[发明专利]电容储能装置及其生产方法

说明书

本发明提供了一种电容储能装置，包括：至少一个渗透有电解质的多孔膜；和设置在多孔膜的第一表面的顶部上的一对或多对分离电极，每个电极包括与下面的多孔膜离子连通的电容电极材料，其中电解质经由多孔膜的内部孔隙在分离电极之间提供离子连通。

技术领域

本发明涉及电容储能装置(capacitive energy storage device)，涉及电容储能装置的生产方法，并且涉及以多孔膜(film)来生产堆叠式电容储能装置的用途。特别地，电容储能装置包括至少一个渗透有电解质的多孔膜，其中，一个或多个电容电极对形成在膜表面上，并在膜的内部孔隙中与电解质离子连通。

背景技术

小型化电子装置在现代生活中的日益增长的影响推动了对小型化储能系统开发的越来越多的研究。电源系统经常占据装置体积或重量的50％以上，并通常是小型化的主要限制。尽管电池传统上具有相对较高的能量密度的优点，但是它们的低功率容量和有限的循环寿命，以及在维持电化学性能的同时减小规模的挑战，导致人们对高性能超级电容器作为电池替代品的兴趣日益增加。这些装置提供平衡的能量和功率密度、快速的充电/放电能力(比法拉第装置高几个数量级)、延长的使用寿命、免维护的运行以及对环境低影响。因此，对于许多应用，无论是单独使用还是与电池系统集成在一起，超级电容器都是有吸引力的能源。

传统的超级电容器是通过使用多孔碳电极材料涂覆厚度通常大于100微米的金属集流器(current collector)箔制成的。然后将两个这样的电极面对面组装，并使用插入的多孔隔膜(separator)提供电绝缘，但允许离子连通，如图1所示。电解质使隔膜和电极饱和，同时装置经由集流器电连接到外部电路。多孔电极以离子的形式存储电荷，该电荷主要位于高表面积碳电极材料的双电层(electrical double layer)中。因此，这样的装置被称为双电层(EDL)超级电容器。

在这种EDL超级电容器中，电极的分离距离取决于隔膜的厚度，并且因此电极之间的间隔至少为50–100微米。离子在充电和放电期间经过的相对较长的距离限制了装置的功率密度。此外，电极的大表面积通常在超级电容器装置的横截面上延伸并因此在mm²(平方毫米)至cm²(平方厘米)范围内，因此有必要使用金属集流器来在电极与外部电路之间进行有效的电子传输。因此，集流器、隔膜和组件之间的界面会导致死体积(dead volume)、重量增加和装置的柔性降低。

为了解决这些缺点，已经开发了平面电极几何形状以提供相对于传统超级电容器具有改善的能量密度的微型超级电容器。在这些装置中，通常以所需的电极几何形状在导电金属垫上对绝缘基板进行图案化，并通过电化学沉积或其他技术将电极材料沉积在垫上。沉积在基板上的电解质层在整个表面上的电极之间提供离子连通，而金属垫充当集流器。尽管这种方法避免了传统电极-隔膜-电极配置的一些限制，但可达到的电极分辨率通常不足以制造1至50微米范围内的电极分离距离，并且制造过程需要复杂的多步骤过程。

近来，直接的“写入”方法已经允许制造具有平面配置的真正的微米尺度电极。在该技术中，绝缘石墨烯氧化物层被涂覆到基板上，并且电极通过聚焦束被“写入”该层，该聚焦束选择性地将石墨烯氧化物还原为导电的高表面积石墨烯。所得的石墨烯电极被中间的石墨烯氧化物分离，该中间的石墨烯氧化物能够保留电极之间离子连通所需的电解质贮存器(reservoir)。如El Kady等人在自然通讯(Nature Communication)s 2013，4，1475和Lobo等人在先进能源材料(Advanced Energy Materials)2015，19，1500665中所述，因此，激光和聚焦离子束都已用于转录具有高分辨率的叉指式电极(interdigitatedelectrode)。

在后者的研究中，制造了电极间分离距离低至1微米的电极，其面积电容超过100mFcm^-2，并且具有超快的循环响应。这种优异的性能归因于电极的微米尺度分辨率，并且特别地归因于动力学控制从线性扩散转变为径向扩散离子传输机制，该转变发生在临界电极尺寸以下，该尺寸被认为低于50微米。