[发明专利]控制粘结剂含量的超级电容器电极

说明书

技术领域

本发明一般涉及电极和电极的制造。更具体而言，本发明涉及 储能装置中所用的电极，例如电化学双电层电容器。

背景技术

电极广泛地用于许多电能储存设备，包括原电池(非可充电 的)、充电电池(可充电的)、燃料电池和电容器。电能储存设备的 重要特性包括能量密度、功率密度、最大放电速率、内部漏电电流、 等效串联电阻(ESR)和/或耐用性，即能够经受多次放电-充电循 环的能力。由于很多原因，双电层电容器，也称为超级电容器，逐 渐普及到许多能量储存应用中。这些理由包括可以获得具有高功率 密度(在充电和放电两种模式中)和接近传统充电电池能量密度的 双电层电容器。

双电层电容器通常用浸没在电解液(电解质)中的电极作为它 们的能量储存元件。同样，浸没在该电解液或浸饱和该电解液的多 孔隔离物(多孔隔离层)可以确保电极相互之间不发生接触，防止 了电流直接在电极之间流过。同时，所述多孔隔离物又容许离子流 在两个方向上流过电极之间的电解液。正如如下所讨论那样，电荷 双电层在固体电极和电解液之间的界面形成。

当在双电层电容器的电极对之间施加电压时，存在于电解液中 的离子就被吸引向带相反电荷的电极，并向该电极迁移。这样，就 产生了带相反电荷的离子层，并维持在每一个电极表面的附近。电 能就储存在对应电极表面的这些离子层和电荷层之间的电荷分离 层中。实际上，电荷分离层基本上与静电电容的行为一样。静电能 也能通过电解液溶液分子在电势诱导的电场作用下的定向和排布 而储存在双电层电容器之中。然而，这种能量储存模式是次级的。

与传统电容器相比，双电层电容器相对于其体积和重量具有高 容量。对于这些体积和重量效率，具有两个主要的理由。第一，电 荷分隔层非常窄。其宽度一般处于纳米级。第二，电极能够由多孔 材料制成，单位体积具有非常大的有效表面积。因为容量与电极表 面积成正比而与电荷分隔层的宽度成反比，大的有效表面积和窄的 电荷分离层的结合效应导致与小尺寸和重量的传统电容器相比具 有非常高的容量。双电层电容器的高容量使得电容器能够接受、储 存和释放大量的电能。

电容器中储存的电能可以用众所周知的公式确定：

E=C×V22---(1)]]>

在该公式中，E表示所储存的能量，C表示电容，而V为充电 电容器的电压。因此，电容器中能够储存的最大能量由以下表达式 给出：

Em=C×Vr22---(2)]]>

其中V_r代表电容器额定电压。由此得出结论，电容器能量储存 能力取决于(1)其电容，和(2)其额定电压。因此，提高这两个 参数对于电容器性能而言是很重要的。实际上，因为总能量储存能 力与电容呈线性变化，也与电压的二次方呈线性变化，提高额定电 压可能是这两个目的中更重要的。

对于制造双电层电极的传统方法，如挤出和涂层，一般会苛求 超过10wt％或15wt％的高粘结剂含量。这些方法要求将挤出物层压 在，或者将料浆涂层到集电器上，这样一般会产生粘结剂物料显著 的分散不均，而高粘结剂量降低了可用于电极中的活性碳含量。这 就可能提供相对较低的能量密度。