用于三伏超級電容器的電解質的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明通常設及電能存儲裝置，且更具體地說，設及用于電能存儲裝置如雙層電 容器的電解質的設計。
【背景技術】
[0002] 電能蓄電池廣泛用于向電子、電動機械、電化學及其它有用的裝置提供電力。該類 電池包括一次化學電池、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 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、內部泄漏電流、等效串聯 電阻巧SR)W及經受多個充電-放電循環的能力。出于許多原因，可存儲相對大量電荷的 電容器被稱為超級電容器（supercapacitor/ultracapacitor)，其在各種電能蓄電池中已 經異軍突起。
[0003] 超級電容器的工作電壓的增加可提供提高的能量存儲和功率容量。然而，電容器 的各種組件當經受電壓提高的工作條件時可展現不穩定性。舉例來說，在電容器的一個或 多個組件中的不穩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 環操作或DC壽命（也稱為日歷壽命）中的等效串聯電阻巧SR)增加、自放電、假電容和/ 或氣體形成。
【發明內容】
[0004] 在一些實施方式中，所述外殼組件包括暴露于電解質的內表面和外表面，并且其 中保護涂層沿著所述內表面的至少一部分施加。保護涂層可包含聚合物材料或導電材料。 聚合物材料可包括W下的至少一種：聚環氧化物、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。導電材料可包括導電碳，包括石 甲' 巡〇
[0005] 在一些實施方式中，電解質包含季錠鹽。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。電解質可包括己膳。在一些實施方式中，電解 質的鹽濃度可在約0. 7摩爾/L(M)與約1. 0M之間。在一些實施方式中，電解質的鹽濃度可 為約0. 8M。
[0006] 電解質鹽的陽離子可包括對稱的陽離子，包括例如S己基甲基錠。在一些實 施方式中，電解質鹽的陽離子可包括不對稱的陽離子，包括例如=己基甲基錠。在一 些實施方式中，電解質鹽可包括螺環化合物，包括對稱和不對稱的螺環化合物。例如， 電解質可包括N-螺雙環化合物，包括具有5元環狀環的對稱的N-螺雙環化合物。在 一些實施方式中，電解質可包括不對稱的螺環化合物，包括具有尺寸不等的環結構的 不對稱的螺環化合物。對稱的螺環化合物可包括螺雙化咯燒鐵四氣棚酸鹽 (spir〇-(l,l'）-bipyrrolidiniumtetrafluoroborate)。
[0007] 在一些實施方式中，隔板包括膜，所述膜包括紙。在一些實施方式中，隔板包括膜， 所述膜包括纖維素。在一些實施方式中，隔板包括膜，所述膜包括纖維素纖維。
[000引在一些實施方式中，正電極或負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] 在一些實施方式中，正電極或負電極包括優化W用于其中的離子遷移的大孔率、 中孔率和微孔率。
[0010] 在一些實施方式中，正電極包括大于負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] 在一些實施方式中，電容器包括在正電極與電解質之間的界面處形成的第一子電 容器；在負電極與電解質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電壓極限；將正電壓 極限除W負電壓極限W獲得第二子電容器與第一子電容器的第一比率；并且設定正電極層 與負電極層的相對厚度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] 在一些實施方式中，碳基材料包括處理過的碳材料，其具有減少數目的留在處理 過的碳材料上的官能團。處理過的碳材料可在至少300°c的溫度下暴露于反應氣體和微波 能W減少留在處理過的碳材料上的官能團數目。處理過的碳材料的官能團可減少約50%。 處理過的碳材料的官能團可減少約80%。在一些實施方式中，反應氣體包括氨氣和氮氣。 在一些實施方式中，反應氣體包括氣。
[0013] 在一些實施方式中，用于電化學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電極，所述正電極和負電極包括處理過的碳材料，所述處理過的碳材 料具有減少數目的碳表面官能團。在一些實施方式中，電容器包括定位在正電極與負電極 之間的隔板，所述隔板包括纖維素。在一些實施方式中，電容器包括電解質，所述電解質包 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，所述電解質與正電極和負電極處于離子接觸。在一些實施方式中，電容器包括被配置 來保持正電極、負電極、隔板及電解質的外殼組件，所述外殼組件包括在暴露于電解質的內 表面的至少一部分上的保護涂層。
[0015] 一個另外的實施方式是一種制造超級電容器的方法，所述超級電容器被配置來在 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及添加電解質到外殼中，其中所述電解質包含與正電極和負電極處于離子接觸 的季錠鹽，其中所述電解質包含小于1M的鹽。
[0016] 為了概述本發明及所實現的優于現有技術的優點，本文描述某些目標和優點。當 然，應當理解根據任何具體的實施方式未必需要實現所有該類目標或優點。因此，例如，本 領域技術人員將認識到本發明可能夠實現或優化一個優點或一組優點而不必實現其 它目標或優點的方式實施或進行。
[0017] 所有該些實施方式意圖在本文所公開的本發明的范圍內。本領域技術人員將從參 照附圖的W下詳細說明輕易顯而易知該些及其它實施方式，本發明不限于任何具體的所公 開的實施方式。
【附圖說明】
[001引本公開的該些及其它特征、方面和優點參照某些實施方式的圖來描述，其旨在說 明某些實施方式，而非限制本發明。
[0019] 圖1是顯示示例性雙電層超級電容器的簡化剖面圖的方框圖。
[0020] 圖2是顯示雙電層超級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表面的一部分的阻擋膜的雙電層超級電容器的電 容性能。
[0022] 圖3B顯示具有涂布外殼組件內表面的一部分的阻擋膜的雙電層超級電容器的電 阻性能。
[0023] 圖4顯示具有減小的電解質濃度的雙電層超級電容器的電容性能。
[0024] 圖5顯示呈凝膠卷型結構的雙電層超級電容器的剖面俯視圖。
[0025] 圖6是顯示呈凝膠卷型結構的雙電層超級電容器的各個層的透視圖。
[0026] 圖7是顯示修改超級電容器電極的碳表面特征的結果的線圖。
[0027] 圖8是顯示包括不對稱電極的簡化的示例性雙電層超級電容器的剖面圖。
【具體實施方式】
[002引雖然W下描述某些實施方式和實施例，但本領域技術人員將了解到本發明擴展超 出具體公開的實施方式和/或用途W及其顯而易見的修改和等價物。因此，意圖是本文所 公開的本發明的范圍不應受到如下所述的任何【具體實施方式】的限制。
[0029] 圖1顯示示例性雙電層超級電容器10的一部分的簡化剖面圖。雙層超級電容器 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和兩個電極22、24可浸沒于電 解質中（未示出）。電解質可滲透到隔板16和有源電極部分14、18中，例如W促進電極22 與24之間的離子遷移。
[0030] 本發明的實施方式設及用于提高超級電容器的工作電壓至3伏或更高的技術。如 下所述的該些技術允許超級電容器在3伏或更高伏特下工作，同時最小化不利的副作用， W使得該種相對較高的電壓可施加于超