阅读说明：本技术 用于超级电容器及高功率电池用途的电解质 () 是由 安德拉斯·卡瓦克 塔帕尼·阿萨雷拉 大卫·洛伊德 大卫·布朗 于 2018-03-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种电化学元件,包括：基于腈基溶剂的电解质,其中,电解质盐包含NaClO4,且在该电化学元件的任何充电阶段,该电解质盐在放电状态下具有高体积莫耳浓度。()

用于超级电容器及高功率电池用途的电解质

技术领域

本发明涉及可充电的电化学元件，例如：诸如高功率电池或快速充电的电池，以及超级电容器。具体而言，本发明涉及用于这些电化学元件的电解质的改良。

背景技术

高性能且低成本的超级电容器和快速电池有利于许多应用，例如，起动器电池或快速充电的电动交通工具。

用于超级电容器或者高功率或快速充电电池的电解质盐通常介于1至1.5的体积莫耳浓度范围，其对应于当前所使用的盐的离子导电率最大值。在本领域中，先前已知使用NaClO₄作为可用于乙腈溶剂的电解质盐。然而，所有相关的公开文献都描述在乙腈溶剂中使用1体积莫耳浓度或更低的NaClO₄盐的电解质配方。

随着有利于制造具有更高体积比电容的电双层超级电容器电极的技术发展，高浓度的超级电容器电解质的使用变得必要。例如，参考文献[2]描述一种使用基于乙腈溶剂的电解质的多孔碳基超级电容器电极，其体积比电容达170F/cm³。这些电极具有70％的空间填充，亦即，只有30％的电极体积是用于电解质的空的空间。根据参考文献[2]的资料，若所有电解质能够都在对称的电极体积内，则将这种对称型超级电容器充电至2.7V的电压将需要4体积莫耳浓度的初始盐浓度。在现有的电解质配方下，需要显着过量的电解质来使用这种电容量，透过最小化对这种过量电解质的需求而允许提升的体积比电容量的新颖电解质配方对工业和商业是有利的。

发明内容

在本发明中，公开了具有高离子导电率且具有成本效益，并且支持宽电压范围的高浓度盐。先前已知的高浓度电解质的导电性差且昂贵。

乙腈常用作为超级电容器中的电解质溶剂。其也可以用作为某些高功率和/或快速充电的电池中的电解质溶剂，其中，电极循环电压与其电压范围相容。本发明公开在基于乙腈溶剂的电解质的导电率、成本效益，以及与先进的电极结构的相容性方面的显着改善。这些改善是通过使用含有高浓度NaClO₄的电解质盐作为唯一的电解质盐或者与其他盐(共盐)组合，且与腈基溶剂组合来实现。本发明提升用于这些和其他应用的超级电容器与高功率电池的最新技术水准。这些改善实现在电解质的导电率、成本效益，以及与先进电极结构的相容性方面。因此，本发明有利于工业和商业。

附图说明

图1示出在乙腈溶剂中使用3体积莫耳浓度的NaClO₄盐浓度的对称型超级电容器的电容量变化；两个电极由多孔碳在铝基板上制成；该超级电容器在循环期间充电至2.7V；最初的30个循环以0.5mA/cm²的电流速率进行，并且后续的循环以2mA/cm²的电流速率进行。

具体实施方式

在本文中，参考附图公开本发明的详细实施例。

电化学元件可以至少包括：阳极、阴极，以及至少部分位于该阳极与该阴极之间的电解质。电化学元件可以进一步包括在该阳极与该阳极之间的隔板。电化学元件可以进一步包括一个或多个电荷载体。电化学元件可以进一步包括壳体。电化学元件的电解质可以包括钠基盐。电化学元件的电解质可以包括腈基溶剂。该电解质的钠基盐可以是NaClO₄。该电化学元件可以是对称的，在这种情况下，阳极材料和阴极材料基本上是相同的。该电化学元件可以是不对称的，在这种情况下，阳极材料和阴极材料基本上是不相同的。该电化学元件可以是超级电容器或电池。该电池可以是一次(一次性使用)电池或二次(可充电)电池。

先前已经陈述使用乙腈溶剂的NaClO₄电解质盐的离子导电率最大值发生在0.55体积莫耳浓度(参考文献[1])。然而，我们惊讶地发现，与其他常用的电解质盐相反，包括NaClO₄盐的电解质在乙腈溶剂中的离子导电率随着高莫耳浓度而增加。经过一段时间后，发现当NaClO₄浓度变得过高时导电率降低。具体而言，发现电解质的离子导电率随着NaClO₄浓度的增加而增加，且在大约3体积莫耳浓度时达到导电率最大值。

在电解质盐的体积莫耳浓度大于1时，电解质盐可被认为是高浓度。在体积莫耳浓度等于或大于1.25时，电解质盐可被认为是高浓度。在体积莫耳浓度大于1.5时，电解质盐可被认为是高浓度。在体积莫耳浓度等于或大于1.75时，电解质盐可被认为是高浓度。在体积莫耳浓度等于或大于2时，电解质盐可被认为是高浓度。在体积莫耳浓度等于或大于2.25时，电解质盐可被认为是高浓度。在体积莫耳浓度等于或大于2.5时，电解质盐可被认为是高浓度。在体积莫耳浓度等于或大于2.75时，电解质盐可被认为是高浓度。在体积莫耳浓度等于或大于大约3时，电解质盐可以被认为是高浓度。

在电解质盐的体积莫耳浓度等于或小于1时，电解质盐可被认为是低浓度。在体积莫耳浓度小于0.95时，电解质盐可被认为是低浓度。在体积莫耳浓度小于0.7时，电解质盐可被认为是低浓度。在体积莫耳浓度小于0.5时，电解质盐可被认为是低浓度。在体积莫耳浓度小于0.35时，电解质盐可被认为是低浓度。在体积莫耳浓度小于0.25时，电解质盐可被认为是低浓度。在体积莫耳浓度小于0.2时，电解质盐可被认为是低浓度。在体积莫耳浓度小于0.15时，电解质盐可被认为是低浓度。

电化学元件的充电与放电状态之间的电解质盐浓度的下界可以是其高浓度值。电解质莫耳浓度的上界可以是处于或接近于其在电解质溶剂中的溶解度极限。电解质盐的体积莫耳浓度可以在下界(高浓度)和上界(在电解质溶剂中的溶解度极限)的任何组合之间。所述溶解度极限是根据当前的溶剂和盐而变化。在此，溶解度极限可以是指电解质的体积莫耳浓度超过其在电解质溶剂中的溶解度极限的70％。在此，溶解度极限可以是指电解质的体积莫耳浓度超过其在电解质溶剂中的溶解度极限的85％。在此，溶解度极限可以是指电解质的体积莫耳浓度超过其在电解质溶剂中的溶解度极限的90％。在此，溶解度极限可以是指电解质的体积莫耳浓度超过其在电解质溶剂中的溶解度极限的95％。在此，溶解度极限可以是指电解质的体积莫耳浓度超过其在电解质溶剂中的溶解度极限的98％。在此，溶解度极限可以是指电解质的体积莫耳浓度超过其在电解质溶剂中的溶解度极限的99％。在电化学元件是超级电容器的情况下，体积莫耳浓度是指在完全放电状态或组装状态下的浓度，且对应于在充电/放电循环中的最高体积莫耳浓度。在超级电容器的情况下，体积莫耳浓度可能在充电过程中降低，并且在完全充电状态下，甚至可能下降到大约为零(体积莫耳浓度不会降低到恰好为零，否则电解质将不再使离子导电)。在电解元件是电池的情况下，在充电与放电状态之间，体积莫耳浓度基本上不会改变，且该体积莫耳浓度是指基本上恒定的体积莫耳浓度。

所述高浓度界限、溶解度极限界限及/或范围的任何组合都是可能的。为了避免疑惑，当电解质中存在共盐时，如下所述，该电解质盐浓度(或盐浓度)是指组合的NaClO₄：共盐浓度。

表1示出在没有共盐的系统中，电解质导电率对NaClO₄浓度的相关性。其他溶剂是可以的，最优选可以为腈基溶剂。

表1：在乙腈溶剂中的作为盐浓度的函数的NaClO₄盐的离子导电率

NaClO<sub>4</sub>浓度	0.5M	2M	2.5M	3M	3.5M
						电解质导电率	31mS/cm	35mS/cm	36.5mS/cm	38.5mS/cm	35.5mS/cm

已经进一步发现，通过在乙腈溶剂中使用电解质盐的混合物，其中，NaClO₄是盐组分，在甚至更高的电解质盐浓度下维持相同的导电率最大值38.5mS/cm是可行的。作为一个示例，表2示出在乙腈溶剂中以4：1比例的NaClO₄：NaPF₆盐的混合物所获得的电解质导电率变化。在3.5体积莫耳浓度的总电解质盐浓度下，达到离子导电率最大值38.5mS/cm。除了NaPF₆之外的其他含钠的共盐也是可以的；适合的共盐的示例包含但不限于：三氟甲磺酸钠(CF₃SO₃Na,表示为NaTriflate)，或二氟(草酸)硼酸钠(C₂O₄BF₂Na,表示为NaDFOB)。其他比例的NaClO₄：含钠的共盐是可以的。NaClO₄：含钠的共盐的比例可以在0.5：1与32：1之间。NaClO₄：含钠的共盐的比例可以在1：1与16：1之间。NaClO₄：含钠的共盐的比例可以在2：1与8：1之间，更优选为在3：1与6：1之间，且最优选为大约4：1。所列的NaClO₄：含钠的共盐的比例的上限和下限的任何组合是可以的。

表2：在乙腈溶剂的作为总盐浓度的函数的4：1比例的NaClO₄：NaPF₆盐混合物的离子导电率

上述电解质配方允许具成本效益的高导电性超级电容器及/或电池电解质的生产，其可与乙腈溶剂的全电压范围相容。这些电解质配方进一步可与铝集电器基板相容，其可以由图1所示的稳定的循环电容量证实。

在具有高体积比电容的电双层超级电容器的循环期间，理想的电解质盐浓度可以在高浓度(例如，在放电状态下的3-3.5体积莫耳浓度)与低浓度(例如，在充电状态下的0.2-0.5体积莫耳浓度)之间剧烈变化。对于高体积比电容的超级电容器而言，为了最小化所需的过量电解质，从而最大化装置级能量密度，如本文所述的高浓度电解质盐的使用变成一个重要的考量。因为这种电解质能够在很宽的体积莫耳浓度的盐浓度范围内传输>30mS/cm²的离子电导率，其中，该体积莫耳浓度范围可以存在于充电与放电状态之间(例如，从小于0.5体积莫耳浓度至大于3.5体积莫耳浓度)，因此，使用本文所公开的电解质配方特别有利。

在一个实施例中，提供一种电化学元件，包括基于腈基溶剂的电解质，其中，电解质盐包括NaClO₄，且在该电化学元件的任何充电阶段，该电解质盐在放电状态下具有高体积莫耳浓度。

在一个实施例中，提供一种电化学元件，包括基于腈基溶剂的电解质，其中，电解质盐包括NaClO₄，且该电解质盐在放电状态下具有大于1的体积莫耳浓度。

在一个实施例中，该腈基溶剂是乙腈。

在一个实施例中，该电解质盐进一步包括含钠的共盐。

在一个实施例中，该共盐是NaPF₆、NaTriflate、NaDFOB，或其任何组合。

在一个实施例中，在该电化学元件的任何充电阶段，该电解质盐处于或接近其在电解质溶剂中的溶解度极限。

本发明的电化学元件可以用在一装置中。本发明的一个或多个电化学元件可以用在一电池组中。该电池组可以包含串联、并联，或其任何组合的多个独立电池。该元件及/或该电池组可以与一电池管理系统组合使用。本发明的电化学元件及/或电池组可以用于例如：一电动交通工具，诸如汽车、卡车、自行车、电动自行车、滑板车、遥控飞机、有人或无人飞机；一不断电电源；一备用电源；一个人的、局部的、区域的或电网存储或电网稳定化单元；或一引擎起动器电池。本发明的电化学元件和/或电池组可以用于其他装置。

<参考文献>

[1]G.Herlem et al,Journal of Solution Chemistry,Vol.28(1999),No.3,Pp.223-235。

[2]Y.Tao at el,DOI:10.1038/srep02975。