[發明專利]高壓電化學雙電層電容器

在審

• 申請號: 201280046114.9
• 申請日: 2012-09-13
• 公開（公告）號: CN103828002A
• 公開（公告）日: 2014-05-28
• 發明（設計）人: K·P·加德卡里;S·賈亞拉曼
• 申請（專利權）人: 康寧股份有限公司
• 主分類號: H01G11/32
• 分類號: H01G11/32;H01G11/26;H01G11/84;H01G11/86
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 項丹

本申請根據35U.S.C.§120，要求2011年9月23日提交的美國申請序列第13/242284號的優先權，本文以該申請為基礎并將其全文通過引用結合于此。

背景

本發明一般地涉及活性碳材料，更具體地涉及包含鈍化活性碳基電極的電化學雙電層電容器。

超級電容器之類的儲能裝置可用于許多需要離散的功率脈沖的應用。示例性應用的范圍包括從手機到混合動力汽車。超級電容器通常包含夾在一對碳基電極之間的多孔隔膜和有機電解質。能量的儲存是通過將電荷分離并儲存在電解質與電極之間的界面處產生的電化學雙電層中來實現的。這些裝置的重要特性是它們可提供的能量密度和功率密度，所述能量密度和功率密度在很大程度上都取決于電極中所結合的碳的性質。

已知適合將碳基電極結合入高能量密度裝置中。形成電極的基礎的碳材料可用天然或合成前體材料制成。天然前體材料包括煤、堅果殼和生物質。合成前體材料通常包括酚醛樹脂。無論是天然前體還是合成前體，碳材料均可通過先碳化前體，然后活化所得的碳來形成。活化可包括物理活化（例如蒸汽）或化學活化。

碳的比電容是影響該材料結合到高能量密度裝置如電化學雙電層電容器（EDLC）中的性能的性質。比電容越高，通常導致所得裝置的體積能量密度越高。與電容相關的一個有益屬性是隨時間流逝和/或作為隨著使用所積累的多次充放電循環的結果，維持電容（或者不會發生明顯損失）的能力。碳材料的老化，例如自由基或離子俘獲，會降低包含活性碳基電極的超級電容器的使用壽命。

除了增加電容之外，由于能量密度還與器件的操作電壓成比例，所以通過在較高的電壓下操作EDLC能實現較高的能量密度。但是，碳材料表面處發生的物理和化學相互作用會限制施加的電壓。在較高的電壓下，這些對碳的功能有害的相互作用（包括法拉第反應）會得到放大。現有技術下，EDLC在約2.7V下操作。

因此，如果能提供具有抗老化的高比電容的活性碳材料，其能夠結合到ELDC中，在例如約3伏的較高電壓下操作，那將是有利的。這種材料可用來形成碳基電極，利用所述碳基電極可得到高效、長壽命的高能量密度器件。

概述

根據一個實施方式，電化學雙電層電容器包括正電極和負電極，所述正電極包含鹵化第一碳材料，所述負電極包含非鹵化第二碳材料。所述碳材料可以包括活性碳。根據另一個實施方式，結合到正電極中的鹵化碳材料的孔體積比大于結合到負電極中的非鹵化碳材料的孔體積比。活性碳的孔體積比R定義為R=V1/V，其中V1是孔徑小于1nm的孔的總體積，V是孔徑大于1nm（例如，1-2nm，1-5nm或者1-10nm）的孔的總體積。

通過在正電極和負電極中分別提供孔徑的不對稱分布和/或孔徑分布，可以調節電極材料使得與電解質內的特定離子（陰離子和陽離子）和自由基發生更高效的相互作用。此外，通過在正電極中提供鹵化碳，使得碳材料相對于含鹵素離子，例如BF₄^-陰離子鈍化，否則的話，它會與碳或者碳上存在的表面物質發生反應。

在以下詳細描述中給出了其他特征和優點，其中部分特征和優點對本領域的技術人員而言，根據所作描述就容易看出，或者通過實施包括以下詳細描述和權利要求書在內的本文所述的發明而被認識。

應理解，前面的一般性描述和以下的詳細描述都只是呈現本發明的實施方式，用來提供理解要求保護的本發明的總體評述或框架。

包括的附圖提供了對本發明的進一步的理解，附圖被結合在本說明書中并構成說明書的一部分。

附圖簡述

圖1是示例性電化學雙電層電容器的部分截面示意圖；

圖2是顯示非對稱陰極和陽極區域的I-V曲線圖；

圖3是示例性KOH-活性碳的孔體積-孔徑圖；

圖4是示例性蒸汽-活性碳的孔體積-孔徑圖；

圖5所示是對照電化學雙電層電容器電池和本發明電化學雙電層電容器電池的電容老化圖；

圖6是對稱EDLC的法拉第分數-施加電壓圖；

圖7是在正電極中包含鹵化活性碳的非對稱EDLC的法拉第分數-施加電壓圖。

發明詳述

超級電容器也稱為雙電層電容器，通過極化電解質溶液來靜電儲能。雖然它是電化學裝置，但在儲能機理中不涉及化學反應。該機理是可逆的，這允許超級電容器多次充電和放電。