CN105324826B - 具有增强的能量密度的能量储存装置 - Google Patents

Abstract

具有改进的能量密度性能的能量储存装置可包括具有约0.6摩尔/升(M)至约0.95M的盐浓度的电解质。最终能量储存装置产品具有的电解质的总质量至少为足以完全浸透该装置的一个或多个电极和隔板的电解质的浸透量的100％，并且低于浸透量以上的阈值量。

Description

具有增强的能量密度的能量储存装置

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年6月14日提交的序列号为61/835320的美国临时申请的权益，其标题为“ENERGY STORAGE WITH ENHANCED ENERGY DENSITY”，兹通过引用将其全部内容结合于此。

技术领域

本发明总体上涉及电能储存装置，更加具体而言，涉及电能储存装置电解质和电极的设计。

背景技术

能量储存装置，如超级电容器，可以用于为各种电子装置供电。超级电容器通常包括第一电极、第二电极和浸有电解质的隔板，电解质促进离子种类在第一电极和第二电极之间的迁移。例如，超级电容器可以储存在电解质与电极之间的界面处形成的双电层中的电荷。

能量储存装置的性能的测量可以包括能量储存装置储存能量的能力的测量。这样的测量方法之一为装置的能量密度。超级电容器的能量密度取决于超级电容器的操作电压，并且通常情况下需要具有更高能量密度的超级电容器，因为它能够以较低的占地面积(footprint)提供更多的能量。此外，具有更高能量密度的超级电容器可促进为电子装置供电时使用更少的超级电容器单元，使得能够使用超级电容器为更多数量的电子装置供电，包括具有有限可用空间的电子装置。

发明内容

一种最终能量储存装置产品可以包括容器、第一电极、第二电极和所述第一电极与第二电极之间的隔板，其中所述第一电极、第二电极和隔板位于所述容器内。所述最终能量储存装置的容器内的电解质可具有的总质量为足以使所述第一电极、所述第二电极和所述隔板完全浸透(saturate)的电解质的浸透量的至少100％且小于或等于电解质的浸透量的104％。

在一些实施方式中，电解质的质量小于等于电解质的浸透量的102％。在一些实施方式中，电解质的质量小于等于电解质的浸透量的101％。

在一些实施方式中，所述最终能量储存装置是密封的。在一些实施方式中，所述最终能量储存装置被配置为在3伏特(V)的操作电压下操作。在一些实施方式中，所述能量储存装置具有果酱卷构造。在一些实施方式中，所述电解质包括0.75摩尔/升(M)至0.95M的盐浓度。

在一些实施方式中，所述第一电极和所述第二电极中的至少一个包括多个穿孔。

一种能量储存装置的制备方法可以包括提供容器，在所述容器中插入第一电极和第二电极，其中隔板被设置在第一电极和第二电极之间。所述方法可以包括添加最终总质量的电解质至所述容器内，其中所述总质量为电解质的浸透量的至少100％且小于或等于电解质的浸透量的104％。

在一些实施方式中，添加所述总质量的电解质包括：添加质量小于或等于电解质的浸透量102％的电解质。

在一些实施方式中，所述方法包括密封所述能量储存装置。

在一些实施方式中，所述能量储存装置包括超级电容器。

在一些实施方式中，添加总质量的电解质包括：添加含有0.7M至0.95M盐浓度的电解质，并且其中，盐包括四乙基四氟硼酸铵和螺环季铵四氟硼酸盐中的至少一种。

在一些实施方式中，添加电解质总质量包括除电解质的浸透量外还添加附加的3克(g)或更少的电解质。

一种最终能量储存装置产品可以包括容器、第一电极、第二电极、所述第一电极和所述第二电极之间的隔板，其中所述第一电极、第二电极和隔板位于所述容器内。所述最终能量储存装置可以包括所述容器内含有0.6摩尔/升(M)至0.95M盐浓度的电解质。

在一些实施方式中，所述电解质包括季铵盐。在一些实施方式中，所述季铵盐包括从包括选自于由螺环季铵、四乙基甲基铵和四乙基铵组成的组中的阳离子。在一些实施方式中，所述季铵盐包括选自于由四氟硼酸盐(tetrafluoroborate)组成的组中的阴离子。

在一些实施方式中，所述电解质包括氰化甲烷。

在一些实施方式中，所述电解质包括0.8M的盐浓度。

在一些实施方式中，所述电解质包括质量被构成为足够使所述第一电极、所述第二电极和所述隔板完全浸透的电解质的浸透量的至少100％且小于等于其104％的电解质。

在一些实施方式中，所述能量储存装置包括被配置为在3伏特(V)的操作电压下操作的双电层电容器。

在一些实施方式中，所述能量储存装置被密封。在一些实施方式中，所述能量储存装置具有果酱卷构造。在一些实施方式中，所述第一电极和所述第二电极至少其中之一包括多个穿孔。

一种能量储存装置的制备方法可以包括提供容器，在所述容器中插入第一电极和第二电极，其中隔板被置于第一电极和第二电极之间。所述方法可以包括添加电解质至所述容器内，其中所述电解质可以包括0.6摩尔/升(M)至0.95M的盐浓度。

在一些实施方式中，添加所述电解质包括添加含有0.7M至0.95M盐浓度的电解质。在一些实施方式中，添加所述电解质包括添加含有0.8M盐浓度的电解质。

在一些实施方式中，添加所述电解质包括：添加螺环季铵四氟硼酸盐、四乙基甲基四氟硼酸铵和四乙基四氟硼酸铵中的至少一种。

在一些实施方式中，添加所述电解质包括添加质量为足够使所述第一电极、所述第二电极和所述隔板完全浸透的电解质浸透量的至少100％且小于等于其104％的电解质。

在一些实施方式中，所述方法包括密封所述能量储存装置。

一种制备能量储存装置的方法包括提供容器，在所述容器内插入第一电极和第二电极，其中隔板被置于所述第一电极和所述第二电极之间。所述方法可以包括使用电解质注射工具添加电解质的最终总质量至所述容器内，其中所述总质量相当于电解质的浸透量与对应于所述电解质注射工具的制造公差的电解质附加质量的组合。

出于总结本发明和现有技术所实现的优势的目的，此处描述某些目的和优势。当然，应当理解，不一定所有这样的目的和优势都可以根据任何特定实施方式来实现。因此，例如，本领域的技术人员可以认识到，可以能够实现或优化一个优点或一组优点而不一定实现其他目的或优点的方式来体现或实行本发明。

所有这些实施方式旨在处于本文公开的发明的范围内。通过结合附图的下述详细描述，这些和其他实施方式对于本领域的技术人员是显而易见的，本发明不限于任何特定的公开的一个或多个实施方式。

附图说明

图1示出了根据实施方式的能量储存装置实例的示意图。

图2示出了具有果酱卷构造的能量储存装置的实例。

图3示出了图2的果酱卷的自顶向下视图。

图4示出了具有有限量的电解质的最终能量储存装置产品的制备流程实例。

图5示出了具有有限摩尔浓度的电解质的能量储存装置的制备流程实例。

图6示出了包括穿孔电极的具有果酱卷的能量储存装置实例。

图7示出了具有穿孔集流器的示例穿孔电极的横截面视图。

图8示出了具有穿孔集流器的示例电极的横截面视图。

具体实施方式

虽然下文描述了某些实施方式和实例，但本领域的技术人员可以理解的是，本发明可以延伸超出所具体公开的实施方式和/或用途和明显的变形及其等同物。因此，旨在明确本文公开的本发明的范围不应限于下文描述的任何具体的实施方式。

能量储存装置(例如超级电容器)中电解质的数量和浓度，可以影响装置的性能。例如，能量储存装置内电解质盐浓度降低可以减少电极内部的离子迁移，从而降低装置性能，尤其在更大功率的应用中。电解质不足使得所述装置内的一个或多个电极/隔板未完全浸透的能量储存装置也会降低装置性能。此外，通常，对于任何给定能量储存装置来说，使一个或多个电极/隔板完全浸透所需的电解质确切的数量是未知的。为解决这些困难，常规思维是为能量储存装置提供高电解质浓度(1.2M以上)并且利用压力为能量储存装置填充过量的电解质，从而促进完全浸透。但是，过高的盐浓度会导致盐在装置电极内的析出，这可能阻塞装置电极的活性物质内的穿孔，导致性能降低。当能量储存装置内填充过量的电解质时，可以发生相似的盐析出。此外，含有过高的盐浓度(通过过渡填充电解质或使用高摩尔浓度的电解质)的能量储存装置内会发生二次反应，进而这会在装置内释放气体，引起除气、过压和安全问题。本文描述了完整的能量储存装置产品，以及在盐浓度范围内使用电解质和使用可以平衡这些对抗问题的电解数量的相关方法。

实施方式涉及具有更高能量密度的能量储存装置。一些实施方式涉及使用有限摩尔浓度的电解质的具有更高能量密度和/或寿命性能的超级电容器。已发现此处描述的摩尔浓度范围可以例如，在更低功率应用中，提供更高的能量密度和循环寿命，例如3V超级电容器。所述范围可以提供这样的提高，同时降低当具有更高摩尔浓度的电解质时所发生的盐的局部析出。

一些实施方式涉及具有通过使用有限数量的电解质而提高的能量密度和/或寿命性能的超级电容器。例如，用以构成最终超级电容器产品的电解质的总质量可以是至少100％且低于足以完全使所述装置内一个或多个电极和隔板浸透的电解质的浸透量的上限的阈值。此处所使用的电解质的“浸透量”相当于具有电极的容器内的电解质要求可以完全覆盖电极并且也浸透电极的可进入空间的最低量。例如，浸透量可以包括在达到稳态条件后，在室温常压下置于两个电极膜的物质粒子之间以及每个电极膜和任何隔离膜的穿孔内的电解质量。电解质的浸透量部分取决于一个或多个能量储存装置特性。例如，电极碳材料的数量和/或孔隙率、隔板材料的数量和/或密度、电解质的密度、电极(多个电极)的穿孔(如果有)或者其他特性，都会影响电解质的浸透量。所述超级电容器可以包括双电层电容器(EDLC)，配置为提供所述电能的静电存储，这可以通过位于电极表面和所述超级电容器的电解质之间的界面的赫姆霍兹双电层内的电荷分离来实现。在一些实施方式中，所述超级电容器可以被配置为在大约3伏特(V)的操作电压下操作。有限摩尔浓度的电解液可以是氰化甲烷基电解质。所述电解质可以有小于大约1M的摩尔浓度。所述电解质可以有大约0.6摩尔/升(M)至0.95M的摩尔浓度。在一些实施方式中，所述电解质的摩尔浓度大约为0.8M。通过使过填充超出用于浸透电容器电极(多个电极)和隔板(多个隔板)的电解质的浸透量的电解质为零或者基本上为零，或者过填充小于等于超过这样的浸透电解质量的阈值百分比，来实现能量储存装置电解质的有限量。含有所述有限摩尔浓度的电解质的和/或有限量的电解质的能量储存装置，在能量储存装置的寿命上，具有改进的能量密度性能。在一个实施方式中，发现这些特征的组合提供的能量储存装置与不具备这些特征的类似产品相比，在所述能量储存装置的寿命上具有超过大约25％的能量密度提升。

在一些实施方式中，所述能量储存装置可以包括具有一个或多个穿孔的一个或多个电极。具有穿孔的电极可用来帮助有限量的电解质和/或具有更低盐浓度的电解质可以更易渗入电极材料。含有所述有限摩尔浓度的电解质、所述有限量的电解质和穿孔电极的能量储存装置，被发现在所述能量储存装置的寿命上，可以有更高的能量密度性能。例如，确定超级电容器在所述超级电容器的寿命中的能量密度性能可以包括：在延长的时间段内为所述电容器施加一电压，以及定期循环所述超级电容器从而测量储存能量的量，和/或为所述电容器施加恒定电流并且使所述电容器重复充电和放电。在一些实施方式中，在循环电压之间使超级电容器周期性循环和/或对所述超级电容器施加恒定电流且使所述超级电容器重复充电和放电之后，可以通过电容衰减率和/或所述电容器的等效串联电阻(ESR)的增长率来测量所述超级电容器，例如双电层电容器(EDLC)，在所述装置的寿命期间的能量密度性能。

图1示出了根据实施方式的能量储存装置100的实例的示意图。在一些实施方式中，所述能量储存装置100可以是具有改进的能量密度性能和/或寿命性能的超级电容器，例如被配置在大约3V的操作电压下操作的EDLC。装置100可以包括有限量的电解质。能量储存装置100可以包括其中设置一个或多个电极的容器120。例如，装置100可以包括第一电极102、第二电极104、第一电极102和第二电极104之间的隔板106以及至少足够完全浸透第一电极102、第二电极104和隔板106的数量的电解质120，但是不提供超过足够使所述第一电极102、所述第二电极104和所述隔板106完全浸透的量的所述电解质120的明显储层(significant reservoir)，或者零或接近零的过浸透的电解质的填充液位。

所述电解质120可以包括任何数量的包括离子并且适用于所述能量储存装置100的电解液。例如，所述电解质120可以包括溶剂和盐，盐提供可移动离子种类，例如阴离子和阳离子。电解质120能够实现所述第一电极102和所述第二电极104内和/或所述第一电极102和所述第二电极104之间不同离子种类的迁移，从而有助于期望的电气性能和/或寿命性能。在一些实施方式中，所述电解质120在所述能量储存装置100的操作条件下可以呈现化学和/或电化学稳定性，并且能够承受所述能量储存装置100的重复充电放电循环。例如，所述能量储存装置100可以包括嵌入到所述第一电极102、所述第二电极104和所述隔板106的所述电解质120的量，使得提供足够量的电解质120以促进所述第一电极102和所述第二电极104内以及所述第一电极102和所述第二电极104之间的期望离子迁移，但是不包括大量过多的电解质120。

所述第一电极102可以包括与第一电极集流器108相邻近的第一电极膜112，所述第二电极104可以包括与第二电极集流器110相邻近的第二电极膜114。所述第一电极集流器108和所述第二电极集流器110可被配置为例如，通过装置100的端子116和118促进各个电极与外电路之间的电耦合。在一些实施方式中，附加的电极膜可以被置于每个集流器108、110的与电极膜112、114相对的一侧上，从而形成双侧双电极。集流器可以由导电性材料制成，包括例如金属材料。在一些实施方式中，所述集流器108、110其中之一或全部由铝制成，例如铝箔。在一些实施方式中，所述集流器108、110其中之一或全部由银、铜、金、铂、钯和/或金属合金制成。其他适合的导电性材料也是可能的。集流器可以有任何适当的形状和/或尺寸，例如宽度、长度和/或厚度。例如，所述集流器108、110其中之一或全部可具有矩形形状或大体上具有矩形形状，例如矩形铝箔。所述多个电极膜和隔板可以进行相似的配置。在一些实施方式中，所述集流器108、110可以有一部分延伸超出所述各个电极膜的部分，从而促进所述各个电极与外电路的耦合。在一些实施方式中，集流器可以有约10微米至约100微米的厚度，包括约15微米至约30微米，并且包括例如约20微米。

在一些实施方式中，所述隔板106可以被配置防止所述第一电极102与所述第二电极104直接接触。例如，所述隔板106可以允许离子种类在所述第一电极102和所述第二电极104之间迁移，但防止所述第一电极102和所述第二电极104之间的电短路。所述隔板106可以由多孔的和/或穿孔的电绝缘材料制成，例如电绝缘聚合物材料。对于隔板106适合的材料可以包括聚丙烯、聚乙烯、聚对二甲苯、聚四氟乙烯(PTFE)、纸、陶瓷材料、矿物纤维、玻璃纤维、其组合和/或类似的材料。

所述第一电极膜112和/或第二电极膜114可以包括活性物质成分、粘结剂成分和/或添加剂成分。所述第一电极膜112和/或第二电极膜114可以包括活性物质和单一粘结剂，例如PTFE，无附加的粘结剂或添加剂。本领域的技术人员已知，所述第一电极膜112和/或第二电极膜114可以包括其他附加成分。所述第一电极102和/或所述第二电极104可以包括与所述第一集流器108或所述第二集流器110相邻的中间粘结层。所述中间粘结层可以为所述各个电极膜和所述第一集流器108或所述第二集流器110之间提供增加的粘附性。例如，中间粘结层可以与集流器的第一表面相邻，为所述集流器和相对应的电极膜之间提供附加的粘附性。在一些实施方式中，电极不包括中间粘结层，使得电极膜可以与所述集流器表面直接相邻。

所述第一电极膜112和/或所述第二电极膜114可以由多孔材料制成。在一些实施方式中，电极的活性物质成分可以包括多孔材料。例如，所述多孔活性物质可以为所述电极提供高比表面积，促进所述电解质120和电极膜材料之间更大的接触表面积，从而为所述能量储存装置100提供更高的存储容量。在一些实施方式中，所述多孔活性物质可以包括多孔碳材料，例如活性炭颗粒。所述多孔活性物质可以包括具有一定程度孔隙率和/或孔隙率的分布的活性炭，例如微孔、中孔和/或大孔的分布，配置为促进期望的能量储存装置性能，例如期望的能量密度性能。

在一些实施方式中，所述电极膜可以包括至少一种导电性添加剂成分。所述导电性添加剂成分可以提高所述电极膜的导电性。例如，所述导电性添加剂成分可以包括导电性碳颗粒，包括但不限于碳黑、石墨和/或石墨烯。

在一些实施方式中，电极膜的粘结剂成分可以为所述电极膜的一种或多种其他成分提供结构支撑，包括例如所述活性电极物质和/或导电性添加剂成分。所述粘结剂成分可以包括一种或多种聚合物，所述聚合物为所述电极膜的活性物质成分和/或导电性添加剂成分提供聚合物基体支撑结构。在一些实施方式中，所述粘结剂成分可以包括含氟聚合物(例如，聚四氟乙烯，PTFE)，聚丙烯、聚乙烯、其共聚物和/或其共混聚合物。其他活性物质成分、粘结剂成分和/或添加剂成分也可以适合。

可以优化电极膜的构成从而使期望的能量储存性能成为可能。例如，超级电容器中电极膜的构成可以配置为提供期望的装置电容和/或电阻性能，例如提供期望的装置能量密度和/或功率密度性能。在一些实施方式中，电极膜可以包括按重量计从约50％到约99％的活性物质成分，例如活性炭，包括按重量从约60％到约90％。在一些实施方式中，电极膜可以包括按重量计从约1％到约50％的粘结剂成分。在一些实施方式中，电极膜可以包括按重量多达约30％的添加剂成分，包括例如用以提升所述电极的导电性的导电添加剂成分。

继续参考图1，在一些实施方式中，所述能量储存装置100可以包括足够使所述第一电极膜112、所述第二电极膜114和所述隔板106完全浸透的一定量的电解质120，没有或者基本没有超出前述量的显著过量。例如，所述能量储存装置100可以包括上文所述的电解质的“浸透量”。

在一些实施方式中，加入能量储存装置的电解质的质量可以包括所述浸透量，以及附加量，从而补偿制造工艺和/或制造工具中存在的误差。例如，用来向所述容器内注入选定质量的电解质的制造工具通常具有与从所述工具中输出的电解质相关的误差容限。因此，从这些工具向所述能量储存装置添加的电解质的质量可被选择为包括超出所述浸透量的附加质量，进而补偿这些误差并且保证所述装置的电极和隔板完全浸透。通过补偿这些误差，可以保证用于所述最终能量储存装置的电解质的最终质量超出所述浸透量，但仍保持低于阈值上限，从而平衡未浸透电极/隔板的负面性能影响以及防止伴随过量电解质发生的盐析出和超压造成的负面影响。因此，加入所述能量储存装置的电解质的质量可以被配置为确保所述一个或多个电极和隔板至少完全浸透，但是不提供超过足够使所述能量储存装置的电极和隔板完全浸透的电解质的量的明显储层。

足以使能量储存装置的所述电极(多个电极)和隔板(多个隔板)完全浸透的电解质的量可以根据经验确定。例如，第一，可以在向所述能量储存装置浸注电解质之前，测量所述能量储存装置的质量。例如，可以在向所述能量储存装置中加入任何电解质之前，测量所述能量储存装置容器以及于所述容器内设置的所述能量储存装置的所述一个或多个电极和隔板的质量。随后，可以添加电解质至所述能量储存装置。例如，包括它的容器、电极(多个电极)和隔板(多个隔板)的所述能量储存装置，可以在室温下浸没于所述电解质中，例如电解槽中一段时间。这样的浸没可以促进所述能量储存装置的一个或多个电极和隔板对所述电解质的吸收。在一个实施方式中，所述能量储存装置可以在室温(例如，在约25℃的温度下)和大气压(例如，1个大气压(atm))下浸没于电解槽中约10分钟(min)至约20min，例如约15min。可以将未被所述能量储存装置的所述一个或多个电极和隔板吸收的电解质从所述能量储存装置容器中移除。例如，可以摇动所述能量储存装置从而使未被吸收的电解质从所述能量储存装置容器中排出。移除所述过量电解质后，所述能量储存装置容器可以被密封。

接着，可以将所述密封的能量储存装置放置于控温环境中。所述密封的能量储存装置然后可经历从大约室温到高温，接着冷却所述能量储存装置至低温然后，然后回至大约室温的温度循环。例如可以重复这样的温度循环，从而促进所述一个或多个能量储存装置电极(多个电极)和隔板(多个隔板)对所述电解质的吸收。为了开始所述温度循环，首先，可以按从室温(例如，在约25℃的温度下)至所述高温，例如约80℃至约90℃，包括约85℃的温度的增量来提高所述能量储存装置的温度。例如，可以以大约3℃每分钟的速率将所述能量储存装置的温度从大约室温提高至85℃。可以保持所述能量储存装置在所述较高温度下一段时间。例如，可以在约1.5小时至3小时，在一些实例中约2小时的时间段内，保持所述能量储存装置在85℃下。随后，可以在一段时间内按增量降低所述能量储存装置的温度到冷却温度下，例如约-30℃至约-50℃，如约-40℃。例如，可以以3℃每分钟的速率降低所述能量储存装置的温度至-40℃。可以在保持所述能量储存装置在所述较低温度下一段时间。例如，可以在约1.5小时至约3小时，在一些实例中约2小时的时间段内，保持所述能量储存装置在约-40℃。随后可以对所述能量储存装置进行加热，从而将所述能量储存装置的温度从所述较低温度提高至大约室温。例如，可以以3℃每分钟的速率提高所述能量储存装置的温度，直至所述能量储存装置的温度达到大约室温。可以进行一次该温度循环，或者可以重复一次或多次该温度循环。

接着所述温度循环之后，可以第二次将所述能量储存装置浸没于电解质中，例如电解槽中，持续一段时间，例如约15分钟。可以移除未被所述能量储存装置的所述一个或多个电极和隔板吸收的电解质，例如将过量电解质从所述能量储存装置容器中排出，在所述能量储存装置容器内留下被所述电解质完全浸透的所述一个或多个能量储存装置电极和隔板。包括电解质浸透的电极和所述隔板的所述能量储存装置的质量可在移除过量电解质后测量。在进行所述电解质浸透过程之前的所述能量储存装置的质量与包括被所述电解质浸透的所述一个或多个电极和隔板在内的所述能量储存装置的质量之间的差值可以用来经验性地确定用以使所述能量储存装置的所述多个电极和隔板完全浸透的电解质的量。

超出所述浸透量而添加的附加电解质质量可以用所述浸透量的百分比来表示。例如，在一些实施方式中，制造能量储存装置的过程包括添加总质量为电解质浸透量的100％和约104％之间的电解质至所述能量储存装置。例如，可以分步或同步添加质量为所述浸透量的100％的电解质和添加多达大约所述浸透量的4％的附加质量的电解质。由此而得的最终能量储存装置产品可以包括质量为足够使所述第一电极、所述第二电极和所述隔板完全浸透的电解质质量的至少100％且小于等于104％的电解质。参考图4，如下文描述，可以预期具有其他范围的最终能量储存装置产品。

基于能量储存装置的不同尺寸，超出浸透量添加的电解质的附加质量可以用实际质量来表示。例如，如果用以添加电解质至所述能量储存装置的制造工艺和/或制造工具可以包括约3克(g)的误差，使得所述工艺和/或工具的公差为大约±3g，在所述电解质添加过程中设置使用所述工具向所述能量储存装置中注入的电解质的量可以包括额外的3g电解质。在所述装置的制造过程期间，除去确定足够使所述装置的所述一个或多个电极或隔板浸透的量(例如，根据本文说明的一个或多个过程)以外，还可以提供电解质的该额外量(例如，3g)。当然，提供超出所述浸透量的与其他制造工艺误差值对应的附加质量也是可能的，例如1g、2g、4g以及甚至5g。

就图1或其他图而言，可以理解此处所描述的多个实施方式可以被应用于各种类型的能量储存装置，例如电容器、蓄电池、燃料电池和混合器件，例如组合电池/电容器和/或其他能量储存装置。此外，此处描述的多个实施方式可以被应用于所述多个能量储存装置内不同类型的电极，如平板电极或叠式电极、卷绕电极、单层、双层、双电层、双电极和/或其他类型的电极。

图2示出了具有果酱卷构造的能量储存装置200的实例。所述能量储存装置200可以与图1示出的装置100相似。装置200可以包括容器204，其中所述能量储存装置200的一个或多个电极和隔板可设置成卷绕构造，从而形成浸没于电解质209中的果酱卷202。所述能量储存装置204的容器204可以具有圆柱形状，以及包括被配置为加强所述能量储存装置200与外电路之间的电耦合的第一端子206和第二端子208。例如，所述第一端子206可以被置于第一端部并且可以包括正充电端子，所述第二端子208可以被置于相反的第二端部并且可以包括负充电端子。

图3示出了图2中果酱卷200的自顶向下视图。所述果酱卷200可以包括成卷绕构造的一个或多个电极和隔板。例如，果酱卷200可以包括第一电极210和第二电极212，以及所述第一电极210和所述第二电极212之间的隔板214。在一些实施方式中，所述果酱卷200可以包括与所述第一电极210或所述第二电极212相邻的附加隔板214。在一些实施方式中，所述附加隔板214的位置可以取决于电极和隔板卷绕的方向。与具有非卷绕构造的能量储存装置相比，具有果酱卷构造的能量储存装置可以有助于能量储存装置具有更小的体积和/或能量储存装置更低的重量。具有果酱卷构造的能量储存装置，例如图2和图3中所示，可以包括有限量的电解质或者无显著附加电解质储层的情况下足够为所述能量储存装置的所述一个或多个隔板和电极提供期望的浸透的有限量的电解质，或可以具有期望摩尔浓度的电解质，如本文其他地方所描述的。例如，所述能量储存装置200可包括相对于果酱卷202的隔板(多个隔板)和电极(多个电极)的浸透有限量的电解质209，与图1中关于能量储存装置100所描述的电解质的量相似。

图4示出了用来制备具有有限量电解质的能量储存装置的流程520的实例。在方框522中，可以提供容器。在方框524中，可以将第一电极和第二电极插入所述容器中，其中可以将隔板置于所述第一电极和所述第二电极之间。如此处所描述，电极可以包括一个或多个电极膜和/或集流器。在方框526中，可以将最终总质量的电解质添加至所述容器内，其中所述质量为足够使所述第一电极、所述第二电极和所述隔板完全浸透的电解质质量的至少100％且小于104％。在一些实施方式中，添加的电解质质量可以介于所述浸透量质量的100％到103％之间。在一些实施方式中，添加的电解质质量可以介于所述浸透量质量的100％到102％之间。在一些实施方式中，添加的电解质质量可以介于所述浸透量质量的100％到101％之间，包括介于100％到100.75％之间。在一些实施方式中，添加的电解质质量可以介于所述浸透量质量的100％到100.5％之间，包括介于100％到100.4％之间、介于100％到100.3％之间、介于100％到100.2％之间，或者甚至低至介于100％到100.1％之间。

在一些实施方式中，通过为能量储存装置提供具有低于通常使用的浓度的盐浓度的电解质，本文的能量储存装置可以具有更高的能量密度性能和/或寿命性能。例如，再次参考图1，所述能量储存装置100的所述第一电极102、所述第二电极104和所述隔板106所浸入的电解质120可以具有有限的摩尔浓度。例如，所述电解质120可以具有降低的盐浓度同时提供足够量的可移动离子种类，从而增强期望的能量储存装置性能。所述电解质120可以包括在所述电解质溶剂中具有期望溶解度的盐，例如，在包括氰化甲烷的溶剂中具有期望溶解度，使得所述电解质120可以具有降低的浓度，同时在所述能量储存装置100的所述第一电极102和所述第二电极104之间保持或大体上保持期望的离子导电性。可以同样限制图2中能量储存装置200的电解质209的盐浓度。

在一些实施方式中，具有更强能量密度性能的能量储存装置可以包括其溶剂包括氰化甲烷的电解质。在一些实施方式中，具有更强能量密度性能的能量储存装置可以包括一种电解质，该电解质的盐包括在氰化甲烷溶剂中具有期望溶解度的季铵盐。在一些实施方式中，所述电解质盐的阳离子可以包括螺环季铵、四乙基甲基铵和/或四乙基铵。在一些实施方式中，所述电解质盐的阴离子可以包括四氟硼酸盐。例如，所述电解质可以包括具有螺环季铵四氟硼酸盐(SBPTFB)、四乙基甲基四氟硼酸铵(TEAMTFB)和/或四乙基四氟硼酸铵(TEATFB)的盐。例如，具有包括氰化甲烷的溶剂和包括螺环季铵四氟硼酸盐、四乙基甲基四氟硼酸铵和/或四乙基四氟硼酸铵的盐的电解质可以具有降低的盐浓度，而同时提供期望的化学上和/或电化学上的电解质稳定性。

在一些实施方式中，所述电解质可以具有低于1.0摩尔/升(M)的盐浓度。例如，所述电解质可以具有约0.95M的浓度。例如，所述电解质可以具有约0.75M的浓度。在一些实施方式中，所述电解质可以具有约0.50摩尔/升(M)到约0.95M的浓度，包括从约0.60摩尔/升(M)到约0.95M，以及从0.70M到约0.95M。例如，所述电解质可以包括四乙基四氟硼酸铵、四乙基甲基四氟硼酸铵和/或螺环季铵四氟硼酸盐在氰化甲烷中的0.8M的溶液。

在一些实施方式中，在电解质中降低的盐浓度可以使得所述电解质具有降低的电解质浓度不均匀性，通常在非均匀电流密度下会产生所述电解质浓度不均匀性。所述电解质浓度不均匀性可以促进盐析出在一个或多个电极表面上，例如阻塞一个或多个电活性位点，从而对能量储存装置性能产生消极影响。当所述能量储存在更高电压下操作时，例如在高电流充电和放电循环下，具有降低的盐浓度的电解质可以防止或基本防止电解质浓度不均匀性。具有降低的盐浓度的电解质可以使所述电解质和所述能量储存装置的一个或多个其他成分之间化学互作用降低。例如所述降低的化学互作用可以使副产物生成率降低，因而提供更高的能量储存装置性能。

图5示出了制备具有有限摩尔浓度的电解质的最终能量储存装置产品的流程540的实例。在方框542中，可以提供容器。在方框544中，可以将第一电极和第二电极插入所述容器中，其中可以将隔板置于所述第一电极和所述第二电极之间。在方框546中，可以将电解质添加至所述容器内，其中所述电解质包括介于0.6摩尔/升(M)至0.95M之间的盐浓度。例如，可以将有限摩尔浓度的电解质添加至所述能量储存装置的所述多个电极和多个隔板，从而在不提供或基本不提供过量电解质储层时，使所述多个电极和多个隔板完全浸透。在一些实施方式中，所述电解质浓度可以是约0.7M至约0.95M，包括约0.8M，或上文所描述的其他范围。

正如此处所描述的，具有更高能量密度性能的能量储存装置可以在一个或多个所述能量储存装置电极上含有一个或多个穿孔。在一些实施方式中，所述一个或多个电极的集流器含有所述一个或多个穿孔。穿孔集流器可以包括延伸穿过所述集流器厚度的一个或多个开口。在一些实施方式中，所述集流器可以具有从所述集流器的第一表面延伸至第二表面的多个穿孔，例如从与第一电极膜相邻的第一表面延伸至与第二电极膜相邻的第二表面。在一些实施方式中，所述集流器以及与所述集流器相邻的一个或多个电极膜都可以含有一个或多个穿孔。集流器上的一个或多个穿孔可以或可以不与电极膜上的所述一个或多个穿孔相对应。例如，集流器上的一个或多个穿孔可以与电极膜上的一个或多个穿孔具有不同的位置。在一些实施方式中，集流器上的一个或多个穿孔可以与电极膜上的一个或多个穿孔具有不同的形状、尺寸、方向和/或分布模式。在一些实施方式中，电极膜上的一个或多个穿孔可以或者可以不穿过所述电极膜的整个厚度。

图6示出了具有包括穿孔电极602的果酱卷608的能量储存装置600的实例。装置600可以是超级电容器，具有至少部分通过电极602的一个或多个穿孔604提供的更强的能量密度性能。穿孔电极602可为能量储存装置电解质到达所述电极602内的活性物质提供更强的可接近性，促进电解质在所述电极602内的扩散。所述电解质在所述电极602内更强的扩散性可以增强所述电极602内的电解质分布的均匀性。在一些实施方式中，所述电极602内更强的电解质分布均匀性可以促进所述电极602的初始润湿或浸渍。在一些实施方式中，所述电极602内电解质更强的扩散性可以提高装置性能(例如，能量储存装置能量密度性能)和/或增强装置可靠性。例如，所述电极602内更强的电解质分布可以降低所述电极内局部电解质不足、过多和/或盐析出(例如，在能量储存装置充电-放电循环时)的发生，以及能量储存装置电容衰减和/或由于所述电极内电解质难以到达局部位置而造成的能够降低装置性能的任何其他现象的发生。

例如，所述能量储存装置600可以包括足够使至少所述能量储存装置600内一个或多个隔板和电极浸透的有限摩尔浓度的电解质的量，例如为隔板和/或电极提供期望程度的浸透，且没有超出使所述多个隔板和电极浸透所需的电解质量的显著储层。例如，所述能量储存装置600可以零或接近零超出浸透的电解质的填充液位606，或者其他量的电解质和/或电解质的多个盐浓度，类似于与此处的其他实施方式相关的描述。

图7示出了穿孔电极620实例的部分的横截面视图。参考图7，所述穿孔电极620可以包括位于集流器626的第一表面上的第一电极膜622和位于集流器626第二表面上的第二电极膜624。所述电极620可以包括与所述集流器626的一个或多个穿孔630相对应的一个或多个穿孔628。所述第一电极膜622和/或所述第二电极膜624可以填充所述集流器626的所述一个或多个穿孔630的某些部分或不填充所述集流器626的所述一个或多个穿孔630的任何部分。

在一些实施方式中，所述第一电极膜622和所述第二电极膜624可以在一个或多个集流器穿孔630内彼此接触，在所述一个或多个集流器穿孔630内形成界面632，从而使所述电极膜622、624中的一个或多个穿孔628的构造不同于所述集流器626中的一个或多个穿孔630的构造。在图7所示的实施方式中，所述电极膜穿孔628具有的尺寸小于所述集流器穿孔630尺寸。所述第一电极膜622和所述第二电极膜624之间的接触可以加强所述第一电极膜622和/或所述第二电极膜624与所述集流器626之间的粘合。例如，电极膜之间通过所述一个或多个集流器穿孔630的耦合可以加强所述多个电极膜与所述集流器626的附着。在一些实施方式中，所述第一电极膜622和所述第二电极膜624在所述一个或多个集流器穿孔630内可以不彼此接触。

图8示出了具有与穿孔集流器646的第一表面相邻的第一电极膜642以及与所述穿孔集流器646的第二表面相邻的第二电极膜644的电极640实例的部分的横截面视图，其中所述第一电极膜642和/或所述第二电极膜644可以填充或基本填充所述集流器646的一个或多个所述穿孔650。例如，在所述集流器646内形成的一个或多个穿孔650并未在所述第一电极膜642和所述第二电极膜644内形成。所述第一电极膜642和/或所述第二电极膜644可以填充或基本填充所述集流器646中的多个穿孔650中的每一个，从而所述第一电极膜642可以与所述第二电极膜644在界面652处接触以及所述电极膜642、644没有与所述集流器646的所述穿孔650相对应的穿孔。

在一些实施方式中，集流器和/或电极膜的所述多个穿孔可以具有优化为加强电解质在电极内的扩散的构造。在一些实施方式中，集流器和/或电极膜的多个穿孔可具有优化成用于提高装置性能(例如，能量密度性能)的形状、尺寸(例如，长度和/或直径)、方向和/或分布模式。例如，集流器和/或电极膜可以包括多个穿孔，其形状、尺寸、方向和/或分布模式被配置为提高所述电极内的电解质扩散，同时在所述电极和外电路之间提供期望程度的耦合和/或期望程度的结构鲁棒性。

在一些实施方式中，集流器和/或电极膜的所述多个穿孔可以具有一致或基本一致的形状、尺寸和/或方向。例如，集流器和/或电极膜可以包括具有一致或基本一致的椭圆或大体上椭圆的形状、矩形或大体上矩形的形状、和/或圆形或大体上圆形的形状的多个穿孔。其他形状也可以适合。穿孔可以全部具有相同的方向，例如集流器和/或电极膜的穿孔可以与所述集流器和/或所述电极膜的各自边缘相对齐。沿所述集流器和/或电极膜边缘的多个穿孔可以从所述集流器或电极膜各自边缘起有均匀或大体上均匀的距离。在一些实施方式中，所述多个穿孔可以均匀分布于集流器和/或电极膜各自的宽度和/或各自的长度上。集流器和/或电极膜的多个穿孔可以沿所述集流器和/或所述电极膜的一个或多个各自的边缘部分、对角线部分和/或中心部分分布。其他穿孔分布模式也可以是适合的。

集流器可以包括多个椭圆形穿孔，均匀或基本均匀地分布于所述集流器表面。集流器可以包括多个矩形穿孔，平均地沿所述集流器的长度和/或宽度分布，包括沿所述集流器的所述整个长度和/或宽度。例如，所述集流器可以沿所述集流器的维度(例如长度和/或宽度)包含两排矩形穿孔，所述矩形穿孔具有相同的方向和尺寸，并且沿所述集流器的所述维度均匀分布。与所述集流器表面相邻的一个或多个电极膜可以或者可以不包括与所述集流器的所述多个穿孔相对应的穿孔。

在一些实施方式中，集流器和/或电极膜的多个穿孔可以具有不一致的形状、尺寸、方向和/或分布模式。例如，集流器的穿孔可以具有与所述集流器的另一穿孔不同的形状、尺寸和/或方向。电极膜上的穿孔可以具有与所述电极膜的另一穿孔不同的形状、尺寸和/或方向。集流器的多个穿孔的形状、尺寸、方向和/或分布模式可以与所述电极膜的形状、尺寸、方向和/或分布模式不同。例如，沿集流器和/或电极膜的边缘的穿孔可以从集流器和/或电极膜的各自边缘不均匀间隔开。

在一些实施方式中，集流器可以具有多个穿孔，其中每个穿孔可以具有约100微米(μm)至约300微米(μm)范围内的最长尺寸。例如，集流器可以具有圆形或大体上圆形的多个穿孔，每个穿孔具有约100微米(μm)至约300微米(μm)范围内的直径。在一些实施方式中，集流器的多个穿孔具有一种分布模式，使得所述集流器每平方英寸内有约50至约170个穿孔。例如，集流器可以有多个圆形或大体上圆形的穿孔，每个穿孔具有约100微米(μm)至约300微米(μm)的直径，每平方英寸内有约50到约170个穿孔，从而所述多个穿孔的总横截面积可以是所述集流器表面积的约1％到约3％。正如此处所描述的，覆盖所述集流器表面的一个或多个电极膜可以或者可以不包括与所述集流器上的所述穿孔对应的电极膜穿孔。

在一些实施方式中，具有更高能量密度性能的能量储存装置可以包括穿孔集流器和/或穿孔电极膜，所述集流器和/或所述电极膜上的穿孔的程度配置为加强能量储存装置电解质与所述能量储存装置电极的活性物质之间的接触。在一些实施方式中，穿孔集流器和/或穿孔电极膜可以配置为促进电极内电解质的扩散，同时提供期望程度的结构鲁棒性和/或所述电极与外部电气回路之间足够的电气连接性。例如，集流器可以包括多个穿孔，这些穿孔具有一种形状、尺寸和/或在所述集流器上的分布模式，使得穿孔具有所述集流器表面积的约1％至约50％的总横截面积。在一些实施方式中，穿孔的总横截面积可以小于所述集流器表面积的10％。在一些实施方式中，穿孔的总横截面积可以为所述集流器表面积的约1％至约5％。例如，穿孔的总横截面积可以为所述集流器表面积的约3％。所述集流器的一个或多个表面上的一个或多个电极膜可以或者可以不包括与所述集流器的所述多个穿孔相对应的电极膜穿孔。集流器和/或电极膜的其他适合百分比的穿孔也可以适用，从而提供一种电极，该电极配置为可以促进电解质扩散，同时提供期望程度的结构鲁棒性和/或所述电极与外部电气回路之间足够的电气连接性。在一些实施方式中，集流器可以具有的总穿孔横截面积为所述集流器的表面积的约40％、约30％或约20％。

集流器和/或电极膜的一个或多个穿孔可以通过机械手段(例如，通过机械打孔过程)和/或非机械手段来形成。集流器和/或电极膜的所述一个或多个穿孔可以在所述电极膜被附着(例如，砑光)于所述集流器表面之前和/或之后形成。例如，一个或多个集流器穿孔可以首先在集流器中形成，在所述电极膜经砑光(calendared)于所述集流器的表面后，一个或多个电极膜穿孔可以随后在电极膜上形成。在一些实施方式中，所述集流器和所述电极膜的多个穿孔都在所述电极膜经砑光于所述集流器的表面后形成。

应当理解此处就有限的电解质量、电解质盐浓度范围和穿孔电极而言描述的多种能量储存装置的多个实施方式，可以单独使用或者彼此任意结合地用来提供不同程度的更强的能量密度性能。在一个实施方式中，具有更强能量密度性能的能量储存装置可以包括一种电解质，该电解质包括浓度约为0.8M，且电解质的量为足以使所述能量储存装置的所述多个电极和隔板浸透且没有超出该量的显著电解质储层的氰化甲烷和四乙基四氟硼酸铵的溶液。电解质具有更低盐浓度且接近零超出浸透电解质填充液位的能量储存装置可以促进能量储存装置的电极活性物质(例如，活性炭)具有更高的利用率，有助于更高的操作电压从而提供更高的能量密度，同时降低用于二次反应的可用盐的数量(二次反应会产生副产物从而降低所述能量储存装置性能)。在一些实施方式中，所述电解质盐可以是四乙基四氟硼酸铵。在一些实施方式中，所述电解质溶剂可以是氰化甲烷。在一些实施方式中，所述能量储存装置可以包括浓度为约0.8M的电解质盐。在一个实施方式中，具有更强能量密度性能的能量储存装置可以包括具有穿孔集流器的第一电极，电解质包括约0.6摩尔/升(M)至约0.95M的盐浓度，以及用以足够使所述电极和隔板浸透的电解质的量，且没有超出那个量的显著量的电解质储层。在一些实施方式中，所述能量储存装置可以包括含有第一穿孔集流器的第一电极和含有第二穿孔集流器的第二电极。电极可以包括位于所述集流器第一表面的第一电极膜和位于所述集流器第二表面的第二电极膜，所述第一和第二电极膜可以或者可以不具有与所述集流器的所述一个或多个穿孔相对应的穿孔。

虽然在一些特定实施方式和实例的上下文中公开了本发明，但本领域的技术人员可以理解，本发明可以超出所述特定公开的实施方式，延伸至本发明的其他可替换的实施方式和/或用途以及其等价物。此外，虽然已经详细描述和示出了本发明的所述多个实施方式的几种变体，基于本公开内容，本发明范围内的其他变形对于本领域的技术人员而言是显而易见的。也应当考虑到，可以对所述实施方式的多个具体特征和方面做出各种组合或子组合，并且仍在本发明的范围内。应当理解，所公开的多个实施方式的各种特征和方面可以互相结合或互相替代，从而形成所公开发明的所述多个实施方式的不同模式。因此，旨在此处公开的本发明的范围不应限于上文所描述的特定实施方式。

本文提供的多个标题，如果有标题的话，仅仅是为简便起见，且没有必要影响本文公开的装置和方法的范围或含义。

Claims (25)

1.一种最终产品的能量储存装置，包括：

容器；

第一电极；

第二电极；

隔板，介于所述第一电极和所述第二电极之间，其中，所述第一电极、第二电极和隔板位于所述容器内；以及

所述容器内的电解质，所述电解质具有介于电解质的浸透量与所述电解质的浸透量的104％之间的总质量，

其中，所述电解质的浸透量是浸透所述隔板、所述第一电极和所述第二电极的可进入空间所需要的所述容器中电解质的最低量。

2.根据权利要求1所述的能量储存装置，其中，所述电解质的质量小于或等于所述电解质的浸透量的102％。

3.根据权利要求2所述的能量储存装置，其中，所述电解质的质量小于或等于所述电解质的浸透量的101％。

4.根据权利要求1所述的能量储存装置，其中，所述能量储存装置是密封的。

5.根据权利要求1所述的能量储存装置，其中，所述能量储存装置被配置为在3伏特的操作电压下操作。

6.根据权利要求1所述的能量储存装置，其中，所述能量储存装置包括果酱卷构造。

7.根据权利要求1所述的能量储存装置，其中，所述电解质包含0.75摩尔/升至0.95摩尔/升的盐浓度。

8.根据权利要求1所述的能量储存装置，其中，所述第一电极和所述第二电极中的至少一个包括多个穿孔。

9.根据权利要求1所述的能量储存装置，具有：

介于0.6摩尔/升至0.95摩尔/升的电解质盐浓度和氰化甲烷。

10.根据权利要求9所述的能量储存装置，其中，所述电解质包括季铵盐。

11.根据权利要求10所述的能量储存装置，其中，所述季铵盐包括选自于由螺环季铵、三乙基甲基铵和四乙基铵组成的组中的阳离子。

12.根据权利要求10所述的能量储存装置，其中，所述季铵盐包括选自于由四氟硼酸盐组成的组中的阴离子。

13.根据权利要求9所述的能量储存装置，其中，所述电解质包括0.8摩尔/升的盐浓度。

14.根据权利要求5所述的能量储存装置，其中，所述能量储存装置包括双电层电容器。

15.一种制备能量储存装置的方法，包括：

提供容器；

将第一电极和第二电极插入到所述容器中，其中，隔板被设置在所述第一电极和所述第二电极之间；并且

将最终的总质量的电解质添加至所述容器中，其中，所述电解质的所述总质量介于电解质的浸透量与所述电解质的浸透量的104％之间，

其中，所述电解质的浸透量是浸透所述隔板、所述第一电极和所述第二电极的可进入空间所需要的所述容器中电解质的最低量。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，添加总质量的电解质包括：添加质量小于或等于所述电解质的浸透量的102％的电解质。

17.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：密封所述能量储存装置。

18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述能量储存装置包括超级电容器。

19.根据权利要求15所述的方法，其中，添加总质量的电解质包括：添加包括四乙基四氟硼酸铵和螺环季铵四氟硼酸盐中的至少一种的盐。

20.根据权利要求15所述的方法，其中，添加总质量的电解质包括：除了所述电解质的浸透量之外，还添加附加的3克或更少的电解质。

21.根据权利要求15所述的方法，其中，所述电解质包括介于0.6摩尔/升至0.95摩尔/升的盐浓度并且包括氰化甲烷。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述电解质具有0.7摩尔/升至0.95摩尔/升的盐浓度。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述电解质具有0.8摩尔/升的盐浓度。

24.根据权利要求15所述的方法，其中，添加所述电解质包括：添加三乙基甲基四氟硼酸铵。

25.一种制备能量储存装置的方法，包括：

提供容器；

将第一电极和第二电极插入到所述容器中，其中，隔板被设置在所述第一电极和所述第二电极之间；并且

利用电解质注射工具将最终的总质量的电解质添加至所述容器中，其中，所述总质量相当于所述电解质的浸透量与对应于所述电解质注射工具的制造公差的附加质量的组合，其中，所述电解质的浸透量是浸透所述隔板、所述第一电极和所述第二电极的可进入空间所需要的所述容器中电解质的最低量。