[发明专利]混合型储能元件

说明书

技术领域

本发明关于一混合型储能元件。

背景技术

为因应未来绿色环保的能源开发，举凡混合电动车的启动辅助与煞车能量回充需要瞬间高功率输出输入，以及风力及太阳能发电系统中需要因应风力或光量强弱进行缓冲调节，以确保电源长期供给稳定化及寿命延长，储能元件面临兼具高能量、高功率、长寿命的挑战。虽然近年来锂离子二次电池藉由电极设计变更及材料，积极往高功率化进行改良，但目前所能提供的功率性能与元件寿命仍有待改善。在另一方面，对既有电双层的超级电容器而言，因其独特的连续高功率能力及长效寿命为电池所无法相比拟，在高功率与长寿命诉求的系统应用端相较于电池而言更具潜力，若能补其不足以提升储能元件的能量密度，将有助于储能元件体积的小型化与储能元件使用寿命的延长，大幅提高在应用端的实用性。

由于电容器储存能量正比于电容量与工作电压，为了提升储能元件的可工作电压，相较于既有正负极采用相同材料设计的对称型电双层电容器，现今多数皆采取正极与负极不同材料的混合不对称型设计；对于电容量的提升，相较于既有电双层电容电极，氧化还原电极通常是具有更高电容量的电极材料。因此近年来电极研发趋势走向不对称型以及氧化还原材料的设计。

世界专利WO2006111079号中公开一混合水溶液系统的储能元件，以锂离子嵌入型化合物为正极，而以活性碳、中孔碳、奈米碳管等多孔碳材为负极的元件。然而此种元件受限于水溶液分解的问题，造成最高工作电压仅达1.8V，可储存能量不足。日本公开专利2005-019762号中公开一以活性碳为正极活性物质，以及能吸附锂离子的碳材为负极活性物质的非水系含锂型储电元件。美国专利6252762号中公开一包括可行阴离子可逆吸附/脱附的高表面积活性碳正极，以及能进行可逆嵌入锂离子的Li₄Ti₅O₁₂(LTO)材料为负极形成的混合电池/超电容元件。以上所列举的不对称设计皆是采用一极为行物理吸附/脱附的活性碳材，另一极采用能够行锂离子电化学嵌入/释出的材料。由于活性碳材所产生的电容量仅由离子吸附/脱附的物理反应决定，元件整体的电容量受限于此点，仍无法使元件获得高能量。

日本公开专利2000-036325号中公开一以活性碳层为主体，并在该活性碳层上以一含锂过渡金属氧化物层接着形成的正极，而以能对锂离子行吸附和脱离的碳材为负极的元件。但此种多层电极材料制作程序相当繁复，且两活性物质层的设计将造成离子在两电极层结构中的进出受到阻碍的问题。美国专利6517972号中公开正极包括可吸附阴离子的活性碳与可嵌入锂离子的含锂过渡金属氧化物(LiMn₂O₄)与负极可嵌入锂离子的LTO材料所组成的高能量混合电池/电容。此种方式是在正极中藉由混入含锂过渡金属氧化物以提升元件性能。此外美国专利6558846号中则是公开一包括活性碳与含锂过渡金属氧化物的正极，而以能进行锂嵌入/释出的碳材为负极的有机电解质元件。

以上三种被提及的元件中，若使用对锂离子具备电化学吸附或嵌入反应能力的碳材为负极时，由于碳材与锂离子的嵌入反应电位相当接近于0V vsLi/Li⁺，在快速充电过程中很容易造成锂金属以树突状(dendrite)沉积在碳材表面，进而刺穿隔离膜而发生短路，造成元件的安全性顾虑。图1显示不同材料相对于Li/Li⁺的反应电位。其中活性碳/锂嵌入碳材的正负极组合虽然显示接近4.0V的元件工作电压，但由于该锂嵌入碳材反应电位太接近锂金属还原电位，虽然该负极电容量高达372mAh/g，在快速充电时不可避免地将造成锂金属沉积在碳材表面。图1另显示使用LTO作为负极材料者，由于其反应电位约为1.5V vs Li/Li⁺，如此一来压缩了与活性碳所搭配形成的元件工作电压，况且该负极电容量仅有160mAh/g，无法达到高能量的效果。

因此，本发明将公开一新的储能元件，具有高电容量的正极，亦即不只进行电双层物理性吸附/脱附反应；以及具有高电容量与高安全性的负极，即不产生锂沉积现象，以达到高能量、小体积、长寿命的目的。

发明内容