[發明專利]電極材料及能量儲存設備

在審

• 申請號: 201580077739.5
• 申請日: 2015-04-09
• 公開（公告）號: CN107615427A
• 公開（公告）日: 2018-01-19
• 發明（設計）人: 林科闖;黃苡叡
• 申請（專利權）人: 林科闖;黃苡叡
• 主分類號: H01G11/00
• 分類號: H01G11/00;H01G11/46;H01M4/505;H01M4/58;H01M10/52
• 代理公司: 北京泰吉知識產權代理有限公司11355
• 代理人: 張雅軍,秦小耕

背景技術

諸如超級電容器或鋰電池的電能量儲存裝置廣泛用于電動車、油電混合車、可攜式電子裝置，及定置型電能量儲存。電能量儲存設備的數個電極一般需具有大的表面積以達成高的能量容量。在超級電容器中，這可借由以下方式來達成：螺旋卷繞數個由薄絕緣塑料材或薄絕緣紙材所隔開的長導電箔，及/或采用由具有特殊結構或成分的材料所制成的電極或采用涂覆有該材料的電極。

發明內容

本發明涉及一種電極材料，特別是涉及一種用于數個電極的細微多孔材料，以及其在電能儲存裝置中的應用。諸如超級電容器或電池的現有電能量儲存設備的數個電極，可以諸如活性碳的多孔材料來制成或涂覆該多孔材料，以增加所述電極的所述相對表面積，因而進一步提升儲存于其內的電能量的容量。此種碳電極材料的顆粒尺寸的范圍通常在0.5微米-100微米，且孔隙率的范圍約為90％-95％。此種碳電極材料的孔洞尺寸的變化量可為25納米-1000納米。

此處所揭示者包括電極材料。該電極材料包括高表面積對體積比的細微陣列多孔材料。此細微陣列多孔材料可具有膜的形狀，可具有大于100平方厘米的表面積，諸如20厘米×20厘米，可具有例如小于約1000微米的孔洞尺寸(較佳是小于約0.1微米)，且可具有約為40％-85％的孔隙率，較佳是約74％。在該細微陣列多孔材料中的所述孔洞的尺寸實質上均一且變化量小于約20％，較佳是小于約10％。這些特性使得該電極材料的不同區域間具有穩定質量傳遞，因而可有效降低局部電阻加熱情況，而此局部電阻加熱情況是肇因于該電極材料的不均一成分所造成的不均勻的電阻分布。此外，該細微陣列多孔電極材料的明顯較大的空隙使得電解質可能在所述電極材料中均勻擴散，因而使電荷可穩定地儲存在所述電極的表面上，而此特性是現有碳電極材料所無法達到的。

在一些實施例中，用于數個電極中的該細微陣列多孔材料可包括數個填充固態材料的晶界區域，以提高該細微陣列多孔材料的機械強度，該比表面積大于4100/毫米，該尺寸變化量小于約10％，且所述晶界區域的尺寸約為5微米-15厘米。

在一些實施例中，用于數個電極的該細微陣列多孔材料包括金屬，諸如鎳、鋁、鈦、錫、錳，及釕。在一些實施例中，該金屬細微陣列多孔材料可被進一步處理以形成金屬氧化物，諸如在該鎳、鋁、鈦、錫、錳，及釕細微陣列多孔材料的表面上分別形成氧化鎳、三氧化二鋁、二氧化鈦、二氧化錫、二氧化錳、三氧化二錳、氧化釕，及二氧化釕。在一些實施例中，該金屬細微陣列多孔材料可以金屬氧化物涂覆。例子包括鋁細微陣列多孔電極材料以二氧化釕涂覆，且鈦細微陣列多孔電極材料以氧化鉭涂覆。在另一些其他實施例中，該細微陣列多孔電極材料可完全包括金屬氧化物，諸如二氧化釕、二氧化鈦、二氧化錳、三氧化二錳，及三氧化二鐵。

在一些實施例中，用于數個電極的該細微陣列多孔材料還可包括在所述孔洞的空隙中的額外更小的電極材料。這些更小的電極材料的例子包括石墨、石墨稀、中間相碳微球(mesocarbon microspheres)、石油焦、碳纖維、熱解碳樹脂，或鋰鈷氧化物。此特性可進一步加大包括所述細微陣列多孔電極材料(具有額外更小的電極材料)的所述電極的相對表面積。

在一些實施例中，應用于所述電極中的該細微陣列多孔材料還可包括位于該電極的表面上的粒狀介電材料層，其可進一步加大所述電極的相對表面積。該介電材料可選自于三氧化二鋁、鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鍶鋇(Ba_xSr_1-xTiO₃)、鋯鈦酸鉛(PZT)、鋯鈦酸鉛鑭(PLZT)，或二氧化鈦中的至少一者。

在一些實施例中，該電能量儲存設備是一個超級電容器，該正電極及/或該負電極包括細微陣列多孔電極材料。由于在所述雙層電容器中所述電極的極大的相對表面積，所以所述超級電容器可具有遠高于現有電容器的雙層電容。在一些實施例中，一個超級電容器還包括形成在該細微陣列多孔電極材料上的金屬氧化物(諸如二氧化錳、氧化鎳、二氧化釕)，在所述電極中使用該金屬氧化物還可大幅提升該超級電容器的法拉第偽電容(pseudocapacitance)。這些特性可導致儲存在所述超級電容器中的電能量容量的大幅提升。