用于三伏超级电容器的电解质的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明通常设及电能存储装置，且更具体地说，设及用于电能存储装置如双层电 容器的电解质的设计。
【背景技术】
[0002] 电能蓄电池广泛用于向电子、电动机械、电化学及其它有用的装置提供电力。该类 电池包括一次化学电池、二次（可充电）电池、燃料电池W及各种类型的电容器，包括超级 电容器。电能蓄电池的一些特征包括能量密度、功率密度、充电率、内部泄漏电流、等效串联 电阻巧SR)W及经受多个充电-放电循环的能力。出于许多原因，可存储相对大量电荷的 电容器被称为超级电容器（supercapacitor/ultracapacitor)，其在各种电能蓄电池中已 经异军突起。
[0003] 超级电容器的工作电压的增加可提供提高的能量存储和功率容量。然而，电容器 的各种组件当经受电压提高的工作条件时可展现不稳定性。举例来说，在电容器的一个或 多个组件中的不稳定性可能促使电容器性能的恶化，包括但不限于过度的电容衰减和在循 环操作或DC寿命（也称为日历寿命）中的等效串联电阻巧SR)增加、自放电、假电容和/ 或气体形成。
【发明内容】
[0004] 在一些实施方式中，所述外壳组件包括暴露于电解质的内表面和外表面，并且其 中保护涂层沿着所述内表面的至少一部分施加。保护涂层可包含聚合物材料或导电材料。 聚合物材料可包括W下的至少一种：聚环氧化物、聚締姪、聚己締、聚酷亚胺、聚離離酬、聚 氨醋、己締-丙締橡胶、聚（对亚二甲苯基）、聚四氣己締（PT阳）、聚偏二氣己締（PVD巧、己 締-四氣己締巧TFE)、氣化己締-丙締、和/或其共聚物。导电材料可包括导电碳，包括石 甲' 巡〇
[0005] 在一些实施方式中，电解质包含季锭盐。所述盐可包括选自由W下组成的组的阳 离子；S己基甲基锭、螺-(1，1'）-双化咯烧鐵盐和四己基锭。所述季锭盐可包括选自由W 下组成的组的阴离子；四氣棚酸盐和舰化物。电解质可包括己膳。在一些实施方式中，电解 质的盐浓度可在约0. 7摩尔/L(M)与约1. 0M之间。在一些实施方式中，电解质的盐浓度可 为约0. 8M。
[0006] 电解质盐的阳离子可包括对称的阳离子，包括例如S己基甲基锭。在一些实 施方式中，电解质盐的阳离子可包括不对称的阳离子，包括例如=己基甲基锭。在一 些实施方式中，电解质盐可包括螺环化合物，包括对称和不对称的螺环化合物。例如， 电解质可包括N-螺双环化合物，包括具有5元环状环的对称的N-螺双环化合物。在 一些实施方式中，电解质可包括不对称的螺环化合物，包括具有尺寸不等的环结构的 不对称的螺环化合物。对称的螺环化合物可包括螺双化咯烧鐵四氣棚酸盐 (spir〇-(l,l'）-bipyrrolidiniumtetrafluoroborate)。
[0007] 在一些实施方式中，隔板包括膜，所述膜包括纸。在一些实施方式中，隔板包括膜， 所述膜包括纤维素。在一些实施方式中，隔板包括膜，所述膜包括纤维素纤维。
[000引在一些实施方式中，正电极或负电极包括集电器和碳基材料中的至少一种。碳基 材料可包括活性炭、炭黑及粘合剂树脂中的至少一种。
[0009] 在一些实施方式中，正电极或负电极包括优化W用于其中的离子迁移的大孔率、 中孔率和微孔率。
[0010] 在一些实施方式中，正电极包括大于负电极的第二厚度的第一厚度。第一厚度可 大于第二厚度约10%。第一厚度可大于第二厚度约20%。
[0011] 在一些实施方式中，电容器包括在正电极与电解质之间的界面处形成的第一子电 容器；在负电极与电解质之间的界面处形成的第二子电容器；W及通过W下操作选出的第 一和第二厚度：确定第一子电容器的正电压极限和第二子电容器的负电压极限；将正电压 极限除W负电压极限W获得第二子电容器与第一子电容器的第一比率；并且设定正电极层 与负电极层的相对厚度W使得第二子电容器的电容基本上等于第一比率与第一子电容器 的电容的乘积。
[0012] 在一些实施方式中，碳基材料包括处理过的碳材料，其具有减少数目的留在处理 过的碳材料上的官能团。处理过的碳材料可在至少300°c的温度下暴露于反应气体和微波 能W减少留在处理过的碳材料上的官能团数目。处理过的碳材料的官能团可减少约50%。 处理过的碳材料的官能团可减少约80%。在一些实施方式中，反应气体包括氨气和氮气。 在一些实施方式中，反应气体包括氣。
[0013] 在一些实施方式中，用于电化学双层电容器的隔板膜包括纤维素纤维。
[0014] 被配置来提供在3伏或更大工作电压下的期望性能的电容器可包括第一集电器 和第二集电器。在一些实施方式中，所述电容器包括电禪合到第一集电器的正电极和电禪 合到第二集电器的负电极，所述正电极和负电极包括处理过的碳材料，所述处理过的碳材 料具有减少数目的碳表面官能团。在一些实施方式中，电容器包括定位在正电极与负电极 之间的隔板，所述隔板包括纤维素。在一些实施方式中，电容器包括电解质，所述电解质包 含己膳和螺双化咯烧鐵四氣棚酸盐、四氣棚酸S己基甲基锭和/或四氣棚酸四己 基锭，所述电解质与正电极和负电极处于离子接触。在一些实施方式中，电容器包括被配置 来保持正电极、负电极、隔板及电解质的外壳组件，所述外壳组件包括在暴露于电解质的内 表面的至少一部分上的保护涂层。
[0015] 一个另外的实施方式是一种制造超级电容器的方法，所述超级电容器被配置来在 约2. 8伏至约3伏之间工作。所述方法包括提供在外壳中被隔板分开的第一集电器与第二 集电器；W及添加电解质到外壳中，其中所述电解质包含与正电极和负电极处于离子接触 的季锭盐，其中所述电解质包含小于1M的盐。
[0016] 为了概述本发明及所实现的优于现有技术的优点，本文描述某些目标和优点。当 然，应当理解根据任何具体的实施方式未必需要实现所有该类目标或优点。因此，例如，本 领域技术人员将认识到本发明可能够实现或优化一个优点或一组优点而不必实现其 它目标或优点的方式实施或进行。
[0017] 所有该些实施方式意图在本文所公开的本发明的范围内。本领域技术人员将从参 照附图的W下详细说明轻易显而易知该些及其它实施方式，本发明不限于任何具体的所公 开的实施方式。
【附图说明】
[001引本公开的该些及其它特征、方面和优点参照某些实施方式的图来描述，其旨在说 明某些实施方式，而非限制本发明。
[0019] 图1是显示示例性双电层超级电容器的简化剖面图的方框图。
[0020] 图2是显示双电层超级电容器的示例性外壳组件的剖面透视图。
[0021] 图3A显示具有涂布外壳组件内表面的一部分的阻挡膜的双电层超级电容器的电 容性能。
[0022] 图3B显示具有涂布外壳组件内表面的一部分的阻挡膜的双电层超级电容器的电 阻性能。
[0023] 图4显示具有减小的电解质浓度的双电层超级电容器的电容性能。
[0024] 图5显示呈凝胶卷型结构的双电层超级电容器的剖面俯视图。
[0025] 图6是显示呈凝胶卷型结构的双电层超级电容器的各个层的透视图。
[0026] 图7是显示修改超级电容器电极的碳表面特征的结果的线图。
[0027] 图8是显示包括不对称电极的简化的示例性双电层超级电容器的剖面图。
【具体实施方式】
[002引虽然W下描述某些实施方式和实施例，但本领域技术人员将了解到本发明扩展超 出具体公开的实施方式和/或用途W及其显而易见的修改和等价物。因此，意图是本文所 公开的本发明的范围不应受到如下所述的任何【具体实施方式】的限制。
[0029] 图1显示示例性双电层超级电容器10的一部分的简化剖面图。双层超级电容器 10的示例性部分包括第一电极22,例如正电极，其具有第一有源电极部分14 及第二电 极24,例如负电极，其具有第二有源电极部分18。隔板16定位在电极22与24之间W维持 第一电极22与第二电极24之间的分离。电极可包括集电器W便于电极与外电路之间的电 接触。参见图1，例如，正电极22包括电禪合到第一有源电极部分14的第一集电器12W及 电禪合到第二有源电极部分18的第二集电器20。隔板16和两个电极22、24可浸没于电 解质中（未示出）。电解质可渗透到隔板16和有源电极部分14、18中，例如W促进电极22 与24之间的离子迁移。
[0030] 本发明的实施方式设及用于提高超级电容器的工作电压至3伏或更高的技术。如 下所述的该些技术允许超级电容器在3伏或更高伏特下工作，同时最小化不利的副作用， W使得该种相对较高的电压可施加于超