用于固體電解質中間相形成和鋰離子電容器的陽極預鋰化的方法
【專利說明】用于固體電解質中間相形成和鋰離子電容器的陽極預鋰化的方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2013年4月23日提交的名稱為“METHODS FOR SOLID ELECTROLYTEINTERPHASE FORMAT1N AND ANODE PRE-LITHIAT1N OF LITHIUM 1N CAPACITORS”的美國臨時申請號61/815，157的權益，茲將其全部內容通過引用結合于本文。
技術領域
[0003]本發明總體上涉及電能儲存設備，更具體地，涉及利用離子種類預摻雜電能儲存設備的電極的一種方法。
【背景技術】
[0004]鋰離子電容器可以用于向多種范圍的電子設備供電，包括(例如)風力發電系統、不間斷電源系統、光伏發電和/或工業機械和運輸系統中的能量回收系統。鋰離子電容器可以有多種形狀(例如，棱柱形、圓柱形和紐扣形)。鋰離子電容器(LIC)可以包括浸在電解質中的陽極和陰極，電解質提供陽極與陰極之間的離子種類的運輸。鋰離子電容器可以是一種混合超級電容器類型，表現出有效的靜電和電化學能量儲存。例如，電荷可以儲存在雙電層中，雙電層形成在電解質與電極之間(例如鋰離子電容器電解質和鋰離子電容器陰極之間)的界面處。也可以通過吸附鋰離子種類進入電極(例如吸附鋰離子進入鋰離子電容器陽極)來儲存鋰離子電容器中的電能。通過預摻雜工藝可以將鋰離子摻入鋰離子電容器的陽極中。
[0005]可以在鋰離子電容器陽極的表面附近形成固體電解質中間相(SEI)層。可以在陽極預摻雜過程形成固體電解質中間相層。例如，由于涉及電解液和電解質鹽在陽極表面處的電化學反應，可以至少局部地形成固體電解質中間相層。固體電解質中間相層可以使陽極電絕緣，而允許離子運輸至陽極。
【發明內容】
[0006]實施方式可以包括一種能量儲存設備的陽極的預摻雜方法，該方法包括:在電解質中浸入所述陽極和摻雜源，其中所述摻雜源可以包括鋰離子的源。該方法可包括在所述陽極和摻雜源之間耦接基本恒定電流。
[0007]在一些實施方式中，所述能量儲存設備可以包括鋰離子電容器。
[0008]在一些實施方式中，所述耦接可以包括在所述陽極與所述摻雜源之間耦接基本恒定電流達一段時間以在所述陽極與所述摻雜源之間實現約0.01伏(V)到約0.4V的電位差。在一些實施方式中，所述耦接包括在所述陽極與所述摻雜源之間耦接基本恒定電流達一段時間以實現約60%到約90%的陽極預摻雜濃度。在一些實施方式中，在所述陽極與所述摻雜源之間耦接所述基本恒定電流可以包括:耦接一電源，該電源供應與C/72到C/144的電流C-速率對應的基本恒定電流。
[0009]在一些實施方式中，所述方法可以包括:鄰近所述陽極形成基本均質的固體電解質中間相層，其中，所述固體電解質中間相層在其形成之后基本不受擾動(undisturbed)。
[0010]在一些實施方式中，所述方法可以包括:耦接穿過所述陽極和所述摻雜源的所述基本恒定電壓之后去除所述摻雜源。在一些實施方式中，所述方法可以包括:在所述電解質中浸入陰極，其中，浸入所述摻雜源包括將所述摻雜源浸入到所述陽極的與面對所述陰極的一側相反的一側。
[0011]在一些實施方式中，所述方法可以包括:耦接穿過所述陽極和摻雜源的基本恒定電流之后執行形成步驟。所述形成步驟可以包括:在所述陽極和所述摻雜源之間施加約2伏(V)到約4.2V的基本恒定電壓。在一些實施方式中，執行所述形成步驟可以包括:在所述陽極和所述摻雜源之間施加約2伏(V)到約4.2V的基本恒定電壓持續達約5小時到約75小時的時間段。
[0012]實施方式可以包括一種預摻雜能量儲存設備的陽極的方法，該方法包括:在電解質中浸入所述陽極和摻雜源，其中，所述摻雜源可以包括鋰離子的源。所述方法可以包括在所述陽極和所述摻雜源的兩端耦接基本恒定電壓。
[0013]在一些實施方式中，所述能量儲存設備可以包括鋰離子電容器。
[0014]在一些實施方式中，在所述陽極和所述摻雜源的兩端耦接所述基本恒定電壓可以包括耦接一電壓源，該電壓源供應約0.01伏(V)到約0.4V的基本恒定電壓。在一些實施方式中，在所述陽極和所述摻雜源的兩端耦接基本恒定電壓可以包括:耦接所述基本恒定電壓達一段時間以實現約60%到約90%的陽極鋰離子預摻雜濃度。
[0015]在一些實施方式中，所述方法可以包括:在所述陽極和所述摻雜源的兩端耦接所述基本恒定電壓之后執行形成步驟。所述形成步驟可以包括:在所述陽極和所述摻雜源之間施加約2伏(V)到約4.2V的基本恒定電壓。在一些實施方式中，執行所述形成過程可以包括:在所述陽極和所述摻雜源之間施加約2伏(V)到約4.2V的所述基本恒定電壓達約5小時到約75小時的時間段。
[0016]在一些實施方式中，所述方法可以包括:鄰近所述陽極形成基本均質的固體電解質中間相層，其中，所述固體電解質中間相層在其形成之后基本不受擾動。
[0017]在一些實施方式中，所述方法可以包括:在所述陽極和所述摻雜源的兩端耦接所述基本恒定電壓之后去除所述摻雜源。在一些實施方式中，所述方法可以包括:在所述電解質中浸入陰極，其中，浸入所述摻雜源包括將所述摻雜源浸入到所述陽極的與面對所述陰極的一側相反的一側。
[0018]實施方式可以包括一種能量儲存設備，該能量儲存設備具有:陰極、陽極，該陽極包括約60%到約90%的鋰離子預摻雜濃度；以及所述陽極與所述陰極之間的隔膜，被配置為在所述陽極與所述陰極之間提供電絕緣。
[0019]在一些實施方式中，所述設備可以包括摻雜源，該摻雜源位于所述陽極的與面對所述陰極的一側相反的一側。在一些實施方式中，所述摻雜源可以包括鋰金屬。在一些實施方式中，所述設備可以包括所述陽極與所述摻雜源之間的第二隔膜。
[0020]在一些實施方式中，所述設備可以包括傳導鋰離子的非水電解質。在一些實施方式中，所述陽極可以包括石墨。
[0021 ] 在一些實施方式中，所述能量儲存設備可以包括鋰離子電容器。
[0022]為了綜述本發明和相對于現有技術實現的優點的目的，文中描述了一些目標和優點。當然，應當理解，并非所有這些目標或優點需要根據任何【具體實施方式】來實現。因此，例如，本領域技術人員會意識到，可以以能夠實現或者優化一個優點或一組優點，而無需實現其他目標或者優點的方式來體現或實現本發明。
[0023]所有實施方式旨在處于本文中公開的本發明的范圍內。從下面參考附圖的詳細描述，這些和其他實施方式對于本領域技術人員來說將是顯而易見的，本發明不受限于任何一個或多個具體公開的實施方式。
【附圖說明】
[0024]參考某些實施方式的附圖描述本公開內容的這些和其他特征、方面和優點，其旨在說明某些實施方式而不是限制本發明。
[0025]圖1示出了根據一個實施方式的示例鋰離子電容器的截面圖。
[0026]圖2示出了根據一個實施方式的示例鋰離子電容器陽極預摻雜裝置的截面圖。
[0027]圖3示出了根據一個實施方式的示例鋰離子電容器陽極預摻雜裝置的截面圖。
[0028]圖4為與恒定電壓預摻雜步驟中施加的電壓對應的測定容量值的曲線圖。
[0029]圖5為列出了測量的鋰離子電容器的性能參數的表格，所述鋰離子電容器具有利用恒定電壓預摻雜步驟預摻雜的陽極。
[0030]圖6為鋰離子電容器的周期性能的曲線圖，所述鋰離子電容器具有利用恒定電壓預摻雜步驟預摻雜的陽極。
[0031]圖7為列出了測量的鋰離子電容器的性能參數的表格，所述鋰離子電容器具有利用恒定電流預摻雜步驟預摻雜的陽極。
[0032]圖8為鋰離子電容器的周期性能的曲線圖，所述鋰離子電容器具有利用恒定電流預摻雜步驟預摻雜的陽極。
【具體實施方式】
[0033]盡管下面描述了某些實施方式和實例，但本領域技術人員應當明白，本發明擴展超出具體公開的實施方式和/或其用途和明顯變型和等同物。因此，意在說明本文中公開的本發明的范圍不限于下面描述的任何【具體實施方式】。
[0034]本發明的實施方式涉及有助于改善電容器性能的鋰離子電容器和制作這些電容器的方法。在一實施方式中，通過使用恒定電壓方法預摻雜陽極制作電容器。恒定電壓預摻雜方法可包括在電解質中沉浸摻雜劑源和電容器陽極。可施加恒定電壓在陽極和摻雜劑源的兩端達一段時間，使得在鄰近陽極的表面形成固體電解質中間相層。可選擇恒定電壓預摻雜步驟的電壓和/或時間段以有助于實現陽極鋰離子預摻雜的期望濃度，例如，有助于期望的電容器電學和/或壽命周期性能。恒定電壓預摻雜方法可包括在陽極和摻雜源之間提供恒定或基本恒定的約0.01伏(V)到約0.4V的電壓。在一實施方式中，通過使用恒定電流方法預摻雜電容器陽極來制作電容器。恒定電流預摻雜方法可包括在摻雜源和陽極之間保持恒定電流，同時摻雜源和陽極沉浸在電解質中。恒定電流可保持一段時間，使