[发明专利]用于能量存储装置的电极

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求Linda Zhong和Xiaomei Xi于2006年10月17日申请的美国临 时申请60/852,459的权益，据此其通过引用并入本申请，如同这里已全部陈述。

背景技术

大体上，本发明涉及电极和电极的制造。更具体地，本发明涉及能量存储 装置中使用的电极，例如电化学双层电容器和混合动力电容器以及电池装置。

电极广泛用于很多存储电能的装置，包括原(不可再充电的)电池、蓄(可 再充电的)电池、燃料电池、和电容器。电能存储装置的重要特性包括能量密 度、功率密度、最大充电率和放电率、内部泄漏电流、等效串联电阻(ESR)、 和/或耐久性，即，经受多次充电-放电循环的能力。由于一些原因，双层电容 器，也称为超级电容器，在很多能量存储应用中得到了普及。原因包括双层电 容器适用于高功能密度(在充电和放电两种模式中)、和相比于传统可再充电电 池双层电容器的长使用寿命。

通常，使用双层电容器是将它们的能量存储元件电极浸入电解液(电解质 溶液)中。同样地，浸入并浸透电解液的多孔分隔器可以确保电极不彼此接触， 防止电流在电极之间直接流动。同时，多孔分隔器允许离子电流通过电解液在 电极之间双向流动。如下论述，在固体电极和电解液之间的界面形成电荷的双 层。

当对双层电容器的一对电极之间施加电压时，电解液中存在的离子被吸引 到带相反电荷的电极的表面，并向该电极迁移。这样，带相反电荷的离子层被 建立，并保持在每个电极表面附近。电能被存储在这些离子层和相应电极表面 的电荷层之间的电荷分离层中。事实上，该电荷分离层基本上相当于静电电容 器。静电能也可以通过电压诱导的电场影响下电解质溶液的分子的取向和排列 被存储在双层电容器中。然而，这种能量存储模式是次要的。

与传统电容器相比，相对于它们的体积和重量，双层电容器具有高电容。 对这些体积和重量效率，有两个主要原因。第一，电荷分离层非常窄。通常， 它们的宽度在纳米级。第二，电极可以由多孔材料制取，该多孔材料每单位体 积具有非常大的有效表面积。因为电容与电极面积成正比，并与电荷分离层的 宽度成反比，所以大的有效表面积和窄电荷分离层的组合效应使得与类似尺寸 和重量的传统电容器的电容相比，其电容非常高。双层电容器的高电容允许电 容器接收、存储和释放大量的电能。

电容器中存储的电能通过众所周知的公式确定：

E=C*V22.---(1)]]>

该公式中，E表示存储的能量，C代表电容，V是电荷电容器的电压。这样， 电容器中可以存储的最大能量(E_m)由下式确定：

Em=C*Vr22,---(2)]]>

其中，V_r代表电容器的额定电压。由此可见，电容器的能量存储能力取决于(1) 它的电容，和(2)它的额定电压。因此，提高这两个参数对电容器效率可能是 重要的。

发明内容