[发明专利]宽温度范围超级电容器

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求各自于2015年1月27日提交的美国临时申请第62/108,162号和第62/108,494号以及各自于2015年12月17日提交的美国临时申请第62/269,063号和第62/269,077号中的每一个的权益。本申请的内容还涉及2015年8月9日公开的国际公开第WO 201510271号。前述申请的公开内容通过引用并入本文。

联邦资助研究的声明

本发明是在由国家航空航天局(NASA)授予的合同第NNX15CC71P号、由国家航空航天局(NASA)授予的合同第NNX15CP59P号政府资金的支持下完成的。美国政府可享有本发明的权利。

背景技术

本文中公开的发明涉及能量储存单元，并且具体地涉及用于提供在高温下可工作的双电层电容器的技术。

能量储存单元普遍存在于我们的社会中。虽然大多数人将能量储存单元简单地认为是“电池”，但是也可包括其他类型的单元。例如，最近，超级电容器因其有利的特性而备受关注。简言之，现今许多类型的能量储存单元是已知的并且在使用中。

一般而言，能量储存单元包括设置在壳体(例如容器(canister))内的能量储存介质。虽然金属容器可为单元提供坚固的物理保护，但是这样的容器通常是导电的并且导热的，并且可以与能量储存单元反应。通常，这样的反应在速率上随着环境温度的升高而提高。许多容器的电化学性质或其他性质可导致不良的初始性能，并且引起能量储存单元过早劣化，尤其是在升高的温度下。

事实上，多种因素造成能量储存系统在升高的温度下的性能劣化。因此，需要用于改进双电层电容器(EDLC)在升高的温度下的性能的方法和设备。优选地，所述方法和设备以最低成本得到改进的性能。

在升高的温度下负面影响EDLC性能的一个因素是在升高的温度下电解质的降解。在EDLC中使用多种电解质，但是在升高的温度下只有少数电解质足够稳定地用于高温能量储存单元。此外，可用的电解质通常在高于约200℃的温度下不能充分发挥作用。某些应用需要能够在超过约200℃的温度下工作的能量储存单元，例如地下钻井，例如石油勘探和地热井。此外，在某些苛刻的应用中，可用的电解质在高于约150℃的温度下不能充分发挥作用。因此，需要电解质以将高温能量储存单元(尤其是EDLC)的工作温度范围扩大到高于约200℃的温度。还期望的是能够在宽范围的温度内，例如低至非常低的温度，例如-40℃或甚至-110℃且更低下运行的电解质。

尽管在任何EDLC中通常需要防止电极之间的接触，但是隔离件经常向EDLC引入不期望的特性，例如污染和分解。然而，可用的EDLC不能在没有隔离件的情况下工作，以防止电极之间的接触，即短路。因此，将需要无隔离件的EDLC以改善EDLC的性质。

前述背景部分仅仅出于信息目的提供，并不构成承认其中包括的任何信息是本申请的现有技术。

发明内容

在一方面中，公开了用于超级电容器的固态聚合物电解质。所述电解质包含离子液体和聚合物，并且可包含其他添加剂，其中使用固态电解质的超级电容器被配置成在约-40℃至约250℃、275℃、300℃、350℃或更大的温度下输出电能。

在某些实施方案中，将其他添加剂与聚合物混合，例如，胶凝剂(例如，二氧化硅或硅酸盐)、其他无机或陶瓷粉末(例如，氧化铝、二氧化钛、氧化镁、铝硅酸盐、或钛酸盐如BaTiO₃)、黏土(例如，膨润土或蒙脱石及其衍生物)、溶剂、其他聚合材料、增塑剂及其组合。

在另一方面中，公开了一种设备，其包括工作温度范围为-110℃至80℃或其任何子范围的双电层电容器。

在一些实施方案中，所述电容器包含电解质，该电解质包含：盐；第一溶剂；和第二溶剂；其中第一溶剂的熔点大于第二溶剂的熔点；其中第一溶剂的介电常数大于第二溶剂的介电常数。

在一些实施方案中，所述电容器包括加压壳体，所述加压壳体包含电解质，该电解质包含：盐；第一溶剂，其中第一溶剂在0℃的温度和760mmHg的压力下是气体。

各个实施方案可以单独或以任何合适的组合包括本文提供的权利要求列表中的任何上述特征。

附图说明

技术人员将理解附图主要出于举例说明的目的，而非旨在限制本文所述的本发明主体的范围。附图无需按比例绘制；在一些情况下，本文所公开的本发明主题的不同方面在附图中可以扩大或放大示出以助于理解不同特征。在附图中，相同的附图标记通常是指相同特征(例如，功能相似和/或结构相似的元件)。