一种提高电化学电容器储能密度的方法

本发明属于电化学电容器技术领域。

电化学电容器按电极材料及储能机理来分，可分为：碳基双电层电化学电容器；金属氧化物、氢氧化物、导电聚合物赝电容；以及一极是双电层电容，一极是赝电容所构成的混合电容器三种。

由于双电层电化学电容器的充放电过程是物理过程，电极没有化学反应，它的性能稳定，安全可靠，能大电流急速充放电，使用寿命长，本发明就以双电层电化学电容器来描述提高电化学电容器储能密度的方法。

利用本发明的电容结构和充电方法，只要更换相应的电解液和电极材料，就能制造出赝电容；混合电容，也能提高它们的储能密度。

电化学电容器的储能密度是该电容器所储存的能量除以该电容器的重量或体积，单位是wh/kg或wh/L。

双电层电化学电容器的背景技术

双电层电化学电容器的电极由金属薄膜和压制在此金属薄膜上的电极材料构成。(注：有的书上把金属薄膜称为金属集流体或者金属箔膜，常见的有铝箔、镍箔)

电极材料由碳基材料，导电剂、粘结剂所组成的混合物构成。

(另外一种现有技术是：用单层碳纳米管无纺布直接做电极的，它没有金属集流体，如中科院谢思深等人发明的电容)

在说明书附图1(1)中：1/1’为金属集流体；2/2’为电极材料；3/3’为电介质；4/4’为溶液侧带电界面；5为隔膜；6/6’为电解液；ΔE为充电电源。

电极制作过程包括合料、拌浆、涂布、压制、干燥，1和2组成电容器正极，1’和2’组成电容器负极，2或2’是由碳基材料、导电剂、粘结剂组成的混合物经合料、涂布、压制在1及1’上经干燥而得到电极，在以后的描述中，电化学电容器的电极是指1和2或者1’和2’所构成的整体。

一个单体双电层电化学电容器(指的是：没有与另一电容器电极串/并联，正负极之间的电压不超过电解液的分解电压)，它充电后有两个双电层电容：一个是正极界面与溶液侧界面所形成的双电层电容，称为正极侧双电层电容，另一个是负极界面与溶液侧界面所形成的双电层电容，称为负极侧双电层电容，电容器的正极与负极被隔膜隔开，隔膜是一层有孔的绝缘簿膜，电解质溶液中的离子可以穿过隔膜，电子不能穿越绝缘隔膜，每个双电层电容等效于一个串联内阻串联一个电容，并且在电容的两端并联着漏电电阻，一个单体双电层电容器由这样的两个双电层电容串联而成，参见图1。

在图1(1)中，电介质3两边的正极1和2与溶液侧界面4形成一个双电层电容C1，电介质 3’两边的负极1’和2’与溶液侧界面4’形成一个双电层电容C2，C1、C2都相当于平行板电容器，其电容的计算公式为S为涂覆在金属薄膜一边且与隔膜紧贴的电极材料的比表面积。

一个单体双电层电化学电容器，其等效电路如图1(2)所示，如果忽略等效串联内阻Rs和漏电电阻RF，则图1(2)可简化成等效电路图1(3)，在对称的双电层电化学电容器中，C1＝C2，将图1(3)进一步简化就是图1(4)，在图1(2)中，等效串联电阻Rs是指引线与金属薄膜之间的电阻、金属薄膜与电极材料之间的接触电阻、电极材料本身的电阻、电解液电阻、隔膜电阻之和，等效串联内阻一般在数十毫欧以下，电容器两个串联内阻压降及两个串联的双电层电容C1，C2的电压之和最大值不能超过电解液的分解电压，在对称双电层电化学电容器中，C1＝C2，如果忽略双电层电容器的串联内阻压降，此时，其等效电路如图1(3)所示，则每个双电层电容上的电压最大值是电解液分解电压的一半，即

双电层电化学电容器以静电学形式将正负电荷置于一个电容器的不同极板之间来存储电能，这是一种没有感应电流的电能存储过程。

双电层电化学电容器在充/放电时，不含相变和成分变化，只有电子需要通过外部电路流入电极或从电极流出，并且电解质溶液中的阳离子和阴离子在溶液中传输到带电界面(充电过程) 或者阳离子和阴离子从双电层的带电界面流回到电解质溶液中(放电过程)。

双电层电化学电容器的充放电过程和机理：

1.电极界面上的电荷产生机理(参见图1(1))

在电容器极板上，由于两电极间存在外加电势差ΔE，在外加ΔE作用下，电子e从一个电极通过外电路被驱使到另一极，接受电子的电极就呈现出电子过剩，因此带负电；流出电子的电极就呈现电子欠缺，因此带正电。电子e的运动方向和充电电流i的方向相反，接充电电源正极的电容器电极是电子流出的电极，呈现出电子欠缺，充完电后，此极就是电容器的正极，接充电电源负极的电容器电极，是电子流入的电极，呈现出电子过剩，充完后，此极就是电容器的负极。

电极界面出现电子欠缺和电子过剩可能达到的程度，依赖于电极间的电压差ΔE，电极界面所聚积的电荷量q对被测电极的电势E的依赖关系可直接表示为微分的定量关系，即 Cdl即是双电层电容。

2.溶液侧带电界面的电荷产生机理

在图1中，溶液侧带电界面为4，4’，6是电解质溶液，它呈电中性，即不带电，没有净电荷，在充电或放电过程中，6区呈现为电解液电阻，产生压降IR。

溶液侧带电界面的电荷分布：它由一个致密层和一个分布较宽的扩散层组成，致密层厚度在 0.5～0.6nm，扩散层的厚度在1～100nm，致密层的带电量q1与扩散层带电量q2之和为qs，其大小与电极界面的电量qm相等，符号相反，-qm＝qs＝q1+q2电子通过外部电路注入电极或流出电极，与此同时发生的是电解质溶液中的阳离子和阴离子在溶液中传输到带电界面(充电过程)或者阳离子和阴离子从双电层的带电界面流回到电解质溶液中(放电过程)，且时时刻刻保持-qm＝qs＝q1+q2

3.双电层电化学电容器的理想极化过程

所谓的理想极化电极，电流i仅仅是将电荷传递给了电极界面，而没有电荷通过双电层引起电极表面化学变化的法拉第过程的发生。

法拉第过程是指在电极和电解液中的离子或分子之间存在电荷转移的电极过程。

4.双电层的极板，电介质的描述

在双电层中，电极界面就是电容器的一个极板(如图1(1)中的2，2’)，另一个极板则是离子溶液的内部区域(如图1(1)中的4，4’)，一个电容器原型器件是由这样的两个双电层组成，电极界面与溶液界面形成的电场，(即2，4之间，2’，4’之间的电场)，其电场强度高达107V.cm-1，电极界面与溶液界面之间的电介质(即图1(1)中的3，3’)由位于电极界面局部区域中约0.5～0.6nm厚度的簿层溶剂分子组成，这层溶剂分子与电极产生相互作用，并且由于双电层的电势已经从零电荷电位产生了较大偏离，而在双电层的电场作用下，发生明显地再定向，同时发现位于双电层的相界区域中的许多溶剂分子可被存在于双电层霍姆亥兹区中的电解质阳离子或阴离子极化力而取向，从而，在形成双电层相界溶剂介质的位置建立起产生双电层电容的电荷分离，这些位置具有分子水平的复杂结构，它为分散体系中的离子提供溶剂化壳层。

5.电荷在导电的电容器极板上的分布有均匀化的趋向，导电极板上的电子电荷(±)是导带电子的离域化电荷，当双电层放电时，该放电电流用来将聚集的离子电荷从两电极界面所对应的溶液侧带电界面传输到溶液中，因此，对于本发明的双电层电化学电容器，无论是在充电过程还是在放电过程或者在静态的不充不放状态下，金属薄膜上的电荷分布是均匀的，不会出现电荷堆积在隔膜两侧的金属薄膜上，且时时刻刻保持着-qm＝qs＝q1+q2，从电学角度上讲，电极中的金属薄膜是等势体。

6.单体双电层电化学电容器的电极结构有卷绕型和叠层型两种，正极负极之间设有隔膜，单体双电层电化学电容器由正极、负极、隔膜、电解液、引线、外壳等组成。

7.单体双电层电化学电容器的电能存储在正极侧的双电层电容和负极侧的双电层电容里，正极侧的双电层电容由紧贴隔膜的正极界面与溶液侧界面形成，负极侧的双电层电容由紧贴隔膜的负极界面与溶液侧界面形成，电容器充电时，充电电源的正极负极分别连接在该电容器的正极和负极，电容器放电时，电能从电容器的正极负极输出。

1.现有技术的不足有二：

其一：现有结构的双电层电化学电容器，纵使金属薄膜的所有表面(或者说是两个面积最大的表面)都涂覆有电极材料，对正极侧或者负极侧双电层电容值起贡献作用的也只有隔膜两边所对应的那个电极界面，因为电容器的正极、负极相当于平行板电容器的两个极板，充电电场主要集中于正极、隔膜、负极之间区域，这个电场是分离电解液中带电的阳离子、阴离子的能量源泉，按照能量守恒定律，在不计损耗的情况下，给电容充电的能量等于分离电荷的能量，也等于电容存储电荷的能量

【何孝军在“双电层电容器中单/双面涂覆电极的电化学性能比较”一文中写到，在1.5× 1.5cm2的镍箔上单面涂覆电极的电容，经1000次循环后，其能量密度从9.4wh/kg下降到 6.1wh/kg；双面涂覆电极的电容，经1000次循环后，其能量密度从7.8wh/kg下降到7.6wh/kg。 (可在网上搜到此文，2009年国家自然科学基金资助项目)

----由此可见，双面涂覆电极，按现有结构和充电方法，并不能使其储能增加，也可以说明，只有隔膜两边的电极界面与其对应的溶液侧界面形成了两个双电层电容，即正极侧双电层电容和负极侧双电层电容】

其二，前已述及，如果忽略对称双电层电容器的串联内阻压降，此时，其等效电路如图1(3) 所示，则每个双电层电容上的电压最大值是电解液分解电压的一半，即

2.要解决的技术问题

在单体电容器的制造过程中，除了遵循现有技术的技术要求外，通过改变电容器的结构和充电/放电方法来提高电化学电容器的储能密度，具体来讲，就是使每个金属集流体的两个涂覆有电极材料的电极界面都能与电解液界面形成双电层电容，且每个双电层电容充电电压在忽略串联内阻压降后达到电解液的分解电压。

(1)在单体双电层电化学电容器制造时，在电解液里增加充电极板(负极充电电极称为电极 A，正极充电电极称为电极C，他们相间均匀分布且制作在一块PCB电路板的同一面上，它们的电极引出线制作在这块PCB板的另一面，充电极板示意图见图2，充电极板并不局限于图2 所示，它们可以有别的图案和形状；另一种充电极板是：整块充电极板要么为负极充电极板即电极A，要么为正极充电极板即电极C，对于非相间分布的这种充电极板，其在电容器中的数量是成对出现的，即正极充电极板、负极充电极板各一块；各2块，各三块等等)，使电容器的正极有“正极充电电源”，且“正极充电电源”的正极输出端接电容器的正极，“正极充电电源”的负极输出端接在电解液中新增加的正极充电电极(电极C)，实现“正极充电电源”输出端所接充电极板(电极D，电极C)形成的电场能对正极电极界面与溶液侧界面形成的双电层电容充电；使电容器的负极有“负极充电电源”，且“负极充电电源”的负极输出端接电容器的负极(电极B)，“负极充电电源”的正极输出端接在电解液中新增加的负极充电电极 (电极A)，实现“负极充电电源”输出端所接充电极板(电极A，电极B)形成的电场能对负极电极界面与溶液侧界面形成的双电层电容充电，(电场的性质是：在任何带电系统所产生的静电场中，电力线与等势面都是处处正交的，电极D、电极B、电极A、电极C它们各自都是等势面，电场的方向指向电势降落的方向，电力线从正极出发，指向负极，且与负极表面处处正交，电极A与电极B形成的电场，电力线从电极A出发，且与电极A的表面处处正交，指向电极B，且与电极B的表面处处正交；电极D与电极C形成的电场，电力线从电极D出发，且与电极D的表面处处正交，指向电极C，且与电极C的表面处处正交；电力线上每一点的切线方向与该点的电场强度E的方向一致，静电场的电力线有两种性质：第一，不形成闭合回线，也不中断，而是起自正电荷，止于负电荷，第二，任何两条电力线不会相交，静电场中每一点的场强只有一个方向。电解液中的带电离子受电场力的作用而运动，阳离子的受力方向同电场方向，阴离子的受力方向与电场方向相反，这里，电极B的表面实质上是涂覆在金属集流体B上的电极材料的所有表面，电极D的表面实质上是涂覆在金属集流体D上的电极材料的所有表面)，其目的或者说其结果是：使电容器的正极所有电极材料界面与溶液侧界面形成双电层电容，且其充电电压达到电解液的分解电压(忽略电容器串联内阻压降)；使电容器的负极所有电极材料界面与溶液侧界面形成双电层电容，且其充电电压达到电解液的分解电压(忽略电容器串联内阻压降)，本发明的电容器在计算储能时如下：

每个双电层电容储能公式中，在计算正极侧或者负极侧双电层电容储能时，S则变成图1(1)现有技术双电层电容器相应S的两倍，因为正极或者负极的两个涂覆有电极材料的界面都能与电解液界面形成双电层(在图5(2)中，如果使用现有技术的单体双电层电容器的结构和充电方法是这样的：在电极D、B之间加不超过电解液分解电压的充电电压，在隔膜的左侧和右侧形成两个双电层电容，而使用本发明的单体双电层电容器的结构和充电方法能形成四个双电层电容，即电极B左侧、右侧的两个双电层；电极D左侧、右侧的两个双电层)；V则变成图1(1)现有技术双电层电容器相应V的两倍，参见图5(2)，因为金属集流体B左侧或者右侧的双电层电容充电电压为UAB减去电容器串联内阻压降、金属集流体D左侧或者右侧的双电层电容充电电压为UCD减去电容器串联内阻压降，UAB是电极A 与电极B之间的电压，UCD是电极C与电极D之间的电压。UAB，UCD可达到电解液分解电压值，在忽略电容器串联内阻压降时，每个双电层电容的充电电压可达到电解液的分解电压值，(这个电容器串联内阻压降在现有技术的双电层电化学电容器中同样是存在的，大小几乎与之相等)，这样，就能使本发明的电容器的储能增加到现有技术双电层电化学电容器储能的8倍。即

上式分母中的是现有技术中的双电层电容器正极侧或者是负极侧双电层电容的储能，乘以2是因为现有技术中的双电层电容器正极侧与负极侧双电层电容的储能之和才是它存储的能量(参见图1)，上式中的分子是本发明的双电层电容器的所有储能。

在电容器制造中增加充电极板的数量可以是一块到多块，直至包围整个电极体，也可以将充电极板做在电容器外壳的内表面(但要保证增加的充电电极与电容器的整个电极体都浸没在电解液里)，将所有充电极板的负极充电电极引出线连在一起；所有充电极板的正极充电电极引出线连在一起。对于卷绕型的电极体，可以在上底或者下底位置；也可以在上底及下底位置；还可以在上底、下底、圆柱体柱面外围位置增加充电极板，包围整个电极体；对于叠层型电极体，可以在集流体厚度所在表面的垂直方向增加一块到四块充电极板，也可以在电极体的前后左右上下这6个方位增加充电极板，包围整个电极体。(电极体即由所有正极、隔膜、负极组成的整体)

另外，也可以试验充电极板不在电解液里的对应的上述情形，直接由电容器正极集流体里的电子缺失所带的正电荷与电解液里的阴离子形成双电层电容，由电容器负极集流体里的过剩电子所带的负电荷与电解液里的阳离子形成双电层电容。

(2)能实现单体电容器的并联，形成电容器组。

(3)能实现所有电容器(组)的正极串联均衡充电，所有电容器(组)的负极串联均衡充电，能实现所有电容器(组)的电极串联，并对外供电或接受动态充电。(参见图10，其中G*(+)H*(-)端口能对外供电或接受动态充电，A*(+)B*(-)接负极充电电源输出端，D*(+)C*(-) 接正极充电电源输出端)。

技术方案：

提高电化学电容器储能密度的方法与现有技术的共同特征：

使用现有技术双电层电化学电容器的制造材料、制造工艺、生产技术要求。

在电容器结构上相同的部分：现有的双电层电化学电容器主要由正极、负极、隔膜、电解液、引线、外壳组成，正极和负极之间设有隔膜，其中正极、负极的金属集流体所有表面(或者说面积最大的两个表面)都涂覆有电极材料(注：由于金属集流体厚度极薄，厚度所在的表面，涂覆或不涂覆电极材料对电容器影响不大，可忽略)，现有技术中，也有正极/负极不需要金属集流体的；

电化学电容器包括双电层电化学电容器、赝电容、混合电容，本发明适用于这三种电容器；单体电容器并联时，是相同功能的电极并接在一起；单体电容器串联时，是相邻两个电容器的正极负极连接在一起，直至最后，由位于最上位的电容器的正极与位于最下位的电容器的负极构成对外供电输出端，这也是电容器组接受充电的输入端；电容器的能量存储在电容器的正极侧双电层电容和负极侧双电层电容中，正极侧双电层电容和负极侧双电层电容所存储的能量之和就是整个单体双电层电化学电容器所存储的能量；能实现电容器的串联均衡充电；提高电化学电容器储能密度的方法，其特征是：

单体电化学电容器的制造上的区别：首先：遵循现有技术中的生产技术要求，正负极之间要有防漏电措施，以防止自放电或无效充电，因本发明的电容器中增加了一块或者多块充电极板，还有电极体的耳极，所以在电解液中的电极耳极及其焊接导线、电容器正极负极引出导线等没有电极材料覆盖的地方焊接好后都要涂覆绝缘防腐层，正极充电电源的负极输出端与充电极板上的正极充电极板引出线焊接，负极充电电源的正极输出端与充电极板上的负极充电极板引出线焊接，焊好后涂覆绝缘防腐层，正极充电电源输出端及其负载要有防漏电措施，负极充电电源输出端及其负载也要有防漏电措施；其次：在电解液中增加充电极板，充电极板有两种形式，第一种是在同一块充电极板上增加了正极充电电极(或者叫正极充电极板，如图5上图中的电极C)，负极充电电极(或者叫负极充电极板，如图5上图中的电极A，充电极板示意图见图2，其实，正极充电电极，负极充电电极只要均匀相间分布，任意图形和形状都可以，并不局限于图2所示；第二种充电极板是：整块充电极板要么为负极充电极板即电极A，要么为正极充电极板即电极C；

其三：使电容器的正极有单独的正极充电电源，并且正极充电电源的正极输出端接电容器的正极(有金属集流体时接正极金属集流体)，正极充电电源的负极输出端接在电解液中新增的正极充电电极，实现“正极充电电源”输出端所接极板形成的电场能对正极电极界面与溶液侧界面形成的双电层电容充电；使电容器的负极有另外一套负极充电电源，并且负极充电电源的负极输出端接电容器的负极(有金属集流体时接负极金属集流体)，负极充电电源的正极输出端接在电解液中新增的负极充电电极，实现“负极充电电源”输出端所接极板形成的电场能对负极电极界面与溶液侧界面形成的双电层电容充电；

其四：在电容器制造中增加充电极板的数量可以是一块到多块，直至包围整个电极体，也可以将充电极板做在电容器外壳的内表面(但要保证增加的充电电极与电容器的整个电极体都浸没在电解液里)，对于卷绕型的电极体，可以在上底或者下底位置；也可以在上底及下底位置；还可以在上底、下底、圆柱体柱面外围位置增加充电极板，包围整个电极体；对于叠层型电极体，可以在集流体厚度所在表面的垂直方向增加一块到四块充电极板，也可以在电极体的前后左右上下这6个方位增加充电极板，包围整个电极体，对于采用非相间分布的充电极板，其在电容器中的数量是成对出现的，即正极充电极板、负极充电极板各一块；各2块，各三块等等。

其五：本发明的电容器，电极体有两种结构，即卷绕型和叠层型；卷绕型电极卷绕前，其头部截面示意图如图3(1)所示，电极的长度方向垂直纸面，在金属薄膜B的所有表面涂覆有电极材料，留出一部分裸体金属作为耳极部分，用于卷绕后电极引线焊接，同样，在金属薄膜D的所有表面涂覆有电极材料，留出一部分裸体金属作为耳极部分，用于卷绕后电极引线焊接，隔膜1/电极B/隔膜2/电极D卷绕完成后的电极示意图如图3(2)所示，隔膜1在内，隔膜2在外，电极B与电极D长度相等，电极D卷绕完后，用隔膜2继续卷绕，将整个电极体包围一圈，隔膜2的长度最长，它与现有技术的双电层电容器的电极卷绕方法完全相同(当然，电极的引线也可以从电极B、D的尾部引出，这种情况下，电极B、D的裸体金属耳极位于电极尾部)，由这种电极结构所组成的电容器，它的部件分布示意图如图5上图所示(此图只画出仅有一块充电极板的情形，实际上可以有多块充电极板，直至包围整个电极体)。此种结构下，电容器电极体是电容器的隔膜1/电极B/隔膜2/电极D卷绕成的圆柱体；其上底或下底位置的充电极板示意图如图2上图所示。

叠层型的电极结构

叠层式独立单元电极俯视图如图3(3)所示，叠层式独立单元电极左视图如图3(4)所示，它同样由金属薄膜、电极材料、隔膜组成，金属薄膜B、D的所有表面都涂覆电极材料，金属薄膜B、D留出一部分裸体金属，作为耳极部分，将电极D的裸体金属耳极分别焊接到金属条 1，2上；将电极B的裸体金属耳极分别焊接到金属条3，4上，一个独立单元电极体耳极焊接俯视图如图4上图所示(金属条1，2在上，金属条3，4在下)。金属薄膜B所有表面涂覆有电极材料制成的电极简称电极B，金属薄膜D所有表面涂覆有电极材料制成的电极简称电极D。由多块单元电极组成电极整体时，相邻单元电极D、B之间设有隔膜，隔膜两边的电极极性相反，在图4下图，在电极体的左右两端即左右两端绝缘板内侧各放置一张隔膜，用左右两端绝缘板适度压紧电极体后，将所有电极D的裸体金属耳极全部焊接在两条金属条上，这两条金属条就是图4下图中电极体方框横梁1，2；将所有电极B的裸体金属耳极全部焊接在两条金属条上，这两条金属条就是图4下图中电极体方框横梁3，4；电极体方框的其它组成部分可用绝缘材料，并确保电极整体稳固，此种结构下，电极A，电极C为相间方形金属片，叠层型电极体的充电极板示意图如图2(2)所示，充电极板面积略大于或等于临近它的电极体的面积，由这种电极结构所组成的电容器，它的部件分布示意图如图5上图所示。

其六：单体电化学电容器的充电方法上的区别：由负极充电电源给电容器的负极电极界面与溶液侧界面形成的双电层电容充电，负极充电电源的负极输出端接电容器的负极，负极充电电源的正极输出端接在电解液中新增的负极充电电极；由正极充电电源给电容器的正极电极界面与溶液侧界面形成的双电层电容充电，正极充电电源的正极输出端接电容器的正极，正极充电电源的负极输出端接在电解液中新增的正极充电电极；

在由多只单体电容器并联成一组，由多组电容串联成电容器阵列的充电/放电方法上的区别：对于电机这样的负载(比如电动汽车)，刹车时，由回馈能源给电容器阵列充电，我把它定义为动态充电，由电网能源给电容器阵列充电，我把它定义为静态充电，多只单体电容器并联成一组，是将所有单体电容器的相同功能电极引出线分别焊在一起，把这一组电容当成一只电容来看待，每组电容器的正极充电电源输入端、负极充电电源输入端都与相应的均衡充电变压器的副边整流输出端相连(如图10)，通过接触器的常开触头将所有电容器组负极充电电源输入端串联起来，接在负极充电电源上，负极充电电源由电流内环电压外环双闭环控制的开关电源产生；通过接触器的常开触头将所有电容器组正极充电电源输入端串联起来，接在正极充电电源上，正极充电电源由电流内环电压外环双闭环控制的开关电源产生；通过接触器的常闭触头依次将相邻电容器组的正极负极相连，此支路接触器用于控制动态充电或放电；静态充电时，所有控制负极充电电源支路的常开接触器触头全部闭合，所有控制正极充电电源支路的常开接触器触头全部闭合，所有用于控制动态充电或放电的接触器常闭触头全部打开；电容器阵列处于动态充电或者放电状态时，所有用于静态充电的接触器常开触头全部打开，即所有控制负极充电电源支路的常开接触器触头全部打开，所有控制正极充电电源支路的常开接触器触头全部打开，用于相邻组电容器正负极连通的接触器常闭触头全部闭合，由位于最上位的电容器组的正极与位于最下位的电容器组的负极对外输出电能，也由这两端接受回馈电能的充电，在接受动态充电时，充电电压不能大于电容器组的串联组数乘以电解液的分解电压。

另外一种方案是：由多只单体电容器并联成一组，由多组电容串联成电容器阵列的充电/放电控制电路中(如图10)，用于控制负极充电电源支路中的接触器，至少留出一组触头(最好先留出该支路电流流入的第一个接触器的触头)由接触器控制，其余触头的开/闭可由连接器的断/通来实现，用于控制正极充电电源支路中的接触器，至少留出一组触头(最好先留出该支路电流流入的第一个接触器的触头)由接触器控制，其余触头的开/闭可由连接器的断/通来实现，用于控制动态充电/放电支路中的接触器，至少留出一组触头(最好先留出该支路电流流入的第一个接触器的触头)由接触器控制，其余触头的开/闭可由连接器的断/通来实现。其七：连接器的制作是这样的(参见图11)：在A、B、C三块绝缘板上打孔，A、C两块绝缘板固定不动，全部安装连接器的公体部分，在B绝缘板上全部安装连接器的母体部分(当然，公体母体连接器安装位置互换也可以)，B板与C板上的每一对连接器对应接触器的一组触头，B绝缘板可在导轨上平行移动，通过手动或电动的办法移动B绝缘板，使C板上的公体连接器与B板上的母体连接器的接通或断开来代替接触器触头的接通或断开，A板上的公体连接器与B板上的母体连接器始终接通，这样的三套装置就能分别实现上述三条支路中接触器触头的开闭控制，每一套对应实现其中的一条支路接触器触头的开闭控制，在三条支路中，每条都至少留一组触头由接触器控制，以保证三条支路连接器在拔插过程中不通电。

j1(-)支路定义为串联的电容器组负极充电支路[从A*(+)到B*(-)，定义为第一条支路]，j1(+)支路定义为串联的电容器组正极充电支路[从D*(+)到C*(-)，定义为第二条支路]，CF支路定义为电容器组之间的正负极串联充电支路[从G*(+)到H*(-)，定义为第三条支路]。在新增的充电方法中，分为两类：(参见图10)

第一类为：取消CF支路中电容器组之间串联所用的连接器开关CF连接方式，改为紧密接触直通连接电容器组之间的正负极，或者用导线直接连通电容器组之间的正负极。

这一类新增的充电方法如下：

(1)断开CF支路，先把j1(-)支路，j1(+)支路充满了，断开j1( )支路，j1(·)支路后，再充CF支路，CF支路充满了之后，断开CF支路，由电容器组的正负极端口对外供电。

(2)断开j1(-)支路，j1(+)支路，先把CF支路充满了，断开该支路后，再充j1(-)支路，j1(+)支路；j1(-)支路，j1(+)支路充满了之后，断开j1(-)支路，j1(+)支路，由电容器组的正负极端口对外供电。

(3)j1(-)支路、j1(+)支路与CF支路同时进行充电，全部支路充满电后，断开CF支路及j1( )支路，j1(+)支路，由电容器组的正负极端口对外供电。

上述的新增充电方法(1)(2)(3)中讲的断开j1(-)支路，j1(+)支路是指：断开该支路连接充电电源的接触器触头j1(-)、j1(+)及所有连接器开关J(-)、J(+)；断开CF支路是指：断开连通该支路充电电源的接触器触头CF1；j1(-)支路，j1(+)支路充电：需要接通该支路连接充电电源的接触器触头j1(-)、j1(+)及所有连接器开关J(-)、J(+)；CF支路充电：需要接通该支路连接充电电源的接触器触头CF1

新增的第二类充电方法是：

不改变CF支路中电容器组之间串联所用的连接器开关CF连接方式：

新增的充电方法：

(4)断开CF支路，先把j1(-)支路，j1(+)支路充满了，断开j1(-)支路，j1(+)支路后，再充CF支路，CF支路充满了之后，断开CF支路充电电源的接触器触头CF1，接通所有连接器开关CF，由电容器组的正负极端口对外供电。

(5)断开j1(-)支路，j1(+)支路，先把CF支路充满了，断开该支路后，再充j1(-)支路，j1(+)支路；j1( )支路，j1(+)支路充满了之后，断开j1(-)支路，j1(+)支路，断开CF支路充电电源的接触器触头CF1，接通所有连接器开关CF，由电容器组的正负极端口对外供电。

(6)j1(-)支路、j1(+)支路与CF支路同时进行充电，全部支路充满电后，断开CF支路充电电源的接触器触头CF1及j1(-)支路，j1(+)支路，由电容器组的正负极端口对外供电。

上述的新增充电方法(4)(5)(6)中讲的断开j1(-)支路，j1(+)支路是指：断开该支路连接充电电源的接触器触头j1(-)、j1(+)及所有连接器开关J(-)、J(+)；断开CF支路是指：断开连通该支路充电电源的接触器触头CF1及所有连接器开关CF；j1(-)支路，j1(+)支路充电：需要接通该支路连接充电电源的接触器触头j1(-)、j1(+)及所有连接器开关J(-)、J(+)；CF支路充电：需要接通该支路连接充电电源的接触器触头CF1及所有连接器开关CF；由电容器组的正负极端口对外供电：需要断开CF支路充电电源接触器触头CF1，接通所有连接器开关CF。

前面讲过，本专利所述的制造方法和充电方法可用于双电层超级电容、赝电容电容器、混合电容器，例如在锂离子电容器中，电极A、电极C是金属锂极板，其他同现有技术的锂离子电容器，充电方法如上如前所述。

(3)有益效果：

2011年1月22日，美国纳米技术仪器公司的BorJang等人研制出一种石墨烯超级电容器，该电容器使用了石墨烯混合了5％的超级P(一种乙炔黑，相当于导电添加剂)和10％的聚四氟乙烯(PTEE)结合剂，电解液是一种名叫EMIMBF4的化学品，这种超级电容器的能量密度为85.6wh/kg，80℃时是136wh/kg，如果使用这种电极材料和电解液，按我发明的电容器结构和充电方法来制造双电层电容器，在使用相同面积的金属薄膜并按双面涂覆电极材料来做电极时，所储存的电能将提高至8倍，其能量密度接近8×85.6＝684.8wh/kg，汽油机的能量密度为700wh/kg，比起现有的双电层电容器，我只增加了充电极板，其能量密度已远远打破世界记录，本发明足以改变世界现状，造福人类社会，它广泛用于电动汽车，风能、太阳能电能存储，电网储能，不间断电源，卫星、武器装备等各种电子装备。

图1(1)现有双电层电化学电容器示意图。

图1(2)、图1(3)、图1(4)现有双电层电化学电容器等效电路。

图2(1)卷绕型电极体的充电极板示意图，图2(2)叠层型电极体的充电极板示意图，在图2 中，所有电极A通过过孔与电极A引出线相连，所有电极C通过过孔与电极C引出线相连，电极A、电极C与它们的引出线可分布在不同的面上。

图3(1)卷绕式电极头部截面示意图，图3(2)卷绕式电极示意图。

图3(3)叠层式独立单元电极俯视图，图3(4)叠层式独立单元电极左视图。

图4(1)单元电极体耳极焊接示意图，图4(2)电极体方框示意图。

图5(1)电容器部件分布示意图(本图只画出一块充电极板的情形，实质上可以有多块，直至包围整个电极体)，图5(2)电极充电示意图。

图6(1)CF，J(-)流接触器线包接入图。

图6(2)J(+)流接触器线包接入图。

图6(3)电容器阵列负极充电电源产生电路。

图6(4)电容器阵列正极充电电源产生电路。

图7(1)电容器阵列负极充电电源产生电路〔即图6(3)〕的开关管S驱动信号产生电路，电容器阵列正极充电电源产生电路〔即图6(4)〕的开关管R驱动信号产生电路。

图7(2)电容器阵列负极充电电源电流电压双闭环控制信号产生电路。(图7(1)中的1

本发明主要涉及单体电容器的制造以及电容器的充放电方法：在单体电容器的制造方面共设计了两种电容器电极结构、两种充电极板结构、以及在电解液中增加数块充电极板。

电容器电极结构即卷绕型和叠层型两种，如图3、图4；充电极板的两种结构是：一种是正极充电电极与负极充电电极相间分布在一块充电极板上，参考图2所示，另一种是整块充电极板的一个表面要么被正极充电电极占满，要么被负极充电电极占满；一个单体电容器中，充电极板的数量可以是一块，两块，多块，直至包围整个电极体，充电极板可由PCB电路板制成，也可以做在电容器外壳的内表面上，我认为充电极板包围整个电极体的情形充电速度最快，在单体电容器的制造过程中，遵循现有技术的电容器生产技术要求。(对于非相间分布的充电极板，其在电容器中的数量是成对出现的，即正极充电极板、负极充电极板各一块；各 2块，各三块等等)

单体电容器的充电用静态充电法，即正极充电电源加在电容器的正极与正极充电电极上，负极充电电源加在电容器的负极与负极充电电极上，放电是通过电容器的正极与负极对外放电。对于电容器阵列的充电/放电方法：采用图10所示的电路结构，通过接触器的触头的切换或者通过连接器的接通与断开来实现静态充电与动态充电或者放电。对于触头用量较少的情形，采用图6所示的电路结构，通过接触器的触头的切换来实现静态充电与动态充电或者放电，对于需要很多触头切换的情形，用连接器代替接触器的触头，其实现的电路如图11到图17 所示。