用于固体电解质中间相形成和锂离子电容器的阳极预锂化的方法
【专利说明】用于固体电解质中间相形成和锂离子电容器的阳极预锂化的方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2013年4月23日提交的名称为“METHODS FOR SOLID ELECTROLYTEINTERPHASE FORMAT1N AND ANODE PRE-LITHIAT1N OF LITHIUM 1N CAPACITORS”的美国临时申请号61/815，157的权益，兹将其全部内容通过引用结合于本文。
技术领域
[0003]本发明总体上涉及电能储存设备，更具体地，涉及利用离子种类预掺杂电能储存设备的电极的一种方法。
【背景技术】
[0004]锂离子电容器可以用于向多种范围的电子设备供电，包括(例如)风力发电系统、不间断电源系统、光伏发电和/或工业机械和运输系统中的能量回收系统。锂离子电容器可以有多种形状(例如，棱柱形、圆柱形和纽扣形)。锂离子电容器(LIC)可以包括浸在电解质中的阳极和阴极，电解质提供阳极与阴极之间的离子种类的运输。锂离子电容器可以是一种混合超级电容器类型，表现出有效的静电和电化学能量储存。例如，电荷可以储存在双电层中，双电层形成在电解质与电极之间(例如锂离子电容器电解质和锂离子电容器阴极之间)的界面处。也可以通过吸附锂离子种类进入电极(例如吸附锂离子进入锂离子电容器阳极)来储存锂离子电容器中的电能。通过预掺杂工艺可以将锂离子掺入锂离子电容器的阳极中。
[0005]可以在锂离子电容器阳极的表面附近形成固体电解质中间相(SEI)层。可以在阳极预掺杂过程形成固体电解质中间相层。例如，由于涉及电解液和电解质盐在阳极表面处的电化学反应，可以至少局部地形成固体电解质中间相层。固体电解质中间相层可以使阳极电绝缘，而允许离子运输至阳极。
【发明内容】
[0006]实施方式可以包括一种能量储存设备的阳极的预掺杂方法，该方法包括:在电解质中浸入所述阳极和掺杂源，其中所述掺杂源可以包括锂离子的源。该方法可包括在所述阳极和掺杂源之间耦接基本恒定电流。
[0007]在一些实施方式中，所述能量储存设备可以包括锂离子电容器。
[0008]在一些实施方式中，所述耦接可以包括在所述阳极与所述掺杂源之间耦接基本恒定电流达一段时间以在所述阳极与所述掺杂源之间实现约0.01伏(V)到约0.4V的电位差。在一些实施方式中，所述耦接包括在所述阳极与所述掺杂源之间耦接基本恒定电流达一段时间以实现约60%到约90%的阳极预掺杂浓度。在一些实施方式中，在所述阳极与所述掺杂源之间耦接所述基本恒定电流可以包括:耦接一电源，该电源供应与C/72到C/144的电流C-速率对应的基本恒定电流。
[0009]在一些实施方式中，所述方法可以包括:邻近所述阳极形成基本均质的固体电解质中间相层，其中，所述固体电解质中间相层在其形成之后基本不受扰动(undisturbed)。
[0010]在一些实施方式中，所述方法可以包括:耦接穿过所述阳极和所述掺杂源的所述基本恒定电压之后去除所述掺杂源。在一些实施方式中，所述方法可以包括:在所述电解质中浸入阴极，其中，浸入所述掺杂源包括将所述掺杂源浸入到所述阳极的与面对所述阴极的一侧相反的一侧。
[0011]在一些实施方式中，所述方法可以包括:耦接穿过所述阳极和掺杂源的基本恒定电流之后执行形成步骤。所述形成步骤可以包括:在所述阳极和所述掺杂源之间施加约2伏(V)到约4.2V的基本恒定电压。在一些实施方式中，执行所述形成步骤可以包括:在所述阳极和所述掺杂源之间施加约2伏(V)到约4.2V的基本恒定电压持续达约5小时到约75小时的时间段。
[0012]实施方式可以包括一种预掺杂能量储存设备的阳极的方法，该方法包括:在电解质中浸入所述阳极和掺杂源，其中，所述掺杂源可以包括锂离子的源。所述方法可以包括在所述阳极和所述掺杂源的两端耦接基本恒定电压。
[0013]在一些实施方式中，所述能量储存设备可以包括锂离子电容器。
[0014]在一些实施方式中，在所述阳极和所述掺杂源的两端耦接所述基本恒定电压可以包括耦接一电压源，该电压源供应约0.01伏(V)到约0.4V的基本恒定电压。在一些实施方式中，在所述阳极和所述掺杂源的两端耦接基本恒定电压可以包括:耦接所述基本恒定电压达一段时间以实现约60%到约90%的阳极锂离子预掺杂浓度。
[0015]在一些实施方式中，所述方法可以包括:在所述阳极和所述掺杂源的两端耦接所述基本恒定电压之后执行形成步骤。所述形成步骤可以包括:在所述阳极和所述掺杂源之间施加约2伏(V)到约4.2V的基本恒定电压。在一些实施方式中，执行所述形成过程可以包括:在所述阳极和所述掺杂源之间施加约2伏(V)到约4.2V的所述基本恒定电压达约5小时到约75小时的时间段。
[0016]在一些实施方式中，所述方法可以包括:邻近所述阳极形成基本均质的固体电解质中间相层，其中，所述固体电解质中间相层在其形成之后基本不受扰动。
[0017]在一些实施方式中，所述方法可以包括:在所述阳极和所述掺杂源的两端耦接所述基本恒定电压之后去除所述掺杂源。在一些实施方式中，所述方法可以包括:在所述电解质中浸入阴极，其中，浸入所述掺杂源包括将所述掺杂源浸入到所述阳极的与面对所述阴极的一侧相反的一侧。
[0018]实施方式可以包括一种能量储存设备，该能量储存设备具有:阴极、阳极，该阳极包括约60%到约90%的锂离子预掺杂浓度；以及所述阳极与所述阴极之间的隔膜，被配置为在所述阳极与所述阴极之间提供电绝缘。
[0019]在一些实施方式中，所述设备可以包括掺杂源，该掺杂源位于所述阳极的与面对所述阴极的一侧相反的一侧。在一些实施方式中，所述掺杂源可以包括锂金属。在一些实施方式中，所述设备可以包括所述阳极与所述掺杂源之间的第二隔膜。
[0020]在一些实施方式中，所述设备可以包括传导锂离子的非水电解质。在一些实施方式中，所述阳极可以包括石墨。
[0021 ] 在一些实施方式中，所述能量储存设备可以包括锂离子电容器。
[0022]为了综述本发明和相对于现有技术实现的优点的目的，文中描述了一些目标和优点。当然，应当理解，并非所有这些目标或优点需要根据任何【具体实施方式】来实现。因此，例如，本领域技术人员会意识到，可以以能够实现或者优化一个优点或一组优点，而无需实现其他目标或者优点的方式来体现或实现本发明。
[0023]所有实施方式旨在处于本文中公开的本发明的范围内。从下面参考附图的详细描述，这些和其他实施方式对于本领域技术人员来说将是显而易见的，本发明不受限于任何一个或多个具体公开的实施方式。
【附图说明】
[0024]参考某些实施方式的附图描述本公开内容的这些和其他特征、方面和优点，其旨在说明某些实施方式而不是限制本发明。
[0025]图1示出了根据一个实施方式的示例锂离子电容器的截面图。
[0026]图2示出了根据一个实施方式的示例锂离子电容器阳极预掺杂装置的截面图。
[0027]图3示出了根据一个实施方式的示例锂离子电容器阳极预掺杂装置的截面图。
[0028]图4为与恒定电压预掺杂步骤中施加的电压对应的测定容量值的曲线图。
[0029]图5为列出了测量的锂离子电容器的性能参数的表格，所述锂离子电容器具有利用恒定电压预掺杂步骤预掺杂的阳极。
[0030]图6为锂离子电容器的周期性能的曲线图，所述锂离子电容器具有利用恒定电压预掺杂步骤预掺杂的阳极。
[0031]图7为列出了测量的锂离子电容器的性能参数的表格，所述锂离子电容器具有利用恒定电流预掺杂步骤预掺杂的阳极。
[0032]图8为锂离子电容器的周期性能的曲线图，所述锂离子电容器具有利用恒定电流预掺杂步骤预掺杂的阳极。
【具体实施方式】
[0033]尽管下面描述了某些实施方式和实例，但本领域技术人员应当明白，本发明扩展超出具体公开的实施方式和/或其用途和明显变型和等同物。因此，意在说明本文中公开的本发明的范围不限于下面描述的任何【具体实施方式】。
[0034]本发明的实施方式涉及有助于改善电容器性能的锂离子电容器和制作这些电容器的方法。在一实施方式中，通过使用恒定电压方法预掺杂阳极制作电容器。恒定电压预掺杂方法可包括在电解质中沉浸掺杂剂源和电容器阳极。可施加恒定电压在阳极和掺杂剂源的两端达一段时间，使得在邻近阳极的表面形成固体电解质中间相层。可选择恒定电压预掺杂步骤的电压和/或时间段以有助于实现阳极锂离子预掺杂的期望浓度，例如，有助于期望的电容器电学和/或寿命周期性能。恒定电压预掺杂方法可包括在阳极和掺杂源之间提供恒定或基本恒定的约0.01伏(V)到约0.4V的电压。在一实施方式中，通过使用恒定电流方法预掺杂电容器阳极来制作电容器。恒定电流预掺杂方法可包括在掺杂源和阳极之间保持恒定电流，同时掺杂源和阳极沉浸在电解质中。恒定电流可保持一段时间，使