[发明专利]混合电容器

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求2010年5月20日提交的题为“混合电容器”的序列号为10-2011-0047908的韩国专利申请的优选权，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及混合电容器，更具体地，涉及这样的混合电容器，其使用通过混合非多孔碳材料和多孔碳材料而获得的材料作为正电极活性材料以及钛酸锂(LTO)作为负电极材料，以增加能量密度，改善输出特征并确保稳定性。

背景技术

诸如锂离子电池等的二次电池为具有高能量密度的典型的储能设备，其近来变得更为突出并用作各种移动电子设备的重要的储能设备。

在下一代储能设备中，被称为超电容器(ultra-capacitor)或超级电容器(super-capacitor)的设备由于其快的充电和放电速度、高的稳定性和环境友好特性而作为下一代能量设备而备受关注。

这里，作为超级电容器的类型，一般的超级电容器包括电极结构、隔板(separator)、电解质溶液等。超级电容器基于电化学反应机制而被驱动，在该机制中，通过向电极结构施加电源，电解质溶液中的载流离子被选择性吸附至电极。当前，典型的超级电容器包括锂离子电容器(LIC)、电双层电容器(EDLC)、赝电容器(pseudo-capacitor)、混合电容器等。

锂离子电容器为使用由活性碳制成的正电极、由石墨制成的负电极以及作为载流离子的锂离子的超级电容器。EDLC为使用由活性碳制成的电极和作为反应机制充电的电双层的超级电容器。当前最常用的超级电容器EDLC表现出自身电极材料的优异的稳定性，并由环境友好的碳材料形成。这样的碳电极材料可以包括活性碳，碳纳米管(CNT)、活性碳纳米纤维(ACNF)、石墨烯(graphene)等，具有相对优异的电导性的炭黑、科琴(Ketjen)黑、CNT、石墨烯等被加到这样的碳电极材料中。

赝电容器为使用过渡金属氧化物或导电聚合物作为电极以及赝电容作为反应机制的超级电容器。混合电容器为具有在EDLC和赝电容器之间的中间特性的超级电容器。

然而，与二次电池相比，这样的储能设备具有相对低的电容。这是因为前述大多数超级电容器都是根据利用电解质溶液和电极的界面之间的载流离子运动和电极表面上化学反应的充电/放电机制而被驱动的。因此，当前，对于诸如超级电容器的储能设备，需要开发用来提高相对低的电容的技术。

参考图1，超级电容器包括金属材料集电体10和20、电极、电解质溶液13以及隔板14。电解液溶液13填充在由隔板14电分开的两个电极之间，金属材料集电体10和20用来对电极进行有效的充电或放电。

在EDLC的情况下，电极是由活性碳制成，且活性碳是多孔的(即，其包括微孔)从而具有大的比表面积。因此，当将负(-)电压施加至活性碳电极上时，从电解液解离的正(+)离子进入活性碳电极的孔中而形成正(+)层，这导致了具有形成在活性碳电极的界面上的正(+)层的电双层的形成，从而执行充电。这里，超级电容器的电容依赖于电极的结构和物理特性。即，随着比表面积越大，内部电阻和接触电阻越小以及碳材料的密度越高，超级电容器的电容增加。在这种情况下，当电极活性材料的密度低时，通常，电阻增加且电容减小。因此，利用活性材料和导电材料制造的电极的密度、电阻和电容密切相关。

通常，如图1所示，由于超级电容器主要利用静电特性，因此其可比使用电化学反应的电池充电和放电更多的次数。因此，超级电容器可以被半永久使用，且由于超级电容器的充电和放电速度非常快，所以输出密度也比二次电池优异数十倍。

因此，由于超级电容器具有现有二次电池不易实现的优点，所以超级电容器的应用领域逐渐增加。

具体地，超级电容器的使用在诸如电动车辆、燃料电池车辆等的下一代环境友好的机动车领域中正在增加。超级电容器作为辅助储能设备与二次电池连接以供使用。超级电容器可负责即时能量供应，而二次电池可用于供应正常的车辆能量，因而提高了一般车辆系统的效率并延长了储能系统的寿命。此外，超级电容器可用作诸如挖掘机的重型设备、UPS领域中的储能设备、风力发电、或太阳能发电、以及诸如移动电话的移动电子元件、视频播放器等中的辅助电源。

同时，二次电池的优点在于具有高能量密度，但其缺点是输出特性受限。超级电容器的输出特性极高地优于由于二次电池，但超级电容器的能量密度较低。