[发明专利]柔性导电聚合物能量存储装置

说明书

优先权信息

本发明要求于2010年8月12日提交的美国临时申请US61/372,998的优先权，且其全部内容通过引用结合到本文中。

赞助信息

本发明是在由美国内政部颁发的批准号为NBCHC0080001的政府支持下完成的。政府对本发明具有一定的权利。

技术领域

本发明涉及电化学超级电容器（electrochemical supercapacitor），更具体地说，涉及具有柔性的能够呈现所需几何形状的氧化还原超级电容器。

背景技术

本发明通常归入电化学超级电容器的学科类。电化学超级电容器在电动车推进、备用计算机电池系统、消费电子产品等中通常用作中间电源，且还可用于较小的低功率装置。

电化学超级电容器通常被分类成两种能量存储装置的其中之一：双层超级电容器或氧化还原超级电容器。双层电容器通过双电层存储能量，由于在由电解质分开的两个电极之间施加势差而被充电时，双电层在电极表面上形成。碳材料（电感应性弱的纤维矩阵、纳米管薄片、糊剂/树脂组合物等）是这种超级电容器最常用的电极材料。由于双层电容器中的电荷存储是与表面积有关的量，因此增加表面积是获得高能量密度的首要目标。

氧化还原超级电容器与电化学双层电容器有几点不同之处。第一，电荷存储的机理并非是静电的(储存于双电层中）。而是，在氧化或还原过程中，通过在氧化还原超级电容器内掺杂导电聚合物薄片的过程来存储电荷。氧化还原超级电容器的优点在于能量存储的量是质量而非表面积的函数。增加导电聚合物材料的质量将增加能量存储的量。在容积尺寸不如表面积尺寸重要的系统中，氧化还原超级电容器可能是更有利的。

本发明的目的是提供一种氧化还原超级电容器以便能量可储存于保形（conformal）、非刚性结构中。因此，本发明的氧化还原超级电容器可具有任何所需的几何形状。这里公开的能量存储介质可嵌入形状规则变化的材料中，比如服装、附件、机器人装置等。

发明内容

第一方面，本发明是电化学超级电容器，其包括由离子渗透膜隔开的两层导电聚合物薄膜，并包括布置在两层薄膜之间的电解质。电触点布置在两个薄膜的外表面上。在优选实施例中，公开的超级电容器还包括包覆导电聚合物、离子渗透膜和电解质以形成堆叠（stack）的非导电材料。所述堆叠可以进行卷绕、折叠，或保持基本平整。在优选实施例中，堆叠可装入保形材料（conformal material）中。在一个实施例中，导电聚合物为聚吡咯。所述聚吡咯包括掺杂剂。优选地，离子渗透膜的厚度在1微米至几百微米的范围内。

另一方面，本发明包括制作氧化还原超级电容器的方法，该方法包括通过电化学淀积在导电衬底上沉积导电聚合物薄膜，干燥薄膜并将该薄膜从导电衬底上移除。各部分薄膜放置在离子渗透膜的相反侧面上以形成堆叠，且在一选定时间段内将该堆叠浸没在电解质中。电触点放置在薄膜部分的外表面上。然后，导电聚合物薄膜/离子渗透膜堆叠被放置在两个非导电材料层之间。在优选实施例中，然后卷绕、折叠堆叠或使其保持平坦的平面几何形状，并将其装入保形材料中。适当的保形材料为聚酯薄膜或迈拉膜（Mylar film）。对薄膜的外边缘进行热封以使电解质保存在其内。优选地将堆叠浸没在电解质中约10秒至10个小时。更优选地是，密封堆叠前对其施加压力以除去过量的空气。密封后，可用惰性气体比如氮气、氩气、氦气等清理堆叠。

附图说明

图1是本发明实施例的示意图；

图2是根据本发明的密封堆叠的照片。

具体实施方式

本发明是由导电聚合物、离子渗透膜、塑料外壳和电解质制成的柔性的能量存储装置。不同类型的这种能量存储装置通常称为氧化还原超级电容器。在导电聚合物氧化还原过程中，通过感应电荷转移发生超级电容器电荷转移，在感应电荷转移过程中当聚合物受到两个电极之间的电势差时（在电解质存在的情况下），发生聚合物掺杂和去掺杂。电化学充电和放电的动力学过程是可逆的，因此超级电容器可存储、释放能量，然后可被再次充电以存储能量。与取决于表面积相反，材料内存储的能量的量很大程度上取决于材料的质量。

现在将结合图1讨论这里公开的本发明的实施例。如图1所示，由五个层制成的氧化还原超级电容器10形成堆叠。离子渗透膜12的两侧为导电聚合物薄膜14和16。一些离子渗透膜包括聚氟乙烯(PVDF)膜、滤纸、纤维素纤维纸、棉纤维素纤维纸、棉纸等。优选地，非导电薄膜层18和20由纸或塑料薄膜制成。