[發明專利]混合型超級電容器的用于減小電荷轉移電阻的電解質添加劑以及包含其的混合型超級電容器

在審

• 申請號: 201710417387.4
• 申請日: 2017-06-06
• 公開（公告）號: CN107633958A
• 公開（公告）日: 2018-01-26
• 發明（設計）人: E.比勒;M.維德邁爾;S.哈恩;T.埃克爾
• 申請（專利權）人: 羅伯特·博世有限公司
• 主分類號: H01G11/64
• 分類號: H01G11/64
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 段菊蘭,周齊宏

現有技術

電能借助電化學能量儲存系統如電化學電容器 (超級電容器) 或電化學一次-或二次電池組的儲存在多年以來是已知的。所述能量儲存系統的區別在于能量儲存作為基礎的原理。

超級電容器通常包括負電極和正電極，它們通過隔膜(Separator)彼此分開。在所述電極之間此外存在離子傳導性的電解質。電能的儲存基于，在超級電容器的電極上施加電壓時在其表面上形成電化學雙層。該雙層由電解質構成的溶劑化的電荷載體而形成，其布置在帶有相反電荷的電極的表面上。在這種類型的能量儲存的情況下不涉及氧化還原反應。因此，超級電容器理論上可以任意多次地充電和由此具有非常高的使用壽命。所述超級電容器的功率密度也高，然而能量密度相比于例如鋰離子電池組較低。

不同地，一次-和二次電池組中的能量儲存通過氧化還原反應進行。在此這些電池組也通常包括負電極和正電極，它們通過隔膜彼此分開。在所述電極之間同樣存在導電性的電解質。在鋰離子電池組（最廣泛使用的二次電池組類型之一）中，能量儲存通過將鋰離子嵌入至電極活性材料中而進行。在電池組單元運行時，即在放電過程中，電子在外部電路中從負電極流向正電極。在電池組單元的內部，鋰離子在放電過程中從負電極遷移到正電極。這里，鋰離子從負電極的活性材料中可逆地脫嵌，這也稱作脫鋰化。在電池組單元的充電過程中，鋰離子從正電極遷移到負電極。這里，鋰離子又嵌入至負電極的活性材料中，這也稱作鋰化。

鋰離子電池組的特征在于，它們具有高的能量密度，即它們可以儲存每質量或體積大量的能量。然而相對地，它們僅具有有限的功率密度和使用壽命。這對于許多應用是不利的，從而使得鋰離子電池組在這些領域中不能或僅能在小的范圍內使用。

混合型超級電容器代表了這些技術的組合，并且適合于填補具有鋰離子電池組技術和超級電容器技術的使用范圍中的缺口。

混合型超級電容器通常同樣具有兩個電極，它們各包含一個集電體(Stromableiter)和通過隔膜而彼此分開。電荷在所述電極之間的傳送通過電解質或電解質組合物而得以確保。所述電極通常包含作為活性材料的傳統的超級電容材料 (下文也稱為靜態電容活性材料) 以及能夠經受與電解質的電荷載體的氧化還原反應并且由此形成嵌入化合物的材料 (下文也稱為電化學氧化還原活性材料)。因此，混合型超級電容器的能量儲存原理在于，電化學雙層的形成以及法拉第鋰-嵌入化合物的形成。由此獲得的能量儲存系統具有高的能量密度，并且同時具有高的功率密度和高的使用壽命。

鑒于力求盡可能地完全利用能量，就需要一種能量儲存系統，該能量儲存系統提供盡可能高的能量儲存效率，以還可在盡可能小的損失下儲存小的能量。

在現有技術中，為改進鋰離子電池組的電解質組合物的性能而使用的電解質添加劑例如描述于Journal of Power Sources 162 (2006) 1379-1394中。Baek在Electrochimica Acta, 55 (2010) 3307-3311中報導，1,3,5-三氟苯可提高鋰-陽離子在鋰離子電池組的陰極處的轉移速度。

US 8148017公開了氟化的苯衍生物作為雙層電容器中的電解質添加劑的用途。這種苯衍生物選自六氟苯、五氟苯、1,2,3,4-四氟苯、1,2,3,5-四氟苯、1,2,4,5-四氟苯扣1,2,3-三氟苯。

WO 2015/043923公開了一種電解質組合物，其包含六氟磷酸鋰 (LiPF₆) 和由環狀碳酸酯和非環狀碳酸酯組成的混合物，并公開了其作為鋰離子電池組和超級電容器的溶劑或溶劑添加劑的用途。

因此，本發明的目的是提供一種電化學能量儲存系統，該能量儲存系統既具有高的功率密度和使用壽命，且同時特別有效地儲存能量。該目的是通過下面描述的發明實現的。

發明內容

本發明涉及一種混合型超級電容器，其包含

-至少一個負電極，其包含靜態電容活性材料、電化學氧化還原活性材料或其混合物,

-至少一個正電極，其包含靜態電容活性材料、電化學氧化還原活性材料或其混合物,

-至少一個布置在所述至少一個負電極和所述至少一個正電極之間的隔膜，和

-電解質組合物，

條件是，至少一個電極包含靜態電容活性材料和至少一個電極包含電化學氧化還原活性材料，

其中所述電解質組合物是液態的電解質組合物并且包含至少一種液態的非質子性有機溶劑、至少一種導電鹽以及至少一種至少部分鹵化的芳族化合物。