專利名稱：鋰離子電容器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋰離子電容器及其制造方法，并且特別涉及具有改進的電容特性、環(huán)保且確保價格有競爭力的鋰離子電容器，及其制造方法。
背景技術(shù)：
超級電容器(supercapacitor)，即具有極大電容的電容器，也被稱作超級_電容器(ultra-capacitor)或超級-高-電容的電容器。超級電容器可被分為雙電層電容器， 通過離子的靜電吸附和解吸累積(accumulate)電；偽電容器，通過氧化還原反應(yīng)累積電； 以及混合電容器，具有不對稱的電極。電池，作為最普遍類型的能量存儲裝置，可存儲相當(dāng)量的能量，與此同時具有相對小的體積和重量，并出于不同目的產(chǎn)生合適的輸出，因此被用于各種用途。然而，不論是哪種電池，其存儲特性都不佳且壽命不長。這是由自然的衰退現(xiàn)象或根據(jù)電池中所含的化學(xué)材料的使用的衰退現(xiàn)象造成的。 在另一方面，超級電容器與使用化學(xué)反應(yīng)的電池不同，超級電容器使用表面化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象或電極和電解液之間界面上的簡單的離子運動進行充電。因此，介于其令人滿意的特性，例如快速的充放電、高充放電效率以及半永久循環(huán)壽命，超級電容器已經(jīng)凸顯為可被用作輔助電池或電池的取代產(chǎn)品的下一代存儲裝置。然而，盡管有這些優(yōu)點，超級電容器具有比電池更低的電容，因此對其使用具有限制。因此，近來提高超級電容器的電容是超級電容器中最重要的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一方面提供了一種鋰離子電容器，可以具有通過對電容特性的改善而明顯改善的能量密度和輸出密度，該鋰離子電容器環(huán)保且確保有競爭力的價格；還提供了一種制造所述鋰離子電容器的方法。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種鋰離子電容器，其包括第一電極，由包括活性碳、水溶性金屬氧化物和水基粘合劑的第一電極材料構(gòu)成；第二電極，面對所述第一電極放置，所述第二電極與第一電極之間具有分隔膜且由能夠可逆地包含鋰離子的第二電極材料構(gòu)成。所述水溶性的金屬氧化物可為從包括LiFePO4以及LiTiOx(LTO)的組中選出的至少一種。所述水基粘合劑可為從包括下述的組中選出的至少一種聚四氟乙烯(PTFE)、羧基甲基纖維素(CMC)和丁苯橡膠(SBR)。
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所述第二電極材料可為石墨或摻雜鋰的石墨。所述鋰離子電容器的電容與第一電極僅由活性碳構(gòu)成的鋰離子電容器的電容相比在相同電壓下大IOmAh或更多。所述第一電極的厚度可為10至400μπι，以及所述第二電極的厚度可為10至 100 μ m0根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種制造鋰離子電容器的方法，其包括使用包括活性碳、水溶性金屬氧化物和水基粘合劑的第一電極材料形成第一電極；以及將分隔膜和由能夠可逆地包含鋰離子的第二電極材料構(gòu)成的第二電極順序堆疊在所述第一電極上。所述水溶性金屬氧化物可選自包括Lii^ePO4和LiTiOx (LTO)的組。所述水基粘合劑可為包括下述的組中選出的至少一種聚四氟乙烯(PTFE)、羧基甲基纖維素(CMC)和丁苯橡膠(SBR)。所述第二電極材料可為石墨或摻雜鋰的石墨。所述鋰離子電容器的電容與第一電極僅由活性碳構(gòu)成的鋰離子電容器的電容在相同電壓下相比大IOmAh或更多。


通過下面結(jié)合附圖進行的詳細(xì)描述，可以更清楚地了解本發(fā)明的上述和其它方面、特征和其它優(yōu)點，其中圖1為分解透視圖，示出根據(jù)本發(fā)明的第一例示性實施例的鋰電子電容器；以及圖2為流程圖，示出根據(jù)本發(fā)明的第一例示性實施例制造鋰電子電容器的方法。
具體實施例方式以下，將參照附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細(xì)描述，其將本發(fā)明的理念充分展示給本領(lǐng)域技術(shù)人員。此外，去除了對公知的功能或配置的詳細(xì)描述以免不必要地模糊本發(fā)明的保護主題。還需要注意，類似的參考標(biāo)號在各個附圖中表示類似的元件。此外，除非特別描述為相反的意思，“包括” 一詞及其變形(例如其單數(shù)動詞形式 (comprises)和現(xiàn)在分詞(comprising))被理解為表示包括所陳述的元件且不排除任何其它元件。以下，將參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明的例示性實施例的制造鋰離子電容器的方法。參照圖1，作為根據(jù)本發(fā)明的第一例示性實施例的鋰離子電容器的最小功能單元的單元電池(cell)，包括第一電極11、第二電極12以及分隔膜13。該鋰離子電容器可通過堆疊或卷繞多個單元電池10形成。根據(jù)本發(fā)明第一例示性實施例的每個單元電池10包括第一電極11和第二電極 12。雖然本發(fā)明的例示性實施例描述了第一電極11和第二電極12分別為正極和負(fù)極的情況；本發(fā)明卻并不局限于此。第一電極11可為負(fù)極且第二電極12可為正極。根據(jù)本發(fā)明的第一例示性實施例的第一電極11可通過將第一電極材料lib涂覆 (apply)到導(dǎo)電片Ila上形成。根據(jù)本發(fā)明的第一例示性實施例，將描述第一電極11為正極的情況。
所述第一電極11可通過將第一電極材料lib涂覆到導(dǎo)電片Ila形成，或僅由第一電極材料lib構(gòu)成。形成第一電極11的導(dǎo)電片11a，起到了將電信號傳輸至第一電極材料lib以及收集累積的電荷的作用，該導(dǎo)電片可由金屬箔構(gòu)成。所述導(dǎo)電片Ila可由不銹(金屬) (stainless)、銅、鎳、鈦等構(gòu)成；且該導(dǎo)電片的構(gòu)成并不局限于此。導(dǎo)電片Ila為片形狀，然而也可為具有形成于片上的網(wǎng)的網(wǎng)型導(dǎo)電片或為具有箔形狀的箔型導(dǎo)電片?？墒褂媚軌蚩赡娴匕囯x子的材料作為第一電極材料lib。根據(jù)本發(fā)明的第一例示性實施例，第一電極材料lib可包括活性碳、水溶性金屬氧化物以及水基粘合劑?？墒褂脧陌↙iFePO4和LiTiOx (LTO)的組中選出的至少一種作為水溶性金屬氧化物且不局限于此。根據(jù)本發(fā)明的第一示例性實施例，由于正極中包括了金屬氧化物，因此增大了正極的充電電勢(potential)。鋰離子電容器的電容特性可通過增大整個鋰離子電容器的充電電勢而得以改進。為了根據(jù)相關(guān)的背景技術(shù)將金屬氧化物與電極材料混合，使用了有機的粘合劑。 然而，活性碳為能夠容易包含鋰離子的一種材料，然而活性碳沒有和有機粘合劑混合，從而其沒有被和金屬氧化物一起使用。然而，根據(jù)本發(fā)明的第一例示性實施例，由于使用了水溶性金屬氧化物，可以使用水基粘合劑，并且由于活性碳可容易地與水基材料混合，可以使用水基粘合劑混合金屬氧化物和活性碳。因此，根據(jù)本發(fā)明的第一例示性實施例，由于使用了具有極佳吸附能力的活性碳， 鋰離子電容器中可包含許多鋰離子，與此同時由于使用了金屬氧化物還增大了正極的充電電勢，因此可提高鋰離子電容器的輸出特性。也就是說，在本發(fā)明的情況下，由于使用了水溶性金屬氧化物，第一電極材料lib 可通過使用水基的粘合劑將水溶性金屬氧化物和活性碳混合而形成。因此，鋰離子電容器的能量密度和輸出密度得以提高，由此該電容器的電容特性得以提高。此外，由于使用了具有環(huán)保特性的水基粘合劑，制造工藝的穩(wěn)定性也得以提高。沒有對第一電極材料lib的厚度進行特別的限制。例如，第一電極材料lib的厚度可被設(shè)置為10至400 μ m。雖然本發(fā)明的第一例示性實施例描述了第二電極12為負(fù)極的情況，本發(fā)明并不局限于此。該第二電極12可由導(dǎo)電片1 和第二電極材料1 配置而成。第二電極可通過將第二電極材料涂覆到導(dǎo)電片上形成，或者也可僅由第二電極材料構(gòu)成。類似于第一電極11的導(dǎo)電片11a，起到將電信號傳輸至第二電極材料12b以及收集累積電荷的導(dǎo)電片1 可由金屬箔構(gòu)成。所述導(dǎo)電片1 可由不銹(金屬)(stainless)、 銅、鎳、鈦等構(gòu)成；且可為網(wǎng)型導(dǎo)電片或為箔型導(dǎo)電片，而并不局限于此。可用能夠可逆地包含鋰離子的材料作為第二電極材料12b。作為示例而不是為了局限于此地，可以使用例如石墨、硬碳焦炭等的碳材料，聚并苯基材料(PAS)及類似物，作為第二電極材料12b。
另外，可以通過將第二材料12b與導(dǎo)電材料混合來形成第二電極。作為示例而不是為了局限于此地，可以使用乙炔黑、石墨等作為導(dǎo)電材料。當(dāng)負(fù)極為第二電極時，第二電極材料可利用鋰金屬薄膜形成或摻雜鋰離子。這是為了使得鋰離子被容易地包含在單元電池中。根據(jù)本發(fā)明的第一實施例，可使用石墨或摻雜鋰離子的石墨作為第二電極的材料 12b，該第二電極為負(fù)極。因此，通過形成于石墨中的鋰薄膜或摻雜在石墨中的鋰離子就可容易地使鋰離子電容器的單元電池中包含鋰離子。沒有對形成在導(dǎo)電片1 上的電極材料12b的厚度做特別的限制。例如電極材料 12b的厚度可被設(shè)置為10至100 μ m。根據(jù)本發(fā)明的第一例示性實施例，分隔膜12可由多孔材料構(gòu)成使得離子可穿過該材料。在這種情況下，通過示例，將聚丙烯、聚乙烯玻璃纖維等作為多孔材料。根據(jù)本發(fā)明的第一例示性實施例，對應(yīng)于正極的第一電極的材料lib可以通過混合活性碳、水溶性金屬氧化物和水基粘合劑而形成。根據(jù)本發(fā)明的第一例示性實施例，水溶性金屬氧化物可以改進鋰離子電容器的電容特性，以及可以改善由于使用非水基粘合劑導(dǎo)致的缺陷。根據(jù)本發(fā)明的第一例示性實施例，可以使用能夠向電解液提供鋰離子的水溶性金屬氧化物作為第一電極的材料，該第一電極為正極。該水溶性金屬氧化物可包括鋰來產(chǎn)生和提供鋰離子。根據(jù)第一例示性實施例，可使用從包括Lii^ePO4和LiTiOx (LTO)的組中選出的至少一種作為水溶性金屬氧化物。此外，根據(jù)本發(fā)明的第一例示性實施例，可以使用摻雜鋰離子的石墨電極作為第二電極，該電極為負(fù)極。因此，可以提供鋰離子電容器，其中第一和第二電極都可使用鋰離子，其在電化學(xué)反應(yīng)中為單一離子類別，用來在電容器的充放電過程中最小化電容器的內(nèi)部電解液的離子導(dǎo)電性的降低現(xiàn)象，且可以在對應(yīng)于正極的第一電極中使用具有高比電容的金屬氧化物來最大化能量密度和輸出密度。因此，在這種鋰離子電容器的情況下，相較正負(fù)極都由活性碳構(gòu)成的雙電層電容器而言，電容特性得以改進。根據(jù)本發(fā)明的例示性實施例，鋰離子電容器的電容與只由活性碳構(gòu)成的鋰離子電容器相比，在相同電壓下其電容會大出IOmAh或更多。正極只由活性碳構(gòu)成的鋰離子電容器的電容在2. OV電壓下為20mAh，而根據(jù)本發(fā)明的例示性實施例的由水溶性金屬氧化物和活性碳構(gòu)成的鋰離子電容器的電容在2. OV電壓下可為30mAh。此外，只由活性碳構(gòu)成的鋰離子電容器在2. 5V電壓下電容為9mAh時，而由水溶性金屬氧化物和活性碳構(gòu)成的鋰離子電容器在2. 5V電壓下電容可為23mAh。也就是說，根據(jù)本發(fā)明的例示性實施例的包括水溶性金屬氧化物和活性碳的鋰離子電容器與第一電極僅由活性碳構(gòu)成的鋰離子電容器相比電容會超出IOmAh或更多。此外，根據(jù)本發(fā)明的例示性實施例，由于使用了水溶性金屬氧化物，可以使用水基粘合劑。當(dāng)根據(jù)背景技術(shù)使用了非水基的粘合劑時，使用了對空氣有害的昂貴的揮發(fā)性的有機化合物。
但是，根據(jù)本發(fā)明的第一例示性實施例，可以使用從包括聚四氟乙烯(PTFE)、羧基甲基纖維素(CMC)和丁苯橡膠(SBR)的組中選擇的至少一種。根據(jù)本發(fā)明的第一例示性實施例，使用了水基粘合劑，該水基粘合劑是環(huán)保且價格低廉的粘合劑，因此可以確保芯片的有競爭力的價格。根據(jù)本發(fā)明的第一例示性實施例，由于使用了水溶性金屬氧化物作為配置正極的第一電極材料，可使用水基粘合劑。因此，由于活性碳中包括了金屬氧化物，鋰離子電容器的正極和負(fù)極的電極材料使用鋰離子，其在電化學(xué)反應(yīng)中為單一離子種類，從而可以最小化電容器充放電過程中電容器的內(nèi)部電解液中離子導(dǎo)電性的降低現(xiàn)象和離子種類的損耗現(xiàn)象。因此，該正極和負(fù)極的電極材料具有高比電容，由此可提高鋰離子電容器的能量密度和輸出密度。參考圖2，示出了制造根據(jù)本發(fā)明第一例示性實施例的鋰離子電容器的方法，執(zhí)行下述過程來制造根據(jù)本發(fā)明的第一例示性實施例的鋰離子電容器。制造根據(jù)本發(fā)明第一例示性實施例的鋰離子電容器的方法包括使用包括活性碳、水溶性金屬氧化物和水基粘合劑的第一電極材料形成第一電極(SlO)，以及將分隔膜和第二電極順序堆疊在第一電極上(S20)，第二電極由能夠可逆地包含鋰離子的第二電極材料構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明的第一例示性實施例，由第一電極材料構(gòu)成的第一電極、分隔膜以及由第二電極材料構(gòu)成的第二電極被順序堆疊來制造單元電池，并且單元電池被堆疊或卷繞，由此可制造多層電容器電池或卷繞的電容器電池。根據(jù)本發(fā)明的例示性實施例，第一電極材料可包括由從包括LiFePO4和 LiTiOx(LTO)的組中選擇的至少一種構(gòu)成的水溶性金屬氧化物。此外，可使用石墨或摻雜鋰的石墨作為第二電極，該第二電極為負(fù)極。因此，正極和負(fù)極的電極材料可使用鋰離子，其在電化學(xué)反應(yīng)中為單一離子種類。因此，可以最小化電容器的充放電過程中電容器的內(nèi)部電解液中離子導(dǎo)電性的降低現(xiàn)象和離子種類的損耗現(xiàn)象，由此可以提高電容器的能量密度和輸出密度。因此，上述的鋰離子電容器與第一電極即正極僅由活性碳構(gòu)成的鋰離子電容器相比，可以確保前者的電容比后者大IOmAh或更多，這是相較雙電層電容器的電容得到顯著改進的值。此外，根據(jù)本發(fā)明的例示性實施例，水溶性金屬氧化物可以使用水基粘合劑散布。 可以使用從包括聚四氟乙烯(PTFE)、羧基甲基纖維素(CMC)和丁苯橡膠(SBR)的組中選擇的至少一種作為水基粘合劑。根據(jù)本發(fā)明的例示性實施例，由于使用了價格低廉的水基粘合劑，可以確保有競爭力的價格且不會對環(huán)境有害。根據(jù)本發(fā)明的例示性實施例，可使用石墨或摻雜鋰的石墨作為第二電極材料。根據(jù)本發(fā)明的例示性實施例，正極和負(fù)極都可使用鋰離子，其在電化學(xué)反應(yīng)中為單一離子種類并具有高比電容，由此能量密度和輸出密度可得到提高。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的例示性實施例，可以提供一種鋰離子電容器，該種鋰離子電容器具有改進的電容特性用來最小化在電容器充放電過程中該電容器的內(nèi)部電解液的離子導(dǎo)電性的降低現(xiàn)象和離子種類的損耗現(xiàn)象，因此極大地提高了能量密度和輸出密度，并且該鋰離子電容器具有環(huán)保的特性以及具有競爭力的價格，以及可以提供用來制造該種鋰離子電容器的方法。 盡管結(jié)合例示性實施例對本發(fā)明進行了展示和描述，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見在不偏離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和保護范圍內(nèi)可以對本發(fā)明進行改變和變型。
權(quán)利要求
1.一種鋰離子電容器，所述鋰離子電容器包括第一電極，由包括活性碳、水溶性金屬氧化物和水基粘合劑的第一電極材料構(gòu)成；以及第二電極，面對所述第一電極放置，所述第二電極與所述第一電極之間具有分隔膜且所述第二電極由能夠可逆地包含鋰離子的第二電極材料構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電容器，其中所述水溶性金屬氧化物為從包括下述的組中選出的至少一種=LiFePO4以及LiTiOx(LTO)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電容器，其中所述水基粘合劑為從包括下述的組中選出的至少一種聚四氟乙烯(PTFE)、羧基甲基纖維素(CMC)和丁苯橡膠(SBR)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電容器，其中所述第二電極材料為石墨或摻雜鋰的石m蠻O
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電容器，其中所述鋰離子電容器的電容與第一電極僅由活性碳構(gòu)成的鋰離子電容器的電容在相同電壓下相比大IOmAh或更多。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電容器，其中所述第一電極的厚度為10至400μ m，以及所述第二電極的厚度為10至100 μ m。
7.—種制造鋰離子電容器的方法，所述方法包括使用包括活性碳、水溶性金屬氧化物和水基粘合劑的第一電極材料形成第一電極；以及將分隔膜和由能夠可逆地包含鋰離子的第二電極材料構(gòu)成的第二電極順序堆疊在所述第一電極上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述水溶性金屬氧化物選自包括LiFePO4和 LiTiOx(LTO)的組。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述水基粘合劑為從包括下述的組中選出的至少一種聚四氟乙烯(PTFE)、羧基甲基纖維素(CMC)和丁苯橡膠(SBR)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述第二電極材料為石墨或摻雜鋰的石墨。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述鋰離子電容器的電容與第一電極僅由活性碳構(gòu)成的鋰離子電容器的電容在相同電壓下相比大IOmAh或更多。
全文摘要
提供了一種鋰離子電容器及其制造方法。該鋰離子電容器包括第一電極，由包括活性碳、水溶性金屬氧化物以及水基粘合劑的第一電極材料構(gòu)成；以及第二電極，被設(shè)置為面對所述第一電極，與第一電極之間具有分隔膜，并由包括能夠可逆地包括鋰離子的第二電極材料構(gòu)成。因此，提供一種具有提高的能量密度和輸出密度的鋰離子電容器，并且可以提供具有環(huán)保的特性及具競爭力價格的該離子電容器的制造方法。
文檔編號H01G9/042GK102468058SQ20111007877
公開日2012年5月23日 申請日期2011年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月4日
發(fā)明者尹虎珍, 裵俊熙, 金倍均, 金學(xué)寬 申請人:三星電機株式會社