[發(fā)明專利]混合型儲能元件

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210005251.X
• 申請日: 2012-01-06
• 公開（公告）號: CN103178244A
• 公開（公告）日: 2013-06-26
• 發(fā)明（設計）人: 黃震宇;蔡麗端;李俊龍
• 申請（專利權）人: 財團法人工業(yè)技術研究院
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/485;H01M4/58;H01M4/131;H01M4/133;H01M4/134;H01M4/136;H01M10/052;H01G9/042;H01G9/145
• 代理公司: 北京律誠同業(yè)知識產(chǎn)權代理有限公司 11006
• 代理人: 梁揮;祁建國

技術領域

本發(fā)明關于一混合型儲能元件。

背景技術

為因應未來綠色環(huán)保的能源開發(fā)，舉凡混合電動車的啟動輔助與煞車能量回充需要瞬間高功率輸出輸入，以及風力及太陽能發(fā)電系統(tǒng)中需要因應風力或光量強弱進行緩沖調(diào)節(jié)，以確保電源長期供給穩(wěn)定化及壽命延長，儲能元件面臨兼具高能量、高功率、長壽命的挑戰(zhàn)。雖然近年來鋰離子二次電池藉由電極設計變更及材料，積極往高功率化進行改良，但目前所能提供的功率性能與元件壽命仍有待改善。在另一方面，對既有電雙層的超級電容器而言，因其獨特的連續(xù)高功率能力及長效壽命為電池所無法相比擬，在高功率與長壽命訴求的系統(tǒng)應用端相較于電池而言更具潛力，若能補其不足以提升儲能元件的能量密度，將有助于儲能元件體積的小型化與儲能元件使用壽命的延長，大幅提高在應用端的實用性。

由于電容器儲存能量正比于電容量與工作電壓，為了提升儲能元件的可工作電壓，相較于既有正負極采用相同材料設計的對稱型電雙層電容器，現(xiàn)今多數(shù)皆采取正極與負極不同材料的混合不對稱型設計；對于電容量的提升，相較于既有電雙層電容電極，氧化還原電極通常是具有更高電容量的電極材料。因此近年來電極研發(fā)趨勢走向不對稱型以及氧化還原材料的設計。

世界專利WO2006111079號中公開一混合水溶液系統(tǒng)的儲能元件，以鋰離子嵌入型化合物為正極，而以活性碳、中孔碳、奈米碳管等多孔碳材為負極的元件。然而此種元件受限于水溶液分解的問題，造成最高工作電壓僅達1.8V，可儲存能量不足。日本公開專利2005-019762號中公開一以活性碳為正極活性物質(zhì)，以及能吸附鋰離子的碳材為負極活性物質(zhì)的非水系含鋰型儲電元件。美國專利6252762號中公開一包括可行陰離子可逆吸附/脫附的高表面積活性碳正極，以及能進行可逆嵌入鋰離子的Li₄Ti₅O₁₂(LTO)材料為負極形成的混合電池/超電容元件。以上所列舉的不對稱設計皆是采用一極為行物理吸附/脫附的活性碳材，另一極采用能夠行鋰離子電化學嵌入/釋出的材料。由于活性碳材所產(chǎn)生的電容量僅由離子吸附/脫附的物理反應決定，元件整體的電容量受限于此點，仍無法使元件獲得高能量。

日本公開專利2000-036325號中公開一以活性碳層為主體，并在該活性碳層上以一含鋰過渡金屬氧化物層接著形成的正極，而以能對鋰離子行吸附和脫離的碳材為負極的元件。但此種多層電極材料制作程序相當繁復，且兩活性物質(zhì)層的設計將造成離子在兩電極層結構中的進出受到阻礙的問題。美國專利6517972號中公開正極包括可吸附陰離子的活性碳與可嵌入鋰離子的含鋰過渡金屬氧化物(LiMn₂O₄)與負極可嵌入鋰離子的LTO材料所組成的高能量混合電池/電容。此種方式是在正極中藉由混入含鋰過渡金屬氧化物以提升元件性能。此外美國專利6558846號中則是公開一包括活性碳與含鋰過渡金屬氧化物的正極，而以能進行鋰嵌入/釋出的碳材為負極的有機電解質(zhì)元件。

以上三種被提及的元件中，若使用對鋰離子具備電化學吸附或嵌入反應能力的碳材為負極時，由于碳材與鋰離子的嵌入反應電位相當接近于0V?vsLi/Li⁺，在快速充電過程中很容易造成鋰金屬以樹突狀(dendrite)沉積在碳材表面，進而刺穿隔離膜而發(fā)生短路，造成元件的安全性顧慮。圖1顯示不同材料相對于Li/Li⁺的反應電位。其中活性碳/鋰嵌入碳材的正負極組合雖然顯示接近4.0V的元件工作電壓，但由于該鋰嵌入碳材反應電位太接近鋰金屬還原電位，雖然該負極電容量高達372mAh/g，在快速充電時不可避免地將造成鋰金屬沉積在碳材表面。圖1另顯示使用LTO作為負極材料者，由于其反應電位約為1.5V?vs?Li/Li⁺，如此一來壓縮了與活性碳所搭配形成的元件工作電壓，況且該負極電容量僅有160mAh/g，無法達到高能量的效果。

因此，本發(fā)明將公開一新的儲能元件，具有高電容量的正極，亦即不只進行電雙層物理性吸附/脫附反應；以及具有高電容量與高安全性的負極，即不產(chǎn)生鋰沉積現(xiàn)象，以達到高能量、小體積、長壽命的目的。

發(fā)明內(nèi)容