CN102385991A - 制造锂离子电容器的方法以及利用其制造的锂离子电容器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种制造锂离子电容器的方法以及利用其制造的锂离子电容器。该制造锂离子电容器的方法包括：在隔膜的一个表面上形成锂薄膜；使该锂薄膜与负极接触，并且利用置于其间的隔膜交替设置负极和正极以形成电极单元；以及将该电极单元和电解质封入到壳体中，并将锂离子从锂薄膜预掺杂至负极中。由于锂薄膜可以与利用置于其间的隔膜层压的负极直接接触以预掺杂锂离子，所以降低了预掺杂时间。因此，可以改善锂离子电容器的生产率。

Description

制造锂离子电容器的方法以及利用其制造的锂离子电容器
相关申请的引用 
本申请要求在35U.S.C Section[120，119，119(e)]下于2010年8月31日提交的题为“METHOD OF MANUFACTURING LITHIUM ION CAPACITOR AND LITHIUM ION CAPACITOR MANUFACTURED USING THE SAME”的韩国专利申请系列第10-2010-0084820号的权益，由此将其全部内容以引用方式结合于本申请中。 
技术领域
本发明涉及一种锂离子电容器，更具体地，涉及一种制造锂离子电容器的方法以及使用该方法制造的锂离子电容器，在该方法中，负极(阴极，anode)的锂离子预掺杂工艺利用具有设置在其一个表面上的锂薄膜的隔膜来进行。 
背景技术
通常，电化学能量存储装置是最终产品的核心部件，其基本上被用于移动信息通信装置、和移动电子装置中。此外，电化学能量存储装置将被可靠地用作可用于未来电动车辆、移动电子终端等的可再生能量系统中的高质量能量源。 
在电化学能量存储装置中，电化学电容器可以被分类为利用电双层理论的双电荷层电容器和利用电化学氧化-还原反应的混合超级电容器。 
这里，虽然双电荷层电容器被广泛用于其中需要高输出能量特性的领域，但是双电荷层电容器具有诸如小容量等问题。另一方面，对混合超级电容器进行了积极的研究以改善双电荷层电容器的容量特性。 
特别地，在混合超级电容器中，锂离子电容器(LIC)具有掺杂有锂离子的负极以具有双电荷层电容器的三至四倍的充电容量，提供较大的能量密度。 
这里，在用锂离子预掺杂负极的过程中，锂金属膜设置在电极单元的最上层和最下层上，然后，电极单元浸没在电解质中。同时，由于锂膜设置在电极单元的两端，因此锂离子可以非均匀地掺杂至层压的负极。此外，由于锂金属膜可以在预掺杂工艺后保留，因此锂金属可以在锂离子电容器的操作过程中脱嵌从而降低锂离子电容器的可靠性。 
而且，由于需要约20天直到锂离子均匀地掺杂至设置在电极单元中的负极，因此难以将该工艺用于大规模生产。即，虽然锂离子电容器需要对负极进行预掺杂工艺以改善容量特性，但是锂离子电容器的可靠性可能由于对负极的预掺杂工艺而降低或者难以将该工艺用于大规模生产。 
因此，为了将具有高容量的锂离子电容器用于大规模生产，需要一种能够均匀且快速地将锂离子掺杂至负极的新型负极预掺杂工艺(方法)。 
发明内容
已经发明了本发明，以便克服上述问题，因此，本发明的一个目的是提供一种制造锂离子电容器的方法以及使用该方法制造的锂离子电容器，该方法包括利用具有设置在其一个表面上的锂膜的隔膜来对负极进行锂离子预掺杂工艺。 
根据用来实现所述目的的本发明的一个方面，提供了一种制造锂离子电容器的方法，包括：在隔膜的一个表面上形成锂薄膜；使该锂薄膜与负极接触，并且利用置于其间的隔膜交替设置负极和正极(cathode)以形成电极单元；以及将该电极单元和电解质封入到壳体中，并将锂离子从锂薄膜预掺杂至负极中。 
这里，负极可以包括负极集电体和设置在负极集电体的一个表面上的负极活性物质层。 
此外，在使锂薄膜与负极接触并且利用置于其间的隔膜交替设置负极和正极以形成电极单元中，可以使负极集电体与锂薄膜接触。 
而且，负极集电体可以具有有多个通孔的网孔型。 
此外，正极可以包括正极集电体和设置在正极集电体的两个表面上的正极活性物质层。 
此外，正极集电体可以具有没有孔的薄片形状。 
而且，锂薄膜可以具有1至10μm的厚度范围。 
此外，在隔膜的一个表面上形成锂薄膜中，锂薄膜可以通过真空气相沉积法形成。
根据用来实现所述目的的本发明的一个方面，提供了一种锂离子电容器，包括：利用置于其间的隔膜交替设置的正极和负极，其中所述正极包括没有孔的正极集电体和设置在正极集电体的两个表面上的正极活性物质层，而负极包括负极集电体和设置在负极集电体的一个表面上的负极活性物质层。 
这里，负极活性物质层可以掺杂有锂离子。 
此外，负极活性物质层可以包括天然石墨、合成石墨(人造石墨)、石墨碳纤维、非石墨碳、和碳纳米管中的至少一种。 
此外，负极活性物质层可以包括活性炭。 
附图说明
通过以下结合附图的实施方式的描述，本发明的总发明构思的这些和/或其他方面和优点会变得显而易见并且更易于理解，在附图中： 
图1至图6是用于说明根据本发明第一示例性实施方式的制造锂离子电容器的方法的透视图；以及 
图7是根据本发明的第二示例性实施方式的锂离子电容器的截面图。 
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细地描述本发明的用于锂离子电容器的实施方式。下面的实施方式作为实例提供以完全将本发明的精神转达给本领域的技术人员。 
因此，本发明不应解释为限于本文阐述的实施方式并且可以以不同形式来具体化。并且，为了说明的方便，装置的尺寸和厚度可能被过分描绘(夸大)。在下文中，相同的部件由相同的参考标号表示。 
图1至图6是用于说明根据本发明第一示例性实施方式的制造锂离子电容器的方法的透视图。 
参照图1，为了制造锂离子电容器100，首先，在隔膜113的一个表面上形成锂膜114。 
这里，隔膜113可以起到电性隔开下面将描述的负极112和正极111的作用。隔膜113可以具有离子能够通过其中移动的多孔结构。虽然隔膜113可以由诸如纸、无纺布、纤维素基树脂等材料形成，但是本发明的实施方式的隔膜113不限于此。 
锂薄膜114可以起到用于将锂离子供应给负极112的源的作用，其将在下面进行描述。这里，锂薄膜114可以通过真空沉积法形成。此时，锂薄膜114可以具有1至10μm的厚度。这里，当锂薄膜的厚度小于1μm时，由于待掺杂至负极112中的锂的量太小并且负极活性物质层112b与锂薄膜114之间的接触电阻可能会降低，因此预掺杂工艺可能不会顺利地进行。另一方面，当锂薄膜的厚度大于10μm时，在对负极112进行预掺杂工艺之后，锂可能会保留在隔膜113上。这里，锂薄膜114的厚度不限于此，而是可以根据负极112的材料或厚度进行变化。 
参照图2，除了在隔膜113上形成锂薄膜114之外，还分开地设置负极112。负极112可以包括负极集电体112a以及设置在负极集电体112a的一个表面上的负极活性物质层112b。 
负极集电体112a可以包括例如铜、镍和不锈钢的金属中的任何一种。负极集电体112a可以具有带有多个用于进行离子的有效迁移和均匀掺杂工艺的通孔的网孔形状。 
负极活性物质层112b可以由锂离子能够被可逆地掺杂(嵌入，dope)和去掺杂(脱嵌，undope)的碳材料形成，例如，选自天然碳、合成碳、中间相沥青基碳纤维(MCF)、中间碳微球(MCMB)、石墨晶须、石墨碳纤维、非石墨碳、多并苯基有机半导体、碳纳米管碳材料和石墨材料的复合碳材料、糠醇树脂的热解材料、酚醛树脂的热解材料、和缩合多环碳氢化物的热解材料诸如沥青、焦炭等中的任何一种或混合的两种或更多种。 
此外，负极活性物质层112b可以进一步包括粘结剂。这里，粘结剂可以由选自氟化物基树脂诸如聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVdF)等，热固性树脂诸如聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等，纤维素基树脂诸如羧甲基纤维素(CMC)等，橡胶基树脂诸如丁苯橡胶(SBR)等，乙烯丙烯二烯单体(EPDM)(聚合物)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等中的一种或两种或更多种形成。 
此外，负极活性物质层112b可以进一步包括导电材料，例如炭黑、溶剂等。 
负极112可以包括待连接至外部电源的负极端子130。负极端子130可以从负极集电体112a延伸。这里，由于多个负极端子130可以分别从负极集电体112a延伸以被层压，因此层压的负极端子130可以通过超声粘结(超声焊接)而集成在一起(一体化)从而容易与外部电源接触。此外，负极端子130可以包括通过粘结或焊接而连接至外部端子的分开的外部端子。 
参照图3，除了设置负极外，还单独设置正极111。 
这里，正极111可以包括正极集电体111a和设置在正极集电体111a的两个表面上的正极活性物质层111b。 
正极集电体111a可以由选自铝、不锈钢、铜、镍、钛、钽和铌中的任何一种形成。正极集电体111a可以具有没有孔的薄片形状。由于锂薄膜与负极直接接触以在随后的工艺过程中进行预掺杂工艺，因此不需要在正极集电体111a中形成锂离子通过其迁移的通孔。从而，由于正极集电体111a具有没有孔的薄片形状，因此可以降低锂离子电容器的内部电阻。 
正极活性物质层111b可以包括离子能够被可逆地掺杂(嵌入，dope)和去掺杂(脱嵌，undope)的碳材料，即，活性炭。此外，正极活性物质 层111b可以进一步包括粘结剂。这里，粘结剂可以由选自氟化物基树脂诸如聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVdF)等，热固性树脂诸如聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等，纤维素基树脂诸如羧甲基纤维素(CMC)等，橡胶基树脂诸如丁苯橡胶(SBR)等，乙烯丙烯二烯单体(EPDM)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等中的一种或两种或更多种形成。此外，正极活性物质层111b可以进一步包括导电材料，例如炭黑、溶剂等。 
这里，正极111可以包括待连接至外部电源的正极端子120。正极端子120可以通过粘结单独的端子而形成，或者可以从正极111的正极集电体111a延伸。 
参照图4，在设置具有锂薄膜114的隔膜113、正极111和负极112之后，利用设置在其间的隔膜113来顺序设置正极111和负极112以形成电极单元110。这里，为了将锂离子预掺杂至负极112，使隔膜113的锂薄膜114与负极112的负极集电体112a接触。由于负极活性物质层112b由碳材料形成，因此当负极活性物质层112b与锂薄膜114直接接触时，由于电阻的产生，很难将锂离子掺杂至负极活性物质层112b。同时，由导电材料形成的负极集电体112a与锂薄膜114接触以使锂离子掺杂至负极活性物质层112b从而降低在掺杂期间的电阻，从而使锂离子均匀地掺杂至负极活性物质层112b中。 
虽然在该实施方式中作为袋型已经示出并描述了电极单元110，但是电极单元110不限于此，而是可以为其中正极111、负极112和隔膜113以辊形状卷绕的卷绕型。 
参照图5，多个层压的负极端子130和多个层压的正极端子120被粘结从而被集成在一起。这里，粘结过程可以是超声焊接、激光焊接、或点焊接，并且本发明的实施方式并不限于此。另外，粘结的负极端子130和正极端子120可以被单独连接至外部端子。 
在形成电极单元110之后，通过壳体150来密封电极单元110和电解质以形成锂离子电容器100。 
对电极单元110的密封过程进行具体描述，首先，设置两片层压膜，以夹住电极单元110。接着，将两个层压膜进行热粘结使得电极单元110可以封入到壳体150中。同时，粘结的正极端子120和负极端子130从壳体150暴露，以电连接至外部电源。 
这里，热粘结工艺沿着两个层压膜的边缘进行，同时保留通过其电解质插入到置于两个层压膜之间的电极单元110中的间隙。当电解质通过该间隙填充在壳体150中时，电解质可以渗透到电极单元110，即，隔膜113、负极活性物质层112b和正极活性物质层111b中。 
此外，由于电绝缘的锂薄膜114与负极活性物质层112b之间的电位差，因此锂离子可以从锂薄膜114穿过负极集电体112a的通孔从而预掺杂至负极活性物质层112b中。 
这里，电解质可以包括电解材料和溶剂。电解材料可以具有盐相，例如，锂盐、铵盐等。溶剂可以使用非质子有机溶剂。溶剂可以考虑到溶解性、与电极的反应性、粘度、和可用的温度范围进行选择。溶剂可以是例如碳酸亚丙酯、碳酸二乙酯、碳酸亚乙酯、环丁砜、丙酮腈(acetone nitrile)、二甲氧基乙烷、四氢呋喃、碳酸甲基乙基酯等。这里，溶剂可以通过混合一种或两种或更多种而使用。例如，溶剂可以通过混合碳酸亚乙酯和碳酸甲基乙基酯而使用。同时，碳酸亚乙酯和碳酸甲基乙基酯的混合比可以为1∶1至1∶2。 
在填充电解质之后，可以真空密封间隙以形成锂离子电容器100。 
这里，虽然壳体150已经被描述为使用层压膜形成，但是壳体并不限于此而是可以使用金属壳。 
如在本发明的此实施方式中所描述的，锂薄膜可以与利用置于其间的隔膜层压的负极112直接接触以预掺杂锂离子，从而降低预掺杂时间。因此，可以改善锂离子电容器的生产率。 
另外，由于负极112的预掺杂工艺可以在壳体150中进行，因此不需要提供用于进行负极112的预掺杂工艺的手套箱。因此，由于可以降低生产设备的投资，因此还可以降低锂离子电容器的制造成本。 
此外，由于锂薄膜114与负极112直接接触以预掺杂锂离子，因此不需要使锂离子迁移至正极集电体111a。从而，由于正极集电体111a可以具有没有孔的薄片形状，因此可以降低锂离子电容器的电阻。 
根据本发明的示例性实施方式的锂离子电容器显示出良好的性能并且在3.8V至2.0V的高电压范围和60℃循环下具有较高的容量。因此，由于锂离子通过两个阶段的预掺杂工艺而被预掺杂至负极中，因此可以改善能量密度，并且可以确保可靠性。 
在下文中，将详细地描述通过根据本发明示例性实施方式的制造锂离子电容器的方法制造的锂离子电容器。 
图7是根据本发明的第二示例性实施方式的锂离子电容器的截面图。 
参照图7，根据本发明的第二示例性实施方式的锂离子电容器可以包括电极单元110和用于密封浸没在电解质中的电极单元110的壳体150(参见图6)。 
这里，电极单元110可以包括利用设置在其间的隔膜113交替层压的正极111和负极112。 
正极111可以包括正极集电体111a和设置在正极集电体111a的两个表面上的正极活性物质层111b。这里，由于负极112的预掺杂工艺可以在 其中锂薄膜114与负极112直接接触的状态下进行，因此不需要使锂穿过正极集电体111a，从而正极集电体111a可以具有没有孔的薄片形状。因此，可以降低锂离子电容器100的内部电阻。 
正极活性物质层111b可以包括锂离子能够被可逆地掺杂和去掺杂的碳材料，例如，活性炭。 
正极111可以包括设置在正极集电体111a的一侧上的正极端子120。 
负极112可以包括负极集电体112a和设置在负极集电体112a的一个表面上的负极活性物质层112b。这是因为，为了降低在负极的预掺杂工艺过程中负极活性物质层112b与锂薄膜之间的电阻，负极集电体112a与锂薄膜接触。 
这里，负极集电体112a可以由铜和镍中的至少一种形成的箔而形成。负极集电体112a可以具有带有锂离子能够通过其迁移至负极活性物质层112b的多个通孔的网孔形状。 
负极活性物质层可以包括锂离子能够被可逆地掺杂和去掺杂的任何一种碳材料，例如，天然石墨、合成石墨、石墨碳纤维、非石墨碳、和碳纳米管。同时，由于锂离子被预掺杂至负极活性物质层112b，并且负极活性物质层112b的电位相对于锂可以接近0V，因此可以增加锂离子电容器的能量密度从而改善充电/放电循环的可靠性。同时，负极活性物质层112b的电位可以根据应用产品通过控制锂离子的预掺杂工艺而不同地改变。 
负极112可以包括设置在负极集电体112a的一侧上的负极端子130。 
因此，如在本发明的实施方式中所描述的，负极包括设置在负极集电体的仅一个表面上的负极活性物质层。因此，由于在保持常规技术的厚度 的同时可以增加层压在锂离子电容器上的电极的数目，因此可以降低锂离子电容器的内部电阻。 
如从前述可以看到的，根据本发明的示例性实施方式的锂离子电容器可以利用形成在隔膜上的锂薄膜而将锂离子直接预掺杂至负极，降低了预掺杂工艺时间并且将锂离子均匀地掺杂至负极中。 
此外，锂离子可以均匀且快速地掺杂至负极中，从而使得能够制造高容量的锂离子电容器，并且可以确保其可靠性和生产率。 
而且，由于电极的预掺杂工艺可以在其中容纳有电极单元的壳体中进行并且不需要提供用于进行电极的预掺杂工艺的单独的手套箱，因此可以降低锂离子电容器的制造成本。 
此外，正极可以包括具有无孔结构的集电体以降低锂离子电容器的内部电阻。 
如上所述，虽然已经示出并描述了本发明的优选实施方式，但是本领域技术人员可以理解，在不背离总发明构思的原则和精神的情况下，可以对这些实施方式进行替换、更改和变化，总发明构思的范围在所附的权利要求以及它们的等价物中进行限定。 

Claims (12)

1.一种制造锂离子电容器的方法，包括：
在隔膜的一个表面上形成锂薄膜；
使所述锂薄膜与负极接触，并且利用置于其间的所述隔膜交替设置所述负极和正极以形成电极单元；以及
将所述电极单元和电解质封入到壳体中，并且将锂离子从所述锂薄膜预掺杂至所述负极中。
2.根据权利要求1所述的制造锂离子电容器的方法，其中，所述负极包括负极集电体和设置在所述负极集电体的一个表面上的负极活性物质层。
3.根据权利要求2所述的制造锂离子电容器的方法，其中，在使所述锂薄膜与所述负极接触并且利用置于其间的所述隔膜交替设置所述负极和所述正极以形成所述电极单元中，使所述负极集电体与所述锂薄膜接触。
4.根据权利要求2所述的制造锂离子电容器的方法，其中，所述负极集电体具有有多个通孔的网孔型。
5.根据权利要求1所述的制造锂离子电容器的方法，其中，所述正极包括正极集电体和设置在所述正极集电体的两个表面上的正极活性物质层。
6.根据权利要求5所述的制造锂离子电容器的方法，其中，所述正极集电体具有没有孔的薄片形状。
7.根据权利要求1所述的制造锂离子电容器的方法，其中，所述锂薄膜具有1至10μm的厚度范围。
8.根据权利要求1所述的制造锂离子电容器的方法，其中，在所述隔膜的一个表面上形成所述锂薄膜中，通过真空气相沉积法来形成所述锂薄膜。
9.一种锂离子电容器，包括利用置于其间的隔膜交替设置的正极和负极，
其中，所述正极包括没有孔的正极集电体和设置在所述正极集电体的两个表面上的正极活性物质层，并且
所述负极包括负极集电体和设置在所述负极集电体的一个表面上的负极活性物质层。
10.根据权利要求9所述的锂离子电容器，其中，所述负极活性物质层掺杂有锂离子。
11.根据权利要求9所述的锂离子电容器，其中，所述负极活性物质层包括天然石墨、合成石墨、石墨碳纤维、非石墨碳、和碳纳米管中的至少一种。
12.根据权利要求9所述的锂离子电容器，其中，所述负极活性物质层包括活性炭。
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