(57)【要約】  モジュールは、少なくとも２つのウルトラキャパシタと少なくとも１つの平衡回路とを含む。平衡回路は、熱放散構成要素に接続される。熱放散構成要素は、金属を含むヒートシンク上に存在する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つのウルトラキャパシタと少なくとも１つの平衡回路と
を含むモジュールであって、
前記平衡回路が熱放散構成要素に接続され、
前記熱放散構成要素が、金属を含むヒートシンク上に存在する、モジュール。
【請求項２】
前記平衡回路が前記２つのウルトラキャパシタ間に接続される、請求項１に記載のモジュール。
【請求項３】
前記モジュールが少なくとも２つの平衡回路を含み、各ウルトラキャパシタが１つの平衡回路に電気的に接続される、請求項１に記載のモジュール。
【請求項４】
前記熱放散構成要素がトランジスタである、請求項１に記載のモジュール。
【請求項５】
前記熱放散構成要素が抵抗器である、請求項１に記載のモジュール。
【請求項６】
前記金属が、銀、銅、金、モリブデン、亜鉛、リチウム、タングステン、ニッケル、鉄、パラジウム白金、スズ、それらの合金、またはそれらの組合せを含む、請求項１に記載のモジュール。
【請求項７】
前記金属が、アルミニウムまたはその合金を含む、請求項１に記載のモジュール。
【請求項８】
前記金属が、約５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する、請求項１に記載のモジュール。
【請求項９】
前記金属が、約２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する、請求項１に記載のモジュール。
【請求項１０】
前記ヒートシンクが、前記熱放散構成要素の表面積よりも少なくとも約１０００％大きい表面積を有する、請求項１に記載のモジュール。
【請求項１１】
前記モジュールがハウジングの中に囲まれ、前記ハウジングの少なくとも一部が前記ヒートシンクを画定する、請求項１に記載のモジュール。
【請求項１２】
前記ハウジングが、上面と、前記上面に対向する底面と、前記上面と前記底面との間に延びる少なくとも１つの側面とを含み、前記側面の少なくとも一部が前記ヒートシンクを画定する、請求項１１に記載のモジュール。
【請求項１３】
少なくとも１つのウルトラキャパシタが、前記ウルトラキャパシタの周囲の少なくとも一部分を囲むブレースを含み、前記ブレースが前記ヒートシンクを画定する、請求項１に記載のモジュール。
【請求項１４】
各ウルトラキャパシタが、各ウルトラキャパシタの周囲の少なくとも一部分を囲むブレースを含み、前記ブレースが相互接続ブリッジによって接続され、前記ブレースおよび前記相互接続ブリッジが前記ヒートシンクを画定する、請求項１に記載のモジュール。
【請求項１５】
前記熱放散構成要素が前記相互接続ブリッジ上にある、請求項１４に記載のモジュール。
【請求項１６】
前記ウルトラキャパシタが直列に接続される、請求項１に記載のモジュール。
【請求項１７】
前記モジュールが、８つから３０個のウルトラキャパシタを含む、請求項１に記載のモジュール。
【請求項１８】
前記モジュールが、平衡回路当たり少なくとも１つの熱放散構成要素を含む、請求項１に記載のモジュール。
【請求項１９】
前記モジュールが、ウルトラキャパシタ当たり少なくとも１つの平衡回路を含む、請求項１に記載のモジュール。
【請求項２０】
前記ウルトラキャパシタが、
第１の電極、第２の電極、および前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置決めされたセパレータを含む電極アセンブリと、
前記第１の電極および前記第２の電極とイオン接触する非水性電解質と、
前記電極アセンブリおよび前記電解質が含まれるハウジングと
を含む、請求項１に記載のモジュール。
【請求項２１】
前記第１の電極が、第１の炭素質コーティングに電気的に結合された第１の集電子を含み、前記第２の電極が、第２の炭素質コーティングに電気的に結合された第２の集電子を含む、請求項２０に記載のモジュール。
【請求項２２】
前記第１の集電子および前記第２の集電子が、各々、導電性金属を含む基材を含む、請求項２１に記載のモジュール。
【請求項２３】
前記導電性金属が、アルミニウムまたはその合金である、請求項２２に記載のモジュール。
【請求項２４】
前記第１の炭素質コーティング、前記第２の炭素質コーティング、または両方が活性炭粒子を含む、請求項２１に記載のモジュール。
【請求項２５】
前記セパレータが、セルロース繊維材料を含む、請求項２０に記載のモジュール。
【請求項２６】
前記電極アセンブリがジェリーロール構成を有する、請求項２０に記載のモジュール。
【請求項２７】
前記非水性電解質が、非水性溶媒に溶解されたイオン性液体を含み、前記イオン性液体が、カチオン種および対イオンを含む、請求項２０に記載のモジュール。
【請求項２８】
前記非水性溶媒が、プロピレンカーボネート、ニトリル、またはそれらの組合せを含む、請求項２７に記載のモジュール。
【請求項２９】
前記カチオン種が、有機第四級アンモニウム化合物を含む、請求項２０に記載のモジュール。
【請求項３０】
前記ハウジングが、基部および開口端部を有する容器を含み、蓋が前記開口端部に隣接して配設され、さらに、前記電極アセンブリが前記ハウジング内に位置決めされる、請求項２０に記載のモジュール。
【請求項３１】
前記容器が金属から形成される、請求項３０に記載のモジュール。
【請求項３２】
前記容器が円筒形状を有する、請求項３０に記載のモジュール。
【請求項３３】
請求項１に記載の前記モジュールを含む産業車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、参照により全体が本明細書に組み込まれる２０１７年６月３０日の出願日を有する米国仮特許出願第６２／５２７，３９５号の出願利益を主張する。
【背景技術】
【０００２】
電気エネルギー貯蔵セルは、電子、電気機械、電気化学、および他の有用なデバイスに電力を供給するために広く使用される。電気二重層ウルトラキャパシタは、例えば、通常、液体電解質を含浸させた炭素粒子（例えば、活性炭）を含む１対の分極性電極を用いる。粒子の有効表面積と、電極間の小さい間隔とに起因して、大きいキャパシタンス値が達成され得る。個々の二重層コンデンサを一緒に組み合わせて、出力電圧を高めたまたはエネルギー容量を増加させたモジュールを形成することができる。個々の二重層コンデンサは、過電圧が存在する状況に対処するために平衡回路をさらに含むことができる。しかしながら、平衡回路を使用して電圧を調整すると、回路の過熱を招くことがある。場合によっては、熱放散構成要素が、平衡回路を含む回路基板に直接装着される。しかしながら、そのようにすると、熱が効果的に放散されない場合、回路基板を損傷することになる可能性がある。そのため、現在、効果的な手法で熱を放散することができる平衡回路を含むウルトラキャパシタの必要性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明の１つの実施形態によれば、少なくとも２つのウルトラキャパシタと少なくとも１つの平衡回路とを含むモジュールが開示され、平衡回路は熱放散構成要素に接続され、熱放散構成要素は、金属を含むヒートシンク上に存在する。
【０００４】
本発明の他の特徴および態様が、以下でさらに詳細に説明される。
当業者を対象にした本発明の完全かつ可能な開示が、その最良の態様を含めて、添付の図を参照して本明細書の残りの部分でより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】本発明のモジュールを収容するために用いられ得るモジュールハウジングの１つの実施形態の分解図である。
【図２】本発明の１つの実施形態によるハウジングの側面の熱放散構成要素の斜視図である。
【図３】本発明の１つの実施形態によるそれぞれのウルトラキャパシタを囲む隣接するそれぞれのブレース（ｂｒａｃｅ）を接続する相互接続ブリッジに熱放散構成要素を含むモジュールの斜視図である。
【図４】本発明のモジュールに用いられ得るウルトラキャパシタの１つの実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本明細書および図面における参照符号の反復使用は、本発明の同じまたは類似の形体または要素を表すように意図される。
当業者なら、本考察が単に例示的な実施形態の説明であり、本発明のより広い態様を限定するように意図されておらず、より広い態様が例示的な構成で具現されることを理解されたい。
【０００７】
一般的に言えば、本発明は、少なくとも２つのウルトラキャパシタと少なくとも１つの平衡回路とを含むモジュールに関する。平衡回路は熱放散構成要素に接続され、熱放散構成要素は、金属を含むヒートシンク上に存在する。熱放散構成要素の場所を選択的に制御することによって、平衡回路から生じた熱は、ウルトラキャパシタまたは平衡回路の性能を損なうことなしに、効果的に放散され得る。特に、当技術分野で一般に用いられる回路基板ではなく金属を含むヒートシンクに熱放散構成要素を配置することによって、平衡回路で生じた熱は、回路基板の一般的な近くに留まるのではなく熱放散構成要素およびヒートシンクを通して効率的および効果的に放散され得る。このようにして、モジュールは、多種多様な条件下で良好な電気的および熱的性質を維持することができ、運用年数を延ばすことができる。
【０００８】
一般に、平衡回路は、漏れ電流などの電流が過電圧を介して他のウルトラキャパシタに損傷を引き起こすのを防止するために用いられる。そのような平衡化は、各ウルトラキャパシタの両端の電圧が実質的に同じになるように調整するのに役立つことができる。これに関して、１つの実施形態では、平衡回路は、電圧平衡回路と呼ばれることがある。それにもかかわらず、電圧平衡回路と一般に呼ばれる場合でさえ、モジュールおよび平衡回路は、フィードバックループによって供給される信号に従ってウルトラキャパシタを通って流れる電流を制御するための電流制御デバイスも含むことができる。
【０００９】
本発明に関して用いられる平衡回路は必ずしも限定されない。平衡回路がウルトラキャパシタの両端の電圧を効果的に平衡させることができる限り、平衡回路は本発明に従って用いられ得る。一般に、平衡回路は、ウルトラキャパシタに電気的に接続される。そのような電気接続は、ウルトラキャパシタの電圧の制御および／または調整を可能にする限り、必ずしも限定されない。
【００１０】
平衡回路は、能動構成要素および受動構成要素を含む任意の数の電子構成要素を含むことができる。構成要素は、トランジスタ、抵抗器、レギュレータ、減衰器、ポテンショメータ、サーミスタ、ダイオード（例えば、ツェナーダイオード）、コンパレータ（例えば、電圧コンパレータ）、増幅器（例えば、オペレーショナルアンプ）、分圧器などの任意の組合せを含むことができる。これらの電子構成要素は、回路を効果的に平衡させるために任意の手法で構成されてもよいことが理解されるべきである。いくつかの例では、平衡回路は、過電圧の存在を知らせるために警報器（例えば、音響、またはＬＥＤなどの光）などの追加の構成要素を含むことができる。用いられ得る平衡回路の例は、Ｔｈｒａｐへの米国特許第６，８０６，６８６号、Ｔｈｒａｐへの米国特許第７，８８０，４４９号、Ｌｏｎｇへの米国特許願公開第２００３／０２１４２６７号、およびＫａｍｉｎｓｋｙへの米国特許願公開第２０１６／０３０１２２１号のようなものを含む。
【００１１】
任意の数の平衡回路が本発明に従って用いられ得る。例えば、モジュールは、少なくとも１つの平衡回路を含み、いくつかの実施形態では、少なくとも２つの平衡回路を含む。しかしながら、モジュールはより多くの平衡回路を含むことができることが理解されるべきである。例えば、モジュールは、４つ以上、例えば６つ以上など、例えば８つ以上など、およびいくつかの実施形態では８つから３０個の個々の平衡回路を含むことができる。１つの実施形態では、ウルトラキャパシタ当たり少なくとも１つの平衡回路がある。別の実施形態では、平衡回路の数がウルトラキャパシタの数よりも１つ少なくなるように、２つのキャパシタごとに平衡回路がある。
【００１２】
平衡回路は、当技術分野で一般に知られている任意の方法を使用してモジュールに設けられ構成されてもよい。これに関して、特定の手法が必ずしも限定されない。１つの実施形態では、平衡回路は、プリント回路基板などの回路基板に設けられる。平衡回路および回路基板は、任意の構成でモジュール内に位置決めされ得る。図１を参照すると、１つの実施形態では、平衡回路を含む回路基板（図示せず）は、ウルトラキャパシタ（図示せず）の上部とモジュールハウジング３０の上面３２との間に位置決めされ得る。一般に、図１にさらに示されるように、ハウジングは、上面３２と、上面３２の反対側の底面３４と、上面３２と底面３４との間に延びる側面３６とを含む。これに関して、ウルトラキャパシタは、モジュールハウジング３０の上面３２と底面３４との間に挟まれ得る。加えて、モジュールハウジング３０は、デバイスの使用およびデバイスへの接続のための外部端子または接続部（図示せず）をさらに含むことができる。
【００１３】
図１の実施形態は、１８個のウルトラキャパシタを有するモジュールを含む。しかしながら、ウルトラキャパシタの数は本発明によって限定されない。例えば、モジュールは、少なくとも２つのウルトラキャパシタを含むが、２つを超えるウルトラキャパシタ、例えば４つ以上などの、例えば６つ以上などの、例えば８つ以上などの、いくつかの実施形態では８つから３０個の個々のウルトラキャパシタを含むことができる。
【００１４】
本明細書で説明されるように、モジュールは、平衡回路からおよびヒートシンクへの熱の移送を支援するための熱放散構成要素を含む。これに関して、用いられる特定の熱放散構成要素は必ずしも限定されない。一般に、熱放散構成要素は電子構成要素とすることができる。これに関して、電子構成要素は、電子回路で一般に用いられる任意の個別デバイスとすることができる。特に、熱放散構成要素は、能動構成要素、受動構成要素であってもよく、または能動構成要素と受動構成要素の両方を含んでもよい。
【００１５】
１つの実施形態では、熱放散構成要素は能動構成要素とすることができる。能動構成要素はトランジスタとすることができる。特に、トランジスタは、金属酸化物半導体電界効果トランジスタなどの電界効果トランジスタとすることができる。そのようなトランジスタのゲート材料として用いられる誘電体材料は、限定はしないが、ポリシリコン、二酸化ケイ素などのような当技術分野で用いられる任意のものとすることができる。別の実施形態では、熱放散構成要素は受動構成要素とすることができる。受動構成要素は、負荷抵抗器などの抵抗器とすることができる。１つの特定の実施形態では、熱放散構成要素は、能動構成要素と受動構成要素の両方を含むことができる。すなわち、熱放散構成要素は、トランジスタと抵抗器とを含むことができる。
【００１６】
一般に、熱放散構成要素は、平衡回路に電気的に接続される。任意の数の熱放散構成要素が、本発明に従って用いられ得る。例えば、モジュールは、少なくとも１つの熱放散構成要素を含み、いくつかの実施形態では少なくとも２つの熱放散構成要素を含む。しかしながら、モジュールはより多くの熱放散構成要素を含むことができることが理解されるべきである。例えば、モジュールは、４つ以上の、例えば６つ以上など、例えば８つ以上など、いくつかの実施形態では８つから６０個の個々の熱放散構成要素、例えば８つから３０個の個々の熱放散構成要素などを含むことができる。１つの実施形態では、平衡回路当たり少なくとも１つの熱放散構成要素がある。別の実施形態では、平衡回路当たり少なくとも２つの熱放散構成要素がある。例えば、そのような実施形態は、熱放散構成要素としてトランジスタおよび抵抗器の利用を含むことができる。
【００１７】
平衡回路が、温度上昇し、熱を発生し始めるにつれて、熱放散構成要素もそのようになる。すなわち、熱放散構成要素は、平衡回路、特に回路基板上の平衡回路に接続されているので、熱は、やはり、熱放散構成要素に移送される。熱放散構成要素はヒートシンク上に存在するので、熱放散構成要素は、平衡回路によって生じた熱をヒートシンクに移送することができる。次いで、これにより、平衡回路から遠く離れたところへの熱放散が可能になる。熱放散構成要素が、熱を除去するために、回路基板上に存在する場合、そのような熱は、依然として、平衡回路、特に、平衡回路を含む回路基板の近接内に留まる可能性がある。
【００１８】
本発明によれば、熱放散構成要素は、金属を含むヒートシンク上にある。一般に、ヒートシンクは、平衡回路によって生じた熱または熱エネルギーの移送を可能にする。すなわち、平衡回路が熱を得て、その熱が熱放散構成要素に移送されるとき、熱放散構成要素からの熱はヒートシンクに移送される。一般に、ヒートシンクは、熱放散構成要素よりも大きい表面積を有する。そのようなより大きい表面積は、平衡回路から遠く離れたところへの熱放散をより効果的にすることができ、その結果、平衡回路は、ウルトラキャパシタとともに効果的に動作することができる。１つの実施形態では、ヒートシンクの表面積は、熱放散構成要素の表面積と比べて少なくとも１００％、例えば少なくとも５００％など、例えば少なくとも１０００％など、例えば少なくとも１００００％などの大きさである。
【００１９】
本明細書に示されているように、熱放散構成要素はヒートシンク上にある。これに関して、熱放散構成要素は、回路基板以外の表面、特に、平衡回路を含む表面に存在する。熱放散構成要素の場所を選択的に制御することにより、平衡回路および回路基板、さらにはウルトラキャパシタの性能を損なうことなしに、平衡回路から遠く離れたところへの熱放散が可能になる。しかしながら、熱放散構成要素がヒートシンクに位置決めされる手法は限定されない。例えば、熱放散構成要素は、接続、装着、取り付けなどが熱放散構成要素からヒートシンクへの熱／熱エネルギーの移送を可能にする限り、金属を含むヒートシンクに接続、装着、取り付けなどがされ得る。１つの実施形態では、熱放散構成要素は、ヒートシンク上に直接位置決めされてもよい。別の実施形態では、中間材料が、熱放散構成要素とヒートシンクとの間に存在してもよい。そのような実施形態では、中間材料は、本明細書で規定されるような熱伝導性金属とすることができる。
【００２０】
ヒートシンクは、熱の効果的な放散を可能にすることができる当技術分野で知られている任意の金属から形成され得る。例えば、金属は、任意の熱伝導性金属とすることができる。特に、金属は、約５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、例えば約１００Ｗ／ｍ・Ｋなど、例えば約１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上など、例えば約２００Ｗ／ｍ・Ｋなど、例えば約２５０Ｗ／ｍ・Ｋなど、例えば約３００Ｗ／ｍ・Ｋから約６００Ｗ／ｍ・Ｋ以下など、例えば約５００Ｗ／ｍ・Ｋ以下など、例えば約４５０Ｗ／ｍ・Ｋ以下などの熱伝導率を有することができる。ヒートシンクは、銀、銅、金、アルミニウム、モリブデン、亜鉛、リチウム、タングステン、ニッケル、鉄、パラジウム白金、スズ、それらの合金、またはそれらの組合せから形成され得る。合金は、限定はしないが、鋼（例えば、ステンレス鋼）、真鍮、青銅などを含む。アルミニウムは、本発明で使用するのに特に好適である。
【００２１】
ヒートシンクは、熱放散を可能にすることができるハウジングで用いられる一般的な材料とすることができる。１つの実施形態では、モジュールのハウジングの一部は、ヒートシンクを画定することができる。すなわち、モジュールハウジングの少なくとも一部は金属から形成され得る。これに関して、熱放散構成要素は、モジュールハウジングの表面の内面に存在することができる。内面は、外面とは対照的に、ウルトラキャパシタに面している表面を指すことを意味する。
【００２２】
１つの特定の実施形態では、少なくとも側面は金属から形成される。図２に示されるように、熱放散構成要素２００は、モジュールハウジングの側面３６に存在する。そのような実施形態では、モジュールハウジングの上面（図示せず）および／または底面（図示せず）は、プラスチック、金属、それらの組合せ、またはそれらの複合材料から形成され得る。１つの実施形態では、モジュールハウジングの少なくとも底面は、プラスチックから形成され得る。底面の内面はまた、窪んでいてもよく、それにより、ウルトラキャパシタが窪んだ部分に位置するようにハウジング内にウルトラキャパシタを適切に位置決めすることが可能になる。凹部は、複数の凹部の代わりに１つの凹部であってもよい。例えば、１つの凹部のみである場合、ウルトラキャパシタはすべて１つの凹部に位置することができる。しかしながら、複数の凹部が存在する場合、１つの実施形態では、各ウルトラキャパシタは個々の凹部に位置することができる。代替として、複数のウルトラキャパシタは、底面が複数の凹部を含んでいる凹部のうちの１つに位置することができる。性能に影響を与えることがあり、それが設置または使用中に生じることがある振動力を、そのような凹部は最小にすることができる。
【００２３】
底面、上面、および側面は、モジュールを囲むことができる。例えば、側面は、モジュールアセンブリ全体（すなわち、モジュール内のウルトラキャパシタ）を囲むように形成され得る。これに関して、側面は単一片とすることができ、単一片は、上面と底面との間で延び、モジュールアセンブリ全体のまわりを延びる。別の実施形態では、図１に示されるように、側面は、モジュールハウジングの側面を形成するために一緒に組み合わされる２つのセクション３６ａおよび３６ｂを含むことができる。別の実施形態では、側面は、モジュールハウジングの側面を形成するために一緒に組み合わされる４つのセクションを含むことができる。これに関して、側面がもたらされる特定の手法は、本発明によって限定されない。
【００２４】
熱放散構成要素は、表面が金属を含み、ヒートシンクとして機能できる限り、任意の組合せで任意の表面上に存在することができる。１つの実施形態では、熱放散構成要素は、上面または底面と側面との組合せに存在する。１つの特定の実施形態では、熱放散構成要素はすべてハウジングの側面、特に、側面の内面に存在する。
【００２５】
別の実施形態では、ヒートシンクは、ウルトラキャパシタの周囲の少なくとも一部のまわりに形成されてもよい。例えば、ヒートシンクは、ウルトラキャパシタのまわりのブレースの形態としてもよい。ブレースは、ウルトラキャパシタに接触してもよくまたは接触しなくてもよい。１つの実施形態では、ブレースは、ウルトラキャパシタの周囲を完全に囲む。加えて、隣接するウルトラキャパシタのブレースは接続される。例えば、それぞれのブレースは、相互接続ブリッジによって接続され得る。これに関して、熱放散構成要素は、ブレースおよび／または隣接するブレースを接続する区域上に、例えば、相互接続ブリッジ上などに存在することができる。１つの特定の実施形態では、図３に示されるように、熱放散構成要素３００は、それぞれのウルトラキャパシタ３３０ａおよび３３０ｂの隣接するブレース３１０ａおよび３１０ｂを接続する区域上に、例えば相互接続ブリッジ３２０上に存在する。
【００２６】
本明細書に示されるように、モジュールは２つを超えるウルトラキャパシタを含むことができることが理解されるべきである。例えば、モジュールは、４つのウルトラキャパシタを含むことができる。各ウルトラキャパシタは、ウルトラキャパシタの周囲の少なくとも一部を囲むブレースを有することができる。隣接するブレースは、１つまたは複数の相互接続ブリッジによって接続され得る。モジュールが、複数のウルトラキャパシタと、さらには複数のブレースおよび相互接続ブリッジとを含む場合、そのようなブレースおよび相互接続ブリッジは、単一の一体構造などの一体構造を形成することができる。そのような構造はまた、ヒートシンクを画定することになる。
【００２７】
加えて、ブレースは、二重の機能を有することができる。例えば、ブレースは、振動力を最小にすることによって機械的安定性を提供することができ、さらに、平衡回路から遠く離れたところに熱を放散するためのヒートシンクとして機能することができる。１つの実施形態では、図３に示されるように、ウルトラキャパシタ３３０ａおよび３３０ｂは、それぞれ第２のブレース３５０ａおよび３５０ｂと、第２の相互接続ブリッジ３６０とを有することができる。しかしながら、そのようなブレースおよび相互接続ブリッジは、機械的安定性を提供するためにのみ用いられ得る。１つの実施形態では、第１のブレースおよび相互接続ブリッジは、回路基板および平衡回路に、第２のブレースおよび相互接続ブリッジよりも近い。
【００２８】
様々な異なる個々のウルトラキャパシタのいずれも、通常、本発明のモジュールで用いられ得る。しかしながら、一般的に言えば、ウルトラキャパシタは、電極アセンブリと、ハウジング内に含まれ任意選択で気密封止された電解質とを含む。電極アセンブリは、例えば、第１の集電子に電気的に結合された第１の炭素質コーティング（例えば、活性炭粒子）を含む第１の電極と、第２の集電子に電気的に結合された第２の炭素質コーティング（例えば、活性炭粒子）を含む第２の電極とを含むことができる。所望の場合には、特にウルトラキャパシタが多数のエネルギー貯蔵セルを含む場合には、追加の集電子がさらに用いられてもよいことが理解されるべきである。集電子は、同じまたは異なる材料から形成されてもよい。それにも関わらず、各集電子は、典型的には、導電性金属、例えばアルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、銀、パラジウムなど、ならびにこれらの合金などを含む基材から形成される。アルミニウムおよびアルミニウム合金は、本発明で使用するのに特に好適である。基材は、箔、シート、プレート、メッシュなどの形態であってもよい。基材は、さらに、比較的小さい厚さ、例えば約２００マイクロメートル以下、いくつかの実施形態では約１から約１００マイクロメートル、いくつかの実施形態では約５から約８０マイクロメートル、いくつかの実施形態では約１０から約５０マイクロメートルを有することができる。決して必要というわけではないが、基材の表面は、洗浄、エッチング、ブラスト処理などによって任意選択で粗化されてもよい。
【００２９】
第１および第２の炭素質コーティングは、さらに、第１および第２の集電子にそれぞれ電気的に結合される。それらは同じまたは異なるタイプの材料から形成されてもよく、そして１つまたは多数の層を含んでもよいが、炭素質コーティングの各々は、通常、活性化粒子を含む少なくとも１つの層を含む。ある実施形態では、例えば、活性炭層は、集電子上に直接位置決めされてもよく、任意選択で、炭素質コーティングのただ１つの層であってもよい。好適な活性炭粒子の例は、例えば、ヤシ殻ベースの活性炭、石油コークスベースの活性炭、ピッチベースの活性炭、ポリ塩化ビニリデンベースの活性炭、フェノール樹脂ベースの活性炭、ポリアクリロニトリルベースの活性炭、および石炭、木炭、または他の天然有機源などの天然源からの活性炭を含むことができる。
【００３０】
ある実施形態では、活性炭粒子のある態様、例えば、粒度分布、表面積、および細孔サイズ分布を選択的に制御して、１回または複数回の充放電サイクルに供された後、あるタイプの電解質のイオン移動度を改善するのを助けることが望ましいことがある。例えば、粒子の少なくとも５０体積％（Ｄ５０サイズ）は、約０．０１から約３０マイクロメートル、いくつかの実施形態では約０．１から約２０マイクロメートル、いくつかの実施形態では約０．５から約１０マイクロメートルの範囲のサイズを有することができる。粒子の少なくとも９０体積％（Ｄ９０サイズ）は同様に、約２から約４０マイクロメートル、いくつかの実施形態では約５から約３０マイクロメートル、いくつかの実施形態では約６から約１５マイクロメートルの範囲のサイズを有することができる。ＢＥＴ表面は、約９００ｍ２／ｇから約３０００ｍ２／ｇ、いくつかの実施形態では約１０００ｍ２／ｇから約２５００ｍ２／ｇ、いくつかの実施形態では約１１００ｍ２／ｇから約１８００ｍ２／ｇにわたることもできる。
【００３１】
特定のサイズおよび表面積を有することに加え、活性炭粒子は、特定のサイズ分布を有する細孔をさらに含むことができる。例えば、サイズが約２ナノメートル未満の細孔（すなわち、「ミクロ細孔」）の量は、全細孔体積の約５０体積％以下、いくつかの実施形態では約３０体積％以下、いくつかの実施形態では０．１体積％から１５体積％の細孔体積と規定することができる。サイズが約２ナノメートルと約５０ナノメートルとの間の細孔（すなわち、「メソ細孔」）の量は同様に、約２０体積％から約８０体積％、いくつかの実施形態では約２５体積％から約７５体積％、いくつかの実施形態では、約３５体積％から約６５体積％とすることができる。最後に、サイズが約５０ナノメートルよりも大きい細孔（すなわち、「マクロ細孔」）の量は、約１体積％から約５０体積％、いくつかの実施形態では約５体積％から約４０体積％、いくつかの実施形態では約１０体積％から約３５体積％とすることができる。炭素粒子の全細孔体積は、約０．２ｃｍ３／ｇから約１．５ｃｍ３／ｇ、いくつかの実施形態では約０．４ｃｍ３／ｇから約１．０ｃｍ３／ｇの範囲とすることができ、メジアン細孔幅は、約８ナノメートル以下、いくつかの実施形態では約１から約５ナノメートル、いくつかの実施形態では約２から約４ナノメートルとすることができる。細孔サイズおよび全細孔体積は、窒素吸着を使用して測定され、当技術分野でよく知られているようなＢａｒｒｅｔｔ−Ｊｏｙｎｅｒ−Ｈａｌｅｎｄａ（「ＢＪＨ」）技法によって分析されてもよい。
【００３２】
所望の場合には、結合剤は、第１および／または第２の炭素質コーティング中に、炭素１００部当たり約６０部以下、いくつかの実施形態では４０部以下、いくつかの実施形態では約１から約２５部の量で存在することができる。結合剤は、例えば、炭素質コーティングの全重量の約１５重量％以下、いくつかの実施形態では約１０重量％以下、いくつかの実施形態では約０．５重量％から約５重量％を構成することができる。様々な好適な結合剤のいずれかが、電極に使用され得る。例えば、水不溶性有機結合剤、例えば、スチレン−ブタジエンコポリマー、ポリ酢酸ビニルホモポリマー、酢酸ビニル−エチレンコポリマー、酢酸ビニル−アクリルコポリマー、エチレン−塩化ビニルコポリマー、エチレン−塩化ビニル−酢酸ビニルターポリマー、アクリルポリ塩化ビニルポリマー、アクリルポリマー、ニトリルポリマー、ポリテトラフルオロエチレンまたはポリフッ化ビニリデンなどのフルオロポリマー、ポリオレフィンなど、ならびにこれらの混合物などが、ある実施形態で用いられ得る。水溶性有機結合剤、例えば多糖およびその誘導体なども用いられ得る。１つの特定の実施形態では、多糖は、非イオン性セルロースエーテル、例えば、アルキルセルロースエーテル（例えば、メチルセルロースおよびエチルセルロース）；ヒドロキシアルキルセルロースエーテル（例えば、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルヒドロキシブチルセルロース、ヒドロキシエチルヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルヒドロキシブチルセルロース、ヒドロキシエチルヒドロキシプロピルヒドロキシブチルセルロースなど）；アルキルヒドロキシアルキルセルロースエーテル（例えば、メチルヒドロキシエチルセルロース、メチルヒドロキシプロピルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、エチルヒドロキシプロピルセルロース、メチルエチルヒドロキシエチルセルロース、およびメチルエチルヒドロキシプロピルセルロース）；カルボキシアルキルセルロースエーテル（例えば、カルボキシメチルセルロース）；および同様のもの、ならびにナトリウムカルボキシメチルセルロースなどの前述のいずれかのプロトン化塩などとすることができる。
【００３３】
他の材料が、さらに、第１および／または第２の炭素質コーティングの活性炭層内で、および／または第１および／または第２の炭素質コーティングの他の層内で用いられ得る。例えば、ある実施形態では、導電性促進剤を用いて、導電率をさらに増加させることができる。例示的な導電性促進剤は、例えば、カーボンブラック、黒鉛（天然または人工）、黒鉛、カーボンナノチューブ、ナノワイヤまたはナノチューブ、金属ファイバ、グラフェンなど、ならびにこれらの混合物を含むことができる。カーボンブラックが特に好適である。導電性促進剤は、用いられる場合、典型的には、炭素質コーティング中の活性炭粒子１００部当たり約６０部以下、いくつかの実施形態では４０部以下、いくつかの実施形態では約１から約２５部を構成する。導電性促進剤は、例えば、炭素質コーティングの全重量の約１５重量％以下、いくつかの実施形態では約１０重量％以下、いくつかの実施形態では約０．５重量％から約５重量％を構成することができる。活性炭粒子は同様に、典型的には、炭素質コーティングの８５重量％以上、いくつかの実施形態では約９０重量％以上、いくつかの実施形態では約９５重量％から約９９．５重量％を構成する。
【００３４】
炭素質コーティングを集電子に塗布する特定の手法は、当業者によく知られているように、印刷（例えば、輪転グラビア）、噴霧、スロット−ダイコーティング、ドロップコーティング、浸漬コーティングなど、様々であってもよい。塗布する手法とは無関係に、得られる電極は、典型的には、コーティングから水分を除去するために、約１００℃以上、いくつかの実施形態では約２００℃以上、いくつかの実施形態では約３００℃から約５００℃の温度などで乾燥される。電極はまた、ウルトラキャパシタの体積効率を最適化するために、圧縮（例えば、カレンダ仕上げ）されてもよい。いずれかの任意選択の圧縮の後、各炭素質コーティングの厚さは、通常、ウルトラキャパシタの所望の電気性能および動作範囲に基づいて変化してもよい。しかしながら、典型的には、コーティングの厚さは、約２０から約２００マイクロメートル、３０から約１５０マイクロメートル、いくつかの実施形態では約４０から約１００マイクロメートルである。コーティングは、集電子の片面または両面に存在してもよい。それにも関わらず、電極全体（任意選択の圧縮の後の集電子および炭素質コーティングを含む）の厚さは、典型的には、約２０から約３５０マイクロメートル、いくつかの実施形態では約３０から約３００マイクロメートル、いくつかの実施形態では約５０から約２５０マイクロメートルの範囲内にある。
【００３５】
電極アセンブリは、さらに、典型的には、第１の電極と第２の電極との間に位置決めされたセパレータを含む。所望の場合には、他のセパレータが、さらに、電極アセンブリで用いられてもよい。例えば、１つまたは複数のセパレータが、第１の電極、第２の電極、または両方の上に位置決めされてもよい。セパレータは、１つの電極を別の電極から電気的に絶縁して、電気的短絡を防止するのを助けることが可能であるが、依然として２つの電極間のイオン輸送がなされる。ある実施形態では、例えば、セパレータは、セルロース繊維材料（例えば、エアレイドペーパーウェブ、湿式ペーパーウェブなど）、不織繊維材料（例えば、ポリオレフィン不織ウェブ）、織布、フィルム（例えば、ポリオレフィンフィルム）などを含むものが用いられてもよい。セルロース繊維材料は、天然繊維、合成繊維などを含むものなどが、ウルトラキャパシタで使用するのに特に好適である。セパレータで使用するのに好適なセルロース繊維の特定の例は、例えば、広葉樹パルプ繊維、針葉樹パルプ繊維、レーヨン繊維、再生セルロース繊維などを含むことができる。用いられる特定の材料とは無関係に、セパレータは、典型的には、約５から約１５０マイクロメートル、いくつかの実施形態では約１０から約１００マイクロメートル、いくつかの実施形態では約２０から約８０マイクロメートルの厚さを有する。
【００３６】
電極アセンブリの構成要素が一緒に組み合わされる方法は、当技術分野で知られているように様々であってもよい。例えば、電極およびセパレータを最初に折り畳み、巻き上げ、または他の手法で一緒に接触させて、電極アセンブリを形成してもよい。１つの特定の実施形態では、電極、セパレータ、および任意選択の電解質は、「ジェリーロール」構成を有する電極アセンブリに巻き上げられてもよい。
【００３７】
ウルトラキャパシタを形成するために、電解質は、電極アセンブリを形成するのに電極およびセパレータが一緒に組み合わされる前に、組み合わされる間に、および／または組み合わされた後に、第１の電極および第２の電極にイオン接触して配置される。電解質は、通常、本質的に非水性であり、したがって少なくとも１つの非水溶媒を含む。ウルトラキャパシタの動作温度範囲を拡げるのを助けるために、典型的には、非水溶媒が比較的高い沸騰温度、例えば約１５０℃以上、いくつかの実施形態では約２００℃以上、いくつかの実施形態では約２２０℃から約３００℃などを有することが望ましい。特に好適な高沸点溶媒は、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートなどのような環状カーボネート溶媒を含むことができる。当然、他の非水溶媒も、単独でまたは環状カーボネート溶媒と組み合わせて用いられてもよい。そのような溶媒の例は、例えば、開鎖カーボネート（例えば、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネートなど）、脂肪族モノカルボキシレート（例えば、酢酸メチル、プロピオン酸メチルなど）、ラクトン溶媒（例えば、ブチロラクトン  バレロラクトンなど）、ニトリル（例えば、アセトニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、３−メトキシプロピオニトリルなど）、アミド（例えば、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジエチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリジノン）、アルカン（例えば、ニトロメタン、ニトロエタンなど）、硫黄化合物（例えば、スルホラン、ジメチルスルホキシドなど）；および同様のものを含むことができる。
【００３８】
電解質は、非水溶媒に溶解された少なくとも１つのイオン性液体をさらに含んでもよい。イオン性液体の濃度は変えることができるが、典型的には、イオン性液体は比較的高い濃度で存在することが望ましい。例えば、イオン性液体は、電解質リットル当たり約０．８モル（Ｍ）以上、いくつかの実施形態では約１．０Ｍ以上、いくつかの実施形態では約１．２Ｍ以上、いくつかの実施形態では約１．３から約１．８Ｍの量で存在してもよい。
【００３９】
イオン性液体は、通常、比較的低い融解温度、例えば、約４００℃以下、いくつかの実施形態では約３５０℃以下、いくつかの実施形態では約１℃から約１００℃、いくつかの実施形態では約５℃から約５０℃などを有する塩である。塩は、カチオン種および対イオンを含む。カチオン種は、「カチオン中心」として少なくとも１つのヘテロ原子（例えば、窒素またはリン）を有する化合物を含む。そのようなヘテロ原子化合物の例は、例えば、非置換または置換有機第四級アンモニウム化合物、例えば、アンモニウム（例えば、トリメチルアンモニウム、テトラエチルアンモニウムなど）、ピリジニウム、ピリダジニウム、ピラミジニウム、ピラジニウム、イミダゾリウム、ピラゾリウム、オキサゾリウム、トリアゾリウム、チアゾリウム、キノリニウム、ピペリジニウム、ピロリジニウム、２つ以上の環がスピロ原子（例えば、炭素、ヘテロ原子など）によって一緒に接続されている第四級アンモニウムスピロ化合物、第四級アンモニウム縮合環構造（例えば、キノリニウム、イソキノリニウムなど）、および同様のものなどを含む。１つの特定の実施形態では、例えば、カチオン種はＮ−スピロ二環式化合物、例えば環式環を有する対称または非対称Ｎ−スピロ二環式化合物であってもよい。そのような化合物の一例は、以下の構造の
【００４０】
【化１】
2020526035.tif 000003
【００４１】
を有し、ここで、ｍおよびｎは独立して３から７の数であり、いくつかの実施形態では４から５である（例えば、ピロリジニウムまたはピペリジニウム）である。
同様に、カチオン種に好適な対イオンは、ハロゲン（例えば、塩化物、臭化物、ヨウ化物など）；スルフェートまたはスルホネート（例えば、硫酸メチル、硫酸エチル、硫酸ブチル、硫酸ヘキシル、硫酸オクチル、硫酸水素、スルホン酸メタン、スルホン酸ドデシルベンゼン、ドデシルスルフェート、スルホン酸トリフルオロメタン、ヘプタデカフルオロオクタンスルホネート、ドデシルエトキシ硫酸ナトリウムなど）；スルホスクシネート；アミド（例えば、ジシアナミド）；イミド（例えば、ビス（ペンタフルオロエチル−スルホニル）イミド、ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、ビス（トリフルオロメチル）イミドなど）；ボレート（例えば、テトラフルオロボレート、テトラシアノボレート、ビス［オキサラト］ボレート、ビス［サリチラト］ボレートなど）；ホスフェートまたはホスフィネート（例えば、ヘキサフルオロホスフェート、ジエチルホスフェート、ビス（ペンタフルオロエチル）ホスフィネート、トリス（ペンタフルオロエチル）−トリフルオロホスフェート、トリス（ノナフルオロブチル）トリフルオロホスフェートなど）；アンチモネート（例えば、ヘキサフルオロアンチモネート）；アルミネート（例えば、テトラクロロアルミネート）；脂肪酸カルボキシレート（例えば、オレエート、イソステアレート、ペンタデカフルオロオクタノエートなど）；シアネート；アセテート；および同様のもの、ならびに前述のいずれかの組合せを含むことができる。
【００４２】
好適なイオン性液体のいくつかの例は、例えば、テトラフルオロホウ酸スピロ−（１，１’）−ビピロリジニウム、テトラフルオロホウ酸トリエチルメチルアンモニウム、テトラフルオロホウ酸テトラエチルアンモニウム、ヨウ化スピロ−（１，１’）−ビピロリジニウム、ヨウ化トリエチルメチルアンモニウム、ヨウ化テトラエチルアンモニウム、テトラフルオロホウ酸メチルトリエチルアンモニウム、テトラフルオロホウ酸テトラブチルアンモニウム、ヘキサフルオロリン酸テトラエチルアンモニウムなどを含むことができる。
【００４３】
上記のように、ウルトラキャパシタは、電極アセンブリおよび電解質が保持され任意選択で気密封止されるハウジングをさらに含む。ハウジングの性質は、所望に応じて変化してもよい。１つの実施形態では、例えば、ハウジングは、タンタル、ニオブ、アルミニウム、ニッケル、ハフニウム、チタン、銅、銀、鋼（例えば、ステンレス）、それらの合金、それらの複合体（例えば、導電性酸化物でコーティングされた金属）、および同様のものから形成されたものなどの金属容器（「カン」）を含むことができる。アルミニウムは、本発明で使用するのに特に好適である。金属容器は、円筒状、Ｄ字形などの様々な異なる形状のいずれかを有してもよい。円筒形状の容器が特に好適である。
【００４４】
図４を参照すると、例えば、ウルトラキャパシタに用いられ得るハウジングの１つの実施形態がより詳細に示される。この特定の実施形態では、ハウジングは、基部３０００および開口端部３２００を画定する金属容器２１２２（例えば、円筒形状カン）を含む。蓋２１１８は開口端部３２００の上に配設され、ハウジングを封止するために容器２１２２に取り付けられる（例えば、溶接される）。蓋２１１８は第１の集電ディスク（ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ  ｄｉｓｋ）２１１４を含むことができ、集電ディスク２１１４は、ディスク形状部分２１３４、スタッド部分２１３６、および留め具２１３８（例えば、ねじ）を含む。集電ディスク２１１４が、電極アセンブリ１０の中心に形成された中空コア２１６０の第１の端部に位置合わせされ、次いで、スタッド部分２１３６が第２の集電子４０と接触するように、スタッド部分２１３６がコアの開口内に挿入される。このように、第２の集電子４０は、蓋２１１８と電気的に接触するように配置される。留め具２１３８は、さらに、第１の端子２１１６に結合され得る（例えば、ねじ式に接続され得る）。金属容器２１２２は、同様に、第２の集電ディスク２１２０を含むことができ、第２の集電ディスク２１２０は、ディスク形状部分２１４２、スタッド部分２１４０、および第２の端子２１４４を含む。第２の集電ディスク２１２０は、中空コア２１６０の第２の端部に位置合わせされ、次いで、スタッド部分２１４０が集電子２０と接触するように、スタッド部分２１４０がコアの開口内に挿入される。このように、第１の集電子２０は、基部３０００と電気的に接触するように配置される。形成された後、端子２１４４および２１１６は、上述のように１つまたは複数の追加のウルトラキャパシタに接続され得る。例えば、端子２１４４（例えば、正）は、第２のウルトラキャパシタの反対の極性（例えば、負）の端子に接続され得、一方、端子２１１６（例えば、負）は、第３のウルトラキャパシタの反対の極性（例えば、正）の端子に接続され得る。
【００４５】
ウルトラキャパシタが接続される手法は、当技術分野で知られているように様々であってもよい。例えば、ウルトラキャパシタは、ウルトラキャパシタのそれぞれの端子に取り付けるかまたは接続する相互接続を使用して接続されてもよい。相互接続は、導電性金属などの導電材料で製作されてもよい。１つの実施形態では、相互接続は、比較的平坦であってもよく、または表面積が増加するものであってもよい。後者に関して、相互接続は、突起／突出を有してもよく、または、さらに、ワイヤ、編組、コイルなどから形成されてもよい。これに関して、相互接続の特定の寸法および構成は必ずしも限定されない。その形態に関係なく、銅、スズ、ニッケル、アルミニウムなどならびに合金および／またはコーティングされた金属などの様々な異なる導電材料のいずれかが用いられてもよい。所望の場合には、導電材料は、任意選択で、シース材料を用いて絶縁されてもよい。
【００４６】
当技術分野で知られているように、ウルトラキャパシタは、所望の特定の性質に応じて、直列にまたは並列に一緒に電気的に接続され得る。例えば、１つの特定の実施形態では、ウルトラキャパシタは、あるウルトラキャパシタの特定の極性（例えば、正）の端子が別のウルトラキャパシタの反対の極性（例えば、負）の端子に接続されるように直列に電気的に接続され得る。例えば、正端子は第１のウルトラキャパシタの頂部から延びることができ、負端子は第２のウルトラキャパシタの底部から延びることができる。
【００４７】
それらを含むウルトラキャパシタおよびモジュールは、大量の電荷を貯蔵するために用いられ得る。その結果、本発明のモジュールおよびウルトラキャパシタは、様々な用途において用いられ得る。例えば、それらは、限定はしないが、風力タービン、ソーラータービン、ソーラーパネル、および燃料電池を含む様々なエネルギー用途で使用され得る。加えて、それらは、限定はしないが、車両（例えば、バッテリ推進電気車両、バス、エンジン始動、パワーおよびブレーキ回復システムを含むハイブリッド電気車両など）、列車および電車（例えば、リニアモーターカー、線路切換、スタータシステムなど）、および航空宇宙（例えば、ドア用アクチュエータ、脱出用シュートなど）を含む様々な輸送用途でも使用され得る。それらは、オートメーション（例えば、ロボティクスなど）、車両（例えば、フォークリフト、クレーン、電気カートなど）を含む様々な産業用途も有する。それらは、家庭用電化製品（例えば、ポータブルメディアプレイヤ、ハンドヘルドデバイス、ＧＰＳ、デジタルカメラなど）、コンピュータ（例えば、ラップトップコンピュータ、ＰＤＡなど）、および通信システムにおける様々な用途も有する。モジュールおよびウルトラキャパシタは、様々な軍用用途（例えば、戦車および潜水艦のためのモータ始動、フェーズドアレイレーダアンテナ、レーザ電源、無線通信、アビオニクス表示および計装、ＧＰＳガイダンスなど）、および医療用途（例えば、除細動器など）を有することもできる。
【００４８】
本発明のこれらのおよび他の変形および変更は、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく当業者によって実践され得る。加えて、様々な実施形態の態様が、全体または一部の両方において交換され得ることが理解されるべきである。さらに、当業者は、前述の説明が単に例であり、添付の特許請求の範囲においてさらに説明される本発明を限定するものではないことを理解するであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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