[发明专利]高电容的活性炭和碳基电极

说明书

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119要求于2013年9月13日提交的美国专利申请 系列号61/877341和于2013年8月30日提交的美国专利申请系列号61/872202 的优先权，并根据35U.S.C.§120要求于2014年1月22日提交的美国专利申 请系列号14/161163的优先权，它们的全部内容通过引用纳入本文。

背景

领域

本发明总体上涉及用于储能装置的碳基电极，更具体而言，涉及具有高电 压稳定性的碳基电极以及它们的制造方法。

技术背景

例如超级电容器的储能装置可用于许多例如需要离散的功率脉冲的应用 中。示例性应用的范围包括从手机到混合动力汽车。例如电化学双层电容器 (EDLC)的超级电容器已逐渐成为需要高功率、长保存期限和/或长循环寿命 的应用中的电池的替代物或补充。超级电容器通常包含被一对碳基电极夹在中 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于在电极与 电解质之间的界面处产生的电化学双层中来实现的。这些装置的重要特征在于 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都在很大程度上 取决于结合入电极中的碳的性质。

发明内容

根据本发明的一些实施方式，例如EDLC的储能装置包含具有高电压稳定 性的碳基电极。

活性炭材料通常在表面包含杂原子(例如氧、氮、氢)和相关的官能团， 它们会在所施加的电压和/或升高了的温度下参与法拉第反应，这是不希望的。 这些反应会降低包含活性炭的装置的性能。可在活性炭表面发现的示例性官能 团示于图1。

由于人们希望下一代EDLC在所施加的高电压下运行时具有更高的能量 密度和更高的功率密度，因此需要将活性炭上的杂原子和官能团数量降到最 低，以使包含这些物质的不希望的法拉第反应最小化，特别是在更高的电势下。 这种装置可通过各种对用于形成电极的活性炭的孔径分布和含氧量进行设计 的实施方式来实现。

根据一种实施方式的储能装置包含正电极和负电极。正电极包含第一活性 炭材料，负电极包含第二活性炭材料。第一活性炭材料包含孔径≤1nm的孔， 它们所提供的总孔容＞0.3cm³/g；孔径＞1nm且≤2nm的孔，它们所提供的 总孔容≥0.05cm³/g；和任何孔径＞2nm的孔，它们的总孔容＜0.15cm³/g；而 第二活性炭材料包含孔径≤1nm的孔，它们所提供的总孔容≤0.3cm³/g；孔径 ＞1nm且≤2nm的孔，它们所提供的总孔容≥0.05cm³/g；和任何孔径＞2nm 的孔，它们的总孔容＜0.15cm³/g。在第一活性炭材料和第二活性炭材料的每 一个实施方式中，至少第一活性炭材料包含最多为1.5重量％的氧。

一种储能装置的制造方法，该方法包括形成具有这种第一活性炭材料的碳 基正电极，形成具有这种第二活性炭材料的碳基负电极，以及将所述碳基正电 极和碳基负电极结合入储能装置中。

用于储能装置的碳基电极(例如正电极或负电极)包含导电碳、粘合剂和 总含氧量最多为1.5重量％的活性炭材料。

在以下的详细描述中提出了本发明内容的附加特征和优点，其中的部分特 征和优点对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内容而被认 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内容的实施方 式，用来提供理解要求保护的本发明内容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的主题的进一步理解，附图并入本说明书中并构成说 明书的一部分。附图例示了本发明的主题的各种实施方式，并与说明书一起对 本发明的主题的原理和操作进行阐述。此外，附图和说明书仅仅是示例性的， 并不试图以任意方式限制权利要求的范围。

附图的简要说明

当结合以下附图阅读时，能对本发明下文的具体实施方式的详细描述有最 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1是与活性炭相关的示例性含氧官能团的示意图；