CN110233063A - 先进的电解质体系及其在能量储存装置中的用途 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种先进的电解质体系及其在能量储存装置中的用途，其包括浸入先进的电解质体系中并且设置在气密密封壳体内的能量储存单元，所述单元电耦接至正极接触件和负极接触件，其中所述超级电容器配置成在约‑40摄氏度至约210摄氏度的温度范围内输出电能。本发明还提供了其制造和用途。

Description

先进的电解质体系及其在能量储存装置中的用途
本申请是名为“先进的电解质体系及其在能量储存装置中的用途”、申请号为201380022019.X的中国专利申请的分案申请，专利申请201380022019.X是根据专利合作条约于2013年2月25日提交的国际申请(PCT/US2013/027697)进入中国国家阶段的国家申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年2月24日提交的题为“用于超级电容器的电解质(Electrolytesfor Ultracapacitors)”的美国临时专利申请第61/602,713号、2012年7月9日提交的题为“高温能量储存装置(High Temperature Energy Storage Device)”的国际申请第PCT/US2012/045994号、2012年7月19日提交的题为“用于井下仪器的电源(Power Supply forDownhole Instruments)，，的美国申请序列第13/553,716号以及2012年11月9日提交的题为“用于超级电容器的电解质(Electrolytes for Ultracapacitors)”的美国临时专利申请第61/724,775号的优先权的权益。在此通过引用将这些公开内容中的每一个并入本文。
技术领域
本文中公开的本发明涉及能量储存单元，具体地涉及用在这些能量储存单元中的先进的电解质体系，以及用于提供可在高温下操作的双电层电容器的相关技术。
背景技术
能量储存单元普遍存在于我们的社会中。虽然大多数人将能量储存单元简单地认为是“电池”，但是其他类型的单元也应该被包括在该范围之内。例如，最近，超级电容器因其有利的特性而备受关注。简言之，现今许多类型的能量储存单元是已知的并且在使用中。
双电层电容器，也称作“超级电容器(supercapacitor、supercondenser、ultracapacitor)”、“赝电容器”或“电化学双电层电容器”，是一种表现出优于常规电容器的性能显著提高的电容器。一个这种参数是能量密度。一般而言，超级电容器的能量密度比高容量电解电容器的能量密度高约数千倍的数量级。
电容器是在任何电子器件和电子***中的关键部件中之一。常规功能包括电源电压平滑化、给能量源提供支持，以及滤波。多个行业存在对实施电子器件和电容器的需求环境。
考虑例如具有需要电部件在高温下(例如，在超过80摄氏度的温度下)连续工作的一些应用的行业，例如石油钻井、航天、航空、军工和汽车行业。这种热暴露与各种因素一起造成能量储存***在升高的温度下的性能劣化，并且导致能量储存单元的过早劣化。耐久性和安全性在典型的航天应用和国防应用中是关键要求。例如发动机、涡轮风扇以及控制和感测电子器件设置在火箭发动机外壳附近的那些应用。汽车应用例如小型变速箱或嵌入式交流发电机/启动器也要求在升高的温度下的耐久性和长寿命。
用在工业环境中的电子部件必须在满足性能需求的同时还是物理上牢固的。对于超级电容器的设计者和生产者而言，伴随的挑战中之一是获得能在高温下运作良好且可靠的电解质以及能在高温和低温两者下运作良好且可靠的电解质。遗憾的是，一些电解质的期望特性在较高温度下不能表现出或者在较高温度下不能持续，并且甚至已经在高温下实现耐久性的那些电解质不能在低温下可靠地工作。因而，所需要的是在需求的条件下运行良好的用于超级电容器的电解质。优选地，电解质在整个宽范围的温度内提供稳定的电导率和低的内阻以及稳定且高的电容，以及稳定且低的漏电流。
发明内容
在一个实施方案中，公开了一种超级电容器。该超级电容器包括气密密封壳体内的能量储存单元和先进的电解质体系(AES)，该单元电耦接至正极接触件和负极接触件，其中该超级电容器配置成在约-40摄氏度至约210摄氏度的温度范围内的温度下操作。
在另一实施方案中，提供了一种用于制造超级电容器的方法。该方法包括如下步骤：将包括能量储存介质的能量储存单元设置在壳体内；和用先进的电解质体系(AES)填充所述壳体，使得超级电容器被制造成在约-40摄氏度至约210摄氏度的温度范围内操作。
在又一个实施方案中，提供了一种使用高温可再充电能量储存装置(HTRESD)的方法。该方法包括如下步骤：获得包括先进的电解质体系(AES)的HTRESD；和通过对HTRESD交替充电和放电至少两次来循环HTRESD，同时维持HTRESD两端的电压，使得HTRESD表现出0.01W/升至150kW/升的初始峰值功率密度，使得HTRESD在为约-40摄氏度至约210摄氏度的温度范围内的温度的环境温度下操作。
在又一个实施方案中，提供了一种使用超级电容器的方法。该方法包括如下步骤：获得如本文中所述的超级电容器，其中该超级电容器表现出在约100摄氏度和约150摄氏度之间的范围内的基本恒定的温度下保持时低于约10mA/立方厘米的体积漏电流(mA/立方厘米)；并且通过对所述超级电容器交替充电和放电至少两次来循环超级电容器，同时维持超级电容器两端的电压，使得所述超级电容器在约-40摄氏度至约210摄氏度之间的范围内的基本恒定的温度下保持时使用至少1小时之后表现出低于约1000％的ESR升高。
在另一个实施方案中，提供了一种给使用者提供高温可再充电能量储存装置的方法。该方法包括如下步骤：选择包括先进的电解质体系(AES)的高温可再充电能量储存装置(HTRESD)，所述高温可再充电能量储存装置在暴露于约-40摄氏度至约210摄氏度的温度范围内的环境温度时表现出0.01W/升和100kW/升之间的初始峰值功率密度和至少1小时的耐久期；并交付所述储存装置，使得给使用者提供所述HTRESD。
在又一个实施方案中，提供了一种给使用者提供高温可再充电能量储存装置的方法。该方法包括如下步骤：获得如本文中所述的任意超级电容器，所述超级电容器表现出保持在约-40摄氏度和约210摄氏度之间的范围内的基本恒定的温度下时低于约10mA/立方厘米的体积漏电流(mA/立方厘米)；并交付所述储存装置，使得给使用者提供所述HTRESD。
在又一个实施方案中，公开了一种先进的电解质体系(AES)。该AES包括含有至少一种阳离子和至少一种阴离子的离子液体并且表现出低于1000ppm的卤离子含量和低于100ppm的水含量。
在又一个实施方案中，公开了一种先进的电解质体系(AES)。该AES包括含有至少一种阳离子和至少一种阴离子以及至少一种溶剂的离子液体并且表现出低于1000ppm的卤离子含量和低于1000ppm的水含量。
附图说明
通过下述的具体实施方式结合附图，本发明的前述及其他特征和优点是明显的，不应将所述附图视为限制性的：
图1示出了示例性超级电容器的各方面；
图2是描绘生长到衬底上的多个碳纳米管(CNT)的框图；
图3是描绘将集电器沉积到图3的CNT上以提供电极元件的框图；
图4是描绘添加转移带至图3的电极元件的框图；
图5是描绘转移过程期间的电极元件的框图；
图6是描绘转移之后的电极元件的框图；
图7是描绘由多个电极元件制造的示例性电极的框图；
图8描绘了可包括在示例性超级电容器中的阳离子的一级结构的实施方案；
图9和图10分别提供了利用原始电解质和经纯化的电解质的示例性超级电容器的比较数据；
图11描绘了示例性超级电容器的壳体的实施方案；
图12示出了示例性超级电容器的储存单元的实施方案；
图13描绘了设置在壳体的主体的内部上的阻隔器；
图14A和图14B(在本文中统称为图14)描绘了壳体的盖的各方面；
图15描绘了根据本文教导的超级电容器的组合件；
图16A和图16B(在本文中统称为图16)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17描绘了作为包裹件设置在储存单元周围的阻隔物；
图18A、图18B和图18C(在本文中统称为图18)描绘了包括分多层的材料的盖的实施方案；
图19是包括玻璃-金属密封件(glass-to-metal seal)的电极组合件的横截面图；
图20是安装在图18B的盖中的图19的电极组合件的横截面图；
图21描绘了组合件中能量储存单元的布置；
图22A、图22B和图22C(在本文中统称为图22)描绘了组装的能量储存单元的实施方案；
图23描绘了聚合物绝缘体到超级电容器中的结合；
图24A、图24B和图24C(在本文中统称为图24)描绘了用于能量储存器的盖的另一个实施方案的模板的各方面；
图25是包括半球形材料的电极组合件的透视图；
图26是包括安装在图24的模板中的图25的电极组合件的盖的透视图；
图27是图26的盖的横截面图；
图28描绘了电极组合件与储存单元的端子的耦接；
图29是设置在圆柱形壳体内的能量储存单元的透明等距视图；
图30是储存单元的侧视图，示出了一个实施方案的多个层；
图31是卷起(rolled up)的储存单元的等距视图，其包括用于布置多根引线的参考标记；
图32是图31的储存单元一旦展开后的等距视图；
图33描绘了包含有多根引线的卷起的储存单元；
图34描绘了赋予到与储存单元耦接的对齐的引线(即，端子)的Z-折叠；
图35、图36、图37、图38是描绘示例性超级电容器的性能的图；以及
图39、图40、图41、图42、图43是描绘示例性超级电容器在210摄氏度下的性能的图。
图44A和图44B分别是描绘具有新型电解质实体：1-丁基-1-甲基哌啶双(三氟甲基磺酰基)亚胺的超级电容器在150摄氏度和1.5V下的性能的电容曲线和ESR曲线。
图45A和图45B分别是描绘具有新型电解质实体三己基十四烷基双(三氟甲基磺酰基)亚胺的超级电容器在150摄氏度和1.5V下的性能的电容曲线和ESR曲线。
图46A和图46B分别是描绘具有新型电解质实体丁基三甲铵双(三氟甲基磺酰基)亚胺的超级电容器在150摄氏度和1.5V下的性能的电容曲线和ESR曲线。
图47A和图47B分别是描绘具有选自用在制备增强的电解质组合中的离子液体的离子液体的超级电容器在125摄氏度和1.5V下的性能的电容曲线和ESR曲线。
图48A和图48B分别是描绘具有37.5％有机溶剂-离子液体(与图47中的一样)v/v的超级电容器在125摄氏度和1.5V下的性能的电容曲线和ESR曲线。
图49是描绘具有37.5％有机溶剂-离子液体(与图47中的一样)v/v的超级电容器在-40摄氏度和1.5V下的性能的ESR曲线。
具体实施方式
在本申请中描述了各种变量，包括但不限于组成(例如，电极材料、电解质等)、条件(例如，温度、各种杂质在各种水平下的自由度)、以及性能特性(例如，相对于初始电容的后循环电容、低漏电流等)。应该理解，这些变量中的任意变量的任意组合可以限定本发明的实施方案。例如，本发明的实施方案为特定电极材料、具有特定电介质、在特定温度范围下和具有小于特定量的杂质的组合、具有后循环电容的操作和特定值的漏电流(尽可能地包括这些变量但可能未对特定组合进行着重陈述)。也可以从本文中所列的变量之中具体地选择制品、组成、条件和/或方法的其他组合以限定其他实施方案，这些对本领域技术人员是明显的。
将参考为方便起见在下面阐述的以下定义来描述包括先进的电解质体系及其用途的本发明。除非另有说明，在本文中使用以下术语定义如下：
I.定义
在介绍本发明或其实施方案的元件时，当名词前没有数量词修饰时，其旨在包括单数形式和复数形式。类似地，当使用形容词“另一”修饰元件时，其旨在包括单数形式和复数形式。术语“包括”、“包含”和“具有”意指包括除所列的元件之外的另外的元件。
术语“烯基”和“炔基”在本领域中是公认的，并且是指与下述烷基的长度和可能取代物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“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环烷基取代的烷基。在某些实施方案中，直链或支链烷基在其骨架中具有约20个或更少的碳原子(例如，直链的C1-C20，支链的C1-C20)。同样，环烷基在其环结构中具有约3至约10个碳原子，或者在环结构中具有约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。
本文中使用的术语“包覆”、“熔覆”等是指将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制在一起来实现。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，其中多个材料层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。
作为惯例，可以认为，“污染物”可以被定义为若被引入将不利地影响超级电容器10的性能的任何非期望的材料。还应注意，在本文中一般而言，污染物可以以浓度来评估，例如份/百万份(ppm)。浓度可以采用按重量计、按体积计、按样品重量计或以确定合适的任意其他方式计。
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(sulfate)”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”在本领域中是已知的，并且是指基团C＝O。
一般而言，术语“电极”是指用于在可结合到电路的装置中与常为非金属的另一材料接触的电导体。一般而言，本文中使用的术语“电极”涉及集电器2和可伴随集电器2的另外的部件(例如能量储存介质1)以提供期望的功能性(例如，与集电器2相匹配的能量储存介质1来提供能量储存和能量传输)。
“能量密度”是峰值器件电压的平方乘以器件电容的二分之一除以所述器件的质量或体积。
如本文所讨论的，“气密”是指其性质(即，泄漏速率)以“atm-立方厘米/秒”为单位定义的密封，“atm-立方厘米/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-立方厘米/秒”为单位的表示。此外，认为1atm-立方厘米/秒等于1.01325豪巴-升/秒。
术语“杂烯基”和“杂炔基”在本领域中是已知的，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。
术语“杂烷基”在本领域中是已知的，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。
作为惯例，术语“内阻”和“有效串联电阻”以及“ESR”、本领域所公知的用于表示器件的电阻方面的术语在本文中可互换地使用。
作为惯例，术语“漏电流”一般是指在给定时间期间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。应注意，现有技术电容器的漏电流一般随能量储存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，认为升高的漏电流表示超级电容器10中逐渐升高的反应速率。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10而言，漏电流的实际限制可降至低于200mA。
电容器的“寿命”一般还由特定应用定义并且通常表示为漏电流的某一升高百分比或另一参数(如电容或内阻)的劣化(适当时或者对于给定应用是决定性的)。例如，在一个实施方案中，汽车应用中电容器的寿命可以定义为漏电流升高至其初始(寿命开始，“BOL”)值的200％的时间。在另一个实施例中，石油和天然气应用中电容器的寿命可以定义为出现如下现象中的任何现象的时间：电容下降至其BOL值的50％；内阻升高至其BOL值的200％；漏电流升高至其BOL值的200％。作为惯例，本文中使用的术语装置的“耐久性”和“可靠性”一般涉及如上所定义的所述装置的寿命。
装置的“操作温度范围”一般涉及在其中维持一定水平的性能的温度的范围并且一般针对给定应用而确定。例如，在一个实施方案中，石油和天然气领域的操作温度范围可以定义为如下温度范围，在该温度范围中装置的电阻低于所述装置在30摄氏度下的电阻的约1000％，并且电容大于在30摄氏度下的电容的约10％。
在一些情况下，操作温度范围规格提供了有效温度的下限而寿命规格提供了有效温度的上限。
“峰值功率密度”是峰值器件电压的平方的四分之一除以所述器件的有效串联电阻除以所述装置的质量或体积。
如本文中引用的，超级电容器10的“体积漏电流”一般是指漏电流除以超级电容器10的体积，并且可以例如以mA/立方厘米为单位表示。类似地，超级电容器10的“体积电容”一般是指超级电容器10的电容除以超级电容器10的体积，并且可以例如以F/立方厘米为单位表示。此外，超级电容器10的“体积ESR”一般是指超级电容器10的ESR乘以超级电容器10的体积，并且可以例如以欧姆·立方厘米为单位表示。
作为惯例，应认为，如本文中所使用的术语“可以”理解为可选的；“包括”理解为不排除其他选项(即，步骤、材料、部件、组分等)；“应”并非暗示要求，而仅是偶然的优选或根据情况的优选。其他类似术语以一般常规方式类似地使用。
如本文所讨论的，可认为术语例如“调整”、“配置”、“构造”等涉及本文中公开的任何技术以及其他类似技术(如目前已知的或之后开发的)的应用，以提供预期结果。
II.本发明的电容器
本文中所公开的是为使用者提供在宽的温度范围内具有改进性能的电容器。例如，本发明的包括本文中所描述的先进的电解质体系的电容器能够在大约低至-40摄氏度至高至约210摄氏度的温度范围下操作。
一般而言，与现有技术装置相比，本发明的电容器包括适合于提供高可靠性、宽操作温度范围、高功率密度和高能量密度的组合的能量储存介质。电容器包括配置成确保在所述温度范围内操作的部件，并且包括仅选自本文中所描述的先进的电解质体系的电解质6。构造、能量储存介质和先进的电解质体系的组合提供了本发明的稳健电容器(robustcapacitors)，该稳健电容器能够提供在极端条件下具有优于现有电容器的增强的性质并且具有更好的性能和耐久性的操作。
因此，本发明提供了一种超级电容器，该超级电容器包括：气密密封壳体内的能量储存单元和先进的电解质体系(AES)，该单元电耦接至正极接触件和负极接触件，其中超级电容器配置成在如下温度范围内的温度(“操作温度”)下操作：约-40摄氏度至约210摄氏度；约-35摄氏度至约210摄氏度；约-40摄氏度至约205摄氏度；约-30摄氏度至约210摄氏度；约-40摄氏度至约200摄氏度约；约-25摄氏度至约210摄氏度；约-40摄氏度至约195摄氏度；约-20摄氏度至约210摄氏度；约-40摄氏度至约190摄氏度度；约-15摄氏度至约210摄氏度；约-40摄氏度至约185摄氏度约；约-10摄氏度至约210摄氏度；约-40摄氏度至约180摄氏度；约-5摄氏度至约210摄氏度；约-40摄氏度至约175摄氏度；约0摄氏度至约210摄氏度；约-40摄氏度至约170摄氏度；约5摄氏度至约210摄氏度；约-40摄氏度至约165摄氏度；约10摄氏度至约210摄氏度；约-40摄氏度至约160摄氏度；约15摄氏度至约210摄氏度；约-40摄氏度至约155摄氏度；约20摄氏度至约210摄氏度；约-40摄氏度至约150摄氏度。
在一个特定实施方案中，AES包括新型电解质实体(NEE)，例如，其中NEE适合于在高温超级电容器中使用。在某些实施方案中，超级电容器配置成在约80摄氏度至约210摄氏度的温度范围(例如，约80摄氏度至约150摄氏度的温度范围)内的温度下操作。
在一个特定实施方案中，AES包括高度纯化的电解质，例如，其中高度纯化的电解质适合于在高温超级电容器中使用。在某些实施方案中，超级电容器配置成在约80摄氏度至约210摄氏度的温度范围内的温度下操作。
在一个特定实施方案中，AES包括增强的电解质组合，例如，其中增强的电解质组合适合于在高温超级电容器和低温超级电容器两者中使用。在某些实施方案中，超级电容器配置成在约-40摄氏度至约150摄氏度的温度范围内的温度下操作。
如此，并且如上所述，优于已知的能量储存装置的现有电解质的优点选自如下改进中的一项或更多项：总电阻降低；电阻的长期稳定性提高、总电容增加、电容的长期稳定性提高、能量密度增加、电压稳定性提高、蒸气压减小、单个电容器的温度范围性能更宽、单个电容器的温度耐久性提高、制造容易度提高以及成本效益改进。
在超级电容器的某些实施方案中，能量储存单元包括正电极和负电极。
在超级电容器的某些实施方案中，电极中的至少之一包括含碳能量储存介质，例如，其中含碳能量储存介质包括碳纳米管。在特定实施方案中，含碳能量储存介质可以包括活性炭、碳纤维、人造纤维、石墨烯、气凝胶、碳布和碳纳米管中的至少之一。
在超级电容器的某些实施方案中，每个电极包括集电器。
在超级电容器的某些实施方案中，AES被纯化以降低杂质含量。在超级电容器的某些实施方案中，电解质中卤离子的含量低于约1000份/百万份，例如，低于约500份/百万份，例如，低于约100份/百万份，例如，低于约50份/百万份。在特定实施方案中，电解质中的卤离子选自从氯离子、溴离子、氟离子和碘离子中选择的卤离子中的一种或更多种。在特定实施方案中，电解质中杂质的总浓度低于约1000份/百万份。在某些实施方案中，杂质选自溴乙烷、氯乙烷、1-溴丁烷、1-氯丁烷、1-甲基咪唑、乙酸乙酯和二氯甲烷中的一种或更多种。
在超级电容器的某些实施方案中，电解质中金属物质的总浓度低于约1000份/百万份。在特定实施方案中，金属物质选自从Cd、Co、Cr、Cu、Fe、K、Li、Mo、Na、Ni、Pb和Zn中选择的一种或更多种金属。在另一特定实施方案中，金属物质选自从Cd、Co、Cr、Cu、Fe、K、Li、Mo、Na、Ni、Pb和Zn中选择的金属的一种或更多种合金。在又一个特定实施方案中，金属物质选自从Cd、Co、Cr、Cu、Fe、K、Li、Mo、Na、Ni、Pb和Zn中选择的金属的一种或更多种的氧化物。
在超级电容器的某些实施方案中，电解质中总的水含量低于约500份/百万份，例如，低于约100份/百万份，例如，低于约50份/百万份，例如，低于约20份/百万份。
在超级电容器的某些实施方案中，壳体包括设置在其内部表面的显著部分之上的阻隔物。在特定实施方案中，阻隔物包括聚四氟乙烯(PTFE)、全氟烷氧基树脂(PFA)、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)中的至少之一。在特定实施方案中，阻隔物包括陶瓷材料。阻隔物还可以包括表现出耐腐蚀性、期望的介电性质和低的电化学反应性的材料。在阻隔物的特定实施方案中，阻隔物包括多个材料层。
在超级电容器的某些实施方案中，壳体包含多层材料，例如，其中多层材料包含包覆到第二材料上的第一材料。在特定实施方案中，多层材料包含钢、钽和铝中的至少之一。
在超级电容器的某些实施方案中，壳体包含至少一个半球形密封件。
在超级电容器的某些实施方案中，壳体包含至少一个玻璃-金属密封件，例如，其中玻璃-金属密封件的引脚提供接触件之一。在特定实施方案中，玻璃-金属密封件包括由选自以下材料之一构成的馈通件：铁-镍-钴合金、镍铁合金、钽、钼、铌、钨以及一定形式的不锈钢和钛。在另一个特定实施方案中，玻璃-金属密封件包括由选自以下的至少一种材料构成的本体：镍、钼、铬、钴、铁、铜、锰、钛、锆、铝、碳和钨，以及其合金。
在超级电容器的某些实施方案中，能量储存单元包括隔离器以提供正电极和负电极之间的电隔离，例如，其中隔离器包含选自聚酰胺、聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)、氧化铝(Al2O3)、玻璃纤维、玻璃纤维增强塑料或其任意组合中的材料。在特定实施方案中，隔离器基本上不含水分。在另一特定实施方案中，隔离器包含基本上是疏水的。
在超级电容器的某些实施方案中，气密密封件表现出如下泄漏速率：不大于约5.0×10-6atm-立方厘米/秒；例如，不大于约5.0×10-7atm-立方厘米/秒；例如，不大于约5.0×10-8atm-立方厘米/秒；例如，不大于约5.0×10-9atm-立方厘米/秒；例如，不大于约5.0×10-10 atm-立方厘米/秒。
在超级电容器的某些实施方案中，至少一个接触件配置成匹配另一个超级电容器的另一个接触件。
在超级电容器的某些实施方案中，存储单元包括设置在其外部之上的包裹件，例如，其中该包裹件包含PTFE和聚酰亚胺中之一。
在超级电容器的某些实施方案中，体积漏电流在温度范围内为低于约10安培/升。
在超级电容器的某些实施方案中，体积漏电流在特定电压范围内为低于约10安培/升，所述特定电压范围在约0伏特至约4伏特之间，例如，约0伏特至约3伏特之间，例如，约0伏特至约2伏特之间，例如，约0伏特至约1伏特之间。在超级电容器的某些实施方案中，壳体内的水分水平低于约1000份/百万份(ppm)，例如，低于约500份/百万份(ppm)，例如，低于约350份/百万份(ppm)。
在超级电容器的某些实施方案中，在超级电容器的电极中的水分含量低于约1000ppm，例如，低于约500ppm，例如，低于约350份/百万份(ppm)。
在超级电容器的某些实施方案中，在超级电容器的隔离器中的水分含量低于约1000ppm，例如，低于约500ppm，例如，低于约160份/百万份(ppm)。
在超级电容器的某些实施方案中，对于选自电极、电解质和隔离器的部件之一，氯离子含量低于约300ppm。
在超级电容器的某些实施方案中，超级电容器的体积漏电流(mA/立方厘米)在保持基本恒定的温度时低于约10mA/立方厘米，例如，在特定实施方案中，在保持基本恒定的温度时低于约1mA/立方厘米。
在超级电容器的某些实施方案中，超级电容器的体积漏电流在保持基本恒定的温度时大于约0.0001mA/立方厘米。
在超级电容器的某些实施方案中，超级电容器的体积电容在约6F/立方厘米与约ImF/立方厘米之间；在约10F/立方厘米与约5F/立方厘米之间；或约50F/立方厘米与约8F/立方厘米之间。
在超级电容器的某些实施方案中，超级电容器的体积ESR在约20毫欧·立方厘米与200毫欧·立方厘米之间、约150毫欧·立方厘米与2欧姆·立方厘米之间、约1.5欧姆·立方厘米与200欧姆·立方厘米之间或约150欧姆·立方厘米与2000欧姆·立方厘米之间。
在超级电容器的某些实施方案中，超级电容器在保持基本恒定的电压和操作温度时表现出低于约90％的电容下降。在特定实施方案中，超级电容器在基本恒定的电压和操作温度下保持至少1小时(例如，至少10小时；例如，至少50小时；例如，至少100小时；例如，至少200小时；例如，至少300小时；例如，至少400个小时；例如，至少500小时；例如，至少1000小时)时表现出低于约90％的电容下降。
在超级电容器的某些实施方案中，超级电容器在基本恒定的电压和操作温度下保持至少1小时时表现出低于约1000％的ESR升高，例如，至少10小时；例如，至少50小时；例如，至少100小时；例如，至少200小时；例如，至少300小时；例如，至少400个小时；例如，至少500小时；例如，至少1000小时。
例如，如图1所示，示出了电容器的示例性实施方案。在这种情况下，电容器是“超级电容器10”。示例性超级电容器10是双电层电容器(EDLC)。超级电容器10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***或者以圆柱状形状因子安装或具有圆柱状空腔的***时最有用。轮状或环状单元形状因子可以在结合环状***或者以环状形状因子安装或具有环状空腔的***时最有用。扁平棱柱单元形状因子可以在结合矩形***或者以矩形形状因子安装或具有矩形空腔的***时最有用。
虽然在本文中一般以“胶状卷”应用(即，存储单元12配置成圆柱形壳体7)的形状公开，但是卷制的存储单元23可以采取任意期望的形状。例如，相对于卷起存储单元12，可以进行存储单元12的折叠以提供卷制的存储单元23。可以使用其它类型的组合件。作为一个实例，存储单元12可以是扁平的单元，称为硬币型、袋型或棱柱型单元。因此，卷起只是卷制的存储单元23的组合件的一个选择。因此，虽然在本文中就“卷制的存储单元23”的方面进行讨论，但这并非是限制。可以认为术语“卷制的存储单元23”通常包括以良好适合于壳体7的给定设计的任意合适的形式封装或包装的存储单元12。
可以将多种形状的超级电容器10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触件等来连接所述多种形状。多个超级电容器10可以以并联和串联形式中的至少之一电连接。
出于本发明的目的，超级电容器10的体积可以为约0.05毫升至7.5升。
可存在多种超级电容器10特别有用的环境。例如，在汽车应用中，可以实现105摄氏度的环境温度(其中电容器的实际寿命为约1年至20年)。在一些井下应用例如地热钻井中，可以达到300摄氏度或更高的环境温度(其中电容器的实际寿命为约1小时至10000小时)。
现在将依次讨论本发明的超级电容器的部件。
A.本发明的先进的电解质体系
本发明的先进的电解质体系提供本发明的超级电容器的电解质组成，并且在图1中被标记为“电解质6”。电解质6填充电极3与隔离器5之中和之间的空隙空间。一般而言，本发明的先进的电解质体系包括独特的电解质、纯化增强的电解质或其组合，其中，电解质6是解离成带电离子(例如，带正电的阳离子和带负电的阴离子)的物质(例如由一种或更多种盐或离子液体构成)并且可以包括溶剂。在本发明的先进的电解质体系中，基于某些性能和耐久性特性的增强来选择这样的电解质组成，并且该电解质组成可以与一种或更多种溶剂进行组合，所述一种或更多种溶剂溶解上述物质以产生具有新型和有用电化学稳定性和性能的组成。
本发明的先进的电解质体系为本发明的超级电容器提供了优于现有能量储存装置(例如，包含在本文中没有公开的电解质的能量储存装置，或包含纯度不足的电解质的能量储存装置)的独特而鲜明的优点。这些优点包括在性能和耐久性两者上的改进，例如如下中的一项或更多项：总电阻降低；电阻的长期稳定性提高(例如，材料在给定温度下随时间电阻升高的减小)；总电容增加；电容的长期稳定性提高(例如，电容器在给定温度下随时间电容降低的减小)；能量密度增加(例如，通过提供更高的电压和/或通过产生更高的电容)；电压稳定性提高，蒸气压减小，单个电容器的温度范围性能更宽(例如，当在两个温度之间转换时没有电容的显著降低和/或ESR的显著升高，例如，当从约+30℃至约-40℃转换时没有大于90％的电容降低和/或大于1000％的ESR升高)，单个电容器的温度耐久性提高(例如，在给定温度下在给定时间后低于50％的电容降低和/或在给定温度下在给定时间后低于100％的ESR升高，和/或在给定温度下在给定时间后低于10A/L的漏电流，例如，低于40％的电容降低和/或低于75％的ESR升高，和/或低于5A/L的漏电流；例如，低于30％的电容降低和/或低于50％的ESR升高，和/或低于1A/L的漏电流)，制造容易度提高(例如，通过具有减小的蒸气压，从而得到更好的产率和/或用电解质填充电容器的更有效的方法)；以及成本效益改进(例如，通过用与其他材料相比成本较便宜的材料填充空隙空间)。为了清楚起见，性能特性涉及如下性质：这些性质涉及装置在给定用途下的实用性，该实用性适合对在使用的类似给定用途下的材料进行对比；同时耐久性涉及与随时间推移维持上述性质的能力有关的性质。以上性能和耐久性的实例应该用于为在本文中被认为是“在性能或耐久性上的显著变化”的内容提供背景支撑。
为了清楚起见，并且一般而言，如在本文中所使用的包含在本发明的能量储存装置中的“电解质6”的提及指的是本发明的先进的电解质体系。
AES或电解质6的性质可以是选自如下的改进的结果：电容增加、等效串联电阻(ESR)降低、高热稳定性、低玻璃化转变温度(Tg)、改进的粘度、特定震凝(rhoepectic)或触变性质(例如取决于温度的性质)以及高传导性和在宽温度范围内表现良好的电性能。例如，电解质6可具有高流动性，或者相反，基本上为固体，使得确保了电极3的隔离。
本发明的先进的电解质体系包括：在本文中所描述的用在高温超级电容器中的新型电解质；用于在高温超级电容器中的高度纯化的电解质；以及适合于在从-40摄氏度至210摄氏度的温度下使用的增强的电解质组合，在所有温度下性能或耐久性没有显著下降。
虽然在本文中所呈现的公开内容应该关注将本文中所描述的先进的电解质体系应用于超级电容器，但是这些先进的电解质体系可应用于任何能量储存装置。
i.新型电解质实体(NEE)
在一个实施方案中，本发明的先进的电解质体系(AES)包括在高温超级电容器中使用的某些新型电解质。在这方面，已经发现维持纯度和低水分涉及能量储存10的性能的等级；并且，使用包含疏水性材料的电解质以及已经发现表现出更高的纯度和更低的水分含量的电解质有利于获得改进的性能。这些电解质在约80摄氏度至约210摄氏度的温度范围内表现出良好的性能特性，例如，在约80摄氏度至约200摄氏度；例如，约80摄氏度至约190摄氏度；例如，约80摄氏度至约180摄氏度；例如，约80摄氏度至约170摄氏度；例如，约80摄氏度至约160摄氏度；例如，约80摄氏度至约150摄氏度，例如，约85摄氏度至约145摄氏度；例如，约90摄氏度至约140摄氏度；例如，约95摄氏度至约135摄氏度；例如，约100摄氏度至约130摄氏度；例如，约105摄氏度至约125摄氏度；例如，约110摄氏度至约120摄氏度。
因此，可用作先进的电解质体系(AES)的新型电解质实体包括包含阳离子(例如，图8中所示的和本文中所描述的阳离子)和阴离子的物质或者这样物质的组合。在一些实施方案中，上述物质包括含氮阳离子、含氧阳离子、含磷阳离子和/或含硫阳离子，包含杂芳基阳离子和杂环基阳离子。在一组实施方案中，先进的电解质体系(AES)包括包含选自铵、咪唑 唑哌啶吡嗪吡唑哒嗪吡啶嘧啶锍、噻唑***胍异喹啉苯并***以及紫精类型阳离子的阳离子的物质，上述阳离子中的任意阳离子可以用本文所述的取代基取代。在一个实施方案中，用于本发明的先进的电解质体系(AES)的新型电解质实体包括图8中所示的阳离子，和选自四氟硼酸根、双(三氟甲基磺酰)亚胺、四氰基硼酸根和三氟甲磺酸根的阴离子的的任意组合，图8中所示的阳离子选自哌啶和铵，其中各个支链基团Rx(例如，R1、R2、R3...Rx)可以选自烷基、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、磺酸基和羰基，其中任意一者任选地被取代，并且其中至少两个Rx不是H(即，使得R基团的选择和取向产生图8中所示的阳离子物质)。
例如，给定上述阳离子和阴离子的组合，在特定实施方案中，AES可以选自三己基十四烷基双(三氟甲基磺酰基)亚胺、1-丁基-1-甲基哌啶双(三氟甲基磺酰基)亚胺和丁基三甲铵双(三氟甲基磺酰基)亚胺的组。在图44A和图44B、图45A和图45B以及图46A和图46B中提供了支持如随时间变化的电容和ESR测量结果所证明的在温度范围内增强的性能特性的数据，测量结果表明了高温实用性和长期耐久性。
在某些实施方案中，AES是三己基十四烷基双(三氟甲基磺酰基)亚胺。
在某些实施方案中，AES是1-丁基-1-甲基哌啶双(三氟甲基磺酰基)亚胺。
在某些实施方案中，AES是丁基三甲铵双(三氟甲基磺酰基)亚胺。
在另一个实施方案中，可用于本发明的先进的电解质体系(AES)的新型电解质实体包括图8中所示的阳离子，和选自四氟硼酸根、双(三氟甲基磺酰基)亚胺、四氰基硼酸根和三氟甲磺酸根的阴离子的任意组合，图8中所示的阳离子选自咪唑和吡咯烷其中各个支链基团Rx(例如，R1、R2、R3...Rx)可以选自烷基、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、磺酸酯和羰基的组，其中任意一者任选地被取代，并且其中至少两个Rx不是H(即，使得R基团的选择和取向产生图8中所示的阳离子物质)。在一个特定实施方案中，不是H的两个Rx是烷基。此外，所述阳离子表现出高的热稳定性以及高传导性并且表现出在宽温度范围内的良好的电化学性能。
例如，给定以上阳离子和阴离子的组合，在特定实施方案中，AES可以选自1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐；1-丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺，1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐；1-乙基-3-甲基咪唑四氰基硼酸盐；1-己基-3-甲基咪唑四氰基硼酸盐；1-丁基-1-甲基吡咯烷双(三氟甲基磺酰基)亚胺；1-丁基-1-甲基吡咯烷三(五氟乙基)三氟磷酸盐；1-丁基-1-甲基吡咯烷四氰基硼酸盐和1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐。
在一个实施方案中，AES是1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。
在一个实施方案中，AES是1-丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺。
在一个实施方案中，AES是1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。
在一个实施方案中，AES是1-乙基-3-甲基咪唑四氰基硼酸盐。
在一个实施方案中，AES是1-己基-3-甲基咪唑四氰基硼酸盐。
在一个实施方案中，AES是1-丁基-1-甲基吡咯烷双(三氟甲基磺酰基)亚胺。
在一个实施方案中，AES是1-丁基-1-甲基吡咯烷三(五氟乙基)三氟磷酸盐。
在一个实施方案中，AES是1-丁基-1-甲基吡咯烷四氰基硼酸盐。
在一个实施方案中，AES是1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐。
在另一个特定实施方案中，不是H的两个Rx之一是烷基，例如，甲基，而另一个是用烷氧基取代的烷基。此外，已经发现在分子中具有式(1)的N，O-缩醛骨架结构的阳离子具有高导电性，并且包括在这些阳离子中并且具有吡咯烷骨架和N，O-缩醛基团的铵阳离子在有机溶剂中的导电性和溶解度特别高，并且支持相对高的电压。如此，在一个实施方案中，先进的电解质体系包括下式的盐：
其中R1和R2可以相同或不同，且均为烷基，并且X-为阴离子。在一些实施方案中，R1是具有1至4个碳原子的直链烷基或支链烷基，R2是甲基或乙基，并且X-是含氰基硼酸根的阴离子11。在特定实施方案中，X-包括[B(CN)]4并且R2是甲基和乙基中之一。在另一特定实施方案中，R1和R2均为甲基。另外，在一个实施方案中，适合本发明的先进的电解质体系的氰基硼酸阴离子11，X-包括[B(CN)4]-或[BFn(CN)4-n]-，其中n＝0、1、2或3。
本发明的包含式(1)的新型电解质实体并且由式(I)中所示的季铵阳离子和氰基硼酸阴离子构成的AES的阳离子的实例选自N-甲基-N-甲氧基甲基吡咯烷(N-甲氧基甲基-N-甲基吡咯烷)、N-乙基-N-甲氧基甲基吡咯烷N-甲氧基甲基-N-正丙基吡咯烷N-甲氧基甲基-N-异丙基吡咯烷N-正丁基-N-甲氧基甲基吡咯烷N-异丁基-N-甲氧基甲基吡咯烷N-叔丁基-N-甲氧基甲基吡咯烷N-乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷N-乙基-N-乙氧基甲基吡咯烷(N-乙氧基甲基-N-乙基吡咯烷)、N-乙氧基甲基-N-正丙基吡咯烷N-乙氧基甲基-N-异丙基吡咯烷N-正丁基-N-乙氧基甲基吡咯烷N-异丁基-N-乙氧基甲基吡咯烷和N-叔丁基-N-乙氧基甲基吡咯烷其它实例包括N-甲基-N-甲氧基甲基吡咯烷(N-甲氧基甲基-N-甲基吡咯烷)、N-乙基-N-甲氧基甲基吡咯烷和N-乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷
与另外的阴离子组合的式(1)的阳离子的另外实例可以选自N-甲基-N-甲氧基甲基吡咯烷四氰基硼酸盐(N-甲氧基甲基-N-甲基吡咯烷四氰基硼酸盐)、N-乙基-N-甲氧基甲基吡咯烷四氰基硼酸盐、N-乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷四氰基硼酸盐、N-甲基-N-甲氧基甲基吡咯烷双三氟甲磺酰基亚胺、(N-甲氧基甲基-N-甲基吡咯烷双三氟甲磺酰基亚胺)、N-乙基-N-甲氧基甲基吡咯烷双三氟甲磺酰基亚胺、N-乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷双三氟甲磺酰基亚胺、N-甲基-N-甲氧基甲基吡咯烷三氟甲磺酸盐(N-甲氧基甲基-N-甲基三氟甲磺酸盐)。
在用作电解质的情况下，可以使用季铵盐来与合适的有机溶剂的掺混。可用的溶剂包括环状碳酸酯、链状碳酸酯、磷酸酯、环状醚、链状醚、内酯化合物、链状酯、腈化合物、酰胺化合物和砜化合物。这类化合物的实例列举如下，不过所使用的溶剂不限于这些化合物。
环状碳酸酯的实例为碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯等，其中，优选碳酸亚丙酯。
链状碳酸酯的实例是碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯等，其中，优选碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯。
磷酸酯的实例是磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、磷酸乙基二甲酯、磷酸二乙基甲酯等。环状醚的实例是四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃等。链状醚的实例是乙二醇二甲醚等。内酯化合物的实例是γ-丁内酯等。链状酯的实例是丙酸甲酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、甲酸甲酯等。腈化合物的实例是乙腈等。酰胺化合物的实例是二甲基甲酰胺等。砜化合物的实例是环丁砜、甲基环丁砜等。在一些实施方案中，特别期望的是环状碳酸酯、链状碳酸酯、腈化合物和砜化合物。
这些溶剂可以单独使用，也可以以掺混物的形式使用至少两种溶剂。优选有机溶剂混合物的实例是：环状碳酸酯和链状碳酸酯的混合物，例如碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯的混合物，碳酸亚乙酯和碳酸甲乙酯的混合物，碳酸亚乙酯和碳酸二乙酯的混合物，碳酸亚丙酯和碳酸二甲酯的混合物，碳酸亚丙酯和碳酸甲乙酯的混合物以及碳酸亚丙酯和碳酸二乙酯的混合物；链状碳酸酯的混合物例如碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯的混合物；以及环丁砜化合物的混合物例如环丁砜和甲基环丁砜的混合物。较优选的是碳酸亚乙酯和碳酸甲乙酯的混合物、碳酸亚丙酯和碳酸甲乙酯的混合物以及碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯的混合物。
在一些实施方案中，在本发明的季铵盐用作电解质的情况下，电解质浓度为至少0.1M，在一些情况下为至少0.5M以及可以为至少1M。如果浓度低于0.1M，将会导致低导电率，产生性能削弱的电化学装置。在电解质在室温下为液态盐的情况下，上限浓度为分离浓度。在溶液不分离的情况下，极限浓度为100％。当盐在室温下为固体的情况下，极限浓度为溶液被盐饱和时的浓度。
在某些实施方案中，先进的电解质体系(AES)可以被掺混有除了本文中所公开那些电解质之外的电解质，只要这样的组合不显著影响使用先进的电解质体系所实现的优点即可，例如，改变性能或耐久性特性超过10％。可以适合于与AES掺混的电解质的实例是碱金属盐、季铵盐、季盐等。与在本文中所公开的AES掺混时，这些电解质可以单独使用，或者这些电解质中的至少两种可组合使用。可使用的碱金属盐包括锂盐、钠盐和钾盐。这种锂盐的实例是六氟磷酸锂、氟硼酸锂、高氯酸锂、三氟甲磺酸锂、磺酰亚胺锂、甲磺酰锂等，然而这不是限制性的。可使用的钠盐的实例是六氟磷酸钠、氟硼酸钠、高氯酸钠、三氟甲磺酸钠、磺酰亚胺钠、甲磺酰钠等。可使用的钾盐的实例是六氟磷酸钾、氟硼酸钾、高氯酸钾、三氟甲磺酸钾、磺酰亚胺钾，甲磺酰钾等，然而这些不是限制性的。
以上所述的可以组合使用的可使用的季铵盐(即，不显著影响使用先进的电解质体系所实现的优点)包括四烷基铵盐、咪唑盐、吡唑盐、吡啶盐、***盐、哒嗪盐等，这不是限制性的。可使用的四烷基铵盐的实例是四乙铵四氰基硼酸盐、四甲铵四氰基硼酸盐、四丙铵四氰基硼酸盐、四丁铵四氰基硼酸盐、三乙基甲铵四氰基硼酸盐、三甲基乙铵四氰基硼酸盐、二甲基二乙铵四氰基硼酸盐、三甲基丙铵四氰基硼酸盐、三甲基丁铵四氰基硼酸盐、二甲基乙基丙铵四氰基硼酸盐、甲基乙基丙基丁铵四氰基硼酸盐、N，N-二甲基吡咯烷四氰基硼酸盐、N-乙基-N-甲基吡咯烷四氰基硼酸盐、N-甲基-N-丙基吡咯烷四氰基硼酸盐、N-乙基-N-丙基吡咯烷四氰基硼酸盐、N，N-二甲基哌啶四氰基硼酸盐、N-甲基-N-乙基哌啶四氰基硼酸盐、N-甲基-N-丙基哌啶四氰基硼酸盐、N-乙基-N-丙基哌啶四氰基硼酸盐、N，N-二甲基吗啉四氰基硼酸盐、N-甲基-N-乙基吗啉四氰基硼酸盐、N-甲基-N-丙基吗啉四氰基硼酸盐、N-乙基-N-丙基吗啉四氰基硼酸盐等，然而这些实例并非限制性的。
以上所述的可以组合使用(即，不显著影响使用先进的电解质体系所实现的优点)的咪唑盐的实例包括1，3-二甲基咪唑四氰基硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氰基硼酸盐、1，3-二乙基咪唑四氰基硼酸盐、1，2-二甲基-3-乙基咪唑四氰基硼酸盐和1，2-二甲基-3-丙基咪唑四氰基硼酸盐，但不限于这些。吡唑盐的实例是1，2-二甲基吡唑四氰基硼酸盐、1-甲基-2-乙基吡唑四氰基硼酸盐、1-丙基-2-甲基吡唑四氰基硼酸盐和1-甲基-2-丁基吡唑四氰基硼酸盐，但不限于这些。吡啶盐的实例是N-甲基吡啶四氰基硼酸盐、N-乙基吡啶四氰基硼酸盐、N-丙基吡啶四氰基硼酸盐和N-丁基吡啶四氰基硼酸盐，但不限于这些。***盐的实例是1-甲基***四氰基硼酸盐、1-乙基***四氰基硼酸盐、1-丙基***四氰基硼酸盐和1-丁基***四氰基硼酸盐，但不限于这些。哒嗪盐的实例是1-甲基哒嗪四氰基硼酸盐、1-乙基哒嗪四氰基硼酸盐、1-丙基哒嗪四氰基硼酸盐和1-丁基哒嗪四氰基硼酸盐，但不限于这些。季盐的实例是四乙基四氰基硼酸盐、四甲基四氰基硼酸盐、四丙基四氰基硼酸盐、四丁基四氰基硼酸盐、三乙基甲基四氰基硼酸盐、三甲基乙基四氰基硼酸盐、二甲基二乙基四氰基硼酸盐、三甲基丙基四氰基硼酸盐、三甲基丁基四氰基硼酸盐、二甲基乙基丙基四氰基硼酸盐、甲基乙基丙基丁基四氰基硼酸盐，但不限于这些。
在某些实施方案中，本文中所选择的用于先进的电解质体系的新型电解质也可以被纯化。这样的纯化可以使用本领域公知的技术或本文中所提供的技术执行。该纯化可以进一步改进本文中所描述的新型电解质实体的特性。
ii.高度纯化的电解质
在一个实施方案中，本发明的先进的电解质体系包括在高温超级电容器中使用的某些高度纯化的电解质。在某些实施方案中，构成本发明的AES的高度纯化的电解质是通过本文中所述的纯化方法纯化的以下所述的那些电解质以及以上所述的那些新型电解质。本文中所提供的纯化方法产生能够提供先进的电解质体系的杂质水平，所述先进的电解质体系在高温应用(例如，高温超级电容器)中使用的具有增强的性能，例如，在约80摄氏度至约210摄氏度的温度范围内，例如，约80摄氏度至约200摄氏度；例如，约80摄氏度至约190摄氏度；例如，约80摄氏度至约180摄氏度；例如，约80摄氏度至约170摄氏度；例如，约80摄氏度至约160摄氏度；例如，约80摄氏度至约150摄氏度；例如，约85摄氏度至约145摄氏度；例如，约90摄氏度至约140摄氏度；例如，约95摄氏度至约135摄氏度；例如，约100摄氏度至约130摄氏度；例如，约105摄氏度至约125摄氏度；例如，约110摄氏度至约120摄氏度。
获得超级电容器10的改进的性质导致需求比现有的可获得的电解质***更好的电解质***。例如，已经发现增大操作温度范围可通过从已知电解质的某些形式显著减少/去除杂质来实现。特别值得关注的杂质包括水、卤离子(氯离子、溴离子、氟离子和碘离子)、游离胺(氨)、硫酸根和金属阳离子(Ag、Al、Ba、Ca、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、K、Li、Mg、Mn、Mo、Na、Ni、Pb、Sr、Ti、Zn)。这样纯化的经高度纯化的电解质产品提供了出乎意料的远优于未经纯化的电解质的电解质，并且因此，属于本发明的先进的电解质体系。
在特定实施方案中，本发明提供了可以用作本发明的AES的经纯化的阳离子9和阴离子11的混合物以及在一些情况下的溶剂，上述本发明的AES包括低于约5000份/百万份(ppm)的氯离子；低于约1000ppm的氟离子；和/或低于约1000ppm的水(例如，低于约2000ppm的氯离子；低于约200ppm的氟离子；和/或低于约200ppm的水，例如，低于约1000ppm的氯离子；低于约100ppm的氟离子；和/或低于约100ppm的水，例如，低于约500ppm的氯离子，低于约50ppm的氟离子；和/或低于约50ppm的水，例如，低于约780份/百万份的氯离子；低于约11份/百万份的氟离子；和低于约20份/百万份的水。)
一般而言，使用本文中所述的纯化方法来除去被纯化的电解质中的杂质。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)的总浓度可以减小至低于约1000ppm。金属物质(例如，Cd、Co、Cr、Cu、Fe、K、Li、Mo、Na、Ni、Pb、Zn，包括其合金和氧化物中至少一种)的总浓度可以减小至低于约1000ppm。此外，来自合成过程中使用的溶剂和前体的杂质可以减小至低于约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10的电解质6的离子选择电极和卡尔·费歇尔(Karl Fischer)滴定法测量了超级电容器10的杂质含量。在某些实施方案中，发现根据本文教导的超级电容器10的总卤离子含量为低于约200ppm的卤离子(Cl-和F-)，水含量为低于约100ppm。
可以使用各种技术例如原子吸收光谱仪(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是用于采用通过气态的自由原子的光辐射(光)的吸收来定性和定量地测定化学元素的光谱分析方法。该技术用于确定待分析的样品中特定元素(被分析物)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。该技术是基于将作为生成离子(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6(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色谱分析来测量相关的卤化物。使用包含20mM NaOH和10％(v/v)乙腈的洗脱剂的Dionex AS9-HC柱是可用于定量化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射线荧光光谱。
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射线来辐照的分析仪中。样品中的任意卤素原子吸收一部分X射线，然后反射作为给定卤素的特征波长的辐射。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(microcoulometer)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从约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成分。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结合并且作为不溶的氯化银从溶液中脱离(drop out)。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，仪器能够测定初始样品中存在多少氯。存在的氯的总量除以样品的重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测电极3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3中的表面杂质。
另一种用于确定电解质6和超级电容器10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，所描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。激光与体系中的分子振动、声子或其他激励相互作用，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10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10的内容物。
iii.增强的电解质组合
在一个实施方案中，本发明的先进的电解质体系包括适合在如下温度范围下使用的某些增强的电解质组合，而在性能或耐久性上没有显著下降，所述温度范围为-40摄氏度至210摄氏度；例如，-40摄氏度至150摄氏度；例如，-30摄氏度至150摄氏度；例如，-30摄氏度至140摄氏度；例如，-20摄氏度至140摄氏度；例如，-20摄氏度至130摄氏度；例如，-10摄氏度至130摄氏度；例如，-10摄氏度至120摄氏度；例如，0摄氏度至120摄氏度；例如，0摄氏度至110摄氏度，例如，0摄氏度至100摄氏度；例如，0摄氏度至90摄氏度；例如，0摄氏度至80摄氏度；例如，0摄氏度至70摄氏度。
一般而言，在给定温度下较高程度的耐久性可以与在较低温度下较高程度的电压稳定性一致。因此，对利用增强的电解质组合的高温耐久性AES的开发通常会导致同时开发的高电压但较低温度的AES，使得本文中所述的这些增强的电解质组合也可以在较高的电压下使用，并因此有更高的能量密度，但较低的温度。
在一个实施方案中，本发明提供了适合在能量储存单元(例如，超级电容器)中使用的增强的电解质组合，该增强的电解质组合包括新型电解质混合物，所述新型电解质混合物选自：混合有第二离子液体的离子液体、混合有有机溶剂的离子液体以及混合有第二离子液体和有机溶剂的离子液体。
其中，每种离子液体选自如下阳离子和阴离子的任意组合的盐，其中，阳离子选自：1-丁基-3-甲基咪唑1-乙基-3-甲基咪唑1-己基-3-甲基咪唑1-丁基-1-甲基哌啶丁基三甲铵、1-丁基-1-甲基吡咯烷三己基十四烷基和1-丁基-3-甲基咪唑并且阴离子选自：四氟硼酸根、双(三氟甲基磺酰基)亚胺、四氰基硼酸根和三氟甲磺酸根；以及
其中，有机溶剂选自直链砜(例如，乙基异丙砜、乙基异丁砜、乙基甲砜、甲基异丙砜、异丙基异丁砜、异丙基仲丁砜、丁基异丁砜和二甲砜)、直链碳酸酯(例如，碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯和碳酸二甲酯)和乙腈。
例如，给定以上阳离子和阴离子的组合，每种离子液体可以选自：1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氰基硼酸盐、1-己基-3-甲基咪唑四氰基硼酸盐、1-丁基-1-甲基吡咯烷双(三氟甲基磺酰基)亚胺、1-丁基-1-甲基吡咯烷三(五氟乙基)三氟磷酸盐、1-丁基-1-甲基吡咯烷四氰基硼酸盐、三己基十四烷基双(三氟甲基磺酰基)亚胺、1-丁基-1-甲基哌啶双(三氟甲基磺酰基)亚胺、丁基三甲铵双(三氟甲基磺酰基)亚胺以及1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐。
在某些实施方案中，离子液体是1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。
在某些实施方案中，离子液体是1-丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺。
在某些实施方案中，离子液体是1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。
在某些实施方案中，离子液体是1-乙基-3-甲基咪唑四氰基硼酸盐。
在某些实施方案中，离子液体是1-己基-3-甲基咪唑四氰基硼酸盐。
在某些实施方案中，离子液体是1-丁基-1-甲基吡咯烷双(三氟甲基磺酰基)亚胺。
在一个实施方案中，离子液体是1-丁基-1-甲基吡咯烷三(五氟乙基)三氟磷酸盐。
在某些实施方案中，离子液体是1-丁基-1-甲基吡咯烷四氰基硼酸盐。
在某些实施方案中，离子液体是三己基十四烷基双(三氟甲基磺酰基)亚胺。
在某些实施方案中，离子液体是1-丁基-1-甲基哌啶双(三氟甲基磺酰基)亚胺。
在某些实施方案中，离子液体是丁基三甲铵双(三氟甲基磺酰基)亚胺。
在某些实施方案中，离子液体是1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐。
在某些实施方案中，有机溶剂选自乙基异丙砜、乙基异丁砜、乙基甲砜、甲基异丙砜、异丙基异丁砜、异丙基仲丁砜、丁基异丁砜、或二甲砜、直链砜。
在某些实施方案中，有机溶剂选自聚碳酸亚丙酯、碳酸亚丙酯、碳酸二甲酯、碳酸亚乙酯。
在某些实施方案中，有机溶剂是乙腈。
在某些实施方案中，增强的电解质组合物是具有有机溶剂的离子液体，其中，有机溶剂按组合物的体积计为55％至90％，例如，37.5％。
在某些实施方案中，增强的电解质组合物是具有第二离子液体的离子液体，其中，一种离子液体按组合物的体积计为5％至90％，例如，60％。
本发明的增强的电解质组合为单个电容器提供了更宽的温度范围性能(例如当在两个温度之间转换时没有电容的显著降低和/或ESR的显著升高，例如，当从约+30℃转换至约-40℃时没有大于90％的电容降低和/或大于1000％的ESR升高)、以及单个电容器的温度耐久性提高(例如，在给定温度下在给定时间后低于50％的电容降低和/或在给定温度下在给定时间后低于100％的ESR升高，和/或在给定温度下在给定时间后低于10A/L的漏电流；例如，低于40％的电容降低和/或低于75％的ESR升高，和/或低于5A/L的漏电流；例如，低于30％的电容降低和/或低于50％的ESR升高，和/或低于1A/L的漏电流)。图47A和图47B、图48A和图48B以及图49分别示出了来自上述离子液体的离子液体在125摄氏度下、37.5％的有机溶剂-离子液体(相同)v/v在125摄氏度下以及相同的组合物在-40摄氏度下的行为。
在不希望受理论束缚的情况下，上述的组合提供了影响先进的电解质体系的凝固点的增强的共晶特性以使得超级电容器能够在低至-40摄氏度的温度下在性能和耐久性标准内操作。
如上对于本发明的新型电解质所述，在某些实施方案中，先进的电解质体系(AES)可以掺混有电解质，只要这样的组合不显著影响使用先进的电解质体系所实现的优点。
在某些实施方案中，本文中所选的用于先进的电解质体系的增强的电解质也可以被纯化。这样的纯化可以使用本领域公知的技术或本文中所提供的技术执行。
B.电极
EDLC包括至少一对电极3(其中，可将电极3称为负电极3和正电极3，仅仅为了在本文中引用的目的)。当组装成超级电容器10时，各个电极3在电解质界面处呈现双电荷层。在一些实施方案中，包括多个电极3(例如，在一些实施方案中，包括至少两对电极3)。然而，为了讨论的目的，仅示出一对电极3。在本文中作为惯例，电极3中的至少之一使用碳基能量储存介质1(如本文中进一步讨论的)以提供能量存储。但是，为了本文讨论的目的，一般假设电极中的每一个均包括碳基能量储存介质1。
i集电器
电极3中的每一个均包括各自的集电器2(也被称为“电荷收集器”)。在一些实施方案中，通过隔离器5将电极3分开。一般而言，隔离器5为用来将负电极3与正电极3分开的薄的结构材料(通常为片)。隔离器5还可以用来分离多对电极3。注意，在一些实施方案中，电极3之一或二者上可以不包括碳基能量储存介质1。也就是说，在一些实施方案中，相应的电极3可以仅由集电器2组成。用于提供集电器2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2可以充当电极3。然而，出于这种考虑，本文所使用的术语“电极3”一般指能量储存介质1与集电器2的组合(但是出于至少前述原因，这并非限制性的)。
ii.能量储存介质
在示例性超级电容器10中，能量储存介质1由碳纳米管形成。能量储存介质1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制造：对通过碳化合物的碳化所获得的碳材料执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执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，用于生产定向碳纳米管聚集体(aligned carbon-nanotube aggregate)的设备包括用于在其表面上具有催化剂的基材上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性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，所述转移单元至少将基材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，用于形成能量储存介质1的材料可以包括除了纯碳(和目前可能存在的或之后将发明的多种形式的碳)之外的材料。也就是说，能量储存介质1中可包括其他材料的各种制剂。更具体地，并且作为非限制性的实例，能量储存介质1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，能量储存介质1基本上由碳形成，并且因此在本文中可以称为“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，但是能量储存介质1可以包括任何形式的碳(以及被认为适当的或可接受的任何添加剂或杂质)以提供作为能量储存介质1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、石墨烯等。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(buckyball))等。
本文中提供了适用于能量储存介质1的多种形成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健的能量储存并且良好地适用于电极3中。应注意，这些实施例是说明性的，而并不限于适用于能量储存介质1的含碳材料的实施方案。
在某些实施方案中，可以基于各个电解质的尺寸选择各电极的能量储存介质1的孔隙率以提高电容器的性能。
现在提供了用于为能量储存介质1配置(compliment)集电器2以设置电极3的示例性方法。现在参照图2，示出了作为碳纳米管聚集体(CNT)形式的含碳材料的基质的衬底14。在所示的实施方案中，衬底14包括其上设置有催化剂18薄层的基材17。
一般而言，衬底14是至少有些挠性的(即，衬底14不易碎)，并且由可以承受能量储存介质1(例如，CNT)沉积的环境的部件制成。例如，衬底14可以承受约400摄氏度至约1100摄氏度之间的高温环境。只要确定合适，多种材料可用于衬底14。
现在参照图3。一旦能量储存介质1(例如，CNT)已经被制造在衬底14上，即可在其上设置集电器2。在一些实施方案中，集电器2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2为约20微米(μm)至约40微米(μm)厚。集电器2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2针对其性质例如传导性、电化学惰性以及与能量储存介质1(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2设置在能量储存介质1(例如，CNT)上，即实现了电极元件15。每个电极元件15可以单独使用作为电极3，或者可以耦接至至少另外一个电极元件15以提供电极3。
一旦根据期望的标准制造了集电器2，即可以着手后加工处理。示例性后处理包括在轻微氧化的环境中加热和冷却能量储存介质1(例如，CNT)。制造(以及任选的后处理)之后，可以将转移工具施用于集电器2。可以参照图4。
图4示出了将转移工具13施用于集电器2。在该实施例中，转移工具13是在“干”转移法中使用的热剥离带(thermal release tape)。示例性热剥离带由加利福尼亚的弗里蒙特(Fremont)和日本的大阪(Osaka)的NITTO DENKO CORPORATION制造。一种合适的转移带作为REVALPHA销售。该剥离带的特征在于在室温下牢固粘合的粘合带，并且可以通过加热剥离。该带以及热剥离带的其他合适的实施方案将在预定的温度下剥离。有利地，该剥离带不在电极元件15上留下化学活性残留物。
在另一种称为“湿”转移法的过程中，可以使用为化学剥离而设计的带。一旦施用后，之后通过将该带浸入溶剂中来将该带去除。设计所述溶剂以溶解粘合剂。
在另外一些实施方案中，转移工具13采用“气动”法，例如通过向集电器2施加吸力。吸力可以例如通过具有多个用于分布吸力的穿孔的尺寸略大的叶片(paddle)来施加。在另一个实施例中，通过具有多个用于分布吸力的穿孔的辊来施加吸力。吸力驱动的实施方案提供电控的优点和经济的优点，因为耗材没有用作转移过程的一部分。可以使用转移工具13的其他实施方案。
一旦将转移工具13暂时耦接至集电器2，即从衬底14轻柔地去除电极元件15(参见图4和图5)。该去除一般涉及从衬底14与能量储存介质1(例如，CNT)的一个边缘开始从衬底14剥离能量储存介质1(例如，CNT)。
然后，可以将转移工具13与电极元件15分离(参见图6)。在一些实施方案中，使用转移工具13来安装电极元件15。例如，可以使用转移工具13来将电极元件15布置到隔离器5上。一般而言，一旦从衬底14去除，电极元件15即可供使用。
在期望大的电极3的情况下，可以匹配多个电极元件15。可参照图7。如图7所示，可以通过例如使耦接件52与多个电极元件15的每个电极元件15相耦接来使多个电极元件15匹配。经匹配的电极元件15提供了电极3的实施方案。
在一些实施方案中，耦接件22在焊接件21处耦接至每个电极元件15。每个焊接件21可以设置为超声焊接件21。已发现超声焊接技术特别良好地适合于提供每个焊接件21。也就是说，一般而言，能量储存介质1(例如，CNT)的聚集体与焊接不相容，其中只使用例如本文中公开的标称集电器。因此，许多用于连接电极元件15的技术是破坏性的，并且损坏所述元件15。然而，在其他的实施方案中，使用了其他形式的耦接，并且耦接件22并非焊接件21。
耦接件22可以是箔、网、多根导线或其他形式。一般而言，耦接件22针对特性例如传导性和电化学惰性来选择。在一些实施方案中，耦接件22由与集电器2中所存在的材料相同的材料制成。
在一些实施方案中，耦接件22通过去除其上的氧化层来制造。可以例如通过在提供焊接件21之前蚀刻耦接件22来去除氧化物。蚀刻可以例如用氢氧化钾(KOH)来实现。电极3可用在超级电容器10的各种实施方案中。例如，可以将电极3卷起成为“胶状卷(jellyroll)”型的能量储存器。
C.隔离器
隔离器5可以由各种材料制造。在一些实施方案中，隔离器5是非织造玻璃。隔离器5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DuPont Chemicals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纤维的纤维直径，并且使得主纤维能够粘合在一起。
为了超级电容器10的长寿命以及为了确保在高温下的性能，隔离器5应具有降低的量的杂质，并且特别是包含于其中的非常有限的量的水分。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10的寿命，以及提供在高温应用中的良好性能。用于隔离器5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5的材料根据水分含量、孔隙率、熔点、杂质含量、所得的电性能、厚度、成本、可利用性等来选择。在一些实施方案中，隔离器5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5除去过量的水分。可以采用真空干燥方法以及其他技术。表1中提供了用于隔离器5的材料的选择。表2中提供了一些相关的性能数据。
表1
隔离器材料
表2
隔离器性能数据
为了收集表2的数据，提供了基于含碳材料的两个电极3。将两个电极3相对设置并且彼此面对。将每个隔离器5布置在电极3之间以防止短路。然后用电解质6润湿三个部件并压在一起。使用两个铝棒和PTFE材料作为外部结构来封入所得超级电容器10。
以相同的配置一个接一个地进行ESR第一测试和ESR第二测试。第二测试在第一测试之后5分钟运行，为电解质6留下进一步渗透入部件中的时间。
在某些实施方案中，超级电容器10不包括隔离器5。例如，在具体实施方案中，例如在电极3由结构的几何形状确保物理隔离的实施方案中，满足电极3之间只具有电解质6。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10可以包括设置在壳体内使得在连续的基础上确保隔离的电极3。一种台式(bench-top)实例将包括设置在烧杯(beaker)中的超级电容器10。
D.存储单元
一旦组装，电极3和隔离器5就提供了存储单元12。一般而言，储存单元12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7中。一旦已容纳入电解质6，壳体7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。除了为储存单元12提供坚固的物理保护以外，壳体7还配置有外部接触件以提供与壳体7内的各端子8的电连通。每个端子8进而提供对储存在能量储存介质1中的能量的电连接(electrical a立方厘米ess)，所述电连接一般通过耦接至能量储存介质1的电引线实现。
一般而言，本文中公开的超级电容器10能够提供泄漏速率不大于约5.0×10- 6atm·立方厘米/秒的气密密封，并且可以表现出不高于约5.0×10-10 atm-立方厘米/秒的泄漏速率。还认为成功的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、制造者或其他利益相关方定义的标准。
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10放入氦环境中。使超级电容器10经受加压的氦气。然后，将超级电容器10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10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(tab)”)电耦接至相应的那个集电器2。多根引线(对应于超级电容器10的极性)可以组合在一起并耦接至相应的端子8。进而，端子8可以耦接为电连接，称为“接触件”(例如，壳体7和外部电极(在本文中也按照惯例称为“馈通件(feed-through)”或“引脚(pin)”)之一)。可参照图28和图32至图34。
E.壳体
图11描绘了示例性壳体7的一些方面。壳体7尤其为超级电容器10提供结构和物理保护等。在该实施例中，壳体7包括环形圆柱状形状的本体20和补充(complimentary)的盖24。在该实施方案中，盖24包括已被移去并且填充有电绝缘体26的中央部分。盖馈通件19贯穿电绝缘体26从而为使用者提供所储存的能量。此外，壳体还包括内部阻隔物30。
虽然该实施例描述了盖24上的仅一个馈通件19，但是应认识到，壳体7的构造不限于本文所讨论的实施方案。例如，盖24可以包括多个馈通件19。在一些实施方案中，本体20包括环形圆柱体相对端的第二类似的盖24。此外，还应认识到，壳体7不限于具有环形圆柱状形状的本体20的实施方案。例如，壳体7可以为蛤壳设计、棱柱状设计、袋或任何适合于设计者、制造者或使用者之需要的其他设计。
现在参照图12，其示出了示例性能量储存单元12。在该实施例中，能量储存单元12是“胶状卷”型能量储存器。在这些实施方案中，能量储存材料卷起成为紧密封装件。多根引线一般地形成每个端子8，并且提供能量储存单元12的合适的层的电连接。一般而言，在组装时，每个端子8电耦接至壳体7(例如，电耦接至各馈通件19和/或直接电耦接至壳体7)。能量储存单元12可采取多种形式。一般有至少两组多根引线(例如，端子8)，每个集电器2使用一组。为了简单起见，图12、图15和图17中只示出端子8之一。
期望壳体7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储存单元12的部件的纯净。此外，其防止电解质6从能量储存单元12泄漏。
在该实施例中，盖24制造有设计为与本体20的内径紧密地配合的外径。在组装时，可以将盖24焊接入本体20，从而为使用者提供气密密封。示例性的焊接技术包括激光焊接和TIG焊接，并且可以包括只要认为合适的其他形式的焊接。
用于壳体7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7(一般与至少一些金属成分组合)中。
在一些实施方案中，用于构造本体20的材料包括铝，其可包括设计者或制造者认为合适的任何类型的铝或铝合金(其全部在本文中广义地简单称为“铝”)。可以将各种合金、层合材料等设置在铝(暴露于本体20之内部的铝)的上方(例如，熔覆)。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7。设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。
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8中的多层材料。在这些实施方案的一些中，可以去除一部分铝以露出不锈钢。然后露出的不锈钢可用于通过使用简单的焊接方法来将端子8附接至馈通件19。
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10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。
因此，提供利用多层材料的壳体7设置了能量储存器，所述能量储存器表现出与现有技术相比具有相对低的初始值的漏电流并且漏电流随时间明显较慢地升高。显著地，在超级电容器10暴露于环境温度时，能量储存器的漏电流仍然在可用(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漏电流值和/或漏电流随时间过快增加。
此外，超级电容器10可表现出由壳体7与能量储存单元12之间减少的反应导致的其他益处。例如，能量储存器的有效串联电阻(ESR)可表现出随时间相对较低的值。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7的鼓胀)。在两种情况下，这导致壳体7的结构完整性和/或能量储存器的气密密封受损。最终，这可导致现有技术电容器的泄漏或灾难性故障。这些影响可通过所公开阻隔物的施用而显著降低或消除。
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7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20)。
在一些实施方案中，绝缘聚合物可用于壳体7的涂覆部分。以该方式，可以确保能量储存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23，其中包括少量的绝缘材料39以限制电解质6暴露至套筒51和馈通件19的不锈钢。在该实施例中，端子8耦接至馈通件19，例如通过焊接，然后用绝缘材料39涂覆。
i壳体盖
虽然该实施例描述了盖24上的仅一个馈通件19，但是应认识到，壳体7的构造不限于本文所讨论的实施方案。例如，盖24可以包括多个馈通件19。在一些实施方案中，本体20包括环形圆柱体相反端的第二类似的盖24。此外，还应认识到，壳体7不限于具有环形圆柱状形状的本体20的实施方案。例如，壳体7可以为翻盖设计、棱柱状设计、袋或任何适合于设计者、制造者或使用者的需要的其他设计。
现在参照图18，示出了盖24的坯件34的实施方案的各方面。在图18A中，坯件34包括多层材料。第一材料层41是铝。第二材料层42是不锈钢。在图18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，铝暴露于能量储存单元(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(以及冶金学性质，即，可焊接性)来构造。只要认为合适，多层材料可以包括额外的层。
如上文所提到的，第一材料层41包覆到第二材料层42上(或第一材料层41包覆有第二材料层42)。仍参照图18A，在一个实施方案中，使用扁平材料(如所示)的片来提供坯件34以生产扁平的盖24。可以去除第二材料层42的一部分(例如，围绕盖24的周围)以有助于盖24附接至本体20。在图18B中，示出了坯件34的另一个实施方案。在该实施例中，坯件34具有形成为凹构造的包覆材料片。在图18C中，坯件34具有形成为凸构造的包覆材料片。由坯件34(例如，图18中示出的那些)的各种实施方案制造的盖24构造成支承焊接至壳体7的本体20。更具体地，图18B的实施方案适合于装配在本体20的内径中，而图18C的实施方案适合于装配在本体20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。
现在参照图19，示出了电极组合件50的实施方案。电极组合件50设计为安装在坯件34中，并且提供从能量储存介质到使用者的电连通。一般而言，电极组合件50包括套筒(sleeve)51。套筒51围绕绝缘体26，绝缘体26进而围绕馈通件19。在该实施例中，套筒51是具有带凸缘顶部的环状圆柱体。
为了组装盖24，在坯件34中制造穿孔(未示出)。穿孔具有大小匹配电极组合件50的几何形状。因此，电极组合件50***坯件34的穿孔中。一旦***电极组合件50，电极组合件50即可通过技术(例如，焊接)贴至坯件34。焊接可以是激光焊接，其围绕焊接套筒51的凸缘的周围焊接。参照图20，示出了进行焊接的点61。在该实施方案中，点61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合件50牢固地焊接至坯件34上的位置。
用于构造套筒51的材料可以包括各种类型的金属或金属合金。一般而言，用于套筒51的材料根据例如结构完整性和可接合性(至坯件34)来选择。用于套筒51的示例性材料包括304不锈钢或316不锈钢。用于构造馈通件19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19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，绝缘体26通过已知技术(即，玻璃-金属接合)接合至套筒51和馈通件19。用于构造绝缘体26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，用于绝缘体的材料根据例如结构完整性和电阻(即，电绝缘特性)来选择。
依赖于玻璃-金属接合的部件(例如，电极组合件50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储存器的气密密封。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”一般是指表现出泄漏速率不大于本文所定义的泄漏速率的密封。然而，认为实际密封效率可以优于该标准进行。
用于将电极组合件50耦接至坯件34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51的凸缘下方(凸缘与第二材料层42之间)使用接合剂。
现在参照图21，能量储存单元12设置在本体20内。合适地耦接至少一个端子8(例如，至馈通件19)，并且盖24与本体20匹配以设置超级电容器10。
一旦组装，盖24与本体20即可密封。图22描绘了经组装的能量储存器(在这种情况下，超级电容器10)的各种实施方案。在图22A中，使用扁平的坯件34(参见图18A)来生产扁平的盖24。一旦盖24设置在本体20上，即焊接盖24与本体20以生产密封件62。在这种情况下，因为本体20是环状圆柱体，所以焊接在本体20与盖24的周围进行以提供密封件62。在第二实施方案中，如图22B所示，使用凹坯件34(参见图18B)来产生凹盖24。一旦将盖24设置在本体20上，即焊接盖24和本体20以生产密封件62。在第三实施方案中，如图22C所示，使用凸坯件34(参见图18C)来生产凸盖24。一旦将盖24设置在本体20上，即可焊接盖24与本体20以生产密封件62。
在适当时，可以去除包覆材料(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7。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10中提供的坚固的气密密封。
现在参照图24，其中描绘了组装盖24的另一个实施方案的各方面。图24A描绘了用于提供盖24的本体的模板(即，坯件34)。该模板的大小一般匹配适当类型的能量储存单元(例如，超级电容器10)的壳体7。盖24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37(示于图24B中)；然后对圆顶37进行穿孔以提供通道32(示于图24C)。当然，可以压制或通过其他方法制造坯件34(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24可以由钢制成并钝化(即，涂覆有惰性涂料)或者通过其他方法制备用于壳体7。
现在参照图25，示出了电极组合件50的另一个实施方案。在这些实施方案中，电极组合件50包括馈通件19和设置在馈通件19周围的半球形状的材料。所述半球形状的材料用作绝缘体26，并且一般成形为符合圆顶37。半球形绝缘体26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6的化学影响。示例性材料包括PFA(全氟烷氧基树脂)、FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)、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、低成本等条件下，尤其，表现出高耐溶解性、耐酸性)的材料。
馈通件19可以由铝或其合金形成。然而，馈通件19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19可以由钢制成并钝化(即，涂覆有例如硅的惰性涂料)或者通过其他方法制备用在电极组合件50中。用于钝化的示例性技术包括将氢化的无定形硅涂料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功能化所涂覆的衬底。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料。
半球形绝缘体26的大小可以相对于圆顶37设计为使得在组装进盖24时实现紧密贴合(即，气密密封)。半球形绝缘体26无需完美地对称或者具有经典的半球比例。也就是说，半球形绝缘体26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。半球形绝缘体26一般由均一的材料形成，但是，这不是必要条件。例如，半球形绝缘体26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26所示，电极组合件50可以***模板(即，所形成的坯件34)中以提供包括半球形气密密封件的盖24的一个实施方案。
如图27所示，在许多个实施方案中，保持件43可以接合或者通过其他方法匹配盖24的底部(即，盖24面向壳体7的内部并且面向能量储存单元12的部分)。保持件43可以通过多种技术例如铝焊接(例如，激光、超声等)接合至盖24。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43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71。可以使用至少一个紧固件(例如，多个铆钉)来将绝缘体26密封在保持件43中。
在图27的实施例中，盖24为凹设计(参见图18B)。然而，也可以使用其他设计。例如，可以提供凸盖24(图18C)，还可使用上方盖24(图18C的实施方案的变化方案，其配置为按照图22C所描绘的安装)。
用于盖以及馈通件19的材料可以考虑半球形绝缘体26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24时，制造者可以向半球形绝缘体26施加压力，从而至少在某种程度上压缩半球形绝缘体26。以这种方式，为盖24的至少一些热膨胀的存在作了准备而不损害气密密封的效果。
为了进一步说明组装的超级电容器，参照图28，其中提供了超级电容器10的剖视图。在该实施例中，储存单元12***并包含在本体20中。每组多根引线绑在一起并且耦接至壳体7作为端子8之一。在一些实施方案中，多根引线耦接至本体20的底部(在内部)，从而将本体20变成负极接触件55。同样，另一组多根引线绑在一起并耦接至馈通件19，以提供正极接触件56。通过电绝缘体26来保持负极接触件55与正极接触件56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。
ii.内部阻隔物
现在参照图13，壳体7可以包括内部阻隔物30。在一些实施方案中，阻隔物30是涂料。在该实施例中，阻隔物30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(这是任何已知固体材料中的第三低)，具有高耐蚀性以及其他有益的性质。一般而言，盖24的内部部分可以包括设置于其上的阻隔物30。
其他材料也可用于阻隔物30。这些其他材料由陶瓷(任何可适合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树脂(PFA)和氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)以及乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)。
阻隔物30可以包括提供减少能量储存单元12与壳体7或壳体7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30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，显著抵抗或阻止储存单元12与壳体7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”一般指低于相关方的关注水平的化学相互作用速率。
一般而言，壳体7的内部可以容纳阻隔物30，使得覆盖壳体7的暴露于内部的所有表面。至少一个未经处理区域31可包括在本体20中并且在盖24的外表面36上(参见图14A)。在一些实施方案中，可以包括未经处理的区域31(参见图14B)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30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30作为涂料涂或喷到内部表面上来施用阻隔物30。可以使用掩模作为确保未经处理区域31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30。
在一个示例性实施方案中，阻隔物30的厚度为约3密耳至约5密耳，而用于阻隔物30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30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。这导致基本不包含针孔大小或更小的缺陷的阻隔物30的连续抛光。图15描绘了根据本文教导的超级电容器10的实施方案的组装。在该实施方案中，超级电容器10包括：包含设置在其中的阻隔物30的本体20；具有设置于其中的阻隔物30的盖24；以及能量储存单元12。在组装期间，将盖24设置在本体20之上。第一个端子8电耦接至盖馈通件19，同时将第二个端子8通常在盖24的底部、侧部或之上电耦接至壳体7。在一些实施方案中，第二个端子8耦接至另一个馈通件19(例如，相对的盖24)。
利用设置在壳体7的内部表面上的阻隔物30，壳体7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16，示出了相比于其他等同超级电容器的超级电容器10的相对性能。在图16A中，示出了超级电容器10的现有技术实施方案的漏电流。在图16B中，示出了包括阻隔物30的等同超级电容器10的漏电流。在图16B中，超级电容器10与漏电流示于图16A中的超级电容器电等同。在两种情况下，壳体7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16B中的漏电流示出较低的初始值并且未随时间显著升高，而图16A中的漏电流示出相对较高的初始值以及随时间显著升高。
一般而言，阻隔物30在能量储存单元12与壳体7之间提供合适厚度的合适材料。阻隔物30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30可以提供完全覆盖(即，提供壳体除电极接触件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30由多种成分形成。例如，考虑下文示出和图8中所示的实施方案。
参照图17，示出了其他实施方案的各方面。在一些实施方案中，能量储存单元12设置在包封物(envelope)73中。也就是说，能量储存单元12具有设置在其上，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储存单元12与壳体7隔开的阻隔物30。包封物73可以在将能量储存单元12封装入壳体7中之前良好地施用。因此，包封物73的使用可存在某些优点，例如对于制造者。(应注意，包封物73出于说明的目的示出为松散地设置在能量储存单元12上)。
在一些实施方案中，包封物73与涂料联合使用，其中涂料设置在内部表面的至少一部分上。例如，在一个实施方案中，涂料只设置在壳体7内部的包封物73可至少部分地受损(例如，为突起端子8)的区域中。包封物73与涂料一起形成高效的阻隔物30。
因此，阻隔物30的结合可提供表现出与现有技术相比具有较低的初始值的漏电流并且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漏电流仍然在实用(即，期望地低)水平，现有技术的电容器在该环境温度下将表现过于大的初始漏电流值和/或漏电流随时间过于快速的升高。
由此描述了阻隔物30的实施方案及其许多个方面，应认识到，超级电容器10可表现出由壳体7与能量储存介质1之间减少的反应导致的其他益处。例如，超级电容器10的有效串联电阻(ESR)可随时间表现相对较低的值。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30的使用来显著降低或消除。
应认识到，术语“阻隔物”和“涂料”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7、本体20和/或盖24的内部的技术。例如，在其他实施方案中，将阻隔物30实际上制造到构成壳体本体20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7的各个部件。当考虑用于施加阻隔物30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加所述材料。简言之，阻隔物30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加。
用在阻隔物30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7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7(例如，具有阻隔物30的壳体7)可以限制电解质6的劣化。虽然阻隔物30示出一种用于提供增强的壳体7的技术，但是也可以采用其他技术。例如，由于在电解质6的存在下铝的电化学性质，所以使用由铝制造的壳体7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7的实施方案。
壳体7的另外的实施方案包括铝存在于所有可暴露于电解质的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10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，这样可得的包括玻璃-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成分制造的那些)，因此可以经济地制造。
虽然在本文中作为适合于超级电容器10的壳体7的实施方案公开，但是这些实施方案(如具有阻隔物30的情况)可与任何类型的认为合适的能量储存器一起使用，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储存器，包括电化学电池，特别是锂基电池。
一般而言，暴露到壳体7内部的材料在暴露于电解质6(即，本发明的先进的电解质体系)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。
F.电容器一般构造的因素
在超级电容器10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，在真空环境中在升高的温度下干燥构成两个电极3的能量储存介质1的活性炭、碳纤维、人造纤维、碳布和/或纳米管。隔离器5也在真空环境中在升高的温度下干燥。一旦电极3和隔离器5在真空下干燥后，即将它们封装在壳体7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，可以在整个约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10。一旦该最终干燥完成，即可添加电解质6，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7。当然，可以使用其他组装方法，并且前述仅提供超级电容器10的组合件的一些示例性方面。
III.本发明的方法
本文下面描述本发明的用于减少杂质或制造本发明的装置的某些方法。这样的纯化的方法另外还可应用于本发明的任意先进的电解质体系。
A.减少杂质的方法
i.AES污染物
在某些实施方案中，对本发明的先进的电解质体系(AES)进行纯化以去除污染物并且提供本文中所述的期望的增强的性能特性。因此，本公开内容提供了一种纯化AES的方法，该方法包括：将水混合到先进的电解质体系中以提供第一混合物；分离第一混合物；从第一混合物收集先进的电解质体系；向所收集的液体添加溶剂以提供第二混合物；将碳混合到第二混合物中以提供第三混合物；从第三混合物分离先进的电解质体系以获得经纯化的先进的电解质体系。一般而言，该方法要求在受控制的条件下选择电解质、添加去离子化水和活性炭。随后去除去离子水和活性炭，得到经基本纯化的电解质。经纯化的电解质尤其适合用在超级电容器。
该方法可以用来确保本发明的先进的电解质体系(AES)的高的纯净度。应注意的是，虽然该方法以特定参数(例如量、配方、时间等)表示，但是该表示只是用于纯化电解质的方法的示例和说明，并不对其进行限制。
例如，该方法还可以包括以下步骤或特征中的一个或更多个：加热第一混合物；其中，分离包括使第一混合物不受干扰地放置直到水和AES被基本分离为止；其中，添加溶剂包括添加***、异戊烯炔(pentone)、环异戊烯炔(cyclopentone)、己烷、环己烷、苯、甲苯、1-4-二氧杂环己烷以及氯仿中的至少之一；其中，混合碳包括混合碳粉；其中，混合碳包括基本不断地搅拌第三混合物；其中，分离AES包括使碳从第三混合物滤出和使溶剂从第三混合物蒸发中的至少之一。
在用于纯化电解质的方法的第一步骤中，将电解质6(在一些实施方案中为离子液体)与去离子化水混合，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(m1)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，并进行持续的搅拌(约一百二十(120)转份钟(rpm))。
在第二步骤中，使得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，然后使该混合物放置约四(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、1-4-二氧杂环己烷、氯仿或其任意组合以及表现出适当性能特性的其他材料。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恒定搅拌(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。
已证实用于纯化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(Rhode Island)的Hanna Instruments of Woonsocket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HI 4007-03(1000ppm氯标准)、HI 4010-03(1000ppm氟标准)、HI 4000-00(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3中。
表3
含1-丁基-1-甲基吡咯烷和四氰基硼酸盐的电解质的纯化数据
杂质 之前(ppm) 之后(ppm) 去离子水(ppm)
Cl<sup>-</sup> 5,300.90 769 9.23E-1
F- 75.61 10.61 1.10E-1
H<sub>2</sub>O 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。
还通过对漏电流的分析来检验关于电解质污染物组成的纯化标准。图9描绘了超级电容器10中未经纯化的电解质的漏电流。图10描绘了类似结构的超级电容器10中经纯化电解质的漏电流。如可见的，初始漏电流显著降低，并且测量间隔的后面部分的漏电流适当降低。基于表4中每个实施方案的结构提供了更多信息。
表4
测试超级电容器的构造
参数 图9 图10
单元大小： 打开Sub C 打开Sub C
套筒： 涂覆P870 涂覆P870
电极材料： 双面活性炭(150/40) 双面活性炭(150/40)
隔离器： 玻璃纤维 玻璃纤维
电极大小： IE：233×34mm OE：256×34mm IE：233×34mm OE：256×34mm
接片： 0.005”铝(3个接片) 0.005”铝(3个接片)
温度： 150℃ 150℃
电解质： 未经纯化AES 经纯化AES
还实现了其他益处，包括超级电容器10的电阻和电容的稳定性的提高。
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状态，即可认为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接近的平衡态的实际漏电流。因此，可以通过测量引入超级电容器10的电流来估计给定测量中的漏电流，同时超级电容器10保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，这样的持续时间为从约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漏电流。值得注意的是，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漏电流时将装置暴露于目的环境温度。
注意一种降低在特定温度下的体积漏电流的方法是降低在该温度下的操作电压。另一种降低在特定温度下的体积漏电流的方法是提高超级电容器的空隙体积。而又一种降低漏电流的方法是降低电极3上的能量储存介质1的载荷。
已公开了用于纯化电解质和离子液体的实施方案的各方面，应认识到的是，可以实现各种实施方案。此外，可以实施各种技术。例如，可以调整步骤、步骤的顺序等。
ii.水/水分含量和去除
可以将密封的超级电容器10的壳体7打开，并且对储存单元12取样以检测杂质。使用卡尔·费歇尔法来测量来自单元12的电极、隔离器和电解质的水含量。进行三次测量并取平均值。
一般而言，用于表征超级电容器中污染物的方法包括对壳体7开口以获得其内容物，对内容物取样并分析样品。在本文中其他地方公开的技术可用于支持所述表征。
应注意，为了确保超级电容器及其部件(包括电极、电解质和隔离器)中杂质的准确测量，可以在合适的环境(例如，手套箱中的惰性环境)中进行组装和拆卸。
通过降低超级电容器10中的水分含量(例如，降低至相对于电解质和杂质的质量和体积低于500份/百万份(ppm)至低于1000ppm)，超级电容器10可以在整个温度范围内更高效地运行，在该温度和电压范围内具有小于10安培/升的漏电流(I/L)。
在一个实施方案中，通过使超级电容器10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10的漏电流。
在一些实施方案中，在室温下超级电容器10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10的性能的方法为降低(即，减小)超级电容器10的电压额定值。例如，电压额定值可以调整为低至约0.5V，以使在较高温度下可以获得延长的操作持续时间。
B.超级电容器的制造方法
在另一个实施方案中，本发明提供了一种用于制造超级电容器的方法，该方法包括如下步骤：将包含能量储存介质的能量储存单元设置在壳体内；和用先进的电解质体系(AES)填充壳体，使得超级电容器被制造成在约-40摄氏度至约210摄氏度的温度范围内操作。
例如，在一个具体实施方案中，AES包括新型电解质实体(NEE)，其中NEE适合于在高温超级电容器中使用。在某些实施方案中，超级电容器配置成在约80摄氏度至约210摄氏度的温度范围(例如，在约80摄氏度至约150摄氏度的温度范围)内的温度下操作。
在一个特定实施方案中，AES包括高度纯化的电解质，例如，其中该高度纯化的电解质适合于在高温电容器中使用。在某些实施方案中，超级电容器配置成在约80摄氏度至约210摄氏度的温度范围内的温度下操作，例如，在约80摄氏度至约150摄氏度的温度范围。
在一个特定实施方案中，AES包括增强的电解质组合，例如，其中增强的电解质组合适合于在高温超级电容器和低温超级电容器两者中使用。在某些实施方案中，超级电容器配置成在约-40摄氏度至约150摄氏度的温度范围内的温度下操作，例如，在约-30摄氏度至约125摄氏度的温度范围。
在一个实施方案中，所制造的超级电容器是本文上面第II部分中描述的超级电容器。因此，并且如上所述，优于已知的能量存储装置的现有电解质的优点选自如下改进中的一项或更多项：总电阻降低、电阻的长期稳定性提高、总电容增加、电容的长期稳定性提高、能量密度增加、电压稳定性提高、蒸气压减小、单个电容器的温度范围性能更宽、单个电容器的温度耐久性提高、制造容易度提高以及成本效益改进。
在某些实施方案中，设置步骤还包括预处理超级电容器的部件以减少其中的水分，超级电容器的部件包括：电极、隔离器、引线、经组装的能量储存单元和壳体中的至少之一。在特定实施方案中，预处理包括基本上在真空下在约100摄氏度至约150摄氏度的温度范围内加热所选部件。预处理可以包括基本上在真空下在约150摄氏度至约300摄氏度的温度范围内加热所选部件。
在某些实施方案中，在基本上惰性的环境中进行所述设置。
在某些实施方案中，构造步骤包括为壳体选择相对电解质表现出低化学反应性的内部表面材料，其还可以包括在壳体的内部的显著部分中包含内部表面材料。内部表面材料可以选自铝、聚四氟乙烯(PTFE)、全氟烷氧基树脂(PFA)、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)和陶瓷材料中的至少之一作为内部表面材料。
在某些实施方案中，构造步骤包括由多层材料形成所述壳体，例如，其中由多层材料形成壳体包括将可焊接材料设置在壳体的外部上。
在某些实施方案中，构造步骤包括为壳体制造盖和本体中至少之一。制造步骤可以包括将包含绝缘体和绝缘于壳体的电极的密封件设置在壳体中。此外，设置密封件可包括设置玻璃-金属密封件，例如，焊接玻璃-金属密封件至壳体的外表面。在具体实施方案中，设置密封件包括设置半球形密封件。
在某些实施方案中，构造步骤包括将填充端口设置在壳体中以用于填充。
在某些实施方案中，制造方法还可以包括制造能量储存单元，例如，通过连接能量储存介质与集电器来获得电极；例如，将至少一根引线连接至电极。在某些实施方案中，将至少一根引线连接至所述电极包括将至少一个参考标记布置到电极上。在某些实施方案中，将至少一根引线连接至电极包括将每根引线定位于各参考标记。在某些实施方案中，连接至少一根引线包括从集电器清除能量储存介质。在某些实施方案中，连接至少一根引线包括将引线超声焊接至集电器。
电极也可以通过连接多个由连接能量储存介质与集电器制造的电极元件来获得。多个电极元件可以通过将连接元件超声焊接至一个电极元件的集电器和另一个电极元件的集电器来连接。
在某些实施方案中，制造能量存储单元包括将隔离器设置在至少两个电极之间。并且还可以包括将电极中的每一个与隔离器对齐。
在某些实施方案中，制造能量储存单元包括封装至少两个电极与设置于其间的隔离器，例如，其中所述封装包括将储存单元卷成卷制的储存单元。
在某些实施方案中，制造能量存储单元包括将包裹件设置在储存单元上。
在某些实施方案中，设置能量储存单元包括将多根引线集合在一起以提供端子，例如，其中将多根引线集合在一起包括将引线一起对齐成为一组经对齐的引线以形成端子。在特定实施方案中，该方法还包括将包裹件布置在一组经对齐的引线的周围；对一组经对齐的引线进行折叠，或者耦接一组经对齐的引线至壳体的接触件。此外，耦接可以包括焊接一组经对齐的引线至接触件，或者焊接一组经对齐的引线至跨接线和桥接器之一用于耦接至壳体的接触件。
在某些实施方案中，制造方法还可以包括电耦接跨接线与桥接器中至少之一至壳体的接触件。在具体实施方案中，其还可以包括基本上将绝缘材料设置在壳体内部上的接触件上。
在某些实施方案中，制造方法还可以包括将能量储存单元气密地密封在壳体内，例如，其中气密地密封包括将壳体的部件脉冲焊接、激光焊接、电阻焊接以及TIG焊接在一起中的至少之一。
在某些实施方案中，制造方法还可以包括将至少一个盖与本体匹配以提供壳体，例如，其中盖包括凹盖、凸盖以及平盖中之一。在具体实施方案中，该方法还可以包括去除所述壳体内多层材料的至少一部分以提供匹配。
在某些实施方案中，制造方法还可以包括纯化AES。
在某些实施方案中，制造方法还可以包括将填充端口设置在壳体内以用于填充，例如，其中填充包括将AES经填充端口设置在壳体中。在具体实施方案中，该方法还包括在完成填充之后密封填充端口，例如，将可相容的材料配合到填充端口中。在另一步骤中，可以接着将这样的材料焊接至壳体。
在某些实施方案中，填充步骤包括在填充端口上对壳体抽真空，例如，其中真空低于约150毫托，例如，其中真空低于约40毫托。
在某些实施方案中，在基本上惰性的环境中进行填充步骤。
i.制造技术
此外，应认识到，可能需要某些牢固的组装技术来提供高效的能量储存器。因此，现在讨论了用于组装的一些技术。
一旦制造了超级电容器10，即可将其用于具有很少漏电流或没有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10可以高效地在约-40摄氏度至约210摄氏度的温度下操作，其中漏电流在整个工作电压和温度范围下在装置的低于10安培/升(A/L)体积的装置体积中归一化。在某些实施方案中，电容器可在跨-40摄氏度至210摄氏度的温度下操作。
作为概述，提供了组装圆柱形状的超级电容器10的方法。以电极3开始，一旦将能量储存介质1与集电器2相连，即制造了每个电极3。然后在适当的位置处将多根引线耦接至每个电极3。然后定向多个电极3并用合适数目的隔离器5组装于其间以形成储存单元12。然后，可将储存单元12卷成圆柱，并用包裹件固定。一般而言，然后捆绑引线中相应的引线以形成各端子8。
在将电解质6(即，本发明的先进的电解质体系)结合到超级电容器10之前(例如，在组装储存单元12之前或之后)，可以干燥超级电容器10的各个部件以除去水分。这可以对未组装的部件(即，空壳体7以及每个电极3和每个隔离器5)进行，然后对经组装的部件(例如储存单元12)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，然后即可将储存单元12封装在壳体7中，而不最终密封或加盖。在一些实施方案中，封装在具有低于50份/百万份(ppm)的水的气氛中进行。然后可再次干燥未加盖的超级电容器10。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10。一旦完成该最终干燥，即可随后将壳体7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质的其他气体(及其组合)。
一般而言，填充端口(壳体7表面中的穿孔)包括在壳体7中，或者可以后来添加。一旦超级电容器10已填充有电解质6(即，本发明的先进的电解质体系)，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7可相容的金属)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10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10。
可以使用许多方法来用期望量的先进的电解质体系的填充壳体7。一般而言，对填充工艺的控制可以提供电容的提高、等效串联电阻(ESR)的降低、以及电解质的有限浪费等。提供了真空填充方法作为用于用电解质6填充壳体7和润湿储存单元12的技术的一个非限制性实例。
然而，首先应注意可以进行测量以确保可能污染超级电容器10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10中引入污染物。
在“真空法”下，将容器布置在壳体7上填充端口周围。然后将一定量的电解质6(即，本发明的先进的电解质体系)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6抽入壳体7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10以查看是否抽入了期望量的电解质6。可以根据需要重复该过程，直至在超级电容器10中有期望量的电解质6。
在一些实施方案中，在填充电解质6(即，本发明的先进的电解质体系)之后，可以使材料配合至填充端口以密封超级电容器10。例如，该材料可以是与壳体7和电解质6可相容的金属。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”。在具体实施方案中，如本文中进一步讨论的，压配合可以辅以其他焊接技术。
一般而言，壳体的组装常涉及将储存单元12布置在本体20内并用先进的电解质体系填充本体20。可以进行另一干燥过程。示例性干燥包括通常在减压(例如，真空)下，加热具有储存单元12和其中的先进的电解质体系的本体20。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24，并且通过例如将盖24焊接至本体20来利用盖24气密地密封本体20。
在一些实施方案中，壳体7和盖24中至少之一制造成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，铝暴露于能量储存单元(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。
当用于构造本体20的材料包括铝时、设计者或制造者认为任意类型的铝或铝合金都是合适的(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20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7。设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6的电化学相互作用的减少、结构性质、成本等。
表现较小体积的超级电容器10的实施方案可以以棱柱状形式因子制造，使得超级电容器10的电极3彼此相对，至少一个电极3与玻璃-金属密封件内部接触，另一个电极与外壳或玻璃-金属密封件内部接触。
可以通过将若干储存单元(例如将若干胶状卷焊接在一起)组合在一个壳体7中使得其电并联或串联来扩大特定超级电容器10的体积。
在许多个实施方案中，有用的是一起使用多个超级电容器10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10进行测试。为了进行各种类型的测试，每个超级电容器10可作为单一的单元、与所附接的多个超级电容器10串联或并联测试。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10之间的连接的各方面。
在一些实施方案中，超级电容器10包括两个接触件。这两个接触件是玻璃-金属密封件引脚(即，馈通件19)和壳体7的整个剩余部分。当串联连接多个超级电容器10时，常常期望耦接壳体7底部之间的互连体(在圆柱形壳体7的情况下)，使得到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。
就互连体而言，常见的焊接类型涉及使用并联的尖端电阻焊机。焊接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，以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7的底部。当所包含金属可相容时，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7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19)由钽制成的情况中，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铝/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。
该桥接器还可用在壳体7的接触件上。例如，可以将一片镍电阻焊接至壳体7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。使用不同金属用于每个连接可降低串联单元之间互连体的ESR。
由此已描述了可用于高温环境(即，高至约210摄氏度)的稳健的超级电容器10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10。如果要排出氧和水分并且要防止电解质6逸出，则超级电容器10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，所述材料例如可用于配制先进的电解质体系的离子液体和溶剂。
在一些实施方案中，馈通件19由金属形成，所述金属例如以下材料中的至少之一：KOVARTM(Carpenter Technology Corporation of Reading，Pennsylvania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52(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、锰、钛、锆、铝、碳和钨)。
处于玻璃-金属密封件中的馈通件19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10的壳体7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10中的玻璃-金属密封件的特定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位于美国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、玻璃绝缘体以及不锈钢本体。第二玻璃-金属密封件来自俄亥俄州辛辛那提(Cincinnatti，OH)的HERMETIC SEAL TECHNOLOGY。该第二实施方案采用钽引脚、玻璃绝缘体和不锈钢本体。可以提供不同大小的许多个实施方案。
玻璃-金属密封件的另外的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化物或其他绝缘材料(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，但可以使用一些非常规材料(例如铝)。壳体通常由不锈钢、钛和/或各种其他材料形成。
各种紧固技术可用于超级电容器10的组合中。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；以及将胶装卷条焊接在一起等。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8；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：密封铝覆盖物至铝容器；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等。
ii.制造的某些有利实施方案
本文下面提供某些有利实施方案，其并非旨在进行限制。
在一个具体实施方案中，并且参照图29，示出了示例性电极3的部件。在该实施例中，电极3将用作负电极3(但是，该指定是任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5一般比能量储存介质1(和集电器2)的长度更长并且宽度更宽。通过使用较大的隔离器5，提供了防止负电极3与正电极3的短路的保护。隔离器5中附加材料的使用还为引线和端子8提供了更好的电保护。
现在参照图30，其提供储存单元12的一个实施方案的侧视图。在该实施例中，分层堆叠的能量储存介质1包括第一隔离器5和第二隔离器5，使得电极3在储存单元12组装成卷制的储存单元23时电隔离。应注意，就电极3和超级电容器10的组合件而言，术语“正”和“负”只是任意的，并且在配置在超级电容器10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。
在卷绕储存单元12之前，将负电极3和正电极3相对于彼此对齐。电极3的对齐为超级电容器10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5包括在内，并因此超级电容器10的效率不受损。
现在参照图31，示出了储存单元12的一个实施方案，其中电极3卷成卷制的储存单元23。隔离器5之一作为储存单元12的最外层存在并且将能量储存介质1与壳体7的内部分隔开。
可以采用“极性匹配”来匹配卷制的储存单元23中最外部电极的极性与本体20的极性。例如，在一些实施方案中，负电极3在提供卷制的储存单元23的紧密封装的封装件的最外侧上。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3耦接至本体20时，负电极3作为最外部电极布置在卷制的储存单元23中。因此，如果隔离器5失效(例如通过在使用期间由超级电容器10的振动引起的机械磨损引起)，则超级电容器10将不会因卷制的储存单元23中的最外部电极与本体20之间的短路而失效。
对于卷制的储存单元23的每个实施方案，参考标记72至少可以在隔离器5中。参考标记72将用于提供将引线定位在每个电极3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5与电极3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72更高效且更有效。参考标记72可包括例如隔离器5的边缘中的狭缝。
一般而言，对储存单元12的每个新规格使用参考标记72。也就是说，因为储存单元12的新规格可能要求其中至少一个层的不同厚度(在现有实施方案中)，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72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72安装时，每根引线将与其余引线对齐(如图10所示)。然而，当储存单元12未卷制(其中储存单元12是卷或者将变成卷的实施方案)时，可认为参考标记72是多个标记(如图32所示)。作为惯例，不管储存单元12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72”或“一组参考标记72”的确定。
现在参照图32，一旦建立了参考标记72(例如通过标记卷起的储存单元12)，即提供了用于安装每根引线的安装位点(即，由参考标记72所描绘)。一旦确定了每个安装位点，对于储存单元12的任何给定的构造规格，每个安装位点的相对位置对于储存单元12的特定构造的另外的示例而言可重复。
一般而言，每根引线耦接至储存单元12中的各集电器2。在一些实施方案中，集电器2和引线二者由铝制成。一般而言，引线耦接至集电器2跨越宽度W，然而引线可耦接宽度W的仅一部分。耦接可以通过例如将引线超声焊接至集电器2来实现。为了实现耦接，可以去除至少一些能量储存介质1(在适当时)，使得每根引线适当地与集电器2相连。在认为适当时，可以进行其他准备和调整以提供耦接。
在某些实施方案中，可以包括相对的参考标记73。也就是说，以与参考标记72相同的方式提供，可以制作一组相对的参考标记73以考虑用于相反极性的引线的安装。也就是说，参考标记72可用于安装引线至第一电极3，例如负电极3，同时相对的参考标记73可用于安装引线至正电极3。在其中卷制的储存单元23为圆柱形的实施方案中，相对的参考标记73设置在能量储存介质1的相对侧，并且从参考标记72纵向偏移(如所描绘的)。
注意在图32中，参考标记72和相对的参考标记73二者都示出为设置在单电极3上。也就是说，图29描绘了只用于说明参考标记72与相对的参考标记73的空间(即，直线)关系的实施方案。这并非暗示正电极3与负电极3共有能量储存介质1。然而，应注意，在其中参考标记72和相对的参考标记73通过卷起储存单元12布置然后标记隔离器5的情况下，参考标记72和相对的参考标记73确实可提供在单一隔离器5上。然而，实际上，参考标记72和相对的参考标记73中只有一组可用于安装用于给定电极3的引线。也就是说，应认识到，图32所描绘的实施方案待利用另一个电极3(其将具有相反极性)的能量储存介质1的另一层来补充。
如图33所示，前述组装技术得到包括至少一组对齐引线的储存单元12。当将卷制的储存单元23耦接至负极接触件55与正极接触件56之一时，第一组对齐的引线91是特别有用的，而一组相对的对齐引线92提供将能量储存介质1耦接至相对的接触件(55、56)。
卷制的储存单元23可以由包裹件93包围。包裹件93可以在许多个实施方案中实现。例如，包裹件93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储存单元23。包裹件93可提供为不含粘合剂，例如滑到卷制的储存单元23上的紧密配合的包裹件93。包裹件93可以更多地表现为袋，例如一般地卷入卷制的储存单元23(例如，上文中讨论的包封件73)的袋。在这些实施方案中的一些中，包裹件93可以包括用作收缩膜包装(shrink-wrap)的材料，从而提供卷制的储存单元23的高效的物理(在一些实施方案中，化学)包封。一般而言，包裹件93由不干扰超级电容器10之电化学功能的材料形成。例如，包裹件93还可以根据需要提供部分的覆盖，以有助于***卷制的储存单元23。
在一些实施方案中，负极引线和正极引线位于卷制的储存单元23的相对侧(在胶状卷型卷制的储存单元23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储存单元23的相对侧以有助于构造卷制的储存单元23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91、92，即将多个对齐的引线91、92中的每一个绑在一起(原位)，使得收缩膜包装(未示出)可设置在多个对齐的引线91、92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，一旦将收缩膜包裹件布置在对齐的引线91周围，即将对齐的引线91折叠为组装超级电容器10时假定的形状。也就是说，参照图34，可见对齐的引线假设为“Z”形。在为对齐的引线91、92赋予“Z-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91、92周围的位置。因此，在一些实施方案中，可以通过包裹件来强化并保护对齐的引线91、92。当将能量储存介质1耦接至设置在盖24中的馈通件19时，Z-折叠的使用特别有用。
另外，可以实施用于将每组对齐的引线91、92(即，每个端子8)耦接至各接触件55、56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19与壳体7之一，使得有助于与各组对齐的引线91、92耦接。
此外，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。
iii.特定超级电容器实施方案
下面示出了本发明的示例性超级电容器10的一些物理方面。应注意，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。
表5
表6
表7
表8
图35至图38是描绘这些示例性超级电容器10的性能的图。图35和图36描绘了超级电容器10在1.75伏和125摄氏度的性能。图37和图38描绘了超级电容器10在1.5伏和150摄氏度的性能。
一般而言，超级电容器10可以在多种环境条件和需求下使用。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。
图39至图43是描绘示例性超级电容器10的性能的另外的图。在这些实施例中，超级电容器10是闭合的单元(即，壳体)。将超级电容器循环10次，充电和放电为100mA，充电至0.5伏，测量电阻，放电至10mV，静置10秒，然后再次循环。
表11和12提供了超级电容器10的实施方案的比较性能数据。如所示收集了多个操作条件下的性能数据。
表9
比较性能数据
表10
比较性能数据
因此，表9和表10中提供的数据表明本文中的教导使得能够实现超级电容器在极端条件下的性能。因此，所制造的超级电容器可以例如表现低于约1mA/毫升的单元体积的漏电流，和在500小时内低于约100％的ESR升高(其保持在低于约2V的电压和低于约150摄氏度的温度下)。因为可以在超级电容器的多种要求(例如，电压和温度)之间进行取舍，所以可以管理超级电容器的额定性能(例如，电容、ESR的增加率等)，可以调整以适应特定需要。注意参照前述，给出了“额定性能”的一般常规定义，其考虑到描述操作条件的参数的值。
图35至图43描绘了具有包含1-丁基-1-甲基吡咯烷和四氰基硼酸盐的AES的示例性超级电容器在125摄氏度至210摄氏度的范围内的温度下的性能。
图44A和44B描绘了具有包含1-丁基-1-甲基哌啶双(三氟甲基磺酰基)亚胺的AES的示例性超级电容器的性能数据。
图45A和45B描绘了具有包含三己基十四烷基双(三氟甲基磺酰基)亚胺的AES的示例性超级电容器的性能数据。
图46A和46B描绘了具有包含丁基三甲铵双(三氟甲基磺酰基)亚胺的AES的示例性超级电容器的性能数据。
图47A和47B描绘了具有包含1-丁基-1-甲基吡咯烷和四氰基硼酸盐的AES的示例性超级电容器在125摄氏度下的性能数据。
图48A和48B以及图49描绘了具有包含碳酸亚丙酯和1-丁基-1-甲基吡咯烷和四氰基硼酸盐的混合物的AES的示例性超级电容器的性能数据，该混合物的碳酸亚丙酯按体积计为约37.5％；电容器在125摄氏度(图48A和48B)下和在-40摄氏度(图49)下操作。所测试的另一示例性超级电容器包括含有1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的AES。
所测试的另一示例性超级电容器包括含有1-丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺的AES。
所测试的另一示例性超级电容器包括含有1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的AES。
所测试的另一示例性超级电容器包括含有1-乙基-3-甲基咪唑四氰基硼酸盐的AES。
所测试的另一示例性超级电容器包括含有1-己基-3-甲基咪唑四氰基硼酸盐的AES。
所测试的另一示例性超级电容器包括含有1-丁基-1-甲基吡咯烷双(三氟甲基磺酰基)亚胺的AES。
所测试的另一示例性超级电容器包括含有1-丁基-1-甲基吡咯烷三(五氟乙基)三氟磷酸盐的AES。
所测试的另一示例性超级电容器包括含有1-丁基-1-甲基吡咯烷四氰基硼酸盐的AES。
所测试的另一示例性超级电容器包括含有1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐的AES。
所测试的另一示例性超级电容器包括含有1-乙基-3-甲基咪唑四氰基硼酸盐的AES。
所测试的另一示例性超级电容器包括含有1-乙基-3-甲基咪唑和1-丁基-1-甲基吡咯烷和四氰基硼酸盐的AES。
所测试的另一示例性超级电容器包括含有1-丁基-1-甲基吡咯烷和四氰基硼酸盐和乙基异丙基砜的AES。
应注意电容以及ESR(如本文中表9以及其他地方所示)的测量遵循一般已知的方法。首先考虑用于测量电容的技术。
电容可以以多种方式测量。一种方法涉及监测电容器端子所示电压，同时从超级电容器提取(在“放电”期间)已知电流或将已知电流供应至(在“充电”期间)超级电容器。更具体地，可以利用理想的电容器遵循以下方程式的事实：
I＝C＊dV/dt，
其中I表示充电电流，C表示电容，dV/dt表示理想电容器电压V的时间导数。理想电容器是这样的电容器，其内阻为零，并且其电容是不依赖于电压等。当充电电流I恒定时，电压V与时间呈线性关系，因此dV/dt可以计算为该线的斜率或者作为ΔV/ΔT。但是，该方法一般是由电容器的有效的串联电阻提供的近似和电压差(ESR降低)，其应在计算或测量电容时考虑。有效串联电阻(ESR)一般可以是与电容器中的消耗或其他效果近似的集总元件(1umped element)。电容器行为常常来源于与电阻值等于ESR的电阻器串联的理想电容器的电路模型。一般而言，这得到了与实际电容器行为的良好近似。
在一种测量电容的方法中，在内阻基本是不依赖电压的并且充电或放电基本上是固定的情况下，可很大程度上忽略ESR降低的影响。在这种情况下，ESR降低可以近似为常数，并且从所述恒定电流充电或放电期间电压变化的计算中自然地减去。然后，电压变化基本上反映电容器上所储存电荷的变化。因此，电压的变化通过计算可作为电容的指示。
例如，在恒电流放电期间，已知恒电流I。测量放电期间的电压变化，ΔV，在所测量时间间隔ΔT，通过电流值I除以ΔV/ΔT比，得到电容的近似值。当I的单位是安培，ΔV的单位是伏特，ΔT的单位是秒时，电容结果将以法拉为单位。
至于ESR的评估，超级电容器的有效串联电阻(ESR)也可以以多种方式来测量。一种方法涉及监测在电容器端子处示出的电压，而从超级电容器提取(在“放电”期间)已知电流，或者将已知电流供应至(在“充电”期间)超级电容器。更具体地，可以利用ESR遵循以下方程式的事实：
V＝I＊R，
其中I表示有效地通过ESR的电流，R表示ESR的电阻值，并且V表示由ESR提供的电压差(ESR降低)。ESR一般可以是与超级电容器中的消耗或其他效果近似的集总元件。超级电容器行为常常来源于与电阻值等于ESR的电阻器串联的理想电容器的电路模型。一般而言，这得到了与实际电容器行为的良好近似。
在一种测量ESR的方法中，可以开始从处于静态的电容器(未经大电流充电或放电的电容器)提取放电电流。在其中电容器所表现出的因电容器上所储存电荷的变化而导致的电压变化小于所测量的电压变化的时间间隔期间，所测量的电压变化基本上反映电容器的ESR。在这些条件下，电容器所表现的瞬时电压变化通过计算可以作为ESR的指示。
例如，一旦开始从电容器提取放电电流，可以在测量间隔ΔT的期间表现瞬时电压变化ΔV。只要电容器的电容C，通过已知电流I放电，在测量间隔ΔT期间得到小于所测量电压变化ΔV的电压变化，就可以将在时间间隔ΔT期间的ΔV除以放电电流I，以得到ESR的近似。当I的单位是安培并且ΔV的单位是伏特时，ESR结果将以欧姆为单位。
ESR和电容二者可取决于环境温度。因此，相关测量可需要使用者将超级电容器10在测量期间经历特定的目的环境温度。
对漏电流的性能要求一般由特定应用中的普遍环境条件来限定。例如，对于体积为20mL的电容器，漏电流的实际限制可降至低于100mA。
归一化参数的标称值可通过归一化参数(例如，体积漏电流)乘以或除以归一化特征(例如，体积)来获得。例如，体积漏电流为10mA/立方厘米并且体积为50立方厘米的超级电容器的标称漏电流是体积漏电流和体积的乘积500mA。同时，体积ESR为20毫欧·立方厘米并且体积为50立方厘米的超级电容器的标称ESR为体积ESR与体积的商0.4毫欧。
iv.对包括AES的超级电容器的填充效果的检验
此外，为了示出填充方法如何影响超级电容器10，构建了超级电容器10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11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10实现了改进的性能。已确定，一般而言，期望壳体7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11
填充方法的比较性能
参数(在0.1V) 在非真空下 在真空下 偏差
ESR@45°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，对两种不同的袋装单元(pouch cell)进行测试。所述袋装单元包括两个电极3，每个电极3基于含碳材料。每个电极3相对布置并且面对彼此。隔离器5设置在所述电极3之间以防止短路，并且将所有都浸入电解质6中。使用两个外部接片来提供四个测量点。所用隔离器5是聚乙烯隔离器5，所述单元的总体积为约0.468ml。
C.使用超级电容器的方法
本发明还旨在包括本文中所述的能量存储装置(例如，超级电容器)的任何用法和全部用法。这包括直接使用超级电容器，或在用于任何应用的其他装置中使用超级电容器。这样的使用旨在包括制造、出售、或向使用者提供超级电容器。
例如，在一个实施方案中，本发明提供了一种使用高温可再充电能量储存装置(HTRESD)(例如，超级电容器)的方法，该方法包括如下步骤：获得包括先进的电解质体系(AES)的HTRESD；通过对HTRESD交替充电和放电至少两次来循环HTRESD，同时维持HTRESD两端的电压，使得HTRESD表现出0.01W/升至150kW/升的初始峰值功率密度，使得HTRESD在约-40摄氏度至约210摄氏度的温度范围内的环境温度下操作。在某些实施方案中，温度范围在约-40摄氏度至约150摄氏度之间；在约-40摄氏度至约125摄氏度之间；在约80摄氏度至约210摄氏度之间；在约80摄氏度至约175摄氏度之间；在约80摄氏度至约150摄氏度之间；或在-40摄氏度至约80摄氏度之间。在某些实施方案中，HTRESD表现出约0.01W/升至约10kW/升的初始峰值功率密度，例如，在约0.01W/升至约5kW/升之间，例如，在约0.01W/升至约2kW/升之间。
在另一个实施方案中，本发明提供了一种使用超级电容器的方法，该方法包括：获得根据权利要求1至85中任一项所述的超级电容器，其中，所述超级电容器表现出保持在约100摄氏度至约150摄氏度之间的范围内的基本恒定的温度下时低于约10mA/立方厘米的体积漏电流(mA/立方厘米)；和通过对超级电容器交替充电和放电至少两次来循环超级电容器，同时维持超级电容器两端的电压，使得超级电容器在约-40摄氏度至约210摄氏度之间的范围内的基本恒定的温度下保持时使用20小时之后表现出低于约300％的ESR升高。在某些实施方案中，温度范围在约-40摄氏度和约150摄氏度之间；在约-40摄氏度和约125摄氏度之间；在约80摄氏度和约210摄氏度之间；在约80摄氏度和约175摄氏度之间；在约80摄氏度和约150摄氏度之间；或在约-40摄氏度和约80摄氏度之间。
在另一个实施方案中，本发明提供了一种给使用者提供高温可再充电能量存储装置的方法，该方法包括：选择包括先进的电解质体系(AES)的高温可再充电能量存储装置(HTRESD)，所述高温可再充电能量存储装置在暴露于约-40摄氏度至约210摄氏度的温度范围内的环境温度时表现出0.01W/升至100kW/升的初始峰值功率密度和至少1小时、例如至少10小时、例如至少50小时、例如至少100小时、例如至少200小时、例如至少300小时、例如至少400小时、例如至少500小时、例如至少1000小时的耐久期；和交付储存装置，使得给使用者提供HTRESD。
在另一实施方案中，本发明提供了一种给使用者提供高温可再充电能量存储装置的方法，该方法包括：获得根据权利要求1至85中任一项所述的在约-40摄氏度至约210摄氏度之间的范围内的基本恒定的温度下保持时表现出低于约10mA/立方厘米的体积漏电流(mA/立方厘米)的超级电容器；和交付存储装置，使得给使用者提供HTRESD。
通过引用并入
通过引用将本文中引用的所有专利、公布的专利申请和其他参考的全部内容都明确地在此全部并入本文。
等同物
本领域技术人员将认识到或能够仅仅使用常规实验来确定本文中所述的具体制程的许多等同物。这样的等同物被认为在本发明的范围内且被所附权利要求所涵盖。此外，本文中所提供的任何数值或字母的范围意欲包括那些范围的上限值和下限值。另外，至少在一个实施方案中，任何列表或分组旨在表示所列独立实施方案的简写或方便方式；因而，应认为列表的每个部分为单独的实施方案。
应该认识到，本文中的教导仅为示例性的并且不对本发明进行限制。此外，本领域技术人员将认识到，在保持在本发明的范围之内的同时可以实现另外的部件、构造、布置等。例如，层、电极、引线、端子、接触件、馈通件、盖等的配制可与本文所公开的实施方案不同。一般而言，超级电容器的部件和利用电极的超级电容器的设计和/或应用仅受***设计者、制造者、操作者和/或使用者的需要以及出现在任意具体情形中的需求限制。
此外，可以包括并采用各种其他部件用于提供在本文中的教导的方面。例如，可以使用额外的材料、材料的组合和/或材料的冗余来提供在本文教导的范围内的另外的实施方案。
虽然已经参照示例性实施方案描述了本发明，但是应该理解，在不脱离本发明的范围的条件下可以作出各种变型并且等同物可以替代其元件。另外，许多修改将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通过本文中所附的权利要求解释。
本发明至少提供以下方案：
方案1.一种超级电容器，包括：
气密密封壳体内的先进的电解质体系(AES)和能量储存单元，所述单元电耦接至正极接触件和负极接触件，其中所述超级电容器配置成在约-40摄氏度至约210摄氏度的温度范围内的温度下操作。
方案2.根据方案1所述的超级电容器，其中所述AES包括新型电解质实体(NEE)。
方案3.根据方案1或2所述的超级电容器，其中所述NEE适合于在高温超级电容器中使用。
方案4.根据方案1至3中任一项所述的超级电容器，其中所述超级电容器配置成在约80摄氏度至约210摄氏度的温度范围内的温度下操作。
方案5.根据方案4所述的超级电容器，其中所述超级电容器配置成在约80摄氏度至约150摄氏度的温度范围内的温度下操作。
方案6.根据方案1所述的超级电容器，其中所述AES包括高度纯化的电解质。
方案7.根据方案1或6所述的超级电容器，其中所述高度纯化的电解质适合于在高温超级电容器中使用。
方案8.根据方案1、6或7中任一项所述的超级电容器，其中所述超级电容器配置成在约80摄氏度至约210摄氏度的温度范围内的温度下操作。
方案9.根据方案8所述的超级电容器，其中所述超级电容器配置成在约80摄氏度至约150摄氏度的温度范围内的温度下操作。
方案10.根据方案1所述的超级电容器，其中所述AES包括增强的电解质组合。
方案11.根据方案1或10所述的超级电容器，其中所述增强的电解质组合适合于在高温超级电容器和低温超级电容器两者中使用。
方案12.根据方案1、10或11中任一项所述的超级电容器，其中所述超级电容器配置成在约-40摄氏度至约150摄氏度的温度范围内的温度下操作。
方案13.根据方案12所述的超级电容器，其中所述超级电容器配置成在约-30摄氏度至约125摄氏度的温度范围内的温度下操作。
方案14.根据方案1至13中任一项所述的超级电容器，其中优于已知的能量储存装置的现有电解质的优点选自如下改进中的一项或更多项：总电阻降低、电阻的长期稳定性提高、总电容增加、电容的长期稳定性提高、能量密度增加、电压稳定性提高、蒸气压减小、单个电容器的温度范围性能更宽、单个电容器的温度耐久性提高、制造容易度提高以及成本效益改进。
方案15.根据方案1至14中任一项所述的超级电容器，其中所述能量储存单元包括正电极和负电极。
方案16.根据方案1至15中任一项所述的超级电容器，其中所述电极中的至少之一包括含碳能量储存介质。
方案17.根据方案16中所述的超级电容器，其中所述含碳能量储存介质包括碳纳米管。
方案18.根据方案16中所述的超级电容器，其中所述含碳能量储存介质包括活性碳、碳纤维、人造纤维、石墨烯、气凝胶、碳布和多种形式的碳纳米管中的至少之一。
方案19.根据方案1至18中任一项所述的超级电容器，其中各个电极包括集电器。
方案20.根据方案2或10中所述的超级电容器，其中将所述AES进一步纯化以降低杂质含量。
方案21.根据方案1至20中任一项所述的超级电容器，其中所述电解质中卤离子的含量低于约1000份/百万份。
方案22.根据方案21所述的超级电容器，其中所述电解质中卤离子的含量低于约500份/百万份。
方案23.根据方案21所述的超级电容器，其中所述电解质中卤离子的含量低于约100份/百万份。
方案24.根据方案21所述的超级电容器，其中所述电解质中卤离子的含量低于约50份/百万份。
方案25.根据方案21至24中任一项所述的超级电容器，所述电解质中的所述卤离子选自从氯离子、溴离子、氟离子和碘离子中选择的所述卤离子中的一种或更多种。
方案26.根据方案1至25中任一项中所述的超级电容器，其中所述电解质中金属物质的总浓度低于约1000份/百万份。
方案27.根据方案26中所述的超级电容器，其中所述金属物质选自从Cd、Co、Cr、Cu、Fe、K、Li、Mo、Na、Ni、Pb和Zn中选择的一种或更多种金属。
方案28.根据方案26中所述的超级电容器，其中所述金属物质选自从Cd、Co、Cr、Cu、Fe、K、Li、Mo、Na、Ni、Pb和Zn中选择的金属的一种或更多种合金。
方案29.根据方案26中所述的超级电容器，其中所述金属物质选自从Cd、Co、Cr、Cu、Fe、K、Li、Mo、Na、Ni、Pb和Zn中选择的金属的一种或更多种氧化物。
方案30.根据方案20至29中任一项所述的超级电容器，其中所述电解质中杂质的总浓度低于约1000份/百万份。
方案31.根据方案20至30中任一项所述的超级电容器，其中所述杂质选自溴乙烷、氯乙烷、1-溴丁烷、1-氯丁烷、1-甲基咪唑、乙酸乙酯和二氯甲烷中的一种或更多种。
方案32.根据方案20至31中任一项所述的超级电容器，其中所述电解质中总的水含量低于约500份/百万份。
方案33.根据方案32所述的超级电容器，其中所述电解质中总的水含量低于约100份/百万份。
方案34.根据方案32所述的超级电容器，其中所述电解质中总的水含量低于约50份/百万份。
方案35.根据方案32所述的超级电容器，其中所述电解质中总的水含量低于约20份/百万份。
方案36.根据方案1至35中任一项所述的超级电容器，其中所述壳体包括设置在其内部表面的显著部分之上的阻隔物。
方案37.根据方案36所述的超级电容器，其中所述阻隔物包括聚四氟乙烯(PTFE)、全氟烷氧基树脂(PFA)、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)中的至少之一。
方案38.根据方案36中所述的超级电容器，其中所述阻隔物包括陶瓷材料。
方案39.根据方案36中所述的超级电容器，其中所述阻隔物包括表现出耐腐蚀性、期望的介电性质和低电化学反应性的材料。
方案40.根据方案36中所述的超级电容器，其中所述阻隔物包括多个材料层。
方案41.根据方案1至40中任一项所述的超级电容器，其中所述壳体包含多层材料。
方案42.根据方案41中所述的超级电容器，其中所述多层材料包含覆盖到第二材料上的第一材料。
方案43.根据方案41中所述的超级电容器，其中所述多层材料包含钢、钽和铝中的至少之一。
方案44.根据方案1至43中任一项所述的超级电容器，其中所述壳体包含至少一个半球形密封件。
方案45.根据方案1至44中任一项所述的超级电容器，其中所述壳体包含至少一个玻璃-金属密封件。
方案46.根据方案45中所述的超级电容器，其中所述玻璃-金属密封件的引脚提供所述接触件之一。
方案47.根据方案45中所述的超级电容器，其中所述玻璃-金属密封件包括由选自以下的材料构成的馈通件：铁-镍-钴合金、镍铁合金、钽、钼、铌、钨以及一定形式的不锈钢和钛。
方案48.根据方案45中所述的超级电容器，其中所述玻璃-金属密封件包括由选自以下的至少一种材料构成的本体：镍、钼、铬、钴、铁、铜、锰、钛、锆、铝、碳和钨，以及其合金。
方案49.根据方案1至48中任一项所述的超级电容器，其中所述能量储存单元包括隔离器以提供正电极与负电极之间的电隔离。
方案50.根据方案49中所述的超级电容器，其中所述隔离器包含选自聚酰胺、聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)、氧化铝(Al2O3)、玻璃纤维、玻璃纤维增强塑料或其任意组合中的材料。
方案51.根据方案49或50所述的超级电容器，其中所述隔离器基本上不含水分。
方案52.根据方案49所述的超级电容器，其中所述隔离器基本上是疏水的。
方案53.根据方案1至52中任一项所述的超级电容器，所述气密密封件表现出不大于约5.0×10-6atm-立方厘米/秒的泄漏速率。
方案54.根据方案1至52中任一项所述的超级电容器，所述气密密封件表现出不大于约5.0×10-7atm-立方厘米/秒的泄漏速率。
方案55.根据方案1至52中任一项所述的超级电容器，所述气密密封件表现出不大于约5.0×10-8atm-立方厘米/秒的泄漏速率。
方案56.根据方案1至52中任一项所述的超级电容器，所述气密密封件表现出不大于约5.0×10-9atm-立方厘米/秒的泄漏速率。
方案57.根据方案1至52中任一项所述的超级电容器，所述气密密封件表现出不大于约5.0×10-10atm-立方厘米/秒的泄漏速率。
方案58.根据方案1至57中任一项所述的超级电容器，其中至少一个接触件配置成匹配另一个超级电容器的另一个接触件。
方案59.根据方案1至59中任一项所述的超级电容器，其中所述储存单元包括设置在其外部之上的包裹件。
方案60.根据方案59中所述的超级电容器，其中所述包裹件包含PTFE和聚酰亚胺中之一。
方案61.根据方案1至60中任一项所述的超级电容器，其中体积漏电流在所述温度范围内为低于约1000毫安/升。
方案62.根据方案1至61中任一项所述的超级电容器，其中体积漏电流在特定电压范围内为低于约1000毫安/升。
方案63.根据方案1至62中任一项所述的超级电容器，其中所述壳体内的水分水平低于约1000份/百万份(ppm)。
方案64.根据方案63所述的超级电容器，其中所述壳体内的所述水分水平低于约500份/百万份(ppm)。
方案65.根据方案63所述的超级电容器，其中所述壳体内的所述水分水平低于约350份/百万份(ppm)。
方案66.根据方案1至65中任一项所述的超级电容器，包含在所述超级电容器的电极中的低于约1000ppm的水分含量。
方案67.根据方案66所述的超级电容器，包含在所述超级电容器的电极中的低于约500ppm的水分含量。
方案68.根据方案66所述的超级电容器，其中所述超级电容器的所述电极中的水分水平低于约350份/百万份(ppm)。
方案69.根据方案1至68中任一项所述的超级电容器，包含在所述超级电容器的隔离器中的低于约1000ppm的水分含量。
方案70.根据方案69所述的超级电容器，包含在所述超级电容器的隔离器中的低于约500ppm的水分含量。
方案71.根据方案69所述的超级电容器，所述超级电容器的所述隔离器中的水分水平低于约160份/百万份(ppm)。
方案72.根据方案1至71中任一项所述的超级电容器，其中对于选自电极、电解质和隔离器中的部件之一，氯离子含量低于约300ppm。
方案73.根据方案1至72中任一项所述的超级电容器，其中所述超级电容器的体积漏电流(mA/立方厘米)在保持基本恒定的温度下时低于约10mA/立方厘米。
方案74.根据方案73所述的超级电容器，其中所述超级电容器的体积漏电流在保持基本恒定的温度下时低于约1mA/立方厘米。
方案75.根据方案73所述的超级电容器，其中所述超级电容器的体积漏电流在保持基本恒定的温度下时大于约0.0001mA/立方厘米。
方案76.根据方案73所述的超级电容器，其中所述超级电容器的体积电容为约6F/立方厘米与约1mF/立方厘米之间。
方案77.根据方案73所述的超级电容器，其中所述超级电容器的体积电容为约10F/立方厘米与约5F/立方厘米之间。
方案78.根据方案73所述的超级电容器，其中所述超级电容器的体积电容为约50F/立方厘米与约8F/立方厘米之间。
方案79.根据方案73所述的超级电容器，其中所述超级电容器的体积ESR为约20毫欧·立方厘米与200毫欧·立方厘米之间。
方案80.根据方案73所述的超级电容器，其中所述超级电容器的体积ESR为约150毫欧·立方厘米与2欧姆·立方厘米之间。
方案81.根据方案73所述的超级电容器，其还表现出约1.5欧姆·立方厘米与200欧姆·立方厘米之间的所述超级电容器的体积ESR。
方案82.根据方案73所述的超级电容器，其还表现出约150欧姆·立方厘米与2000欧姆·立方厘米之间的所述超级电容器的体积ESR。
方案83.根据方案73所述的超级电容器，其中所述超级电容器在恒定电压下保持至少20小时时表现出小于约60％的电容降低。
方案84.根据方案73所述的超级电容器，其中所述超级电容器在恒定电压下保持至少20小时时表现出小于约300％的ESR升高。
方案85.根据方案73中所述的方法，其中所述超级电容器在保持在恒定电压时表现出小于约60％的电容降低。
方案86.一种用于制造超级电容器的方法，包括如下步骤：
将包含能量储存介质的能量储存单元设置在壳体内；和
用先进的电解质体系(AES)填充所述壳体，以使得将超级电容器制造成在约-40摄氏度至约210摄氏度的温度范围内操作。
方案87.根据方案86所述的方法，其中所述AES包括新型电解质实体(NEE)。
方案88.根据方案86或87所述的方法，其中所述NEE适合于在高温超级电容器中使用。
方案89.根据方案86至88中任一项所述的方法，其中所述超级电容器配置成在约80摄氏度至约210摄氏度的温度范围内的温度下操作。
方案90.根据方案89所述的方法，其中所述超级电容器配置成在约80摄氏度至约150摄氏度的温度范围内的温度下操作。
方案91.根据方案86所述的方法，其中所述AES包括高度纯化的电解质。
方案92.根据方案86或91所述的方法，其中所述高度纯化的电解质适合于在高温超级电容器中使用。
方案93.根据方案86、91或92中任一项所述的方法，其中所述超级电容器配置成在约80摄氏度至约210摄氏度的温度范围内的温度下操作。
方案94.根据方案93所述的方法，其中所述超级电容器配置成在约80摄氏度至约150摄氏度的温度范围内的温度下操作。
方案95.根据方案86所述的方法，其中所述AES包括增强的电解质组合。
方案96.根据方案86或95所述的方法，其中所述增强的电解质组合适合于在高温超级电容器和低温超级电容器两者中使用。
方案97.根据方案86、95或96中任一项所述的方法，其中所述超级电容器配置成在约-40摄氏度至约150摄氏度的温度范围内的温度下操作。
方案98.根据方案97所述的方法，其中所述超级电容器配置成在约-30摄氏度至约125摄氏度的温度范围内的温度下操作。
方案99.根据方案86至98中任一项所述的方法，其中优于已知的能量储存装置的现有电解质的优点选自如下改进中的一项或更多项：总电阻降低、电阻的长期稳定性提高、总电容增加、电容的长期稳定性提高、能量密度增加、电压稳定性提高、蒸气压减小、单个电容器的温度范围性能更宽、单个电容器的温度耐久性提高、制造容易度提高以及成本效益改进。
方案100.根据方案72所述的方法，其中所制造的超级电容器是根据方案1至85中任一项所述的超级电容器。
方案101.根据方案86至100中任一项所述的方法，其中所述设置还包括预处理所述超级电容器的部件以减少其中的水分，所述超级电容器的部件包括：电极、隔离器、引线、经组装的能量储存单元和所述壳体中的至少之一。
方案102.根据方案101所述的方法，其中所述预处理包括基本上在真空下在约100摄氏度至约150摄氏度的温度范围内加热所选部件。
方案103.根据方案101所述的方法，其中所述预处理包括基本上在真空下在约150摄氏度至约300摄氏度的温度范围内加热所选部件。
方案104.根据方案86至103中任一项所述的方法，其中在基本上惰性的环境中进行所述设置。
方案105.根据方案86至104中任一项所述的方法，其中所述构建包括为所述壳体选择相对电解质表现出低化学反应性的内部表面材料。
方案106.根据方案105所述的方法，还包括在所述壳体的内部的显著部分中引入所述内部表面材料。
方案107.根据方案105或106所述的方法，其中所述构建包括选择铝、聚四氟乙烯(PTFE)、全氟烷氧基树脂(PFA)、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)和陶瓷材料中的至少之一作为所述内部表面材料。
方案108.根据方案86至104中任一项所述的方法，其中所述构建包括由多层材料形成所述壳体。
方案109.根据方案108所述的方法，其中所述由多层材料形成所述壳体包括将可焊接材料设置在所述壳体的外部上。
方案110.根据方案86至109中任一项所述的方法，其中所述构建包括为所述壳体制造盖和本体中至少之一。
方案111.根据方案86至110中任一项所述的方法，其中所述构建包括将填充端口设置在所述壳体中以实现所述填充。
方案112.根据方案110所述的方法，其中所述制造包括将包含绝缘体和绝缘于所述壳体的电极的密封件设置在所述壳体中。
方案113.根据方案112所述的方法，其中设置所述密封件包括设置玻璃-金属密封件。
方案114.根据方案112所述的方法，其中设置所述密封件包括设置半球形密封件。
方案115.根据方案113所述的方法，其中设置所述玻璃-金属密封件包括将所述玻璃-金属密封件焊接至所述壳体的外表面。
方案116.根据方案86至115中任一项所述的方法，还包括制造所述能量储存单元。
方案117.根据方案116所述的方法，其中制造所述能量储存单元包括通过连接能量储存介质与集电器来获得电极。
方案118.根据方案117所述的方法，其中获得所述电极包括连接多个通过连接能量储存介质与集电器而制造的电极元件。
方案119.根据方案118所述的方法，其中连接所述多个电极元件包括将连接元件超声焊接至一个电极元件的集电器并超声焊接至另一个电极元件的集电器。
方案120.根据方案116所述的方法，其中制造所述能量储存单元包括将至少一根引线连接至电极。
方案121.根据方案120所述的方法，其中将至少一根引线连接至所述电极包括将至少一个参考标记布置到所述电极上。
方案122.根据方案120所述的方法，其中将至少一根引线连接至所述电极包括将各根引线布置在相应的参考标记处。
方案123.根据方案120所述的方法，其中连接至少一根引线包括从所述集电器清除能量储存介质。
方案124.根据方案120所述的方法，其中连接至少一根引线包括将所述引线超声焊接至所述集电器。
方案125.根据方案116所述的方法，其中制造所述能量储存单元包括将隔离器设置在至少两个电极之间。
方案126.根据方案125所述的方法，还包括将所述电极中的每一个与所述隔离器对齐。
方案127.根据方案116所述的方法，其中制造所述能量储存单元包括包裹至少两个电极与设置于其间的隔离器。
方案128.根据方案127所述的方法，其中所述包裹包括将所述储存单元卷成卷制的储存单元。
方案129.根据方案116所述的方法，其中制造所述能量储存单元包括将包裹件设置在所述储存单元上。
方案130.根据方案86至129中任一项所述的方法，其中设置所述能量储存单元包括将多根引线集合在一起以提供端子。
方案131.根据方案130所述的方法，其中所述将多根引线集合在一起包括将所述引线一起对齐成为一组经对齐的引线以形成端子。
方案132.根据方案131所述的方法，还包括将包裹件布置在所述一组经对齐的引线的周围。
方案133.根据方案131所述的方法，还包括对所述一组经对齐的引线进行折叠。
方案134.根据方案131所述的方法，还包括耦接所述一组经对齐的引线至所述壳体的接触件。
方案135.根据方案134中所述的方法，其中所述耦接包括将所述一组经对齐的引线焊接至所述接触件。
方案136.根据方案134所述的方法，其中所述耦接包括将所述一组经对齐的引线焊接至跨接线和桥接器之一以用于耦接至所述壳体的接触件。
方案137.根据方案86至115中任一项所述的方法，还包括电耦接跨接线与桥接器中至少之一至所述壳体的接触件。
方案138.根据方案137所述的方法，还包括基本上将绝缘材料设置在所述壳体内部上的所述接触件之上。
方案139.根据方案86至138中任一项所述的方法，还包括将所述能量储存单元气密地密封在所述壳体内。
方案140.根据方案86至139中任一项所述的方法，还包括将至少一个盖与本体匹配以提供所述壳体。
方案141.根据方案140所述的方法，其中所述盖包括凹盖、凸盖以及平盖中之一。
方案142.根据方案140所述的方法，还包括去除所述壳体内多层材料的至少一部分以提供所述匹配。
方案143.根据方案140所述的方法，其中气密地密封包括将所述壳体的部件通过脉冲焊接、激光焊接、电阻焊接以及TIG焊接中的至少之一焊接在一起。
方案144.根据方案86至143中任一项所述的方法，还包括纯化所述AES。
方案145.根据方案86至144中任一项所述的方法，还包括将填充端口设置在所述壳体内以提供所述填充。
方案146.根据方案145所述的方法，还包括在完成所述填充之后密封所述填充端口。
方案147.根据方案146中所述的方法，其中所述密封包括将可相容的材料安装到所述填充端口中。
方案148.根据方案147中所述的方法，还包括将安装到所述填充端口的所述材料焊接至所述壳体。
方案149.根据方案145所述的方法，其中所述填充包括将所述AES设置在所述壳体中的填充端口之上。
方案150.根据方案149中所述的方法，所述填充包括对所述壳体中的所述填充端口抽真空。
方案151.根据方案150中所述的方法，其中所述真空低于约150毫托。
方案152.根据方案150中所述的方法，其中所述真空低于约40毫托。
方案153.根据方案145所述的方法，其中在基本上惰性的环境中进行所述填充。
方案154.一种使用高温可再充电能量储存装置(HTRESD)的方法，所述方法包括：
获得包括先进的电解质体系(AES)的HTRESD；和
通过在20小时的持续时间内对所述HTRESD交替充电和放电至少两次来循环所述HTRESD，同时维持所述HTRESD两端的电压，使得所述HTRESD表现出0.01W/升至150kW/升的初始峰值功率密度，使得所述HTRESD在约-40摄氏度至约210摄氏度的温度范围内的环境温度下操作时使用至少20小时。
方案155.根据方案154所述的方法，其中所述HTRESD是超级电容器。
方案156.根据方案154或155所述的方法，其中所述温度范围为约-40摄氏度至约150摄氏度。
方案157.根据方案154或155所述的方法，其中所述温度范围为约-40摄氏度至约125摄氏度。
方案158.根据方案154或155所述的方法，其中所述温度范围为约80摄氏度至约210摄氏度。
方案159.根据方案154或155所述的方法，其中所述温度范围为约80摄氏度至约175摄氏度。
方案160.根据方案154或155所述的方法，其中所述温度范围为约80摄氏度至约150摄氏度。
方案161.根据方案154或155所述的方法，其中所述温度范围为约-40摄氏度至约80摄氏度。
方案162.根据方案154所述的方法，其中所述HTRESD表现出约0.01W/升至约10kW/升的初始峰值功率密度。
方案163.根据方案154至162中任一项所述的方法，其中所述HTRESD表现出约0.01W/升至约5kW/升的初始峰值功率密度。
方案164.根据方案163所述的方法，其中所述HTRESD表现出约0.01W/升至约2kW/升的初始峰值功率密度。
方案165.一种使用超级电容器的方法，所述方法包括：
获得根据方案1至85中任一项所述的超级电容器，其中，所述超级电容器表现出在保持在约100摄氏度和约150摄氏度之间的范围内的基本恒定的温度下时低于约10mA/立方厘米的体积漏电流(mA/立方厘米)；和
通过在20小时的持续时间内对所述超级电容器交替充电和放电至少两次来循环所述超级电容器，同时将所述超级电容器两端的电压维持20小时，使得所述超级电容器在保持在约-40摄氏度至约210摄氏度之间的范围内的基本恒定的温度下时使用20小时之后表现出低于约300％的ESR升高。
方案166.根据方案165所述的方法，其中所述温度范围为约-40摄氏度和约150摄氏度之间。
方案167.根据方案165所述的方法，其中所述温度范围为约-40摄氏度和约125摄氏度之间。
方案168.根据方案165所述的方法，其中所述温度范围为约80摄氏度和约210摄氏度之间。
方案169.根据方案165所述的方法，其中所述温度范围为约80摄氏度和约175摄氏度之间。
方案170.根据方案165所述的方法，其中所述温度范围为约80摄氏度和约150摄氏度之间。
方案171.根据方案165所述的方法，其中所述温度范围为约-40摄氏度和约80摄氏度之间。
方案172.一种向使用者提供高温可再充电能量储存装置的方法，所述方法包括：
选择包括先进的电解质体系(AES)的高温可再充电能量储存装置(HTRESD)，所述高温可再充电能量储存装置(HTRESD)在暴露于约-40摄氏度至约210摄氏度的温度范围内的环境温度时表现出0.01W/升和100kW/升之间的初始峰值功率密度和至少20小时的耐久期；和
交付所述储存装置，使得向使用者提供所述HTRESD。
方案173.一种向使用者提供高温可再充电能量储存装置的方法，所述方法包括：
获得根据方案1至85中任一项所述的超级电容器，所述超级电容器在保持在约-40摄氏度和约210摄氏度之间的范围内的基本恒定的温度下时表现出低于约10mA/立方厘米的体积漏电流(mA/立方厘米)；和交付所述储存装置，使得向使用者提供所述HTRESD。

Claims (10)

1.一种超级电容器，包括：
气密密封壳体内的先进的电解质体系(AES)和能量储存单元，所述单元电耦接至正极接触件和负极接触件，其中所述超级电容器配置成在约-40摄氏度至约210摄氏度的温度范围内的温度下操作。
2.根据权利要求1所述的超级电容器，其中所述AES包括新型电解质实体(NEE)。
3.根据权利要求1或2所述的超级电容器，其中所述NEE适合于在高温超级电容器中使用。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的超级电容器，其中所述超级电容器配置成在约80摄氏度至约210摄氏度的温度范围内的温度下操作。
5.根据权利要求4所述的超级电容器，其中所述超级电容器配置成在约80摄氏度至约150摄氏度的温度范围内的温度下操作。
6.根据权利要求1所述的超级电容器，其中所述AES包括高度纯化的电解质。
7.根据权利要求1或6所述的超级电容器，其中所述高度纯化的电解质适合于在高温超级电容器中使用。
8.根据权利要求1、6或7中任一项所述的超级电容器，其中所述超级电容器配置成在约80摄氏度至约210摄氏度的温度范围内的温度下操作。
9.根据权利要求8所述的超级电容器，其中所述超级电容器配置成在约80摄氏度至约150摄氏度的温度范围内的温度下操作。
10.根据权利要求1所述的超级电容器，其中所述AES包括增强的电解质组合。
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