[发明专利]用于提高能量密度和功率密度的电荷存储装置结构

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年9月4日提交的美国临时申请No.61/094,353的优先权，其全部内容以引用方式并入本文。

关于联邦政府资助的研发项目的声明

不适用

以引用的方式并入在光盘上提交的材料

不适用

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技术领域

本发明总体上涉及具有至少一个这样的电极的电荷存储装置，所述电极具有组合的双层超电容器、电化学超电容器和/或电池的功能。

背景技术

由于超电容器(也称为超级电容器)能够在瞬间提供比电池更高的功率密度以及比常规电介质电容器更高的能量密度，因此其吸引了广泛的关注。这些优异的性能使其成为混合动力电动车辆、电脑、移动电子设备和其他技术应用领域中优良的备选品。

通常，电化学电容器可以基于沿电极/电解质界面形成的电化学双层电容(EDLC)、或者由发生法拉第反应(Faradaic reaction)的材料(“法拉第材料”，例如氧化还原活性材料，如金属氧化物和导电聚合物)的快速可逆的法拉第过程形成的准电容(pseudocapacitance)来进行工作。在本申请中，将基于EDLC的电容器称为双层超电容器(DLS)，并且将涂覆在DLS的集电体上的电极材料称为DLS材料；将基于准电容的电容器和/或基于离子插入的电容器称为电化学超电容器(ECS)，并且将涂覆在ECS的集电体上的电极材料称为ECS材料；将涂覆在电池(例如原电池)的集电体上的电极材料称为电池材料；“电解质”是指在超电容器电极之间提供离子电导性的材料；并且“电荷收集体”是指将超电容器与电路或其它装置相连的导电材料。

对于DLS而言，快速充电/放电过程使得所述电容器具有高的功率密度，而其能量密度却受到有效双层面积的限制。迄今为止，大量的DLS材料(例如，诸如活性炭、模板碳(templated carbon)和碳纳米管(CNT)之类具有高的表面积的材料)已经被广泛研究。表面积为1000-2500m²/g的活性炭是最常用的材料，其在低的电位扫描速率下可以提供最高达320F/g的电容。然而，由于其曲折的孔结构和高的微孔率，该电容可能在高的扫描速率下急剧下降。另一方面，模板碳显示出均匀的孔隙几何形状和较大的孔径；然而，它们并没有在能量或功率性能方面表现出任何令人振奋的改善。作为比较，多壁CNT显示出最高达135F/g的电容，单壁CNT显示出最高达180F/g的电容，这对于实际设备应用来说还是很低的。

与DLS材料相比，ECS材料(如基于金属氧化物或导电聚合物的ECS材料)可提供高得多的比电容(例如，最高达一千法拉/克ECS材料)。但是，ESC的实际应用仍然受到高成本、低工作电压或低倍率性能的限制，这最主要是由于低效的质量迁移(mass transport)或缓慢的法拉第氧化还原动力学造成的。具体而言，如此高的电阻会限制氧化物电极的实际厚度(最小尺寸)，这是因为厚度的增加会导致电极电阻增加、电荷迁移减慢和/或低的功率。

因此，尽管经过广泛的研究和努力，但是制作具有高的能量和功率密度的超电容器仍然是有挑战性的。现有技术中的超电容器电极尚未提供许多高性能商业应用所需的设备性能(例如，能量密度、功率密度、循环稳定性、工作电压)以及可制造性。

发明概述

本发明描述了具有增强的能量密度和功率密度性能的超电容器，这主要是通过使用包含多种类型(例如，DLS、ECS和/或电池)的电极材料的电极而实现的。例如，本发明实施方案中的超电容器可包括由涂覆在电荷收集体的一部分上的DLS材料以及涂覆在同一电荷收集体的另一部分上的ECS材料形成的第一电极。在本发明的另一个实施方案中，电极中的DLS材料和ECS材料均可与共同的电荷收集体和电解质接触。