專利名稱：用于鋰離子電容器的電解質溶液和包含其的鋰離子電容器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電解質溶液(電解液,electrolyte solution)組合物和一種包含其的儲能裝置(能量儲存裝置，energy storage device)。
背景技術：
能量的穩(wěn)定供應已經是各種電子產品，例如信息通訊裝置的重要因素。一般地，·該功能是由電容器實現(xiàn)的。換句話說，電容器在信息通訊裝置和各種電子產品的電路(circuit)中起著儲電和供電從而穩(wěn)定電路中電流的作用。普通的電容器具有很短的充電/放電時間、長的使用期限及高的輸出密度(output density),但具有低的能量密度(energydensity)。因此將其用作儲能裝置時具有局限性。同時，作為下一代儲存裝置，稱為超電容器(ultra capacitor)或超級電容器(super capacitor)的裝置由于其快速充電/放電速度、高穩(wěn)定性和環(huán)境友好特性已經受到關注。一般超級電容器被構造為包括電極結構、隔膜(separator)、電解質溶液等。超級電容器是基于電化學反應機制驅動的，其通過向電極結構施加功率而選擇性地將電解質溶液中的載體離子(載流子離子，carrier ion)吸附到電極上。典型的超級電容器的實例可包括雙電層電容器(EDLC)、贗電容器(pseudocapacitor)、混合電容器等。雙電層電容器是一種利用活性炭制成的電極、并利用雙電層充電作為反應機制的超級電容器。贗電容器(pseudocapacitor)是一種利用過渡金屬氧化物或導電聚合物作為電極、并利用準電容(pseudo-capacitance)作為反應機制的超級電容器?；旌想娙萜魇蔷哂须p電層電容器和贗電容器之間的中間特性的超級電容器。作為混合電容器，鋰離子電容器(LIC)已經受到關注，其使用由活性炭制成的陰極和由石墨制成的陽極，并使用鋰離子作為載體離子以具有二次電池的高能量密度和雙電層電容器的高輸出特性。鋰離子電容器使能夠吸收并分離鋰離子的負極材料與鋰金屬接觸，并利用化學方法或電化學方法預先將鋰離子吸收或摻雜至負極中，由此降低負極電勢以增大耐受電壓并顯著提高能量密度。然而，當根據相關技術將用于二次電池的電解質溶液按原樣應用于鋰離子電容器時，由于用作電極材料的碳材料與電解質溶液連續(xù)反應，可能會產生氣體，并且可靠性和性能可能會降低
發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的是提供一種用于鋰離子電容器的電解質溶液和包含該電解質溶液的、能夠在高輸出充電/放電條件下提高可靠性的鋰離子電容器。根據本發(fā)明的一個示例性實施方式，提供了一種用于鋰離子電容器的電解質溶液，包括包含選自一種或多種環(huán)狀碳酸酯(cyclic carbonate)化合物中的一種或多種的溶劑；包含選自由兒茶酚碳酸酯(catecholcarbonate，CC)、氟代碳酸亞乙酯(氟代碳酸乙烯酯，f luoro ethylenecarbonate) (FEC)、丙燒磺內酯(丙磺酸內酯，propane sulton) (PS)和丙烯磺內酯(丙烯磺酸內酯，propene su I ton )(PST )構成的組中的一種或多種的添加劑。電解質溶液可以進一步包括溶質，其包括選自由LiPF6、LiBF4, LiSbF6, LiAsF5,LiClO4, LiN, CF3SO3和LiC構成的組中的一種或多種。溶質可以是I. Omol/L 至 I. 5mol/L 的 LiPF6。 溶劑可以包括碳酸亞乙酯(EC)、碳酸亞丙酯(PC)和碳酸甲乙酯(EMC)。碳酸亞乙酯、碳酸亞丙酯和碳酸甲乙酯的重量比可以是3±0. 5 1±0. 5 4±0. I。兒茶酚碳酸酯與電解質溶液的重量比可以是3wt%至5wt%或更低。氟代碳酸亞乙酯與電解質溶液的重量比可以是lwt%至5wt%或更低。丙烯磺內酯與電解質溶液的重量比可以是lwt%至5wt%或更低。丙烷磺內酯與電解質溶液的重量比可以是lwt%至5wt%或更低。根據本發(fā)明的另一個示例性具體實施方式
，提供一種鋰離子電容器，包括殼體；被設置為在殼體中彼此隔開的陽極和陰極；在殼體中將陽極和陰極隔開的隔膜；以及填充于殼體中的電解質溶液，其中，電解質溶液為上述的用于鋰離子電容器的電解質溶液。
具體實施例方式本發(fā)明的各種優(yōu)點和特征以及實現(xiàn)其的方法，通過下列參照附圖
對實施方式的描述，會變得顯而易見。然而，本發(fā)明可以多種不同的形式進行修改，并且不應當將其局限于本文所述的實施方式?？梢蕴峁┻@些實施方式使得本申請的披露內容徹底且完整，以及將本發(fā)明的范圍充分地傳達給本領域技術人員。本說明書中使用的術語是用于解釋實施方式，而不是限制本發(fā)明。除非明確說明與其相反，否則在本說明書中單數形式包括復數形式。詞語“包括”及變型如“包含”或“含有”，應當理解為暗示包括所陳述的組分、步驟、操作和/或元件，但不排除任何其他的組分、步驟、操作和/或元件。下文中，將詳細地描述根據本發(fā)明示例性實施方式的電解質溶液組合物。根據本發(fā)明的示例性實施方式，電解質溶液組合物可包括溶質、溶劑和添加劑。在該情況下，溶質的實例可包括鋰鹽，例如LiPF6、LiBF4, LiSbF6, LiAsF5, LiClO4,LiN、CF3SO3 和 LiC 等。特別地，在鋰鹽中，可以使用I. Omol/L至I. 5mol/L的LiPF6。同時，根據本發(fā)明的示例性實施方式，形成電解質溶液組合物的溶劑可以由選自環(huán)狀碳酸酯化合物的物質的混合物制成。特別地，環(huán)狀碳酸酯化合物的實例可以包括碳酸亞乙酯(EC)、碳酸亞丙酯(PC)和碳酸甲乙酯(EMC)等。
在該情況下，碳酸亞乙酯、碳酸亞丙酯和碳酸甲乙酯的重量比可以是3±0. 5 : I : ±0. 5 : 4±0. I。添加劑可以包括選自由兒茶酹碳酸酯(catechol carbonate, CC)、氟代碳酸亞乙酯(FEC)、丙烷磺內酯(PS)和丙烯磺內酯(PST)構成的組中的一種或多種。添加劑先于電解質溶液中的其他組分，通過與電極材料反應而形成固態(tài)電解質溶液界面(電解質溶液中間相，SEI)。因此，由于電解質溶液中溶劑與電極材料之間的反應能夠減少，因而可以減少氣體生成，并且可以提高可靠性。在該情況下，兒茶酚碳酸酯(catechol carbonate)與電解質溶液的重量比可以是5wt%或更低ο另外，氟代碳酸亞乙酯與電解質溶液的重量比可以是5wt%*更低?！ち硗?，丙烷磺內酯與電解質溶液的重量比可以是10wt%*更低。另外，丙烯磺內酯與電解質溶液的重量比可以是5wt%*更低。實驗實施例為了分析用于鋰離子電容器的電解質溶液的特性，向集電器涂覆厚度為60μπκ比表面積為2000m2/g的活性炭，將其用作陰極。另夕卜，向集電器涂覆厚度為25 μ m、比表面積為10m2/g的硬碳,將其用作陽極。另外，在電解質溶液的組合物中，使用1.0 1.511101/1的1^ 匕作為溶質，使用EC PC EMC=3±0.5 1±0·5 4±0· I 作為溶劑。 另外，將以下每種物質作為添加劑加入到電解質溶液中，來測量電解質溶液的初始電阻及電容保持率(容量保持率)。在該情況下，電容保持率是指加速試驗(acceleration experiment) (100C速度充電和放電，10, 000次循環(huán))后的電容(容量)與初始電容之比。(對照組I)不包含添加劑(實施例I)兒茶酚碳酸酯(CC)，5wt%(實施例2)氟代碳酸亞乙酯(FEC)，5wt%(實施例3)丙烷磺內酯(PS)，10wt%(實施例4)丙烯磺內酯(PST)，5wt%對于每個實施例，經過測定在25°和-40°下的初始電阻(initialresistance,Ω )和電容保持率(capacity retention, %),得到以下表格中的結果。表I根據添加劑種類測定產品特性的結果
分組對照I~ 實施例I 實施例2 實施例3 實施例4
添加齊U未添加 CCFECPSPST
初始電阻(Ω )0 350 55044035066電容保持率(％) ~72~90 ~91~9282由以上表I可以得出，根據實施例I至實施例4的鋰離子電容器，相比于對照(組)I，初始電阻略微增加，而電容保持率(容量保持率)顯著提高。在該情況下，隨著添加劑含量的增加，電容保持率也可增加，但鋰離子電容器的電解質溶液中鋰離子的絕對數量同樣多地減少，因此降低了鋰離子電容器的絕對電容(容量)。另外，隨著添加劑含量的增加，初始電阻也增加，因此對輸出特性有不利的影響。因此，對于每一種添加劑的含量可通過比較初始電阻的增加速率、絕對電容的降低速率和電容保持率的提高速率來確定。確認了實施例I至實施例4中所用的含量為最優(yōu)條件。
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同時，根據本發(fā)明的示例性實施方式的鋰離子電容器可以通過注入用于根據本發(fā)明的示例性實施方式的鋰離子電容器的電解質溶液，作為電解質溶液，至包括以下的普通鋰離子電容器中來實現(xiàn)殼體；被設置為在該殼體中彼此隔開的陽極和陰極；在殼體中將陽極和陰極隔開的隔膜；填充在該殼體的電解質溶液。如上所述，根據本發(fā)明的示例性實施方式的鋰離子電容器能夠用作該鋰離子電容器的工作電解質溶液，并且甚至能夠用于將鋰離子預摻入鋰離子電容器的陽極的方法中。進一步地，根據本發(fā)明的示例性實施方式的用于鋰離子電容器的電解質溶液能夠有效地完成溶質的離解(dissociation)過程，抑制電解質溶液粘度的增長和提高電解質溶液的導電性。另外，當向電極材料提供良好的潤濕性時，本發(fā)明的示例性實施方式能夠同等地保持電解質溶液的常溫(normal temperature)和低溫特性。進一步地，本發(fā)明的示例性實施方式能夠改善高輸出功率鋰離子電容器的可靠性，其是通過使電解質溶液中包含的添加劑先于電極材料與包含在溶劑中的物質選擇性反應而形成適當的SEI膜來實現(xiàn)的。已經結合目前認為是實踐上示例性的實施方式描述了本發(fā)明。盡管已經描述了本發(fā)明的示例性實施方式，但本發(fā)明也可以在各種其他組合、修改和環(huán)境下使用。換言之，本發(fā)明可以在說明書中披露的本發(fā)明的構思范圍內進行改變或修改，該范圍等同于本發(fā)明所屬領域中的技術或知識的披露內容和/或范圍。提供以上描述的示例性實施方式以闡釋實施本發(fā)明的最佳狀態(tài)。因此，在使用其他諸如本發(fā)明的發(fā)明中，其可以在本發(fā)明所屬領域已知的其他狀態(tài)下實施，并且還可以以特定應用領域及利用本發(fā)明所需的各種形式進行修改。因此，應當理解的是，本發(fā)明并不局限于所披露的實施方式。應當理解的是，其他實施方式也包括在所附權利要求書的精神和范圍內。
權利要求
1.一種用于鋰離子電容器的電解質溶液，包括 包含選自一種或多種環(huán)狀碳酸酯化合物中的一種或多種化合物的溶劑； 包含選自由兒茶酚碳酸酯(CC)、氟代碳酸亞乙酯(FEC)、丙烷磺內酯(PS)和丙烯磺內酯(PST)構成的組中的一種或多種的添加劑。
2.根據權利要求I所述的電解質溶液，進一步包括，包含選自由LiPF6、LiBF4,LiSbF6,LiAsF5, LiClO4, LiN, CF3SO3和LiC構成的組中的一種或多種的溶質。
3.根據權利要求2所述的電解質溶液，其中，所述溶質是1.0mol/L至1.5mol/L的LiPF6。
4.根據權利要求I所述的電解質溶液，其中，所述溶劑包括碳酸亞乙酯(EC)、碳酸亞丙酯(PC)和碳酸甲乙酯(EMC)。
5.根據權利要求4所述的電解質溶液，其中，所述碳酸亞乙酯、所述碳酸亞丙酯和所述碳酸甲乙酯的重量比為3±0. 5 : 1±0. 5 : 4±0. I。
6.根據權利要求I所述的電解質溶液，其中，兒茶酚碳酸酯與電解質溶液的重量比為5wt%或更低。
7.根據權利要求I所述的電解質溶液，其中，氟代碳酸亞乙酯與電解質溶液的重量比為5wt%或更低。
8.根據權利要求I所述的電解質溶液，其中，丙烷磺內酯與電解質溶液的重量比為10wt%或更低。
9.根據權利要求I所述的電解質溶液，其中，丙烯磺內酯與電解質溶液的重量比為5wt%或更低。
10.一種鋰離子電容器，包括 殼體； 陽極和陰極，被設置為在所述殼體中彼此隔開； 隔膜，在所述殼體中將所述陽極和所述陰極隔開； 電解質溶液，填充于所述殼體中， 其中，所述電解質溶液為根據權利要求I所述的用于鋰離子電容器的電解質溶液。
全文摘要
本發(fā)明披露了用于鋰離子電容器的電解質溶液和包含其的鋰離子電容器。電解質溶液可包括包含選自一種或多種環(huán)狀碳酸酯化合物的一種或多種化合物的溶劑；以及包含選自由兒茶酚碳酸酯(CC)、氟代碳酸亞乙酯(FEC)、丙烷磺內酯(PS)和丙烯磺內酯(PST)構成的組中的一種或多種的添加劑。
文檔編號H01G9/035GK102789901SQ20121015229
公開日2012年11月21日 申請日期2012年5月16日 優(yōu)先權日2011年5月20日
發(fā)明者李相均, 趙智星, 金倍均, 閔泓錫 申請人:三星電機株式會社