量存储单元(例如超级电容器210)的壳体207。盖224可以通过以下步骤来形成：最初提供模板形成模板，其包括模板中的圆顶237(示于图23B中)，然后对圆顶237进行穿孔以提供通道232(示于图23C)中。当然，可以压制或通过其他方法制造坯件234(例如，环形储存件)使得同时提供前述特征。
一般而言并且考虑到这些实施方案，盖可以由铝或其合金形成。然而，盖可以由制造者、使用者、设计者等认为合适的任意材料形成。例如，盖224可以由钢制成并钝化(即，涂覆有惰性涂层)或者通过其他方法制备用于壳体207。
现在参照图24，示出了电极组件250的另一个实施方案。在这些实施方案中，电极组件250包括馈通件219和配置在馈通件219周围的半球形状的材料。所述半球形状的材料用作绝缘件226，并且一般成形为符合圆顶237。半球形绝缘件226可以由任何合适的材料制成以提供气密密封同时耐受电解质206的化学影响。示例性材料包括PFA(全氟烷氧基聚合物)、FEP(氟化乙烯丙烯聚合物)、PVF(聚氟乙烯)、TFE(四氟乙烯)、CTFE(三氟氯乙烯)、PCTFE(聚三氟氯乙烯)、ETFE(聚乙烯四氟乙烯)、ECTFE(聚乙烯-三氟氯乙烯)、PTFE(聚四氟乙烯)、另一种基于含氟聚合物的材料以及任何其他可以显示出类似性质(以不同程度)和提供令人满意的性能(例如在高温下等条件下，表现出高耐溶剂性、耐酸性和耐碱性以及低成本)的材料。
馈通件219可以由铝或其合金形成。然而，馈通件219可以由制造者、使用者、设计者等认为合适的任意材料形成。例如，馈通件219可以由钢制成并钝化(即，涂覆有例如硅的惰性涂层)或者通过其他方法制备用在电极组件250中。用于钝化的示例性技术包括将氢化的无定形硅涂层沉积在衬底的表面上并且通过在压力和升高的温度下将衬底暴露于具有至少一个不饱和烃基的粘合剂一段有效的时间长度来官能化所涂覆的衬底。通过在压力和升高的温度下将衬底暴露于氢化硅气体一段有效的时间长度来沉积氢化的无定形硅涂层。
半球形绝缘件226的大小可以相对于圆顶237设计为使得在组装进盖224时实现紧密配合(即，气密密封)。半球形绝缘件226无需完美地对称或者具有经典的半球比例。也就是说，半球形绝缘件226基本上是半球形的，并且可以在认为适当时包括例如比例、适中的凸缘(例如底座处)以及其他特征的微调。半球形绝缘件226一般由均一的材料形成，但是，这不是必要条件。例如，半球形绝缘件226可以包括填充在其中的圆环面(未示出)中的空气或气体，以提供期望的膨胀或可压缩性。
如图25所示，电极组件250可以***模板(即，所形成的坯件234)中以提供包括半球形气密密封件的盖224的一个实施方案。
如图26所示，在许多个实施方案中，保持件243可以接合或者通过其他方法匹配盖224的底部(即，盖224面向壳体207的内部并且面向能量存储单元212的部分)。保持件243可以通过多种技术例如铝焊接(例如激光、超声等)接合至盖224。其他技术可用于接合，包括例如冲压(即，机械接合)和钎焊。接合可以例如沿着保持件243的周长发生。一般而言，对至少一个接合点提供接合以产生期望的密封件271。可以使用至少一个紧固件(例如多个铆钉)来将绝缘件226密封在保持件243中。
在图26的实施例中，盖224为凹形设计(参见图17B)。然而，也可以使用其他设计。例如，可以提供凸盖224(图17C)，还可使用上方盖224(图17C的实施方案的变化方案，其配置为按照图21C所描绘的安装)。
在一些实施方案中，壳体207和盖224中至少之一包括含有多个层的材料。例如，第一材料层可包括铝，第二材料层为不锈钢。在该实施例中，不锈钢包覆到铝上，从而提供表现出期望的冶金性质的组合的材料。也就是说，在本文所提供的实施方案中，铝暴露于能量存储单元(即，壳体)的内部，而不锈钢暴露于外部。以这种方式，享有铝的有利电性质，同时依赖于不锈钢的结构性质(和冶金性质，即可焊接性)来构造。在认为适当时，多层材料可包括额外的层。有利地，这提供将不锈钢焊接至不锈钢这种相对简单的焊接工艺。
用于盖以及馈通件219的材料可以考虑半球形绝缘件226的热膨胀来选择。此外，还可以设计制造技术以考虑热膨胀。例如，在组装盖224时，制造者可以向半球形绝缘件226施加压力，从而至少在某种程度上压缩半球形绝缘件226。以这种方式，提供盖224的至少一些热膨胀而不损害气密密封的效果。
用于构造本体220的材料包括铝、设计者或制造者认为合适的任意类型的铝或铝合金(其全部在本文中广义地简称为“铝”)。可以将各种合金、层合体等设置(例如，包覆)在铝(暴露于本体220内部的铝)之上。可以使用额外的材料(例如结构材料或电绝缘材料，例如一些基于聚合物的材料)来补充本体和/或壳体207。配置在铝之上的材料同样可通过设计者或制造者认为合适的来选择。
铝的使用不是必然的或必需的。简言之，可以提供材料的选择以使用设计者、制造者或使用者等认为合适的任何材料。可以考虑多种因素，例如与电解质206的电化学相互作用的减少、结构性质、成本等。
现在更详细地讨论存储单元212。参照图27，其中提供了超级电容器210的剖视图。在该实施例中，存储单元212***并容纳在本体220中。每组多根引线绑在一起并且耦接至壳体207作为端子208之一。在一些实施方案中，多根引线耦接至本体220的底部(在内部)，从而将本体220变成负电接头255。同样，另一组多根引线绑在一起并耦接至馈通件219，以提供正电接头256。通过电绝缘件226来保持负电接头255与正电接头256之间的电隔离。一般而言，引线的耦接通过焊接来实现，例如激光和超声焊接中的至少之一。当然，可以在认为适当时使用其他技术。
应认识到，需要牢固的组装技术来提供高效的能量存储器。因此，现在讨论用于组装的一些技术。
现在参照图28，示出了示例性电极203的部件。在该实施例中，电极203将用作负电极203(但是，该指定是随意的并且只用于参考)。
如从说明中可注意到的，至少在该实施方案中，隔离器205一般比能量存储介质201(和集电器202)的长度更长并且宽度更宽。通过使用较大的隔离器205，提供了预防负电极203与正电极203的短路的保护。隔离器205中附加材料的使用还为引线和端子208提供了更好的电保护。
现在参照图29，其提供存储单元212的一个实施方案的侧视图。在该实施例中，分层堆叠的能量存储介质201包括第一隔离器205和第二隔离器205，使得电极203在存储单元212组装成卷制的存储单元223时电隔离。应注意，就电极203和超级电容器210的组件而言，术语“正”和“负”只是任意的，并且在配置在超级电容器210中并且在其中存储电荷时参考了功能性。通常适用于本领域的该惯例并不意味着在组装之前电荷已储存，或者意味着除提供不同电极的物理上的辨识以外的任何其他方面。
在卷绕存储单元212之前，将负电极203和正电极203相对于彼此对齐。电极203的对齐为超级电容器210提供了更佳性能，这是因为在具有最高对齐程度时，用于离子传输的路径长度一般最小。此外，通过提供高的对齐程度，不将过大的隔离器205包括在内，并因此超级电容器210的效率不受损。
现在参照图30，示出了存储单元212的一个实施方案，其中电极203卷成卷制的存储单元223。隔离器205之一作为存储单元212的最外层存在并且将能量存储介质201与壳体207的内部分隔开。
可以采用“极性匹配”来匹配卷制的存储单元223中最外部电极的极性与本体220的极性。例如，在一些实施方案中，负电极203在提供卷制的存储单元223的紧密封装的封装件的最外部上。在这些实施方案中，提供了预防短路的另一保障程度。也就是说，在负电极203耦接至本体220时，负电极203作为最外部电极布置在卷制的存储单元223中。因此，如果隔离器205失效(例如通过在使用期间由超级电容器210的振动引起的机械磨损引起)，则超级电容器210将不会因卷制的存储单元223中的最外部电极与本体220之间的短路而失效。
对于卷制的存储单元223的每个实施方案，参考标记272至少可以在隔离器205中。参考标记272将用于提供将引线定位在每个电极203上。在一些实施方案中，通过计算提供了引线的定位。例如，通过考虑了胶状卷的内径和组合的隔离器205与电极203的总厚度，可以评估每根引线的放置位置。然而，实践显示，使用参考标记272更高效且更有效。参考标记272可包括例如一个更多个隔离器205的边缘中的狭缝。
一般而言，对存储单元212的每个新规格使用参考标记272。也就是说，因为存储单元212的新规格可能要求其中至少一个层的不同厚度(相对于现有的实施方案)，所以现有参考标记的使用可能至少有些不准确。
一般而言，参考标记272体现为从其中央穿过卷到达其周围的单一径向线。因此，当引线沿着参考标记272安装时，每根引线将与其余引线对齐(如图32所示)。然而，当存储单元212未卷制(对于其中存储单元212是卷或者将变成卷的实施方案)时，可认为参考标记272是多个标记(如图31所示)。作为惯例，不管存储单元212的标记的实施方案或外观为何，认为用于结合引线的位置的识别涉及“参考标记272”或“一组参考标记272”的确定。
现在参照图31，一旦建立了参考标记272(例如通过标记卷起的存储单元212)，即提供了用于安装每根引线的安装位点(即，由参考标记272所描绘)。一旦确定了每个安装位点，对于存储单元212的任何给定的构造规格，每个安装位点的相对位置对于存储单元212的特定构造的另外的示例而言可重复。
一般而言，每根引线耦接至存储单元212中的各集电器202。在一些实施方案中，集电器202和引线二者由铝制成。一般而言，引线跨越宽度W耦接至集电器202，然而引线可耦接宽度W的仅一部分。耦接可以通过例如超声焊接引线至集电器202来实现。为了实现耦接，可以移除至少一些能量存储介质201(在适当时)，使得每根引线可以适当地与集电器202相连。在认为适当时，可以进行其他准备和调整以提供耦接。
当然，可以包括相对的参考标记273。也就是说，以与参考标记272相同的方式提供，可以制作一组相对的参考标记273以考虑用于相反极性的引线的安装。也就是说，参考标记272可用于安装引线至第一电极203，例如负电极203，同时相对的参考标记273可用于安装引线至正电极203。在其中卷制的存储单元223为圆柱形的实施方案中，相对的参考标记273配置在能量存储介质201的相对侧，并且从参考标记272纵向偏移(如所描绘的)。
注意在图31中，参考标记272和相对的参考标记273二者都示出为配置在单电极203上。也就是说，图31描绘了只用于说明参考标记272与相对的参考标记273的空间(即，直线)关系的实施方案。这并非暗示正电极203与负电极203共有能量存储介质201。然而，应注意，在其中参考标记272和相对的参考标记273通过卷起存储单元212布置然后标记隔离器205的情况下，参考标记272和相对的参考标记273确实可配置在单一隔离器205上。然而，实际上，参考标记272和相对的参考标记273中只有一组可用于安装用于定电极203的引线。也就是说，应认识到，图31所描绘的实施方案待利用另一个电极203(其将具有相反极性)的能量存储介质201的另一层来补充。
如图32所示，前述组装技术导致包括至少一组对齐引线的存储单元212。当将作为卷制的存储单元223的形式的存储单元212耦接至负电接头255与正电接头256之一时，第一组对齐的引线291是特别有用的，而提供一组相对的对齐引线292用于将能量存储介质201耦接至相对的接头(255、256)。
卷制的存储单元223可以由包装材料293包围。包装材料293可以在许多个实施方案中实现。例如，包装材料293可以提供为KAPTONTM带(其为由特拉华州威明顿的DuPont开发的聚酰亚胺膜)或PTFE带。在该实施例中，KAPTONTM带围绕并且粘附至卷制的存储单元223。包装材料293可提供为不含粘合剂，例如滑到卷制的存储单元223上的紧密配合的包装材料293。包装材料293可以更多地表现为袋，例如一般地卷入卷制的存储单元223(例如，上文中讨论的包封件273)的袋。在这些实施方案中的一些中，包装材料293可以包括用作收缩膜包装(shrink-wrap)的材料，从而提供卷制的存储单元223的高效的物理(在一些实施方案中，化学)包封。一般而言，包装材料293由不干扰超级电容器210的电化学功能的材料形成。例如，包装材料293还可以根据需要提供部分的覆盖，以有助于***卷制的存储单元223。
在一些实施方案中，负引线和正引线位于卷制的存储单元223的相对侧(在胶状卷型卷制的存储单元223的情况下，负极性的引线和正极性的引线可以完全相对)。一般而言，进行将负极性的引线和正极性的引线布置在卷制的存储单元223的相对侧以有助于构造卷制的存储单元223以及提供改进的电隔离。
在一些实施方案中，一旦组装了对齐的引线291、292，即将多个对齐的引线291、292中的每一个绑在一起(原位)，使得收缩膜包装(未示出)可配置在多个对齐的引线291、292的周围。一般而言，收缩膜包装由PTFE形成，但是可以使用任意可相容的材料。
在一些实施方案中，一旦将收缩膜包装材料布置在对齐的引线291周围，即将对齐的引线291折叠为组装超级电容器210时假定的形状。也就是说，参照图33，可见对齐的引线假设为“Z”形。在为对齐的引线291、292赋予“Z型折叠”并且应用收缩膜包装之后，可以加热收缩膜包装或者通过其他方法活化，以使收缩膜包装收缩入对齐的引线291、292周围的位置。因此，在一些实施方案中，可以通过包装材料来强化并保护对齐的引线291、292。当将能量存储介质201耦接至配置在盖224中的馈通件219时，Z型折叠的使用特别有用。
当然，可以实施用于将每组对齐的引线291、292(即，每个端子208)耦接至各接头255、256的其他实施方案。例如，在一个实施方案中，将中间引线耦接至馈通件219与壳体207之一，使得有助于与各组对齐的引线291、292耦接。
所用材料可根据例如以下性质来选择：反应性、介电值、熔点、与其他材料的粘附性、可焊接性、摩擦系数、成本以及其他这样的因素。可以使用材料的组合(例如分层的、混合的或通过其他方式组合的)来提供期望的性质。
在许多个实施方案中，有用的是一起使用多个超级电容器210来提供电源。为了提供可靠的操作，可以在使用之前对各个超级电容器210进行测试。为了进行各种类型的测试，每个超级电容器210可作为单一的单元、与所附接的多个超级电容器210串联或并联来测试。使用通过多种技术(例如通过焊接)连接的不同金属可降低连接的ESR以及提高连接的强度。现在介绍超级电容器210之间的连接的一些方面。
在一些实施方案中，超级电容器210包括两个接头。这两个接头是玻璃-金属密封件引脚(即，馈通件219)和壳体207的整个剩余部分。当串联连接多个超级电容器210时，常常期望耦接壳体207底部之间的互连体(在圆柱形壳体207的情况下)，使得与内部引线的距离最小化，因此具有最小电阻。在这些实施方案中，互连体的相对端常常耦接至玻璃-金属密封件的引脚。
就互相连接而言，常见的焊接类型涉及使用平行的尖端电阻焊机。焊接件可以通过对齐引脚之上互连体的末端和直接焊接互连体至引脚来制造。使用多个焊接件将提高互连体与引脚之间的强度和连接。一般而言，当焊接至引脚时，设定互连体的末端形状以良好地匹配引脚用于确保基本上没有交叠在引脚的会导致短路的过量材料。
可以使用相对的尖端电阻焊机来将互连件焊接至引脚，同时可以使用超声焊机来焊接互连件与壳体207的底部。当所包含金属相容时，可以使用钎焊技术。
就互连体中使用的材料而言，用于互连体的常见类型的材料是镍。由于镍与不锈钢焊接良好并具有坚固的界面，所以可以使用镍。可以使用其他金属和合金来代替镍，例如以降低互连体中的电阻。
一般而言，所选用于互连体的材料因其与引脚中的材料以及壳体207中的材料的相容性来选择。示例性的材料包括铜、镍、钽、铝和镍铜包层。可以使用的其他金属包括银、金、黄铜、铂和锡。
在一些实施方案中，例如其中引脚(即，馈通件219)由钽制成，互连体可利用中间金属，例如通过采用短桥接器连接。一种示例性桥接器连接包括钽条，其已通过使用相对的尖端电阻焊机来焊接钽/铜/镍条至桥接器来改进。然后，使用并联电阻焊机来焊接钽条至钽引脚。
该桥接器还可用在作为壳体207的接头上。例如，可以将一片镍电阻焊接至壳体207的底部。然后可以将铜条超声焊接至镍桥接器。该技术有助于降低单元互连体的电阻。使用用于每个连接的不同金属可降低串联单元之间相互连接的ESR。
由此已描述了可用于高温环境(即，高达约210摄氏度)的稳固的超级电容器210的各个方面，现在提供和/或定义一些其他方面。
许多种材料可用于构建超级电容器210。如果要排出氧和水分并且要防止电解质206逸出，则超级电容器210的完整性是必要的。为了实现这一点，缝焊和任何其他密封点应满足在用于操作的预期温度范围下的气密性标准。此外，所选材料应与其他材料相容，所述其他材料例如可用于配制电解质206的离子液体和溶剂。
在一些实施方案中，馈通件219由金属形成，所述金属例如以下材料中的至少之一：KOVARTM(宾夕法尼亚州雷丁市的Carpenter TechnologyCorporation的一个商标，其中KOVAR是真空熔融的、铁-镍-钴、低膨胀合金，其化学组成控制在窄界限中以确保精确均一的热膨胀性质)、合金252(适用于将玻璃和陶瓷密封至金属的镍铁合金)、钽、钼、铌、钨、不锈钢446(对高温腐蚀和氧化提供良好耐受的铁素体、不可热处理的不锈钢)以及钛。
利用前述的玻璃-金属密封件本体可由300系列不锈钢例如304、304L、316以及316合金制成。所述本体还可由金属例如以下中的至少之一制成：多种镍合金，例如因科内尔铬镍铁合金(Inconel)(奥氏体镍铬基超合金家族，其为良好适用于经历压力和热的极端环境的耐氧化和耐腐蚀的材料)和哈氏合金(Hastelloy)(高度耐腐蚀的金属合金，其包括镍和不同百分比的钼、铬、钴、铁、铜、镁、钛、锆、铝、碳和钨)。
处于玻璃-金属密封件的馈通件219与周围本体之间的绝缘材料通常是玻璃，其组成为密封件的各制造商所有，并且取决于密封件是否在加压下或者是否匹配。其他绝缘材料可用在玻璃-金属密封件中。例如，多种聚合物可用在密封件中。因此，术语“玻璃-金属”密封件只是密封类型的描述，并无意于暗示密封件必须包括玻璃。
超级电容器210的壳体207可由例如类型304、304L、316以及316L不锈钢制成。它们还可以构造自一些铝合金，例如1100、3003、5052、4043和6061，但不限于此。可以使用多种多层材料，并且可包括例如包覆至不锈钢的铝。可使用的其他非限制性可相容的金属包括铂、金、铑、钌以及银。
已用在超级电容器210中的玻璃-金属密封件的具体实施例包括两种不同类型的玻璃-金属密封件。第一种来自US位于纽约州埃尔姆斯福德(Elmsford，NY)的SCHOTT。该实施方案使用不锈钢引脚、玻璃绝缘件以及不锈钢本体。第二玻璃-金属密封件来自俄亥俄州辛辛那提(Cincinnatti，OH)的HERMETIC SEAL TE CHNOLOGY。该第二实施方案采用钽引脚、玻璃绝缘件和不锈钢本体。可以提供不同大小的许多个实施方案。
玻璃-金属密封件的另一个实施方案包括使用铝密封件和铝本体的实施方案。而玻璃-金属密封件的另一个实施方案包括使用环氧树脂或其他绝缘材料(例如陶瓷或硅)的铝密封件。
玻璃-金属密封件的许多个方面可以根据需要来配置。例如，壳体和引脚的尺寸、引脚和壳体的材料可以根据需要而改变。该引脚还可以是管或实心引脚，以及在一个覆盖物中具有多个引脚。虽然用于引脚的最常见类型的材料是不锈钢合金、铜芯不锈钢、钼、铂-铱、各种镍-铁合金、钽和其他金属，但可以使用一些非传统材料(例如铝)。壳体通常由不锈钢、钛和铱各种其他材料形成。
各种紧固技术可用于超级电容器210的组装中。例如，就焊接而言，可以使用多种焊接技术。下述是焊接类型的示例性列表并且可以使用每种类型的焊接的多种目的。
超声焊接可用于：焊接铝接片至集电器；焊接接片至底部包覆覆盖物；焊接跨接线接片至连接至玻璃-金属密封件引脚的包覆桥接器；以及将胶状卷接片焊接在一起等。脉冲或电阻焊接可用于：焊接引线至容器的底部或者至引脚；焊接引线至集电器；焊接跨接线至包覆桥接器；焊接包覆桥接器至端子208；焊接引线至底部覆盖物等。激光焊接可用于：焊接不锈钢覆盖物至不锈钢容器；焊接不锈钢桥接器至不锈钢玻璃-金属密封件引脚；以及焊接塞子至填充端口等。TIG焊接可用于：密封铝覆盖至铝容器；和焊接铝密封件进入位置等。冷焊接(用很高的力将金属压在一起)可用于：通过将铝球/钉力压配合入填充端口来密封填充端口。
现在提供了示例性超级电容器210的一些物理方面。注意，在下表中，术语“接片”一般是指如上所讨论的“引线”；术语“桥接器”和“跨接线”还涉及引线的一些方面(例如，桥接器可耦接至馈通件，或“引脚”，同时跨接线可用于连接桥接器至接片或引线)。使用多种连接可有助于组装工艺，并且利用某些组装技术。例如，桥接器可以激光焊接或电阻焊接至引脚，并且用超声焊接耦接至跨接线。
图34至42是描绘示例性超级电容器210的性能的图，并且描绘了超级电容器210在1.75伏特和125摄氏度的性能以及超级电容器210在1.5伏特和150摄氏度的性能和超级电容器210在0.5伏特和210摄氏度的性能。在这些后一种(210摄氏度)实施例中，超级电容器210是闭合单元(即，壳体)。将超级电容器循环10次，充放电100mA，充电至0.5伏特，测量电阻，放电至10mV，静息10秒，然后再次循环。
一般而言，超级电容器210可以在各种环境条件和要求下使用。例如，端电压可以为约100mV至10V。环境温度可以为约-40摄氏度至+210摄氏度。典型的高温环境温度为+60摄氏度至+210摄氏度。
现在参照图43，示例性电子设备示出与至少一个源401和至少一个高温可再充电能量存储器402(HTRES，其可以例如是超级电容器210)通信。在该非限制性实例中，电源115包括与源和HTRES通信的用于使HTRES充电的充电器(第一子***)。与HTRES和负载通信的第二子***可包括DC/DC电源和/或DC/AC电源。各种电源转换器可包括在电源115中，并且可用在源与HTRES之间，以及HTRES与负载之间。
包括在电源115中的能量源401可包括各种能量输入。能量输入一般可分为三类。这些类别包括原电池、远程***和发电机。
在一些实施方案中，电源包括原电池作为能量源401的一部分。示例性电池包括适合于在恶劣的环境中操作的那些。具体实例包括各种化学电池，包括具有铝的那些。更具体的实例包括锂-亚硫酰氯(Li-SOCl2)和基于类似的技术和/或化学的电池。但是，认识到这些技术中的一些可能无法达到期望的额定温度，并且这些技术中的一些可能只在短期内支持能量存储器(即，能量存储器可包括例如不可再充电的或具有与其他元件相比较短的寿命的元件)。可包括在电源115中的其他示例性电池包括锂-溴-氯以及锂-磺酰氯和熔盐。
源401可以包括与远程电源的至少一个连接。也就是说，能量可以经过外部源例如经过电缆供应。假设外部能量源不限于井下环境，则关于接收能量的主要考虑的问题包括用于与井下能量通信的方法和设备。用于传输能量至测井仪100和电源115的示例性技术包括有线套管、有线管、螺旋管以及本领域中可已知的其他技术。
现在参照图44至50，其中示出了电力转换电路的各方面。如图44所示，第一子***152的示例性实施方案包括第一开关器件161、第二开关器件162以及滤波感应器163。外部能量源151可以耦接到第一子***152并且耦接到HTRES402(例如，高温超级电容器)。可以控制第一开关器件161和第二开关器件162的动作以实现上述电流限制和电池调节特性。具体地，以互补方式(占空比)操作的第一开关器件161和第二开关器件162的相对导通时间可以用来调整电流的流动和转换率。当与HTRES402的电压相比外部能量源151的电压值较大时，图44中示出的示例性第一子***152可以是有用的。可以通过反馈控制***(未示出)来实现电流的限制或调节。
第二子***153的示例性实施方案包括电源转换器，根据工具的需要为DC-DC电源转换器或DC-AC电源转换器。第二子***153的功能可以为调节输送到负载(例如，测井仪100和/或井下电子设备113)的电压或电流。由于HTRES402的电容特性，当植入超级电容器时，随着电荷从HTRES402中提取出，HTRES402的电压可以以近似线性方式降低。然后，尽管HTRES402表现出变化的电压，但是第二子***153的功能可以调节输送到测井仪100的电压或电流。可以通过反馈控制***(未示出)来实现电压的限制或调节。
如图45所示，第二子***153的一个示例性实施方案可以包括第一开关器件161、第二开关器件162以及滤波感应器163的相应实施方案。负载可以耦接到第二子***153并且可以耦接到HTRES402。可以控制第一开关器件161和第二开关器件162的各自的实施方案的动作以实现以上所述的期望的电流或电压调节特征。具体地，第一开关器件161和第二开关器件162的各自的实施方案的相对导通时间的占空比可以用来调节电流的流动和转换率或所呈现的电压。当与HTRES402的电压相比所需电压的值较大时，图45中示出的示例性第二子***153可以是有用的。可以通过反馈控制***(未示出)来实现电压的限制或调节。
如图46所示，第一子***152和第二子***153可以耦接到一起并且也耦接到HTRES402以提供电源115的一个实施方案。在该实施方案中，当与负载的端电压相比，外部能量源151的端电压在数值上更大或在数值上更小时，示例性电源115可以是特别有利的，只要HTRES402的端电压在数值上既小于外部能量源151的端电压又小于负载的端电压即可。
电源转换器一般可以具有任意的拓扑结构。非限制性实例包括通常称作“降压”、“升压”、“降压-升压”、“升降压(Cúk)”、“开关电容器”的转换器，和非隔离转换器的其他隔离形式(例如，反激、降压-升压)，以及任意这些转换器的级联(例如，降压+升压)。
图47中示出了一种示例性转换器181。在该实施例中，转换器181为双向降压转换器。该实施方案在要求输出电压小于输入电压时尤其适于用作电源转换器。
图48中示出了另一个示例性转换器181。在该实施例中，转换器181为双向升压转换器。图49中示出了另外的示例性转换器181。在该实施例中，转换器181为合并的双向降压-升压转换器。
图50中提供了反馈控制器182的一个示例性实施方案。本文中所示的部件可以以通过设计者、制造者或使用者所确定合适的模拟域或数字域，或者以组合的方式来实施。反馈控制器182可以包括用于监测和控制各种特征的元件。例如，反馈控制器182可以包括用于频率补偿、脉冲宽度调制、停机时间保护、占空比限制、提供软启动(例如，斜坡电压)等的部件。
使用高温电子设备来提供信号调节、遥测和电力电子，并且这些高温电子设备通常适于在高达约200摄氏度并且在一些实施方案中高达约300摄氏度的温度下操作。高温电子设备的非限制性实施方案包括分立的和一体化的裸管芯硅和绝缘体上硅有源器件以及碳化硅有源功率器件。可以使用一些市售的高温额定以及低温度系数陶瓷无源元件(COG或NPO电介质)和高温磁无源元件。在一些示例性实施方案中，用于电路的衬底材料是聚酰亚胺、高温环氧树脂或AlN(氮化铝)陶瓷，其由于优异的热稳定性和热传导性而被选择。在这些实施方案的一些中，电路互连由抗氧化的Au线形成。接合方案采用芯片倒装或者使用AuGe高温钎料的用于裸管芯有源部件的Au线接合和/或类似类型的接合。但是，对于一些执行，预计Au线接合由于附加的机械顺从性而比芯片倒装接合有利，尤其在存在热膨胀和冲击以及振动时更是如此。所有上述部件的供应商的非穷举列表包括在下表中。
表5
高温电路部件供应商
部件 厂商
SiC裸管芯晶体管 美国加州，洛杉矶，Micross Components
SiC裸管芯肖特基二极管 美国加州，Micross Components
Si和SOI裸管芯线性和数字电路 美国德州，奥斯汀，Minco Technology Labs LLC
陶瓷表面安装CGO、NPO电容器 美国明尼苏达州，明尼阿波利斯，Digikey
陶瓷表面安装电阻器 美国明尼苏达州，明尼阿波利斯，Digikey
裸管芯磁性元件 美国德州，奥斯汀，Minco Technology Labs LLC
陶瓷印刷电路板 美国加州，圣安娜，Complete Hermetics
端子、集管、包装 美国马萨诸塞州，新贝德福德，HCCAmetekInd.
AuGe钎料 加拿大安大略省，Hi-Rel Alloys
在用于至少一个超级电容器10的充电器的一个实施方案中，电子设备包括在至少一个超级电容器10具有低压的情况下限制其自身电流，否则调节其电压的双模式反馈降压(下降)转换器。在一些实施方案中，经调节的DC/DC转换器包括用于实施宽输入电压反馈调节升压(上升)转换器的合适的拓扑结构用于提供稳定的电压总线。
本领域技术人员将认识到，电源115可以与支持电阻率、电容、核的技术和仪器一起联合使用，包括脉冲中子和γ测量、无源γ测量以及其它、磁共振成像、声测量和/或地震测量、流动测量、多种取样方案、通信、数据处理和储存、地质导向和井下电力使用的许多其他要求。许多补充的部件也可由电源115供应电力。非限制性实例包括加速计、磁力计、传感器、转换器、数字器件和/或模拟器件(包括下文中列举的那些)等。
测井仪100使得能够使用更廉价、更强、更薄并且更高带宽的电缆和线。至少部分由于能量存储器42的特性，常规铜电缆8的使用可以替换成钢电缆、光纤线和其他类型的电缆和线。在一些实施方案中，生产测井仪100独立地操作，例如当装配有机载发电机41时。示例性钢包括304、304L、316和316L钢以及碳钢。一般而言，根据钢的耐腐蚀性、机械强度和导电性来选择钢的类型。316不锈钢是对于一些长寿命的井下部件包括电缆铠装而言的常规选择。
通过在测井仪中包括HTRES，新型电缆和传输介质变得实际。例如，HTRES可以在较长的一段时间内缓慢充电一“涓流充电”，例如进行数小时，然后向测井仪其余部分供应电力用于在较短爆发(例如数分钟)中正常操作。以该操作模式，用于输电的电缆的电阻可以显著高于现有技术。例如，电缆可以采用钢内导体来代替现有技术电缆的铜内导体。使直径保持固定并选择碳钢内导体，内导体材料的成本将为铜内导体成本的约13％。碳钢内导体的拉伸强度为铜内导体拉伸强度的约7,000％。然而，碳钢内导体的电阻为铜内导体的电阻的约8,500％。
对于22AWG内导体而言，铜导体会表现为约16.14欧姆/1,000ft，而碳钢内导体会表现为约137欧姆/1,000ft。典型的井可需要约10,000ft的电缆，分别产生161欧姆和1,370欧姆的相应电缆电阻。对于地表上48V的电力，在电缆两端可得的最大功率分别为3.57W和420mW。虽然3.57W可足以使典型的测井仪运行，但是420mW会受到过度抑制。另一方面，使HTRES耦接至测井仪，***可以以可用的420mW对HTRES进行涓流充电直至积累了足够的能量然后为典型测井仪中的负载供电。该分析假设电缆包含作为第二导体的外部导体铠装并假设该铠装呈现出与内导体的电阻相比可忽略不计的电阻。
上述设计实施例可以以任何方式变换。例如，电缆可设计为表现出于现有技术电缆相比较小的外径，再次归因于涓流充电法在电缆中积累较高电阻的事实。例如，电缆可设计为具有22AWG的内导体线规，其中现有技术设计要求10AWG的内导体线规。在该实施例中，所得电缆直径为现有技术电缆的约25％。较小电缆直径的益处是导致对流体流动阻碍的降低。
电缆还可以采用更小的铜内导体。可以采用较少导线的导线，例如其中一个导线为负载传输所有所需电力而非经多个导线传输电力。
在一个实施方案中，较小的简化电缆的益处可以通过具有多用的一个或若干个(与现有技术设计相比)导线来增加。例如，在现有技术中，使用多个导线来为测井工具的多个方面提供电力，然而，可以使用单个导线来提供所有所需电力。在另一个实施例中，可以使用单一的导线来为多个测井工具(例如配置在井内不同位置处的那些)提供所有所需电力。在这样的设计中，每个测井工具可包括控制器各电子设备以提供各HTRES的涓流充电，同时将电输送给其他工具。例如，控制算法可限制从电缆的电流提取，使得其他工具的所得电压也适应此处可用的电流提取。这样的控制算法可利用在本申请中使用的电缆的现有技术已知的标称电阻值、所述电缆的长度、所述电缆的各内部工具长度以及沿着井眼的各工具的物理顺序。在另一个实施例中，单个导线可以是多用的，用于供电和信息传输二者。信息传输可以是双向的，即从地表到工具和从工具到地表，或者可以是单向的。例如，电信号(例如，正弦曲线)可以与标称DC电压重合。可以调节所述重合的正弦曲线的振幅或频率以将信息输送给工具。另一种方法包括电力和信息传输的时分复用。例如，在一个时间段期间传输电力之后在一段独立的时间段期间传输信息。可以使用许多其他方法以将信息和电力传输组合成集合的电信号或者使一个或若干根电缆多用地用于信息和电力传输。
因为与铜相比，钢往往更耐受腐蚀和机械应力，所以不同构造的电缆也可变得实际。例如，电缆可以是绝缘的钢导体的简单的绞合对，进行或未进行封装，但在不存在显著浓度的H2S时没有铠装。
用于传输电力和信息的其他方法可以变得实际。例如，光缆可通过激光提供少量的电力和高速的信息传输。可以将相对少量的传输功率用作功率源以为HTRES进行涓流充电。例如，从光功率到电功率的转换器包括光电二极管和光电晶体管。在测井仪中包括这样的转化器并将该工具耦接至光纤线并将所述光纤线耦接至地表上的光源构成在地表与工具之间传输功率和信息二者的装置。有利地，通常用于制造光纤线的材料与电(金属)导体相比一般不易腐蚀，因此需要较少保护以免受钻孔环境。
不管较高电阻率但较强电缆材料的使用还可用于电缆用于电传输和用于机械目的的双重用途。例如，当使用钢内导体来代替铜内导体时，可以不需要在多种传输方法中铠装或封装或通过其他方式添加电缆的机械支持物以保护或者提高拉伸强度。在管道传输的永久井下测井工具中，可以对现有技术设计中的PDC进行铠装以防止铜内导体在***井内期间的机械应力，即使PDC不能提供显著的拉伸支持亦如此。在现有设计中，钢内导体提供与现有技术设计的铜相比高出多至150％以上的剪切强度，避免或减少了对增加保护的需要。在另一个实施例中，用钢内导体材料制成的电缆可用于保护其中工具在井中竖直移动的生产测井活动。在该实施例中，电缆提供显著的拉伸支持。这样的***可用于竖直测井和永久测井活动二者，例如其可在地表通过电缆的缠绕竖直移动然后被留在镜中固定位置处较长的一段时间，例如数周或数月。在一些实施方案中，电缆可利用并联、绞合或通过其他方式成对构造的钢内导体或钢导体。还可以使用设计者认为合适的用于所述导体的其他材料以获得机械强度、耐腐蚀性、温度稳定性、电阻、机械密度等的协调(tradeoff)。其他潜在有用的材料的实例包括钛、铝、镍、银、金及合金。
超级电容器的其他实施方案可用于能量存储器42。此外，电池的实施方案可以与超级电容器一起使用或代替超级电容器。
已描述了生产测井仪100及其一些性能的方面，现在应明显的是，生产者可以以多种方式利用从生产测井收集的数据。例如，可以实现生产面积的动态图谱，其中将各井之间的生产相关联。可以使用跟踪和评价的许多参数来预测有用的信息，例如未来井的位置、井的耗尽、现在状态的评估等。这样的活动可通过使用在计算机上运行的软件(即，存储在计算机可读介质上的机器可执行的说明)大大改善。
由此已描述了本发明的某些方面，现在描述另外的益处和特征。通过利用本文中提供的生产测井仪，使用者能够连续表征和监测井下条件。可以视情况确定实时、接近实时、或周期地以及如本文中所讨论的其他方式进行测量。
支持本文的教导，可以使用多种分析部件，包括数字***和/或模拟***。所述一种或更多种***可具有部件例如处理器、存储介质、存储器、输入、输出、各种通信连接(有线的、无线的、脉冲流体、光学的或其它)、使用者界面、软件和固件程序、信号处理器(数字的或模拟的)以及其它这样的部件(例如电阻器、电容器、感应器、泵、传感器、流体储存、取样设备以及其它这样的部件)从而以本领域中熟知的若干方式中的任意方式提供设备的操作和分析以及本文所公开的方法。认为这些教导可以与计算机可读介质(包括存储器(ROM、RAM)，光学的(CD-ROM)或磁的(盘，硬盘驱动器)或执行时导致计算机实施本发明的方法的任意其他类型)上存储的计算机可执行说明书组联合实施，但无需如此。除本公开所述功能以外，这些说明书还可提供设备操作、控制、数据收集和分析以及***设计者、使用者或其他这样的人员认为相关的其他功能。
本领域技术人员应该认识到，各种部件或技术可以提供一定的必要性或有益的功能性或特征。因此，由于可能需要的这些功能和特征支持所附权利要求及其变化，所以这些功能和特征被视为固有地被包括为本文中的教导的一部分和公开的本发明的一部分。
虽然已经参照示例性实施方案描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解到，在不脱离本发明的范围的条件下可以作出各种变化并且等同物可以替代其元件。另外，许多修改应该由本领域技术人员理解为在不脱离本发明的实质范围的条件下适应根据本发明的教导的特定仪器、情形或材料。因此，其意图是本发明不限于所公开的特定实施方案作为设想执行本发明的最佳方式而是本发明应该包括落在所附权利要求书的范围内的所有实施方案。

Claims (63)

1.一种测井***，包括：
测井仪，所述测井仪包括可再充电能量存储器和电子设备；和
电缆，所述电缆配置为从远程电源使所述可再充电能量存储器充电。
2.根据权利要求1所述的测井***，其中所述可再充电能量存储器是高温可再充电能量存储器。
3.根据权利要求2所述的测井***，其中所述高温可再充电能量存储器包括超级电容器。
4.根据权利要求1所述的测井***，其中所述可再充电能量存储器包括以下中之一：超级电容器、电池、电解电容器、钽电容器、陶瓷电容器、金属膜电容器和混合电容器。
5.根据权利要求1所述的测井***，其中所述可再充电能量存储器包括以下中之一：磁能存储器，例如感应器；机械能存储装置，例如飞轮、弹簧***、弹簧-质量***、质量***；热容量***(例如基于高热容量液体或固体或相变材料的热容量***)；液压或气动***。
6.根据权利要求1所述的测井***，其中所述测井电子设备配置为在选定时间段期间操作。
7.根据权利要求1所述的测井***，其中所述测井电子设备配置为通过所述电缆传输数据。
8.根据权利要求1所述的测井***，其中可再充电能量存储器在第一时间段期间涓流充电，并且其中测井电子设备配置为在比第一时间段短的第二时间段期间使用来自所述可再充电能量存储器的电力来操作。
9.根据权利要求1所述的测井***，其中所述可再充电能量存储器包括可再充电超级电容器。
10.根据权利要求9所述的测井***，其中所述可再充电超级电容器具有80℃至210℃的操作范围。
11.根据权利要求1所述的测井***，其中所述测井仪配置为在井眼中操作，并且其中所述电缆配置为从位于所述井眼外部的所述远程电源使可再充电能量存储器涓流充电。
12.根据权利要求1所述的测井***，其中所述电缆至少部分机械地支持所述测井仪。
13.根据权利要求1所述的测井***，其中所述电缆包括至少一个钢导体。
14.根据权利要求13所述的测井***，其中所述电缆包括双绞导线。
15.根据权利要求13所述的测井***，其中所述电缆包括同轴电缆。
16.根据权利要求13所述的测井***，其中所述电缆包括至少一个尺寸为22AWG的导体。
17.根据权利要求1所述的测井仪，其中所述电缆包括光缆。
18.一种用于操作测井***的方法，包括：
在第一时间段期间使可再充电能量存储器涓流充电；和
在比所述第一时间段短的第二时间段期间使用来自所述可再充电能量存储器的电力来操作测井电子设备。
19.根据权利要求18所述的用于操作测井***的方法，其中所述可再充电能量存储器是高温可再充电能量存储器。
20.根据权利要求19所述的用于操作测井***的方法，其中所述高温可再充电能量存储器包括超级电容器。
21.根据权利要求18所述的用于操作测井***的方法，其中所述可再充电能量存储器包括以下中之一：超级电容器、电池、电解电容器、钽电容器、陶瓷电容器、金属膜电容器和混合电容器。
22.根据权利要求18所述的用于操作测井***的方法，其中所述可再充电能量存储器包括以下中之一：磁能存储器，例如感应器；机械能存储装置，例如飞轮、弹簧***、弹簧-质量***、质量***；热容量***(例如基于高热容量液体或固体或相变材料的热容量***)；液压或气动***。
23.根据权利要求18所述的用于操作测井***的方法，其中使所述可再充电能量存储器涓流充电包括从远程电源通过电缆使所述能量存储器充电。
24.根据权利要求23所述的用于操作测井***的方法，还包括所述测井电子设备通过所述电缆传输数据。
25.根据权利要求24所述的用于操作测井***的方法，其中在使所述可再充电能量存储器涓流充电的同时通过所述电缆传输数据。
26.根据权利要求24所述的用于操作测井***的方法，其中传输数据和使所述可再充电能量存储器涓流充电是时分复用的。
27.根据权利要求18所述的用于操作测井***的方法，其中连续进行使所述可再充电能量存储器涓流充电。
28.根据权利要求18所述的用于操作测井***的方法，其中使所述可再充电能量存储器涓流充电包括使超级电容器充电。
29.根据权利要求28所述的用于操作测井***的方法，其中所述超级电容器配置为在80℃至210℃的温度范围下操作。
30.根据权利要求18所述的用于操作测井***的方法，其中所述测井电子设备和所述可再充电能量存储器是位于井眼中的测井仪的部件，并且其中从所述井眼外部的电源使所述可再充电能量存储器涓流充电。
31.根据权利要求23所述的用于操作测井***的方法，其中所述电缆在操作期间至少部分机械地支持所述测井电子设备和所述可再充电能量存储器。
32.根据权利要求23所述的用于操作测井***的方法，其中所述电缆包括至少一个钢导体。
33.根据权利要求23所述的用于操作测井***的方法，其中所述电缆包括导线绞合对。
34.根据权利要求23所述的用于操作测井***的方法，其中所述电缆包括同轴电缆。
35.根据权利要求23所述的用于操作测井***的方法，其中所述电缆包括实心导线和多股绞合导线中之一。
36.根据权利要求23所述的用于操作测井***的方法，其中所述电缆包括光缆。
37.一种用于操作测井***的方法，包括：
使位于井眼中的测井仪的可再充电能量存储器涓流充电；和
在选定时间段期间使用来自所述可再充电能量存储器的电力来操作所述测井仪的测井电子设备。
38.根据权利要求37所述的用于操作测井***的方法，其中所述可再充电能量存储器是高温可再充电能量存储器。
39.根据权利要求38所述的用于操作测井***的方法，其中所述高温可再充电能量存储器包括超级电容器。
40.根据权利要求37所述的用于操作测井***的方法，其中所述可再充电能量存储器包括以下中之一：超级电容器、电池、电解电容器、钽电容器、陶瓷电容器、金属膜电容器和混合电容器。
41.根据权利要求37所述的用于操作测井***的方法，其中所述可再充电能量存储器包括以下中之一：磁能存储器，例如感应器；机械能存储装置，例如飞轮、弹簧***、弹簧-质量***、质量***；热容量***(例如基于高热容量液体或固体或相变材料的热容量***)；液压或气动***。
42.一种测井仪，包括：
测井电子设备，所述测井电子设备配置为进行测井操作；和
可再充电能量存储器，所述可再充电能量存储器配置为接收来自远程电源的涓流充电并在选定时间段期间向所述测井电子设备供应电力。
43.根据权利要求42所述的测井仪，其中所述可再充电能量存储器是高温可再充电能量存储器。
44.根据权利要求43所述的测井仪，其中所述高温可再充电能量存储器包括超级电容器。
45.根据权利要求42所述的测井仪，其中所述可再充电能量存储器包括以下中之一：超级电容器、电池、电解电容器、钽电容器、陶瓷电容器、金属膜电容器、混合电容器。
46.根据权利要求28所述的测井仪，其中所述可再充电能量存储器包括以下中之一：磁能存储器，例如感应器；机械能存储装置，例如飞轮、弹簧***、弹簧-质量***、质量***；热容量***(例如基于高热容量液体或固体或相变材料的热容量***)；液压或气动***。
47.一种测井仪，包括：
测井电子设备，所述测井电子设备配置为进行测井操作；
高温可再充电能量存储器，所述高温可再充电能量存储器配置为向所述测井电子设备供应电力；和
环形壳体，所述环形壳体配置为安装所述测井电子设备和所述高温可再充电能量存储器，以及配置为容纳通过所述测井仪的流动。
48.根据权利要求47所述的测井仪，其中所述环形壳体形成井眼的生产管道的一部分。
49.根据权利要求47所述的测井仪，其中所述高温可再充电能量存储器包括超级电容器。
50.根据权利要求48所述的测井仪，其中所述环形壳体包括用于传输电的、热的、压力相关的和/或其他的参数的机械开口或其他无源部分，使得能够通过在所述生产管道内部和外部二者的所述测井电子设备进行所述参数的测量和/或监测。
51.一种测井仪，包括：
测井电子设备，所述测井电子设备配置为进行测井操作；
一种或更多种传感器，选自包括以下的传感器类型：压力、温度、套管接箍***、加速计、声学密度、地震、笼状内联流量计、固态流量计、电容、电感、电阻率、声发射和/或接收、无源γ、有源γ、流体取样、地层取样、磁共振成像、核磁共振、定向或惯性传感器、磁性传感器和陀螺仪；和
高温可再充电能量存储器，所述高温可再充电能量存储器配置为向所述测井电子设备供应电力。
52.根据权利要求51所述的测井仪，其中所述高温可再充电能量存储器配置为接收来自电源的涓流充电。
53.一种用于操作测井***的方法，包括：
通过机械地支持所述测井仪并且提供信息的传输和/或电力的传输的电缆在井中竖直地移动测井仪，其中所述测井仪包括高温可再充电能量存储器。
54.一种用于操作测井***的方法，包括：
通过支持所述测井仪并且提供信息的传输和/或电力的传输的电缆在至少一个时间段期间在井中竖直地移动测井仪；和
在第二时间段期间将所述测井仪保持在所述井中的固定位置，其中所述测井仪包括高温可再充电能量存储器。
55.根据权利要求54所述的用于操作测井***的方法，其中所述电缆包括由除铜以外的材料制成的至少一个导体。
56.根据权利要求54所述的用于操作测井***的方法，其中所述电缆只包括由除铜以外的材料制成的导体。
57.根据权利要求54所述的用于操作测井***的方法，其中所述电缆包括至少一个由钢制成的导体。
58.一种分布式测井***，包括：
配置在井内不同位置处的多个测井仪，其中所述测井仪中至少之一包括高温可再充电能量存储器。
59.一种测井***，包括：
能量输入，所述能量输入包括原电池、远程源和/或发电机；
高温可再充电能量存储器；和
用于接收来自所述可再充电能量存储器的能量的负载。
60.根据权利要求59所述的测井***，其中所述高温可再充电能量存储器包括超级电容器。
61.根据权利要求59所述的测井***，其中所述负载包括一种或更多种传感器，所述传感器选自包括以下的传感器类型：压力、温度、套管接箍***、加速计、声学密度、地震、笼状内联流量计、固态流量计、电容、电感、电阻率、声发射和/或接收、无源γ、有源γ、流体取样、地层取样、磁共振成像、核磁共振、定向或惯性传感器、磁性传感器和陀螺仪。
62.根据权利要求59所述的测井***，其中所述远程***通过电缆连接至所述高温可再充电能量存储器。
63.根据权利要求59所述的测井***，其中所述远程***通过光缆连接至所述高温可再充电能量存储器。
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