[发明专利]一种实现超级电容器能量密度极大化的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于电化学能量储存的超级电容器领域，具体为一种实现超级电容器能量密度极大化的方法。

背景技术

超级电容器又称电化学电容器，依靠电极表面的双电层离子吸附或氧化还原反应储存电荷，其性能介于物理电容器和二次电池之间。超级电容器不仅拥有远高于物理电容器的能量密度，数秒内便可完成的充放电速度、可大功率/电流充放电、上万次的循环寿命、接近百分之百的充放电效率、可在极端高低温环境中使用（-40～70℃）及安全性高可长期免维护等特性也是二次电池无法比拟的。这些优越的性能，使超级电容器有望应用在消费电子、电动汽车、智能电网、能源发电系统、航空航天以及军事等领域。但超级电容器的广泛应用受限于其较低的能量密度，如何在保持超级电容器优点的前提下，进一步提高其能量密度，使之接近二次电池的水平是当前亟待解决的问题。

超级电容器的能量密度E与比电容C和工作电压U的平方成正比：E=1/2CU²，因此，超级电容器能量密度的提高可通过提高比电容或工作电压实现。超级电容器的比电容取决于电极材料，故目前主要的研究工作都集中在获得高性能的电极材料。研究的另一方向是开发高电压窗口的电解液以提高超级电容器的工作电压，目前应用离子液体电解液已可使超级电容器的工作电压提高到3.5V以上。

尽管在电极材料和电解液方面研究取得了较大进展，然而，当前普遍存在的关键问题是，将电极材料和电解液组装成器件后，电解液的可用电压窗口和电极材料的高比容量未充分利用，造成了超级电容器能量密度的极大损失。因为在组装成超级电容器后，正负电极材料的电位窗口受到制约，无法在最优的电位窗口下工作。电极材料的比电容也受电极的工作电位窗口的影响，特别是金属氧化物、导电聚合物和含有官能团的炭材料以可逆氧化还原反应储存电荷的赝电容电极材料而言，不同电位窗口下电极材料的比电容差别很大，当电极材料在组成器件后，其工作电位窗口往往只有三电极测试时电位窗口的一半，因此电极材料的电化学性能无法完全发挥，导致器件比电容的极大降低。

为了解决材料高比容量和电解液可用电压窗口组装成器件后不能充分利用的问题，当前采用两种方法：质量匹配和不对称电容器。通过正负电极材料的质量匹配，保证其中一极材料相对于另外一极过量，以满足正负极能同时到达电解液可用电压窗口的上下限。然而质量匹配仅可提高超级电容器的工作电压，而无法增加超级电容器的比容量，因而能量密度提高有限。不对称电容器，是利用不同孔结构炭材料或不同种类的电极材料分别作为正负极组装的超级电容器,利用不同孔径大小的炭材料作为正负极以匹配所吸附的阴阳离子，达到增加比电容，从而增加超级电容器的能量密度目的，不过这需要进行大量的实验，以满足正负极材料孔结构的相互匹配。利用炭材料具有较大氢过电位的特点，以多孔炭材料作为负极和大比电容的金属氧化物或导电聚合物作为正极组装成的不对称电容器，可实现提高器件的工作电压和比电容，以提高能量密度。但是基于不同储能机理的不对称电容器，仍然存在在正负极性能匹配问题，另外组装的器件在循环寿命和大电流充放电等性能受到发生赝反应的材料电极影响较大，与炭基对称性电容器相比差距非常明显。

只有正负电极质量相等，比容量相同，工作电压又能达到电解液最大可用电压窗口的情况下，超级电容器的能量密度才会达到极大。因此，极大化超级电容器的能量密度需要通过对正负电极的工作电位窗口分别进行调整，使正负电极的比容量匹配，而不是采用常用的质量匹配法。

发明内容

为了解决超级电容器中电极材料的高比容量和电解液的可用电压窗口组装成超级电容器后不能完全利用的问题，本发明在常规的超级电容器生产工艺的基础上，增加了对电极材料的初始电化学电位进行调控的步骤，使组装成的超级电容器中正负电极均能在最优的电位窗口下工作，能够同时提升器件的工作电压和比容量，从而极大化了器件能量密度。

本发明技术方案如下：

一种实现超级电容器能量密度极大化的方法，该方法是将相同质量的正负电极材料制作成正负电极片，通过在电解液中的电化学过程将电荷注入正负电极，使正负电极的初始电化学电位调变至最佳初始电位点，再将电位调控后的正负电极组装成超级电容器。