[发明专利]可再充电的混合式电池/超电容器系统

说明书

发明背景

本发明涉及可充电无数次的电能贮存系统，为广泛的电应用装置提供了可靠的电源。本发明尤其涉及一种可再充电的贮存系统，它表示出通常与电池有关的高能量密度，以及超电容器所代表的高功率密度和长工作寿命。

在本发明中，此类系统是一种多层的贮能装置结构，包含许多正极与负极元件，各正负极元件包括构成一个单体挠性结构的假电容器或者双层超电容器材料与可再充电的插入电池材料，单体挠性结构的大小与形状可以根据需要决定，以与应用装置最兼容，并提供有利的高能量密度与功率密度。

现代应用需要可移动电源，这些应用从个人电信装置遍及到电动汽车，数量呈指数增加。这些应用在例如电压或功率电平上的要求广泛，但是均偏好于能在长时间内一直迅速提供高能密度且能很快再充电至操作能量电平的轻贮存装置。迄今，两种现有类型贮存装置中的任何一种，即诸如锂电子插入系统等可再充电电池，或者感应式假电容超电容器或非感应式双层反应型超电容器，多少满足这些广泛的可移动能量的需求。

选择电池或超电容器系统通常由所述应用对高能量密度或迅速输送高功率的需求哪个更迫切来决定，其中电池具有高能量密度，而超电容器可以迅速输送高功率。在单一应用中符合高能量与高功率密度两种需求的尝试已在某些情况下发展成以下述方式将两种装置种类排列在一起，以便电池可以在高功率需求的时间段之间对超电容器充电。很明显地，此种实例的缺点是重量过重。此实例的其它限制反映在电池充电的时间需求，以及电池的多样性和电池寿命周期，其中插入电池充电操作的物理性严苛条件通常会缩短电池寿命周期。

本发明系统表示出，符合可移动电能应用需求的装置有明显的进步，它在一个轻量且扩大电容的单体集成装置中结合了电池与超电容器二者的必要特性。当系统具有例如由一个活性碳超电容器元件与一个可插入电池组合物组成的相对电极时，特别在所述合物是一种过渡金属氧化物尖晶石材料，其结构能够进行离子迅速扩散且插入后物理失真少的情况下，该系统可以同时具有电池的高贮能能力以及超电容器的高速能量输送与出人意料的寿命周期。感应电池插入与电容表面充电的独特结合具有另一优点，即可实现这样插入系统，它们因为能够例如调整具有相当大小的阳离子(例如，碱土阳离子)大小的可容纳相对电极材料稀少才能达成。

本发明的混合系统可使用先前可再充电插入电池与超电容器装置的大部分组合物。此等早期装置典型地描述于例如美国专利5,418,091与5,115,378。如同在此等早期系统中一般，插入电极可以包括金属硫化物、氧化物、磷酸盐类与氟化物、开放结构的含碳石墨、硬化碳与焦炭，以及合金元素，诸如铝、锡与硅。同样地，表面活性的电容器材料，通常是大表面积封闭结构活性碳粉末、发泡体、纤维与纺织品，它们可用于相对电极中。混合系统的其中活性电解质元件同样可由现有材料调配，并且在可插入碱金属与碱土金属阳离子的非水性溶液中使用特定的有用物质，该物质通常以明显的流体形式包含在含纤维或聚合物基质的材料中，由此为两种电解质离子物质的移动保持一个导通的环境。二次电池所代表的层叠聚合层格式描述于美国专利5,460,904，而且相关的出版物很适用于本发明的结构。

发明内容

发明混合式电池/超电容器结构本质上包括负与正电极组件，其具有一个包含流体电解质的插入绝缘离子穿透隔离组件。此等功能组件呈层叠在一起的个别层或隔膜形式为佳，以形成一种挠性单一结构。该负“电池”电极组件层包括一种可插入材料的组合物，以一种分散于例如聚(偏二氟乙烯-共聚-六氟丙烯)共聚物的聚合基质中的尖晶石化合物为佳。为了提供电极间的低电阻电流传导，该电池层可热层叠于一个导电电流收集组件，诸如一个网状金属箔。该正“超电容器”对电极组件层同样系由一种在共聚物基质中的活性碳组合物与一种电流收集箔制得。

在电极组件之间插入隔离组件，其可包括先前所使用高度孔隙率、微孔状或是吸收性聚合物薄膜层或隔膜任何一者，此等层或隔膜中分散有一种包括一种可插入阳离子的电解质盐溶液，例如LiPF₆在2份数碳酸伸乙酯与1份数碳酸二甲酯混合物中的1M溶液。此种电解质确保该系统结构内的基本离子传导性与移动性。本发明中，该移动性系符合于该装置充电与放电期间使该电解质盐的两种离子物质迅速流入与流出个别电极的令人注意目的。高度流动性可使该较大、先前已钝化且未使用的阴离子物质产生较不受限制的移动，以吸附在正电极，其于此处参与系统组件的电容充电作用。