本发明专利技术部分地涉及具有以下性质的炭黑：a)约600m2/g-约2100m2/g的氮BET表面积(BET)，b)约(-2.8+(b*BET))-约(108+(b*BET))的单位为mL/100g的CDBP值，其中b为0.087且BET以m2/g表示，和c)至少约0.820+q*BET的表观密度(ρ，g/cm3)，其中q=-2.5x10-4，所述表观密度在200kgf/cm2的压缩力(P)下对干炭黑粉末测得。还公开了包含炭黑的储能器件，例如，电化学双层电容器(EDLC)。还提供了所述炭黑的制造方法以及由所述炭黑制成的EDLC。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于储能应用的高表面积低结构炭黑本申请根据35U. S. C. § 119(e)要求2009年11月2日提交的在先美国临时专利申请No. 61/257226的优先权，该美国临时专利申请的全部内容在此引入作为參考。本专利技术涉及炭黑，且尤其涉及，高表面积、低结构炭黑。此外，本专利技术涉及使用这些炭黑的储能器件。更具体地，本专利技术炭黑能够用于电化学双层电容器(EDLC)(也称为电化学电容器、超级电容器、或超电容器)。EDLC可为对称型EDLC或者其它EDLC构型。所述炭黑的应用不限于EDLC，还可包括其它领域，所述其它领域包括但不限于，能源市场领域如电池和燃料电池。而且，利用赝电容现象或利用电池与电容器的混杂设计的其它器件也能够得益于这些炭黑的应用。本专利技术还涉及这些独特的炭黑的制造方法以及由它们制成的储能器件。在常规电容器中，能量通过如下储存从ー个金属板移出电荷载体(典型地为电子)，并将它们沉积在另ー金属板上。该电荷分离在这两个板之间产生电势，这可以通过外电路控制(harness)。与传统电容器相反地，EDLC典型地不具有常规电介质。EDLC能够使用实际上为两层相同基材的板〃，而非由插入物质分隔的两个分开的板，而且，这两层相同基材(所谓的双电层)的电性质导致电荷的有效分离，尽管各层的物理分隔非常薄(例如约若干纳米)。不需要大体积的电介质层允许将具有大得多的表面积的板包装成给定尺寸，导致在实际尺寸包装(practical sized package)中的非常高的电容。EDLC易于以小尺寸轻质元件以及大型元件的形式获得。EDLC用于许多应用，例如用于如下的应用手持式设备(小型电子装置)、备用电源、机动车用辅助电源等。已进行了许多研究以更好地理解材料性质对器件性能的影响。通常地，期望具有较低内阻或等效串联电阻(ESR)的器件。电池(例如铅酸电池)的内阻很大程度上取决于它们的充电状态以及它们的操作环境的温度。例如，处于低水平的充电状态下的电池的内阻具有比充分充电的电池的内阻更高的数值，且该特性限制了部分放电的电池的功率參数。EDLC具有极低的ESR，与可再充电的电池相比，其可以较小地依赖于它们的充电状态。除了低的ESR外，EDLC还优选同时具有高的体积电容(每单位体积的电容)。体积电容定义为每单位质量的材料的电容(也称为重量电容(单位为法拉/g的数值))X电极密度(单位为g/cm3的数值)。电容通常随着碳材料表面积的提高而増大。已经证明，由相同材料获得低ESR和高体积电容这两种器件特性是极大的挑战。用于EDLC的电极通常通过如下制造在集电体(通常为铝或其它导电基材)上形成多孔体层(也称为电极膜或电极膜层(或在本文中简称为“电极”))。电极和集电体这两者均具有电子电导率。电极通常通过如下形成在集电极上涂覆含溶剂的分散体或浆液，所述含溶剂的分散体或浆液包含多孔碳质颗粒(其通常为具有加入的导电组分(导电的添加剂或填料)的微米尺度的活性炭颗粒，其还通常为碳质材料)、粘结剂和溶剤。还存在若干种可选方法，包括干式挤出加工以及将干材料挤压或压制在一起。与制造方法无关，最終电极通常包含约90-95重量％的活性炭、约5-10重量％的导电添加剤、以及ー些聚合物型粘结剂。电极中的导电添加剂用于给电极提供足够的电子 电导率并消除“死”空间，否则，不得不用电解质(EDLC的最昂贵组分之一)填充该“死”空间。通过调节导电添加剂在电极中的含量，可对ESR的电子部分进行调整。同时，电导率的离子部分(电解质离子移向和移出所述炭的有效表面的能力)主要由活性炭的孔隙率以及电极和各碳颗粒内的孔的弯曲度控制。因此，厚电极(厚度〉约50微米)将导致增高的ESR,这是因为，对于厚电极而言，ESR的离子部分和电子部分这两者均比薄电极高。如目前所理解的，由于活性炭颗粒的宽的粒径分布(约O. I-约100微米)，活性炭在薄电极的使用能够导致问题。而且，由相同材料获得低ESR和高体积电容这两者在过去是有问题的。
技术实现思路
本技术革新部分地基于当前公认的开发高表面积炭黑的需要，所述高表面积炭黑还具有低结构且其可用于储能器件。在本专利技术开发出这样的炭黑以及它们的应用(包括它们作为超级电容器和其它储能器件用电极的应用)之前，相信具有这样的特性的炭黑及应用在过去不是可市购的，而且，在过去也没有认识到或充分意识到它们在诸如电化学电容器的应用中的可能的优点。 本专利技术的另ー特征是提供具有高表面孔隙率的导电炭黒。本专利技术的又一特征是提供用于超级电容器和其它储能器件的炭黑、系统、以及应用。本专利技术的另ー特征是提供用于EDLC的炭黑以及结合有EDLC的器件。本专利技术的额外特征是提供能够使用本专利技术的独特的炭黑且能够获得高填充密度和高电极密度的电化学电容器电极。本专利技术的进ー步特征是提供低电阻(如低ESR)且具有可接受的体积和/或重量电容的电极。本专利技术的额外特征是提供能够仅单独具有炭黑作为碳质材料且无需活性炭的电扱。本专利技术的额外特征和优点将在以下说明书中部分阐明，且部分地将由本说明书显见，或者可以通过本专利技术的实践而获得教导。通过在本说明书和所附权利要求书中特别指出的要素以及组合，本专利技术的目的和其它优点将得以认识和实现。为了实现这些以及其它优点，且根据本专利技术的目的，如在本文中具体示例且宽泛描述的，本专利技术涉及具有以下性质的炭黑a)约600m2/g-约2100m2/g的氮BET表面积(BET) ；b)约(-2. 8+(b*BET))_ 约(108+(b*BET))的单位为 mL/100g 的 CDBP 值，其中b为O. 087且BET以m2/g表示；和c)至少约O. 820+q*BET的表观密度(P，g/cm3)，其中q=-2.5xl0_4，所述表观密度在200kgf/cm2的压缩压力(P)下对干炭黑粉末测得。此外，本专利技术涉及含有一种或多种本专利技术炭黑的储能器件。该储能器件可以为，例如，电化学双层电容器(EDLC)或其它电化学电容器。这些EDLC能够提供这样的器件特性与含活性炭的EDLC相比，含炭黑的EDLC显示出低的ESR和/或高的体积和重量电容。本专利技术还部分地涉及非対称型电容性EDLC和赝电容性EDLC、以及其它储能器件，例如电池和燃料电池(包括混杂型电容器-电池设计)，它们具有至少ー个或其部分含有至少ー种本专利技术炭黑的电扱。本专利技术的电极可由如下物质形成一种或多种本专利技术炭黑；或者进ー步与其它炭黑组合的一种或多种本专利技术炭黑，所述其它炭黑处于与本专利技术炭黑的共混物的形式且其例如为常规炭产品，如石墨、石墨烯、纳米石墨、除本文所公开的形态区域外的常规炭黑、玻璃碳、活性焦炭、碳纤维、碳纳米纤维、活性炭、碳气凝胶、碳纳米管、碳纳米棒等。典型地，在电极形成中，炭黑可例如与至少ー种粘结剂组合。应当理解，前面的总体描述和下面的详细描述均仅是示例性和说明性的且g在提供对所要求保护的本专利技术的进ー步解释。结合到本申请中且构成本申请一部分的附图说明了本专利技术的一些实施方案，而且，所述附图与本说明书一起用于解释本专利技术的原理。附图说明图I为显示了诸如本专利技术炭黑和对比炭黑的⑶BP(mL/100g)和氮BET表面积(m2/g)值的图。实施例部分的炭黑1-4与对比例cl-c3及若干种市购产品一起示出。图2a、2b和2c显示了诸如本专利技术炭黑和对本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.11.02 US 61/257,2261.包括电极或其部分的储能器件，其中所述电极包含具有以下性质的炭黑 a)约600m2/g-约 2100m2/g 的氮 BET 表面积(BET)； b)约(-2.8+(b*BET))_约(108+(b*BET))的单位为mL/100g 的CDBP值，其中 b 为 O. 087且BET以m2/g表示；和 c)至少约0.820+q*BET的表观密度(P，g/cm3)，其中q=_2.5xl0_4，所述表观密度在200kgf/cm2的压缩カ(P)下对干炭黑粉末测得。2.权利要求I的储能器件，其中所述炭黑具有以下性质 a)约8-约IOOnm的平均初级粒径；和 b)约8-约500nm的平均炭黑粒径。3.权利要求I的储能器件，其中所述电极具有约50微米或更低的厚度。4.权利要求I的储能器件，其中所述电极具有约10微米或更低的厚度。5.权利要求I的储能器件，其中所述电极进ー步包括不同于所述炭黑的第二炭黒。6.权利要求I的储能器件，包括电化学双层电容器(EDLC)，所述电化学双层电容器包括第一和第二电极、以及包含所述第一和第二电极的腔室，所述第一和第二电极中的每ー个均包含所述炭黒，且所述炭黑彼此相同或不同，其中，对于所述EDLC的电极，所述EDLC具有至少约80法拉/g的重量电容，且对于所述腔室，所述EDLC具有至少约20法拉/g的重量电容。7.权利要求I的储能器件，包括具有至少约10F/mL电容的EDLC腔室。8.权利要求I的储能器件，其中所述电极具有约O.30g/cc-约O. 90g/cc的电极密度。9.权利要求I的储能器件，其中所述炭黑具有约50mL/100g-约300mL/100g的CDBP值。10.权利要求I的储能器件，其中所述炭黑进ー步具有ー种或多种以下性质 a)约8nm_约IOOnm的平均初级粒径； b)约8nm_约500nm的平均聚集体粒径； c)约1000mg/g-约 2200mg/g 的碘数值； d)O-约4%的挥发物百分数； e)0-约3%的灰分百分数； f)约5ppm-约120ppm的325目筛残留物(最大); g)O-约0. 2%的含硫量；和 h)O-约8%的水分百分数。11.权利要求12的储能器件，其中所述炭黑具有所述性质a)-h)中的至少四种。12.权利要求I的储能器件，其中所述炭黑具有附着的至少ー种有机基团。13.权利要求I的储能器件，其中所述炭黑具有附着的至少ー种有机基团，所述有机基团包括芳基或烷基，其中所述芳基或烷基直接附着到所述炭黑上。14.权利要求I的储能器件，其中所述炭黑具有附着的至少ー种有机基团，所述有机基团包括电子给体基团、电子受体基团、或者这两者。15.权利要求I的储能器件，其中该储能器件是电化学双层电容器(EDLC)。16.权利要求I的储能器件，其中该储能器件是电池或燃料电池。17.权利要求I的储能器件，其中...
【专利技术属性】
技术研发人员：A基尔里迪斯，RM索卡，GD莫瑟，PA科斯雷夫，NJ哈德曼，
申请(专利权)人：卡博特公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。