MXPA97002485A - Capacitores de doble capa, de alto funcionamientoque incluyen electrodos compuestos de aluminio ycarbon - Google Patents

Abstract

Se describe un capacitor de capa doble de alto funcionamiento, que tiene una capa doble eléctrica formada en la interfase entre el carbón activado y un electrolito. El capacitor de capa doble de alto funcionamiento incluye un par de electrodos compuestos de carbón impregnado con aluminio que tiene una trayectoria distribuida uniformemente y continua de aluminio impregnado dentro de una preforma de fibra de carbón activado saturada con una solución electrolítica de alto funcionamiento. El capacitor de capa doble de alto funcionamiento es capaz de suministrar por lo menos 5 Wh/kg de energíaútil aíndices de potencia de por lo menos 600 W/kg.

Description

CAPACITORES DE DOBLE CAPA. DE ALTO FUNCIONAMIENTO QUE INCLUYEN ELECTRODOS COMPUESTOS DE ALUMINIO Y CARBÓN DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona por lo general con un capacitor de doble capa, eléctrico y más particularmente con un capacitor doble de alto funcionamiento, que comprende electrodos compuestos de aluminio y carbón y una solución electrolítica de alto funcionamiento y además incluye un método para fabricar los mismos. Los capacitores de doble* capa son dispositivos de almacenamiento de energía que son capaces de almacenar más energía por peso que los capacitores tradicionales y típicamente pueden suministrar la energía a un índice de potencia mayor que muchas beiterías recargables. Los capacitores de capa doble consisten de dos electrodos porosos que están aislados del contacto eléctrico por un separador poroso. Ambos del separador y los electrodos están impregnados con una solución electrolítica. Esto permite que la corriente iónica fluya entre los electrodos mientras que evita que la corriente eléctrica haga corto circuito en la celda. En la parte posterior de cada uno de estos electrodos activos hay una placa que recolecta la corriente. Un propósito de la placa que recolecta la corriente es el de reducir la pérdidas óhmicas en el capacitor de capa doble. Si estas placas de recolección de corriente no son porosas, también pueden utilizarse como parte del sello capacitor. Cuando la potencia eléctrica se aplica a través de los electrodos en un capacitor de capa doble, la corriente iónica fluye debido a la atracción de aniones para el electrodo positivo y cationes para el electrodo negativo. Al alcanzar la superficie del electrodo, la carga es absorbida en la región de interfase líquido-sólido. Esto se realiza por absorción de las mismas especies de carga o por realineamiento de los bipolos de la molécula solvente. La carga absorbida es mantenida en la región por las cargas opuestas en el electrodo sólido. El uso de electrodos de carbón en los capacitores electroquímicos, representan una ventaja significativa en esta tecnología, debido a que el carbón tiene un peso atómico bajo y los electrodos de carbón pueden ser fabricados con áreas superficiales muy altas. La fabricación de capacitores de doble capa con electrodos de carbón, ha sido conocida en la técnica durante algún tiempo, como se evidencia por las Patentes de los Estados Unidos Nos. 2,800,616 (Becker) , y 3,648,126 (Boos et al.). Un problema principal en muchos capacitores de electrodo de carbón es que el funcionamiento frecuentemente está limitado, debido a la resistencia interna elevada de la mayoría de los electrodos de carbón. Esta resistencia interna elevada se debe principalmente a la resistencia de contacto elevada de los contactos carbón-carbón. Esta resistencia elevada se traduce a pérdidas óhmicas grandes en el capacitor durante la fase de descarga. Disminuyendo esta resistencia interna en los capacitores de doble capa, se logra principalmente a través de la reducción de la resistencia electrónica en el electrodo. También es difícil lograr simultáneamente una combinación de área superficial grande y suficiente control de la porosidad del electrodo de carbón. La porosidad del electrodo de carbón se traduce al grado de accesibilidad del electrolito a la superficie de los átomos de carbono. Para aumentar el voltaje de operación de muchos capacitores de doble capa, las celdas individuales frecuentemente son apiladas en serie. Las rutas de corriente entre las celdas debe de ser reducida al mínimo para reducir las pérdidas óhmicas. El diseño óptimo es el de tener celdas adyacentes, separadas solamente con una sola placa de recolección de corriente. Esta placa no debe ser porosa, de tal manera que nada de solución electrolítica sea compartida entre las celdas. La separación evita pérdidas debidas a la trayectoria de corriente entre las celdas. Este tipo de diseño es llamado bipolar. En un capacitor de doble capa bipolar, un lado actúa como un electrodo positivo y el otro lado actúa como un electrodo negativo para una celda adyacente. La Patente de los Estados Unidos No. 3,536,963, expedida a D. L. Boos es un ejemplo de este capacitor de capa doble bipolar. Otro diseño de capacitor de capa doble que recientemente se ha vuelto popular es una celda devanada en espiral. La Patente de los Estados Unidos No. 5,150,283 expedida a Yoshida et al., describe un ejemplo de la celda devanada en espiral. En la patente de Yoshida et al., un capacitor de capa doble, eléctrico tiene un par de electrodos polarizables compuestos de sustratos eléctricamente conductores. Los sustratos están recubiertos en capas de una mezcla de carbón activado con un agente de aglutinación a base de material soluble en agua. Los electrodos dan de frente entre sí interpuestos por un separador impregnado con un electrolito. Esta capacitor tiene características ventajosas de ambos de los capacitores convencionales, los cuales utilizan electrolitos acuosos y capacitores los cuales utilizan típicamente electrolitos de solvente orgánico. Una ventaja de la celda devanada en espiral del capacitor de capa doble es que los electrodos de área de superficie grande pueden ser enrollados en un alojamiento pequeño. Los electrodos grandes reducen en gran medida la resistencia interna del capacitor y el alojamiento simplifica en gran medida el sello capacitor o el sello requerido para el capacitor de capa doble. En un diseño bipolar, cada celda debe ser sellada alrededor del perímetro del electrodo. Sin embargo, en un diseño devanado, solamente el exterior puede requerir sellado. Este diseño no es tan eficiente como un diseño bipolar, cuando las celdas están apiladas en serie, debido a que la resistencia de los cables de alambre se agregaran a las pérdidas óhmicas. La presente invención, sin embargo está más relacionada con capacitores electroquímicos o de capa doble que tienen electrodos compuestos de aluminio/carbón. Los compuestos de metal/carbón y más particularmente, los electrodos compuestos de aluminio/carbón, tiende a reducir al mínimo la resistencia interna del electrodo. Las enseñanzas en la técnica relacionada que son de importancia particular implican métodos de fabricación de los electrodos compuestos de aluminio/carbón, métodos de fabricar y adherir el colector de corriente al electrodo compuesto y los electrolitos adecuados que pueden ser utilizados con capacitores de capa doble de alto funcionamiento. Varias técnicas de fabricación para reducir la resistencia interna de los electrodos compuestos de carbón se han descrito en años recientes. Por ejemplo, Yoshida et al., en la patente (Patente de los Estados Unidos No. 5,150,283) describe un método de fabricación de un electrodo compuesto de aluminio/carbón depositando polvo de carbón y otros agentes que mejoran la conductividad eléctrica en un sustrato de aluminio. Otro enfoque relacionado se describe en la Patente de los Estados Unidos No. 4,597,028 (Yoshida et al.), el cual enseña que la incorporación de metales tales como aluminio en electrodos de fibras de carbón pueden ser realizados por medio de fibras metálicas tejidas dentro de preformas de fibras de carbón. La Patente de los Estados Unidos No. 4,562,511 (Nishino et al.) describe a un otro enfoque, donde la fibra de carbón es sumergida en una solución acuosa, de tal manera que una capa de óxido de metal conductor y de preferencia un óxido de metal de transición, se forma en los poros de la fibras de carbón. Nishino et al. también describen la formación de óxidos de metal, tal como óxido de estaño u óxido de indio por deposición con vapor. Aún otro método relacionado se describe en las Patentes de los Estados Unidos Nos. 5,102,745, 5,304,330 y 5,080,963 (Tatarchuk et al.). Estas descripciones demuestran que las fibras de metal pueden ser intertejidas con la preforma de carbón y sinterizarse para crear una matriz conductora estructuralmente estable, la cual puede ser utilizada como un electrodo compuesto. Las patentes de Tatarchuk et al. también enseñan un proceso que reduce la resistencia eléctrica en el electrodo compuesto reduciendo el número de contactos carbón-carbón, la cual corriente debe fluir a través de ellos para alcanzar el conductor de metal. Este enfoque funciona bien, si las fibras de níquel o de acero inoxidable se utilizan como el metal. Sin embargo, este enfoque no ha sido exitoso cuando las fibras de aluminio se utilizan debido a la formación de carburo de alumino durante la sinterización o calentamiento del electrodo compuesto. El uso de aluminio en el proceso de fabricación de los capacitores de capa dobles es importante debido a que el aluminio es el metal óptimo en términos de costo, disponibilidad y funcionamiento. Por ejemplo, con un electrodo compuesto de aluminio/carbón en un capacitor de capa doble con un electrolito no acuoso, es muy posible lograr un voltaje de operación de 3.0 voltios. Sin embargo, con níquel o acero inoxidable en lugar de alumino, el voltaje de operación debe ser reducido a menos de 2.0 voltios. Los diseños relacionados de capacitores de capa doble también se discute en la Patente de los Estados Unidos No. 4,438,481 expedida a Phillips et al.; la Patente de los Estados Unidos No. 4,597,028 expedida a Yoshida, et al.; la Patente de los Estados Unidos No. 4,709,303 expedida a Fuji ara, et al.; la Patente de los Estados Unidos No. 4,725,927, expedida a Morimoto; y la Patente de los Estados Unidos No. 5,136,472, expedida a Tsuchiya, et al.

Otra área de gran interés en la fabricación de capacitores de capa doble se relaciona con el método de fabricar la placa colectora de corriente y adherir la placa colectora de corriente al electrodo. Esto es importante debido a que la interfase entre el electrodo y la placa colectora de corriente es otra fuente de resistencia interna del capacitor de capa doble. La patente Nishino et al. (Patente de los Estados Unidos No. 4,562,511) sugiere aspersión de plasma de metales fundidos tales como aluminio en un lado del electrodo polarizable, por lo que forma una capa apropiada la cual actúa como el colector de corriente. Esta patente además considera técnicas alternativas para unir y/o formar el colector de corriente que incluye aspersión por arco, deposición al vacío, sublimación catódica, electrodeposición no electrolítica y uso de pinturas conductoras. Las patentes de Tatarchuk et al. (Patentes de los Estados Unidos Nos. ,102,745, 5,304,330 y 5,080,963) muestra la unión de un colector de corriente de una hoja delgada de metal al electrodo por sinterización de la unión de la hoja delgada de metal al elemento de electrodo. La Patente de los Estados Unidos No. 5,142,451 (Kurabayashi et al.) describe un método para unir el colector de corriente al electrodo por un proceso de curado con calor, de tal manera que el material de los colectores de corriente entran a los poros de los elementos de electrodo. La Patente de los Estados Unidos No. 5,099,398 (Kurabayashi et al.) describe un método de unión del recolector de corriente al electrodo por unión química de un colector de película delgada, de tal manera que algo del material de los colectores de corriente entran a los poros de los elementos de electrodo. Esta patente describe además algunos otros métodos convencionales de unir el colector de corriente al electrodo incluyen el uso de adhesivos eléctricamente conductores y unión bajo presión y calor. Aún otro técnica relacionada con el método de fabricar y adherir las placas colectoras de corriente puede encontrarse en las Péitentes de los Estados Unidos Nos. 5,065,286; 5,072,335; 5,072,336; 5,072,337; y 5,121,301 todas expedidas a Kurabayashi et al. Por consiguiente, hay una necesidad continua para mejorar los capacitores de capa doble con electrodos compuestos de carbón/aluminio. Estos capacitores de capa doble mejorados necesitan suministrar grandes cantidades de energía útil a una salida de potencia muy alta e índices de densidad de potencia. Estos capacitores de capa doble mejorados, también deben tener una resistencia interna relativamente baja y aún ser capaces de producir un voltaje de operación relativamente elevado.

Además, también es aparente que las mejoras son necesarias en las técnicas y métodos de fabricación de los capacitores de capa doble con electrodos compuestos de aluminio/carbón en un esfuerzo para disminuir la resistencia interna del capacitor de capa doble y aumentar al máximo el voltaje de operación. Ya que la densidad de energía del capacitor aumenta con el cuadrado del voltaje de operación, los voltajes de operación mayores se traducen en mayor funcionamiento de los ceipacitores, debido a las densidades de energía significativamente mayores e índices de salida de potencia. La presente invención es un capacitor de capa doble de alto funcionamiento, que tiene una capa doble eléctrica formada en la interfase entre el carbón activado y un electrolito. El capeicitor de capa doble de alto funcionamiento incluye un par de electrodos compuestos de carbón impregnado con aluminio que tienen una trayectoria distribuida y continua uniformemente de aluminio impregnado dentro de una preforma de fibra de carbón activado y saturado con una solución electrolítica de alto funcionamiento. El capacitor de capa doble de alto funcionamiento es capaz de suministrar por lo menos 5 Wh/kg de energía útil a índices de potencia de por lo menos 600 W/kg. La presente invención además identifica métodos para fabricar el capacitor de capa doble de alto funcionamiento.

La presente invención incluye además un método mejorado para fabricar los capacitores de doble capa de alto funcionamiento por impregnación de aluminio fundido en preformas de fibras de carbón. La presente invención también identifica varias mejoras en la fabricación de electrodos compuestos de aluminio/carbón y técnicas para unir la placa colectora de corriente al electrodo. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS En la siguiente descripción detallada, la referencia se hará a los dibujos anexos, en los cuales: La FIGURA 1 es una vista en sección de un capacitor de doble capa de alto funcionamiento, de una sola celda de acuerdo con la presente invención; la FIGURA 2 es una representación en sección de un electrodo compuesto de aluminio/carbón bipolar de acuerdo con la presente invención; y la FIGURA 3 es una representación en sección de una pila en serie de capacitores bipolares de alto funcionamiento del tipo de capacitores de doble capa. El capacitor de doble capa, de alto funcionamiento descrito en la presente, es de preferencia un capacitor bipolar grande del tipo de capacitor de doble capa que puede suministrar gran cantidad de energía útil a índices de salida de potencia y densidad de potencia muy elevados . Específicamente, el capacitor de doble capa de alto funcionamiento es capaz de suministrar por lo menos 5 Wh/kg de energía útil a índices de potencia de por lo menos 600 W/kg. Además, el capacitor de capa doble de alto funcionamiento, preferido demuestra una resistencia interna relativamente baja, produciendo un índice de eficiencia de carga/descarga de por lo menos 90% y también demuestra voltajes de operación relativamente elevados de aproximadamente 3.0 voltios para un capacitor de una sola celda. Cuando se configura como una pila en serie de los capacitores de capa doble de tipo bipolar, la pila del capacitor de alto funcionamiento opera, por ejemplo, tanto como 350 voltios y almacenará aproximadamente 1.8 MJ de energía. El capacitor de capa doble de alto funcionamiento, de preferencia incluye electrodos compuestos de alumino/carbón avanzados con una solución electrolítica de alto funcionamiento. Des importancia particular es el método ventajoso de fabricéir los electrodos compuestos de aluminio/carbón y el método de adherir el colector de corriente que son empleados con los presentes capacitores de capa doble de alto funcionamiento. Con referencia a la FIGURA 1, un capacitor 10 de doble capa de alto funcionamiento, de una sola celda se ilustra incluyendo un sujetador de celda 11, un par de electrodos compuestos de aluminio/carbón 12 y 14, un separador electrónico 18, un electrolito 20, un par de placas colectores de corriente 22 y 24, cables eléctricos 28 y 29, que se extienden desde las placas colectores de corriente 22 y 24. El par de electrodos compuestos de aluminio/carbón 12 y 14 de preferencia se forman de una preforma de tela de carbón, poroso o papel carbón preformado el cual está impregnado con aluminio fundido. La porosidad de los electrodos compuestos de aluminio/carbón 12 y 14 pueden ser controlados íntimamente durante el proceso de impregnación, para permitir subsiguientemente que una cantidad suficiente del electrolito 20 se ha introducido en el capacitor 10 de capa doble y penetra los poros de las fibras de carbón. El par de placas colectoras de corriente 22 y 24 están unidas a la parte posterior de cada electrodo compuesto de aluminio/carbón 12 y 14. De preferencia, las placas colectoras de corriente 22 y 24 son capas delgadas de una hoja delgada de aluminio. En esta configuración del capacitor de una sola celda, las placas de recolección de corriente 22 y 24 de preferencia no son porosas. De tal manera que también puedan utilizarse como parte del sello de capacitor externo. Un separador electrónico 18 se coloca entre los electrodos compuestos de aluminio/carbón opuestos 12 y 14. El separador electrónico 18 se hace de preferencia de un material altamente poroso, el cual actúa como un aislador eléctrico entre los electrodos compuestos de aluminio/carbón 12 y 14. El propósito del separador electrónico 18 es el de asegurar que los electrodos opuestos 12 y 14 nunca estén en contacto entre sí. El contacto entre los electrodos resulta en un corto circuito y agotamiento rápido de las cargas almacenadas en los electrodos. La naturaleza porosa del separador electrónico 18 permite el movimiento de los iones en el electrolito 20. El separador electrónico 18 preferido es un disco de polipropileno poroso de aproximadamente 25.4 µm de espesor. El separador de polipropileno se remoja inicialmente en el electrolito 20 antes de insertarlo entre los electrodos compuestos de aluminio/carbón 12 y 14. El sujetador de la celda 11 puede ser cualquier medio de empacamiento conocido utilizado comúnmente con capacitores de capa doble. Para maximizar la densidad de energía de los capacitores de doble capa, es una ventaja reducir al mínimo el peso del medio de empacamiento. Los capacitores de doble capa empacados típicamente se espera que pesen no mas de 25% del capacitor de capa doble sin empacar. Los cables 28 y 29 eléctricos se extienden desde las placas colectoras de corriente 22 y 24 a través del sujetador de la celda 11 y están adaptados para la conexión con un circuito eléctrico (no mostrado) . Como se ve en la FIGURA 2 y FIGURA 3, un electrodo compuesto de aluminio/carbón bipolar 30 y una pila en serie correspondiente de capacitores de doble capa, bipolares de alto funcionamiento 40 están ilustrados. El electrodo compuesto de aluminio/carbón bipolar 30 comprende un cuerpo compuesto de alumino/carbón polarizado, separado con una placa colectora de corriente, no porosa 36. Unido a una superficie 37 de la placa colectora de corriente 36 hay un electrodo 32 cargado para una primera celda. Unido a la superficie 38 opuesta de la placa colectora de corriente 36, hay un electrodo cargado opuestamente 34 para una segunda celda. En otras palabras, si el primer electrodo 32 es un electrodo negativo para una primera celda "A" capacitora, el segundo electrodo 34 entonces es un electrodo positivo para una celda adyacente "B" . Como se ve más claramente en la FIGURA 3, una pila en serie de los capacitores 40 de capa doble bipolar, de alto funcionamiento incluye una pluralidad de celdas (A, B, C y D) , las cuales de preferencia están conectadas en serie. Cada celda incluye un par de electrodos 42 y 44 porosos compuestos de carbón impregnados con aluminio de frente entre sí con un separador 46 iónicamente conductor colocado entre ellos. Una pluralidad de colectores de corriente 98 no porosos, están colocados entre cada celda, con cada colector de corriente 48 que tiene dos electrodos 42 y 44 polarizados, adyacentes de diferentes celdas unidos a él, como se describe en la presente. Además, una cantidad suficiente de un electrolito 50 es introducida dentro de cada celda, de tal manera que el electrolito 50 satura a los electrodos 42 y 44 compuestos y el separador 46 dentro de cada celda. Las placas 49 de recolección de corriente exteriores se colocan en cada extremo de esta pila. Los electrodos compuestos de aluminio/carbón individuales 42 y 44 de preferencia se forman en una manera similar al proceso descrito en lo anterior. Cada electrodo se fabrica de una preforma de tela de carbón o preforma de papel carbón, la cual se impregna con aluminio fundido. Como en lo anterior, la porosidad de los electrodos 42 y 44 compuestos de aluminio/carbón deben ser controlados cercanamente durante el proceso de impregnóleion para permitir subsiguientemente que una cantidad suficiente del electrolito 50 sea introducida en la celda capacitora y penetrar los poros de las fibras de carbón. Los electrodos compuestos de carbón impregnados con aluminio 42 y 44 son suficientemente porosos y de preferencia tienen una trayectoria distribuida uniformemente y continua de aluminio impregnante dentro de las fibras de carbón activado, de tal manera que la resistencia en serie equivalente de cada electrodo compuesto, cuando se utiliza en una celda de tres voltios es de aproximadamente 1.5 omega cm2 y la capacitancia de cada electrodo compuesto 42 y 44 es de aproximadamente 30 F/cm3 o mayor.

Las placas colectoras de corriente 48 internas de cada electrodo bipolar son de preferencia capas no porosas de una lámina delgada de aluminio diseñada para separar el electrolito 50 entre celdas adyacentes. Las placas 49 colectoras de corriente exteriores también son no porosas de tal manera que pueden utilizarse como parte del sello capacitor externo, si es necesario. Un separador electrónico 46 se coloca entre los electrodos compuestos de aluminio/carbón 42 y 44 opuestos dentro de una celda capacitora particular. El separador electrónico 46 es de preferencia un disco de polipropileno, poroso similar a los separadores electrónicos utilizados en la configuración de una celda individual. Muchas de las ventajas destinadas del presente capacitor de capa doble resultan de los métodos preferidos de fabricación de los electrodos compuestos de aluminio/carbón, el método preferido de adherir el colector de corriente y el uso de electrolitos de alto funcionamiento. Cada uno de estos aspectos de la invención se discuten en mayor detalle en los párrafos que siguen. ELECTRODO COMPUESTO DE ALUMINIO/CARBÓN Como se identificó en lo anterior, el electrodo compuesto de aluminio/carbón de preferencia se hace de una preforma de tela de fibra de carbón, porosa, o una preforma de papel de fibra de carbón, el cual está impregnado con aluminio fundido. La preforma puede ser fabricada de cualquier material de fibra de carbón activado, adecuada, tal como fieltro de fibra de carbón u otros sustratos de fibra de carbón activado que tienen una porosidad suficiente para recibir el aluminio fundido impregnado y la solución electrolítica. El aluminio impregnado se distribuye uniforme y continuamente en toda la preforma, de tal manera que proporciona una trayectoria de corriente de baja resistencia dentro del electrodo. El electrodo compuesto de alumino/carbón también permanece suficientemente poroso, de tal manera que una solución electrolítica, de preferencia una solución electrolítica no acuosa, infiltre los poros de las fibras de carbón activado. El proceso de fabricación de los electrodos compuestos de aluminio/carbón del capacitor de capa doble se inicia con la fabricación de una preforma de electrodo de fibras de carbón. La preforma de electrodo de fibras de carbón es fabricada típicamente de una preforma de papel o tela utilizando fibras de carbón de área de superficie elevada. El área de superficie de estas fibras de carbón pueden estar en el rango de aproximadamente 500 a 3000 m2/g. La preforma de papel de fibra de carbón se construye con el equipo de mezclado de papel estándar utilizando fibras de carbón de aproximadamente 8-10 µm de diámetro, que se cortan a una longitud de aproximadamente 2 a 7 mm. Las fibras de celulosa de tamaño comparable también puede agregarse a la preforma para actuar como un agente de enlace y para controlar la porosidad de la preforma resultante. La preforma de tela de fibra de carbono es de preferencia una tela disponible comercialmente, la cual utiliza fibras de carbón tejidas que también tienen un área superficial de aproximadamente 500 a 3000 m2/g y un diámetro de aproximadamente 8-10 µm. La preforma de tela de fibra de carbón es típicamente más cara que la preforma de papel de fibras de carbón, pero la preforma de tela de fibra de carbón tiene más estabilidad estructural que la preforma de papel de fibra de carbón. El área de superficie y otras dimensiones de las fibras de carbón, sin embargo, pueden hacerse a la medida fácilmente para cumplir los requisitos de la aplicación en la cual se utilizan. La impregnación de las preformas de fibra de carbón con aluminio fundido se realiza de preferencia utilizando una técnica de aspersión de plasma, o alternativamente utilizando una técnica de infiltración de líquido o técnica de inmersión. En la técnica de aspersión de plasma el aluminio fundido se rocia de preferencia sobra ambos lados de la preforina de fibra de carbón. El metal fundido para la aspersión de plasma se ha utilizado previamente en una construcción de capacitor de capa doble pero típicamente se ha utilizado solo como un medio para formar el colector de corriente . La técnica de aspersión de plasma se optimiza para penetrar dentro de la preforma de tela fibra de carbón y formar una matriz de aluminio porosa y distribuida uniformemente. Esta optimización se realiza ajustando la corriente eléctrica a la unidad de aspersión, la temperatura y presión del aluminio fundido, la distancia de la unidad de aspersión de plasma desde la preforma de fibra de carbón y el barrido de la unidad de aspersión de plasma. En la técnica de infiltración de líquido, el aluminio fundido está impregnado en la estructura por baño o inmersión de la preforma de fibra de carbón en un baño fundido de aluminio. El aluminio fundido, sin embargo, no humedece la superficie de la fibra de carbón fácilmente, por lo que tanto no entra en los poros de la fibra de carbón. Debido a las pocas propiedades de humectación del carbón, son necesarias técnicas especiales para impregnar adecuadamente el aluminio fundido dentro de los intersticios de las fibras de carbón. Estas técnicas que aumentan la impregnación del electrodo, implican variaciones de las técnicas de impregnación que se utilizan para crear compuestos de grafito y aluminio en la industria aeroespacial . Estas técnicas de impregnación están adaptadas únicamente y modificadas para el presente método de fabricación de los electrodos compuestos de aluminio/carbón. Por ejemplo, es necesario controlar exactamente el proceso de impregnación, de tal manera que el electrodo del material compuesto permanece adecuadamente poroso para que la solución electrolítica transporte corriente iónica. Una de tal técnica de mejorar la impregnación utiliza una vibración ultrasónica para mejorar la humectabilidad de las fibras de carbono por aluminio fundido. A medida que las preformas de fibra de carbón están siendo sumergidas en el baño fundido para ser impregnadas con el alumino fundido, las vibraciones ultrasónicas son dirigidas al sitio de impregnación. Cuando estas vibraciones oscilan, la presión en el líquido provoca cavitaciones localizadas. En algunas frecuencias particulares, el aluminio fundido es bombeado dentro de los intersticios de las fibras de carbón. Variando las frecuencia de las vibraciones ultrasónicas, el nivel de impregnación puede ser controlado, por lo que asegura el producto resultante poroso. Otra técnici para mejorar la impregnación del aluminio fundido dentro de la preforma durante la fabricación del electrodo compuesto de aluminio/carbón, implica otros medios para formar ciclos de la presión externa sobre el aluminio fundido que está siendo impregnado. El aumento y disminución de la presión crea una acción de bombeo que ayudará a que el aluminio fundido entre en los espacios entre las fibras de carbono. La temperatura del aluminio fundido frecuentemente está aumentada para ayudar adicionalmente al aluminio en los espacios de llenado entre las fibras de carbón. Los agentes humectantes también son utilizados como un medio adicional que ayuda a la impregnación del aluminio fundido en la preforma de carbón durante la fabricación del electrodo compuesto de aluminio/carbón. La humectabilidad de la fibra de carbón está aumentada sumergiendo inicialmente la fibra de carbón en un metal fundido filtrado compuesto de agentes de humectación tal como estaño-titanio o una aleación de cobre-estaño-titanio de sodio fundido. Cuando la preforma de carbón es retirada del filtrado de metal, se sumerge en un baño de aluminio fundido. El aluminio fundido se lixivia del agente de humectación de las fibras de carbón, lo cual permite que el aluminio llene los intersticios de las fibras de carbón. Otros agentes humectantes adecuados tales como tántalo, titanio-carbón, titanio-nitrógeno, titanio-nitrógeno-carbón, o silicio-carbón también pueden ser introducidas en las preformas de fibras de carbón para ayudar con la impregnación del aluminio fundido. Las técnicas alternativas para mejorar la humectabilidad de las fibras de carbón también están contempladas para utilizarse en el proceso de fabricación de los electrodos compuestos de aluminio/carbón para capacitores de capa doble. Tales medios alternativos de mejorar la humectabilidad incluyen, por ejemplo, recubrimiento de las fibras de carbón con una capa delgada de metales tales como plata, cobalto, cobre o níquel. Sin embargo, es importante hacer notar que cualquiera de los agentes extraños u otros contaminantes utilizados en la fabricación de los electrodos compuestos para los capacitores de capa doble, deben ser ya sea eliminados sustancialmente antes de utilizar el capacitor o la presencia de tales agentes no debe limitar severamente las características físicas o funcionamiento del capacitor de capa doble . Las vibraciones ultrasónicas, como se describió en lo anterior o los ciclos de presión externa también pueden ser utilizados con o sin un agente de humectación como un medio de mejorar el proceso de impregnación del aluminio fundido. Además, las variaciones del proceso de aspersión de plasma, como se describió en lo anterior, también puede utilizarse con o sin un agente humectante como un medio de mejorar el proceso de impregnación del aluminio fundido. El control del proceso de impregnación permite el control de la porosidad del electrodo. La porosidad del electrodo compuesto alumino/carbón está controlada cercanamente durante el proceso de impregnación para permitir subsiguientemente que la solución electrolítica entre a los poros de las fibras de carbón sin impedimento y así formar una región de interfaise suficientemente grande entre el electrolito y las fibras de carbón. Introduciendo aluminio dentro del electrodo como se describió en lo anterior, altera la trayectoria electrolítica para la corriente iónica en la región de interfase de electrodo/electrolito. Esta trayectoria electrolítica alterada, sin embargo, no se agrega significativamente a la resistencia interna del capacitor de capa doble debido a que la mayoría de la resistencia interna permanece en los poros pequeños de las fibras de carbón. La porosidad del electrodo compuesto de aluminio/carbón puede expresarse mejor como una relación por peso del aluminio a carbón activado. Es importante sin embargo, que el aluminio sea distribuido uniformemente y continuamente en todei la preforma, de tal manera que proporcione una trayectoria de corriente de baja resistencia dentro del electrodo compuesto. La relación por peso preferida del aluminio a carbón está en el rango de entre aproximadamente 1.3 a 0.5 de mayor preferencia menos de 1.0. Como se identifico en lo anterior, el control del proceso de impregnación y el control resultante de la porosidad del electrodo puede realizarse en varias formas incluyendo el uso de agentes humectantes, ciclos de la presión externa del aluminio fundido, y/o introducción de las vibraciones ultrasónicas durante la infiltración líquida. Al ajustar la frecuencia y magnitud de las vibraciones ultrasónicas y variaciones de presión durante la infiltración del líquido, la impregnación del aluminio fundido puede variarse. Además, el control de los parámetros externos en los procesos de aspersión de plasma, afectarán la porosidad resultante del electrodo. Por ejemplo, ajustando tales parámetros externos como la corriente eléctrica dirigida a la unidad de aspersión de plasma, el índice de barrido de la unidad de aspersión de plasma, la distancia de alejamiento entre la unidad de aspersión de plasma y la preforma de fibra de carbón; y la temperatura y presión del suministro del aluminio fundido, puede lograrse la porosidad óptima. Alternativa o conjuntamente, variando la cantidad de celulosa utilizada en las preformas de papel de fibras de carbón, la porosidad de los electrodos compuestos de aluminio/carbón pueden ser controlados. Específicamente, el control de la porosidad es realizado por carbonización o sinterización de fibras de celulosa, por lo que provoca su eliminación después de que el aluminio fundido es impregnado en la preforma de fibra de carbón. EJEMPLO 1 La siguiente descripción es representativa de la preparación y fabricación de los electrodos compuestos de aluminio/carbón y el capacitor de capa doble de alto funcionamiento. Este ejemplo junto con la descripción detallada previa, representa un mejor modo actualmente contemplado para llevar a cabo la invención. Esta descripción no se va a tomar en un sentido limitante, si no se hace únicamente con el propósito de describir algunos principios generales de la invención. El alcance de la invención debe estar determinado con referencia a las reivindicaciones. Las preformeis de fibra de carbón se hacen utilizando fibras de carbón activadas de aproximadamente 5 mm de longitud y aproximadamente 8 µm de diámetro. Las fibras de carbón activadas tienen un área de superficie de aproximadamente 2500 m2/g. Las fibras de celulosa de aproximadamente 5 mm de longitud y de aproximadamente 8 µm de diámetro también se incorporaron dentro de las preformas de fibras de carbón. Las fibras de celulosa se agregaron como un agente de aglutinación y para controlar la porosidad del electrodo. El porcenteije de fibras de celulosa agregadas, consistió de entre aproximadamente 9.0 a 50% del peso de la preforma y de mayor preferencia de aproximadamente 15% por peso. Alternativamente, las preformas de fibras de carbón pueden obtenerse a partir de una fuente comercial. Estas preformas de fibra de carbón son telas de carbón activado típicamente, en las que las fibras de carbón individuales están enrolladas en haces llamados una estopa. La tela preferida emplea una estopa que consiste de fibras de carbón que fueron de aproximadamente 8 µm de diámetro y tuvo un área superficial de aproximadamente 2500 m2/g. La estopa se teje para crear una tela que fue de aproximadamente 432 µm de espesor. Las preformas de fibras de carbón se impregnaron con aluminio fundido utilizando una técnica de aspersión de plasma. El proceso de aspersión se optimizó para penetrar uniformemente dentro de las preformas de la fibra de carbón a través del ajuste de la corriente a la unidad de aspersión, la presión de la aspersión, la distancia de separación de la aspersión de la preforma, la distancia de la etapa vertical y la velocidad de barrido de la aspersión. Las condiciones óptimas para este ejemplo se determinaron que son de 65 amperes de corriente para la unidad de aspersión, una presión de aspersión de 3.52 kg/cm2 con una distancia de separación de aproximadamente 50.8 cm. La velocidad de barrido de la unidad de aspersión de plasma fue de aproximadamente 161.5 cm por segundo y la distancia de la etapa vertical fue de aproximadamente 2.54 cm. Cada electrodo compuesto de aluminio/carbón contiene aproximadamente 0.2 gramos de fibras de carbón a aproximadamente 0.24 gramos de aluminio.

Después que se completa el proceso de aspersión, los discos de electrodo compuestos se perforan de la preforma de carbón impregnada. Cada electrodo compuesto tiene un diámetro de aproximadamente 5.1 cm (2 pulgadas) y un espesor de aproximadamente 432 µm. Esto se traduce en un área superficial de aproximadamente 20.3 cm2. Las fibras de celulosa se eliminan del electrodo compuesto sinterizando el electrodo en aproximadamente 200°C-300°C en una atmosfera de reducción. Una lámina de hoja delgada de aluminio de 50.8 µm de espesor se une a cada electrodo compuesto de aluminio/carbón a una temperatura de entre aproximadamente 360°C-600°C y una presión externa de 0.84 kg/cm2, en presencia de una atmosfera inerte o ligeramente reductora. Los electrodos compuestos de aluminio/carbón acabados con la placa colectora de corriente fue dispositivo en forma de disco con un área superficial de aproximadamente 20.3 cm2 y un espesor de aproximadcimente 0.048 cm. El montaje del capacitor de celda individual, además incluye un separador de polipropileno poroso de aproximadamente 25.4 µm de espesor, el cual se coloco entre los electrodos compuestos de aluminio/carbón para actuar como el separador electrónico. Una solución electrolítica de tetrafluoroborato tetraetilamonio 1.4 M en acetonitrilo entonces se impregna en los electrodos compuestos de carbono/aluminio y el separador utilizando una técnica de infiltración al vacío. Entonces el capacitor se sella externamente. La Tabla 1 identifica varios ejemplos del electrodo compuesto de carbón/aluminio activado y sus características de funcionamiento. Es importante hacer notar que ID No. 071994A utiliza una tela de carbón diferente que las preformas de tela descritas en lo anterior y similarmente tiene un espesor mayor ?rue las otras muestras. Las mediciones de la resistencia y la capacitancia se hicieron para fines de comparación solamente.

Tabla 1 Características de Funcionamiento del Electrodo Compuesto de Aluminio/Carbón ADHESIÓN DEL COLECTOR DE CORRIENTE AL ELECTRODO COMPUESTO Después de que el aluminio es impregnado en la preforma de fibras de carbón, una hoja delgada de aluminio se asegura al lado posterior del electrodo. En tal proceso, la difusión de la preforma de carbón impregnado con aluminio se une a la hoja delgada de aluminio por lo que crea una unión poco resistente entre el electrodo compuesto y el colector de corriente. La hoja delgada de aluminio funciona como colector de corriente o electrodo conductor del capacitor. Específicamente, la difusión de unión se realiza modificando primero o retirando la capa de óxido sobre la capa delgada de aluminio y luego calentar el electrodo y la estructura de la hoja delgada de aluminio bajo presión en una atmosfera inerte. Este proceso de unión implica la combinación de alta temperatura y presión moderada en una atmósfera inerte para llevar las superficies del electrodo compuesto y el colector de corriente juntos. Estas etapas son realizadas para que los átomos de aluminio llenen los espacios en la interfase para adherir el colector de corriente al electrodo compuesto. En una pila de capacitor bipolar, la lámina delgada de metal unida debe ser no porosa para separar las soluciones electrolíticas entre leis celdas. La lámina delgada metálica debe ser lo suficientemente gruesa para asegurar que no hay orificios u otros defectos. Una lámina delgada de metal con espesor de entre aproximadamente 12.7 µm y 76.2 µm se prefiere para los electrodos bipolares. El aluminio no es un material que sea muy adecuado para la difusión de la unión. La dificultad se produce de la capa de óxido fuerte que normalmente está presente sobre una superficie de aluminio. Esta capa de óxido tiende a retardar la transferencia del aluminio entre las superficies que van a ser unidas. La mayoría de las técnicas de difusión de unión implican un aluminio que requiere una presión externa elevada y una temperatura de unión que está justo debajo del punto de fusión del aluminio. Las piezas o estructuras que van a ser unidas típicamente deben ser mantenidas en este estado en una atmósfera inerte durante un periodo de tiempo prolongado. Las condiciones de unión no son aceptables para los electrodos compuestos de carbón activado/aluminio, debido a que la presión externa elevada pulveriza las fibras de carbón activado en el electrodo. Además, una temperatura elevada durante un periodo prolongado de tiempo resulta en la formación de carburos de aluminio. La formación del carburo de aluminio reduce significativamente la eficacia del electrodo. El presente proceso une los electrodos compuestos de aluminio/carbón a una lámina delgada de aluminio con presión externa baja, a una temperatura menor y durante una cantidad de tiempo relativamente más corta. El presente método además reduce significativamente la cantidad de carburo de aluminio formado durante el proceso de unión y permite la unión para formar sin dañar físicamente, las fibras de carbón activado en el electrodo. El presente proceso de unión preferido permite la unión de la hoja delgada de aluminio al electrodo compuesto de aluminio/carbón a una temperatura en el rango de entre aproximadamente 300°C y 600°C y de mayor preferencia a aproximadamente 360°C + 50 °C. La unión se logra con una presión externa de aproximadamente 0.84 kg/cm2. Esta técnica de unión mejorada, realizada bajo condiciones ventajosas, se logra por eliminación o modificación físicamente de la capa de óxido sobre la hoja delgada de aluminio antes de unir la lámina delgada de metal al electrodo de una atmósfera inerte. La capa de óxido es eliminada utilizando una técnica de sublimación catódica de iones argón. Alternativamente, la capa de óxido puede ser modificada por ataque químico de la hoja delgada de aluminio en una solución de dicromato de sodio en ácido sulfúrico, por ejemplo [Na2(Cr202) en H2S04] . En cualquier técnica la capa de óxido de aluminio está reducida significativamente. Antes de que la hoja delgada de aluminio se una al electrodo compuesto de aluminio/carbón, cualquiera de las fibras de celulosa presentes en el electrodo compuesto de aluminio/carbón puede ser eliminada por carbonización o sinterización de las fibras de celulosa calentándolas en una atmósfera inerte o alternativamente reduciéndolas en forma química. Al variar la cantidad de celulosa utilizada en las preformas, la porosidad resultante de los electrodos compuestos de aluminio/carbón puede ser controlada. Para el electrodo compuesto de aluminio/carbón bipolar como cada par de preformas de fibras de carbón impregnadas con aluminio, son eliminadas del proceso de impregnación, están alineadas juntas y unidas a una sola capa de hoja delgada de aluminio. El proceso preferido implica simultáneamente la difusión de unión del par alineado de electrodos compuestos de aluminio/carbón a un colector de corriente de hoja delgada de aluminio bajo baja presión, una temperatura relativamente baja y en una atmósfera inerte. Como en lo anterior, él proceso evita la formación de carburo de aluminio y otros contaminantes y evita el daño físico a las fibras de carbón. La calidad de la unión está aumentada atacando químicamente primero ambas superficies de la hoja delgada de aluminio o por eliminación de cualquiera de las capas de óxido de aluminio que puedan estar presentes. EJEMPLO 2 La siguiente descripción es representativa del proceso de unión por difusión y su preparación. Este ejemplo, junto con la descripción detallada previa, representa un mejor modo actualmente contemplado para llevar a cabo la invención. Esta descripción, sin embargo, no va a ser tomada en un sentido limitante, sino se hace únicamente con el propósito de describir algunos principios generales de la invención. El alcance de la invención debe ser determinado con referencia a las reivindicaciones. Un baño para el ataque químico se prepara para atacar químicamente la hoja delgada de aluminio por combinación aproximadamente de 60 g de Na2(CR202)2H § con aproximadamente 173 mi de H2S04 concentrado, de aproximadamente 1.9 gramos de polvo de aluminio, y suficiente agua para formar un litro de solución. El baño de ataque químico se calienta a aproximadamente 60°C. Además, un baño de agua para enjuagar la hoja delgada de aluminio atacada químicamente, se prepara y calienta a aproximadamente 60°C. La hoja delgada de aluminio se sumerge en el baño de ataque químico durante aproximadamente 15 minutos. La hoja delgada entonces se retira del baño de ataque químico y se sumerge en el baño de agua para enjuagar la hoja delgada de metal. La hoja delgada de metal se deja secar en un horno durante aproximadamente 30 minutos. Los electrodos y la hoja delgada de metal atacada químicamente, entonces se ensamblan para la unión por difusión. Una preforma de tela de carbón se utiliza como una lámina de liberación y las placas Hastoloy X se utilizan para aplicar presión moderada de entre aproximadamente 0.21 kg/cm2 a 28.1 kg/cm2 y de preferencia de aproximadamente 0.84 kg/cm2 al montaje de electrodo/hoja delgada de metal. El montaje de electrodo/hoja delgada de metal se coloca en un reactor de acero inoxidable para unión de difusión real. El presente proceso de unión por difusión, implica el calentamiento del montaje de electrodo y hoja delgada de metal dentro del reactor de acero inoxidable, mientras que bajo presión moderada en una atmósfera inerte. Después de que el aluminio es impregnado en la preforma de fibras de carbón, formando así los electrodos compuestos, los electrodos se secan durante aproximadamente 30 minutos. Entonces los electrodos se purgan con hidrógeno (550 ml/min) y argón (1000 ml/min) a aproximadamente 100 °C. Enseguida, las fibras de celulosa se carbonizaron a 300°C durante aproximadamente 30 minutos, mientras que aún se purgan los electrodos con hidrógeno (550 ml/min) y argón (1000 ml/min) . Entonces el hidrógeno se apaga y la velocidad del argón se aumenta a aproximadamente 1500 ml/min. La temperatura de unión entonces se logra aumentado la temperatura del reactor, según se requiera de 300°C a la temperatura de unión o sinterización final, la cual está entre aproximadamente 300°C-600°C (véase la Tabla 2) . Esta temperatura de unión se mantuvo durante un tiempo de unión prescrito de aproximadamente 1 a 5 horas como se indicó en la Tabla 2. Entonces el reéictor se apaga y los electros se dejan enfriar durante aproximadamente 90 minutos. Después del tiempo de 90 minutos, el reactor se deja enfriar con agua y los electrodos se retiran. La Tabla 2 identifica la capacitancia, resistencia en serie y otras características de funcionamiento de varios montajes de electrodo/hoja delgada de metal que se unieron por difusión de acuerdo con el proceso de unión descrito en lo anterior. Las mediciones de la resistencia y capacitancia se hicieron para los propósitos de comparación solamente.

Tabla 2 Características de Unión del Electrodo/Hoja Delgada de Metal ELECTROLITOS DE ALTO FUNCIONAMIENTO El funcionamiento de los capacitores de capa doble es mucho muy dependiente de la elección de las soluciones electrolíticas utilizadas. Los electrolitos acuosos tradicionales típicamente presentan menor resistencia que las soluciones electrolíticas no acuosas. Por otro lado, las soluciones electrolíticas no acuosas frecuentemente tienen mayor conductividad iónica y de esta forma aumenta el voltaje de operación de los capacitores de doble capa. En particular, estas soluciones electrolíticas no acuosas han permitido que el voltaje de los capacitores de capa doble, de una sola celda esté aumentado a aproximadamente tres voltios. La presente invención considera el uso de algunas soluciones electrolíticas avanzadas. Estas soluciones electrolíticas avanzadas frecuentemente caen en tres tipos o clases de soluciones. Primera, hay soluciones de amoniato el cual utiliza amoníaco gaseoso como el solvente para el electrolito. Las soluciones de amoniato preferidas resultan cuando ciertas sales se combinan con amoníaco gaseoso para formar líquidos altamente conductores a temperatura ambiente. Debido a su alta conductividad, estabilidad de voltaje y rango de temperatura, estas soluciones son buenos candidatos para electrolitos en capacitores de capa doble de alto funcionamiento. Los ejemplos de algunas soluciones de amoniato las cuales son adecuadas para utilizarse como electrolitos en los capacitores de capa doble de alto funcionamiento, incluyen: [NH4N03] 1.3 [NH J; [Nal] 3.3 [NH ^; y [LiCl04] 4 [NH ^. La segunda clase de electrolitos está formada de soluciones a base de dióxido de azufre. El dióxido de azufre, el cual es un gas a temperatura ambiente, se utiliza como el solvente para el electrolito. El dióxido de azufre disuelve algunas sales para formar electrolitos líquidos a temperatura ambiente. Estas soluciones a base de dióxido de azufre, normalmente tienen mayor conductividad que las soluciones de amoniato correspondientes, pero también tienden a ser más corrosivas. Estos electrolitos se obtienen cuando el dióxido de azufre se utiliza para disolver tetracloroaluminatos de litio, cadmio, sodio o estroncio. Estas soluciones electrolíticas pueden ser caracterizadas generalmente como sigue: M [A1C14] x SO 2 donde x está entre 2.5 y 6.0; y donde M se selecciona de Li, Ca, Na, o Sr. La tercera clase de electrolito mejorado, las cuales son adecuadas para utilizarse en los capacitores de capa doble de alto funcionamiento, son los electrolitos de sales fundidas. Los electrolitos de sales fundidas se forman a partir de sales iónicas que han sido licuadas a temperaturas elevadas. Las temperaturas elevadas normalmente están en el rango de 450°C y mayores. Estos electrolitos de sal fundida a alta temperatura, poseen la conductividad iónica más alta y voltaje de interrupción de cualquiera de las soluciones electrolíticas. La desventaja principal para estas soluciones es que requieren altas temperaturas de operación y en muchas son líquidos altamente corrosivos.

Un ejemplo de un electrolito de sal fundida a alta temperatura que es adecuada para utilizarse en capacitores de capa doble de alto funcionamiento, es una mezcla de cloruro de potasio y/o cloruro de litio. Un capacitor de capa doble de alto funcionamiento que utiliza tales electrolitos, debe tener un voltaje de operación de arriba de 4 voltios y una conductividad iónica de aproximadamente 1.6 S/cm a aproximadamente 450°C. Además, hay algunos tetracloroaluminatos y tetrabro oaluminatos de metal alcalino, los cuales son electrolitos de sales fundidas que tienen temperaturas de operación entre aproximadamente 100°C-400°C con conductividades en el rango de 0.15 a 0.45 S/cm. También existen varias sales fundidas de cloroaluminato, las cuales son líquidas a temperatura ambiente, que se consideran que son útiles como electrolitos en el capacitor de capa doble de alto funcionamiento descrito en la presente. Las soluciones electrolíticas evaluadas para utilizarse con una capacitor de capa doble de alto funcionamiento, de 3 voltios están identificadas en la Tabla 3. Las preformas de fibra de carbón impregnadas con aluminio y el separador de preferencia se saturan con las soluciones electrolíticas descritas por medio de un proceso de infiltración al vacío.

Tabla 3 Electrolitos No Acuosos De lo anterior, debe apreciarse que la presente invención de esta forma proporciona un capacitor de capa doble con electrodos compuestos de aluminio/carbón y electrolitos de alto funcionamiento y un método para fabricar el mismo. Además, será aparente que varios cambios pueden hacerse en la forma, construcción y disposición de sus partes sin apartarse del espíritu y alcance de la invención o sacrificar todas de sus ventajas materiales, las formas descritas en lo anterior son únicamente modalidades ejemplares de la misma. Para este fin, no se tiene la intención de que el alcance de la invención esté limitado a las modalidades específicas y procesos descritos. Por el contrario, se tiene la intención de que el alcance de esta invención sea determinado por las reivindicaciones anexas y sus equivalentes .

Claims (42)

1. REIVINDICACIONES 1. Un capacitor de capa doble, caracterizado porque comprende : un par de electrodos compuestos de carbón impregnados con aluminio, porosos que consisten de una preforma de fibras de carbón activadas, de área superficial elevada impregnadas con aluminio fundido; un par de colectores de corriente, cada colector de corriente colocado en una superficie que no da frente al electrodo compuesto respectivo; un separador iónicamente conductor colocado en la superficie de frente de los electrodos compuestos; y una solución electrolítica no acuosa, que satura a los electrodos compuestos y al separador.
2. 2. El capacitor de capa doble de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque cada uno de los electrodos compuestos de carbón impregnado con aluminio, comprende además una preforma de fibras de carbón activadas, de área superficial elevada que tienen una trayectoria distribuida uniformemente y continua de aluminio impregnante y que tiene una resistividad interna de menos de 1.5 omega cm .
3. 3. El capacitor de capa doble de conformidad con la reivindicación 1 y 2, caracterizado porque el capacitor de capa doble es capaz de suministrar por lo menos 5 Wh/kg de energía útil a índices de potencia de por lo menos 600 W/kg.
4. 4. El capacitor de capa doble de conformidad con la reivindicación 1, 2 y 3, caracterizado porque el electrodo compuesto tiene una capacitancia de por lo menos 30 F/cm3.
5. 5. El capacitor de capa doble de conformidad con las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque cada uno de los electrodos compuestos de carbón, impregnados con aluminio comprenden además un electrodo poroso que tiene una trayectoria distribuida uniformemente y continua de aluminio impregnado dentro de una preforma de tela de carbón.
6. 6. El capacitor de capa doble de conformidad con las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque cada uno de los electrodos compuestos de carbón impregnado con aluminio, comprende además un electrodo poroso que tiene una trayectoria distribuida uniformemente y continua de aluminio impregnado dentro de una preforma de papel carbón.
7. 7. El capacitor de capa doble de conformidad con las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque los electrodos compuestos de carbón impregnados con aluminio además comprenden fibras de carbón activadas que tiene un área superficial en un rango de aproximadamente 500-3000 m /g.
8. 8. El capacitor de capa doble de conformidad con las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque los electrodos compuestos de carbón impregnado con aluminio, además comprenden fibras de carbón activado que tienen un área superficial mayor de 2000 m2/g.
9. 9. El capacitor de capa doble de conformidad con las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque los electrodos compuestos de carbón impregnado con aluminio, además comprenden una relación por peso de aluminio a carbón en un rango de aproximadamente 1.3 a 0.5.
10. 10. El capacitor de capa doble de conformidad con las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque los electrodos compuestos de carbón impregnado con aluminio, además comprenden una relación por peso de aluminio a carbón de menos de 1.0.
11. 11. El capacitor de capa doble de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque comprende un medio de alojamiento para empaquetar en forma sellada el capacitor de capa doble.
12. 12. El capacitor de capa doble de conformidad con las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el separador es un separador de polipropileno poroso, saturado con solución electrolítica no acuosa.
13. 13. El capacitor de capa doble de conformidad con las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque cada uno de los colectores de corriente comprende una capa delgada de una hoja delgada de metal unida a la superficie que no dan de frente de los electrodos respectivos.
14. 14. El capacitor de capa doble de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque el colector de corriente comprende una capa delgada de una hoja delgada de aluminio unida a las superficies que no dan de frente a los electrodos respectivos.
15. 15. El capacitor de capa doble de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la solución de electrolito es una solución de sal fundida.
16. 16. El capacitor de capa doble de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque la solución electrolítica de sal fundida es una mezcla de cloruro de potasio y cloruro de litio.
17. 17. El capacitor de capa doble de conformidad con la reivindicación 15, en el que la solución electrolítica de sal fundida está caracterizada por una fórmula: [A1C13] X donde M es un metal alcalino; y donde X se selecciona de un grupo que consiste de cloro o bromo.
18. 18. El capacitor de capa doble de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la solución electrolítica es una solución de amoniato.
19. 19. El capacitor de capa doble de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque la solución de electrolito de amoniato se selecciona de un grupo que consiste de [NH4N03] 1.3 [NH 3 ; [Nal] 3.3 [NH ] $ y [LiCl04] 4 [NH J.
20. 20. El capacitor de capa doble de conformidad con la reivindicación 1, en el que la solución de electrolito es una solución del bióxido de azufre caracterizada por una fórmula : M [AlCl4]n x SO 2 donde x está entre 2.5 y 6.0; y donde M se selecciona de un grupo que consiste de litio, cadmio, sodio o estroncio.
21. 21. Un método para fabricar un capacitor de capa doble caracterizado porque comprende las etapas de: impregnar una preforma de fibras de carbón activadas, de área superficial elevada con una trayectoria distribuida uniformemente y continua de aluminio para formar un electrodo compuesto de carbón impregnado con aluminio, poroso; unir una placa colectora de corriente sobre una superficie del electrodo compuesto de carbón impregnado con aluminio; alinear un par de electrodos compuestos de carbón impregnado con aluminio, por lo que los electrodos compuestos de carbón impregnado con aluminio tienen las superficies sin unir que dan de frente entre sí; colocar un separador iónicamente conductor entre las superficies que dan de frente de los electrodos compuestos de carbón impregnado con aluminio; y saturar los electrodos compuestos de carbón impregnado con aluminio y un separador con una solución electrolítica no acuosa.
22. 22. El método para fabricar un capacitor de capa doble de conformidad con la reivindicación 21, en la etapa de unir la placa colectora de corriente al electrodo compuesto de carbón impregnado con aluminio, caracterizado además porque comprende las eteipas de : eliminar cualquiera de las capas de óxido de aluminio de un colector de corriente de una hoja delgada de aluminio; y Prensar el electrodo compuesto contra la hoja delgada de aluminio a una temperatura de unión muy por debajo de un punto de fusión del aluminio en una atmósfera inerte, de tal manera que los átomos de aluminio llenarán los espacios en una interfase del electrodo compuesto y la hoja delgada de aluminio para adherir la hoja delgada de aluminio al electrodo compuesto, mientras que evita la formación de carburo de aluminio en la interfase.
23. 23. El método para fabricar un capacitor de capa doble de conformidad con las reivindicaciones 21 y 22, caracterizado además porque comprende la etapa de empacar en forma de sello el capacitor de capa doble dentro de un alojamiento.
24. 24. El método para fabricar un capacitor de capa doble de conformidad con las reivindicaciones 21 y 22, caracterizado además porque comprende la etapa de controlar la porosidad de los electrodos compuestos de carbón impregnado con aluminio durante la etapa de impregnación.
25. 25. El método para fabricar un capacitor de capa doble de conformidad con la reivindicación 24, caracterizado porque la etapa de impregnar una preforma de fibras de carbón activado de área superficial elevada con una trayectoria distribuida uniformemente y continua de aluminio, comprende además aspersión de plasma de aluminio fundido en la preforma de fibra de carbón activado.
26. 26. El método para fabricar un capacitor de capa doble de conformidad con la reivindicación 25, caracterizado porque la etapa de controlar la porosidad de los electrodos compuestos de carbón impregnado con aluminio incluye además ajustar una distancia de separación entre una unidad de aspersión de plasma y la preforma de fibra de carbón.
27. 27. El método para fabricar un capacitor de capa doble de conformidad con la reivindicación 25, caracterizado porque la etapa de controlar la porosidad de los electrodos compuestos de carbón impregnado con aluminio, incluye además controlar una velocidad de barrido de una unidad de aspersión de plasma en relación con la preforma de fibra de carbón.
28. 28. El método para fabricar un capacitor de capa doble de conformidad con la reivindicación 25, caracterizado porque la etapa de controlar la porosidad del electrodo compuesto de carbón impregnado con aluminio, incluye además controlar temperatura y presión de suministro del aluminio fundido a la preforma de fibra de carbón activado.
29. 29. El método para fabricar un capacitor de capa doble de conformidad con la reivindicación 24, caracterizado porque la etapa de impregnar una preforma de área superficial elevada de fibras de carbón activado con una trayectoria distribuida uniformemente y continua de aluminio, comprende además sumergir la preforma de fibra de carbón activado dentro de un baño de aluminio fundido.
30. 30. El método para fabricar un capacitor de capa doble de conformidad con la reivindicación 24, caracterizado porque la etapa de controlar la porosidad de los electrodos compuestos de carbón impregnado con aluminio, además incluye ciclos de presión del aluminio fundido, mientras impregna la preforma de fibra de carbón activado.
31. 31. El método para fabricar un capacitor de capa doble de conformidad con la reivindicación 24, caracterizado porque la etapa de controlar la porosidad de los electrodos compuestos de carbón impregnado con aluminio, incluye además aplicar vibraciones ultrasónicas a la preforma de la fibra de carbón activada durante la etapa de impregnación.
32. 32. El método para fabricar un capacitor de capa doble de conformidad con las reivindicaciones 21 y 22, caracterizado porque comprende la etapa de sumergir la preforma de fibras de carbón activado de área superficial elevada en un infiltrado de metal fundido, compuesto de un agente humectante antes de la impregnación de la preforma de fibra de carbón activado con aluminio.
33. 33. El método para fabricar un capacitor de capa doble de conformidad con la reivindicación 32, caracterizado porque el agente humectante se selecciona del grupo que consiste de estaño-titanio, cobre-estaño-titanio, tántalo, titanio-carbono, titanio-nitrógeno, titanio-nitrógeno-carbono, silicio-carbono y sus mezclas.
34. 34. El método para fabricar un capacitor de capa doble de conformidad con las reivindicaciones 21 y 22, caracterizado porque la etapa de saturación de los electrodos compuestos de carbón impregnado con aluminio y el separador con la solución electrolítica, además comprende saturar los electrodos compuestos de carbón impregnado con aluminio y el separador con la solucic>n electrolítica utilizando un proceso de infiltración al vacío'.
35. 35. El método para fabricar un capacitor de capa doble de conformidad con las reivindicaciones 21 y 22, caracterizado porque la temperatura de unión está entre aproximadamente 300°C y 600°C.
36. 36. El método para fabricar un capacitor de capa doble de conformidad con la reivindicación 35, caracterizado porque la temperatura de unión es de aproximadamente 360 °C.
37. 37. El método para fabricar un capacitor de capa doble de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado además porque comprende la etapa de atacar químicamente las superficies de la hoja delgada de aluminio antes de la unión.
38. 38. El método para fabricar un capacitor de capa doble de conformidad con la reivindicación 37, caracterizado porque la etapa de ataque químico de la hoja delgada de aluminio comprende además sumergir la hoja delgada en una solución de dicromato de sodio en ácido sulfúrico.
39. 39. El método para fabricar un capacitor de capa doble de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado además porque la etapa de eliminar cualquiera de las capas de óxido de aluminio de la hoja delgada de aluminio con una técnica de sublimación catódica de ion argón.
40. 40. El método para fabricar un capacitor de capa doble de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado además porque incluye la etapa de prensar el electrodo compuesto contra la lámina de aluminio que tiene un espesor de entre aproximadamente 12.7 µm y 76.2 µm .
41. 41. El método para fabricar un capacitor de capa doble de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado porque la etapa de prensar el electrodo compuesto contra la hoja delgada de aluminio se realiza a una presión de unión de entre aproximadamente 0.21 kg/cm2 y 28.1 kg/cm2.
42. 42. El método para fabricar un capacitor de capa doble de conformidad con la reivindicación 41, caracterizado porque la etapa de prensar el electrodo compuesto contra la hoja delgada de aluminio se realiza a una presión de unión de aproximadamente 0.84 kg/cm2.