高溫超級電容器的制造方法
【專利摘要】公開了一種具有殼體以及設(shè)置在殼體內(nèi)的至少一個超級電容器單元的超級電容器裝置，其中，超級電容器單元可包括：被電極分離器分隔開的兩個工作電極層，其中，每個工作電極層電連接到支撐在惰性基質(zhì)層上的集電器；設(shè)置在每個工作電極層與每個導(dǎo)電層之間的用于保護(hù)導(dǎo)電層的防電解質(zhì)滲透層；以及設(shè)置在被工作電極層和電極分離器占據(jù)的區(qū)域中的離子液電解質(zhì)，其中，所述離子液電解質(zhì)具有至少一種包括中心陽離子的陽離子組分，中心陽離子上鍵合有非對稱布置的取代基。離子液電解質(zhì)可以被硅膠凝劑膠凝，以抑制電解質(zhì)的流動。超級電容器裝置的運(yùn)行范圍為至少20到220℃。
【專利說明】局溫超級電谷器

【背景技術(shù)】
[0001] 井通常被鉆探到地中用以回收自然沉積的油和氣或者圍困在地質(zhì)層里的其它礦 物質(zhì)。為了鉆井，鉆頭被連接于鉆桿部分的組件的下端，鉆桿部分端部與端部連接從而形成 "鉆柱"。通過在地面轉(zhuǎn)動鉆柱或者通過井下馬達(dá)或渦輪機(jī)的致動，或者兩者都有而轉(zhuǎn)動鉆 頭。鉆井液被向下泵送通過鉆柱到達(dá)鉆頭，從鉆頭流出并且將鉆屑運(yùn)離井底使其通過鉆柱 和井眼壁之間的環(huán)空而到達(dá)地面。
[0002] 除了鉆頭之外，井底組件（BHA)通常包括在鉆井過程中使用的其它工具，傳感器 或者位于其上的設(shè)備。井下工具還可以在電纜上懸掛在井眼中，電纜在鉆井過程完成后或 者在鉆井過程被中斷、當(dāng)鉆柱已經(jīng)從井中被移出時被向下送到井眼中。
[0003] 用在井下應(yīng)用中的許多工具，傳感器，以及其它設(shè)備使用電能操作或致動裝置。位 于鉆柱上的工具可以通過鉆井液循環(huán)通過的渦輪機(jī)或其它馬達(dá)而被提供動力。然而，當(dāng)沒 有液體循環(huán)時（或者當(dāng)工具位于電纜上時），需要有輔助動力。輔助動力的形式可以是連接 到井下工具的電池或超級電容器的形式。
[0004] 井下裝置，包括獨(dú)立的電源，被配置成能夠經(jīng)受惡劣的運(yùn)行環(huán)境（與那些在地面 使用的裝置相比），主要是與那些地面上的裝置相比具有更高的溫度和壓力。還可能遭遇高 強(qiáng)度的震動。一般來說，井底壓力隨著進(jìn)入地層深度的增加而升高，并且為了平衡該壓力， 井眼中的鉆井液的靜水壓力也相應(yīng)地升高。除了升高的壓力，井下所經(jīng)歷的溫度也總體上 隨著進(jìn)入地層的深度而升高。因此，井下工具通常在溫度可能超過125°c的高溫環(huán)境下運(yùn) 行，這種溫度比商業(yè)電源的正常運(yùn)行范圍（低于80°C)高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]提供本
【發(fā)明內(nèi)容】
用于介紹概念選擇，該概念在下文詳細(xì)的說明中進(jìn)一步描述。本


【發(fā)明內(nèi)容】
不旨在標(biāo)識所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵或必要特征，也不旨在作為一種幫助用于限 制所要求保護(hù)的主題的范圍。
[0006] -方面，這里公開的實(shí)施例涉及一種具有殼體以及設(shè)置在殼體內(nèi)的至少一個超級 電容器單元的超級電容器裝置。超級電容器單元可包括：被電極分離器分隔開的兩個工作 電極層，其中，每個工作電極層電連接到支撐在惰性基質(zhì)層上的集電器；設(shè)置在每個工作電 極層與每個導(dǎo)電層之間的用于保護(hù)導(dǎo)電層的防電解質(zhì)滲透層；以及設(shè)置在被工作電極層和 電極分離器占據(jù)的區(qū)域中的離子液電解質(zhì)，。所述離子液電解質(zhì)具有至少一種包括中心陽 離子的陽離子組分，中心陽離子上鍵合有非對稱布置的取代基。
[0007] 另一方面，這里公開的實(shí)施例涉及一種具有殼體以及設(shè)置在殼體內(nèi)的至少一個超 級電容器單元的超級電容器裝置。該超級電容器單元包括：被電極分離器分隔開的兩個工 作電極層，其中，每個工作電極層電連接到支撐在惰性基質(zhì)層上的集電器；設(shè)置在每個工作 電極層與每個導(dǎo)電層之間的用于保護(hù)導(dǎo)電層的防電解質(zhì)滲透層；以及設(shè)置在被工作電極層 和電極分離器占據(jù)的區(qū)域內(nèi)的電解質(zhì)，該電解質(zhì)包括連續(xù)相的惰性離子液。
[0008] 又一方面，這里公開的實(shí)施例涉及一種具有超級電容器裝置的井下系統(tǒng)，其可包 括：布置在井眼中的至少一個井下工具；以及與所述至少一個井下工具電連接的超級電容 器裝置；
[0009] 要求保護(hù)的主題的其它方面和優(yōu)點(diǎn)通過后面的描述和所附的權(quán)利要求而變得顯 而易見。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1示出一種示例性系統(tǒng)，其中，超級電容器裝置的實(shí)施例可以在井眼中實(shí)施。
[0011] 圖2為本公開的高溫超級電容器單元的一個實(shí)施例的剖面示意圖。
[0012] 圖3為米用由己基三乙基銨陽離子（hexyltriethylammonium cations)和雙（三 氟甲基磺酰）亞胺陰離子（bis (trif luoromethylsulfonyl) imide anions)構(gòu)成的離子液 電解質(zhì)的超級電容器在220°C下在4V范圍運(yùn)行的伏安響應(yīng)曲線圖。
[0013] 圖4為二茂鐵在凝膠狀三乙基琉雙（三氟甲基磺酰）酰亞胺（triethylsulfonium bis(trifluoromethylsulfony l)imide)中的伏安響應(yīng)曲線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0014] 在后面實(shí)施例的詳細(xì)描述中，給出多個具體的細(xì)節(jié)用于提供更加完整的理解。然 而，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說顯而易見的是沒有這些具體的細(xì)節(jié)仍然可以實(shí)施這些實(shí)施 例。在其它的實(shí)例中，不再對公知的特征進(jìn)行詳細(xì)描述以避免說明書造成不必要的復(fù)雜化。
[0015] 本公開的實(shí)施例涉及高溫超級電容器以及制造和使用這種超級電容器的方法。具 體的實(shí)施例可包括在井下環(huán)境中使用這種超級電容器為井下工具提供電能。在一個或多個 實(shí)施例中，本公開涉及用在這種超級電容器中的電解質(zhì)組分，其可以允許用于寬泛的運(yùn)行 環(huán)境，包括高壓和高溫井下環(huán)境以及室溫環(huán)境。
[0016] 超級電容器部件
[0017] 參照圖2,示出了根據(jù)一個或多個實(shí)施例的超級電容器單元的示意性剖視圖。如 圖2所示，超級電容器裝置包括至少一個超級電容器單元211，其設(shè)置在殼體（未示出）內(nèi)。 具體實(shí)施例的單個超級電容器單元211可以包括通過電極分離器214分隔開的兩個工作電 極層212。分離器設(shè)計(jì)成防止發(fā)生電短路同時允許每個電極之間的離子物質(zhì)的運(yùn)送。工作 電極層212電連接到支撐在惰性基質(zhì)層218上的集電器216。集電器216可以通過防電解 質(zhì)滲透層200與工作電極層212的環(huán)境隔離開。此外，超級電容器單元211可以包括分散 在整個工作層和電極分離器214上的電解質(zhì)。在運(yùn)行中，電流在工作電極之間通過，以正或 負(fù)地使它們極化。相應(yīng)地，電解質(zhì)中的離子物質(zhì)朝向相反充電電極移動，為電容器充電。這 些部件中的每一個將依次進(jìn)行說明。
[0018] 在一個或多個實(shí)施例中，工作電極層212可以包括作為層施加在導(dǎo)電層（集電器） 上的多孔含碳材料。如這里所采用的，多孔指的是材料具有大的比表面積（大于300m 2g4)， 其可以通過孔隙網(wǎng)絡(luò)獲得，孔隙網(wǎng)絡(luò)可包含大孔隙（l_2nm直徑）、中孔隙（2-50nm直徑） 和/或小孔隙（50_500nm)的任何組合。因此，在一個或多個實(shí)施例中，比表面積可以是約 IgOOm 2g'此外，工作電極的厚度的大致范圍為Iiim到2000 iim?？偟膩碚f，儲存在單個超 級電容器單元中的能量的大小與多孔含碳材料可接觸的表面積成比例。因此，工作電極和 電解質(zhì)之間的界面面積的最大化是期望的設(shè)計(jì)特征。在一個或多個實(shí)施例中，多孔含碳材 料可包括活性炭，炭黑，碳納米管，石墨及其衍生物，碳?xì)饽z，或者它們的組合。在一個或 多個實(shí)施例中，為成對的工作電極所選取的多孔材料可具有相同的組分；然而，本公開并不 如此進(jìn)行限制。
[0019] 電極分離器214可以插入到工作電極212之間用以在防止電短路的同時允許離子 物質(zhì)在超級電容器單元室之間進(jìn)行運(yùn)送。在一個或多個特殊的實(shí)施例中，電極分離器214 應(yīng)擁有足夠的孔隙度，以允許在工作電極212之間進(jìn)行高效的電解質(zhì)運(yùn)送。在一個或多個 實(shí)施例中，電極分離器可以包括玻璃纖維或其它非導(dǎo)電纖維。纖維的纖維直徑可位于1-20 微米的范圍內(nèi)并且平均纖維長度為至少5毫米。它們可以是編織材料，壓縮墊，或者玻璃棉 的形式。在一個或多個實(shí)施例中，它們應(yīng)具有高電解質(zhì)保持能力，高抗拉強(qiáng)度，良好的形狀 恢復(fù)能力，并且是化學(xué)惰性的。在高于125°C的溫度下穩(wěn)定并且能夠用在某些實(shí)施例中的其 它非導(dǎo)電纖維包括氧化鋁，莫來石，碳化硅，以及氧化鋯。
[0020] 工作電極層212電連接到集電器216。在一個或多個實(shí)施例中，集電器216可包括 諸如碳，鋁，金，銀，銅，或它們的混合物的導(dǎo)電材料。每個集電器216在電連接到工作電極 層212的同時，還可以與保護(hù)集電器216使其避免與電解質(zhì)溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的防電解質(zhì) 滲透層200相鄰。在一個或多個實(shí)施例中，防電解質(zhì)滲透層可以包括與集電器216物理上 不同的基本上無孔的含碳復(fù)合材料或其它基本上無孔的惰性材料。
[0021] 集電器216支撐在形成超級電容器單元211的外層的惰性基質(zhì)218上。惰性基質(zhì) 218可包括任何能夠經(jīng)受高溫高壓井下環(huán)境的惰性材料。在更具體的實(shí)施例中，惰性基質(zhì)可 以是玻璃質(zhì)材料或聚合材料。不對惰性基質(zhì)的類型進(jìn)行限制，相反任何能夠提供使超級電 容器單元層形成在其上的物理結(jié)構(gòu)的材料均位于本公開的范圍之內(nèi)。
[0022] 電解質(zhì)分散在超級電容器單元的整個內(nèi)部空間。在一個或多個實(shí)施例中，所述電 解質(zhì)為惰性離子液或者連續(xù)相的惰性離子液。在更具體的實(shí)施例中，電解質(zhì)為具有至少一 種陽離子組分的惰性離子液，其中，陽離子組分具有鍵合到至少一個中心陽離子組分上的 不對稱布置的取代基。在另一個更特殊的實(shí)施例中，取代基的不對稱排列通過結(jié)合不同大 小的取代基而產(chǎn)生。
[0023] 在另一個更具體的實(shí)施例中，陽離子組分具有通用的結(jié)構(gòu)式（Rx)nZ+，其中Z +為銨， 磷或锍陽離子，RX取代基為包括1-12個碳原子的線性或支鏈烷基并且可以是相同的烷基或 不同的烷基，對于銨和磷陽離子來說，n = 4,對于锍陽離子來說，n = 3。在另一個更具體的 實(shí)施例中，至少一個烷基具有彼此不同的大小。這確保了陽離子的不對稱特性。例如，在一 個或多個實(shí)施例中，至少一個烷基的范圍可為從C1-C3,但至少一個烷基也可以大于C4?？?的來說，陽離子不對稱性的增加降低了離子液的熔點(diǎn)，并且由此明顯擴(kuò)大了在地上和井下 環(huán)境中的運(yùn)行溫度范圍。此外，取代基大小的增加還降低了電子貫穿的可能性并且保護(hù)陽 離子避免發(fā)生電子遷移，這使得超級電容器裝置在更寬的電壓穩(wěn)定性窗口上起作用。
[0024] 在具體的實(shí)施例中，離子液電解質(zhì)可以包括與雙（三氟甲基磺酰）亞胺陰離 子配對的己基三乙基銨陽離子和/或丁基三甲基銨陽離子（butyltrimethylammonium cations)，它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)如下所示：
[0025] 己基三乙基銨陽離子
[0026]

【權(quán)利要求】
1. 一種超級電容器裝置，包括： 殼體；以及 設(shè)置在殼體中的至少一個超級電容器單元，該超級電容器單元包括： 被電極分離器分隔開的兩個工作電極層，其中，每個工作電極層電連接到支撐在惰性 基質(zhì)層上的集電器； 設(shè)置在每個工作電極層與每個導(dǎo)電層之間的用于保護(hù)導(dǎo)電層的防電解質(zhì)滲透層；以及 設(shè)置在被工作電極層和電極分離器占據(jù)的區(qū)域內(nèi)的離子液電解質(zhì)，其中，所述離子液 電解質(zhì)具有包括中心陽離子的至少一種陽離子組分，所述中心陽離子上鍵合有非對稱布置 的取代基。
2. 權(quán)利要求1的超級電容器裝置，其中，陽離子組分具有通用的結(jié)構(gòu)式（Rx)nZ+,其中， Z+為銨、磷或锍陽離子，Rx取代基為包括1-12個碳原子的線性或支鏈烷基且可以是相同的 烷基或不同的烷基，對于銨和磷陽離子來說，η = 4,對于锍陽離子來說，η = 3。
3. 權(quán)利要求2的超級電容器裝置，其中，烷基中的至少一個比其它的大。
4. 權(quán)利要求1的超級電容器裝置，其中，離子液電解質(zhì)包括與雙（三氟甲基磺酰）亞胺 陰離子配對的己基三乙基銨陽離子和/或丁基三甲基銨陽離子。
5. 權(quán)利要求1的超級電容器裝置，進(jìn)一步包括添加到離子液電解質(zhì)中的量為電解質(zhì)相 的總重量的大約1到15重量百分比的硅膠凝劑。
6. 權(quán)利要求1的超級電容器裝置，其中，惰性基質(zhì)包括玻璃質(zhì)材料或聚合材料。
7. 權(quán)利要求1的超級電容器裝置，其中，集電器包括選自碳、鋁、金、銀、銅或它們的混 合物的導(dǎo)電材料。
8. 權(quán)利要求1的超級電容器裝置，其中，防電解質(zhì)滲透層包括無孔的含碳層。
9. 權(quán)利要求1的超級電容器裝置，其中，工作電極層包括多孔的含碳材料。
10. 權(quán)利要求1的超級電容器裝置，其中，電極分離器包括玻璃纖維。
11. 權(quán)利要求1的超級電容器裝置，其中，多個所述超級電容器被串聯(lián)或并聯(lián)地連接。
12. 權(quán)利要求1的超級電容器裝置，進(jìn)一步包括與離子液電解質(zhì)混合的含水或無水稀 釋劑。
13. -種超級電容器裝置，包括： 殼體；以及 設(shè)置在殼體中的至少一個超級電容器單元，該超級電容器單元包括： 被電極分離器分隔開的兩個工作電極層，其中，每個工作電極層電連接到支撐在惰性 基質(zhì)層上的集電器； 設(shè)置在每個工作電極層與每個集電器之間的防電解質(zhì)滲透層；以及 設(shè)置在被工作電極層和電極分離器占據(jù)的區(qū)域內(nèi)的電解質(zhì)，該電解質(zhì)包括連續(xù)相的惰 性離子液。
14. 權(quán)利要求13的超級電容器裝置，其中，惰性離子液的陽離子組分具有足夠大的烷 基取代基以減小電子貫穿的可能性。
15. 權(quán)利要求13的超級電容器裝置，其中，連續(xù)相的惰性離子液包括至少一個被取代 的中心陽離子。
16. 權(quán)利要求15的超級電容器裝置，其中，至少一個被取代的中心陽離子被包括1到 12個碳的線性或支鏈烷基取代。
17. 權(quán)利要求13的超級電容器裝置，其中，惰性離子液包括與雙（三氟甲基磺酰）亞胺 陰離子配對的己基三乙基銨陽離子和/或丁基三甲基銨陽離子。
18. 權(quán)利要求13的超級電容器裝置，進(jìn)一步包括添加到惰性離子液中的量為電解質(zhì)相 的總重量的大約1到15重量百分比的硅膠凝劑。
19. 權(quán)利要求13的超級電容器裝置，進(jìn)一步包括添加到惰性離子液中的含水或無水稀 釋劑。
20. -種具有超級電容器裝置的井下系統(tǒng)，包括： 布置在井眼中的至少一個井下工具； 與所述至少一個井下工具電連接的超級電容器裝置； 其中，所述超級電容器裝置包括權(quán)利要求1的超級電容器裝置。
21. 權(quán)利要求20的井下系統(tǒng)，進(jìn)一步包括至少一個與超級電容器裝置電連接的馬達(dá)。
【文檔編號】E21B44/00GK104321500SQ201380025129
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2013年6月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月21日
【發(fā)明者】S·弗萊徹, V·J·布萊克 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司