[发明专利]储能元件与超级电容器元件

说明书

本发明公开了一种储能元件与超级电容器元件，其中的储能元件包括正电极以及相对所述正电极配置的负电极。正电极与负电极分别位于一集电箔的至少一面。所述正电极以及所述负电极分别包括活性物质、导电助剂与黏接剂，且活性物质包括孔洞材料、氧化还原电极材料、或其组合。正电极以及负电极至少其中之一为具有三层以上的多层结构，且多层结构的最外层的氧化还原电极材料的浓度最低。

技术领域

本发明是有关于一种储能设备，且特别是有关于一种储能元件与超级电容器(supercapacitor,SC)元件。

背景技术

超级电容器(SC)又称为电双层电容元件(electrical double layer capacitor,EDLC)，其储能是利用静电能作为能量储存型式，在近年来的研究中尤其着重在其高功率输出的表现以及能量贮存并转换。EDLC能量贮存及释放皆来自静电荷吸附所形成的电双层结构。这样的电双层机制反复充放过程中，因为几乎不会产生电化学反应过程中对于电解液以及电极的损耗，所以具有优异的可逆电量以及长期充放循环表现维持率，其长期循环寿命可达数万次以上。

由于电双层面积会直接影响到电极容量，所以常被使用的电双层活性物质一般具备多孔洞以及高比表面积等特性，不仅可用于引出容量的活物，也可作为活物支架、电子导体、离子嵌入嵌出结构、热传导体或是集电基板等。除了活性物质，为了使电极材料与集电基板有理想的接口阻抗以及电极本身的可加工性，必须添加黏着剂。

然而，黏着剂本身通常并非电的良导体，且在充放电循环时电位变化过程中的稳定性大大地影响元件在长期循环及容量维持率表现。

过去超电容器的研究中，为了改善能量密度，常混用锂离子电池电极材料与电双层电极材料，然而在同一电极层中的两种材料通常会造成锂离子的竞争而无法达到预期的功能加成效果，故许多研究开始将两种不同功能取向的电极个别涂制，形成双层电极。然而此双层结构的层序各有利弊：以电双层材料与电基板接着时可以降低接合阻抗，但在外层的锂离子电池材料却也增加了锂离子扩散阻抗；反之，电双层材料置于外层虽有利于吸液及降低锂离子电池材料与电解液的反应，却也因低层接合阻抗较高而使电极功率特性下降。

上述研究对于长期循环特性以及功率表现也较无着墨。

发明内容

本发明提供一种储能元件，至少包括正电极与负电极。正、负电极分别位于一集电箔的至少一面。所述正电极以及所述负电极分别由活性物质、导电助剂与黏接剂所组成，且活性物质包括孔洞材料、氧化还原电极材料、或其组合。正、负电极分别为具有三层以上的多层结构，且多层结构中的氧化还原电极材料沿厚度方向上呈现一浓度分布，而多层结构的最外层的氧化还原电极材料的浓度最低。

在本发明的一实施例中，上述的浓度分布包括至少一个高斯分布或至少一个梯度分布。

在本发明的一实施例中，上述的氧化还原电极材料包括锂的钴系氧化物、锂的锰系氧化物、锂的镍系氧化物、锂的铁系氧化物、锂铁盐类或其组合中的一种。

在本发明的一实施例中，上述的正电极的所述氧化还原电极材料包括金属氧化物。

在本发明的一实施例中，上述的金属氧化物包括MnO₂、V₂O₅、Fe₂O₃、WO₂、NbO₂或NbO。

在本发明的一实施例中，上述的负电极的所述氧化还原电极材料包括锂钛氧化物、硫化钛或其群组。

在本发明的一实施例中，上述的孔洞材料是由活性碳、硬碳、软碳、石墨、介稳相碳(mesophasecarbon)及碳黑组成的材料群中选择的一种材料或其组合中的一种。