通过含锂盐的电解质中的结合了多孔碳阴极的高性能锂合金阳极，实施方式提供了呈现高的能量密度和功率密度的混合超级电容器。实施方式包括尺寸减小的硅氧化物阳极、硼掺杂的硅氧化物阳极、和/或碳涂覆的硅氧化物阳极，其可改进循环稳定性和倍率性能。进一步的实施方式包括混合超级电容器系统，其使用包括LiPF6在碳酸亚乙酯、碳酸二乙酯和碳酸二甲酯(EC:DEC:DMC，体积比计2:1:2)和10wt％氟代碳酸亚乙酯(FEC)的混合物中的电解质中的Li活性阳极，其可降低自放电速率。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本专利申请要求于2014年6月20日提交的共同未决美国临时专利申请No.62/015,005的权益，其通过引用以其整体并入本文。关于联邦资助研究或开发的声明本专利技术是利用由能源部颁发的GrantNO.DE-AC02-05CH11231下的政府支持来完成的。政府在本专利技术中具有某些权利。专利技术背景专利
实施方案公开了一种具有高性能锂合金阳极的超级电容器，且特别是具有硼掺杂的锂合金阳极及高度多孔的碳(C)阴极的超级电容器。相关技术的背景便携式电子设备的扩大的市场、和特别是电动汽车和混合电动汽车的出现已引起对于能提供高的能量密度及功率密度和长的循环寿命的先进能量存储技术的增加的需求。在便携式电子设备的实际应用中典型地使用的两种能量存储系统为锂离子蓄电池(LIBs)和超级电容器(SCs)。这两种系统通常代表设计空间的两个极致。通常，LIBs通过利用遍及构成蓄电池的活性材料的法拉第(Faradaic)反应来呈现高的能量密度(150-250Wh/kg)。但是，该机制可能导致低的功率密度(<1000W/kg)，因为块状电极中的固态离子扩散通常较低。LIBs也可能因材料结构的劣化而遭受短的循环寿命(<1000循环)。在另一个极端，SCs由于在构成电容器的活性材料的表面上的快的电荷物理吸附速率而典型地提供高的功率密度(～10,000W/kg)。该机制也可实现长的循环寿命(＞100,000循环)，因为其通常不引起重大的结构变化。但是，由于通常仅利用表面，因此SCs的能量密度非常有限(例如5-10Wh/kg)。混合超级电容器或超级电容器-蓄电池混合能量存储系统已被提出作为一种将LIBs和SCs两者的优势并入一个系统中的方法。现有的超级电容器系统由作为阴极的SC电极(活性炭)(用于通过阴离子的吸附/解吸来确保高的功率密度)和作为阳极的LIB电极(用于通过锂(Li)在非水电解质中的插入/脱离来提供高的能量密度)构成。(参见图1)。例如，可通过将石墨烯基三维多孔碳阴极和Fe3O4/石墨烯纳米复合材料阳极结合来实现在150W/kg下147Wh/kg的能量密度。但是，利用这样的现有技术系统，高的能量密度仅在非常低的功率密度下获得，并且能量密度通常随着功率密度的增加而显著下降。混合超级电容器系统中的理想阳极应具有下述特征：1)工作电压应较低，使得系统能完全利用电解质的电压窗以实现高的能量密度；2)阳极应具有高的比容量以增加能量密度；3)阳极应具有优异性的倍率特性以匹配高功率阴极从而实现高的能量密度；和4)循环寿命应较长至改进混合系统的循环稳定性。用于现有技术的混合超级电容器系统的阳极材料都不满足所有这些要求。例如，Li4Ti5O12和TiO2具有良好的循环稳定性但具有高的电压(1.5V)和低的容量(约200mAh/g)。另一方面，石墨显示最低的锂化电压(0.1V)，但也显示低的容量(370mAh/g)和普通的倍率性能。硅纳米结构(例如纳米线、纳米管和纳米/微米尺寸的颗粒)已用于混合超级电容器来尝试获得上述的益处，但Si纳米结构的制备可能涉及化学/物理气相沉积或高毒性的HF蚀刻，这会引起额外成本。因此，在高功率密度下具有高能量密度、以及长的循环寿命的超级电容器系统还未被现有技术展示。其一个原因是由于超级电容器系统所采用的高性能阳极的缺乏。专利技术概述公开了一种混合超级电容器，其包括与高度多孔球形碳(PSC)阴极结合(couple)的碳(C)涂覆、硼(B)掺杂的一氧化硅(SiO)阳极(“高性能Si基阳极”)。该混合超级电容器显示由高性能Si基阳极实现的高的能量密度及功率密度。阳极材料的循环稳定性和倍率性能进一步通过商业SiO的尺寸减小、C涂覆和B掺杂来改进。另外，可不利用氢氟酸(HF)蚀刻来生产高性能Si基阳极，这可降低成本。附图的简要说明图1显示如本文所报道的实施方案的超级电容器的充电过程，其使用活性C作为阴极和Li插入材料作为阳极；图2A显示B-Si/SiO2/C和Si/SiO2/C的XRD谱；图2B显示B1sXPS谱；图2C显示B-Si/SiO2/C的拉曼谱；图2D显示B-Si/SiO2/C的SEM图像；图2E显示B-Si/SiO2的HRTEM图像；图2F显示B-Si/SiO2/C的TEM图像；图3A显示在300mA/g下的头两次循环的活化之后B-Si/SiO2/C和B-Si/SiO2/C-325在600mA/g下的循环性能；图3B显示B-Si/SiO2/C和Si/SiO2/C的倍率性能；图3C和图3D分别显示B-Si/SiO2/C和PSC在不同电流密度下的电压分布(profile)；图4A显示B-Si/SiO2/C//PSC混合超级电容器的CV曲线；图4B显示B-Si/SiO2/C//PSC混合超级电容器在不同电流密度下的恒电流充电-放电曲线；图4C显示B-Si/SiO2/C//PSC混合超级电容器与其它工作相比较的Ragone曲线图；图4D显示B-Si/SiO2/C//PSC混合超级电容器的循环性能；图5显示B-Si/SiO2/C/PSC混合超级电容器在室温下以100mA/g充电至4.0V、随后在4.0V下恒电压充电1小时后的自放电曲线；图6A和图6B分别显示B-Si/SiO2/C和B-Si/SiO2/C-325的SEM的比较；图7是B-Si/SiO2/C的低放大率TEM，显示碳涂覆层；图8显示B-Si/SiO2/C和Si/SiO2/C在具有0.2V电压的锂化状态中的阻抗谱；图9显示PSC在Li半电池中从2V至4.6V的CV曲线；图10显示包括锂合金阳极和碳基阳极的混合超级电容器系统的结构。本专利技术的详细说明本专利技术的超级电容器至少包括三个重要元件。首先，其包括锂合金阳极。该阳极包含锂和至少能与锂可逆地反应的材料(包括，例如但不限于硅、锗、锡等)。锂合金阳极掺杂硼。本专利技术的实施方案的超级电容器还包括碳阴极。该碳是能吸收/解析锂离子和/或阴离子的“多孔”碳。本文所报道的超级电容器还包括电解质。合适的电解质包括，例如但不限于锂盐的非质子有机溶液。尽管不希望受限于理论，本申请人现在将讨论可能可应用于本专利技术的实施方案的超级电容器的各种关系。假设严格线性的充电/放电斜率而没有电压降，混合超级电容器的能量密度和功率密度能通过下述公式来计算：其中E、P、V1、V2、I和Δt分别为能量密度、功率密度、电压窗的下限及上限、电流密度和放电持续时间。根据这些公式，为了实现高的能量密度和功率密度，需要高的工作电压(V1+V2)、高的倍率特性(其允许高的电流密度)和高的容量(其给予长的放电持续时间)。由于阳极在混合超级电容器的充电期间典型地经历锂化，因此较低的阳极锂化电压可能形成较高的V2，并由此可能导致较高的能量密度和功率密度，如果其它参数不变的话。归因于与电容性阴极相比，法拉第阳极通常经受更短的循环寿命的事实，除了高的V2以外，良好的阳极循环稳定性对于混合超级电容器的长循环寿命而言是所期望的特征。由于其低的锂化电位(＜0.5V)和高的比容量(＞3500mAh/g)，Si对于混合本文档来自技高网...
【技术保护点】
超级电容器系统，其特征在于，包含：锂合金阳极，包含多孔碳且与锂合金阳极结合的碳基阴极；和电解质；其中，锂合金阳极、碳基阴极和电解质形成超级电容器系统。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.20 US 62/015,0051.超级电容器系统，其特征在于，包含：锂合金阳极，包含多孔碳且与锂合金阳极结合的碳基阴极；和电解质；其中，锂合金阳极、碳基阴极和电解质形成超级电容器系统。2.权利要求1中所述的超级电容器，其中，锂合金阳极包含由硅、锗和锡组成的组的一员。3.权利要求2中所述的超级电容器，其中，因减小尺寸的颗粒而产生锂合金阳极的短的电荷传输路径。4.权利要求2中所述的混合超级电容器，其中，通过阳极的硼掺杂产生锂合金阳极的较低的电荷转移电阻。5.权利要求1中所述的超级电容器，其中，多孔碳具有层级的多孔结构。6.权利要求1中所述的超级电容器，其中，电解质包含锂盐。7.权利要求6中所述的超级电容器，其中，锂合金阳极能与Li可逆地反应。8.权利要求1中所述的超级电容器，其中，超级电容器在2.0-4.5V之间工作，在1229W/kg下具有128Wh/kg的高能量密度。9.超级电容器，包含：掺杂的锂合金阳极，其包含能与锂形成合金的材料；与锂合金阳极结合的碳基阴...
【专利技术属性】
技术研发人员：王东海，衣冉，陈书如，
申请(专利权)人：宾夕法尼亚州研究基金会，
类型：发明
国别省市：美国;US
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。