用于三伏超級(jí)電容器的電解質(zhì)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明通常設(shè)及電能存儲(chǔ)裝置，且更具體地說，設(shè)及用于電能存儲(chǔ)裝置如雙層電 容器的電解質(zhì)的設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 電能蓄電池廣泛用于向電子、電動(dòng)機(jī)械、電化學(xué)及其它有用的裝置提供電力。該類 電池包括一次化學(xué)電池、二次（可充電）電池、燃料電池W及各種類型的電容器，包括超級(jí) 電容器。電能蓄電池的一些特征包括能量密度、功率密度、充電率、內(nèi)部泄漏電流、等效串聯(lián) 電阻巧SR)W及經(jīng)受多個(gè)充電-放電循環(huán)的能力。出于許多原因，可存儲(chǔ)相對(duì)大量電荷的 電容器被稱為超級(jí)電容器（supercapacitor/ultracapacitor)，其在各種電能蓄電池中已 經(jīng)異軍突起。
[0003] 超級(jí)電容器的工作電壓的增加可提供提高的能量存儲(chǔ)和功率容量。然而，電容器 的各種組件當(dāng)經(jīng)受電壓提高的工作條件時(shí)可展現(xiàn)不穩(wěn)定性。舉例來說，在電容器的一個(gè)或 多個(gè)組件中的不穩(wěn)定性可能促使電容器性能的惡化，包括但不限于過度的電容衰減和在循 環(huán)操作或DC壽命（也稱為日歷壽命）中的等效串聯(lián)電阻巧SR)增加、自放電、假電容和/ 或氣體形成。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 在一些實(shí)施方式中，所述外殼組件包括暴露于電解質(zhì)的內(nèi)表面和外表面，并且其 中保護(hù)涂層沿著所述內(nèi)表面的至少一部分施加。保護(hù)涂層可包含聚合物材料或?qū)щ姴牧稀?聚合物材料可包括W下的至少一種：聚環(huán)氧化物、聚締姪、聚己締、聚酷亞胺、聚離離酬、聚 氨醋、己締-丙締橡膠、聚（對(duì)亞二甲苯基）、聚四氣己締（PT陽）、聚偏二氣己締（PVD巧、己 締-四氣己締巧TFE)、氣化己締-丙締、和/或其共聚物。導(dǎo)電材料可包括導(dǎo)電碳，包括石 甲' 巡〇
[0005] 在一些實(shí)施方式中，電解質(zhì)包含季錠鹽。所述鹽可包括選自由W下組成的組的陽 離子；S己基甲基錠、螺-(1，1'）-雙化咯燒鐵鹽和四己基錠。所述季錠鹽可包括選自由W 下組成的組的陰離子；四氣棚酸鹽和艦化物。電解質(zhì)可包括己膳。在一些實(shí)施方式中，電解 質(zhì)的鹽濃度可在約0. 7摩爾/L(M)與約1. 0M之間。在一些實(shí)施方式中，電解質(zhì)的鹽濃度可 為約0. 8M。
[0006] 電解質(zhì)鹽的陽離子可包括對(duì)稱的陽離子，包括例如S己基甲基錠。在一些實(shí) 施方式中，電解質(zhì)鹽的陽離子可包括不對(duì)稱的陽離子，包括例如=己基甲基錠。在一 些實(shí)施方式中，電解質(zhì)鹽可包括螺環(huán)化合物，包括對(duì)稱和不對(duì)稱的螺環(huán)化合物。例如， 電解質(zhì)可包括N-螺雙環(huán)化合物，包括具有5元環(huán)狀環(huán)的對(duì)稱的N-螺雙環(huán)化合物。在 一些實(shí)施方式中，電解質(zhì)可包括不對(duì)稱的螺環(huán)化合物，包括具有尺寸不等的環(huán)結(jié)構(gòu)的 不對(duì)稱的螺環(huán)化合物。對(duì)稱的螺環(huán)化合物可包括螺雙化咯燒鐵四氣棚酸鹽 (spir〇-(l,l'）-bipyrrolidiniumtetrafluoroborate)。
[0007] 在一些實(shí)施方式中，隔板包括膜，所述膜包括紙。在一些實(shí)施方式中，隔板包括膜， 所述膜包括纖維素。在一些實(shí)施方式中，隔板包括膜，所述膜包括纖維素纖維。
[000引在一些實(shí)施方式中，正電極或負(fù)電極包括集電器和碳基材料中的至少一種。碳基 材料可包括活性炭、炭黑及粘合劑樹脂中的至少一種。
[0009] 在一些實(shí)施方式中，正電極或負(fù)電極包括優(yōu)化W用于其中的離子遷移的大孔率、 中孔率和微孔率。
[0010] 在一些實(shí)施方式中，正電極包括大于負(fù)電極的第二厚度的第一厚度。第一厚度可 大于第二厚度約10%。第一厚度可大于第二厚度約20%。
[0011] 在一些實(shí)施方式中，電容器包括在正電極與電解質(zhì)之間的界面處形成的第一子電 容器；在負(fù)電極與電解質(zhì)之間的界面處形成的第二子電容器；W及通過W下操作選出的第 一和第二厚度：確定第一子電容器的正電壓極限和第二子電容器的負(fù)電壓極限；將正電壓 極限除W負(fù)電壓極限W獲得第二子電容器與第一子電容器的第一比率；并且設(shè)定正電極層 與負(fù)電極層的相對(duì)厚度W使得第二子電容器的電容基本上等于第一比率與第一子電容器 的電容的乘積。
[0012] 在一些實(shí)施方式中，碳基材料包括處理過的碳材料，其具有減少數(shù)目的留在處理 過的碳材料上的官能團(tuán)。處理過的碳材料可在至少300°c的溫度下暴露于反應(yīng)氣體和微波 能W減少留在處理過的碳材料上的官能團(tuán)數(shù)目。處理過的碳材料的官能團(tuán)可減少約50%。 處理過的碳材料的官能團(tuán)可減少約80%。在一些實(shí)施方式中，反應(yīng)氣體包括氨氣和氮?dú)狻?在一些實(shí)施方式中，反應(yīng)氣體包括氣。
[0013] 在一些實(shí)施方式中，用于電化學(xué)雙層電容器的隔板膜包括纖維素纖維。
[0014] 被配置來提供在3伏或更大工作電壓下的期望性能的電容器可包括第一集電器 和第二集電器。在一些實(shí)施方式中，所述電容器包括電禪合到第一集電器的正電極和電禪 合到第二集電器的負(fù)電極，所述正電極和負(fù)電極包括處理過的碳材料，所述處理過的碳材 料具有減少數(shù)目的碳表面官能團(tuán)。在一些實(shí)施方式中，電容器包括定位在正電極與負(fù)電極 之間的隔板，所述隔板包括纖維素。在一些實(shí)施方式中，電容器包括電解質(zhì)，所述電解質(zhì)包 含己膳和螺雙化咯燒鐵四氣棚酸鹽、四氣棚酸S己基甲基錠和/或四氣棚酸四己 基錠，所述電解質(zhì)與正電極和負(fù)電極處于離子接觸。在一些實(shí)施方式中，電容器包括被配置 來保持正電極、負(fù)電極、隔板及電解質(zhì)的外殼組件，所述外殼組件包括在暴露于電解質(zhì)的內(nèi) 表面的至少一部分上的保護(hù)涂層。
[0015] 一個(gè)另外的實(shí)施方式是一種制造超級(jí)電容器的方法，所述超級(jí)電容器被配置來在 約2. 8伏至約3伏之間工作。所述方法包括提供在外殼中被隔板分開的第一集電器與第二 集電器；W及添加電解質(zhì)到外殼中，其中所述電解質(zhì)包含與正電極和負(fù)電極處于離子接觸 的季錠鹽，其中所述電解質(zhì)包含小于1M的鹽。
[0016] 為了概述本發(fā)明及所實(shí)現(xiàn)的優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，本文描述某些目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。當(dāng) 然，應(yīng)當(dāng)理解根據(jù)任何具體的實(shí)施方式未必需要實(shí)現(xiàn)所有該類目標(biāo)或優(yōu)點(diǎn)。因此，例如，本 領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到本發(fā)明可能夠?qū)崿F(xiàn)或優(yōu)化一個(gè)優(yōu)點(diǎn)或一組優(yōu)點(diǎn)而不必實(shí)現(xiàn)其 它目標(biāo)或優(yōu)點(diǎn)的方式實(shí)施或進(jìn)行。
[0017] 所有該些實(shí)施方式意圖在本文所公開的本發(fā)明的范圍內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將從參 照附圖的W下詳細(xì)說明輕易顯而易知該些及其它實(shí)施方式，本發(fā)明不限于任何具體的所公 開的實(shí)施方式。
【附圖說明】
[001引本公開的該些及其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)參照某些實(shí)施方式的圖來描述，其旨在說 明某些實(shí)施方式，而非限制本發(fā)明。
[0019] 圖1是顯示示例性雙電層超級(jí)電容器的簡(jiǎn)化剖面圖的方框圖。
[0020] 圖2是顯示雙電層超級(jí)電容器的示例性外殼組件的剖面透視圖。
[0021] 圖3A顯示具有涂布外殼組件內(nèi)表面的一部分的阻擋膜的雙電層超級(jí)電容器的電 容性能。
[0022] 圖3B顯示具有涂布外殼組件內(nèi)表面的一部分的阻擋膜的雙電層超級(jí)電容器的電 阻性能。
[0023] 圖4顯示具有減小的電解質(zhì)濃度的雙電層超級(jí)電容器的電容性能。
[0024] 圖5顯示呈凝膠卷型結(jié)構(gòu)的雙電層超級(jí)電容器的剖面俯視圖。
[0025] 圖6是顯示呈凝膠卷型結(jié)構(gòu)的雙電層超級(jí)電容器的各個(gè)層的透視圖。
[0026] 圖7是顯示修改超級(jí)電容器電極的碳表面特征的結(jié)果的線圖。
[0027] 圖8是顯示包括不對(duì)稱電極的簡(jiǎn)化的示例性雙電層超級(jí)電容器的剖面圖。
【具體實(shí)施方式】
[002引雖然W下描述某些實(shí)施方式和實(shí)施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解到本發(fā)明擴(kuò)展超 出具體公開的實(shí)施方式和/或用途W(wǎng)及其顯而易見的修改和等價(jià)物。因此，意圖是本文所 公開的本發(fā)明的范圍不應(yīng)受到如下所述的任何【具體實(shí)施方式】的限制。
[0029] 圖1顯示示例性雙電層超級(jí)電容器10的一部分的簡(jiǎn)化剖面圖。雙層超級(jí)電容器 10的示例性部分包括第一電極22,例如正電極，其具有第一有源電極部分14 及第二電 極24,例如負(fù)電極，其具有第二有源電極部分18。隔板16定位在電極22與24之間W維持 第一電極22與第二電極24之間的分離。電極可包括集電器W便于電極與外電路之間的電 接觸。參見圖1，例如，正電極22包括電禪合到第一有源電極部分14的第一集電器12W及 電禪合到第二有源電極部分18的第二集電器20。隔板16和兩個(gè)電極22、24可浸沒于電 解質(zhì)中（未示出）。電解質(zhì)可滲透到隔板16和有源電極部分14、18中，例如W促進(jìn)電極22 與24之間的離子遷移。
[0030] 本發(fā)明的實(shí)施方式設(shè)及用于提高超級(jí)電容器的工作電壓至3伏或更高的技術(shù)。如 下所述的該些技術(shù)允許超級(jí)電容器在3伏或更高伏特下工作，同時(shí)最小化不利的副作用， W使得該種相對(duì)較高的電壓可施加于超