[发明专利]用于超级电容器、EDLC、混合电容器、燃料电池和电池的基于纤维陶瓷材料的分隔器

说明书

相关申请的交叉参考

本申请根据35U.S.C.§119，要求2013年8月22日提交的美国申请系列第61/868,864号的优先权，并根据35U.S.C.§120，要求2014年1月28日提交的美国申请系列第14/166523号的优先权，其全文通过引用结合入本文。

背景技术

技术领域

本发明一般地涉及超级电容器，更具体地，涉及用于超级电容器的陶瓷分隔器及其生产方法。

技术背景

双电层电容器(EDLC)也称作超级电容器，是具有高功率密度和相比于常规电解电容器具有较高能量密度的装置。EDLC利用高表面积电极材料和薄的电解电解质所实现的电容量比常规电容器高数个数量级。EDLC可用于能量储存。

典型的EDLC包括正电极和负电极，每个分别包括层叠到各自的铝集电器箔上的活性(多孔)碳层。两个电极被多孔分隔器分隔开，将组件绕成果冻卷型构造，然后将其封装在含有水性或有机电解质的封装中。电极之间的多孔分隔器能够允许离子电荷的流动，但是防止了电极之间的电接触。

需要开发一种用于超级电容器的分隔器材料，该分隔器材料能够耐受高温和高电压下的化学降解。还需要用于形成此类分隔器材料的相关方法。

发明内容

根据一些实施方式，无机分隔器包括针状颗粒，例如硅酸钙(CaSiO₃)矿物颗粒。可以通过浆料工艺将该纤维材料直接施涂到基于多孔、活性炭的电极上，以形成集成分隔器。将无机材料用于分隔器层提供了化学稳定性，同时浆料涂覆过程有助于机械强度和尺寸稳定性。无机分隔器可包括玻璃材料或者陶瓷材料。

在一些实施方式中，涂覆了分隔器的电极整体的完整性及其所附的功能性会受到如下影响：例如，结合到浆料中的硅酸钙(如硅灰石)颗粒的粒度和粒度分布，以及所得到的沉积层的孔隙度。不同于(作为自立式层单独形成，然后层叠到电极表面上的)常规EDLC分隔器，本文所揭示的“集成分隔器”直接原位形成到碳基电极的表面上。可以采用多次沉积步骤来构造厚度增加的分隔器层，和/或用来具有协同功能性，例如分隔器层内的一层子层提供耐热性，第二子层提供尺寸稳定性。

可以将本文所揭示的集成分隔器结合到各种装置中，包括储能装置，例如EDLC、混合电容器和电池(例如，锂离子电池)以及能量转化装置如燃料电池。还揭示了用于布置在相对(第一和第二)集电器之间的集成陶瓷分隔器的储能装置。

在以下的详细描述中提出了本发明的主题的附加特征和优点，其中的部分特征和优点对于本领域的技术人员而言根据所作描述即容易理解，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的本发明的主题而被认识。

应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述给出了本发明的主题的实施方式，用来提供理解要求保护的本发明的主题的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本发明内容的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图以图示形式说明了本发明的内容各种实施方式，并与描述一起用来解释本发明内容的原理和操作。此外，附图和说明仅仅是示例性的，并不试图以任意方式限制权利要求的范围。

附图说明

当结合以下附图阅读下面对本发明的具体实施方式的详细描述时，可对其形成最好的理解，附图中相同的结构用相同的附图标记表示，其中：

图1A和1B显示常规纤维素分隔器的SEM显微图；

图2A和2B显示用于各种实施方式中的硅酸钙颗粒的SEM显微图；

图3是根据一个实施方式的硅酸钙颗粒的粒度分布图；

图4是形成包含针状、无机颗粒的EDLC的各种浆料方法的示意图；

图5A和5B是基于硅酸钙的陶瓷分隔器的平面SEM显微图；

图6A和6B是示例性的基于硅酸钙的陶瓷分隔器的截面SEM显微图，以及图6C和6D是示例性的基于硅酸钙的陶瓷分隔器的截面光学显微图；

图7是对照纤维素纸分隔器和根据一些实施方式的数个硅酸钙分隔器的CV系列图；

图8是图7的纤维素纸分隔器和硅酸钙分隔器的一系列尼奎斯特图；以及

图9是具有图7的纤维素纸分隔器和硅酸钙分隔器的纽扣电池的一系列图，其显示电池放电电压与时间的关系图。

具体实施方式

下面更详细参考本发明主题的各种实施方式，这些实施方式中的一部分在附图中示出。在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。