[发明专利]用于电化学双层电容器的多孔碳

说明书

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§120，要求2010年11月30日提交的美国申请系列号第12/956,061号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。

发明领域

本发明一般地涉及电化学双层电容器，更具体地涉及用于例如EDLC的包含活性碳的电极。

背景

诸如超级电容器之类的储能器件，也称作电化学双层电容器（EDLC），可以用于许多需要离散的功率脉冲的应用。示例性应用的范围是从手机到混合动力汽车。储能装置通常包含夹在一对碳电极之间的多孔隔膜和/或有机电解质。能量的储存是通过将电化学双电层中的电荷分离并储存在电解质与电极之间的界面上来实现的。这些装置的重要特性是它们可提供的能量密度和功率密度，所述能量密度和功率密度在很大程度上都取决于碳基电极的性质。

适合用来结合入高能量密度装置的碳基电极是已知的。构成这种电极的基础的碳材料可用天然或合成前体材料制成。已知的天然前体材料包括煤、坚果壳和生物质，而合成前体材料通常包括酚醛树脂。无论是天然前体还是合成前体，碳材料均可通过先碳化前体，然后活化所得的碳来形成。活化可包括物理活化（例如蒸汽）或化学活化。

碳的比电容是影响该材料能否被成功结合到高能量密度装置如EDLC中的性质。体积比电容越高，通常导致所得装置的体积能量密度越高。因此，如果能提供具有高比电容的活性碳材料是有利的。这种材料可用来形成碳基电极，利用所述碳基电极可得到能量密度更高的装置。

发明内容

包含碳基电极的EDLC的性能可能与碳的性质密切相关。本发明揭示了一种改善关于活性碳材料的理解水平，以及它们在EDLC中的用途。本文所揭示的碳材料具有如下结构，该结构由总BET表面积与总孔体积比限定，而不依赖于活性碳的类型。在本发明中，证实微孔碳的总BET表面积与总孔体积比与EDLC的性能相关。本发明揭示了一种微孔碳，其具有小于或等于1.2nm的中值孔宽，并且总BET表面积与总孔体积比为2200-20,000m²/cm³。

本发明的实施方式涉及一种包含微孔碳的电化学双层电容器电极，其中，所述微孔碳具有小于或等于1.2nm的中值孔宽，并且总BET表面积与总孔体积比为2200-20,000m²/cm³。

在以下的详细描述中给出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言是容易理解的，或通过实施文字描述和其权利要求书以及附图中所述实施方式而被认识。

应理解，上面的一般性描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的，用来提供理解权利要求书的性质和特点的总体评述或框架。

所附附图提供了对本发明的进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明了本发明的一个或多个实施方式，并与说明书一起用来解释各种实施方式的原理和操作。

附图简要说明

图1显示活性碳样品的体积比电容与总BET表面积和总孔体积比的关系。

图2显示活性碳样品的体积比电容与总BET表面积的关系。

图3显示活性碳样品的体积比电容与DFT总孔体积的关系。

具体实施方式

本发明的实施方式包括一种包含微孔碳的电化学双层电容器电极，其中，所述微孔碳具有小于或等于1.2nm的中值孔宽，并且总BET表面积与总孔体积比为2200-20,000m²/cm³。

在典型的EDLC中，一对电极被多孔隔膜分隔，液体有机或无机电解质渗透通过电极/隔膜/电极层叠件。可将微孔活性碳结合到一个或多个复合电极的碳基层中。所述碳基层包含活性碳粉末，所述活性碳粉末与其他添加剂（例如粘结剂）混合，并压缩成薄片，直接或者通过中间导电层叠置在导电的金属集流体背衬件上。

举例来说，厚度范围在约100-300μm的碳基层可通过以下步骤制备：辊压包含70-95重量%微孔活性碳、0-10重量%炭黑和5-20重量%粘结剂（例如氟碳粘结剂如PTFE或PVDF）的粉末混合物。可任选利用溶剂将所述粉末混合物形成糊料，所述糊料可被压制成碳片并干燥。所述碳片可以进行压延、冲压或者图案化并层叠到导电集流体或者涂覆了导电层的集流体上，以形成碳基复合电极。在结合到复合电极中之前，示例性碳片的长度、宽度和厚度可分别为18英寸、3.75英寸和250μm。复合电极可结合到储能装置中。