[发明专利]用于电化学电池的电极的添加剂材料、双层电容器和这种电极的制造方法

说明书

用于电化学电池的电极的已知添加剂材料包含由碳如炭黑或石墨组成的导电颗粒。根据本发明为了提供具有相对高的离子传导率的添加剂材料，碳添加剂颗粒具有1至20μm的平均粒径并包含中孔和大孔，其形成三维连续孔结构。

技术领域

本发明涉及用于电化学电池的电极的添加剂材料，包含由碳组成的导电颗粒。

本发明还涉及电化学双层电容器，其中两个电极彼此隔开一定距离布置，设有电连接，由隔板隔开并被电解质润湿，其中至少一个电极含有微孔碳、活性材料、由导电碳添加剂颗粒组成的添加剂材料和粘合剂。

本发明还涉及制造用于电化学双层电容器的电极的方法，其中加工活性材料的起始物质、添加剂材料和粘合剂以形成糊剂，并且加工所述糊剂以形成电极材料层。

此外，本发明涉及添加剂材料的具体用途。

本发明意义上的电化学电池是基于电化学的可再充电的电能存储装置的一部分。已知的能量存储装置是蓄电池，例如铅-硫，镍-锂，镍-镉，锂-硫或氧化还原液流电池(液流电池)，燃料电池和电容器。电容器不以化学形式而是在电容器板之间的电场中存储电能。

一种特别感兴趣的类型的能量存储电容器是电化学双层电容器(电双层电容器；EDLC)，它们用作能量存储装置，例如在电动车辆中和作为电子电路的缓冲电容器，它们也被称为“超级电容器”或“超电容器”。能量存储机制基于电位控制的亥姆霍兹双层的形成，其在液体电解质中由高度多孔碳构成的导电电极表面上具有高充电容量和可逆性。

当双层电容器充电时，电解质中的带电离子迁移到具有相反极性的所谓的活性材料的相应电极。在那里，它们形成仅仅几个分子层厚的薄电介质。以这种方式形成的相对层具有相反的电荷并且被电解质浸泡的隔板分开。这对应于两个电容器的串联连接。在放电期间，离子传输改变方向，并且先前封闭在电极的孔中的离子离开电极材料并返回到电解质中。因此，电解质在隔板中且在电极内充当离子传输介质，所述隔板对离子是可渗透的。

双层电容器具有高倍率性能和长使用寿命的特点；它们可承受高达100,000次充电循环。然而，与电池相比，它们具有低能量密度和非常低的等效串联电阻(ESR)。

现有技术

双层电容器的电化学性能很大程度上取决于电极材料。电极通常由具有高孔隙率和大内表面积的碳组成。高孔隙率碳提供充电所需的电极表面积，也称为“活性材料”。常用的活性材料是活性炭，石墨烯，碳化物衍生的碳，炭黑，碳纳米管，碳洋葱(carbon onion)及其混合物。

例如，US2016/0060125A1描述了这种用于可再充电电能存储装置的电极材料，特别是用于锂离子电容器的电极材料。电极材料由碳颗粒组成，碳颗粒具有由两种不同类型的碳组成的芯-壳结构。用于芯的优选类型的碳是合成石墨粉。将优选由含氮聚合物组成的壳层施加到碳芯上，然后碳化。以这种方式生产的碳复合粉末的特征在于平均粒径为1至30μm，由大孔产生的孔容为0.02至0.2cm³/g，由中孔产生的孔容为0.001-0.05cm³/g，比表面积为1-50m²/g。

US2009/0196816A1还描述了具有芯-壳结构的碳颗粒形式的用于锂离子电池的碳基电极材料。这里的芯由天然石墨组成且壳由乱层碳组成。对于其生产，将石墨粉与沥青粉干混并加热该混合物以使沥青熔融并填充靠近石墨表面的微孔，碳化以形成乱层碳。大孔(50-200nm)和中孔(2-50nm)的体积比V2/V1为1或更高。碳颗粒的平均直径为5至30μm。

US2005/0287421A1描述了具有整体气凝胶碳阴极的电化学电池。气凝胶是通过苯酚-醛树脂的热解生产的。在其总孔隙率中，70至90体积％是由于大孔和中孔。孔尺寸大于2nm的孔的比表面积为30-100m²/g。