一种具有4个双电层结构的单体高压超级电容器的制造方法
【专利说明】一种具有4个双电层结构的单体高压超级电容器
[0001]
技术领域
[0002]本发明涉及电容器领域，具体涉及一种具有4个双电层结构的单体高压超级电容器。
【背景技术】
[0003]现有超级电容器具有较大的电容量，使其具有一定的存储电能的能力，但现有单体超级电容器工作电压一般很低，由于电容器储能与其工作电压的平方成正比，其存储电能的能力十分有限，存储能量密度远低于化学蓄电池，远不能满足实际使用要求。
[0004]目前，超级电容器及其他储能电容器的典型改进产品有如下几类:一是组合式超级电容器，即将超级电容器的一个双电层改做成绝缘膜电极的形式，也就是将超级电容器的2个双电层改成为I个双电层+1个绝缘膜，由于绝缘膜可承受较高的电压，因而提高了单体超级电容器的工作电压。二是赝电容器，此种电容器的电极能够发生可逆的电化学反应，等效于增大了电容量。三是与现有蓄电池技术相结合，以集合两者的优点，进而提高超级电容器的存储能力。
[0005]采用相对介电常数很大的材料，可大幅度提高电容器工作电压，这也是储能电容器研究的一个选项。此类产品无双电层特点，已脱离现有超级电容器典型结构，但从原理上讲，由于能够大幅度提高工作电压，因而可储存较多的电能。
[0006]还有一种所谓高压超级电容器，是通过将单体超级电容器串或并联组合而成，以适应高电压使用条件，这只是超级电容器的一种应用，并未实质性地改善单体超级电容器的性能。
[0007]由上所述，以上改进并未涉及到超级电容器原理上的重大革新，因而改进效果十分有限。
[0008]有必要寻求新的原理和思路，以期实现存储能力的较大突破。
【发明内容】
[0009]本发明主要通过下述技术方案以解决现有超级电容器的不足:
一种具有4个双电层结构的单体高压超级电容器，其特征在于，包括:
正电极板:为电容器的正极，用于给电容器充电时接电源的正极；或给负载放电时接负载的正极；
负电极板:为电容器的负极，用于给电容器充电时接电源的负极；或给负载放电时接负载的负极。所述正电极板和负电极板之间为离子储存空间；
非电解质溶液:分为两种情况，
情况一:充斥在正电极板内表面，在正电极板聚集正电荷后，在正电极的内表面形成I层由非电解质分子构成的致密排列的电偶极子，同时形成了 2个双电层，即正电极板与电偶极子的负电荷端之间形成A电层，电偶极子的负电荷端与正电荷端之间形成B电层；情况二:充斥在负电极板内表面，在负电极板聚集负电荷后，在负电极板的内表面形成I层由非电解质分子构成的致密排列的电偶极子，同时形成了 2个双电层，即负电极板与电偶极子的正电荷端之间形成E电层，电偶极子的负电荷端与正电荷端之间形成F电层；电解质溶液:分为两种情况，
情况一:电解质溶液充斥在离子储存空间内，且充斥的顺序是在B电层形成之后。由于电解质负离子与正电极板之间被B电层阻隔，而B电层由非电解质分子构成，因此，电解质负离子不会与B电层的正电荷端进行电荷交换，也不会穿过B电层去与正电极板内表面接触，B电层相当于对电解质负离子具有绝缘作用，即电解质负离子只会聚集在B电层的正电荷端近邻并与之形成C电层；
另外，电解质正离子与负电极板之间形成D电层；
所述A电层、B电层、C电层和D电层4个双电层中，只有B电层由非电解质分子形成；同时，因为B电层由非电解质分子形成，能够承受高于电解质分解电压的电压，从而由A电层、B电层、C电层和D电层构成具有4个双电层结构的单体高压电容器；
情况二:电解质溶液充斥在离子储存空间内，且充斥的顺序是在F电层形成之后，由于电解质正离子与负电极板之间被F电层阻隔，而F电层由非电解质分子构成，因此，电解质正离子不会与F电层的负电荷端进行电荷交换，也不会穿过F电层去与负电极板内表面接触，F电层相当于对电解质负离子具有绝缘作用，即电解质正离子只会聚集在F电层的负电荷端近邻并与之形成G电层；
另外，电解质负离子与正电极板之间形成H电层；
所述E电层、F电层、G电层和H电层4个双电层中，只有F电层由非电解质分子形成；同时，因为F电层由非电解质分子形成，能够承受高于电解质分解电压的电压，从而由E电层、F电层、G电层和H电层构成具有4个双电层结构的单体高压电容器。
[0010]在上述的一种具有4个双电层结构的单体高压超级电容器，还包括一隔膜:设置在正电极板和负电极板之间，使正电极板与隔膜、以及负电极板与隔膜分别形成一个离子储存空间；分别是上部离子储存空间以及下部离子储存空间；
在上述的一种具有4个双电层结构的单体高压超级电容器，非电解质溶液由极性分子构成；或虽为非极性分子，但在外电场的作用下，分子的正电荷中心与负电荷中心能够分离，能够形成电偶极子。
[0011]在上述的一种具有4个双电层结构的单体高压超级电容器，还包括一个电压监控装置，电压监控装置的正、负极两端分别与正电极板和负电极板电连接。
[0012]在上述的一种具有4个双电层结构的单体高压超级电容器，充斥在正电极或负电极内表面的非电解质分子的数量满足条件:
定义正电极或负电极内表面的面积为S，非电解质分子截面积为P，非电解质分子个数M=kS/P，k ^ I为系数。当正电极或负电极聚集电荷后，在电场力的作用下，非电解质分子构成的电偶极子将沿正电极或负电极内表面整齐排列，当非电解质分子全部参与排列、并且排列成为致密排列的电偶极子时，k=l为最佳，即非电解质分子全部覆盖在电极表面。
[0013]本发明具有如下优点:1、定义电容器正电极板和负电极板之间的距离称为极距。由于I个双电层相当于I个电容器，显然，上述4个双电层之极距与电解质或非电解质分子的大小相当，因此，本发明具有极距小的优点，这一点与现有双电层电容器类似；2、现有双电层电容器可视为2个电容器串联，而本电容器可视为4个电容器串联，但两者极距相近，若两者的正负电极的面积相同，则本发明的电容量约为双电层电容器的1/2。但双电层电容器之工作电压不能高于电解质分解电压，而本发明之工作电压可高于电解质分解电压，由于电容器储能与电压平方成正比，因此，本发明具备较大的存储电能的潜力。
【附图说明】
[0014]图1-1是正电极内表面充斥非电解质分子形成致密排列的电偶极子并形成A电层和B电层的示意图。
[0015]图1-2是图1-1中充斥电解质溶液后形成C电层和D电层的示意图。
[0016]图1-3是图1-2中隔膜加入后的示意图。
[0017]图2-1是负电极内表面充斥非电解质分子形成致密排列的电偶极子并形成E电层和F电层的示意图。
[0018]图2-2是图2-1中充斥电解质溶液后形成G电层和H电层的示意图。
[0019]图2-3是图2-2中隔膜加入后的示意图。
[0020]图3为本发明中，非电解质溶液充斥在正电极板内表面时，整个电容的结构示意图。
[0021]图4为本发明的结构简要示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0023]实施例:
下面，以非电解质溶液充斥在正电极板I内表面为例，进行说明。
[0024]如图1所示。本发明包括正电极板1、负电极板2、隔膜3、非电解质溶液和电解质溶液，隔膜3位于正电极板I和负电极板2之间，且正电极板I和隔膜3与负电极板2和隔膜3