專利名稱：電雙層電容的水系電解質(zhì)與利用該水系電解質(zhì)的電雙層電容的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)一種水系(water-based)電解質(zhì)，且特別是有關(guān)于一種用于電雙層電 容(electric double layer capacitor)的水系電角軍質(zhì)。
背景技術(shù)：
電雙層電容又稱為超級電容(supercapacitor)，顧名思義，電雙層電容每單位重 量所能儲存的能量遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)一般電容；另外，在輸出能量時，其額定功率(power rating) 亦優(yōu)于許多可充電電池。除此之外，電雙層電容還具備了使用壽命長、循環(huán)特性佳、操作溫 度廣等特性。正因?yàn)槿绱耍婋p層電容在儲存與輸出能量這兩方面的應(yīng)用性都備受矚目。簡單來說，電雙層電容的結(jié)構(gòu)包括了一對可極化電極與夾設(shè)于此電極間的隔片 (s印arator)，且上述電極與隔片浸潤于一電解質(zhì)中。當(dāng)在上述可極化電極間形成一電位差 時，由于電解質(zhì)中的陽離子會向負(fù)極移動而陰離子會向陽極移動，會在電雙層電容中形成 離子電流。當(dāng)帶正電荷或負(fù)電荷的離子分別到達(dá)電極表面時，這些電荷會被吸附于電解質(zhì) 與電極間形成的接口中，而施加于電極上的電場可將被吸附的電荷保持在該處，進(jìn)而達(dá)到 儲存電能的目的。一般而言，電雙層電容中的電解質(zhì)可采用電解質(zhì)溶液或熔鹽(molten salt)電 解質(zhì)；而電解質(zhì)溶液又可依據(jù)其主要溶劑的種類而區(qū)分為水系電解質(zhì)與有機(jī)系電解質(zhì) (organic electrolyte，或稱非水系電解質(zhì))。常見的有機(jī)系電解質(zhì)主要是將三級銨鹽或四級銨鹽溶于有機(jī)溶劑(例如碳酸丙 烯酯、乙腈或環(huán)丁砜)中。而常見的水系電解質(zhì)主要是金屬將金屬鹽類(如IA、IIA族金屬 或銨鹽)溶于水性溶劑中所得到的水溶液，例如KOH或的水溶液。既有的有機(jī)系電解質(zhì)與水系電解質(zhì)在其性能與實(shí)用性上各有優(yōu)劣。舉例來說，有機(jī)系電解質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)是可在相對較高的電壓(約2-3V)下進(jìn)行充放電， 且工作溫度范圍較廣。然而，有機(jī)溶劑在高工作電壓下容易分解而使得充放電穩(wěn)定性不佳； 此外有機(jī)系電解質(zhì)的內(nèi)電阻較高，使得最大放電功率難以提升。有機(jī)系電解質(zhì)的其它缺點(diǎn) 包括具有毒性、揮發(fā)度難以控制、不易長期保存與制造成本較高等。另一方面，水系電解質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)為內(nèi)電阻較低，因而使得放電效能提高；此外水系電 解質(zhì)通常不具毒性且制造成本較低。但是水系電解質(zhì)受到溶液崩潰電壓的限制，因而其適 合的工作電壓較低(小于約IV)。再者，為了提供較佳的傳導(dǎo)性，水系電解質(zhì)電解質(zhì)通常都是強(qiáng)堿(pH值大于13)或 強(qiáng)酸(PH值小于幻的水溶液，此種水溶液具有極強(qiáng)的腐蝕性，會嚴(yán)重腐蝕電雙層電容中的 其它元件。也正由于此種水性電解質(zhì)溶液具有較強(qiáng)的腐蝕性，使得電雙層電容的工作溫度 范圍較窄、效能穩(wěn)定性不佳，且易出現(xiàn)封裝安定性方面的問題。有鑒于上述問題，相關(guān)領(lǐng)域亟需提出一種不同的電解質(zhì)材料以提升電雙層電容的 工作效能與其它操作特性。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一目的是提供一種用于一電雙層電容的水系電解質(zhì)，此水系電解 質(zhì)的工作溫度范圍優(yōu)于既有水性電解質(zhì)，且重復(fù)可充電率佳。根據(jù)本發(fā)明一方面的水系電解質(zhì)至少包含一溶液，而此溶液至少包含一第一鹽類 與一第二鹽類。上述第一鹽類的陽離子為Li+、Na+或K+，且其陰離子為Cl—、SO42-, P043—或 NO”上述第二鹽類的陽離子為Li+、Na+或K+，且其陰離子為0H_。在本發(fā)明任選的實(shí)施例中，上述第一鹽類與第二鹽類所含的陽離子可以是相同或 不同的陽離子。根據(jù)本發(fā)明一任選實(shí)施例，在上述溶液中，第一鹽類的體積百分濃度為約10至 90%，且第二鹽類的體積百分濃度為約10至90%。根據(jù)本發(fā)明另一任選實(shí)施例，上述第一鹽類所含的陽離子為Li+。根據(jù)本發(fā)明又一 任選實(shí)施例，上述第一鹽類所含的陰離子為no3_。此外，根據(jù)本發(fā)明一任選實(shí)施例，上述第 二鹽類所含的陽離子為Li+。在本發(fā)明一任選的實(shí)施例中，上述第一鹽類為LiNO3且第二鹽類為LiOH。本發(fā)明的另一目的是提供一種用于一電雙層電容的水系電解質(zhì)，此水系電解質(zhì)的 工作溫度范圍優(yōu)于既有水性電解質(zhì)，且重復(fù)可充電率佳。根據(jù)本發(fā)明一具體實(shí)施例，上述水系電解質(zhì)至少包含一溶液，而此溶液至少包含 LiNO3 與 LiOH。根據(jù)本發(fā)明一任選實(shí)施例，在上述溶液中，LiNO3的體積百分濃度為約10至90%， 且LiOH的體積百分濃度為約10至90%。在本發(fā)明進(jìn)一步的任選實(shí)施例中，在上述溶液中，LiNO的體積百分濃度為約80至 90%，且LiOH的體積百分濃度為約10至20%。本發(fā)明的又一目的是提供一種電雙層電容，此電雙層電容的工作溫度范圍優(yōu)于既 有水性電解質(zhì)，且重復(fù)可充電率佳。根據(jù)本發(fā)明又一方面的電雙層電容至少包含一對可極化電極以及浸潤該對可極 化電極的水系電解質(zhì)，其中上述水系電解質(zhì)為本發(fā)明前述的水系電解質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明一任選實(shí)施例，當(dāng)上述水系電解質(zhì)中的第一鹽類為LiNO3且第二鹽類 為LiOH時，LiNO3于電解質(zhì)水溶液中的體積百分比為約80-90%，以及LiOH于電解質(zhì)水溶 液中的體積百分比為約10-20%。根據(jù)本發(fā)明另一任選實(shí)施例，上述電雙層電容至少還包含一隔片設(shè)置于該對可極 化電極之間。在另一任選實(shí)施例中，上述電雙層電容至少還包含一對電流收集器，其分別設(shè) 置于該對可極化電極個別的一表面上。根據(jù)本發(fā)明又一任選實(shí)施例，上述電雙層電容中的可極化電極的材料至少包含碳 質(zhì)材料。綜上所述，本發(fā)明各技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，至少具有以下的優(yōu)點(diǎn)和有益效 果(1)采用非強(qiáng)酸/非強(qiáng)堿的水性電解質(zhì)，此類水性電解質(zhì)的腐蝕性較弱，因而可提 升電雙層電容的保存性；
(2)所提出的水性電解質(zhì)與電雙層電容的工作溫度范圍較廣；以及(3)所提出的水性電解質(zhì)與電雙層電容的重復(fù)可充電率佳。在參閱下文實(shí)施方式后，本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者當(dāng)可輕易了解本 發(fā)明的基本精神及其它發(fā)明目的，以及本發(fā)明所采用的技術(shù)手段與實(shí)施態(tài)樣。


為讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征、優(yōu)點(diǎn)與實(shí)施例能更明顯易懂，以下將配合附 圖對本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的說明，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明一具體實(shí)施例的電雙層電容的概要示意圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的敘述更加詳盡與完備，下文將參照附圖來描述本發(fā)明的實(shí)施態(tài)樣 與具體實(shí)施例；另一方面，眾所周知的元件與步驟并未描述于實(shí)施例中，以避免模糊本發(fā)明 實(shí)施例的原理與精神或?qū)ζ涑刹槐匾南拗?。從電解質(zhì)的工作效能、工作溫度范圍、在工作環(huán)境下的穩(wěn)定性與材料成本等各種 面向來看，水系電解質(zhì)與有機(jī)系電解質(zhì)各有其優(yōu)缺點(diǎn)。從安全性與環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，水 系電解質(zhì)是較為理想的材料，因此，本發(fā)明的一目的為改善既有水性電解質(zhì)(特別是強(qiáng)堿 或強(qiáng)酸水性電解質(zhì))在使用上的缺陷。此外，為了解決腐蝕性的問題，本發(fā)明實(shí)施方式采用 了鹽類作為電荷載體。本申請發(fā)明人嘗試?yán)眉扔械柠}類電解質(zhì)，并分析這些材料在水溶液中的性質(zhì)， 例如電解質(zhì)溶液的電容量、工作電壓、內(nèi)電阻等等。在研究過程中，所用的鹽類的陽離子包 括了 IA族、IIA族的鹽類以及銨鹽；而所用的陰離子包括了氯離子(Cl-)、硫酸根(S042-)、 磷酸根(P043-)與硝酸根(N03-)離子等。再分析利用各種鹽類制得的電解質(zhì)溶液的工作特 性時，發(fā)明人在未預(yù)期的情形下發(fā)現(xiàn)到將上述鹽類與第IA族金屬的氫氧化物混合使用時， 所得到的水系電解質(zhì)在許多方面的特性都優(yōu)于單獨(dú)使用上述鹽類或單獨(dú)使用第IA族金屬 的氫氧化物。下文將詳細(xì)描述本發(fā)明實(shí)施方式提出的水系電解質(zhì)，并舉出多個實(shí)驗(yàn)例以說 明其工作特性。首先，本發(fā)明的一態(tài)樣提出了一種用于一電雙層電容的水系電解質(zhì)。由下文的實(shí) 驗(yàn)例可以發(fā)現(xiàn)，與習(xí)知以強(qiáng)堿為主要電解質(zhì)成分的電解質(zhì)相較之下，本發(fā)明實(shí)施方式提出 的水系電解質(zhì)的工作溫度范圍與重復(fù)可充電率皆較為優(yōu)異。此外，由于本發(fā)明采用了混合 鹽類作為電解質(zhì)成分，其PH值亦低于習(xí)知的強(qiáng)堿水系電解質(zhì)，因此對于電雙層電容其它元 件的腐蝕性較低。根據(jù)本發(fā)明一具體實(shí)施例，上述水系電解質(zhì)至少包含一水溶液，而此溶液至少包 含一第一鹽類與一第二鹽類。上述第一鹽類的陽離子為鋰離子(Li+)、鈉離子(Na+)或鉀離 子(K+)，且其陰離子為氯離子(Cl_)、硫酸根離子(S042_)、磷酸根離子(P043_)或硝酸根離子 (N03_)。上述第二鹽類可以是氫氧化鋰(LiOH)、氫氧化鈉(NaOH)或氫氧化鉀(KOH)。在本發(fā)明任選的實(shí)施例中，上述第一鹽類與第二鹽類所含的陽離子可以是相同或 不同的陽離子。舉例來說，當(dāng)選用硝酸鋰作為第一鹽類時，第二鹽類可以是氫氧化鋰、氫氧 化鈉或氫氧化鉀。
根據(jù)本發(fā)明一任選實(shí)施例，在上述溶液中，第一鹽類的體積百分濃度為約10至 90%，且第二鹽類的體積百分濃度為約10至90%。具體來說，第一鹽類與第二鹽類的體積 百分濃度可分別為從10到90之間(包含上、下限數(shù)值)的任何整數(shù)或小數(shù)。本發(fā)明所屬 技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者當(dāng)可理解，在此處所揭露的任何數(shù)值范圍，當(dāng)視為已具體揭露 了所述范圍間的每一數(shù)值。根據(jù)本發(fā)明另一任選實(shí)施例，上述第一鹽類所含的陽離子為Li+。根據(jù)本發(fā)明又一 任選實(shí)施例，上述第一鹽類所含的陰離子為no3_。此外，根據(jù)本發(fā)明一任選實(shí)施例，上述第 二鹽類所含的陽離子為Li+。在本發(fā)明一任選的實(shí)施例中，上述第一鹽類為LiNO3且第二鹽類為LiOH。本發(fā)明的另一態(tài)樣提出了 一種用于一電雙層電容的水系電解質(zhì)，此水系電解質(zhì)的 工作溫度范圍優(yōu)于既有水性電解質(zhì)，且重復(fù)可充電率佳。根據(jù)本發(fā)明一具體實(shí)施例，上述水系電解質(zhì)至少包含一溶液，而此溶液至少包含 LiNO3 與 LiOH。根據(jù)本發(fā)明一任選實(shí)施例，在上述溶液中，LiNO的體積百分濃度為約10至90%， 且LiOH的體積百分濃度為約10至90%。在本發(fā)明其它任選的實(shí)施例中，第一鹽類與第二 鹽類的體積百分濃度可分別為從10到90之間(包含上、下限數(shù)值)的任何整數(shù)或小數(shù)。舉 例來說，在本發(fā)明進(jìn)一步的任選實(shí)施例中，在上述溶液中，LiNO的體積百分濃度為約80至 90%，且LiOH的體積百分濃度為約10至20%?；诒景l(fā)明上述態(tài)樣，本發(fā)明的又一態(tài)樣提出了 一種電雙層電容，其使用本發(fā)明 前述態(tài)樣與實(shí)施例中提出的水系電解質(zhì)作為主要的電解質(zhì)成分，因而此電雙層電容的工作 溫度范圍優(yōu)于既有水性電解質(zhì)，且重復(fù)可充電率佳。圖1為根據(jù)本發(fā)明一具體實(shí)施例的電雙層電容的概要示意圖，如圖所示，電雙層 電容100包含一對可極化電極102、104與水系電解質(zhì)106，其中上述可極化電極102、104浸 潤于電解質(zhì)106的中?？上攵?，電雙層電容100亦包含了其它一般電雙層電容所應(yīng)具備 的結(jié)構(gòu)，如隔片108、一對電流收集器110、112、外殼114以及導(dǎo)線116、118?？蓸O化電極102、104可用來儲存電荷，可利用具有較佳傳導(dǎo)性的材料(如碳)， 來作為可極化電極102、104的主要材料。此外，上述電極可以是多孔性的形式，以使其具有 較高的電荷儲存能力。舉例來說，可利用多孔性的碳材料，如碳布、碳纖維、碳紙、碳粉末等， 作為可極化電極102、104的主要材料。水系電解質(zhì)106的主要材料可包含根據(jù)本發(fā)明前述態(tài)樣和具體實(shí)施例的任何水 系電解質(zhì)。舉例來說，在一實(shí)施例中，可利用LiNO3與LiOH作為該水系電解質(zhì)的主要成分， 其中LiNO3于電解質(zhì)水溶液中的體積百分比為約80-90%，以及LiOH于電解質(zhì)水溶液中的 體積百分比為約10-20%?？衫萌魏维F(xiàn)有或常用的材料與技術(shù)來制造外殼114或形成其它適當(dāng)?shù)姆庋b結(jié) 構(gòu)，以使得電雙層電容100的各種組成元件形成一種密封的狀態(tài)。舉例來說，可利用鋁箔材 質(zhì)的外封裝材料作為外殼114。隔片108是夾設(shè)于該對可極化電極102、104之間。隔片108可作為該對可極化電 極102、104之間的絕緣裝置，以避免該對可極化電極102、104互相界處而導(dǎo)致短路或迅速 耗盡儲存于電極中的電荷。此外，隔片108通常是多孔性的材料，以利電解質(zhì)106中的離子通過。舉例來說，隔片108的材料可以是聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene，PTFE)、聚 丙烯(Polypropylene，PP)、氟化的高分子、環(huán)氧樹脂(印oxy)、丙烯酸脂類(acrylics)或聚 氨酉旨(polyurethanes)。成對的電流收集器110、112分別設(shè)置于上述可極化電極102、104個別的一表面 上，其可用以收集儲存于可極化電極102、104中的電荷，并透過穿出外殼114的導(dǎo)線116、 118，將電能傳遞至外部的電路(圖中未繪示)。一般來說，電流收集器110、112的材質(zhì)可以 是金屬薄片?？衫萌魏谓饘賹?dǎo)電材料來制成金屬薄片，常用的金屬材料如包括但不限于 鋁、銅、鈦以及鎳等。根據(jù)本發(fā)明上述態(tài)樣與具體實(shí)施例，制備了多種不同的水系電解質(zhì)組成，并將其 制成電雙層電容，并進(jìn)行多種不同條件的實(shí)驗(yàn)，以測試所得電容在定溫和/或循環(huán)溫度的 工作環(huán)境下的儲能效率。在定溫測試中，測試了電容在高溫(約75至85°C )、常溫(約20至25°C )和/ 或低溫(約-25至-20°C )下的儲能效率；而在循環(huán)溫度測試中，測試了電容在約-25至約 85°C的循環(huán)溫度下的儲能效率。在以下的實(shí)驗(yàn)例中，利用碳纖維(面積14cm2 ；厚度2mm ；比表面積1000m2/g)作為 可極化電極、以PTFE作為隔片鋁箔外封裝材作為外殼，并于其中注入不同的水系電解質(zhì)組 成，以制成電雙層電容。在進(jìn)行電容效能測試時，將電容放置于自動定溫與濕度控制裝置中，以測試電容 在特定工作條件下的所能儲存的電容量，并計算其儲能效率。在本揭露書中，所謂儲能效率的定義是指在經(jīng)過一定次數(shù)(或時間)的充放電循 環(huán)之后，該電容可儲存的電容量(ig相對于其在室溫下初次充電時可儲存的電容量(F1)的 百分比。儲能效率的計算方式為儲能效率(%) = (F1ZF1)*100%。表一列出了利用混合鋰鹽電解質(zhì)(LiNO3 LiOH=I 9ν/ν)、混合鈉鹽電解質(zhì) (NaNO3 NaOH= 1 9ν/ν)或混合鉀鹽電解質(zhì)(KNO3 KOH = 1 9ν/ν)制成的電雙層 電容在高溫(約75至85°C)定溫下的測試結(jié)果。表二則列出了與表一相同的電雙層電容 在低溫(約-25至-20°C )定溫下的測試結(jié)果。表一不同鹽類電解質(zhì)的高溫定溫測試
權(quán)利要求
1.一種用于一電雙層電容的水系電解質(zhì)，其特征在于該水系電解質(zhì)至少包含一溶液， 該溶液至少包含一第一鹽類，其具有一陽離子與一陰離子，其中該陽離子為Li+、Na+或K+，且該陰離子 為 Cl—、S042—、Po:或 NO3-；以及一第二鹽類，其具有一陽離子與一陰離子，其中該陽離子為Li+、Na+或K+，且該陰離子 為0『。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水系電解質(zhì)，其特征在于該第一鹽類的該陽離子與該第二鹽 類的該陽離子相同或不同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水系電解質(zhì)，其特征在于該第一鹽類在該溶液中的一體積百 分濃度為約10至90%，以及該第二鹽類在該溶液中的一體積百分濃度為約10至90%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水系電解質(zhì)，其特征在于該第一鹽類的該陽離子為Li+。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水系電解質(zhì)，其特征在于該第一鹽類的該陰離子為NO”
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水系電解質(zhì)，其特征在于該第二鹽類的該陽離子為Li+。
7. 一種用于一電雙層電容的水系電解質(zhì)，其特征在于該水系電解質(zhì)至少包含一溶液， 該溶液至少包含LiNO3與LiOH。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的水系電解質(zhì)，其特征在于該LiNO3于該水溶液中的體積百分 比為約10-90%，以及LiOH于該水溶液中的體積百分比為約10-90%。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的水系電解質(zhì)，其特征在于該LiNO3于該水溶液中的體積百分 比為約80-90%，以及LiOH于該水溶液中的體積百分比為約10-20%。
10.一種電雙層電容，至少包含一對可極化電極；以及一種根據(jù)權(quán)利要求ι至9之任一項(xiàng)所述的水系電解質(zhì)，該水系電解質(zhì)浸潤該對可極化 電極。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電雙層電容，其特征在于至少還包含一隔片，設(shè)置于該對 可極化電極之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電雙層電容，其特征在于至少還包含一對電流收集器，其 分別設(shè)置于該對可極化電極個別的一表面上。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電雙層電容，其特征在于該對可極化電極的材料至少包含 一碳質(zhì)材料。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種電雙層電容的水系電解質(zhì)與利用該水系電解質(zhì)的電雙層電容。所述水系電解質(zhì)包含一溶液，此溶液含有第一鹽類與第二鹽類，其中第一鹽類的陽離子可為Li+、Na+或K+，而陰離子可為Cl-、SO42-、PO43-或NO3-；第二鹽類的陽離子為Li+、Na+或K+，而陰離子為OH-。
文檔編號H01G9/155GK102074369SQ20091022561
公開日2011年5月25日 申請日期2009年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月20日
發(fā)明者何瑞霍瑞·艾爾查克, 李佳徽, 林文婷, 歐烈·謝夫查克, 維克多·托可瑞夫, 艾爾·查尼烈夫斯基, 陳宏昌 申請人:財團(tuán)法人紡織產(chǎn)業(yè)綜合研究所