TW201640537A - 鋰離子電容器中之源自酚樹脂之碳陽極 - Google Patents

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Abstract

一種鋰離子電容器中的陽極，包括：碳組成，包含：本文所述源自酚樹脂之碳、導電碳和黏結劑；及支撐碳組成的導電基板，其中本文所述源自酚樹脂之碳由拉曼分析具無序性；及具本文所述氫含量、氮含量和氧含量。 亦揭示製作陽極的方法、製作鋰離子電容器的方法和陽極與電容器的使用方法。

Description

鋰離子電容器中之源自酚樹脂之碳陽極 【交互參照之優先權申請案】
本申請案根據專利法法規主張西元2015年1月30日申請的美國專利申請案第14/610848號的優先權權益，本申請案依賴該申請案全文內容且該申請案全文內容以引用方式併入本文中。
【交互參照之相關申請案】
本申請案係關於同時申請且共同擁有及讓渡的下列美國專利申請案：西元2015年1月30日申請、名稱為「COKE SOURCED ANODE FOR LITHIUM ION CAPACITOR」的申請案第14/610752號；西元2015年1月30日申請、名稱為「ANODEFOR LITHIUM ION CAPACITOR」的申請案第14/610782號；西元2015年1月30日申請、名稱為「POLY-VINYLIDENE DIFLUORIDE ANODE IN A LITHIUM ION CAPACITOR」的申請案第14/610811號；及 西元2015年1月30日申請、名稱為「CATHODE FOR LITHIUM ION CAPACITOR」的申請案第14/610868號，但不主張該等申請案的優先權。
所述各公開案或專利文件的全文內容以引用方式併入本文中。
本發明係關於鋰離子電容器(LIC)、LIC中的陽極和陽極中的碳組成。
先前技術仍有不足之處。本發明致力於解決缺點及/或改善先前技術。
在實施例中，本發明提供源自酚樹脂之碳組成，用於鋰離子電容器的陽極。
在實施例中，本發明提供用於鋰離子電容器的陽極，具有1-500平方公尺/克(m2/g)的低表面積、得自酚樹脂源的碳。
100‧‧‧碳1
110‧‧‧碳2
120‧‧‧碳3
130‧‧‧碳4
在本發明的實施例中：第1圖圖示不同碳的拉曼光譜頻移與強度比較：碳1(比較實例1)(100)；碳2(比較實例2)(110)；碳3(實例1)(120)；及碳4(實例2)(130)。
第2圖圖示依據不同來源材料或不同處理來調理(conditioning)碳1至4的循環放電容量。
第3圖圖示定容Ragone圖，用以比較出自不同來源材料或不同處理的碳1至4的充放電率性能。
本發明的不同實施例將參照圖式(若有)詳述於後。參照實施例並不會限定本發明範圍，本發明範圍僅視後附申請專利範圍所界定者為準。此外，說明書提及的任何實例並無限定之意，此只是提出主張本發明的許多可行實施例的一部分而已。
任何請求項提及的特徵和態樣通常可應用到本發明的所有面向。任一請求項提及的任何單一或多個特徵或態樣可與任何其他請求項提及的任何其他特徵或態樣結合或交換。
定義
「碳」、「碳組成」、「陽極碳」或類似用語係指本發明源自酚樹脂之碳材料，此材料已在惰性大氣中熱處理，表面積為1-500m2/g。
「活性碳」、「陰極碳」、「Corning碳」或類似用語係指已知源自麵粉之碳材料，此材料已在惰性大氣中熱處理，且具高孔隙度和高表面積。
「拉曼結構分析」、「拉曼分析」或類似用語意指並依據無序(D)峰、石墨(G)峰及考量峰強度比值ID/IG。D峰強度(ID)與碳無序程度有關，G峰強 度(IG)與高定向性石墨平面廣度有關。ID/IG峰強度比值可量化碳結構。ID/IG峰比值越大，碳越無序。
「陽極」、「陽極電極」、「負電極」或類似用語係指正電荷由此流入極化電子裝置的電極，且電子從電極流向外側電路。
「包括」或類似用語意指包含、但不限定，即包括在內而不排除在外。
本發明實施例以「約」修飾如組成成分量、濃度、體積、製程溫度、處理時間、產率、流率、壓力、黏度等數值與範圍、或部件尺寸等數值與範圍係指數值量變化，此可能起因於如：用於製備材料、組成、複合物、濃縮物、部件零件、製造物件或使用配方的典型測量及操縱程序；該等程序的疏忽誤差；用於施行方法的製造、來源或起始材料或成分純度差異；及類似考量。「約」一詞亦涵蓋具特定初始濃度或混合物的組成或配方老化引起的差異量和混合或處理具特定初始濃度或混合物的組成或配方造成的差異量。
「選擇性」或「視情況而定」意指隨後描述的事件或狀況可以或可不發生，該描述包括事件或狀況發生的情況和不發生的情況。
除非具體指明，否則在此所用不定冠詞「一」和對應定冠詞「該」意指至少一、或一或更多。
可使用一般技術人士熟知的縮寫，例如代表小時的「h」或「hr」、代表克的「g」或「gm」、代 表毫升的「mL」、代表室溫的「rt」、代表奈米的「nm」和類似縮寫。
用於揭示組分、成分、添加劑、尺寸、條件、時間和類似態樣的特定與較佳數值和數值範圍僅為說明之用；該等數值和範圍並不排除其他定義數值或定義範圍內的其他數值。本發明的組成和方法可包括任何數值、或所述數值、特定數值、更明確數值與較佳數值的任何組合，包括明示或暗示中間數值和範圍。
鋰離子電容器(LIC)係新型混合式能源儲存裝置。不像EDLC儲存能量係基於兩個電極的雙層機制，混合式鋰離子電容器係透過雙層機制而於陰極儲存能量，陽極能量儲存則是透過法拉第機制。是以此類裝置的能量密度例如可比EDLC大五倍，同時還可使功率維持比EDLC的功率大3至4倍。儘管有能量儲存的法拉第機制，LIC裝置仍展現非常高的循環壽命，例如超過200000次循環，故裝置適合許多應用。LIC在正電極(即陰極)採用高表面積(通常大於1000平方公尺/克(m2/g))碳及在負電極(即陽極)使用具低孔隙度與低表面積(通常小於300m2/g)的嵌入碳，高、低表面積碳結合可支援鋰離子快速嵌入及嵌出。充放電期間，鋰嵌入及嵌出係在陽極塊體內發生，陰離子吸附及脫附則在陰極產生。在正電極吸附及脫附為非法拉第反應，此較在負電極的鋰離子嵌入及嵌出快。
在鋰離子電容器中，負電極(嵌入及嵌出)可預摻雜鋰金屬。預摻雜鋰離子電容器能使電壓提高至約3.8伏特。
鋰離子電容器容許電壓比EDLC高約1.5倍。電池電容(C=Q/V)可以充放電曲線表述。由於能量密度和功率均與電壓平方成比例，故裝置的能量和功率密度將顯著增加。除了電壓密切提高，法拉第反應亦具有與之相關的明顯較大能量，並促進能量和功率密度增加。電池充放電期間，負電極保持恆定或相等電位。
陽極性質對裝置性能而言至關重要。該等性質主要衍生自包含陽極的材料，例如碳材料。Li(鋰)離子電容器陽極所需性質不同於Li離子電池陽極所需性質，然二者均涉及將鋰離子插入碳結構。Li離子電容器係供電裝置，故離子快速嵌入-嵌出必不可少，而Li離子電池可接受緩慢嵌入速率。在實施例中，本發明提供碳用於鋰離子電容器的陽極。提供資料係以預定高充放電率取得。
在鋰離子電池中，陰極電化學製程為速率控制，在鋰離子電容器中，陽極電化學製程為速率控制。陽極側本質上控制顯著性質，例如充放電容量，此會直接影響鋰離子電容器的能量和功率性能。不同類型的碳評估做為鋰離子電容器的陽極材料。石墨為選擇材料，但亦評估硬碳材料，即具低表面積的非石墨材料。因結構差異，硬碳材料展現的放電容量比石墨佳。
鋰離子電容器的基本功能和操作不同於鋰離子電池。在鋰離子電池中，陽極包含鋰嵌入碳，例如石墨、介相碳微球(MCMB)、硬碳或軟碳，陰極包含由鋰製成並與過渡金屬錯合的材料。用於鋰離子電池產業的一些著名陰極材料例如為LiCoO2、LiMn1.5Ni0.5O4、LiMn2O4和LiFePO4。
用於鋰離子電容器的陽極電極時，含碳材料可嵌入及嵌出鋰離子。充放電容量為定量測量碳材料儲存或放電的能力。放電容量係碳材料的固有性質。碳材料的放電容量取決於碳結構和存於碳材料的雜質量。放電容量會直接反映電池的顯著性能方面。高放電容量為陽極側的預期碳性質，因為碳將直接、有利地影響電池包裝體積，進而有利地影響鋰離子電容裝置的能量和功率密度。注意容量必須以高充放電率測量，因為電容器係供電裝置，不像能量裝置，例如電池，其中充放電率明顯較低。高充放電率時的材料容量不同於低充放電率且為材料結構的函數，此將控制鋰離子擴散進入材料結構的速率。
在鋰離子電池中，在充電過程中，鋰離子透過離子傳導機制自陰極塊體嵌出並經由電解質轉移到陽極及嵌入陽極塊體。在充電過程中，電子從陰極流向陽極。在放電過程中，整個充電過程相反。鋰離子透過離子傳導機制自陽極塊體嵌出並經由電解質轉移到陰極。轉移鋰離子接著嵌入陰極塊體。在鋰離子電池中，能量 儲存係因陽極與陰極電極的法拉第反應所致。電解質的帶電狀態一直呈中性且恆定，此意指電解質濃度無明顯改變。在鋰離子電池中，負責儲存能量的鋰離子完全取決於陰極可用鋰離子數量。然在前述鋰離子電容器中，陽極最初已預摻雜鋰金屬，此有助於提高操作電壓視窗。鋰嵌入及嵌出係在陽極電極塊體內發生，陰離子吸附及脫附則在陰極產生。在陰極吸附及脫附為非法拉第反應，此較在陽極的鋰離子嵌入及嵌出快。在鋰離子電容器中，電解質濃度視裝置的帶電狀態而異，因為電解質離子負責在各電極儲存能量。
在實施例中，本發明提供兩種不同碳，兩種碳可個別或結合用於鋰離子電容器的陽極電極。實驗結果證實所述鋰離子電容器可提供預定高充放電率。
在實施例中，所述源自酚樹脂之碳組成、碳組成陽極、碳組成鋰離子電容器和製作及使用電容器的方法提供一或更多包括如下的有利特徵或態樣。
在實施例中，本發明提供鋰離子電容器中的陽極，包含：碳組成，包含：85-95重量%的源自酚樹脂之碳；1-8重量%的導電碳；及3-10重量%的黏結劑；及導電基板，導電基板支撐碳組成，例如銅或鋁箔或片，其中源自酚樹脂之碳由拉曼分析的無序(D)峰與石墨(G)峰強度比值為1.40至1.9；氫含量為0.05-0.5重量%； 氮含量為0.05-0.5重量%；及氧含量為0.05-1.75重量%。
在實施例中，在陽極電極中：源自酚樹脂之碳例如可佔88-92重量%；導電碳例如可佔4-7重量%；黏結劑為PVDF及例如可佔4-6重量%，且分子量為300000至1000000。
在實施例中，源自酚樹脂之碳由拉曼分析的無序(D)峰與石墨(G)峰強度比值例如為1.55至1.95。
在實施例中，陽極進一步包含如鋰複合物粉末塗覆於陽極的至少一部分表面。
在實施例中，源自酚樹脂之碳的氫含量例如為0.05-0.25重量%，氮含量為0.05-0.5重量%，氧含量為0.05-0.5重量%。
在實施例中，源自酚樹脂之碳具有1至500m2/g的低表面積和1至30微米的粒徑。
在實施例中，本發明提供鋰離子電容器，包含：上述陽極，包含碳組成，碳組成包含：85-95重量%的源自酚樹脂之碳；1-8重量%的導電碳；及3-10重量%的黏結劑；及導電基板，導電基板支撐碳組成，例如銅或鋁箔或片，其中源自酚樹脂之碳由拉曼分析的無序(D)峰與石墨(G)峰強度比值為1.40至1.9；氫含 量為0.05-0.5重量%；氮含量為0.05-0.5重量%；及氧含量為0.05-1.75重量%。
在實施例中，如請求項7所述之鋰離子電容器，其中陽極係以1C至4000C的高充放電率操作。
在實施例中，鋰離子電容器進一步包含如電池，電池包含以下堆疊：上述陽極；陰極，包含熱與KOH活化且源自麵粉之碳、氟聚合物和導電碳黑；隔離膜；及鋰複合物粉末，塗覆於陽極的至少一部分表面。
在實施例中，電池的放電容量按陽極碳重量計例如為50至120毫安小時/克(mAh/gm)，例如以1000℃熱處理源自酚樹脂之碳為55.987mAh/gm，以1600℃熱處理源自酚樹脂之碳為95.56mAh/gm，最大能量密度為35至60瓦小時/公升(Wh/l)，例如以1000℃熱處理源自酚樹脂之碳為42.57Wh/l，以1600℃熱處理源自酚樹脂之碳為41.588Wh/l。
在實施例中，本發明提供製作碳電極的方法，包含：在950℃至1150℃下、在惰性大氣中，第一次熱處理源自酚樹脂之碳微粒；用酸、然後鹼來處理已熱處理微粒； 在950℃至1700℃下，在惰性大氣中，第二次熱處理源自酚樹脂之碳微粒；混合第二次熱處理微粒與黏結劑和溶劑，以形成混合物；及施用混合物於導電集電器而形成電極。
在實施例中，製作方法進一步包含如使混合物包括1-8重量%的導電碳。
本發明在數個方面係有利的，例如包括：所述源自酚樹脂之碳陽極展現優於如比較源自酚樹脂之碳與石墨碳的高充放電率。
所述源自酚樹脂之碳陽極展現優於比較源自酚樹脂之碳與石墨碳的能量和功率密度性能。
在實施例中，本發明具有以1000℃碳化且識別為第一種源自酚樹脂之碳(即碳3)和以1600℃碳化且LIC裝置具優異充放電率與電容性能的第二種碳(即碳4)。材料、製作及使用方法和LIC裝置性能將揭示如下，並與先前技術材料相比。
在實施例中，本發明提供兩種不同碳用於LIC陽極部件，即包含源自酚樹脂或源自酚樹脂之碳的第一種碳，第一種碳的表面積為1至500m2/g，且以1000℃碳化、用HCl處理及以1000℃再處理(即碳3)，和包含源自酚樹脂的第二種碳，第二種碳的表面積為1至500m2/g，且以1600℃碳化(即碳4)。相較於 先前技術材料，第一和第二碳組成展現優異的充放電率與能量性能，此將進一步說明於後。
放電容量係碳材料的固有性質。儘管不侷限於理論，然碳材料的放電容量取決於碳結構和存於碳材料的雜質量，此將依據拉曼結構分析和元素化學分析顯示於後。放電容量越大，裝置的能量密度越高。
取自合成來源的碳3和碳4均提供較先前技術材料佳的性能。優異性能可讓LIC裝置具有更高能量與更大功率特性。增進裝置能量性能乃重要的商業優勢。
在實施例中，本發明提供源自酚樹脂之碳組成(碳3)，此係藉由在空氣中以150℃固化酚樹脂、然後以1000℃第一次加熱或碳化、用水性HCl洗滌來移除金屬雜質，接著以1000℃第二次加熱或碳化，計約1至10小時而得。在實施例中，本發明提供源自酚樹脂之碳組成(碳4)，此係藉由在空氣中以150℃固化酚樹脂、然後以1000℃第一次加熱或碳化、用水性HCl洗滌來移除金屬雜質，接著以1600℃第二次加熱或碳化，計約1至10小時而得。
比較含碳3或碳4的陽極性能與由不同原料或來源材料製造的某些先前技術碳，例如以660℃碳化的酚樹脂和石墨。
用於鋰離子電容器的陽極時，含碳材料可嵌入及嵌出鋰離子。充放電容量為定量測量碳儲存或放電的能力。放電容量係碳材料的固有性質，放電容量取決 於碳結構和存有雜質量。大放電容量可比例增加能量密度。第2圖圖示調理碳3與碳4和包括以660℃碳化酚樹脂碳的先前技術材料(碳1)及石墨(碳2)的循環放電容量(按陽極碳重量歸一化，以C/2充放電率測量)。碳1、2、3、4的放電容量分別為39.37mAh/gm、48.46mAh/gm、55.98mAh/gm和95.565mAh/gm。放電容量按陽極碳重量歸一化。
在實施例中，本發明提供使用所述電容器的方法，包含：使電容器放電，以提供有用的功率密度。
在實施例中，方法進一步包含如令電容器結合下列至少一者放電：載具、電子設備、消費性電子裝置、輸電網格系統的部件或上述組合物。電容器可結合需儲存及/或供應電力給如下列至少一者的另一系統使用：載具、消費性電子裝置、電子設備、輸電或發電網格系統的部件或上述組合物。載具例如為移動式機工車，用以運輸如人、貨物或有目的載重，例如相機或無人駕駛或無人機系統(UAS)的軍械。其他載具實例為台車、腳踏車、機動載具(例如摩托車、汽車、卡車、巴士、火車)、船隻(例如船艦、小艇)、太空船、飛機或上述組合物。
第3圖圖示含上述四種碳的裝置充放電率性能比較。相較於碳1和碳2，碳3和碳4各自展現優異的能量與功率密度性能。優異的高充放電率性能對電容裝置 而言很重要，因為不像電池的充放電率為較低等級，電容裝置會經歷高充放電率的充放電循環。在1C充放電率下，陽極含四種碳之一的LIC裝置各自的性能如下：比較碳1的能量密度為29.44Wh/l，功率密度為24.88W/l；比較碳2(石墨)的能量密度為36.67Wh/l，功率密度為26.27W/l；碳3的能量密度為42.57Wh/l，功率密度為47.51W/l；及碳4的能量密度為41.588Wh/l，功率密度為34.631W/l。
碳3和碳4在能量與功率密度性能方面明顯優於碳1和碳2。Ragone資料顯示在整個充放電率測試範圍，在功率與能量密度方面，含源自碳3或碳4之陽極的LIC裝置勝過含源自碳1或碳2之陽極的裝置。
實例
以下實例說明根據上述一般程序，所述源自酚樹脂之碳的製作、使用與分析和方法。
比較實例1
碳1：以660℃碳化源自酚樹脂之碳(描述於US 2013/0201606A1)。以100℃至125℃固化酚樹脂GP® 510D50 RESI-SET®酚浸漬樹脂(取自Georgia Pacific)。亦以100℃至120℃固化酚樹脂，接著磨成細粉而製備酚樹脂盤。接著把粉狀樹脂放到蒸 餾爐並以50℃/hr加熱達500℃。接著使爐溫保持在500℃，計1小時。接著按10℃/hr使爐升溫至660℃。接著使爐溫保持在660℃，計1小時。關爐及被動式冷卻。將所得碳1研磨成5微米粒徑，及用拉曼光譜儀進行結構分析。堆疊拉曼光譜繪示於第1圖。碳1於1308.83公分-1(cm-1)處具ID峰(無序峰)，強度為2339.745 a.u.，及於約1601.01cm-1處具IG峰，強度為1952.962 a.u.(表1)。碳1的ID/IG峰比值為1.20。碳1(源自酚樹脂之碳)亦經相對百分比元素分析。分析前，在真空、125℃下乾燥樣品，計6小時。所有元素結果係按乾量基準計且列於表2。以660℃處理源自酚樹脂之碳的元素分析為：C：95.27%，H：1.76%，N：0.1%，O：2.11%。碳1亦經BET分析，以探測碳的表面積為426.8621m2/gm。
所得碳用於鑄造鋰離子電容器的陽極電極。陽極由90重量%的源自酚樹脂之碳1、5重量%的Timcal Super C-45導電碳和5重量%、做為黏著劑的KYNAR HSV 900等級PVDF(分子量：1000000)組成。
陽極製備如下。在Retsch PM-100球磨機中，以350rpm(每分鐘轉數)球磨3.6克的源自酚樹脂之碳和0.2克的Timcal Super C-45，計15分鐘。將0.2克的PVDF加至混合物，及以350rpm球磨15分鐘。將數滴N-甲基吡咯啶酮(NMP)加至混合物而形 成混合物糊膏。接著在銅箔(產品編號-Oak Mitsui TLB-DS)上塗佈糊膏，及通過滾壓機，以製造4密耳厚的混合物。沖壓壓延電極，以製作直徑14毫米的圓形電極。接著在真空、120℃下乾燥沖壓電極，計16小時。
陰極由後述85%的活性Corning碳(陰極碳)、10重量%的PTFE(DuPont 601A Teflon PTFE)和5重量%的Cabot Black Pearl 2000組成(例如參見美國專利案：第8,318,356號、第8,784,764號、第8,524,632號和第8,541,338號)。
在鋁護層鈕扣型電池中依序堆疊，以將Li離子電容器嵌裝至CR2032型電池：陰極電極，由後述85重量%的Corning碳和5重量%的Cabot Black Pearl 2000組成；NKK-4425隔離膜；及5毫克的鋰複合物粉末(LCP)，塗覆於由碳1(以660℃碳化、源自酚樹脂之碳)製成的陽極。
鋰複合物粉末(LCP)係包覆鋰微粒，包含：核心，包含下列至少一者：鋰、鋰金屬合金或上述組合物；及殼層，包含鋰鹽和油，殼層包覆核心，粒徑為1至500微米(參見西元2012年11月9日申請、名稱為「LITHIUM COMPOSITE PARTICLES」且共同擁有及讓渡的USSN 13/673019和西元2014年9月23日申請、名稱為「ENCAPSULATED LITHIUM PARTICLES AND METHODS OF MAKING AND USE THEREOF」的USSN 14/493886)。LCP用於預摻雜陽極。
Corning碳由麵粉前驅物製成。以650℃至700℃碳化麵粉。將碳化碳研磨成粒徑約5微米。接著在750℃下，使用KOH(鹼)且依KOH：碳重量比為2.2：1，活化研磨碳化碳，計2小時。進一步用水洗滌碳，以移除任何殘留KOH。接著用HCl處理所得活性碳，以中和任何微量KOH，再用水洗滌，使碳中和成pH=7。接著在氮與氫形成氣體中，以900℃熱處理活性碳，計2小時。
接著把電池捲曲到MTI鈕扣型電池捲縮機，及在Arbin BT 2000中，以0.5mA電流與3.8伏特(V)至2.2V進行恆定電流充放電調理。經第三次調理循環後(第2圖)，碳1的放電容量為39.374mAh/gm(按陽極碳重量計)。電池經C-充放電率性能處理，其中電池以1mA恆定電流充電，及以不同放電率放電。第3圖圖示碳1按體積基準計的C-充放電率性能。電池的最大能量密度為29.44Wh/l。
比較實例2
碳2：源自石墨之碳和電極性能。特別合成用於Li離子電極應用的Timcal TB-17石墨粉末取自MTI公司並原樣使用。原樣碳用拉曼光譜儀進行結構分析。堆疊拉曼光譜繪示於第1圖。石墨於1316.33cm-1處具ID峰(無序峰)，強度為3019.06 a.u.，及於約 1599.91cm-1處具IG峰，強度為2000.583 a.u.(表1)。ID/IG峰比值為1.51。依比較實例1對Timcal石墨粉末進行元素分析可得：C：99.4%，H：0.27%，N：0.02%，O：少於0.1%。
石墨用於鑄造鋰離子電容器的陽極電極。陽極由90重量%的Timcal石墨粉末、5重量%、取自MTI公司的Timcal Super C-45導電碳和5重量%、做為黏著劑的KYNAR HSV 900等級PVDF(分子量：1000000)組成。
陽極製備如下。在Retsch PM-100球磨機中，以350rpm球磨3.6克的Timcal石墨粉末碳和0.2克的Timcal Super C-45，計15分鐘。將0.2克的PVDF加至Timcal石墨粉末與Timcal Super C-45混合物，及以350rpm球磨15分鐘。將幾滴N-甲基吡咯啶酮(NMP)加至混合物而形成混合物糊膏。接著在銅箔(產品編號-Oak Mitsui TLB-DS)上塗佈糊膏，及通過滾壓機，以達成4密耳碳厚度。沖壓壓延電極，以製作直徑14毫米的圓形電極。接著在真空、120℃下乾燥沖壓電極，計16小時。
將Li離子電容器嵌裝至CR2032型電池。陰極由85%的上述Corning碳、10%的PTFE(DuPont 601A Teflon PTFE)和5%的Cabot Black Pearl 2000組成。隔離膜係NKK-4425隔離膜。將5毫克的上 述鋰複合物粉末塗覆於由Timcal TB-17石墨粉末製成的陽極。
接著把電池捲曲到MTI鈕扣型電池捲縮機，及在Arbin BT 2000中，以0.5mA電流與3.8V至2.2V進行恆定電流充放電調理。經第三次調理循環後(第2圖)，具石墨陽極的電池提供48.46mAh/gm的放電容量(按陽極碳重量計)。電池經C-充放電率性能處理，其中電池以1mA恆定電流充電，及以不同放電率放電。第3圖圖示Timcal TB-17石墨按體積基準計的C-充放電率性能。電池的最大能量密度為36.69Wh/l。
實例3
碳3：重複比較實例1，除了先在氮中，以1000℃熱處理(即碳化)研磨樹脂2小時。接著用1N HCl洗滌碳化樹脂16小時，然後用蒸餾水洗滌，直到pH達到5。接著用1N NH4OH洗滌所得碳，然後用蒸餾水洗滌，直到pH達到5。接著第二次在氮中熱處理碳達1000℃，計2小時。所得碳3用拉曼光譜儀進行結構分析，堆疊拉曼光譜繪示於第1圖。碳3於1315.23cm-1處具ID峰(無序峰)，強度為8250.880 a.u.，及於約1595.84cm-1處具IG峰，強度為5805.220 a.u.(表1)。ID/IG比值為1.42。依比較實例1對碳3進行元素分析可得：C：97.2重量%，H：0.39重量%，N：0.27重量%，O：1.69重量%。
碳3用於鑄造鋰離子電容器的陽極，且依比較實例1組裝及測試。經第三次調理循環後(第2圖)，碳3提供55.987mAh/gm的放電容量(按陽極碳重量計)。第3圖圖示碳3按體積基準計的C-充放電率性能。電池的最大能量密度為42.57Wh/l。
實例4
碳4：重複比較實例1，除了先在氮中，以1000℃熱處理(即碳化)研磨樹脂2小時。接著第二次在氮中熱處理碳達1600℃，計2小時。所得碳4用拉曼光譜儀進行結構分析，堆疊拉曼光譜繪示於第1圖。碳4於1308.36cm-1處具ID峰(無序峰)，強度為7855.690 a.u.，及於約1600.65cm-1處具IG峰，強度為4232.410 a.u.(表1)。ID/IG峰比值為1.42。依比較實例1對碳4進行元素分析可得：C：98.54重量%，H：0.1重量%，N：0.11重量%，O：0.1重量%。碳4用於鑄造鋰離子電容器的陽極，且依比較實例1組裝及測試。經第三次調理循環後(第2圖)，碳4提供95.565mAh/gm的放電容量(按陽極碳重量計)。第3圖圖示碳4按體積基準計的C-充放電率性能。電池的最大能量密度為41.588Wh/l。
表1 不同碳的無序(I D )峰、石墨(I G )峰和峰比值(I D /I G )的拉曼強度(I)比較。
本發明已參照各種特定實施例和技術描述如上。然應理解本文當可作許多更動與潤飾，同時仍落在本發明保護範圍內。

Claims (14)

  1. 一種鋰離子電容器中的陽極，包含：一碳組成，包含：85-95重量%的一源自酚樹脂之碳；1-8重量%的一導電碳；及3-10重量%的一黏結劑；及一導電基板，該導電基板支撐該碳組成，其中該源自酚樹脂之碳由拉曼分析的一無序(D)峰與石墨(G)峰強度比值為1.40至1.9；一氫含量為0.05-0.5重量%；一氮含量為0.05-0.5重量%；及一氧含量為0.05-1.75重量%。
  2. 如請求項1所述之陽極，其中：該源自酚樹脂之碳佔88-92重量%；該導電碳佔4-7重量%；及該黏結劑為PVDF並佔4-6重量%，且具有300000至1000000的一分子量。
  3. 如請求項1所述之陽極，其中：該源自酚樹脂之碳由拉曼分析的一無序(D)峰與石墨(G)峰強度比值為1.55至1.95。
  4. 如請求項1所述之陽極，進一步包含一鋰複合物粉末塗覆於該陽極的至少一部分表面。
  5. 如請求項1所述之陽極，其中該源自酚樹脂之碳具有0.05-0.25重量%的一氫含量；0.05-0.5 重量%的一氮含量；及0.05-0.5重量%的一氧含量。
  6. 如請求項1所述之陽極，其中該源自酚樹脂之碳具有1-500m2/g的一低表面積和1-30微米的一粒徑。
  7. 一種鋰離子電容器，包含：如請求項1之陽極。
  8. 如請求項7所述之鋰離子電容器，其中該陽極係以1C至4000C的一高充放電率操作。
  9. 如請求項7所述之鋰離子電容器，進一步包含：一電池，包含一堆疊，該堆疊為：該陽極；一陰極，包含一熱與KOH活化且源自麵粉之碳、一氟聚合物和一導電碳黑；一隔離膜；及一鋰複合物粉末，塗覆於該陽極的至少一部分表面。
  10. 如請求項9所述之鋰離子電容器，其中該電池具有50-120mAh/gm的一放電容量和35-60Wh/l的一最大能量密度。
  11. 一種製作一碳電極的方法，該方法包含：在950℃至1150℃下、在一惰性大氣中，第一次 熱處理一源自酚樹脂之碳微粒；用一酸、然後一鹼來處理該熱處理微粒；在950℃至1700℃下，在一惰性大氣中，第二次熱處理源自酚樹脂之碳微粒；混合該等第二次熱處理微粒與一黏結劑和一溶劑，以形成一混合物；及施用該混合物於一導電集電器而形成該電極。
  12. 如請求項11所述之方法，進一步包含使該混合物包括1-8重量%的一導電碳。
  13. 一種使用如請求項7之鋰離子電容器的方法，包含：使該電容器放電，以提供一放電容量、一能量密度和一功率密度。
  14. 如請求項13所述之方法，進一步包含令該電容器結合下列至少一者放電：一載具、一電子設備、一消費性電子裝置、一輸電網格系統的一部件或上述組合物。
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