对锂离子电容器进行预掺杂的方法技术

对锂离子电容器进行预掺杂的方法，其包括：对方程式为C/S/A/S/C/S/A/S/C的锂离子电容器进行压制，其中：/A/是在两侧上都涂覆了阳极碳层的阳极，以及每层阳极碳层还涂覆了锂复合物粉末(LCP)层；C/是阴极，其一侧上涂覆了阴极碳混合物层；以及S是分隔器；和非水性电解质；以及对所得到的经压制的锂离子电容器进行调节，例如，速率为C/20至4C，以及调节使得浸渍的锂作为锂离子在阳极碳结构中重新分布。还揭示了碳涂覆的阳极，其具有压制在碳涂覆的阳极上的LCP层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】对锂离子电容器进行预掺杂的方法本申请根据35U.S.C.§120，要求2015年08月26日提交的美国申请序列第14/836,099号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。相关共同待审申请的交叉参考本申请涉及共同拥有和转让的如下美国申请系列号：2015年1月30日提交的题为“ANODEFORLITHIUMIONCAPACITOR(用于锂离子电容器的阳极)”的USSN14/610782；2012年11月9日提交的题为“LITHIUMCOMPOSITEPARTICLES(锂复合物颗粒)”的USSN13/673019；以及2014年9月23日提交的题为“ENCAPSULATEDLITHIUMPARTICLESANDMETHODSOFMAKINGANDUSETHEREOF(包封锂颗粒及其制造和使用方法)”的USSN14/493,886，但是没有要求它们的优先权。本文所述的出版物或专利文献的全文内容分别通过参考结合于本文。
技术介绍
本文一般地涉及储能装置领域。
技术实现思路
在一些实施方式中，本公开提供了锂离子电容器(LIC)制品和对锂离子电容器制品进行预掺杂的方法。附图说明在本公开的实施方式中：图1显示对于工作实施例1至4，在C/2、C/10、C/20和1C速率下的调节循环。图2显示对于实施例1至4，在C/2、C/10和C/20速率下调节的本专利技术的LIC的体积拉贡图。图3A、3B和3C分别显示示例性包封锂颗粒(锂复合物颗粒粉末；LCP)的横截面示意图(3A)，具有所揭示的包封锂颗粒的表面层的示例性阳极电极结构在压制之前的横截面示意图(3B)，以及具有嵌入在碳涂覆电极的表面上或者浸渍到碳涂覆电极的表面中的包封锂颗粒的预掺杂表面层的本专利技术的示例性阳极电极结构的横截面示意图(3C)。具体实施方式下面将参考附图(如果存在的话)详细描述本文的各种实施方式。对各种实施方式的参考不限制本专利技术的范围，本专利技术范围仅受所附权利要求书的范围的限制。此外，在本说明书中列出的任何实施例都不是限制性的，且仅列出要求保护的本专利技术的诸多可能实施方式中的一些实施方式。在一些实施方式中，所揭示的制造方法和使用方法提供了一个或多个优势特征或方面，包括例如，如下文所述。任一项权利要求所述的特征或方面一般在本专利技术的所有方面适用。在任一项权利要求中所述的任意单个或多个特征或方面可以结合或与任一项或多项其它权利要求中所述的任意其它特征或方面结合或置换。定义“预掺杂”或者“预掺杂的”等术语指的是如下工艺，其包括：第一压制步骤，其中，经由机械压制、大气压制或者类似压缩力，使得锂离子源(例如，LCP)浸渍入或者插入阳极碳结构中；以及第二调节步骤，其包括快速充电和放电，以使得锂离子从锂源重新分布到至少一部分的整个阳极碳结构。“压缩”、“压制”、“压制的”或者“压缩的”等术语指的是向新生的锂离子电容器(例如，完整构建的LIC或者存在或不存在液体电解质的LIC的阳极部分)的全部或其部分施加合适的压力。虽然不受限于理论，但是相信压制导致锂离子源对锂离子电容器中的阳极碳进行掺杂或浸渍。“调节”或者“调节的”等术语指的是：在每个恒电流充放电步骤之间保持恒定电压下，以给定C速率对锂离子电容器进行恒电流充放电，从而使得浸渍或插入的锂离子源或锂离子从源到其中发生均匀地重新分布；以及将电压增加到高至例如3V。“短路化”、“短路的”或者“短路”等术语指的是经由施加合适的机械压力、大气压或者类似作用力，将锂离子插入到阳极碳结构中。“开路电压”、“OCV”或者“开电压”等术语指的是当两个电极没有发生连接并且没有外部电流通过电路时，这两个电极之间的电压。“充电速率”、“C速率”或者“电流的C速率”等术语指的是当电容器相对于其最大电容量完全充电或完全放电时，对理论速率的测量。例如，1C速率指的是放电电流会在1小时内将电容器放电至给定电压，C/2速率指的是放电电流会在2小时内将电容器放电至给定电压，2C速率指的是放电电流会在30分钟内将电容器放电至给定电压，C/10速率指的是放电电流会在10小时内将电容器放电至给定电压，以及C/20速率指的是放电电流会在20小时内将电容器放电至给定电压。“锂离子电容器”或者“LIC”等术语指的是涉及超级电容器储能装置的混合类型的电容器。混合类型的电容器能够以静电方式和电化学方式储存电荷。活性炭可用作阴极。LIC的阳极可以是能够插入来自锂离子源的锂离子的碳材料。预掺杂方法降低了阳极的电势，并且实现了相比于其他超级电容器相对高的输出电压(例如，从3至4.2V)。不同于基于两个电极上的电双层机制储存能量的电化学双层电容器(EDLC)，混合锂离子电容器在阴极上经由双层机制储存能量而在阳极上经由法拉第机制储存能量。作为结果，此类装置中的能量密度会比EDLC高例如五倍，同时维持功率也比EDLC大了约3-4倍。尽管存在法拉第储能机制，这些装置仍然显示出超过200,000次循环的非常高的循环寿命，使得装置对于许多应用具有吸引力。LIC在正电极上采用高表面积(通常大于1000m2/g)碳，在阳极上插入具有低孔隙度和低表面积(通常小于300m2/g)的碳，该电极配置支撑了锂离子的快速化学插入和脱出。在充电和放电过程中，在负电极的块体中发生锂离子插入和脱出，而在正电极处发生阴离子的吸附和解吸附。正电极上的吸附和解吸附是非法拉第反应，这比负电极上的锂离子插入和脱出相对更快。由于电解质中所含的锂离子对于装置运行是不够的，所以需要锂离子源。可以通过将锂金属插入负电极/阳极电极中，来实现锂离子电容器中的这种外部锂离子源。商业上来说，锂金属箔与负电极/阳极电极短路，从而将锂插入锂离子电容器的负电极/阳极电极中。这种方式必须在装置中使用锂金属电极，产生了许多安全问题。或者，来自锂箔的锂金属还可以以电化学的方式预插入到负电极/阳极电极中。但是，锂箔的短路与电化学技术会是复杂且缓慢的，并且由于例如时间和复杂度，不是优选的方法。“阳极”、“阳极电极”、“负电极”或者类似术语指的是这样的电极，通过该电极，正电荷流入极化电子器件中，以及电子流出电极到达外部电路。“阴极”、“阴极电极”、“正电极”或者类似术语指的是这样的电极，正电荷通过该电极流出极化电子器件。“活性炭”、“活性碳”或者类似术语指的是通过如下方式源自合成或天然有机源的碳：首先在惰性环境中产生焦炭，之后使得碳焦炭与氧化剂(例如，蒸汽或CO2)反应或者用碱性化合物(例如，KOH、NaOH和类似碱性化合物)或酸(例如，磷酸)处理焦炭。碱处理或者酸处理使得碳焦炭氧化，并产生具有大表面积的细孔隙度。经过处理的碳提供能够具有双层储存机制的储能材料。“包括”、“包含”或者类似术语表示包括但不限于，即内含而非排它。本文所述的实施方式中用来对例如组合物中成分的量、浓度、体积、加工温度、加工时间、产率、流速、压力、粘度和类似数值及其范围或者组件的尺寸以及类似数值及其范围进行修饰的“约”是指可能发生的数值量的改变，例如，源自制备材料、组合物、复合体、浓缩物、组件部件、制品制造或使用制剂所用的常规测量和操作过程；源自这些过程中的偶然性误差；源自用来实施所述方法的起始材料或成分的制造、来源或纯度的差异；以及类似因素。术语“约”还包括由于具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对锂离子电容器进行预掺杂的方法，该方法包括：压制具有如下方程式的锂离子电容器：C/S/A/S/C/S/A/S/C，式中：/A/是在两侧上涂覆了阳极碳层的阳极，以及每层阳极碳层还涂覆了锂复合物粉末(LCP)层；C/是在一侧上涂覆了阴极碳混合物的阴极；以及S是分隔器；以及非水性电解质；以及对所得到的经压制的锂离子电容器进行调节。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.08.26 US 14/836,0991.一种对锂离子电容器进行预掺杂的方法，该方法包括：压制具有如下方程式的锂离子电容器：C/S/A/S/C/S/A/S/C，式中：/A/是在两侧上涂覆了阳极碳层的阳极，以及每层阳极碳层还涂覆了锂复合物粉末(LCP)层；C/是在一侧上涂覆了阴极碳混合物的阴极；以及S是分隔器；以及非水性电解质；以及对所得到的经压制的锂离子电容器进行调节。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，以约为50-1000psi的压力持续0.1-100分钟来完成压制。3.如权利要求1-2中任一项所述的方法，其特征在于，以220-650psi的压力持续1-45分钟来完成压制。4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，通过电化学方式、热方式或其组合，在约15分钟至20小时内完成调节。5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，以电化学方式，在至少一次循环中完成调节，其中，经压制的锂离子电容器以C/2速率从OCV充电到3.8V，在3.8V保持1小时，然后以C/2速率放电。6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述至少一次循环包括1-20次循环。7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，将经压制的锂离子电容器加热至40-70℃，持续2-10小时，以热方式完成调节。8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，压制和调节产生的锂离子电容器具有至少60mAh/...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·P·加德卡里，R·S·卡达姆，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US