[發(fā)明專(zhuān)利]可再充電的混合式電池/超電容器系統(tǒng)

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 00806515.2
• 申請(qǐng)日: 2000-04-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN1347562A
• 公開(kāi)（公告）日: 2002-05-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: G·G·阿馬圖西
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 特爾科迪亞技術(shù)股份有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): H01G9/00
• 分類(lèi)號(hào): H01G9/00;H01M4/58
• 代理公司: 上海專(zhuān)利商標(biāo)事務(wù)所
• 代理人: 錢(qián)慰民

發(fā)明背景

本發(fā)明涉及可充電無(wú)數(shù)次的電能貯存系統(tǒng)，為廣泛的電應(yīng)用裝置提供了可靠的電源。本發(fā)明尤其涉及一種可再充電的貯存系統(tǒng)，它表示出通常與電池有關(guān)的高能量密度，以及超電容器所代表的高功率密度和長(zhǎng)工作壽命。

在本發(fā)明中，此類(lèi)系統(tǒng)是一種多層的貯能裝置結(jié)構(gòu)，包含許多正極與負(fù)極元件，各正負(fù)極元件包括構(gòu)成一個(gè)單體撓性結(jié)構(gòu)的假電容器或者雙層超電容器材料與可再充電的插入電池材料，單體撓性結(jié)構(gòu)的大小與形狀可以根據(jù)需要決定，以與應(yīng)用裝置最兼容，并提供有利的高能量密度與功率密度。

現(xiàn)代應(yīng)用需要可移動(dòng)電源，這些應(yīng)用從個(gè)人電信裝置遍及到電動(dòng)汽車(chē)，數(shù)量呈指數(shù)增加。這些應(yīng)用在例如電壓或功率電平上的要求廣泛，但是均偏好于能在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)一直迅速提供高能密度且能很快再充電至操作能量電平的輕貯存裝置。迄今，兩種現(xiàn)有類(lèi)型貯存裝置中的任何一種，即諸如鋰電子插入系統(tǒng)等可再充電電池，或者感應(yīng)式假電容超電容器或非感應(yīng)式雙層反應(yīng)型超電容器，多少滿(mǎn)足這些廣泛的可移動(dòng)能量的需求。

選擇電池或超電容器系統(tǒng)通常由所述應(yīng)用對(duì)高能量密度或迅速輸送高功率的需求哪個(gè)更迫切來(lái)決定，其中電池具有高能量密度，而超電容器可以迅速輸送高功率。在單一應(yīng)用中符合高能量與高功率密度兩種需求的嘗試已在某些情況下發(fā)展成以下述方式將兩種裝置種類(lèi)排列在一起，以便電池可以在高功率需求的時(shí)間段之間對(duì)超電容器充電。很明顯地，此種實(shí)例的缺點(diǎn)是重量過(guò)重。此實(shí)例的其它限制反映在電池充電的時(shí)間需求，以及電池的多樣性和電池壽命周期，其中插入電池充電操作的物理性嚴(yán)苛條件通常會(huì)縮短電池壽命周期。

本發(fā)明系統(tǒng)表示出，符合可移動(dòng)電能應(yīng)用需求的裝置有明顯的進(jìn)步，它在一個(gè)輕量且擴(kuò)大電容的單體集成裝置中結(jié)合了電池與超電容器二者的必要特性。當(dāng)系統(tǒng)具有例如由一個(gè)活性碳超電容器元件與一個(gè)可插入電池組合物組成的相對(duì)電極時(shí)，特別在所述合物是一種過(guò)渡金屬氧化物尖晶石材料，其結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)行離子迅速擴(kuò)散且插入后物理失真少的情況下，該系統(tǒng)可以同時(shí)具有電池的高貯能能力以及超電容器的高速能量輸送與出人意料的壽命周期。感應(yīng)電池插入與電容表面充電的獨(dú)特結(jié)合具有另一優(yōu)點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)這樣插入系統(tǒng)，它們因?yàn)槟軌蚶缯{(diào)整具有相當(dāng)大小的陽(yáng)離子(例如，堿土陽(yáng)離子)大小的可容納相對(duì)電極材料稀少才能達(dá)成。

本發(fā)明的混合系統(tǒng)可使用先前可再充電插入電池與超電容器裝置的大部分組合物。此等早期裝置典型地描述于例如美國(guó)專(zhuān)利5,418,091與5,115,378。如同在此等早期系統(tǒng)中一般，插入電極可以包括金屬硫化物、氧化物、磷酸鹽類(lèi)與氟化物、開(kāi)放結(jié)構(gòu)的含碳石墨、硬化碳與焦炭，以及合金元素，諸如鋁、錫與硅。同樣地，表面活性的電容器材料，通常是大表面積封閉結(jié)構(gòu)活性碳粉末、發(fā)泡體、纖維與紡織品，它們可用于相對(duì)電極中。混合系統(tǒng)的其中活性電解質(zhì)元件同樣可由現(xiàn)有材料調(diào)配，并且在可插入堿金屬與堿土金屬陽(yáng)離子的非水性溶液中使用特定的有用物質(zhì)，該物質(zhì)通常以明顯的流體形式包含在含纖維或聚合物基質(zhì)的材料中，由此為兩種電解質(zhì)離子物質(zhì)的移動(dòng)保持一個(gè)導(dǎo)通的環(huán)境。二次電池所代表的層疊聚合層格式描述于美國(guó)專(zhuān)利5,460,904，而且相關(guān)的出版物很適用于本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明混合式電池/超電容器結(jié)構(gòu)本質(zhì)上包括負(fù)與正電極組件，其具有一個(gè)包含流體電解質(zhì)的插入絕緣離子穿透隔離組件。此等功能組件呈層疊在一起的個(gè)別層或隔膜形式為佳，以形成一種撓性單一結(jié)構(gòu)。該負(fù)“電池”電極組件層包括一種可插入材料的組合物，以一種分散于例如聚(偏二氟乙烯-共聚-六氟丙烯)共聚物的聚合基質(zhì)中的尖晶石化合物為佳。為了提供電極間的低電阻電流傳導(dǎo)，該電池層可熱層疊于一個(gè)導(dǎo)電電流收集組件，諸如一個(gè)網(wǎng)狀金屬箔。該正“超電容器”對(duì)電極組件層同樣系由一種在共聚物基質(zhì)中的活性碳組合物與一種電流收集箔制得。

在電極組件之間插入隔離組件，其可包括先前所使用高度孔隙率、微孔狀或是吸收性聚合物薄膜層或隔膜任何一者，此等層或隔膜中分散有一種包括一種可插入陽(yáng)離子的電解質(zhì)鹽溶液，例如LiPF₆在2份數(shù)碳酸伸乙酯與1份數(shù)碳酸二甲酯混合物中的1M溶液。此種電解質(zhì)確保該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)的基本離子傳導(dǎo)性與移動(dòng)性。本發(fā)明中，該移動(dòng)性系符合于該裝置充電與放電期間使該電解質(zhì)鹽的兩種離子物質(zhì)迅速流入與流出個(gè)別電極的令人注意目的。高度流動(dòng)性可使該較大、先前已鈍化且未使用的陰離子物質(zhì)產(chǎn)生較不受限制的移動(dòng)，以吸附在正電極，其于此處參與系統(tǒng)組件的電容充電作用。