[发明专利]高压电化学双电层电容器

说明书

本申请根据35U.S.C.§120，要求2011年9月23日提交的美国申请序列第13/242284号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。

背景

本发明一般地涉及活性碳材料，更具体地涉及包含钝化活性碳基电极的电化学双电层电容器。

超级电容器之类的储能装置可用于许多需要离散的功率脉冲的应用。示例性应用的范围包括从手机到混合动力汽车。超级电容器通常包含夹在一对碳基电极之间的多孔隔膜和有机电解质。能量的储存是通过将电荷分离并储存在电解质与电极之间的界面处产生的电化学双电层中来实现的。这些装置的重要特性是它们可提供的能量密度和功率密度，所述能量密度和功率密度在很大程度上都取决于电极中所结合的碳的性质。

已知适合将碳基电极结合入高能量密度装置中。形成电极的基础的碳材料可用天然或合成前体材料制成。天然前体材料包括煤、坚果壳和生物质。合成前体材料通常包括酚醛树脂。无论是天然前体还是合成前体，碳材料均可通过先碳化前体，然后活化所得的碳来形成。活化可包括物理活化（例如蒸汽）或化学活化。

碳的比电容是影响该材料结合到高能量密度装置如电化学双电层电容器（EDLC）中的性能的性质。比电容越高，通常导致所得装置的体积能量密度越高。与电容相关的一个有益属性是随时间流逝和/或作为随着使用所积累的多次充放电循环的结果，维持电容（或者不会发生明显损失）的能力。碳材料的老化，例如自由基或离子俘获，会降低包含活性碳基电极的超级电容器的使用寿命。

除了增加电容之外，由于能量密度还与器件的操作电压成比例，所以通过在较高的电压下操作EDLC能实现较高的能量密度。但是，碳材料表面处发生的物理和化学相互作用会限制施加的电压。在较高的电压下，这些对碳的功能有害的相互作用（包括法拉第反应）会得到放大。现有技术下，EDLC在约2.7V下操作。

因此，如果能提供具有抗老化的高比电容的活性碳材料，其能够结合到ELDC中，在例如约3伏的较高电压下操作，那将是有利的。这种材料可用来形成碳基电极，利用所述碳基电极可得到高效、长寿命的高能量密度器件。

概述

根据一个实施方式，电化学双电层电容器包括正电极和负电极，所述正电极包含卤化第一碳材料，所述负电极包含非卤化第二碳材料。所述碳材料可以包括活性碳。根据另一个实施方式，结合到正电极中的卤化碳材料的孔体积比大于结合到负电极中的非卤化碳材料的孔体积比。活性碳的孔体积比R定义为R=V1/V，其中V1是孔径小于1nm的孔的总体积，V是孔径大于1nm（例如，1-2nm，1-5nm或者1-10nm）的孔的总体积。

通过在正电极和负电极中分别提供孔径的不对称分布和/或孔径分布，可以调节电极材料使得与电解质内的特定离子（阴离子和阳离子）和自由基发生更高效的相互作用。此外，通过在正电极中提供卤化碳，使得碳材料相对于含卤素离子，例如BF₄^-阴离子钝化，否则的话，它会与碳或者碳上存在的表面物质发生反应。

在以下详细描述中给出了其他特征和优点，其中部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述和权利要求书在内的本文所述的发明而被认识。

应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都只是呈现本发明的实施方式，用来提供理解要求保护的本发明的总体评述或框架。

包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。

附图简述

图1是示例性电化学双电层电容器的部分截面示意图；

图2是显示非对称阴极和阳极区域的I-V曲线图；

图3是示例性KOH-活性碳的孔体积-孔径图；

图4是示例性蒸汽-活性碳的孔体积-孔径图；

图5所示是对照电化学双电层电容器电池和本发明电化学双电层电容器电池的电容老化图；

图6是对称EDLC的法拉第分数-施加电压图；

图7是在正电极中包含卤化活性碳的非对称EDLC的法拉第分数-施加电压图。

发明详述

超级电容器也称为双电层电容器，通过极化电解质溶液来静电储能。虽然它是电化学装置，但在储能机理中不涉及化学反应。该机理是可逆的，这允许超级电容器多次充电和放电。