非对称的混合超级电容器制造技术

本发明专利技术涉及非对称的混合超级电容器。所述非对称的混合超级电容器具有阳极，所述阳极包含金属或者半金属。所述阳极具有至少20体积百分比的孔隙度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及非对称的混合超级电容器，所述混合超级电容器通过其阳极的组成来表征。
技术介绍
混合超级电容器（HybrideSuperCapacitor,HSC）、诸如锂离子电容器是新一代电容器，所述新一代电容器可以比锂离子电池提供更多的功率，所述锂离子电池虽然拥有多于100Wh/kg的大的能量密度，然而所述能量仅缓慢地发出，并且所述新一代电容器拥有比高能超级电容器（EDLC/SC）更高的能量密度，所述高能超级电容器虽然可以提供多于100kW/kg，然而仅拥有低的能量密度。混合超级电容器例如可以借助于如在机动车辆的制动能量再生时出现的短的高能量脉冲被充电。以这种方式回收的电能紧接着可以被使用，以便将机动车辆加速。这能够实现燃料的节省以及二氧化碳排放的减少。混合超级电容器也被考虑用于用作电动工具中的能量源。因为相比于其他类型的超级电容器以及相比于电池，混合超级电容器是新的技术，所以自然目前在商业上仅可获得使用混合超级电容器的少量产品。大多在可能会适用于混合超级电容器的应用领域中使用尺寸过大的锂离子电池，所述尺寸过大的锂离子电池由于其大小能够分别提供对于相关的应用需要的功率。视电池单元构造而定，混合超级电容器可以被划分成两个不同的种类：对称的和非对称的混合超级电容器。非对称的混合超级电容器具有电极，所述电极的材料通过可逆的法拉第反应存储能量。所述电极可以是混合化（hybridisierte）的电极。第二电极是纯电容性的，也即所述第二电极通过赫姆霍兹（Helmholz）双层的构造存储能量。因为所述构造具有电极设计（Elektrodengestaltung），所以所述构造特别是对于第一代的混合超级电容器是常用的，所述电极设计对应于锂离子电池电极或者超级电容器电极的构造，使得已知的电极制造方法可以被利用。锂离子电容器是非对称的混合超级电容器的示例。其中锂化的石墨或者其他形式的可锂化的（lithiierbar）碳被用作阳极。这能够实现直至4.3V的最大电压窗口。然而，在使用具有与Li/Li+相比（vs.）接近0V的嵌入电位（Interkalationspotential）的阳极材料、诸如石墨的情况下，在阳极处的SEI形成（固体电解质界面（SolidElectrolyteInterface））是不可避免的。所述SEI形成通常通过有针对性的电池单元改性、例如通过电解质添加剂、如碳酸亚乙烯酯被对付，以便稳定SEI层并且阻止进一步电解质分解。第二类型是对称的混合超级电容器，所述对称的混合超级电容器由具有法拉第的以及电容性的活性材料的两个内部混合化的电极组成。通过所述组合，混合超级电容器的功率密度相比于传统的锂离子电池可以显著地被提高或者能量密度相比于传统的超级电容器可以显著地被提高。此外，在两个电极中的两种活性电极材料之间的协同效应可以被利用。因为作为电极成分的碳改善电极的导电性，所以所述碳此外能够实现两个电极的较快速的能量提供。此外，高度多孔的碳可以作为用于高电流的缓冲器（Schock-Absorber）起作用。对称的混合超级电容器在脉冲运行中胜过（überlegen）非对称的混合超级电容器。非对称的混合超级电容器的能量密度通常通过以下方式来限制，即电极由金属氧化物或者导电的聚合物组成，所述金属氧化物或者导电的聚合物具有固有的低电容。在H.D.Yoo,I.Shterenberg,Y.Gofer,R.E.Doe,C.C.Fischer,G.Ceder,D.Aurbach,JournaloftheElectrochemicalSociety,163(3)A410-A415(2014)中描述：能量密度可以通过将镁用作电极材料明显地被提高。然而，所使用的镁薄膜的充电和放电缓慢地进行，并且其寿命被限制在4000个循环内。
技术实现思路
按照本专利技术的非对称的混合超级电容器具有阳极，所述阳极包含多孔的金属或者半金属。金属或者半金属的孔隙度为至少20体积百分比（Vol.%），并且孔大小尤其处于100nm至5μm的范围内。由此，因为在阳极中的离子扩散占优势地在液态介质中进行并且因此明显地被加速，所以非对称的混合超级电容器可以提供比传统的非对称的混合超级电容器更高的功率。因为由于阳极的开放的结构，大的金属表面可供法拉第反应使用，所以相对于传统的金属阳极，阳极的电容也升高。非对称的混合超级电容器的寿命相对于传统的非对称的混合超级电容器被提高。这以阳极材料的体积变化为基础，所述体积变化以锂离子的嵌入和脱嵌为基础，由于开放的孔结构可以更简单地进行，使得所述阳极具有比由金属薄膜组成的传统的阳极更高的机械稳定性。为了能够实现需要的高的孔隙度，优选的是，金属或者半金属的形态学从由多孔纤维、纳米纤维、空心纳米体、空心多孔体、开孔金属泡沫或者半金属泡沫、多孔金属或者半金属、纳米花或者其组合组成的组中来选择。多孔纤维被理解为在其外面中具有孔的纤维、棒或者线材。如果纤维被构造为管，那么孔隙度可以在于：纤维的外壁具有将管的内部空间和外部空间彼此连接的开口。纳米纤维不仅被理解为实心纳米纤维，而且被理解为纳米管。为了构造多孔结构，在本专利技术的一种实施方式中纳米纤维构成织物。在该织物中，所述纳米纤维不必必须具有预先给定的取向。在另一实施方式中，纳米纤维平行地布置在集电器上，阳极被施加在所述集电器上。集电器可以由与纳米纤维相同的或不同的材料组成。空心纳米体可以具有不同的几何形状。所述空心纳米体尤其是纳米球。但是原则上其他的几何形状、诸如纳米立方体也是可能的。空心多孔体被理解为在其外壁上具有开口的几何体，所述开口将所述体的外部空间与其内部空间连接。所述空心体尤其球形地被构造。但是原则上所述空心体也可以采取其他几何形状、诸如立方体形状。开孔金属泡沫或者半金属泡沫可以是具有传统的孔隙度的金属泡沫或半金属泡沫，或者也可以是具有大大开放（weitoffen）的孔隙度的金属泡沫或者半金属泡沫。在此，大大开放的孔隙度被理解为以下结构，在所述结构中金属泡沫的各个孔不从其表面、而是通过其他孔的壁中的开口从外面可进入。多孔金属或者半金属不仅被理解为非结构化的多孔材料，而且被理解为以下材料：所述材料的孔结构以有序的方式在使用模板（Template）的情况下得以产生。纳米花（NanoFlower）是在微观层面上类似花和树木的金属或者半金属结构。金属优选地从由镁、钠、锂、铝、锡、铅、铋和锌组成的组中来选择。半金属优选地从由硅、锑和锗组成的组中来选择。所述金属和半金属可以以有益的方式进行与锂或者其他适当的碱金属离子的嵌入和脱嵌反应，并且可以被成型为所需要的多孔结构。为了在阳极中除了法拉第反应外也能够构造电子双层（ElectronicDoubleLayerCapacitor（电子双层电容器），EDLC），优选的是，阳极此外包含碳。特别优选地，阳极包含多种不同的碳改性（Kohlenstoffmodifikationen）。这能够实现将给予阳极EDLC特性的碳材料、诸如活性碳或者碳纳米纤维与其他的碳材料组合，这改善在EDLC材料和金属或者半金属和阳极所施加在的集电器之间的电接触。在此情况下例如可以是石墨或者炭黑纳米粒子。为了将阳极的不同的材料固定地彼此化合，此外优选的是，所述阳极包含结合剂本文档来自技高网...

【技术保护点】
非对称的混合超级电容器（1），其具有阳极（4），所述阳极包含金属或者半金属，所述金属或者半金属具有至少20体积百分比的孔隙度。

【技术特征摘要】
2015.09.04 DE 102015216964.21.非对称的混合超级电容器（1），其具有阳极（4），所述阳极包含金属或者半金属，所述金属或者半金属具有至少20体积百分比的孔隙度。2.按照权利要求1所述的非对称的混合超级电容器（1），其特征在于，金属的形态学从由多孔纤维、纳米纤维、空心纳米体、空心多孔体、开孔金属泡沫、多孔金属、纳米花和其组合组成的组中来选择。3.按照权利要求2所述的非对称的混合超级电容器（1），其特征在于，纳米纤维构成织物或者平行地布置在集电器上，所述阳极被施加在所述集电器上。4.按照权利要求2所述的非对称的混合超级电容器（1），其特征在于，空心纳米体和空心多孔体是球。5.按照权利要求1至4之一所述的非对称的混合超级电容器（1），其特征在于，所述金属从由镁、钠、锂、铝、锡、铅、铋和锌组成的组中来选择，并且所述半金属从由硅、锑和锗组成的组中来选择。6.按照上述权利要求1至5之一所述的非对称的混合超级电容器（1），其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：F戈尔克斯，P弗马，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE