[发明专利]具有可控碳含量的超级电容器

说明书

技术领域

本发明总体涉及电极和电极的制备。更具体地，本发明涉及用 于能量储存装置，如电化学双层电容器的电极。

背景技术

电极被广泛应用于许多储存电能的装置，包括原电池(不可再 次充电)、二次电池(可再次充电)、燃料电池和电容器。电能储存 装置的重要特征包括能量密度、功率密度、最大充电率、内部泄漏 电流(internal leakage current)、等效串联电阻(ESR)，和/或耐用 性，即经受住多次充-放电循环的能力。出于多种原因，双层电容器， 也称为超电容器(supercapacitor)和超级电容器(ultracapacitor)， 在许多能量储存应用中获得了人们的喜爱。这些原因包括具有高功 率密度(在充电和放电模式中都如此)，以及接近于传统可再充电 电池的能量密度的双层电容器的实用性。

双层电容器通常是将其能量储存元件电极浸入电解液(电解质 溶液)而被使用。同样，被浸入电解液和充满电解液的多孔隔离体 (separator)可以确保电极彼此间不接触，避免电流直接在电极之 间流动。同时，该多孔隔离体允许离子流以两个方向流过电极之间 的电解液。正如以下讨论的，双层电荷形成于固体电极和电解液之 间的界面。

当电势被施加到双层电容器的一对电极之间时，存在于电解液 的离子被吸引朝向带有相反电荷的电极表面，并向该电极迁移。因 此，产生了带相反电荷的离子层并保持在每一电极表面附近。电能 被储存在这些离子层与相应电极表面的电荷之间的电荷隔离层 (charge separation layer)中。事实上，该电荷隔离层本质上起到了 作为静电电容器的作用。在由势能诱导的电场的影响下，静电电能 也可以通过电解质溶液分子的定向和排列而储存在双层电容器中。 然而，这种能量储存模式是次要的。

与传统电容器相比，有关于它们的容积和重量，双层电容器具 有高电容。对于这些容积和重量功效存在两个主要原因。第一，电 荷隔离层非常薄。它们的宽度通常要求为纳米级。第二，电极可由 多孔材料制成，其每单位体积具有非常大的有效表面积。因为电容 与电极的面积成正比并与电荷隔离层的宽度成反比，所以大的有效 表面积和窄的电荷隔离层的组合效果是其与相似大小和重量的传 统电容器相比具有非常高的电容。双层电容器的高电容使得电容器 能接收、储存，以及释放大量的电能。

储存在电容器中的电能可以利用公知的公式来确定：

E=C*V22.---(1)]]>

在这个公式中，E表示储存的能量，C代表电容，V是带电电 容器的电压。因此，电容器能够储存的最大能量(E_m)可由下述表 达式给出：

Em=C*Vr22,---(2)]]>

其中，V_r代表电容器的额定电压。它指出电容器的能量储存能 力同时取决于(1)它的电容，以及(2)它的额定电压。因此，增 大这两个参数对于电容器的性能是很重要的。