具有增强的能量密度的能量储存装置的制造方法
【专利说明】具有増强的能量密度的能量储存装置
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2013年6月14日提交的序列号为61/835320的美国临时申请的权益，其标题为“ENERGY STORAGE WITH ENHANCED ENERGY DENSITY”，兹通过引用将其全部内容结合于此。
技术领域
[0003]本发明总体上涉及电能储存装置，更加具体而言，涉及电能储存装置电解质和电极的设计。
【背景技术】
[0004]能量储存装置，如超级电容器，可以用于为各种电子装置供电。超级电容器通常包括第一电极、第二电极和浸有电解质的隔板，电解质促进离子种类在第一电极和第二电极之间的迀移。例如，超级电容器可以储存在电解质与电极之间的界面处形成的双电层中的电荷。
[0005]能量储存装置的性能的测量可以包括能量储存装置储存能量的能力的测量。这样的测量方法之一为装置的能量密度。超级电容器的能量密度取决于超级电容器的操作电压，并且通常情况下需要具有更高能量密度的超级电容器，因为它能够以较低的占地面积(footprint)提供更多的能量。此外，具有更高能量密度的超级电容器可促进为电子装置供电时使用更少的超级电容器单元，使得能够使用超级电容器为更多数量的电子装置供电，包括具有有限可用空间的电子装置。
【发明内容】
[0006]—种最终能量储存装置产品可以包括容器、第一电极、第二电极和所述第一电极与第二电极之间的隔板，其中所述第一电极、第二电极和隔板位于所述容器内。所述最终能量储存装置的容器内的电解质可具有的总质量为足以使所述第一电极、所述第二电极和所述隔板完全浸透(saturate)的电解质的浸透量的至少100%且小于或等于电解质的浸透量的104%。
[0007]在一些实施方式中，电解质的质量小于等于电解质的浸透量的102 %。在一些实施方式中，电解质的质量小于等于电解质的浸透量的101%。
[0008]在一些实施方式中，所述最终能量储存装置是密封的。在一些实施方式中，所述最终能量储存装置被配置为在3伏特(V)的操作电压下操作。在一些实施方式中，所述能量储存装置具有果酱卷构造。在一些实施方式中，所述电解质包括0.75摩尔/升(M)至0.95M的盐浓度。
[0009]在一些实施方式中，所述第一电极和所述第二电极中的至少一个包括多个穿孔。
[0010]—种能量储存装置的制备方法可以包括提供容器，在所述容器中插入第一电极和第二电极，其中隔板被设置在第一电极和第二电极之间。所述方法可以包括添加最终总质量的电解质至所述容器内，其中所述总质量为电解质的浸透量的至少100%且小于或等于电解质的浸透量的104%。
[0011]在一些实施方式中，添加所述总质量的电解质包括:添加质量小于或等于电解质的浸透量102%的电解质。
[0012]在一些实施方式中，所述方法包括密封所述能量储存装置。
[0013]在一些实施方式中，所述能量储存装置包括超级电容器。
[0014]在一些实施方式中，添加总质量的电解质包括:添加含有0.7M至0.95M盐浓度的电解质，并且其中，盐包括四乙基四氟硼酸铵和螺环季铵四氟硼酸盐中的至少一种。
[0015]在一些实施方式中，添加电解质总质量包括除电解质的浸透量外还添加附加的3克(g)或更少的电解质。
[0016]—种最终能量储存装置产品可以包括容器、第一电极、第二电极、所述第一电极和所述第二电极之间的隔板，其中所述第一电极、第二电极和隔板位于所述容器内。所述最终能量储存装置可以包括所述容器内含有0.6摩尔/升(M)至0.95M盐浓度的电解质。
[0017]在一些实施方式中，所述电解质包括季铵盐。在一些实施方式中，所述季铵盐包括从包括选自于由螺环季铵、四乙基甲基铵和四乙基铵组成的组中的阳离子。在一些实施方式中，所述季钱盐包括选自于由四氟硼酸盐(tetrafluoroborate)组成的组中的阴离子。
[0018]在一些实施方式中，所述电解质包括氰化甲烷。
[0019]在一些实施方式中，所述电解质包括0.8M的盐浓度。
[0020]在一些实施方式中，所述电解质包括质量被构成为足够使所述第一电极、所述第二电极和所述隔板完全浸透的电解质的浸透量的至少100%且小于等于其104%的电解质。
[0021]在一些实施方式中，所述能量储存装置包括被配置为在3伏特(V)的操作电压下操作的双电层电容器。
[0022]在一些实施方式中，所述能量储存装置被密封。在一些实施方式中，所述能量储存装置具有果酱卷构造。在一些实施方式中，所述第一电极和所述第二电极至少其中之一包括多个穿孔。
[0023]—种能量储存装置的制备方法可以包括提供容器，在所述容器中插入第一电极和第二电极，其中隔板被置于第一电极和第二电极之间。所述方法可以包括添加电解质至所述容器内，其中所述电解质可以包括0.6摩尔/升(M)至0.95M的盐浓度。
[0024]在一些实施方式中，添加所述电解质包括添加含有0.7M至0.95M盐浓度的电解质。在一些实施方式中，添加所述电解质包括添加含有0.8M盐浓度的电解质。
[0025]在一些实施方式中，添加所述电解质包括:添加螺环季铵四氟硼酸盐、四乙基甲基四氟硼酸铵和四乙基四氟硼酸铵中的至少一种。
[0026]在一些实施方式中，添加所述电解质包括添加质量为足够使所述第一电极、所述第二电极和所述隔板完全浸透的电解质浸透量的至少100%且小于等于其104%的电解质。
[0027]在一些实施方式中，所述方法包括密封所述能量储存装置。
[0028]—种制备能量储存装置的方法包括提供容器，在所述容器内插入第一电极和第二电极，其中隔板被置于所述第一电极和所述第二电极之间。所述方法可以包括使用电解质注射工具添加电解质的最终总质量至所述容器内，其中所述总质量相当于电解质的浸透量与对应于所述电解质注射工具的制造公差的电解质附加质量的组合。
[0029]出于总结本发明和现有技术所实现的优势的目的，此处描述某些目的和优势。当然，应当理解，不一定所有这样的目的和优势都可以根据任何特定实施方式来实现。因此，例如，本领域的技术人员可以认识到，可以能够实现或优化一个优点或一组优点而不一定实现其他目的或优点的方式来体现或实行本发明。
[0030]所有这些实施方式旨在处于本文公开的发明的范围内。通过结合附图的下述详细描述，这些和其他实施方式对于本领域的技术人员是显而易见的，本发明不限于任何特定的公开的一个或多个实施方式。
【附图说明】
[0031]图1示出了根据实施方式的能量储存装置实例的示意图。
[0032]图2示出了具有果酱卷构造的能量储存装置的实例。
[0033]图3示出了图2的果酱卷的自顶向下视图。
[0034]图4示出了具有有限量的电解质的最终能量储存装置产品的制备流程实例。
[0035]图5示出了具有有限摩尔浓度的电解质的能量储存装置的制备流程实例。
[0036]图6示出了包括穿孔电极的具有果酱卷的能量储存装置实例。
[0037]图7示出了具有穿孔集流器的示例穿孔电极的横截面视图。
[0038]图8示出了具有穿孔集流器的示例电极的横截面视图。
【具体实施方式】
[0039]虽然下文描述了某些实施方式和实例，但本领域的技术人员可以理解的是，本发明可以延伸超出所具体公开的实施方式和/或用途和明显的变形及其等同物。因此，旨在明确本文公开的本发明的范围不应限于下文描述的任何具体的实施方式。
[0040]能量储存装置(例如超级电容器)中电解质的数量和浓度，可以影响装置的性能。例如，能量储存装置内电解质盐浓度降低可以减少电极内部的离子迀移，从而降低装置性能，尤其在更大功率的应用中。电解质不足使得所述装置内的一个或多个电极/隔板未完全浸透的能量储存装置也会降低装置性能。此外，通常，对于任何给定能量储存装置来说，使一个或多个电极/隔板完全浸透所需的电解质确切的数量是未知的。为解决这些困难，常规思维是为能量储存装置提供高电解质浓度(1.2M以上)并且利用压力为能量储存装置填充过量的电解质，从而促进完全浸透。但是，过高的盐浓度会导致盐在装置电极内的析出，这可能阻塞装置电极的活性物质内的穿孔，导致性能降低。当能量储存装置内填充过量的电解质时，可以发生相似的盐析出。此外，含有过高的盐浓度(通过过渡填充电解质或使用高摩尔浓度的电解质)的能量储存装置内会发生二次反应，进而这会在装置内释放气体，引起除气、过压和安全问题。本文描述了完整的能量储存装置产品，以及在盐浓度范围内使用电解质和使用可以平衡这些对抗问题的电解数量的相关方法。
[0041]实施方式涉及具有更高能量密度的能量储存装置。一些实施方式涉及使用有限摩尔浓度的电解质的具有更高能量密度和/或寿命性能的超级电容器。已发现此处描述的摩尔浓度范围可以例如，在更低功率应用中，提供更高的能量密度和循环寿命，例如3V超级电容器。所述范围可以提供这样的提高，同时降低当具有更高摩尔浓度的电解质时所发生的盐的局部析出。
[0042]—些实施方式涉及具有通过使用有限数量的电解质而提高的能量密度和/或寿命性能的超级电容器。例如，用以构成最终超级电容器产品的电解质的总质量可以是至少100%且低于足以完全使所述装置内一个或多个电极和隔板浸透的电解质的浸透量的上限的阈值。此处所使用的电解质的“浸透量”相当于具有电极的容器内的电解质要求可以完全覆盖电极并且也浸透电极的可进入空间的最低量。例如，浸透量可以包括在达到稳态条件后，在室温常压下置于两个电极膜的物质粒子之间以及每个电极膜和任何隔离膜的穿孔内的电解质量。电解质的浸透量部分取决于一个或多个能量储存装置特性。例如