CN107431188A - 集成能量和功率装置 - Google Patents

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Abstract

一种锂离子能量和功率系统，其包括：壳体，所述壳体含有：至少三个电极，所述电极包括：至少一个第一电极，所述至少一个第一电极包括阴极法拉第能量储存材料；至少一个第二电极，所述至少一个第二电极包括阳极法拉第能量储存材料；和至少一个第三电极，所述至少一个第三电极包括阴极非法拉第能量储存材料，其中所述至少一个第一、第二和第三电极如本文所限定的相邻，并且所述至少一个第二电极与电耦合的至少一个第一电极和所述至少一个第三电极电学隔离；在各电极之间的隔膜；和在各电极之间的液体电解质。还公开了制造和使用所公开的锂离子能量和功率系统的方法。

Description

集成能量和功率装置
本申请依据35U.S.C.§120要求于2015年1月30日提交的序列号为14/610,706的美国申请的优先权的权益，本文以该申请的内容为基础并且其全文通过引用的方式纳入本文。
本文中提及的每种公开物或专利文件的完整公开内容通过引用纳入本文。
背景技术
本公开涉及提供能量和功率益处的装置。
发明内容
在实施方式中，本公开提供了提供优异能量和功率输出的集成装置，以及制造和使用该集成能量和功率装置(IEPD)的方法。
附图简要说明
在本公开的实施方式中：
图1为示出了在调整期间实施例1、2和3的三种本发明的IEPD装置的能量密度的曲线图。
图2为示出了实施例1、2和3的每种IEPD装置的速率性能的曲线图。
图3为示出了实施例1、2和3的每种IEPD装置的循环性能的曲线图。
图4为法拉第阳极电极组合物(500)的截面示意图，其包括硬碳(510)和石墨(520)，二者分别涂布在铜箔(530)的相对侧上。
图5为另一个法拉第阳极电极组合物(600)的截面示意图，其包括涂布在铜箔(530)两侧上的硬碳(510)。
图6为另一个法拉第阳极电极组合物(700)的截面示意图，其包括涂布在铜箔(530)两侧上的石墨(520)。
图7为具有法拉第阴极组合物——例如锂过渡金属络合物(810)——的法拉第阴极电极(900)的截面示意图，所述法拉第阴极组合物涂布在铝箔(830)的两侧上。
图8为具有非法拉第材料组合物——例如活性碳(820)——的非法拉第阴极电极(1000)的截面示意图，所述非法拉第材料组合物涂布在铝箔(830)的两侧上。
图9示出了实施例1的示例性IEPD构造(1300)。
图10示出了实施例2的示例性IEPD构造(1400)。
图11示出了实施例3的示例性IEPD构造(1500)。
图12A和12B分别示出了示例性IEPD的示意图。
具体实施方式
下面参考附图(如果有的话)对本公开的各个实施方式进行详细描述。参考各个实施方式不限制本发明的范围，本发明的范围仅受所附权利要求书的范围限制。此外，在本说明书中列出的任何实施例都不是限制性的，并且仅列出了要求保护的本发明的诸多可能的实施方式中的一些实施方式。
定义
“集成”或类似术语，在所公开的集成能量和功率装置(IEPD)或同义公开的能量和功率装置(EPD)的上下文中是指将能量产生或储存部件和功率产生或储存部件结合成或物理集成成单个装置。
“法拉第”或类似术语是指通过存在于系统中的化学物质的氧化或还原来生成电流的系统。
“非法拉第”或类似术语是指通过吸附或解吸的静电电荷产生电流而不是通过化学物质的还原或氧化产生电流的系统。
“阴极法拉第能量储存材料”或类似术语是指在充电过程中位于阴极上或可以位于阴极上的带正电荷的材料。
“阳极法拉第能量储存材料”或类似术语是指在充电过程中位于阳极上或可以位于阳极上的带负电荷的材料。
“阴极非法拉第能量储存材料”或类似术语是指通过电荷的静电吸附或解吸产生电流的材料。
“活性碳”、“活性的碳”或类似术语是指通过首先在惰性环境中形成炭；随后通过使碳与氧化剂(例如蒸气或CO2)反应，或者作为替换，用碱性化合物(例如KOH、NaOH等碱性化合物)或酸(例如磷酸)处理炭的源自合成或天然有机来源的碳。碱或酸处理使碳氧化并且形成了具有大的表面积的细孔隙度。经处理的碳提供了具有双层储存机制的能量储存材料。
“相邻的”或类似术语是指，例如：靠近或接近；共享边界、壁、或点；面对面；间隔0.01至100mm的距离，包括或排除间插的隔膜元件和电解质组分，或其组合。
“单一电解质”或类似术语是指，例如：在一个或多个电极之间共用的离子传导组合物。
“阳极”、“阳极电极”、“负电极”或类似术语是指正电荷通过其流入极化电气装置的电极，并且电子从电极流出到外部电路。
“阴极”、“阴极电极”、“正电极”或类似术语是指正电荷从其流出极化电气装置的电极。
“康宁碳(Corning carbon)”是指如下由小麦粉前体制备的活性碳。在650℃至700℃下碳化小麦粉。将被碳化的碳研磨至约5微米的粒度。然后将经研磨的被碳化的碳在750℃下用KOH(碱)以KOH:碳的重量比为2.2:1活化2小时。将该碳用水进一步洗涤以除去任何剩余的KOH。然后用HCl处理所形成的活性碳以中和任何痕量的KOH，接着用水洗涤以将该碳中和至pH 7。然后在氮气和氢气形成气体下，在900℃下热处理该活性碳2小时。
“包括”、“包含”或类似术语意为包括但不限于，即内含而非排它。
用来描述本公开的实施方式的修饰例如组合物中成分的量、浓度、体积、工艺温度、工艺时间、产量、流速、压力、粘度等数值及其范围，或者部件尺寸等数值及其范围的“大约”是指数量的变化，可发生在例如：用于制备材料、组合物、复合物、浓缩物、部件零件、制品或应用制剂的典型测定和处理步骤中；这些步骤中的无意误差；用来实施所述方法的原料或成分的制造、来源、或纯度方面的差异中；以及类似的考虑因素中。术语“约”还包括由于组合物或制剂的老化而与特定的初始浓度或混合物不同的量，以及由于混合或加工组合物或制剂而与特定的初始浓度或混合物不同的量。
“任选的”或“任选地”意为随后描述的事件或情形可发生，或可不发生，而且该描述包括事件或情形发生的情况和所述事件或情形不发生的情况。
除非另有说明，否则，本文所用的不定冠词“一个”或“一种”及其相应的定冠词“该/所述”表示至少一(个/种)，或者一(个/种)或多(个/种)。
可采用本领域普通技术人员熟知的缩写(例如，表示小时的“h”或“hrs”；表示克的“g”或“gm”；表示毫升的“mL”；表示室温的“rt”；表示纳米的“nm”以及类似缩写)。
在组分、成分、添加剂、尺度、条件、时间和类似方面公开的具体和优选的数值及其范围仅用于说明；它们不排除其它限定数值或限定范围内的其它数值。本公开的组合物和方法可包括本文所描述的任何数值或数值、具体数值、更具体的数值和优选数值的任何组合，包括显义或隐义的中间值和中间范围。
在实施方式中，本公开提供了一种锂离子能量和功率系统，其包括：
壳体，所述壳体含有：
至少三个电极，所述电极包括：
至少一个第一电极，所述至少一个第一电极包括阴极法拉第能量储存材料；
至少一个第二电极，所述至少一个第二电极包括阳极法拉第能量储存材料；和
至少一个第三电极，所述至少一个第三电极包括阴极非法拉第能量储存材料，其中所述至少一个第一电极与所述至少一个第二电极相邻，并且所述至少一个第三电极与所述至少一个第二电极相邻，并且所述至少一个第二电极，即法拉第阳极或阳极法拉第能量储存材料，其与电耦合的至少一个第一电极，即法拉第阴极或阴极法拉第能量储存材料和所述至少一个第三电极，即非法拉第阴极或阴极非法拉第能量储存材料电学隔离；
位于相邻电极之间的隔膜；和
在相邻电极之间的液体电解质。
在实施方式中，本公开提供了一种集成能量和功率制品、装置或系统，其包括：
壳体，所述壳体含有：
至少三个电极，所述电极包括：
至少一个第一电极，所述至少一个第一电极包括阴极法拉第能量储存材料；
至少一个第二电极，所述至少一个第二电极包括阳极法拉第能量储存材料；和
至少一个第三电极，所述至少一个第三电极包括阴极非法拉第能量储存材料，其中所述至少一个第一电极与所述至少一个第二电极相邻，并且所述至少一个第三电极与所述至少一个第二电极相邻；
在相邻电极之间的隔膜；和
在各电极之间的液体电解质。
在实施方式中，在所述第一电极中的阴极法拉第能量储存材料包括锂过渡金属络合物，在所述第二电极中的阳极法拉第能量储存材料包括具有1至500m2/g的低表面积的碳，并且在所述第三电极中的阴极非法拉第能量储存材料包括具有800至3000m2/g的高表面积的碳。
在实施方式中：
所述阴极法拉第能量储存材料可为，例如选自以下的含有锂的化合物：LiCoO2(锂钴氧化物)、LiMn1.5Ni0.5O4(锂锰镍氧化物)、LiMn2O4(锂锰氧化物)、LiFePO4(锂铁磷酸盐)、LiNiMnCoO2(锂镍锰钴氧化物)、LiNiCoAlO2(锂镍钴铝氧化物)，或其混合物；
所述阳极法拉第能量储存材料可例如选自：硅纳米颗粒；多孔硅；锡纳米颗粒；石墨烯；钒氧化物来源的化合物；碳纳米管；钛氧化物来源的化合物；锗；锑；石墨或硬碳；或其混合物；并且
所述阴极非法拉第能量储存材料可例如选自：表面积为800至3000m2/gm的活性碳，其中活性碳在所述非法拉第阴极中占总活性材料的45至100重量％；活性碳与石墨的混合物或组合体；活性碳与硬碳的混合物或组合体；或它们的混合物。一个实例为包括50重量％活性碳和50重量％硬碳的碳混合物。该混合物被物理混合在一起，并且该混合物被涂布到集流器的相同侧上。
在实施方式中，所述法拉第阴极能量储存材料、所述非法拉第阴极能量储存材料以及所述法拉第阳极能量储存材料包括具有相对空间关系的部件，所述相对空间关系由式(I)、(II)或(III)中的至少一个表示：
C/S\A\S/C/S\A\S/C/S\A\S/C/S\A\S/CSC’/S\A\S/C’ (I)；
C/S\A\S/C/S\A\S/CSC’/S\A\S/C’ (II)；
C/S\A\S/C/S\A\S/C/S\A\S/C/S\A\S/C/S\A\S/C/S\A\S/CSC’/S\A\S/C’(III)，
其中，“C”为法拉第阴极，“C’”为非法拉第阴极，“/”为单侧涂层，“/C/”为在两侧上涂布了的阴极，以及“\A\”为在两侧上涂布了的法拉第阳极。
在实施方式中，所述至少三个电极可包括，例如，多个法拉第阴极能量储存材料电极，例如2至1,000个电极；以及多个非法拉第阴极能量储存材料电极，例如2至200个电极，其中法拉第阴极电极的数目与非法拉第阴极电极的数目之比为0.01至50。
在实施方式中，所述装置还可包括，例如，用于每个电极的外部连接器，或者用于两个或多个相同电极的每个组的外部连接器。
在实施方式中，所述装置还可包括，例如，连接至每个电极的每个外部连接器的外部开关。
在实施方式中，所述法拉第阳极能量储存材料可例如，涂布在铜箔集流器的两侧上，并且所述法拉第阴极能量储存材料和所述非法拉第阴极能量储存材料可各自分别涂布在例如铝箔集流器的相对侧上。
在实施方式中，所述电解质组合物可包括，例如，如下至少一种：在非水性溶剂中的LiPF6；鎓盐和非水性溶剂；或其组合。
在实施方式中，所述电解质组合物可包括，例如，季铵阳离子和四氟硼酸根阴离子、卤化物离子、或各离子的组合；并且非水性溶剂可选自如下至少一种：腈、酯、砜、醚或其组合。
在实施方式中，所述电解质可为单一电解质或两种或多种电解质的混合物。
在实施方式中，可将所述电解质分配(例如移液)到含有电极堆叠件的软包中，以使得电解质在相邻的电极之间，并且另外地或任选地，使得电解质包围整个电极堆叠件。
在实施方式中，所述至少三个电极可包括，例如：
所述至少一个第一电极，其包括含锂化合物；
所述至少一个第二电极，其包括硬碳、石墨或二者的混合物中的至少一种；和
所述至少一个第三电极，其包括活性碳，所述活性碳具有0.2至1.5cm3/gm的高孔隙度和800至3000m2/g的高表面积，其中所述至少一个第一电极与所述至少一个第二电极相邻，并且所述至少一个第二电极与所述第三电极相邻。
在实施方式中，所述装置的能量密度在20至500Wh/l(例如图3中的350Wh/l)，这与锂离子电池的能量密度相当，并且所述装置的功率为200至20,000W/l(例如图2中的3000W/l)，这显著大于EDLC电容器。现有技术的锂离子电池的能量密度为例如175至350Wh/l。现有技术的EDLC装置具有与所公开的实验装置相当的尺寸，其功率水平为1000至2500W/l(例如，100F装置)。足尺寸或较大尺寸的EDLC装置(例如3000F装置)的功率水平可为7,000至9,000W/l。与EDLC装置相似，认为所公开的实验装置具有成比例且可放大的功率水平。
在实施方式中，本公开提供了一种在锂离子能量和功率系统中的集成能量和功率部件，其包括：
壳体，所述壳体含有：
至少三个电极，所述电极包括：
至少一个第一电极，即第一阴极，其包括锂过渡金属化合物；
至少一个第二电极，即第一阳极，其包括非活性碳；和
至少一个第三电极(即第二阴极)，其包括活性碳，其中所述至少一个第一电极与所述至少一个第二电极相邻，并且所述至少一个第三电极与所述至少一个第二电极相邻，并且所述非活性碳与电耦合的所述至少一个第一电极的锂过渡金属化合物和所述至少一个第三电极阴极的活性碳电学隔离；
位于相邻电极之间的隔膜；和
在相邻电极之间的单一电解质组合物。
在实施方式中，在所述至少一个第一电极中的锂过渡金属化合物可包括，例如，锂过渡金属盐络合物，在所述至少一个第二电极中的所述非活性碳可包括，例如，具有1至500m2/g的低表面积的碳，并且在所述至少一个第三电极中的活性碳可包括，例如，具有800至3,000m2/g的高表面积的碳。
在实施方式中，所述单一电解质包括选自季铵四氟硼酸盐化合物或LiPF6化合物的盐，以及选自如下至少一种的非水性溶剂：腈、烷基酯、砜、醚、碳酸二烷基酯、碳酸二亚烃酯(dialkylene carbonate)、氟化碳酸二亚烃酯或其混合物。
在实施方式中，所述集成能量和功率装置可包括，例如：设置在功率电极组合体与能量电极组合体中的至少三个电极，其中功率电极组合体在2.2至3.8V下运行，并且所述能量电极组合体在3.0至4.2V下运行。
在实施方式中：所述功率电极组合体包括至少一个含有活性碳的电极，该电极与至少一个含有第一石墨或第一硬碳的电极配对；并且所述能量电极组合体包括至少一个含有活性碳、第一石墨或第一硬碳的电极，其配对至少一个具有锂化合物的电极。
在实施方式中，所述功率电极组合体可包括，例如：含有第一石墨或第一硬碳的电极，其表面积为10至300m2/gm，包括中间值和范围；以及含有活性碳的电极，其表面积为500至2,000m2/gm，包括中间值和范围；并且所述能量电极组合体可包括，例如：含有活性碳的电极，其表面积为500至2,000m2/gm，以及含有第一石墨或第一硬碳的电极，其表面积为10至300m2/gm，并且含有锂化合物的电极包括LiCoO2化合物或类似化合物。
在实施方式中，本公开提供了一种集成能量和功率装置，其包括：
壳体，所述壳体含有：至少三个电极，其中每个电极具有不相类似的能量储存、不相类似的能量释放特性或不相类似的结构；位于相邻电极间的隔膜；和在相邻电极间的电解质组合物。
在实施方式中，所述装置可具有三个电极，所述三个电极例如使两个电极具有法拉第能量储存特性，以及使一个电极具有双层或非法拉第能量储存特性。
在实施方式中，本公开在例如工作实例中提供了制造本文限定和示出的所公开的集成能量和功率装置的方法。
在实施方式中，本公开在例如工作实例中提供了使用本文限定和示出的所公开的集成能量和功率装置的方法。
在实施方式中，本公开提供了使用所公开的IEPD装置或系统的方法，所述方法包括：
作为电池对所述系统进行充电、放电或充电和放电；
作为电容器对所述系统进行充电、放电或充电和放电；
或者其组合，例如，同时或序贯。
在实施方式中，所公开的IEPD或EPD装置、制品或系统，以及使用的方法还可包括，例如，与需要储存、提供或储存及提供能量、功率或能量及功率的另一个系统结合使用所公开的系统，所述另一个系统例如以下至少一个：运输工具、消费者电子器件、电器、风力涡轮机、波冲动式涡轮机(wave-action turbine)、电或功率网系统的部件或其组合。运输工具可为，例如，运输例如人、货物或有目的的有效负载(例如在无人机或无人机系统(UAS)中的相机或军事法令)的移动机器。运输工具的其它实例为运货车(wagon)、自行车、机动车(例如摩托车、汽车、货车(truck)、公共汽车、火车)、船只(例如轮船、小船)、航天器、航空器或其组合。
本公开在多个方面具有优点，包括，例如，提供的集成能量和功率装置或系统，其：
可对特定应用进行定制；
消除了要两个分离的装置的需要；
大幅降低了总的装置尺寸、重量和制造成本；
大幅降低了总的装置空间和连接器要求；
促进集成为各种系统和应用；以及
具有允许普遍集成和使用所述装置的形状因子。
本公开提供了被称为集成能量和功率装置(IEPD)的能量储存装置或系统，其允许在单一包装中对给定应用进行高能量和高功率输出，这与关于功率和能量的现有技术的分离的装置完全不同。许多应用，例如军用和商用，要求增加的能量和功率密度。电池-电容器组合体是已知的。然而，电池和电容器是两个分离的电路部件或单元，而不是单一的装置包装(参见S.Y.Kan等人,Battery-Capacitor combinations in photovoltaic poweredproducts(光伏发电产品中的电池-电容器组合体)；Journal of Power Sources(《电源杂志》),162(2006)971-974)。持续不断的兴趣在于开发一种结合了锂离子电池的能量容量和超级电容器的功率容量的能量储存装置。已被报道(参见Journal of Power Sources(《电源杂志》),162(2006)971-974)的一种潜在的系统为混合系统，其特征为电池和超级电容器(EDLC)以及特别设计用于控制分离的部件之间的能量流动的电子器件。这一方案的主要优点在于优化了每个部件的能量或功率的能力。电池-电容器组合体主要用于高电流脉冲应用中。在这些组合体中，高功率密度或通过电容器传递大的放电速率的能力的优点与电池的高能量密度相结合。该现有技术组合体要求两个分离的装置在不同的电位下运行，从而导致了例如高成本和系统集成困难的问题。
US 5439756(‘756)提到了具有三个不同电极的装置，其中，中央电极为镍电极，其作用类似于法拉第阴极，并且其与镉电极相邻，该镉电极的作用为法拉第阳极。镍和镉形成了用于能量储存的镍-镉电极组合体。相同的镍电极与另一个活性碳电极共享以用于功率储存。镍电极被用作法拉第阴极而活性碳被用作非法拉第阳极，并且二者耦合在一起用于功率储存。‘756专利还提到了一个法拉第阴极与法拉第阳极和非法拉第阳极一起使用，从而形成了含有一个阴极和两个阳极的装置。这一构造与本公开的IEPD显著不同。本公开的IEPD包括至少一个法拉第阳极、至少一个法拉第阴极和至少一个非法拉第阴极，从而形成了含有至少两个阴极和至少一个阳极的装置。
在‘756中，所有电极在0.8至1.7V的相同的电压窗口间运行。所有电极的相似的电压窗口允许在两个阳极间共享阴极。相反，本公开的IEPD对于分别的能量储存部件或功能及功率储存部件或功能来说在两个显著不同的电压下运行。能量储存部件或功能可在例如约3.0至4.2V下运行，包括中间值和范围，而功率储存部件或功能在约2.2至3.8V下运行，包括中间值和范围。因此，法拉第阴极和非法拉第阴极不能共享相同的法拉第阳极(即必需与法拉第阴极和非法拉第阴极电学隔离)。
在锂离子电池(LIB)中，阳极可包括嵌锂碳，例如石墨、中间相炭微球(MCMB)、硬碳或软碳，或者碳的其它形式，例如石墨烯、碳纳米管；其它材料，例如硅纳米颗粒、锡纳米颗粒及硅插层领域已知的其它材料，例如提及的任何材料的金属互化物或混合物，如石墨烯、硅纳米颗粒、基于钒氧化物的化合物、碳纳米管、基于钛氧化物的化合物、锗、锑及类似材料的复合物。阴极可包括由锂与过渡金属络合制成的材料。用于锂离子电池工业的一些示例性的阴极材料实例为，例如，LiCoO2、LiMn1.5Ni0.5O4、LiMn2O4、LiFePO4及类似材料。所述材料可以对所公开的IEPD或EPD有用。
在锂离子电池中，在充电过程期间，锂离子从阴极的主体中脱嵌并且经由离子传导机制通过电解质转移到阳极，并嵌入到阳极(即负电极)的主体中。在充电过程期间，电子从阴极流向阳极。在放电过程期间，反转整个充电过程。电子从阳极转移到阴极。锂离子从阳极的主体中脱嵌并且经由离子传导机制通过电解质转移到阴极。然后，转移的锂离子嵌入阴极电极的主体中。在锂离子电池中，由于在阳极和阴极上的法拉第反应，能量得到了储存。电解质的电荷状态总是中性并且恒定的，这意味着电解质的浓度没有显著变化。在锂离子电池中负责能量储存的锂离子取决于在阴极中可获得的锂离子的数目。在锂离子电池中，因为涉及的法拉第反应，由于高的内电阻，大量放电电流产生了热，这可导致电池不稳定及失效。因此，在锂离子电池中不可能传递大的电流浪涌。因此，虽然电池具有高的能量密度，但是电池传递的功率却是低的。在许多应用中，需要高功率，即大的电流浪涌，例如用于发动汽车。在许多情况下，或者不得不将电池制造得不相称地大，这是因为仅可提取能量的一小部分，或者不得不与电池一起使用双层电容器。在许多应用中，使用联动电池(ganged battery)与电容器部件的物理组合体。
相反，电容器适于传递大的电流脉冲。超级电容器，例如电化学双层电容器(EDLC)或锂离子电容器(LIC)可用于提供大的电流脉冲。EDLC由正电极和负电极构成，且所述正电极和负电极由例如层压在金属箔(例如铝)上的高表面积碳制成，其中箔用作集流器，并且各电极在性质上是非法拉第的。常规地，碳电极由活性碳、导电碳(如碳黑)和聚合粘合剂(例如PVDF或PTFE)构成，其中粘合剂将碳电极的各部件粘附到集流器。两个电极通过例如多孔纤维素隔膜隔开。多孔纤维素隔膜是电绝缘的但是离子导电的，这允许来自电解质的离子迁移到电极并且回到电解质溶液中。用于EDLC的常规电解质为，例如，作为阳离子的季铵(R4N+)离子和作为阴离子的四氟硼酸根(BF4 -)离子。
锂离子电容器(LIC)起EDLC与锂离子电池间的混合体的作用。EDLC基于双层机制在两个电极上均储存能量。相反，混合锂离子电容器在阴极上通过双层机制储存能量(类似于EDLC)，但是在阳极上的能量储存通过法拉第机制进行(如在锂离子电池中那样)。
LIC在阴极(正电极)上可使用高表面积的活性碳，所述表面积通常大于500m2/g，以及在阳极上可使用嵌入硬碳(硬碳通常通过在惰性气氛中炭化碳源自合成或天然来源)。该碳是未经氧化的。一般而言，活性碳具有低的表面积，例如小于300m2/gm。然而，硬碳也可通过文献中已知的模板过程形成，其中碳源沉积在模板(例如二氧化硅模板材料)上，并且在惰性气氛中炭化。模板过程可提供具有高表面积(例如300至500m2/gm)、中孔隙度(即2至500纳米的孔径范围)和微孔隙度(即0.1至2纳米的孔径范围)的硬碳。这一孔隙度不在位于阳极上的具有低孔隙度和较低表面积(通常小于300m2/g)的活性碳的氧化过程中形成，这一安排(disposition)支持锂离子的快速嵌入和脱嵌。在充电和放电期间，锂嵌入和脱嵌发生在阳极(即负极)的主体内，而阴离子吸附和脱附发生在阴极上。在阴极(即正电极)上的吸附和脱附是一个非法拉第反应，其比阳极上的锂离子嵌入和脱嵌相对更快。
已经发现EDLC或LIC可提供大的电流脉冲以及或者可用于功率传递应用。在LIC中，可用锂金属对负电极(嵌入和脱嵌)进行预掺杂。锂离子电容器的预掺杂可使得电压增加到约3.8伏。由于EDLC和LIC分别的完全非法拉第性质或半非法拉第性质，因此，EDLC或LIC可比锂离子电池充电及放电更快并且能够给出大的电流脉冲。
在电容器中传递大的电流脉冲的这一特征可用于产品应用，例如发动电动机。通过使电容器与电池配对，防止了电池进行深度放电循环并且可从电容器中牵引电流。这样的电池-电容器组合体使得可靠性更好以及电池寿命更长。然而，这一优点的代价是重量增加、体积增加、储存系统的包装增加以及与制造两个不同装置相关的成本增加。
在单一包装中含有的，具有电池-电容器样性质组合体的可靠性高的双层电容器可商购自伊万斯电容器公司(Evans Capacitor Co.)(参见evanscap.com/the_capattery.htm)。
为了规避上文提到的问题，本公开提供了一种集成能量功率装置(IEPD)，其以单一装置包装为特征，所述单一装置包括含有至少三个电极，其中每个不同的电极具有不同的材料组成。所公开的构造与标准电化学装置不同，所述标准电化学装置仅具有两个实质上不同的电极。在所公开的构造中，所述至少三个不同的电极均为工作电极。在实施方式中，所述电极中的至少一个电极通过双层机制(即非法拉第机制)储存能量，而其它电极中的至少两个通过法拉第机制储存能量。在包装中的所有三个类型的电极可共用相同的电解质。对于给定的应用来说，可调节不同的电极储存机制类型的比例及其数目以在相同装置中给出所需的能量和所需的功率。实施例1、2和3描述了电极的不同储存机制类型的不同比例的实例。
从应用的角度来看，所公开的IEPD可非常有吸引力，因为相比于两个分离的装置，解决能量和功率需求的单一装置的成本显著更低，所述分离的装置需在相同的工具中制造和调整。从性能角度看，IEPD装置是非常有吸引力的，这是因为由于包装所必需的非活性材料的基本体积，与功率和能量损失相关的所有的低效基本上减少了一半。
在实施方式中，本公开提供了集成了电池和电容器的功率和能量容量的可再充电装置，并且其被称为集成能量和功率装置(IEPD)。
在实施方式中，所公开的装置可包括至少三个不同类型的工作电极。
在实施方式中，虽然不限于理论，所述至少三个不同类型的电极各自可具有不同的能量储存机制。
在实施方式中，虽然不限于理论，所述至少三个电极中的两个可具有法拉第机制，并且第三个电极可具有双层机制。
在实施方式中，所有的电极可共用相同的电解质。
在实施方式中，一个电极可含有活性碳，所述活性碳具有高孔隙度，例如0.2至1.5cm3/gm，包括中间值和范围；以及高表面积，例如大于800m2/gm最高达3000m2/g，包括中间值和范围，其中活性碳在电极中的总活性材料中占例如51至100重量％。在一些情况下，活性碳与石墨或其它硬碳组合可以是有用的。其它两个电极可具有法拉第能量储存机制，但是它们的材料组合物是有目的地不同的。例如，两个法拉第电极中的一个可为锂无机组合物，另一个法拉第电极可为石墨或硬碳组合物电极。在这一实例中，含有锂无机组合物或化合物的电极为法拉第阴极，而活性碳电极为非法拉第阴极。硬碳或石墨电极可为法拉第阳极。
在实施方式中，可用于法拉第阴极的各种锂化合物是已知的。可选择用于法拉第阴极的锂化合物可含有，例如，锂金属过渡金属络合物，如锂钴氧化物、锂锰氧化物、锂锰镍氧化物、锂铁磷酸盐、锂镍锰钴氧化物、锂镍钴铝氧化物、或类似的化合物及其混合物。
在实施方式中，法拉第阳极电极可包括，例如，硅纳米颗粒、锡纳米颗粒、石墨烯、基于钒氧化物的化合物、碳纳米管、钛氧化物来源的化合物、锗、锑、石墨、硬碳、或这些材料及相似材料的复合物混合物。
在实施方式中，本公开提供的IEPD可在相同装置中提供与锂离子电池相似的能量密度，以及与锂离子电容器相似或基本上大于锂离子电容器的功率生成。
工作电极可包括，例如，一个活性碳电极、一个硬碳或石墨电极、以及一个可含有锂金属过渡金属络合物(如LiCoO2)的电极。石墨或硬碳电极可起到阳极的作用，其它两个电极可起到阴极的作用。相邻电极中的每个电极通过隔膜隔开，所述隔膜例如纤维素或聚合物来源的隔膜。电解质可为例如基于碳酸酯的电解质。然而，电解质并不限于碳酸酯，并且可涉及不同的溶剂和盐的组合，例如作为电解质溶剂：腈、酯、砜、醚及类似化合物或其混合物，以及在电解质盐中，盐含有，例如，锂、钾、钠、铯、铵及类似阳离子或其混合物。锂盐的实例为LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiAsF5、LiClO4、CF3SO3或其混合物。优选的电解质为在碳酸亚乙酯:碳酸二甲酯:丙酸甲酯的体积为20:20:60的混合物中的1至1.5M LiPF6，以及再添加的5重量％的氟代碳酸亚乙酯。
参考附图，图1为示出了在循环调整期间实施例1、2和3的三种本发明的IEPD装置的能量密度的曲线图。
图2为示出了实施例1、2和3的每种IEPD装置的速率性能的曲线图。图2为示出了实施例1、2和3的IEPD的速率性能的体积Ragone(拉贡)曲线。该曲线示出了每种装置的能量密度均非常高并且在锂离子电池的范围内，以及功率也非常高，并且显著高于EDLC电容器。
图3为示出了实施例1、2和3的每种IEPD装置的循环性能的曲线图。图3示出了作为电池，以1C速率循环，即在1小时中充电并在1小时中放电，实施例1、2和3的IEPD的循环数据对比。
在图4、5、6、7和8中示出了不同类型的电极并且在下文中进行了详述。
在实施方式中，IEPD可扩展到例如圆柱、棱柱、软包或类似的盒。IEPD中的电极可具有例如，绕卷(也被称为：“果冻卷”)或堆叠的构造。取决于对功率及对能量的要求，通过各种可能的构造可控制用于功率的电极的总面积和用于能量的电极的总面积。例如，图8所示的非法拉第阴极可与图5所示的法拉第阳极耦合，二者通过隔膜隔开，并且图7所示的法拉第阴极可与图6所示的法拉第阳极耦合，二者通过隔膜隔开。取决于IEPD装置的能量和功率要求，可控制法拉第阳极∶非法拉第阴极的面积比，以及法拉第阳极∶法拉第阴极的面积比。
图4、5和6所示的电极可被用作IEPD中的阳极。
图4示出了法拉第阳极电极，该电极使作为法拉第材料的硬碳材料在一侧上，使石墨材料在铜箔集流器的相对侧上。图4为法拉第阳极电极组合物(500)的截面示意图，其包括硬碳(510)和石墨(520)，二者分别涂布在铜箔(530)的相对侧上。
图5示出了法拉第阳极电极，其使硬碳材料在铜箔集流器的两侧上。图5为法拉第阳极电极组合物(600)的截面示意图，其包括涂布在铜箔(530)两侧上的硬碳(510)。
图6示出了法拉第阳极电极，其使石墨材料在铜箔集流器电极的两侧上。图7为法拉第阳极电极组合物(700)的截面示意图，其包括涂布在铜箔(530)两侧上的石墨(520)。
图7示出了法拉第阴极电极，其使锂过渡金属络合物材料在铝箔集流器的两侧上。在铝箔集流器两侧上的锂过渡金属络合物可为例如，相同的材料、两种不同的锂过渡金属络合物材料、或在两侧上的两种不同的锂过渡金属络合物材料的混合物。图7为具有法拉第阴极组合物——例如锂过渡金属复合物(810)——的法拉第阴极电极(900)的截面示意图，所述法拉第阴极组合物涂布在铝箔(830)的两侧上。
图8示出了非法拉第阴极电极，其使活性碳在铝箔集流器的两侧上。可选择图7和8中表示的电极作为示例性IEPD中的阴极。图8为具有非法拉第材料组合物——例如活性碳(820)——的非法拉第阴极电极(1000)的截面示意图，所述非法拉第材料组合物涂布在铝箔(830)的两侧上。
在实施方式中，各电极可被称为功率电极组合体或功率电极对，或者能量电极组合体或能量电极对。一个功率电极组合体或对可为，例如，活性碳电极、石墨电极或硬碳电极。一个能量电极组合体或对可为，例如，石墨电极或硬碳电极以及LiCoO2电极。
然后可将功率和能量组合体设置在一起。每种类型的电极组合体的数目可通过给定应用所需的能量和功率的量来确定。例如，根据需要可将所有功率组合体设置在一起以及可将所有能量组合体设置在一起。例如，图9、10和11示出了IEPD的不同设置。各电极用隔膜电学隔开，但是仍然可通过隔膜进行离子传导。例如在图9中，IEPD涉及三种不同类型的工作电极。所述电极中的两种可以法拉第类型为特征，并且所述电极中的一种可以非法拉第类型为特征。由石墨或硬碳制成的电极可用作法拉第阳极电极。由活性碳制成的电极可用作非法拉第阴极。由锂过渡金属络合物制成的电极可用作法拉第阴极。一般而言，可将法拉第阳极涂布到例如铜上，而可将法拉第和非法拉第阴极材料涂布到例如铝上。取决于所述装置的能量和功率要求，可对电极对的数目进行调整。电极对可为，例如，第一对，所述第一对包括法拉第阳极，所述法拉第阳极包括石墨或硬碳材料，其与法拉第阴极配对，所述法拉第阴极包括锂金属过渡络合物；以及第二对，所述第二对包括法拉第阳极，例如石墨或硬碳，所述法拉第阳极与非法拉第阴极石墨(例如活性碳)配对。然而，法拉第阴极和非法拉第阴极不能共享相同的法拉第阳极。
可将具有相同组成的所有电极连接到相同的外部线头或连接器。从IEPD或EPD装置中出来的有三个总线头(principle leads)。可将任选的开关连接到所有的三个线头并且这是取决于外部系统的需要或功率和能量的需要。开关可用于在电极构造中提供最佳或优选的线头组合。
图9示出了用于实施例1的示例性IEPD构造(1300)。实施例1具有五个基于在铜箔(530)上的硬碳(510)的双侧、涂布的法拉第阳极(510/530/510)(即电极600)。实施例1具有三个基于在铝箔(830)上的锂过渡金属络合物(810)(即锂钴氧化物)的双侧涂布的(即在两侧上均涂布的)法拉第阴极(810/830/810)(即电极900)，以及两个基于在铝箔(830)上的锂过渡金属络合物(810)(即锂钴氧化物)的单侧的、涂布的(即在一侧上涂布的)法拉第阴极(830/810和810/830)。实施例1具有两个基于在铝箔(830)上的活性碳(820)的单侧涂布的非法拉第阴极(830/820和820/830)。
图10中的IEPD构造(1400)具有三个基于在铜箔(530)上的硬碳(510)的双侧涂布的法拉第阳极(即电极600)，一个基于锂过渡金属络合物(810)(即锂钴氧化物)的双侧涂布的法拉第阴极(810/830/810)(即电极900)，以及两个基于在铝箔(830)上的锂过渡金属络合物(810)(即锂钴氧化物)的单侧涂布的法拉第阴极(830/810和810/830)。实施例2具有两个基于在铝箔(830)上的活性碳(820)的单侧涂布的非法拉第阴极(830/820和820/830)。
图11的以及用于实施例3的IEPD(1500)具有一个基于在铜箔(530)上的硬碳(510)的双侧涂布的法拉第阳极(510/530/510)(即电极600)和六个基于在铜箔(530)上的石墨(520)的双侧涂布的法拉第阳极(520/530/520)(即电极700)。实施例3具有五个基于在铜箔(830)上的锂过渡金属络合物(810)(即锂钴氧化物)的双侧涂布的法拉第阴极(810/830/810)(即电极900)，以及两个基于在铝箔(830)上的锂过渡金属络合物(810)(即锂钴氧化物)的单侧涂布的法拉第阴极(830/810和810/830)。实施例3具有两个基于在铝箔(830)上的活性碳(820)的单侧涂布的非法拉第阴极(830/820和820/830)，其归为电极600。
图12A示出了具有三种不相类似的工作电极的示例性IEPD装置(100)，包括：涂布在铝箔两侧上的非法拉第阴极(110)组合物；涂布在铜箔两侧上的两个法拉第阳极(120)组合物；和涂布在铝箔两侧上的法拉第阴极(130)组合物。该装置还包括壳体或软包盒(105)、位于每个工作电极之间的隔膜元件(140)、在每个工作电极之间及围绕每个工作电极的电解质区域(150)和外部连接器(110a、120a、120b、130a)。
图12B示出了示例性IEPD装置(200)的示意图，该装置与图12A的装置相同，不同之处在于外部连接器(110a)、外部连接器(120a)、外部连接器(120b)和外部连接器(130a)是连接在一起的(125a)。两个线头(125)和(126)连接至外部连接器(125a)，并且协助在运行的能量储存模式与功率储存模式之间切换。
实施例
以下实施例展示了所公开的IEPD的制造、使用和分析、以及按照上述一般程序进行的方法。
实施例1
硬碳电极材料和制造法拉第阳极由90重量％椰壳源的碳(之前已经在1200℃下碳化，用HCl处理以及在1200℃重新烧制)；5重量％特密高(Timcal)Super C-45导电碳和5重量％KYNAR 761 PVDF粘合剂构成。如下制造阳极：在莱弛(Retsch)PM-100球磨机中以350rpm球磨3.6g的椰壳源的碳和0.2g的导电碳，球磨10分钟。将0.2g的PVDF加入到经球磨的混合物中，并且以350rpm再球磨10分钟。将5mL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)加入到经球磨的混合物中以形成浆料。然后用50G棒(棒涂技术)将该浆料涂布到铜箔(产品编号——OakMitsui TLB-DS)上。在60℃下真空干燥经涂布的电极。将干燥的电极冲压成软包电池电极的尺寸。然后在120℃下真空干燥经冲压的电极。实施例1使得用硬碳混合物涂布箔的每一侧而在铜箔上具有五个双侧涂布的法拉第阳极电极。
用例如锂复合物粉末(LCP)混合物喷涂该五个电极中的一个电极，所述锂复合物粉末(LCP)混合物由79.6重量％锂金属粉末、17.8重量％LiPF6、0.5重量％苯乙烯丁二烯橡胶和2.18重量％矿物油的THF溶液制成。在120℃下真空干燥经喷洒的电极。经喷洒的阳极电极测得厚度约12至14密耳。其它的四个电极的碳表面上没有LCP。经喷洒的阳极电极的箔的每侧上均涂布了硬碳混合物，并且两侧上的硬碳混合物的表面均涂布了锂复合物粉末混合物。
锂复合物粉末(LCP)为被包封的锂颗粒，其包含：芯，所述芯包含以下至少一种：锂、锂金属合金、或其组合；壳，所述壳包含锂盐和油，所述壳包封所述芯，并且所述颗粒的直径为1微米至500微米(参见共同拥有和转让的2012年11月9日提交的，名称为“LITHIUMCOMPOSITE PARTICLES(锂复合物颗粒)”的USSN 13/673019，以及2014年9月23日提交的，名称为“ENCAPSULATED LITHIUM PARTICLES AND METHODS OF MAKING AND USE THEREOF(包封的锂颗粒及其制造方法和用途)”的USSN 14/493886)。LCP用于对阳极进行预掺杂。
活性碳电极材料和电极制造非法拉第阴极材料由92.5重量％的碱活化的小麦粉来源的碳(即上文提及的康宁碳)、2.5重量％特密高Super C-45导电碳和5重量％KYNARHSV 900PVDF构成。根据如下制备非法拉第阴极：将3.7g的碳和0.1g的导电碳在莱弛(Retsch)PM-100球磨机中以350rpm球磨10分钟，然后向混合物中加入0.2g的PVDF并将形成的混合物以350rpm球磨10分钟。将5ml的N-甲基吡咯烷酮(NMP)加入到经球磨的混合物中以形成浆料。在用THF进一步稀释(在乙二醇醚中的萘基钠)以制成5重量％的Fluoroetch的THF溶液，并用该溶液蚀刻集流器的表面后，将浆料涂布在购自东洋铝株式会社(Toyo Aluminum K.K.)的厚度为约22微米的TOYAL铝集流器上。在120℃下真空干燥经涂布的电极。将干燥的电极冲压成软包电池电极的尺寸，然后在120℃下真空干燥。实施例1的阴极具有两个非法拉第阴极，每个阴极的一侧上涂布了活性碳。实施例1的阴极出现在图9的左侧，其从左至右包括下式的符号结构：
C’/S/A/S/C’
该符号结构对应如下按顺序列出的具体部件：830、820、140、510、530、510、140、820、830，其中“C’”为非法拉第阴极，C’/为用非法拉第阴极材料(820)涂布在一侧上的铝箔(830)，/A/为用法拉第阳极材料510(即510、530、510)涂布在两侧上的经涂布的阳极，包括铜箔(530)，/C’为820、830，以及S为隔膜140。
LiCoO2电极材料和电极制造：法拉第阴极由90重量％的LiCoO2、5重量％特密高Super C-45导电碳和5重量％KYNAR 761 PVDF粘合剂构成。将7.2g的LiCoO2和0.4g的导电碳在莱弛(Retsch)PM-100球磨机中以350rpm球磨10分钟，然后向混合物中加入0.4g的PVDF粘合剂并接着以350rpm再球磨10分钟。接着将4mL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)加入到混合物中以形成浆料。将该浆料涂布在无油墨的铝集流器上。该铝集流器获自CSI，并且通过用1mL的NMP处理表面以及将油墨从铝的表面中刮擦掉除去油墨。在120℃下真空干燥经涂布的电极。将干燥的电极冲压成软包电池电极的尺寸。然后在120℃下真空干燥经冲压的电极。实施例1具有两个单测涂布的法拉第阴极和三个双侧涂布的阴极，其用C//C//C//C//C表示，其中“C”为法拉第阴极并且“/”表示涂层，例如“/C”或“C/”表示在单侧上涂布了的法拉第阴极；并且“/C/”表示在两侧上涂布了的法拉第阴极。实施例1还具有两个单侧涂布的非法拉第阴极，其通过C’/和/C’表示，其中“C’”为非法拉第阴极，并且“/”为涂层，例如，“/C’”或“C’/”表示在单侧上涂布了的非法拉第阴极，“/C’/”(在该实施例中未示出)为在两侧上涂布了的法拉第阴极。所述阴极和阳极电极通过隔膜(“S”)和阳极(“A”)各自与任何其它相邻电极隔开。所述装置或组装的电池部件的相对空间关系或位置可通过式(I)表示：
C/S\A\S/C/S\A\S/C/S\A\S/C/S\A\S/CSC’/S\A\S/C’(I)，
其中“\A\”为在两侧上涂布了的阳极。
将上文提及的工作电极按照式(I)的顺序和数目放置在合适的壳体中并且如图9所示，其包括插入在每个相邻工作电极间的合适的隔膜。在各电极构造之间加入电解质并密封电池。例如，法拉第阳极电极与通过隔膜隔开的法拉第阴极电极形成了对(C/S\A\S/C)，并且法拉第阳极电极与通过隔膜隔开的非法拉第阴极电极形成了对(C’/S\A\S/C’)。
隔膜：选择的隔膜为来自日本高度纸工业株式会社(Nippon KodoshiCorporation)的NKK TF-4425。
电解质：使用的电解质为在碳酸亚乙酯:碳酸二甲酯:丙酸甲酯的体积为20:20:60的混合物中的1.25M LiPF6，以及再添加的5重量％的氟代碳酸亚乙酯。
然后将电极组装在上文所述的功率和能量组合体中，并且测量该装置的特性。
作为功率装置的IEPD性能在调整期间，实施例1的IEPD在2.2V至3.8V期间，以C/2速率进行充电和放电，进行10个循环后，其放电容量为64.413mAh/gm。实施例1中的IEPD在2.2V至3.8V约100C速率下的能量密度为15.95Wh/l至2019.59Wh/l。实施例1中的IEPD在2.2V至3.8V 1C速率下的能量密度为21.28Wh/l。然而，取决于电极材料组合物的选择，可以改变IEPD的运行电压。例如，取决于活性碳(例如非法拉第阴极)的种类，电压可从2.2V扩展到4.2V。在示意的实施例中，当活性碳的纯度增加，例如当活性碳的氧含量从2.5重量％下降到0.1重量％，则活性碳在电化学上变得更加稳定，因此具有更高的电压窗口，这可决定电压的扩展程度。
作为能量储存电池装置的IEPD性能实施例1的IEPD在调整的5个循环后的放电能量为314.405Wh/l。调整概况包括：在3V至4.2V间，首先在约C/15下进行两个充电-放电循环；接着在约C/10下进行两个循环；在约C/5下进行最后的循环。实施例1中的IEPD在3V至4.2V 1C下进行第一个放电循环后，其能量密度为300.702Wh/l，在1C速率下进行30个循环后，其能量密度为287.490Wh/l。实施例1的IEPD在30个循环后保留了95.6％的能量密度。然而，取决于电极材料组合物的选择，可以改变IEPD的运行电压。例如，使用锂锰镍氧化物作为法拉第阴极可将运行电压从3V扩展到4.7V。
实施例2
硬碳电极材料和制造法拉第阳极由90重量％的1000℃椰壳源的碳(即，在1,000℃下碳化，用HCl处理以及在1000℃重新烧制)；5重量％特密高Super C-45导电碳和5重量％KYNAR 761PVDF构成。如下制造阳极：在莱弛(Retsch)PM-100球磨机中以350rpm球磨3.6g的椰壳源的碳和0.2g的导电碳，球磨10分钟。然后将0.2g的PVDF加入到混合物中，并且以350rpm再球磨10分钟。将5mL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)加入到经两次球磨的混合物中以形成浆料，然后用50G棒(棒涂技术)将该浆料涂布到铜箔(产品编号——Oak Mitsui TLB-DS)上。在60℃下真空干燥经涂布的电极，并将其冲压成软包电池电极的尺寸。
用上文提及的锂复合物粉末(LCP)喷涂所有的三个法拉第工作电极，所述锂复合物粉末(LCP)来自79.6重量％锂金属粉末、17.8重量％LiPF6、0.5重量％苯乙烯丁二烯橡胶和2.18重量％矿物油在THF中的混合物。在120℃下真空干燥经喷洒的电极。经喷洒的阳极电极的厚度为约15密耳。经喷洒的阳极电极各自具有箔，在箔的每侧上均用硬碳混合物进行了涂布，并且两侧上的硬碳混合物的表面均用锂复合物粉末混合物进行了涂布。
活性碳非法拉第阴极电极制造非法拉第阴极由92.5重量％的碱活化的小麦粉来源的碳(“康宁碳”)、2.5重量％特密高Super C-45导电碳和5重量％KYNAR HSV 900PVDF粘合剂构成。将3.7g的所述碳和0.1g的导电碳在莱弛(Retsch)PM-100球磨机中以350rpm球磨10分钟，然后向混合物中加入0.2g的PVDF并以350rpm再球磨10分钟。向混合物中加入5mL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)以形成浆料，并且在用含的混合物(即，用THF进一步稀释在乙二醇醚中的萘基钠以制成5重量％的Fluoroetch的THF溶液)蚀刻集电器的表面后，将浆料涂布在上文提及的TOYAL 铝集流器上。在120℃下真空干燥经涂布的非法拉第阴极电极。将干燥的电极冲压成软包电池电极的尺寸。然后在120℃下真空干燥经冲压的电极。实施例2的阴极由两个阴极构成，每个阴极的一侧上用上文提及的活性碳组合物进行了涂布。
LiCoO2电极法拉第阴极由90重量％的LiCoO2、5重量％特密高Super C-45导电碳和5重量％KYNAR 761PVDF粘合剂构成。在莱弛PM-100球磨机中以350rpm球磨7.2g的LiCoO2和0.4g的导电碳，球磨10分钟。然后将0.4g的PVDF加入到混合物中，并且以350rpm再球磨10分钟。将4mL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)加入到混合物中以形成浆料，并将该浆料涂布到如实施例1中提及的无油墨的铝集流器上。在120℃下真空干燥涂布的电极。将干燥的电极冲压成软包电池电极的尺寸，然后在120℃下真空干燥。
实施例2的阴极由两个单侧涂布的法拉第阴极和一个双侧涂布的法拉第阴极构成，其共同地通过C//C//C表示，其中“C”、“/C”、“C/”、“/C/”、“S”、“/C’”、“C’/”和“\A\”如上文所定义。各阴极电极通过隔膜和阳极电极与任何其它阴极隔开。所述装置或组装的电池部件的相对空间关系或位置可通过式(II)表示：
C/S\A\S/C/S\A\S/CSC’/S\A\S/C’(II)。
将上文提及的法拉第阳极、活性碳非法拉第阴极和LiCoO2法拉第阴极工作电极按照式(II)的顺序和数目放置在合适的壳体中并且如图10所示，其包括插入在每个相邻工作电极间的合适的隔膜。在各电极间加入电解质并密封电池。例如，法拉第阳极电极与通过隔膜隔开的法拉第阴极电极形成了对(C/S\A\S/C)，并且法拉第阳极电极与通过隔膜隔开的非法拉第阴极电极形成了对(C’/S\A\S/C’)。
隔膜隔膜为如实施例1所述的NKK TF-4425。
电解质使用的电解质如实施例1所述。将电极组装在本实施例中所描述的功率和能量组合体中，并且测量该装置的特性。
作为功率装置的IEPD性能在调整期间，实施例2的IEPD在2.2V至3.8V期间，以C/2速率进行充电和放电，进行10个循环后，其放电容量为64.689mAh/gm。实施例2的IEPD在2.2V至3.8V约100C速率下的能量密度为11.12Wh/l至1929.55W/l。实施例2的IEPD在2.2V至3.8V 1C速率下的能量密度为20.76Wh/l。然而，取决于电极材料组合物的选择，可以改变IEPD的运行电压。例如，取决于活性碳(例如非法拉第阴极)的种类，电压可从2.2V扩展到4.2V。在示意的实施例中，当活性碳的纯度增加，例如当活性碳的氧含量从2.5重量％下降到0.1重量％时，活性碳在电化学上变得更加稳定，因此具有更高的电压窗口，这可决定电压的扩展程度。
作为能量储存电池装置的IEPD性能实施例2的IEPD在调整的5个循环后的放电能量为144.980Wh/l。调整概况包括：在3V至4.2V间，首先在约C/20下进行两个充电-放电循环；接着在约C/10下进行两个循环；在约C/5下进行最后的循环。实施例2的IEPD在3V至4.2V间，在1C下进行第一个放电循环时的能量密度为143.927Wh/l，在1C速率下进行30个循环后，其能量密度为135.429Wh/l。实施例2的IEPD在30个循环后保留了94.095％的能量密度。然而，取决于电极材料组合物的选择，可受控地改变IEPD中的运行电压。例如，使用锂锰镍氧化物作为法拉第阴极可将运行电压从3V扩展到4.7V。
实施例3
硬碳阳极电极材料和制造法拉第阳极由两种具有不同活性材料的不同的电极构成，所述两种不同的活性材料由碳化的碳和石墨构成。一种电极由一种双侧涂布的电极构成，该双侧涂布的电极由椰壳源的碳(即在1200℃下碳化，用HCl处理以及在1600℃重新烧制)制成。其它电极由六个由特密高TB-17石墨粉末制成的双侧涂布的电极构成。
椰壳源的碳电极由90重量％的1600℃椰壳源的碳(即，在1200℃下碳化，用HCl处理以及在1600℃重新烧制)、5重量％特密高Super C-45导电碳和5重量％KYNAR 761PVDF构成。如下制造阳极：在莱弛PM-100球磨机中以350rpm球磨3.6g的椰壳源的碳和0.2g的导电碳，球磨10分钟。然后将0.2g的PVDF加入到混合物中，并且以350rpm再球磨10分钟。将5mL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)加入到经两次球磨的混合物中以形成浆料，然后用50G棒(棒涂技术)将该浆料涂布到铜箔(产品编号——Oak Mitsui TLB-DS)上。在60℃下真空干燥经涂布的电极。将干燥的电极冲压成软包电池电极的尺寸并在60℃下真空干燥。
用上文提及的锂复合物粉末(LCP)喷涂椰壳源的电极，所述锂复合物粉末(LCP)来自79.6重量％锂金属粉末、17.8重量％LiPF6、0.5重量％苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)和2.18重量％矿物油在THF中的混合物。在120℃下真空干燥经喷洒的电极。经喷洒的阳极电极的厚度为约10至12密耳。经喷洒的椰壳源的阳极电极由铜箔构成，在箔的每侧上均用硬碳混合物进行了涂布，并且在两侧上的硬碳混合物的表面均用锂复合物粉末混合物进行了涂布。
用与椰壳源的电极相同的方式制造特密高石墨(TB-17)电极，不同之处在于使用特密高TB-17石墨碳替代椰壳源的碳。使用没有LCP涂层的特密高TB-17石墨粉末源的电极。基于特密高TB-17石墨粉末的电极由铜箔构成，在箔的每侧上均用TB-17石墨粉末进行了涂布。
活性碳非法拉第阴极电极制造非法拉第阴极由92.5重量％的碱活化的小麦粉来源的碳(即，康宁碳)、2.5重量％特密高Super C-45导电碳和5重量％KYNAR HSV 900PVDF粘合剂构成。根据如下制备非法拉第阴极：将3.7g的活性碳和0.1g的导电碳在莱弛PM-100球磨机中以350rpm球磨10分钟，然后向混合物中加入0.2g的PVDF并以350rpm再球磨10分钟。向混合物中加入5mL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)以形成浆料，并且在用混合物(即，用THF进一步稀释在乙二醇醚中的萘基钠以制成5重量％的Fluoroetch的THF溶液)蚀刻集电器的表面后，将浆料涂布在上文提及的TOYAL铝集流器上。在120℃下真空干燥经涂布的非法拉第阴极电极，并将其冲压成软包电池电极的尺寸。然后在120℃下真空干燥经冲压的电极。实施例3的阴极由两个阴极构成，每个阴极的一侧上用活性碳进行了涂布。
LiCoO2法拉第阴极电极法拉第阴极由90重量％的LiCoO2、5重量％特密高Super C-45导电碳和5重量％KYNAR 761PVDF粘合剂构成。如下制造法拉第阴极：在莱弛PM-100球磨机中以350rpm球磨7.2g的LiCoO2和0.4g的导电碳，球磨10分钟。然后将0.4g的PVDF加入到混合物中，并且以350rpm再球磨10分钟。将4mL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)加入到混合物中以形成浆料，并将该浆料涂布在如在实施例1中提及的无油墨的铝集流器上。在120℃下真空干燥经涂布的电极，并将其冲压成软包电池电极的尺寸。然后在120℃下真空干燥经冲压的电极。实施例3的法拉第阴极可通过“C//C//C//C//C//C//C”表示，其中符号如在实施例1中所定义。所组装的电池或装置部件的相对空间关系或位置可通过式(III)表示：
C/S\A\S/C/S\A\S/C/S\A\S/C/S\A\S/C/S\A\S/C/S\A\S/CSC’/S\A\S/C’(III)。
将上文提及的法拉第阳极、活性碳非法拉第阴极和LiCoO2法拉第阴极工作电极按照式(III)的顺序和数目放置在合适的壳体中并且如图11所示，其包括插入在每个相邻工作电极间的合适的隔膜。在各电极间加入电解质并密封电池。例如，法拉第阳极电极与通过隔膜隔开的法拉第阴极电极形成了对(C/S\A\S/C)，并且法拉第阳极电极与通过隔膜隔开的非法拉第阴极电极形成了对(C’/S\A\S/C’)。
隔膜隔膜为如实施例1所述的NKK TF-4425。
电解质使用的电解质如实施例1所述。
将电极组装在如上文所描述的功率和能量组合体中，并且测量该装置的特性。
可改变法拉第阳极、非法拉第阴极和含LiCoO2法拉第阴极的数目以提供其它构造。
作为功率装置的IEPD功率性能在调整期间，实施例3的IEPD在2.2V至3.8V之间，以C/2速率进行充电和放电，进行10个循环后，其放电容量为73.982mAh/gm。实施例3的IEPD在2.2V至3.8V约100C速率下的能量密度为18.83Wh/l至2452.712W/l。实施例3的IEPD在2.2V至3.8V 1C速率下的能量密度为25.55Wh/l。然而，取决于电极材料组合物的选择，可受控地改变IEPD中的运行电压。例如，取决于活性碳(即，非法拉第阴极)的种类，电压可从2.2V扩展到4.2V，这是因为活性碳的纯度可决定电压的扩展程度。
作为能量储存电池装置的IEPD性能实施例3的IEPD在调整的5个循环后的放电能量为383.155Wh/l。调整概况包括：在3V至4.2V间，首先在约C/20下进行两个充电-放电循环；接着在约C/10下进行两个循环并且在约C/5下进行最后的循环。实施例3的IEPD在3V至4.2V间，在1C下进行第一个放电循环时的能量密度为356.538Wh/l，在1C速率下进行30个循环后，其能量密度为340.123Wh/l。实施例3的IEPD在30个循环后保留了95.390％的能量密度。然而，取决于电极材料组合物的选择，可受控地改变IEPD中的运行电压。例如，在法拉第阴极中使用锂锰镍氧化物可将运行电压从3V扩展到4.7V，这是因为法拉第阴极材料可决定不同的电压窗口。
所公开的IEPD实施例各自证明了高的放电能量密度和高的功率密度。所公开的独立IEPD能够代替分离的电池与电容器的组合。根据所需的性能特征，可选择不同的材料用于阳极和阴极并且可对阳极和阴极的数目之比进行调节。
在实施方式中，IEPD功率电极组合体可包括，例如：活性碳电极(即，非法拉第阴极)；第一石墨或硬碳电极(即，法拉第阳极)。
在实施方式中，IEPD能量电极组合体可包括，例如：石墨或硬碳，即与所述第一石墨或硬碳相同，或者不同的石墨或硬碳；和LiCoO2电极(即法拉第阴极)。可通过隔膜使法拉第阳极和法拉第阴极相交替并隔开，并且可通过隔膜使相同或不同的法拉第阳极和非法拉第阴极相交替并隔开。取决于装置的应用，可对法拉第阳极与法拉第阴极配对的对的数目，以及法拉第阳极与非法拉第阴极配对的对的数目进行调整。
实施例证明了所公开的集成能量功率装置的可行性和可操作性，在对其进行构建以用于所需能量、功率或能量和功率应用期间，可从结构或尺寸上对所述装置进行调整。
已经参考各种具体实施方式和技术描述了本公开。但是，应当理解，可以做出许多变化和改进而仍旧在本公开的范围内。

Claims (20)

1.一种锂离子能量和功率系统，其包括：
壳体，所述壳体含有：
至少三个电极，其包括：
至少一个第一电极，所述至少一个第一电极包括阴极法拉第能量储存材料；
至少一个第二电极，所述至少一个第二电极包括阳极法拉第能量储存材料；和
至少一个第三电极，所述至少一个第三电极包括阴极非法拉第能量储存材料，其中所述至少一个第一电极与所述至少一个第二电极相邻，并且所述至少一个第三电极与所述至少一个第二电极相邻，并且所述至少一个第二电极与电耦合的至少一个第一电极和所述至少一个第三电极电学隔离；位于相邻电极之间的隔膜；和
在相邻电极之间的液体电解质。
2.如权利要求1所述的装置，其中，在所述第一电极中的阴极法拉第能量储存材料包括锂过渡金属络合物，在所述第二电极中的阳极法拉第能量储存材料包括具有1至500m2/g的低表面积的嵌入硬碳或石墨，并且在所述第三电极中的阴极非法拉第能量储存材料包括具有800至3000m2/g的高表面积的碳。
3.如权利要求1至2中任一项所述的装置，其中：
所述阴极法拉第能量储存材料为锂过渡金属络合物，所述锂过渡金属络合物选自：LiCoO2、LiMn1.5Ni0.5O4、LiMn2O4、LiFePO4、LiNiMnCoO2、LiNiCoAlO2或其混合物；
所述阳极法拉第能量储存材料选自：硅纳米颗粒；多孔硅；锡纳米颗粒；石墨烯；钒氧化物来源的化合物；碳纳米管；钛氧化物来源的化合物；锗；锑；石墨碳；硬碳；或其混合物；并且
所述阴极法拉第能量储存材料选自：表面积为800至3000m2/gm的活性碳并且活性碳在至少一个第三电极中占总活性材料的51至100重量％；活性碳与石墨的混合物；活性碳与硬碳的混合物；或它们的混合物。
4.如权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，阴极法拉第能量储存材料、非阴极法拉第能量储存材料以及阳极法拉第能量储存材料包括具有由式(I)、(II)或(III)中的至少一个表示的相对空间关系的部件：
C/S\A\S/C/S\A\S/C/S\A\S/C/S\A\S/CSC’/S\A\S/C’ (I)；
C/S\A\S/C/S\A\S/CSC’/S\A\S/C’ (II)；
C/S\A\S/C/S\A\S/C/S\A\S/C/S\A\S/C/S\A\S/C/S\A\S/CSC’/S\A\S/C’ (III)，
其中，“C”为法拉第阴极，“C’”为非法拉第阴极，“/”为单侧涂层，“/C/”为在两侧上涂布了的法拉第阴极，“S”为隔膜，以及“\A\”为在两侧上涂布了的法拉第阳极。
5.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其中，所述至少三个电极中的至少两个包括多个阴极法拉第能量储存材料电极和多个阴极非法拉第能量储存材料电极，其中，阴极法拉第电极的数目与阴极非法拉第电极的数目之比为0.01至50。
6.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其还包括用于每个电极的外部连接器，或者用于两个或多个相同电极的每个组的外部连接器。
7.如权利要求6所述的装置，其还包括连接至每个电极或两个或多个相同电极的每个组的每个外部连接器的外部开关。
8.如权利要求1至7中任一项所述的装置，其中，将阳极法拉第能量储存材料涂布在铜箔集流器上，并且将阴极法拉第能量储存材料和阴极非法拉第能量储存材料各自分别涂布在铝箔集流器上。
9.如权利要求1至8中任一项所述的装置，其中，电解质选自以下至少一种：在非水性溶剂中的LiPF6；鎓盐和非水性溶剂；或其组合。
10.如权利要求1至9中任一项所述的装置，其中，电解质包括季铵阳离子和四氟硼酸根阴离子以及选自以下至少一种的非水性溶剂：腈、烷基酯、砜、醚、碳酸二烷基酯、碳酸二亚烃酯、氟化碳酸二亚烃酯或其混合物。
11.如权利要求1至10中任一项所述的装置，其中，所述至少三个电极包括：
所述至少一个第一电极，其包括含锂化合物；
所述至少一个第二电极，其包括硬碳、石墨或二者的混合物中的至少一种；和
所述至少一个第三电极，其包括活性碳，所述活性碳具有0.2至1.5cm3/gm的高孔隙度和800至3000m2/g的高表面积，
其中，所述至少一个第一电极与所述至少一个第二电极相邻，并且所述至少一个第二电极与所述第三电极相邻。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的装置，其中，所述装置的能量密度为20Wh/l至500Wh/l，并且装置功率为200W/l至20,000W/l。
13.一种具有集成能量和功率部件的能量系统，其包括：
单一壳体，所述单一壳体含有至少三个电极，所述至少三个电极包括：
至少一个第一电极，其包括锂过渡金属化合物；
至少一个第二电极，其包括非活性碳；和
至少一个第三电极，其包括活性碳，其中所述至少一个第一电极与所述至少一个第二电极相邻，并且所述至少一个第三电极与所述至少一个第二电极相邻，并且所述非活性碳与电耦合的所述至少一个第一电极的锂过渡金属化合物和所述至少一个第三电极阴极的活性碳电学隔离；和
在电极之间的隔膜；和
在各电极之间的单一电解质。
14.如权利要求13所述的装置，其中，在所述至少一个第一电极中的锂过渡金属化合物包括锂过渡金属盐络合物，在所述至少一个第二电极中的所述非活性碳包括具有1至500m2/g的低表面积的碳，并且在所述至少一个第三电极中的活性碳包括具有800至3,000m2/g的高表面积的活性碳。
15.如权利要求13至14中任一项所述的装置，其中，所述单一电解质包括选自季铵四氟硼酸盐化合物或LiPF6化合物的盐，以及选自如下至少一种的非水性溶剂：腈、烷基酯、砜、醚、碳酸二烷基酯、碳酸二亚烃酯、氟化碳酸二亚烃酯或其混合物。
16.一种集成能量和功率装置，其包括：
设置在功率电极组合体与能量电极组合体中的至少三个电极，其中功率电极组合体在2.2至3.8V下运行，并且能量电极组合体在3.0至4.2V下运行。
17.如权利要求16所述的装置，其中：
所述功率电极组合体包括至少一个含有活性碳的电极，所述电极与至少一个含有第一石墨或第一硬碳的电极配对；并且
所述能量电极组合体包括至少一个含有活性碳、第一石墨或第一硬碳的电极，其配对至少一个具有锂化合物的电极。
18.如权利要求17所述的装置，其中：
在所述功率电极组合体中，所述含有第一石墨或第一硬碳的电极的表面积为10至300m2/gm，以及含有所述活性碳的电极的表面积为500至2,000m2/gm；并且
在所述能量电极组合体中，含有活性碳的电极的表面积为500至2,000m2/gm的，以及含有第一石墨或第一硬碳的电极的表面积为10至300m2/gm，并且含有锂化合物的电极包括LiCoO2化合物。
19.一种使用如权利要求1所述的系统的方法，所述方法包括：
作为电池对所述系统进行充电、放电或充电和放电；
作为电容器对所述系统进行充电、放电或充电和放电；
或其组合。
20.如权利要求19所述的方法，其还包括与如下至少一种结合使用所述系统：运输工具、电器、消费者电子器件、风力涡轮机、波冲动式涡轮机、电网系统的部件，或其组合。
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