锂离子电容器及其制备方法
【专利说明】锂离子电容器及其制备方法
[0001] 相关申请交叉参考
[0002] 本申请根据35U.S.C. §120,要求2012年11月28日提交的美国申请系列号 13/687, 161的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
[0003] 背景
[0004] 领域
[0005] 本发明总体涉及电化学储能设备，具体来说，涉及锂离子电容器及其制备方法。
【背景技术】
[0006] 包括双层电容器的电容器已应用需要脉冲功率的许多电气应用中。有些锂离子电 容器的功率密度可显著高于标准超级电容器的功率密度。但是，对于选定的目的，许多超级 电容器具有较低的能量密度。
[0007] 锂离子电容器包含法拉第电极（阳极）和其中没有法拉第反应的活性碳电极（阴 极）。这些电容器具有与电池（相对于它们的高能量密度）和电容器（相对于它们的高功 率容量）相关的优势。例如，与EDLC设备2. 5-2. 7V的电压相比，锂离子电容器可提供较 高的操作电压（~3. 8-4V)。
[0008] 已提出锂离子电容器来解决超级电容器和其它标准电容器中能量密度不足的问 题。对于基于锂离子的电容器，目前提出的模型需要将锂金属电极以及阴极和阳极结合进 入设备。结果是具有3个电极的（阴极、阳极和锂金属电极）的电化学储能设备。
[0009] 这种3电极设备要求使用多孔阴极和网状集电器，从而促进锂电池和在电池之内 的传输。制造多孔电极和整体3电极电容器设计的构造可较复杂，且这种电池制造成本昂 贵。此外，电容器中存在锂金属电极提供设计挑战，因为当存在空气时锂金属是潜在的可燃 的。
[0010] 概述
[0011] 根据本发明的实施方式，一种锂离子电容器包括非多孔阴极、非多孔阳极、设置在 阴极和阳极之间的隔离物、设置在阳极和隔离物之间的锂复合材料和电解质溶液。电解质 溶液包括溶解于溶剂中的电解质材料（溶质）。锂复合材料包括锂金属芯体和包封芯体的 络合锂盐层。
[0012] 在组装的结构中，溶剂可溶解络合锂盐，从而电解质材料包括下述或主要由下述 组成：络合锂盐。锂复合材料可同时是电解质材料和用于电容器的锂的来源，例如锂的唯 一来源。
[0013] 在其他实施方式中，溶解锂复合材料之后，锂离子电容器包括非多孔阴极、非多孔 阳极、设置在阴极和阳极之间的隔离物和电解质溶液。
[0014] 在以下的详细描述中提出了本发明主题的附加特征和优点，其中的部分特征和优 点对本领域的技术人员而言根据所作描述即容易理解，或者通过实施包括以下详细描述、 权利要求书以及附图在内的本文所述的本发明主题而被认识。
[0015] 应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述给出了本发明主题的实施方式，用 来提供理解要求保护的本发明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。附图以图 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，并不试图以任意方式限制权利要求的范围。
[0016] 附图简要说明
[0017] 当结合以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：
[0018] 图1是根据实施方式的锂离子电容器的示意图；
[0019] 图2是锂复合材料颗粒的横截面视图；
[0020]图3是用于根据一种实施方式的示例锂离子电容器的恒电流放电曲线图；
[0021] 图4用于示例锂离子电容器的一系列拉贡（Ragone)图；
[0022] 图5是用于根据其它实施方式的示例锂离子电容器的一系列恒电流放电曲线；
[0023] 图6显示示例锂离子电容器的循环伏安曲线；
[0024] 图7A和7B是根据一种实施方式的LiPF6-涂覆的锂金属颗粒的SEM显微图像；和
[0025] 图8是根据其它实施方式的LiPF6-涂覆的锂金属颗粒的SEM显微图像。
[0026] 详细描述
[0027] 下面更详细参考本
【发明内容】
的各种实施方式，这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。
[0028] 本文所述的锂离子电容器可包括非多孔阴极、非多孔阳极、设置在阴极和阳极之 间的隔离物、设置在阳极和隔离物之间的锂复合材料和电解质溶液。电解质溶液包括溶解 于溶剂中的电解质材料（溶质）。锂复合材料包括锂金属芯体和包封芯体的络合锂盐层。
[0029] 在一种实施方式中，锂复合材料可包括多个稳定化的锂复合材料颗粒，其分别具 有芯体以及环绕和包封芯体的络合锂盐涂层材料。把锂复合材料结合进入电容器，使得无 需独立的锂金属电极。在一些实施方式中，可改善电容器的电化学性能，因为无需锂金属 电极和伴随的总体电池的体积和重量节省。
[0030] 在构建锂离子电容器时，锂复合材料可用作电池所用的至少一部分的电解质材 料和至少一部分的锂金属的来源。例如，包封复合材料颗粒的锂金属芯体的络合锂盐可溶 解于组装的电池的电解质溶剂中并构成一部分的或基本上全部的电解质溶液中的电解质 材料。本文详细描述了本发明的锂离子电容器的这些和其它益处。
[0031] 现参考图1，根据一种实施方式的锂离子电容器100包括堆叠构造的阴极120、阳 极110和隔离物150。阴极120可包括外部表面124和朝向隔离物的表面122,阳极110可 包括外部表面114和朝向隔呙物的表面112。如图所不，隔呙物150设置在阴极120和阳极 110之间，从而隔离物包括朝向阴极的表面152和朝向阳极的表面154。
[0032] 隔离物150可为可渗透锂离子的膜，其构造成设置在阴极120和阳极110之间，防 止阳极和阴极相互接触。
[0033] 阴极120包括阴极材料，其可包括活性碳或任何其它适用于锂离子电容器的阴极 材料。如本文所使用，活性碳材料的比表面积大于约500m2/g。
[0034]阳极110包括阳极材料，其可包括石墨、炭黑、硬质炭黑（hardcarbon)、焦碳或其 组合。如本文所使用，硬质炭黑材料的比表面积小于约500m2/g。在一些实施方式中，阴极 120和阳极110可为非多孔的，且可对于液体是不可渗透，该液体包括用于形成电解质溶液 的溶剂。阴极120和阳极110可分别连接到正和负集电器（未显示）。
[0035] 组装的阴极120、阳极110和集电器可统称为电极组。在常规的锂离子电容器中， 电极组还可包括锂金属电极。根据本发明，锂离子电容器100不包含锂金属电极。在一些实 施方式中，电极组可主要由下述组成：阴极120和阳极110,或主要由下述组成：阴极120、 阳极110和各集电器。
[0036] 可在阴极120和阳极110之间结合液体电解质溶液170从而电解质溶液渗透隔离 物150。电解质溶液170包括溶解于合适的溶剂中的电解质材料（溶质）。电解质材料可为 能在电化学设备中起作用的任意材料。在实施方式中，电解质材料可为锂盐，即络合锂盐例 如1^?? 6，1^8?4，1^(：104，1^4逆6，或1^&50 3，及其混合物。用于形成电解质溶液的示例溶剂 包括有机溶剂或有机溶剂的混合物，例如碳酸二甲酯、丙酸甲酯、碳酸亚乙酯、碳酸丙烯酯、 碳酸二乙酯，以及适用于其中锂离子是载荷子的电解质中的其它溶剂。在一些实施方式中， 溶剂可能可以溶解锂复合材料的电解质材料。
[0037] 络合锂盐是包括锂和其它金属、自身不离子化且可溶于有机溶剂的准金属或非金 属原子的任意离子化合物。例如，LiPF