一种实现超级电容器能量密度极大化的方法技术

本发明专利技术公开了一种实现超级电容器能量密度极大化的方法，属于电化学能量储存的超级电容器领域。该方法解决目前超级电容器中存在的电极材料的高比容量和电解液的可用电压窗口不能被充分发挥利用，从而造成能量密度损失的问题。通过电化学过程将电荷注入电极材料实现其电化学电位进行调整，再将调整后的电极材料组装成超级电容器，使得器件中正负电极的工作电位窗口得到优化，器件的工作电压和比容量得到同时提升，从而实现超级电容器能量密度的极大化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于电化学能量储存的超级电容器领域，具体为一种实现超级电容器 能量密度极大化的方法。
技术介绍
超级电容器又称电化学电容器，依靠电极表面的双电层离子吸附或氧化还原反应 储存电荷，其性能介于物理电容器和二次电池之间。超级电容器不仅拥有远高于物理电容 器的能量密度，数秒内便可完成的充放电速度、可大功率/电流充放电、上万次的循环寿 命、接近百分之百的充放电效率、可在极端高低温环境中使用（-40?70°C)及安全性高可 长期免维护等特性也是二次电池无法比拟的。这些优越的性能，使超级电容器有望应用在 消费电子、电动汽车、智能电网、能源发电系统、航空航天以及军事等领域。但超级电容器的 广泛应用受限于其较低的能量密度，如何在保持超级电容器优点的前提下，进一步提高其 能量密度，使之接近二次电池的水平是当前亟待解决的问题。 超级电容器的能量密度E与比电容C和工作电压U的平方成正比：E=1/2CU2,因此， 超级电容器能量密度的提高可通过提高比电容或工作电压实现。超级电容器的比电容取决 于电极材料，故目前主要的研究工作都集中在获得高性能的电极材料。研究的另一方向是 开发高电压窗口的电解液以提高超级电容器的工作电压，目前应用离子液体电解液已可使 超级电容器的工作电压提高到3. 5V以上。 尽管在电极材料和电解液方面研究取得了较大进展，然而，当前普遍存在的关键 问题是，将电极材料和电解液组装成器件后，电解液的可用电压窗口和电极材料的高比容 量未充分利用，造成了超级电容器能量密度的极大损失。因为在组装成超级电容器后，正负 电极材料的电位窗口受到制约，无法在最优的电位窗口下工作。电极材料的比电容也受电 极的工作电位窗口的影响，特别是金属氧化物、导电聚合物和含有官能团的炭材料以可逆 氧化还原反应储存电荷的赝电容电极材料而言，不同电位窗口下电极材料的比电容差别很 大，当电极材料在组成器件后，其工作电位窗口往往只有三电极测试时电位窗口的一半，因 此电极材料的电化学性能无法完全发挥，导致器件比电容的极大降低。 为了解决材料高比容量和电解液可用电压窗口组装成器件后不能充分利用的问 题，当前采用两种方法：质量匹配和不对称电容器。通过正负电极材料的质量匹配，保证 其中一极材料相对于另外一极过量，以满足正负极能同时到达电解液可用电压窗口的上下 限。然而质量匹配仅可提高超级电容器的工作电压，而无法增加超级电容器的比容量，因而 能量密度提高有限。不对称电容器，是利用不同孔结构炭材料或不同种类的电极材料分别 作为正负极组装的超级电容器，利用不同孔径大小的炭材料作为正负极以匹配所吸附的 阴阳离子，达到增加比电容，从而增加超级电容器的能量密度目的，不过这需要进行大量的 实验，以满足正负极材料孔结构的相互匹配。利用炭材料具有较大氢过电位的特点，以多孔 炭材料作为负极和大比电容的金属氧化物或导电聚合物作为正极组装成的不对称电容器， 可实现提高器件的工作电压和比电容，以提高能量密度。但是基于不同储能机理的不对称 电容器，仍然存在在正负极性能匹配问题，另外组装的器件在循环寿命和大电流充放电等 性能受到发生赝反应的材料电极影响较大，与炭基对称性电容器相比差距非常明显。 只有正负电极质量相等，比容量相同，工作电压又能达到电解液最大可用电压窗 口的情况下，超级电容器的能量密度才会达到极大。因此，极大化超级电容器的能量密度需 要通过对正负电极的工作电位窗口分别进行调整，使正负电极的比容量匹配，而不是采用 常用的质量匹配法。
技术实现思路
为了解决超级电容器中电极材料的高比容量和电解液的可用电压窗口组装成超 级电容器后不能完全利用的问题，本专利技术在常规的超级电容器生产工艺的基础上，增加了 对电极材料的初始电化学电位进行调控的步骤，使组装成的超级电容器中正负电极均能在 最优的电位窗口下工作，能够同时提升器件的工作电压和比容量，从而极大化了器件能量 密度。 本专利技术技术方案如下： -种实现超级电容器能量密度极大化的方法，该方法是将相同质量的正负电极材 料制作成正负电极片，通过在电解液中的电化学过程将电荷注入正负电极，使正负电极的 初始电化学电位调变至最佳初始电位点，再将电位调控后的正负电极组装成超级电容器。 所述电极材料可以为炭材料(如活性炭、模板炭、活性炭纤维、碳气溶胶、碳纳米 管、石墨烯、裂解炭、石墨等)、金属氧化物(如氧化钌、氧化锰、氧化镍、氧化钒、氧化锡、氧化 钴、氧化铁等）或金属氢氧化物材料(氢氧化镍、氢氧化钴、氢氧化铁等）和导电聚合物材料 (聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺、聚对苯、聚并苯等）中的一种或几种的复合材料(如氧化钌/石墨 烯、聚苯胺/碳纳米管、聚苯胺/氧化锰等、聚吡咯/氧化锰/石墨烯等)。 所述电解液可以为水系电解液(如硫酸水溶液、氢氧化钾水溶液和锂盐、钾盐、钠 盐的中性水溶液等)、有机电解液(如高氯酸盐、四氟硼酸盐、六氟磷酸盐或三氟甲磺酸盐等 在有机溶剂中的溶液）或各种离子液体等；所述有机溶剂为丙烯碳酸脂、碳酸乙烯酯、碳酸 丙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、二甲基甲酰胺、环丁砜、乙腈、 1,3-二氧环戊烷、1，2_二甲氧基乙烷和1，4_ 丁内酯等中的一种或几种。 所述电极片的制作为常规工艺，即将活性电极材料与粘结剂和导电剂进行配料、 涂布、压片和切片得到。 所述在电解液中电荷注入正负电极的电化学过程为： 以正负电极作为工作电极，配以对电极和参比电极，采用组装成超级电容器时使 用的电解液，组装成三电极系统；采用恒流或恒压充放电到最佳初始电位点，得到电位调变 后的正负电极。 上述电荷注入正负电极过程可以在将正负电极装配成超级电容器前进行，也可以 在将正负电极和隔膜组装为三明治结构并注入电解液后进行。 所述最佳初始电位点为能够使最终组装成的超级电容器中正负电极在充电过程 中同时到达电解液可用电位窗口上限和下限，同时满足正负电极的比容量相等的初始电位 点。对应不同的电极材料和电解液都会有一个最佳初始电位点，此电位点需要通过常规的 三电极测试系统测试得到。 所述最佳初始电位点的确定过程如下： 1)将活性电极材料制作成两个电极片作为工作电极，配以对电极和参比电极，采 用组装成超级电容器时使用的电解液，组装成两套三电极测试系统；其中一套三电极测试 系统在所用电解液的可用电位窗口上限和多个选定的电位点之间进行恒流充放电，得到放 电比容量；另一套三电极测试系统在所用电解液的可用电位窗口下限和所述多个选定的电 位点之间进行恒流充放电，得到充电比容量；然后以电位点的电位值为横轴，比容量为纵 轴，分别将放电比容量和充电比容量拟合曲线，曲线交点所对应的电位值即为最佳初始电 位点。 本专利技术的优点及有益效果如下： 1、本专利技术提出的实现超级电容器能量密度极大化的方法具有普遍适用性。本专利技术 直接采用对正负电极的电化学电位进行调控的方式优化正负电极的工作电位窗口，因此是 从根源上解决现存超级电容器中电极材料的比容量和电解液的可用电压窗口不能被充分 利用的问题，适用于任何电解液体系和任何电极材料。 2、本专利技术提出的实现超级电容器能量密度极大化的方法，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实现超级电容器能量密度极大化的方法，其特征在于：该方法是将相同质量的正负电极材料制作成正负电极片，通过在电解液中将电荷注入正负电极的电化学过程，使正负电极的初始电化学电位调变至最佳初始电位点，再将电位调控后的正负电极组装成超级电容器。

【技术特征摘要】
1. 一种实现超级电容器能量密度极大化的方法，其特征在于：该方法是将相同质量的 正负电极材料制作成正负电极片，通过在电解液中将电荷注入正负电极的电化学过程，使 正负电极的初始电化学电位调变至最佳初始电位点，再将电位调控后的正负电极组装成超 级电容器。2. 根据权利要求1所述的实现超级电容器能量密度极大化的方法，其特征在于：所述 在电解液中电荷注入正负电极的电化学过程为：以正负电极作为工作电极，配以对电极和 参比电极，采用组装成超级电容器时使用的电解液，组装成三电极系统；再采用恒流或恒压 充放电到最佳初始电位点，得到电位调变后的正负电极。3. 根据权利要求2所述的实现超级电容器能量密度极大化的方法，其特征在于：所述 电荷注入正负电极过程在将正负电极装配成超级电容器前进行；或者，电荷注入正负电极 过程在将正负电极和隔膜组装为三明治结构并注入电解液后进行。4. 根据权利要求1或2所述的实现超级电容器能量密度极大化的方法，其特征在于： 所述最佳初始电位点为能够使最终组装成的超级电容器中正负电极在充电过程中同时到 达电解液可用电位窗口上限和下限，同时满足正负电极的比容量相等的初始电位点。5. 根据权利要求4所述的实现超级电容器能量密度极大化的方法，其特征在于：所述 最佳初始电位点的确定过程如下：首先将活性电极材料制作成两个电极片作为工作电极， 配以对电极和参比电极，采用组装成超级电容器时使用的电解液，组装成两套三电极测试 系统；其中一套三电极测试系统在所用电解液的可用电位窗口上限和多个选定的电位点之 间进行恒流充放电，得到放电比容量；另一套三电极...

【专利技术属性】
技术研发人员：李峰，翁哲，闻雷，成会明，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21