用于锂离子电容器的复合物电极的制作方法
【专利说明】用于裡离子电容器的复合物电极
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请根据35U.S.C. §120,要求2013年3月28日提交的美国申请系列第 13/852, 053号的优先权，本文W该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。 柳的]背景
技术领域
[0004] 本发明一般地设及电化学储能装置，更具体地，设及裡离子电容器及其生产方法。【背景技术】
[0005] 电容器，包括双层电容器（例如超级电容器）已经被用于要求脉冲功率的许多电 子应用中。裡离子电容器，其含有法拉第电极（阳极）和其中不存在法拉第反应的活性炭 电极（阴极），可具有显著高于标准超级电容器的功率密度。
[0006] 裡离子电容器具有与电池（对于其高能量密度）和电容器（对于其高功率容量） 相关的优势。例如，相比于2.5-2. 7V的典型电双层电容器巧化C)装置电压，裡离子电容器 可提供较高的运行电压（约为3. 8-4V)。
[0007] 提出裡离子电容器来解决超级电容器和其他标准电容器中能量密度不足的问题。 但是，对于基于裡离子的电容器，目前提出的模型要求除了阴极和阳极之外，将裡金属电极 结合到装置中。结果是实际上具有=个电极（阴极、阳极和裡金属电极）的电化学储能装 置。
[0008] 此类=电极装置要求使用多孔阴极结合孔型集电器，从而有助于裡传输进入电池 并在其中传输。多孔电极的制造W及=电极电容器的整体构造设计会是复杂的，该电池的 制造可能是昂贵的。此外，在电容器中存在裡金属电极存在设计困难，因为在存在空气的情 况下，裡金属是潜在可燃的。
【发明内容】
[0009] 根据本发明的实施方式，裡离子电容器包括：阴极、阳极W及置于阴极和阳极之间 的多孔分隔器，其中，所述阴极包含活性炭，所述阳极包含裡铁氧化物化TO)和选自硬碳和 石墨的碳材料。具体来说，包含LTO和碳材料的复合物的阳极可有效地将施加到阴极上的 电压限制到低于阴极的稳定性限值，运实现了在提升的电势下运行裡离子电容器，W及随 之而来实现了更高的能量密度和更高的功率密度。
[0010] 在运行中，可W在整个阴极、阳极和分隔器结合电解质溶液。电解质溶液包含溶于 溶剂中的电解质材料（溶质）。
[0011] 任选地，裡离子电容器还可包括形成在阴极和阳极中的至少一个的朝向分隔器的 表面上的裡复合物颗粒。裡复合物颗粒包括裡金属忍和包覆了忍的一层络合裡盐。在该实 施方式中，在组装结构中，来自电解质的溶剂可W溶解络合裡盐，使得电解质材料包含络合 裡盐或者基本由络合裡盐构成。因而，裡复合物颗粒可W同时是电解质材料和电容器的裡 的来源。在相关实施方式中，在裡复合物材料溶解之后，裡离子电容器包括阴极、阳极、置于 阴极和阳极之间的分隔器，化及电解质溶液，即电容器不含第三裡金属电极。
[0012] 在W下的详细描述中提出了本发明的主题的附加特征和优点，其中的部分特征和 优点对于本领域的技术人员而言根据所作描述即容易理解，或者通过实施包括W下详细描 述、权利要求书W及附图在内的本文所述的本发明的主题而被认识。
[0013] 应理解，前面的一般性描述和W下的详细描述给出了本发明的主题的实施方式， 用来提供理解要求保护的本发明的主题的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供 了对本
【发明内容】
的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图 W图示形式说明了本发明的内容各种实施方式，并与描述一起用来解释本
【发明内容】
的原理 和操作。此外，附图和说明仅仅是示例性的，并不试图W任意方式限制权利要求的范围。
【附图说明】
[0014] 当结合W下附图阅读下面对本发明的【具体实施方式】的详细描述时，可对其形成最 好的理解，附图中相同的结构用相同的附图标记表示，其中：
[0015] 图1是根据一个实施方式的裡离子电容器的示意图；
[0016] 图2是根据另一个实施方式的裡离子电容器的示意图；
[0017] 图3是裡复合物颗粒的截面图；
[001引图4显示对比裡离子电容器的循环伏安图；
[0019] 图5显示示例性裡离子电容器的循环伏安图；W及
[0020] 图6是一系列示例性裡离子电容器的拉贡图。
【具体实施方式】
[0021] 下面更详细参考本发明主题的各种实施方式，运些实施方式中的一部分在附图中 示出。只要有可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。
[0022] 现参见图1，根据一个实施方式的裡离子电容器100包括：处于堆叠构造的阴极 120、阳极110和分隔器150。阴极120包括外表面124和朝向分隔器的表面122,阳极110 包括外表面114和朝向分隔器的表面112。如所示，分隔器150置于阴极120和阳极110之 间，使得分隔器150包括朝向阴极的表面152和朝向阳极的表面154。
[0023] 分隔器150可W是可渗透裡离子的隔膜，其配置成置于阴极120和阳极110之间， 保持阳极和阴极相互不发生接触。
[0024] 阴极120包含阴极材料，其可包含活性炭或者任意其他合适的用于裡离子电容器 的阴极材料。如本文所用，活性炭材料的比表面积大于约500m7g。在一些实施方式中，用 于形成阴极的活性炭材料可具有小于100微米（例如，小于100、10或5微米）的平均粒度。 含活性炭层的厚度可W是例如25-600微米。
[00巧]阳极110包括复合物阳极材料，其包含裡铁氧化物（也称作铁酸裡（例如，LiJisOi。和/或LizTiOs))和碳材料（例如硬碳或石墨，或其组合）。如本文所用，硬碳材料 的比表面积小于约500m7g，例如小于约lOOmVg。如果用于形成阳极的话，硬碳材料是不可 石墨化的，并且平均粒度小于100微米（例如，小于100、10或5微米）。如果用于形成阳极 的话，石墨材料的平均粒度可小于100微米（例如，小于100、10或5微米）。LTO/碳层的 厚度可W是例如25-600微米。
[00%] 将含LTO复合物阳极结合到电容器中消除了对于单独的裡金属电极的需求。进 而，由于省略了裡金属电极可W改善电容器的电化学性能，W及随之而来的整体电池的体 积和重量节约。在示例性实施方式中，包含复合物电极（其包含LTO和硬碳或者LTO和石 墨）的裡离子电容器可展现出高于包含常规阳极的裡离子电容器的电压稳定性。在改进装 置中，含LTO的阳极可有效地将施加到阴极上的电压限制到低于阴极的稳定性限值，运实 现了在大于3V(例如约3.8V)的电势下运行裡离子电容器。运行在更高的电压直接导致可 实现的能量密度和功率密度增加的好处。不希望受到理论的限制，相信包括含LTO阳极的 裡离子电容器的改进的稳定性是由于较低的（更为负性的）阳极开路电势造成的，该较低 的（更为负性的）阳极开路电势是由于在运行过程中在阳极形成裡碳化物化i。）导致的。 本文详细描述了本发明的裡离子电容器的运些和其他益处。
[0027] 可W从具有合适比例的LTO与硬碳和/或石墨的混合物形成复合物阳极。在一些 实施方式中，复合物电极中LTO的量可W约为5-50重量％ (例如，5、10、20、30、40或50重 量％)。可通过对相关组分的浆料混合物进行诱铸（例如，条带诱铸）来制造阴极和阳极。 阴极浆料可包含活性炭和任选的粘合剂，阳极浆料可包含硬碳和/或石墨，任选的粘合剂 W及任选的导电碳来