[发明专利]优化的混合型超级电容器

说明书

本发明涉及一种混合型超级电容器，其包括具有以下组成的电极：87.5至96.5质量%的活性材料，2.5至7.5质量%的导电添加剂，和1至5质量%的粘合剂，其中正电极的活性材料是由a）30至40质量%的LiMn₂O₄（LMO）和b）60至70质量%的活性炭构成的混合物；和其中负电极的活性材料是由a）20至30质量%的Li₄Ti₅O₁₂（LTO）和b）70至80质量%的活性炭构成的混合物。负电极与正电极的活性物料的比例为0.4至1.2。

技术领域

本发明涉及一种混合型超级电容器。

背景技术

电能借助电化学能量储存器系统如电化学电容器（超级电容器）或电化学一次-或二次电池组的储存在多年以来是已知的。所述电能储存器系统的区别在于能量储存的基本原理。

超级电容器通常包括负电极和正电极，它们通过隔膜而彼此分开。在所述电极之间此外存在离子导电性的电解质。电能的储存基于，在超级电容器的电极上施加电压时在其表面上形成电化学双层。该双层由电解质构成的电荷载体而形成，其设置在带有相反电荷的电极的表面上。在这种类型的能量储存的情况下没有发生氧化还原反应。因此，超级电容器理论上可以任意经常地充电和由此具有非常高的使用寿命。超级电容器的功率密度也很高，然而能量密度相比于例如锂离子电池组则较低。

不同地，一次-和二次电池组中的能量储存通过氧化还原反应进行。这些电池组也通常包括负电极和正电极，它们通过隔膜而彼此分开。在所述电极之间同样存在导电性的电解质。在锂离子电池组（最广泛使用的二次电池组类型之一）中，能量储存通过锂离子嵌入在电极活性材料中而进行。在电池组电池的运行时，即在放电过程中，电子在外部电路中从负电极流向正电极。在电池组电池的内部，锂离子在放电过程中从负电极迁移到正电极。这里，锂离子从负电极的活性材料中可逆地脱嵌，这也称作脱锂化。在电池组电池的充电过程中，锂离子从正电极迁移到负电极。这里，锂离子再次可逆地嵌入到负电极的活性材料中，这也称作锂化。

锂离子电池组的特征在于，它们具有高的能量密度，即它们在单位质量或体积中可以储存大量的能量。然而相对地，它们仅具有有限的功率密度和使用寿命。这对于许多应用是不利的，从而使得锂离子电池组在这些领域中不能或仅能以受限的程度使用。

混合型超级电容器是这些技术的组合，并且适合于填补具有锂离子电池组技术和超级电容器技术的应用可行性中的空缺。

混合型超级电容器通常同样具有两个电极，它们包含各一个集电体（Stromableiter）并且通过隔膜而彼此分开。电荷在所述电极之间的传送通过电解质或电解质组合物而得到保证。所述电极通常包含作为活性材料的传统的超级电容器材料（下文也称为静态电容活性材料）以及能够与电解质的电荷载体发生氧化还原反应并且由此形成嵌入化合物的材料（下文也称为电化学氧化还原活性材料）。混合型超级电容器的能量储存器原理因此在于，电化学双层的形成以及法拉第锂-嵌入化合物的形成的组合。由此获得的能量储存器系统具有高的能量密度以及高的功率密度和长的使用寿命。

混合型超级电容器还包括其他组件，例如隔膜、集电极（Kollektor）和外壳。集电极用于电接触电极材料和将其与电容器的接头连接。它们必须具有好的导电性。为了防止腐蚀，集电极和外壳通常由相同的材料制成，通常是铝。

混合型超级电容器的能量密度和功率密度由所使用的电极活性材料决定。所使用的电化学氧化还原活性材料可以实现高的能量密度，而静态电容活性材料则决定了功率密度。负电极或正电极的总电容量很大程度上决定了在充电的电池中两个电极的电势限值。出于这个原因，正电极的电容量必须精确地与负电极的电容量相匹配（或反之亦然）。电极电容量的错误配置可导致电池的使用寿命大大缩短，因为例如过高的负电极电容量会导致正电极的电势过高（在充电的电池中）。由此可以“迫使”正电极处于不稳定的电势范围中，这可以导致副反应（例如电解质分解）。混合型超级电容器的各个电极的总电容量主要由四个因素决定：