[发明专利]全固态电化学双层超级电容器

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求共同拥有的于2009年8月7日提交的题为“All Solid-State Electrochemical Double Layer Supercapacitor(全固态电化学双层超级电容器)”的美国临时专利申请61/232,068和于2009年8月7日提交的题为“Fuel Cell/Supercapacitor/Battery Power System for Vehicular Propulsion(用于车辆推进的燃料电池/超级电容器/电池电力系统)”的美国临时专利申请61/232,071的优先权并与这两个临时专利申请相关，这两个美国临时专利申请通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及固态能量储存装置，尤其涉及这种装置中的电解质薄膜。本发明还涉及制造固态能量储存装置以及因此产生的诸如电池和超级电容器的装置的方法和系统。

背景技术

随着发展中国家的工业化和需求增加，已知的全球原油存量正以不断增长的速度逐渐减少。2008年每桶原油的价格超过了100美金，并且在未来可能更贵。对于发电，存在许多燃油发电厂的替代方案：天然气、煤、核能和水力发电厂已经广泛设置在美国和其它工业化国家。然而，燃烧天然气和煤都会导致大气层内二氧化碳浓度增加，且随着全球变暖加速，各国政府正在寻求这些日益关注的焦点的解决方案，所以目前对于诸如太阳能、风力和潮汐这些可再生能源感兴趣。人们应该知道，虽然在未来核能发电的百分比可能增加，但是这不是万能的。大家一定记得切尔诺贝利和三里岛的意外事故，以及有关于几百年甚至几千年以后仍具有危险的严重放射性废料问题。此外，虽然为了平和目的使用核能，但却提高了可裂变燃料的供应，并增加了核扩散的可能性及其伴随而来的所有问题。

这种多面问题需要并入多种解决方案的策略。上述增加可再生能源的采用是一个良好的开端，但是我们必须学习减少每人消耗的能量，并且更有效使用能源。而实现这些目标的一项关键因素是有效储存能量。这个同样存在许多解决方案：将水抽向高地、在地下洞穴内储存压缩空气、将过多电能转换成燃料，诸如氢、飞轮、电池和电容等等。每种解决方案都有最佳的应用方式，目前来说电池和电容器是小型和中型便携式电子设备中优选的电能储存方法。然而，在车辆推进和负载平衡或功率调节应用方面，越来越有兴趣使用大型电池和电容器。电池和电容器已被提议用于储存风力和光电发电机产生的能量，在无风或无光线时提供电力。最后，出现运用在MEMS(微电机系统)、SiP(系统封装)以及其它微电子装置上的新式薄膜电池。

对于大多数工业操作而言，需要能量来制造电池和电容器。而且，这些装置本身并不产生能量，但它们更有效地运用能量。因此，重要的是考虑到已知应用中特定电池或电容器的净能量平衡。若能量储存装置在使用寿命期间储存的能量超过制造时使用的能量，那么会造成宝贵的能量节省，整体二氧化碳排放量的可能减少。然而，如果情况正好相反，则表示所讨论的技术并非一种“绿色”节能型技术。可再充电电池制造是一种能量相对密集的操作：高能量密度锂离子电池特别需要高纯度材料，其中某些材料必须在高温下制备。许多早期的锂离子电池只有几百次的有限寿命，在许多一般便携式应用中的净能量平衡都是负值。在已知尺寸和重量的情况下，这种电池确实提供比较好的性能，因此减少了装置的整体尺寸和重量——在充分了解全球变暖以及能量储备减少的严重性之前，这是首要考虑。对于车辆推进和发电厂应用，关键在于电池的净能量平衡为正值，其使用寿命足以应付其使用。由于电化学电池的天性，其电极会在充电与放电期间经历化学变化。这些变化可为相位变化、构造变化和/或体积变化的形式，所有这些变化都会随时间严重耗损电极的完整性，并且减少电池容量。的确，最新一代锂离子电池中的充电与放电过程必须小心控制，过充过放都会限制效能并且导致电池过早故障。

反之，电容器利用电荷的形态将其能量储存在电极上。不涉及到化学变化，并且大部分电容器都具有数百万次以上100％深度放电的使用寿命。电容器的充放电速度也远超过电化学电池，这对于捕捉迅速释放的能量，例如下降的电梯中以及汽车刹车能量再生应用，特别有吸引力。传统静电与电解电容器广泛应用于电子电路应用，但是每单位重量或体积只能储存相对少量的能量。在功率密度与使用寿命比能量密度更重要的前提下，电化学双层(EDL)电容器的出现已提供一种取代传统电化学电池的可行方案。事实上，最新一代EDL超级电容器具有～25Wh/kg的比能，大约等同于铅酸电化学电池。

现有技术