使用超级电容器供电的外骨骼的制作方法

使用超级电容器供电的外骨骼
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求递交日为2020年11月16日、序列号为63/114,207的美国临时专利申请的递交权益，该申请通过引用整体并入本文。


背景技术：

3.外骨骼通常是这样的被动式或动力式结构：该被动式或动力式结构由个体穿戴和控制，以典型地允许个体以比没有外骨骼时更少的体力消耗来操纵物品。具体地，动力外骨骼向外骨骼结构的一个或多个连接部(link)施加力，以减少个体除此以外必须施加的力的量。此外，外骨骼通常可以与身体的任何部位(包括上半身和/或下半身)结合使用。例如，外骨骼在与上半身一起使用时，可以用于帮助用户将相对较重的物品从一个位置移动到另一个位置或重复移动。虽然传统的外骨骼是由电池供电的，但目前几乎没有足够能量密度的电源来为这些外骨骼供电。因此，需要提供一种具有改进的电力系统的动力外骨骼。


技术实现要素：

4.根据本发明的一个实施例，公开了一种动力外骨骼。该动力外骨骼包括：电力系统以及第一外骨骼构件和第二外骨骼构件，该电力系统包括至少一个超级电容器，其中，该至少一个超级电容器包括壳体以及电极组件和电解质，该电极组件和电解质位于该壳体内；该第一外骨骼构件和第二外骨骼构件在外骨骼关节处连接到至少一个致动器；其中，该至少一个致动器电耦接到电力系统并由该电力系统供电，以致动该外骨骼关节。
5.下面更详细地阐述本发明的其他特征和方面。
附图说明
6.在说明书的余下部分中，参考附图更具体地阐述本发明的针对本领域技术人员而言完整且能够实现的公开内容(包括其最佳方式)，在附图中：
7.图1示出了根据本发明的动力外骨骼的一个实施例；
8.图2示出了根据本发明的动力外骨骼的另一实施例；
9.图3和图4示了本发明的超级电容器的壳体的实施例；
10.图5示出了本发明的超级电容器中可以采用的集流体的一个实施例；
11.图6示出了本发明的超级电容器中可以采用的集流体/碳质涂层构造的一个实施例；以及
12.图7示出了用于形成如下电极组件的一个实施例：该电极组件可以用于本发明的超级电容器中。
13.在本说明书和附图中重复使用参考符号旨在表示本发明的相同或相似的特征或者相同或相似的元件。
具体实施方式
14.本领域的普通技术人员将理解，本论述仅是对示例性实施例的描述，且不旨在限制本发明的更广泛的方面，本发明的更广泛的方面体现在示例性结构中。
15.总体而言，本发明涉及一种动力外骨骼，该动力外骨骼包括电力系统，该电力系统包括至少一个超级电容器。例如，动力外骨骼可以包括至少一个致动器，该至少一个致动器电耦接到电力系统并由电力系统供电，以致动外骨骼的至少一个部件。提供具有这种电力系统的动力外骨骼可以允许更自然和更剧烈的运动。例如，超级电容器典型地能够比诸如电池等其他电源更快地充电和放电。因此，包括至少一个超级电容器的电力系统可能能够提供特定运动所需的爆发力，从而提供类似于人体自然运动的更自然的运动。
16.一般而言，动力外骨骼是一种可穿戴的外骨骼。就此而言，用户在穿戴外骨骼时，外骨骼能够降低用户的能量消耗和/或使用户能够进行各种体力活动。在一些示例中，这可以包括向用户的身体提供力以增大由用户的身体的肌肉系统施加的力。
17.外骨骼可以与人体的各个部位结合使用。例如，在一个实施例中，外骨骼可以与用户的下半身一起使用。在另一实施例中，外骨骼可以与用户的上半身一起使用。在又一实施例中，外骨骼可以与用户的下半身和上半身一起使用。各外骨骼的示例可以单独使用或组合使用，并且包括背部外骨骼、躯干外骨骼、肩部外骨骼、肘部外骨骼、手部外骨骼、髋部外骨骼、膝盖外骨骼、脚部外骨骼等。在一个实施例中，外骨骼可以是本领域中公知的全身外骨骼。
18.就此而言，如上所述，本文公开的致动器可以致动外骨骼的至少一个部件。根据本发明，该至少一个部件不是必然的。例如，该至少一个部件可以是外骨骼的可操作地附接到用户身体的部位的构件。例如，身体的部位可以是肢体。在一个实施例中，肢体可以是上肢。例如，在一个实施例中，肢体可以是手臂。在另一实施例中，肢体可以是手。替代地或附加地，肢体可以是下肢。例如，在一个实施例中，肢体可以是腿。在另一实施例中，肢体可以是脚。在又一实施例中，肢体可以是大腿。然而，应当理解的是，身体的多个部位并不局限于四肢。无论如何，身体的部位也可以包括但不限于背部、髋部、膝盖、肘部、肩部、脚踝等。
19.无论外骨骼附接到身体的哪个部位，本发明的外骨骼都包括至少一个致动器。一般而言，致动器被配置为移动用户并使外骨骼移动。例如，致动器可以在弯曲或伸展运动期间向用户提供协助。因此，外骨骼可以具有与人体关节的位置相对应的外骨骼关节。致动器可以在关节上施加力，使外骨骼以及联接到外骨骼的用户移动。因此，致动关节可以增加外骨骼用户的强度。
20.一般而言，致动器是一种用于移动或控制机构或系统的马达。就此而言，本文公开的致动器能够移动或控制外骨骼，并因此能够移动或控制用户的关节。根据本发明的所采用的致动器的类型不受限制，只要该致动器能帮助用户绕关节运动即可。例如，致动器可以产生扭矩以驱动关节进行运动，例如转动运动。相应地，致动器可以是电动的、气动的或液压的。各致动器可以包括但不限于，交流(alternating current，ac)马达、刷型直流(direct current，dc)马达、无刷dc马达、电子整流马达(electronically commutated motor，ecm)、步进马达、液压致动器和气动致动器、及它们的组合。
21.如上所述，在一个实施例中，外骨骼包括至少一个致动器。在一个实施例中，外骨骼可以包括多个致动器以驱动关节的组合。在一些实施例中，构成外骨骼的关节可以附加
地和/或替代地包括本领域中已知的如下任何机构：该机构使外骨骼的各部分具有人体中存在的自由度。在一个实施例中，使外骨骼的该部分具有确定的自由度的机构可以是可调节的。
22.在一个实施例中，外骨骼可以包括第一外骨骼构件和第二外骨骼构件。致动器可以被配置为在第一外骨骼构件和第二外骨骼构件之间产生扭矩。就此而言，致动器可以使外骨骼关节转动或移动，并相应地使人体关节转动或移动。这种外骨骼关节可以位于第一外骨骼构件和第二外骨骼构件结合或机械连接的位置，以便允许绕这种关节转动或移动。在一个实施例中，外骨骼可以包括多个外骨骼构件，例如多于2个的外骨骼构件。此外，外骨骼关节可以连接至少两个外骨骼构件，例如第一外骨骼构件和第二外骨骼构件。外骨骼关节可以适合于允许相应外骨骼构件之间的弯曲和伸展。
23.在一个实施例中，外骨骼可以包括第一外骨骼构件、第二外骨骼构件和第三外骨骼构件。第一外骨骼构件和第二外骨骼构件可以在第一外骨骼关节处连接到至少一个致动器。第二外骨骼构件和第三外骨骼构件可以在第二外骨骼关节处连接到第二致动器。如本文所公开的，每个致动器可以电耦接到相应的电力系统、并由该相应的电力系统供电。类似地，每个致动器可以电耦接到如本文公开的相应控制单元。
24.为了对外骨骼供电，可以采用如本文公开的电力系统。具体地，可以采用电力系统来为致动器和相应的外骨骼供电。就此而言，电力系统可以电耦接到致动器。例如，在一个实施例中，电力系统和致动器可以在一个实施例中直接电耦接。在另一实施例中，电力系统和致动器可以间接电耦接。
25.在一个实施例中，可以采用电力系统来为外骨骼上的多个致动器供电。在一个实施例中，可以采用多个电源系统来为一个致动器供电。替代地或附加地，可以采用多个电力系统来为多个致动器供电。例如，每个致动器可以由各自的电力系统供电。此外，在采用多个电力系统时，该多个电力系统可以位于正由该对应电力系统提供电力的致动器的近侧。然而，如果电力系统不位于正被提供电力的致动器的近侧，则可以使用本领域中已知的传输线或电缆来传送电力。在一个实施例中，在采用多个电力系统时，如果一个电力系统内的电力耗尽或低于某一阈值，则可以使用外骨骼上的另一电力系统或备用电力系统为特定致动器提供电力。就此而言，备用电力系统可以电连接到控制单元，该控制单元可以提供指示需要由备用电力系统供应电力的信号。
26.在一些实施例中，致动器可以可操作地耦接到齿轮箱，以实现期望的运动。致动器和齿轮箱可以可操作地耦接到外骨骼，特别是本文公开的外骨骼构件。齿轮箱可以包括多个齿轮以传递致动器的旋转轴。例如，致动器可以被供电从而允许齿轮转动，这继而使得致动外骨骼关节，以实现期望的运动。在一个实施例中，外骨骼可以仅包括单个齿轮箱。在另一实施例中，外骨骼可以包括多个齿轮箱。对于每个，在一个实施例中，外骨骼上的每个致动器可以包括各自的齿轮箱。替代地，多个致动器可以与一个齿轮箱相关联。
27.外骨骼还可以包括控制单元。控制单元可以电连接到电力系统。控制单元还可以电连接到致动器。例如，控制单元可以控制和/或确定向致动器供应多少电力。控制单元还可以用于确定何时供应电力。控制单元可以用于确定多久供应一次电力和/或提供电力的模式。在一个实施例中，控制单元可以用于前述功能的任何组合，以支持和/或协助外骨骼的用户。在一个实施例中，外骨骼可以仅包括单个控制单元。在另一实施例中，外骨骼可以
包括多个控制单元。对于每个，在一个实施例中，外骨骼上的每个致动器可以包括各自的控制单元。替代地，多个致动器可以与一个控制单元相关联。
28.控制单元可以规定和控制外骨骼的关节的轨迹，使得外骨骼运动。轨迹可以规定为基于位置、基于力、或两种方法的组合，例如在阻抗控制器中看到的那些方法。可以通过修改规定的位置来直接修改基于位置的控制系统。也可以通过修改规定的力轮廓来直接修改基于力的控制系统。复杂的外骨骼运动(例如，走动医疗外骨骼的行走)可以由外骨骼控制系统通过使用一系列外骨骼轨迹来控制，其中越来越复杂的外骨骼运动需要一系列越来越复杂的外骨骼轨迹。这些系列轨迹可以是循环的，例如外骨骼的每条腿采取一系列步伐，或者这些系列轨迹可以是离散的，例如外骨骼从坐姿位置升高为站立位置。
29.在一些实施例中，外骨骼可以配备有本领域公知的一个或多个传感器。例如，传感器可以向控制单元报告关于外骨骼的状态的信息。在一个实施例中，传感器可以将信息直接传递到外骨骼中的致动器。如本文所公开的，外骨骼传感器还可以从电力系统获取其电力。
30.此外，外骨骼还可以包括用于将外骨骼附接到用户的一个或多个附接构件。例如，外骨骼可以包括外框架。就此而言，附接构件在与身体的特定部位结合使用时，可以允许外骨骼(特别是外框架)可操作地附接到用户。附接构件不必受本发明的限制，只要外骨骼能够附接到用户即可。附接构件可以包括但不限于，一个或多个背心、腰带(belt)、皮带(strap)、护具、背带、连接件等、及它们的组合。
31.在一些实施例中，外骨骼还可以包括用于人机接口的控制板。具体地，控制板可以包括功率单位计(power unit meter)，该功率单位计可以指示外骨骼中剩余的功率量。
32.在一个实施例中，电力系统可以安装到外骨骼的外部。例如，在外骨骼保持在用户身上时，电力系统可以与替换电力系统互换。此外，通过将电力系统放置在外部，该电力系统可能能够是可再充电的。具体地，电力系统可能能够是无线充电的。就此而言，电力系统可以在安装在外骨骼上时进行再充电。替代地，电力单元可以被移除，并且在与外骨骼分离时被再充电。
33.本文公开的动力外骨骼的示例在图1和图2中进一步示出，并在下面描述。在图1中，用户100穿戴着动力外骨骼2。动力外骨骼包括第一构件10、第二构件12、第三构件14和第四构件16。动力外骨骼包括第一外骨骼关节20、第二外骨骼关节22和第三外骨骼关节24。动力外骨骼还包括电力系统4和控制单元6。动力外骨骼还可以包括位于外骨骼关节内的致动器30、32、34。这些关节还可以包括齿轮箱40、42、44。外骨骼还可以包括一个或多个附接构件8。如图所示，外骨骼提供了有关髋关节、膝关节和/或踝关节的协助。然而，如上所述，应当理解的是，外骨骼可以提供有关其他关节的协助，所述其他关节例如为手腕、肘部、肩部等。
34.例如，图2示出了包括第一构件60、第二构件62和第三构件64的动力外骨骼50。动力外骨骼包括第一外骨骼关节70、第二外骨骼关节72和第三外骨骼关节74。动力外骨骼还可以包括致动器80、82、84。这些关节还可以包括齿轮箱90、92、94。外骨骼还可以包括一个或多个附接构件58。
35.如本文所述，电力系统可以仅包括一个或多个超级电容器。就此而言，电力系统可以不采用诸如电池等任何其他电源。然而，在另一实施例中，电力系统可以包括一个或多个
超级电容器和一个或多个电池的组合。此外，可以通过耦接到发电机、气压缸或液压泵的内燃机来增强电力系统。
36.电力系统中采用的超级电容器的数量不受本发明的限制。在采用多个超级电容器时，可以将这些超级电容器表示为一个模块。就此而言，在一个实施例中，各超级电容器可以串联电连接。在另一实施例中，各超级电容器可以并联连接。无论如何，根据本发明的所采用的超级电容器不必受到限制。下面进一步描述根据本发明的可以采用的超级电容器的一个实施例。
37.超级电容器
38.超级电容器72包括壳体，电极组件和电解质被保持并密封在壳体内。电极组件包含电连接到第一电极(未示出)的第一引线74、和电连接到第二电极(未示出)的第二引线76。引线74和76从电极组件和超级电容器向外延伸。引线74和76可以从电极组件和超级电容器72的相对端延伸。然而，应当理解的是，引线74和76可以从电极组件和超级电容器72的同一端延伸。
39.电极组件
40.一般而言，超级电容器包含电极组件，该电极组件包括第一电极、第二电极和隔膜(separator)。例如，第一电极典型地包括包含第一碳质涂层(例如，活性炭颗粒)的第一电极，该第一碳质涂层电耦接到第一集流体，而第二电极典型地包括第二碳质涂层(例如，活性炭颗粒)，该第二碳质涂层电耦接到第二集流体。也可以在第一电极和第二电极之间设置隔膜。此外，超级电容器包含第一引线和第二引线，该第一引线和第二引线分别电连接到第一电极和第二电极。
41.下面更详细地描述这种组件的各种实施例。
42.电极
43.如上所指示的，超级电容器包括电极组件，该电极组件包括第一电极和第二电极。组件内采用的电极典型地包含集流体。各集流体可以由相同或不同的材料形成。例如，在一个实施例中，各个电极的集流体由相同的材料形成。无论如何，每个集流体典型地由基底形成，该基底包括导电金属，例如铝、不锈钢、镍、银、钯等以及它们的合金。铝和铝合金特别适用于本发明。
44.集流体基底可以采用箔、片、板、网等形式。基底的厚度也可以相对较小，例如约200微米或更小、例如约150微米或更小、例如约100微米或更小、例如约80微米或更小、例如约50微米或更小、例如约40微米或更小、例如约30微米或更小。基底的厚度可以为约1微米或更大、例如约5微米或更大、例如约10微米或更大、例如约20微米或更大。
45.虽然不是必需的，但可以对基底的表面进行处理。例如，在一个实施例中，可以例如通过冲刷、蚀刻、喷砂等粗糙化该表面。在某些实施例中，集流体可以包含多个纤维状触须(whisker)，该多个纤维状触须从基底向外突出。在不旨在受理论限制的情况下，认为这些触须可以有效地增加集流体的表面积，并可以改善集流体到相应电极的附着力。这可以允许在第一电极和/或第二电极中使用相对较低的粘合剂含量，这可以改善电荷转移并降低界面电阻，从而使得esr值非常低。触须典型地由含有碳和/或碳与导电金属的反应产物的材料形成。在一个实施例中，例如，该材料可以包含导电金属的碳化物，例如碳化铝(al4c3)。参照图5，例如，示出了集流体的一个实施例，该集流体包含多个触须21，该多个触
须从基底1向外突出。如果需要，触须21可以可选地从种部3突出，该种部嵌入在基底1内。与触须21类似，种部3也可以由含有碳和/或碳和导电金属的反应产物的材料形成，该碳和导电金属的反应产物例如为导电金属的碳化物(例如，碳化铝)。进一步地，图6示出了包括前述集流体的电极，该集流体具有多个触须21，该多个触须21从基底1向外突出，与碳质涂层22相结合，如本文所描述的。
46.在基底上形成这种触须的方式可以根据需要而不同。在一个实施例中，例如，基底的导电金属与烃类化合物反应。这种烃类化合物的示例可以包括例如链烷烃类化合物，例如甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、戊烷等；烯烃类化合物，例如乙烯、丙烯、丁烯、丁二烯等；炔烃类化合物，例如乙炔；以及上述任何化合物的衍生物或组合。典型地希望烃类化合物在反应过程中以气态形式存在。因此，可能期望采用加热时处于气态形式的烃类化合物，例如甲烷、乙烷和丙烷。尽管不是必需的，但基于100重量份的基底，典型地采用的烃类化合物的范围为约0.1重量份至约50重量份，并且在一些实施例中，为约0.5重量份至约30重量份。为了引发与烃和导电金属的反应，典型地在温度为约300℃或更高、在一些实施例中为约400℃或更高、在一些实施例中为约500℃至约650℃的气氛中加热基底。加热时间取决于所选择的精确温度，但典型地加热时间的范围为约1小时至约100小时。该气氛典型地含有相对较低量的氧，以使介电膜在基底表面上的形成最小化。例如，该气氛的含氧量可以为约1体积％或更低。
47.超级电容器中使用的电极还含有碳质材料，这些碳质材料被涂在集流体的相对侧。虽然各碳质涂层可以由相同或不同类型的材料形成，并且可以包含一个或多个层，但是各碳质涂层中的每个碳质涂层典型地包含至少一个包括活性颗粒的层。在某些实施例中，例如，活性炭层可以直接设置在集流体之上，并且可以可选地是碳质涂层的唯一的层。合适的活性炭颗粒的示例可以包括例如，椰壳基活性炭、石油焦基活性炭、沥青基活性炭、聚偏二氯乙烯基活性炭、酚醛树脂基活性炭、聚丙烯腈基活性炭、以及来自诸如煤、木炭或其他天然有机源等天然源的活性炭。
48.在某些实施例中，可能期望选择性地控制活性炭颗粒的某些方面，例如活性炭颗粒的粒度分布、表面积和孔径分布，以帮助改善某些类型的电解质在经历一个或多个充放电循环之后的离子迁移率。例如，至少50体积％的颗粒(d50尺寸)的尺寸范围可以为约0.01微米或更大，例如约0.1微米或更大、例如约0.5微米或更大、例如约1微米或更大、至约30微米或更小，例如约25微米或更小、例如约20微米或更小、例如约15微米或更小、例如约10微米或更小。类似地，至少90体积％的颗粒(d90尺寸)的尺寸范围可以为约2微米或更大，例如约5微米或更大、例如约6微米或更大、至约40微米或更小，例如约30微米或更小、例如约20微米或更小、例如约15微米或更小。bet比表面积的范围也可以为约900m2/g(平方米/克)或更大，例如约1000m2/g或更大、例如约1100m2/g或更大、例如约1200m2/g或更大、至约3000m2/g或更小，例如约2500m2/g或更小、例如约2000m2/g或更小、例如约1800m2/g或更小、例如约1500m2/g或更小。
49.活性炭颗粒除了具有一定的尺寸和表面积之外，还可以包含具有一定尺寸分布的孔(pore)。例如，尺寸小于约2纳米的孔(即，“微孔”)的量可以提供的孔体积占总孔体积的约50体积％或更小，例如约40体积％或更小、例如约30体积％或更小、例如约20体积％或更小、例如约15体积％或更小、例如约10体积％或更小、例如约5体积％或更小。尺寸小于约2
纳米的孔(即，“微孔”)的量可以提供的孔体积占总孔体积的0体积％或更大，例如约0.1体积％或更大、例如约0.5体积％或更大、例如1体积％或更大。类似地，尺寸在约2纳米与约50纳米之间的孔(即，“中孔”)的量可以占总孔体积的约20体积％或更大，例如约25体积％或更大、例如约30体积％或更大、例如约35体积％或更大、例如约40体积％或更大、例如约50体积％或更大。尺寸在约2纳米与约50纳米之间的孔(即，“中孔”)的量可以占总孔体积的约90体积％或更小，例如约80体积％或更小、例如约75体积％或更小、例如约65体积％或更小、例如约55体积％或更小、例如约50体积％或更小。最后，尺寸大于约50纳米的孔(即，“大孔”)的量可以占总孔体积的约1体积％或更大，例如约5体积％或更大、例如约10体积％或更大、例如约15体积％或更大。尺寸大于约50纳米的孔(即，“大孔”)的量可以占总孔体积的约50体积％或更小，例如约40体积％或更小、例如约35体积％或更小、例如约30体积％或更小、例如约25体积％或更小。碳颗粒的总孔体积的范围可以为约0.2cm3/g(立方厘米/克)或更大，例如约0.4cm3/g或更大、例如约0.5cm3/g或更大、至约1.5cm3/g或更小，例如约1.3cm3/g或更小、例如约1.0cm3/g或更小、例如约0.8cm3/g或更小。中值孔宽度可以为约8纳米或更小，例如约5纳米或更小、例如约4纳米或更小。中值孔宽度可以为约1纳米或更大，例如约2纳米或更大。如本领域公知的，可以使用氮吸附法测量孔径和总孔体积，并通过巴雷特-乔伊纳-哈伦达(barrett-joyner-halenda，“bjh”)技术来分析孔径和总孔体积。
50.本发明的一个独特方面是，电极不需要包含传统上在超级电容器电极中使用的大量粘合剂。即，粘合剂可以在碳质涂层中按在每100份碳中存在的量为约60份或更少，例如约40份或更少、例如约30份或更少、例如约25份或更少、例如约20份或更少、少至约1份或更多，例如约5份或更多。例如，粘合剂可以占碳质涂层的总重量的约15重量％或更少，例如约10重量％或更少、例如约8重量％或更少、例如约5重量％或更少、例如约4重量％或更少。粘合剂可以占碳质涂层的总重量的约0.1重量％或更多，例如约0.5重量％或更多、例如约1重量％或更多。
51.然而，在使用时，可以在电极中使用多种合适的粘合剂中的任何粘合剂。例如，在某些实施例中，可以使用水不溶性有机粘合剂，例如，苯乙烯-丁二烯共聚物、聚醋酸乙烯酯均聚物、醋酸乙烯酯乙烯共聚物、醋酸乙烯酯丙烯酸共聚物、乙烯-氯乙烯共聚物、乙烯-氯乙烯-醋酸乙烯酯三元共聚物、丙烯酸聚氯乙烯聚合物、丙烯酸聚合物、腈聚合物、诸如聚四氟乙烯或聚偏二氟乙烯等含氟聚合物、聚烯烃等、以及它们的混合物。也可以采用水溶性有机粘合剂，例如多糖及其衍生物。在一个特定实施例中，该多糖可以是非离子纤维素醚，例如烷基纤维素醚(例如，甲基纤维素和乙基纤维素)；羟烷基纤维素醚(例如，羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基羟丁基纤维素、羟乙基羟丙基纤维素、羟乙基羟丁基纤维素、羟乙基羟丙基羟丁基纤维素等)；烷基羟烷基纤维素醚(例如，甲基羟乙基纤维素、甲基羟丙基纤维素、乙基羟乙基纤维素、乙基羟丙基纤维素、甲基乙基羟乙基纤维素和甲基乙基羟丙基纤维素)；羧烷基纤维素醚(例如，羧甲基纤维素)等，以及上述任何非离子纤维素醚的质子化盐，例如羧甲基纤维素钠。
52.如果需要，也可以在碳质材料的活性炭层内采用其他材料。例如，在某些实施例中，可以采用导电助剂来进一步增加导电性。示例性导电助剂可以包括例如炭黑、石墨(天然或人造的)、石墨、碳纳米管、纳米线或纳米管、金属纤维、石墨烯等、及它们的混合物。在一个实施例中，碳黑特别适合。在另一实施例中，碳纳米管特别适合。当采用导电助剂时，导
电助剂典型地占碳质涂层中每100份碳中的约60份或更少，例如约40份或更少、例如约30份或更少、例如约25份或更少、例如约20份或更少、少至约1份或更多，例如约5份或更多。例如，导电助剂可以占碳质涂层的总重量的约15重量％或更少，例如约10重量％或更少、例如约8重量％或更少、例如约5重量％或更少、例如约4重量％或更少。导电助剂可以占碳质涂层的总重量的约0.1重量％或更多，例如约0.5重量％或更多、例如约1重量％或更多。同时，类似地，活性炭颗粒典型地占碳质涂层的总重量的85重量％或更多，例如约90重量％或更多、例如约95重量％或更多、例如约97重量％或更多。活性炭颗粒可以占碳质涂层的总重量的小于100重量％，例如约99.5重量％或更少、例如约99重量％或更少、例如约98重量％或更少。
53.如本领域技术人员所熟知的，将碳质材料涂到集流体的侧面上的特定方式可以是多种多样的，例如印刷(例如凹版印刷)、喷涂、狭缝式涂布、滴涂、浸涂等。无论碳质材料施用的方式如何，典型地对所得到的电极进行干燥以从涂层中去除水分，例如在约100℃或更高、在一些实施例中约200℃或更高、以及在一些实施例中约300℃到约500℃的温度下对所得到的电极进行干燥。电极也可以被压缩(例如压延)，以优化超级电容器的体积效率。在任何可选的压缩之后，各个碳质涂层的厚度典型地可以基于超级电容器的期望电性能和工作范围而不同。然而，典型地，涂层的厚度为约20微米至约200微米、为30微米至约150微米，并且在一些实施例中为约40微米至约100微米。集流体的一侧或两侧上可以设置涂层。无论如何，整个电极(包括集流体和可选的压缩后的一个或多个碳质涂层)的厚度的范围典型地为从约20微米至约350微米，在一些实施例中为从约30微米至约300微米，并且在一些实施例中为从约50微米至约250微米。
54.隔膜
55.如上所指示的，电极组件可以包括隔膜，该隔膜位于第一电极和第二电极之间。该隔膜可以实现一个电极与另一个电极的电绝缘，以有助于防止电短路，但仍允许离子在两个电极之间传输。在某些实施例中，例如，可以采用这样的隔膜：其包括纤维素纤维材料(例如，无尘纸网、湿法纸网等)、非织造纤维材料(例如，聚烯烃非织造网)、织造织物、膜(例如，聚烯烃膜)等。纤维素纤维材料特别适用于超级电容器，例如包括天然纤维、合成纤维等的那些。用于隔膜的合适的纤维素纤维的具体示例可以包括例如，阔叶木浆纤维、针叶木浆纤维、人造丝纤维、再生纤维素纤维等。
56.无论采用何种特定材料，隔膜的厚度典型地为约150微米或更小、例如约100微米或更小、例如约80微米或更小、例如约50微米或更小、例如约40微米或更小、例如约30微米或更小。隔膜的厚度可以为约1微米或更大，例如约5微米或更大、例如约10微米或更大、例如约20微米或更大。
57.非水电解质
58.此外，超级电容器还可以包括在壳体内使用的电解质。电解质典型地本质上是非水性的，因此包含至少一种非水溶剂。为了有助于拓宽超级电容器的操作温度范围，通常期望：非水溶剂具有相对高的沸腾温度，例如约150℃或更高、在一些实施例中为约200℃或更高、并且在一些实施例中为约220℃至约300℃。尤为合适的高沸点溶剂可以包括，例如，环状碳酸酯溶剂，例如碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯、碳酸亚乙烯酯等。碳酸亚丙酯由于其高导电性和分解电压以及其在宽的温度范围下使用的能力而是尤为合适的。当然，也
可单独地使用或与环状碳酸酯溶剂组合地使用其他非水溶剂。这样的溶剂的示例可包括，例如，开链碳酸酯(例如，碳酸二甲酯、碳酸乙甲酯、碳酸二乙酯等)、脂族单羧酸酯(例如，乙酸甲酯、丙酸甲酯等)、内酯溶剂(例如，丁内酯戊内酯等)、腈类(例如，乙腈、戊二腈、己二腈、甲氧基乙腈、3-甲氧基丙腈等)、酰胺类(例如，n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二乙基乙酰胺、n-甲基吡咯烷酮)、烷烃类(例如，硝基甲烷、硝基乙烷等)、硫化合物(例如，环丁砜、二甲亚砜等)；等。
59.电解质还包含至少一种离子液体，该离子液体可以溶解在非水溶剂中。虽然离子液体的浓度可以不同，但通常希望离子液体以相对较高的浓度存在。例如，离子液体可以以约0.8摩尔/升(m)或更多量的电解质存在，在一些实施例中为约1.0m或更大，例如约1.2m或更大、例如约1.3m或更大、例如约1.5m或更大。离子液体可以以约2.0m或更少的量存在，例如约1.8m或更少、例如约1.5m或更少、例如约1.4m或更少、例如约1.3m或更少。
60.离子液体通常是具有相对较低的熔融温度的盐，该熔融温度例如为约400℃或更低，在一些实施例中为约350℃或更低，在一些实施例中为约1℃至约100℃，并且在一些实施例中约5℃至约50℃。盐包含阳离子物质和抗衡离子。阳离子物质包含具有至少一个杂原子(例如，氮或磷)作为“阳离子中心”的化合物。这种杂原子化合物的示例包括，例如，未取代的或取代的有机季铵化合物，例如铵(例如，三甲铵、四乙基铵等)、吡啶鎓、哒嗪鎓、嘧啶鎓(pyramidinium)、吡嗪鎓、咪唑鎓、吡唑鎓、噁唑鎓、三唑鎓、噻唑鎓、喹啉鎓、哌啶鎓、吡咯烷鎓，其中两个或多个环通过螺原子(例如，碳、杂原子等)连接在一起的季铵螺环化合物，季铵稠合的环结构(例如，喹啉鎓、异喹啉鎓等)，等。在一个具体实施例中，例如，阳离子物质可为n-螺双环化合物，例如具有循环环的对称或不对称的n-螺双环化合物。这样的化合物的一个示例具有以下结构：
[0061][0062]
其中m和n独立地为3至7的数，并且在一些实施例中为4至5的数(例如，吡咯烷鎓或哌啶鎓)。
[0063]
对于阳离子物质合适的抗衡离子可以类似地包括卤素(例如，氯离子、溴离子、碘离子等)；硫酸根或磺酸根(例如，甲基硫酸根、乙基硫酸根、丁基硫酸根、己基硫酸根、辛基硫酸根、硫酸氢根、甲烷磺酸根、十二烷基苯磺酸根、十二烷基硫酸根、三氟甲烷磺酸根、十七氟辛烷磺酸根、十二烷氧基硫酸钠等)；磺基琥珀酸根；酰胺(例如，二氰胺)；酰亚胺(例如，双(五氟乙基磺酰基)酰亚胺、双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺、双(三氟甲基)酰亚胺等)；硼酸根(例如，四氟硼酸根、四氰基硼酸根、双[草酸]硼酸根、双[水杨酸]硼酸根等)；磷酸根或次磷酸根(例如，六氟磷酸根、二乙基磷酸根、双(五氟乙基)次磷酸根、三(五氟乙基)-三氟磷酸根、三(九氟丁基)三氟磷酸根等)；锑酸根(例如，六氟锑酸根)；铝酸根(例如，四氯铝酸根)；脂肪酸羧酸根(例如，油酸根、异硬脂酸根、十五氟辛酸根等)；氰酸根；乙酸根；等，以及任何前述物质的组合。
[0064]
合适的离子液体的几个示例可包括，例如，螺环-(1,1')-联吡咯烷四氟硼酸鎓、三乙基甲基铵四氟硼酸铵(triethylmethyl ammonium tetrafluoroborate)、四乙基四氟硼酸铵、螺环-(1,1')-联吡咯烷鎓、三乙基甲基碘化铵、四乙基碘化铵、甲基三乙基铵四氟硼酸铵(methyltriethylammonium tetrafluoroborate)、四丁基四氟硼酸铵、四乙基铵六氟磷酸铵等。
[0065]
壳体
[0066]
本发明的超级电容器采用壳体，电极组件和电解质保持在该壳体内。如本领域公知的，将各部件插入壳体的方式可以不同。例如，可以首先将电极和隔膜折叠、卷绕或以其他方式接触在一起，以形成电极组件。电解质可以可选地浸入组件的电极中。在一个特定实施例中，可以将电极、隔膜和可选的电解质卷绕成具有“卷筒(jelly-roll)”构造的电极组件。参照图7，例如，示出了这种卷筒电极组件1100的一个实施例，该电极组件包含第一电极1102、第二电极1104和位于电极1102和1104之间的隔膜1106。在该特定实施例中，电极组件1100还包括位于第二电极1104之上的另一隔膜1108。以这种方式，电极的两个涂层表面中的每个表面都被隔膜隔开，从而将单位体积的表面积和电容最大化。虽然不是必需的，但在本实施例中，将电极1102和1104偏移，以使电极1102和1104的相应接触边缘分别延伸超过第一隔膜1106和第二隔膜1108的第一边缘和第二边缘。在其他方面，这可以有助于防止由于电流在电极之间流动而造成的“短路”。然而，应当理解的是，也可以使用其他构造。例如，在另一实施例中，电极、隔膜和可选的电解质可以设置为具有层状(laminar)构造的电极组件。
[0067]
如本文所指示的，部件可以设置在超级电容器的壳体内，并且可选地被气密密封。壳体的性质可以根据需要而变化。在某些实施例中，例如，壳体可以采用柔性包装体的形式，该柔性包装体包围超级电容器的部件。参考图4，例如，示出了超级电容器101的一个实施例，该超级电容器包含包围电极组件102和电解质112的柔性包装体103。电极组件102可以包含以面对面构造堆叠、并通过相对(opposing)的接头104连接在一起的电极105和106以及隔膜(未示出)。超级电容器101还包含第一端子105和第二端子106，该第一端子和第二端子分别与接头104电连接。更具体地，电极105和106具有设置在包装体103内部的第一端部107和108、以及设置在包装体103外部的各自的第二端部109和110。应当理解的是，除了堆叠之外，还可以以期望的任何其他形式设置电极组件。例如，可以将各电极折叠在一起或以卷筒构造卷绕在一起。
[0068]
包装体103典型地包括基底114，该基底在两个端部115和116之间延伸并具有边缘117、118、119和120。端部115和116、以及两侧119和120的重叠部分(例如通过热焊接)彼此牢固且密封地抵接。通过该方式，可以将电解质112保持在包装体103内。基底114的厚度典型地为从约20微米或更大，例如约50微米或更大，例如约100微米或更大，例如约200微米或更大，例如约至约1000微米或更小，例如约800微米或更小，例如约600微米或更小，例如约400微米或更小，例如约200微米或更小。
[0069]
基底114可以包含用于实现期望水平的阻挡性能所需的任何层数，例如1个或更多个层，在一些实施例中2个或更多个层，在一些实施例中2至4个层。典型地，基底包含阻挡层，该阻挡层可以包括诸如铝、镍、钽、钛、不锈钢等金属。这种阻挡层对于电解质通常是不可渗透的，使得该阻挡层可以阻止电解质的泄漏，并且阻挡层对于水和其它污染物也通常
是不可渗透的。如果需要，基底还可以包含外层，该外层作为包装体的保护层。通过该方式，阻挡层位于外层和电极组件之间。外层可以例如由聚合物膜，例如由聚烯烃(例如，乙烯共聚物、丙烯共聚物、丙烯均聚物等)、聚酯纤维等形成的那些聚合物膜而形成。特别合适的聚酯纤维膜可以包括例如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯等。
[0070]
如果需要，基底还可以包含位于电极组件和阻挡层之间的内层。在某些实施例中，内层可以包含可热密封的聚合物。合适的可热密封聚合物可以包括例如氯乙烯聚合物、乙烯基氯碱(vinyl chloridine)、离聚物等、及它们的组合。离聚物是特别合适的。在一个实施例中，例如，离聚物可以是含有α-烯烃和(甲基)丙烯酸重复单元的共聚物。具体的α-烯烃可以包括乙烯、丙烯、1-丁烯；3-甲基-1-丁烯；3,3-二甲基-1-丁烯；1-戊烯；具有一个或多个甲基、乙基或丙基取代基的1-戊烯；具有一个或多个甲基、乙基或丙基取代基的1-己烯；具有一个或多个甲基、乙基或丙基取代基的1-庚烯；具有一个或多个甲基、乙基或丙基取代基的1-辛烯；具有一个或多个甲基、乙基或丙基取代基的1-壬烯；乙基、甲基或二甲基取代的1-癸烯；1-十二烯；和苯乙烯。乙烯是特别合适的。如所指出的，该共聚物也可以是(甲基)丙烯酸重复单元。如在本文中使用的，术语“(甲基)丙烯酸类”包括丙烯酸类和甲基丙烯酸类的单体、以及它们的盐或酯，诸如丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯的单体。这种(甲基)丙烯酸类单体的示例可以包括丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸正丙酯、丙烯酸异丙酯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸仲丁酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸叔丁酯、丙烯酸正戊酯、丙烯酸异戊酯、丙烯酸异冰片酯、丙烯酸正己酯、丙烯酸-2-乙基丁酯、丙烯酸-2-乙基己酯、丙烯酸正辛酯、丙烯酸正癸酯、丙烯酸甲基环己酯、丙烯酸环戊酯、丙烯酸环己酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸-2-羟乙酯、甲基丙烯酸正丙酯、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸异丙酯、甲基丙烯酸异丁酯、甲基丙烯酸正戊酯、甲基丙烯酸正己酯、甲基丙烯酸异戊酯、甲基丙烯酸仲丁酯、甲基丙烯酸叔丁酯、甲基丙烯酸-2-乙基丁酯、甲基丙烯酸甲基环己酯、甲基丙烯酸肉桂酯、甲基丙烯酸巴豆酯、甲基丙烯酸环己酯、甲基丙烯酸环戊酯、甲基丙烯酸-2-乙氧基乙酯、甲基丙烯酸异冰片酯等，以及它们的组合。典型地，用金属离子将α-烯烃/(甲基)丙烯酸共聚物至少部分地中和，以形成离聚物。合适的金属离子可以包括例如碱金属(例如，锂、钠、钾等)，碱土金属(例如，钙、镁等)，过渡金属(例如，锰、锌等)等，以及它们的组合。金属离子可以由离子化合物，例如金属的甲酸盐、乙酸盐、硝酸盐、碳酸盐、碳酸氢盐、氧化物、氢氧化物、醇盐等提供。
[0071]
除了柔性包装体(例如以上所述的)之外，还可以使用其它壳体配置。例如，壳体可以包含金属容器(“罐”)，例如由钽、铌、铝、镍、铪、钛、铜、银、钢(例如，不锈钢)、它们的合金，它们的复合物(例如，涂有导电氧化物的金属)等形成的那些。铝特别适用于本发明。金属容器可以具有各种不同形状中的任何一种，例如圆柱形、d形等。圆柱形容器是特别合适的。
[0072]
可以使用多种不同的技术将电极组件密封在圆柱形壳体内。参考图3，示出了包含电极组件2108的超级电容器的一个实施例，该电极组件包含如上所述以卷筒构造卷绕在一起的层2106。在该特定实施例中，超级电容器包含第一集电盘2114，该第一集电盘包含盘形部分2134、螺柱部分2136和紧固件2138(例如，螺钉)。将集电盘2114与形成在电极组件的中心的中空芯2160的第一端对准，然后将螺柱部分2136插入芯的开口中，使得盘形部分2134
在第一接触边缘2110处抵靠在电极组件2108的第一端。将盖2118焊接(例如，激光焊接)到第一接线柱2116，并且可以将例如带螺纹的插口联接到紧固件2138。超级电容器还包含第二集电盘2120，该第二集电盘包含盘形部分2142、螺柱部分2140和第二接线柱2144。第二集电盘2120与中空芯2160的第二端对准，然后将螺柱部分2140插入芯的开口中，使集电盘部分2142抵靠电极组件2108的第二端。
[0073]
此后，将金属容器2122(例如圆柱形罐)在电极组件2108上滑动，使得第二集电盘2120首先进入容器2122，穿过第一绝缘垫圈2124，穿过容器2122一端的轴向孔，然后穿过第二绝缘垫圈2126。第二集电盘2120也穿过平垫圈2128和弹簧垫圈2130。锁紧螺母2132拧紧在弹簧垫圈2130上，从而将弹簧垫圈2130压靠在平垫圈2128上，而平垫圈2128又压紧在第二绝缘垫圈2126上。第二绝缘垫圈2126压靠在金属容器2122中的轴向孔的外周边上，并且在第二集电盘2120被该压缩力拉向轴向孔时，第一绝缘垫圈2124被压紧在第二集电盘2120和容器2122中的轴向孔的内周边之间。第一绝缘垫圈2124上的凸缘阻止第二集电盘2120与轴向孔的边缘之间的电接触。同时，将盖2118拉入容器2122的开口中，使得盖2118的边缘恰好位于容器2122的开口的唇缘内部。然后，将盖2118的边缘焊接到容器2122的开口的唇缘。
[0074]
一旦将锁紧螺母2132紧靠弹簧垫圈2130拧紧，就可以在轴向孔、第一绝缘垫圈2124、第二绝缘垫圈2126和第二集电盘2120之间形成气密密封。类似地，将盖2118焊接到容器2122的唇缘，以及将盖2118焊接到第一接线柱2116，可以形成另一气密密封。盖2118中的孔2146可以保持打开以用作上述电解质的填充端口。一旦将电解质放入罐中(即，如上所述在真空下将其吸入罐中)，就将套管2148插入孔2146中并在孔2146的内缘处抵靠在凸缘2150上。例如，套管2148的形状可以为中空的圆柱体，其构造为接纳塞子2152。将圆柱形的塞子2152压入套管2148的中心，从而将套管2148压靠在孔2146的内部，并在孔2146、套管2148和塞子2152之间形成气密密封。在超级电容器内达到规定的压力水平时，可以选择将塞子2152和套管2148取出，从而形成超压安全机构。
[0075]
上述实施例通常涉及在超级电容器中使用单个电极组件。然而，当然应当理解的是，本发明的电容器也可以包含两个或更多个电极组件。例如，在一个这种实施例中，例如，超级电容器可以包括两个或更多个电极组件的叠置体，该两个或更多个电极组件可以相同或不同。
[0076]
性质和应用
[0077]
根据本发明的所使用的超级电容器可以展现出优异的电性能，尤其在暴露于高温下时。例如，超级电容器在23℃温度、120hz频率下且不施加电压的情况下测量时，可以表现出的电容为约6法拉/立方厘米(“f/cm
3”)或更大、在一些实施例中为约8f/cm3或更大、在一些实施例中为约9f/cm3至约100f/cm3、并且在一些实施例中约10f/cm3至约80f/cm3。超级电容器还可以具有在23℃温度、1khz频率下且不施加电压的情况下测定的低的等效串联电阻(“esr”)，例如为约150毫欧(mohms)或更小、在一些实施例中为小于约125毫欧、在一些实施例中为约0.01毫欧至约100毫欧、并且在一些实施例中为约0.05毫欧至约70毫欧。如上所述，所得到的超级电容器可以表现出各种有益的电性能，例如改进的电容和esr值。值得注意的是，超级电容器即使暴露于高温下，也可能表现出优异的电性能。例如，可以将超级电容器放置成与温度为约80℃或更大的气氛、在一些实施例中为约100℃至约150℃的气氛、在一些实施例中为约105℃至约130℃(例如，85℃或105℃)的气氛接触。电容和esr值在这
种温度下可以在相当长的一段时间内保持稳定，例如约100小时或更长、在一些实施例中为约300小时至约5000小时、并且在一些实施例中为约600小时至约4500小时(例如，168、336、504、672、840、1008、1512、2040、3024或4032小时)。
[0078]
在一个实施例中，例如，超级电容器在暴露于热气氛(例如，85℃或105℃)达1008小时后的电容值与超级电容器在初始暴露于热气氛时的电容值的比率为约0.75或更大、在一些实施例中为约0.8至1.0、并且在一些实施例中为约0.85至1.0。如此高的电容值在各种极端条件下(例如在施加有电压时和/或在潮湿气氛中)也可以保持。例如，超级电容器在暴露于热气氛(例如，85℃或105℃)和施加电压之后的电容值与超级电容器在暴露于热气氛但是在施加有所述电压之前的初始电容值的比率可为约0.60或更大、在一些实施例中为约0.65至1.0、并且在一些实施例中为约0.7至1.0。该电压可以例如为约1伏或更大、在一些实施例中为约1.5伏或更大、并且在一些实施例中为约2伏至约10伏(例如2.1伏)。在一个实施例中，例如，以上所述的比率可以保持1008小时或更长。超级电容器还可以在暴露于高湿度水平时保持以上所述的电容值，例如在放置为与具有如下相对湿度的气氛接触时：该相对湿度为约40％或更大、在一些实施例中为约45％或更大、在一些实施例中为约50％或更大、并且在一些实施例中约70％或更大(例如约85％至100％)。相对湿度可以例如按照astm e337-02的方法a(2007)测定。例如，超级电容器在暴露于热气氛(例如85℃或105℃)和高湿度(例如85％)之后的电容值与超级电容器在暴露于热气氛但在暴露于高湿度之前的初始电容值的比率可为约0.7或更大、在一些实施例中为约0.75至1.0、并且在一些实施例中为约0.80至1.0。在一个实施例中，例如，该比率可以保持1008小时或更长。
[0079]
如上所述，esr也可以在这种温度下在相当长的一段时间内保持稳定。在一个实施例中，例如，超级电容器在暴露于热气氛(例如，85℃或105℃)达1008小时之后的esr与超级电容器在初始暴露于热气氛时的esr的比率为约1.5或更小、在一些实施例中为约1.2或更小、并且在一些实施例中为约0.2至约1。值得注意的是，如此低的esr值在各种极端条件下(例如，当施加有高电压时和/或在潮湿气氛中，如上所述的)也可以保持。例如，超级电容器在暴露于热气氛(例如，85℃或105℃)和施加的电压之后的esr与超级电容器在暴露于热气氛时但是在施加有所述电压之前的初始esr的比率可以为约1.8或更小、在一些实施例中为约1.7或更小、并且在一些实施例中为约0.2至约1.6。在一个实施例中，例如，以上所述的比率可以保持1008小时或更长。超级电容器也可以在暴露于高湿度水平时保持以上所述的esr值。例如，超级电容器在暴露于热气氛(例如85℃或105℃)和高湿度(例如85％)之后的esr与超级电容器在暴露于热气氛时但是在暴露于高湿度之前的初始电容值的比率可以为约1.5或更小、在一些实施例中为约1.4或更小、并且在一些实施例中为约0.2至约1.2。在一个实施例中，例如，该比率可以保持1008小时或更长。
[0080]
本文公开的外骨骼可以用于各种应用。这些应用可以包括但不限于医疗应用、军事应用或工业应用。例如，外骨骼可以被军事专业人员用于携带装备、被医疗专业人员用于运载病人等。外骨骼可以用于在手术中提高精度。在工业应用中，外骨骼可以用于携载重型装备和/或材料。应当理解的是，本文公开的外骨骼可以用于各种其他应用。
[0081]
测试方法
[0082]
等效串联电阻(equivalent series resistance，esr)：等效串联电阻可以使用keithley(吉时利)3330精密lcz仪在0.0伏、1.1伏、或2.1伏的dc偏压(0.5伏的峰间正弦信
号)的情况下测量。操作频率为1khz。可以测试多个温度和相对湿度的水平。例如，温度可为23℃、85℃或105℃，并且相对湿度可为25％或85％。
[0083]
电容：电容可使用keithley 3330精密lcz仪在0.0伏、1.1伏、或2.1伏的dc偏压(0.5伏的峰间正弦信号)的情况下测量。操作频率为120hz。可以测试多个温度和相对湿度的水平。例如，温度可为23℃、85℃或105℃，并且相对湿度可为25％或85％。
[0084]
本发明的这些和其他变型和改变可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下，由本领域普通技术人员实践。另外，应该理解的是，多个实施方式的各方面可整体或部分地互换。此外，本领域普通技术人员将认识到，前述描述仅作为示例并且不旨在构成对在所附权利要求中所述的发明的进一步限制。

技术特征：
1.一种动力外骨骼，包括：电力系统，所述电力系统包括至少一个超级电容器，其中，所述至少一个超级电容器包括壳体以及电极组件和电解质，所述电极组件和电解质位于所述壳体内；以及第一外骨骼构件和第二外骨骼构件，所述第一外骨骼构件和所述第二外骨骼构件在外骨骼关节处连接到至少一个致动器；其中，所述至少一个致动器电耦接到所述电力系统并由所述电力系统供电，以致动所述外骨骼关节。2.根据权利要求1所述的动力外骨骼，其中，所述外骨骼还包括控制单元和所述至少一个致动器，所述控制单元电连接到所述电力系统。3.根据权利要求1所述的动力外骨骼，其中，所述外骨骼包括第三外骨骼构件，所述第三外骨骼构件在第二外骨骼关节处连接到所述第二外骨骼构件。4.根据权利要求3所述的动力外骨骼，其中，第二外骨骼关节与第二致动器相关联。5.根据权利要求4所述的动力外骨骼，其中，每个致动器电耦接到各自的电力系统，并由各自的所述电力系统供电。6.根据权利要求1所述的动力外骨骼，其中，所述外骨骼包括多个电力系统，所述多个电力系统附接在所述外骨骼上的不同位置处。7.根据权利要求1所述的动力外骨骼，其中，所述外骨骼还包括备用电力系统，所述备用电力系统用于向所述至少一个致动器提供电力。8.根据权利要求1所述的动力外骨骼，其中，所述电力系统是可充电的。9.根据权利要求8所述的动力外骨骼，其中，可充电的所述电力系统是能够无线充电的。10.根据权利要求1所述的动力外骨骼，其中，所述外骨骼还包括附接构件，以允许所述外骨骼可操作地附接到用户。11.根据权利要求1所述的动力外骨骼，其中，所述电力系统还包括电池。12.根据权利要求1所述的动力外骨骼，其中，所述电极组件采用卷筒构造。13.根据权利要求1所述的动力外骨骼，其中，所述电极组件采用层状构造。14.根据权利要求1所述的动力外骨骼，其中，所述电极组件包含第一电极、第二电极和位于所述第一电极与所述第二电极之间的隔膜，所述第一电极包括第一集流体，所述第一集流体电耦接到第一碳质涂层，所述第二电极包括第二集流体，所述第二集流体电耦接到第二碳质涂层，其中，所述第一集流体和所述第二集流体均包含基底，所述基底包括导电金属。15.根据权利要求14所述的动力外骨骼，其中，所述导电金属是铝或铝的合金。16.根据权利要求14所述的动力外骨骼，其中，多个纤维状触须从所述第一集流体的基底、所述第二集流体的基底、或所述第一集流体的基底和所述第二集流体的基底向外突出。17.根据权利要求16所述的动力外骨骼，其中，所述触须含有所述导电金属的碳化物。18.根据权利要求14所述的动力外骨骼，其中，所述第一电极的碳质涂层、所述第二电极的碳质涂层、或所述第一电极和第二电极的组合的碳质涂层含有活性炭颗粒。19.根据权利要求18所述的动力外骨骼，其中，至少50体积％的所述活性炭颗粒的尺寸范围为从约0.01微米至约30微米。20.根据权利要求18所述的动力外骨骼，其中，所述活性炭颗粒包含多个孔，其中，具有
约2纳米或更小尺寸的孔的量占总孔体积的约50体积％或更小，具有从约2纳米至约50纳米尺寸的孔的量占所述总孔体积的约20体积％至约80体积％，且具有约50纳米或更大尺寸的孔的量占所述总孔体积的从约1体积％至约50体积％。21.根据权利要求1所述的动力外骨骼，其中，所述电解质包括非水溶剂和离子液体。22.根据权利要求21所述的动力外骨骼，其中，所述溶剂包括碳酸酯或腈。23.根据权利要求21所述的动力外骨骼，其中，所述离子液体包含阳离子物质和抗衡离子。24.根据权利要求23所述的动力外骨骼，其中，所述阳离子物质包括有机季铵化合物。25.根据权利要求21所述的动力外骨骼，其中，所述离子液体以约1.0m或更高的浓度存在。26.根据权利要求14所述的动力外骨骼，其中，所述隔膜包括纤维素纤维材料。27.根据权利要求1所述的动力外骨骼，其中，所述壳体包括圆柱形金属壳体。28.根据权利要求1所述的动力外骨骼，其中，所述壳体包括基底，所述基底的厚度范围为从约20微米至约1000微米。29.根据权利要求1所述的动力外骨骼，其中，所述壳体包括基底，所述基底包含阻挡层，所述阻挡层包括金属和外层，所述外层包括聚烯烃、聚酯纤维、或聚烯烃和聚酯纤维的组合。

技术总结
公开了一种动力外骨骼。该动力外骨骼包括：电力系统，该电力系统包括至少一个超级电容器，其中，超级电容器包括壳体以及电极组件和电解质，该电极组件和电解质位于该壳体内；以及第一外骨骼构件和第二外骨骼构件，该第一外骨骼构件和第二外骨骼构件在外骨骼关节处连接到至少一个致动器；其中，该至少一个致动器电耦接到电力系统并由该电力系统供电，以致动该外骨骼关节。动该外骨骼关节。动该外骨骼关节。


技术研发人员：劳伦
受保护的技术使用者：京瓷AVX元器件公司
技术研发日：2021.11.16
技术公布日：2023/7/22