專利名稱：制造鋰離子電容器的方法以及利用其制造的鋰離子電容器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種鋰離子電容器，更具體地，涉及一種制造鋰離子電容器的方法以及使用該方法制造的鋰離子電容器，在該方法中，負極(陰極，anode)的鋰離子預摻雜工藝利用具有設置在其一個表面上的鋰薄膜的隔膜來進行。
背景技術：
通常，電化學能量存儲裝置是最終產品的核心部件，其基本上被用于移動信息通信裝置、和移動電子裝置中。此外，電化學能量存儲裝置將被可靠地用作可用于未來電動車輛、移動電子終端等的可再生能量系統(tǒng)中的高質量能量源。在電化學能量存儲裝置中，電化學電容器可以被分類為利用電雙層理論的雙電荷層電容器和利用電化學氧化-還原反應的混合超級電容器。這里，雖然雙電荷層電容器被廣泛用于其中需要高輸出能量特性的領域，但是雙電荷層電容器具有諸如小容量等問題。另一方面，對混合超級電容器進行了積極的研究以改善雙電荷層電容器的容量特性。特別地，在混合超級電容器中，鋰離子電容器(LIC)具有摻雜有鋰離子的負極以具有雙電荷層電容器的三至四倍的充電容量，提供較大的能量密度。這里，在用鋰離子預摻雜負極的過程中，鋰金屬膜設置在電極單元的最上層和最下層上，然后，電極單元浸沒在電解質中。同時，由于鋰膜設置在電極單元的兩端，因此鋰離子可以非均勻地摻雜至層壓的負極。此外，由于鋰金屬膜可以在預摻雜工藝后保留，因此鋰金屬可以在鋰離子電容器的操作過程中脫嵌從而降低鋰離子電容器的可靠性。而且，由于需要約20天直到鋰離子均勻地摻雜至設置在電極單元中的負極，因此難以將該工藝用于大規(guī)模生產。即，雖然鋰離子電容器需要對負極進行預摻雜工藝以改善容量特性，但是鋰離子電容器的可靠性可能由于對負極的預摻雜工藝而降低或者難以將該工藝用于大規(guī)模生產。因此，為了將具有高容量的鋰離子電容器用于大規(guī)模生產，需要一種能夠均勻且快速地將鋰離子摻雜至負極的新型負極預摻雜工藝(方法)。

發(fā)明內容
已經發(fā)明了本發(fā)明，以便克服上述問題，因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種制造鋰離子電容器的方法以及使用該方法制造的鋰離子電容器，該方法包括利用具有設置在其一個表面上的鋰膜的隔膜來對負極進行鋰離子預摻雜工藝。根據(jù)用來實現(xiàn)所述目的的本發(fā)明的一個方面，提供了一種制造鋰離子電容器的方法，包括在隔膜的一個表面上形成鋰薄膜；使該鋰薄膜與負極接觸，并且利用置于其間的隔膜交替設置負極和正極(cathode)以形成電極單元；以及將該電極單元和電解質封入到殼體中，并將鋰離子從鋰薄膜預摻雜至負極中。這里，負極可以包括負極集電體和設置在負極集電體的一個表面上的負極活性物質層。此外，在使鋰薄膜與負極接觸并且利用置于其間的隔膜交替設置負極和正極以形成電極單元中，可以使負極集電體與鋰薄膜接觸。而且，負極集電體可以具有有多個通孔的網孔型。此外，正極可以包括正極集電體和設置在正極集電體的兩個表面上的正極活性物質層。此外，正極集電體可以具有沒有孔的薄片形狀。而且，鋰薄膜可以具有1至10 μ m的厚度范圍。此外，在隔膜的一個表面上形成鋰薄膜中，鋰薄膜可以通過真空氣相沉積法形成。根據(jù)用來實現(xiàn)所述目的的本發(fā)明的一個方面，提供了一種鋰離子電容器，包括利用置于其間的隔膜交替設置的正極和負極，其中所述正極包括沒有孔的正極集電體和設置在正極集電體的兩個表面上的正極活性物質層，而負極包括負極集電體和設置在負極集電體的一個表面上的負極活性物質層。 這里，負極活性物質層可以摻雜有鋰離子。此外，負極活性物質層可以包括天然石墨、合成石墨(人造石墨)、石墨碳纖維、非石墨碳、和碳納米管中的至少一種。此外，負極活性物質層可以包括活性炭。


通過以下結合附圖的實施方式的描述，本發(fā)明的總發(fā)明構思的這些和/或其他方面和優(yōu)點會變得顯而易見并且更易于理解，在附圖中圖1至圖6是用于說明根據(jù)本發(fā)明第一示例性實施方式的制造鋰離子電容器的方法的透視圖；以及圖7是根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實施方式的鋰離子電容器的截面圖。
具體實施例方式在下文中，將參照附圖詳細地描述本發(fā)明的用于鋰離子電容器的實施方式。下面的實施方式作為實例提供以完全將本發(fā)明的精神轉達給本領域的技術人員。因此，本發(fā)明不應解釋為限于本文闡述的實施方式并且可以以不同形式來具體化。并且，為了說明的方便，裝置的尺寸和厚度可能被過分描繪(夸大)。在下文中，相同的部件由相同的參考標號表示。圖1至圖6是用于說明根據(jù)本發(fā)明第一示例性實施方式的制造鋰離子電容器的方法的透視圖。
參照圖1，為了制造鋰離子電容器100，首先，在隔膜113的一個表面上形成鋰膜 114。這里，隔膜113可以起到電性隔開下面將描述的負極112和正極111的作用。隔膜113可以具有離子能夠通過其中移動的多孔結構。雖然隔膜113可以由諸如紙、無紡布、 纖維素基樹脂等材料形成，但是本發(fā)明的實施方式的隔膜113不限于此。鋰薄膜114可以起到用于將鋰離子供應給負極112的源的作用，其將在下面進行描述。這里，鋰薄膜114可以通過真空沉積法形成。此時，鋰薄膜114可以具有1至ΙΟμπι 的厚度。這里，當鋰薄膜的厚度小于1 μ m時，由于待摻雜至負極112中的鋰的量太小并且負極活性物質層112b與鋰薄膜114之間的接觸電阻可能會降低，因此預摻雜工藝可能不會順利地進行。另一方面，當鋰薄膜的厚度大于10 μ m時，在對負極112進行預摻雜工藝之后， 鋰可能會保留在隔膜113上。這里，鋰薄膜114的厚度不限于此，而是可以根據(jù)負極112的材料或厚度進行變化。參照圖2，除了在隔膜113上形成鋰薄膜114之外，還分開地設置負極112。負極 112可以包括負極集電體11 以及設置在負極集電體11 的一個表面上的負極活性物質層11北。負極集電體11 可以包括例如銅、鎳和不銹鋼的金屬中的任何一種。負極集電體 11 可以具有帶有多個用于進行離子的有效遷移和均勻摻雜工藝的通孔的網孔形狀。負極活性物質層112b可以由鋰離子能夠被可逆地摻雜(嵌入，dope)和去摻雜 (脫嵌，undope)的碳材料形成，例如，選自天然碳、合成碳、中間相浙青基碳纖維(MCF)、中間碳微球(MCMB)、石墨晶須、石墨碳纖維、非石墨碳、多并苯基有機半導體、碳納米管碳材料和石墨材料的復合碳材料、糠醇樹脂的熱解材料、酚醛樹脂的熱解材料、和縮合多環(huán)碳氫化物的熱解材料諸如浙青、焦炭等中的任何一種或混合的兩種或更多種。此外，負極活性物質層112b可以進一步包括粘結劑。這里，粘結劑可以由選自氟化物基樹脂諸如聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVdF)等，熱固性樹脂諸如聚酰亞胺、聚酰胺酰亞胺、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等，纖維素基樹脂諸如羧甲基纖維素(CMC)等，橡膠基樹脂諸如丁苯橡膠(SBR)等，乙烯丙烯二烯單體(EPDM)(聚合物)、聚二甲基硅氧烷 (PDMS)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等中的一種或兩種或更多種形成。此外，負極活性物質層112b可以進一步包括導電材料，例如炭黑、溶劑等。負極112可以包括待連接至外部電源的負極端子130。負極端子130可以從負極集電體11 延伸。這里，由于多個負極端子130可以分別從負極集電體11 延伸以被層壓，因此層壓的負極端子130可以通過超聲粘結(超聲焊接)而集成在一起(一體化)從而容易與外部電源接觸。此外，負極端子130可以包括通過粘結或焊接而連接至外部端子的分開的外部端子。參照圖3，除了設置負極外，還單獨設置正極111。這里，正極111可以包括正極集電體Illa和設置在正極集電體Illa的兩個表面上的正極活性物質層111b。正極集電體Illa可以由選自鋁、不銹鋼、銅、鎳、鈦、鉭和鈮中的任何一種形成。正極集電體Illa可以具有沒有孔的薄片形狀。由于鋰薄膜與負極直接接觸以在隨后的工藝過程中進行預摻雜工藝，因此不需要在正極集電體Illa中形成鋰離子通過其遷移的通孔。從而，由于正極集電體Illa具有沒有孔的薄片形狀，因此可以降低鋰離子電容器的內部電阻。正極活性物質層Illb可以包括離子能夠被可逆地摻雜(嵌入，dope)和去摻雜 (脫嵌，undope)的碳材料，即，活性炭。此外，正極活性物質層Illb可以進一步包括粘結劑。這里，粘結劑可以由選自氟化物基樹脂諸如聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVdF)等， 熱固性樹脂諸如聚酰亞胺、聚酰胺酰亞胺、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等，纖維素基樹脂諸如羧甲基纖維素(CMC)等，橡膠基樹脂諸如丁苯橡膠(SBR)等，乙烯丙烯二烯單體(EPDM)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等中的一種或兩種或更多種形成。此外，正極活性物質層Illb可以進一步包括導電材料，例如炭黑、溶劑等。這里，正極111可以包括待連接至外部電源的正極端子120。正極端子120可以通過粘結單獨的端子而形成，或者可以從正極111的正極集電體Illa延伸。參照圖4，在設置具有鋰薄膜114的隔膜113、正極111和負極112之后，利用設置在其間的隔膜113來順序設置正極111和負極112以形成電極單元110。這里，為了將鋰離子預摻雜至負極112，使隔膜113的鋰薄膜114與負極112的負極集電體11 接觸。由于負極活性物質層112b由碳材料形成，因此當負極活性物質層112b與鋰薄膜114直接接觸時，由于電阻的產生，很難將鋰離子摻雜至負極活性物質層112b。同時，由導電材料形成的負極集電體11 與鋰薄膜114接觸以使鋰離子摻雜至負極活性物質層112b從而降低在摻雜期間的電阻，從而使鋰離子均勻地摻雜至負極活性物質層112b中。雖然在該實施方式中作為袋型已經示出并描述了電極單元110，但是電極單元 110不限于此，而是可以為其中正極111、負極112和隔膜113以輥形狀卷繞的卷繞型。參照圖5，多個層壓的負極端子130和多個層壓的正極端子120被粘結從而被集成在一起。這里，粘結過程可以是超聲焊接、激光焊接、或點焊接，并且本發(fā)明的實施方式并不限于此。另外，粘結的負極端子130和正極端子120可以被單獨連接至外部端子。在形成電極單元110之后，通過殼體150來密封電極單元110和電解質以形成鋰離子電容器100。對電極單元110的密封過程進行具體描述，首先，設置兩片層壓膜，以夾住電極單元110。接著，將兩個層壓膜進行熱粘結使得電極單元110可以封入到殼體150中。同時， 粘結的正極端子120和負極端子130從殼體150暴露，以電連接至外部電源。這里，熱粘結工藝沿著兩個層壓膜的邊緣進行，同時保留通過其電解質插入到置于兩個層壓膜之間的電極單元110中的間隙。當電解質通過該間隙填充在殼體150中時，電解質可以滲透到電極單元110，S卩，隔膜113、負極活性物質層112b和正極活性物質層Illb 中。此外，由于電絕緣的鋰薄膜114與負極活性物質層112b之間的電位差，因此鋰離子可以從鋰薄膜114穿過負極集電體11 的通孔從而預摻雜至負極活性物質層112b中。這里，電解質可以包括電解材料和溶劑。電解材料可以具有鹽相，例如，鋰鹽、銨鹽等。溶劑可以使用非質子有機溶劑。溶劑可以考慮到溶解性、與電極的反應性、粘度、和可用的溫度范圍進行選擇。溶劑可以是例如碳酸亞丙酯、碳酸二乙酯、碳酸亞乙酯、環(huán)丁砜、丙酮腈(acetone nitrile)、二甲氧基乙烷、四氫呋喃、碳酸甲基乙基酯等。這里，溶劑可以通過混合一種或兩種或更多種而使用。例如，溶劑可以通過混合碳酸亞乙酯和碳酸甲基乙基酯而使用。同時，碳酸亞乙酯和碳酸甲基乙基酯的混合比可以為1 1至1 2。在填充電解質之后，可以真空密封間隙以形成鋰離子電容器100。這里，雖然殼體150已經被描述為使用層壓膜形成，但是殼體并不限于此而是可以使用金屬殼。如在本發(fā)明的此實施方式中所描述的，鋰薄膜可以與利用置于其間的隔膜層壓的負極112直接接觸以預摻雜鋰離子，從而降低預摻雜時間。因此，可以改善鋰離子電容器的
生產率。另外，由于負極112的預摻雜工藝可以在殼體150中進行，因此不需要提供用于進行負極112的預摻雜工藝的手套箱。因此，由于可以降低生產設備的投資，因此還可以降低鋰離子電容器的制造成本。此外，由于鋰薄膜114與負極112直接接觸以預摻雜鋰離子，因此不需要使鋰離子遷移至正極集電體111a。從而，由于正極集電體Illa可以具有沒有孔的薄片形狀，因此可以降低鋰離子電容器的電阻。根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的鋰離子電容器顯示出良好的性能并且在3. 8V至 2. OV的高電壓范圍和60°C循環(huán)下具有較高的容量。因此，由于鋰離子通過兩個階段的預摻雜工藝而被預摻雜至負極中，因此可以改善能量密度，并且可以確?？煽啃浴Ｔ谙挛闹?，將詳細地描述通過根據(jù)本發(fā)明示例性實施方式的制造鋰離子電容器的方法制造的鋰離子電容器。圖7是根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實施方式的鋰離子電容器的截面圖。參照圖7，根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實施方式的鋰離子電容器可以包括電極單元 110和用于密封浸沒在電解質中的電極單元110的殼體150(參見圖6)。這里，電極單元110可以包括利用設置在其間的隔膜113交替層壓的正極111和負極112。正極111可以包括正極集電體Illa和設置在正極集電體Illa的兩個表面上的正極活性物質層111b。這里，由于負極112的預摻雜工藝可以在其中鋰薄膜114與負極112 直接接觸的狀態(tài)下進行，因此不需要使鋰穿過正極集電體111a，從而正極集電體Illa可以具有沒有孔的薄片形狀。因此，可以降低鋰離子電容器100的內部電阻。正極活性物質層Illb可以包括鋰離子能夠被可逆地摻雜和去摻雜的碳材料，例如，活性炭。正極111可以包括設置在正極集電體Illa的一側上的正極端子120。負極112可以包括負極集電體11 和設置在負極集電體11 的一個表面上的負極活性物質層112b。這是因為，為了降低在負極的預摻雜工藝過程中負極活性物質層112b 與鋰薄膜之間的電阻，負極集電體11加與鋰薄膜接觸。這里，負極集電體11 可以由銅和鎳中的至少一種形成的箔而形成。負極集電體11 可以具有帶有鋰離子能夠通過其遷移至負極活性物質層112b的多個通孔的網孔形狀。負極活性物質層可以包括鋰離子能夠被可逆地摻雜和去摻雜的任何一種碳材料， 例如，天然石墨、合成石墨、石墨碳纖維、非石墨碳、和碳納米管。同時，由于鋰離子被預摻雜至負極活性物質層112b，并且負極活性物質層112b的電位相對于鋰可以接近0V，因此可以增加鋰離子電容器的能量密度從而改善充電/放電循環(huán)的可靠性。同時，負極活性物質層 112b的電位可以根據(jù)應用產品通過控制鋰離子的預摻雜工藝而不同地改變。負極112可以包括設置在負極集電體11 的一側上的負極端子130。因此，如在本發(fā)明的實施方式中所描述的，負極包括設置在負極集電體的僅一個表面上的負極活性物質層。因此，由于在保持常規(guī)技術的厚度的同時可以增加層壓在鋰離子電容器上的電極的數(shù)目，因此可以降低鋰離子電容器的內部電阻。如從前述可以看到的，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的鋰離子電容器可以利用形成在隔膜上的鋰薄膜而將鋰離子直接預摻雜至負極，降低了預摻雜工藝時間并且將鋰離子均勻地摻雜至負極中。此外，鋰離子可以均勻且快速地摻雜至負極中，從而使得能夠制造高容量的鋰離子電容器，并且可以確保其可靠性和生產率。而且，由于電極的預摻雜工藝可以在其中容納有電極單元的殼體中進行并且不需要提供用于進行電極的預摻雜工藝的單獨的手套箱，因此可以降低鋰離子電容器的制造成本。此外，正極可以包括具有無孔結構的集電體以降低鋰離子電容器的內部電阻。如上所述，雖然已經示出并描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是本領域技術人員可以理解，在不背離總發(fā)明構思的原則和精神的情況下，可以對這些實施方式進行替換、更改和變化，總發(fā)明構思的范圍在所附的權利要求以及它們的等價物中進行限定。
權利要求
1.一種制造鋰離子電容器的方法，包括在隔膜的一個表面上形成鋰薄膜；使所述鋰薄膜與負極接觸，并且利用置于其間的所述隔膜交替設置所述負極和正極以形成電極單元；以及將所述電極單元和電解質封入到殼體中，并且將鋰離子從所述鋰薄膜預摻雜至所述負極中。
2.根據(jù)權利要求1所述的制造鋰離子電容器的方法，其中，所述負極包括負極集電體和設置在所述負極集電體的一個表面上的負極活性物質層。
3.根據(jù)權利要求2所述的制造鋰離子電容器的方法，其中，在使所述鋰薄膜與所述負極接觸并且利用置于其間的所述隔膜交替設置所述負極和所述正極以形成所述電極單元中，使所述負極集電體與所述鋰薄膜接觸。
4.根據(jù)權利要求2所述的制造鋰離子電容器的方法，其中，所述負極集電體具有有多個通孔的網孔型。
5.根據(jù)權利要求1所述的制造鋰離子電容器的方法，其中，所述正極包括正極集電體和設置在所述正極集電體的兩個表面上的正極活性物質層。
6.根據(jù)權利要求5所述的制造鋰離子電容器的方法，其中，所述正極集電體具有沒有孔的薄片形狀。
7.根據(jù)權利要求1所述的制造鋰離子電容器的方法，其中，所述鋰薄膜具有1至10μ m 的厚度范圍。
8.根據(jù)權利要求1所述的制造鋰離子電容器的方法，其中，在所述隔膜的一個表面上形成所述鋰薄膜中，通過真空氣相沉積法來形成所述鋰薄膜。
9.一種鋰離子電容器，包括利用置于其間的隔膜交替設置的正極和負極，其中，所述正極包括沒有孔的正極集電體和設置在所述正極集電體的兩個表面上的正極活性物質層，并且所述負極包括負極集電體和設置在所述負極集電體的一個表面上的負極活性物質層。
10.根據(jù)權利要求9所述的鋰離子電容器，其中，所述負極活性物質層摻雜有鋰離子。
11.根據(jù)權利要求9所述的鋰離子電容器，其中，所述負極活性物質層包括天然石墨、 合成石墨、石墨碳纖維、非石墨碳、和碳納米管中的至少一種。
12.根據(jù)權利要求9所述的鋰離子電容器，其中，所述負極活性物質層包括活性炭。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種制造鋰離子電容器的方法以及利用其制造的鋰離子電容器。該制造鋰離子電容器的方法包括在隔膜的一個表面上形成鋰薄膜；使該鋰薄膜與負極接觸，并且利用置于其間的隔膜交替設置負極和正極以形成電極單元；以及將該電極單元和電解質封入到殼體中，并將鋰離子從鋰薄膜預摻雜至負極中。由于鋰薄膜可以與利用置于其間的隔膜層壓的負極直接接觸以預摻雜鋰離子，所以降低了預摻雜時間。因此，可以改善鋰離子電容器的生產率。
文檔編號H01G9/02GK102385991SQ201110141359
公開日2012年3月21日 申請日期2011年5月27日 優(yōu)先權日2010年8月31日
發(fā)明者崔東赫, 李相均, 趙智星, 金倍均, 閔泓錫 申請人:三星電機株式會社