一種設(shè)備及關(guān)聯(lián)方法
【專利摘要】一種電極，該電極(304)包括：導(dǎo)電層(305)，其配置成在使用時充當(dāng)電荷收集器，以通過導(dǎo)電層為所產(chǎn)生和/或存儲的電荷提供電路徑；阻擋層(321)，其配置成覆蓋所述導(dǎo)電層(305)的表面的一部分，使得當(dāng)電極(304)與電解質(zhì)接觸時，阻止電解質(zhì)實質(zhì)接觸并腐蝕被覆蓋部分處的導(dǎo)電層(305)；以及配置成用于產(chǎn)生和/或存儲電荷的活性電極元件(307)，該活性電極元件(307)與導(dǎo)電層(305)電接觸地布置在非覆蓋部分中，以便阻止電解質(zhì)實質(zhì)接觸并腐蝕非覆蓋部分中的導(dǎo)電層(305)，并且以便也被暴露于所述電解質(zhì)以允許產(chǎn)生和/或存儲電荷以及向?qū)щ妼?305)提供所產(chǎn)生/存儲的電荷。
【專利說明】一種設(shè)備及關(guān)聯(lián)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開涉及電子器件、關(guān)聯(lián)設(shè)備及方法的領(lǐng)域，并且特別涉及電池和超級電容器 的電極。某些公開的方面/實施例涉及便攜式電子裝置，特別涉及在使用時可手持的所謂 手持便攜式電子裝置（盡管它們在使用時也可放置在托架中）。這類手持便攜式電子裝置 包括所謂的個人數(shù)字助理（PDA)。
[0002] 根據(jù)一個或多個公開的方面/實施例的便攜式電子裝置/設(shè)備可以提供一個或多 個音頻/文本/視頻通信功能（例如，遠(yuǎn)程通信，視頻通信，和/或文本傳輸，短消息服務(wù) (SMS)/多媒體消息服務(wù)（MMS)/電子郵件功能，交互式/非交互式查看功能（例如，網(wǎng)頁瀏 覽，導(dǎo)航，TV/節(jié)目觀看功能），音樂錄制/播放功能（例如，MP3或其它格式和/或（FM/AM) 無線電廣播錄制/播放），數(shù)據(jù)下載/發(fā)送功能，圖像拍攝功能（例如，使用（例如，內(nèi)置式） 數(shù)字相機），以及游戲功能。

【背景技術(shù)】
[0003] 便攜式電子裝置日益增加的性能和功能對能量存儲介質(zhì)提出日益增加的需求，并 驅(qū)動電池和電容器技術(shù)的技術(shù)進步。下一代便攜式裝置可能需要具有高功率密度和靈活性 以滿足各種功率和設(shè)計需求的固態(tài)電池和電容器。而且，為了滿足工業(yè)產(chǎn)量需求，能量存儲 介質(zhì)必須能夠以合理成本批量生產(chǎn)。
[0004] 超級電容器彌合電池與傳統(tǒng)電解質(zhì)電容器之間的差距，并開啟電源需求應(yīng)用的一 組新的可能性。超級電容器為移動裝置提供新的機會，在例如相機閃光燈、音頻和RF性能 方面有潛在用途和改善、并且通過提供電流峰值來幫助擴展電池壽命。超級電容器的一個 基本參數(shù)是內(nèi)電阻。超級電容器的功率密度P max可被表示為P max= U V (4 X ESR X M)，其中U 是標(biāo)稱電池電壓（V)，ESR是等效串聯(lián)電阻，并且M是電極的總質(zhì)量。因此，使ESR值保持得 盡可能低對于尚電流應(yīng)用而目是有利的。
[0005] 本文公開的設(shè)備和關(guān)聯(lián)方法可以或者可以不解決這些問題中的一個或多個。
[0006] 本說明書中對先前發(fā)表的文獻(xiàn)或任何背景的羅列或討論不應(yīng)該必須被視為是對 下述的承認(rèn)：所述文獻(xiàn)或背景是當(dāng)前發(fā)展?fàn)顩r的一部分或者是公知常識。本公開的一個或 多個方面/實施例可以或者可以不解決所述背景問題中的一個或多個。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 根據(jù)第一方面，提供了一種電極，該電極包括：
[0008] 導(dǎo)電層，該導(dǎo)電層配置成在使用時充當(dāng)電荷收集器，以通過導(dǎo)電層為所產(chǎn)生和/ 或存儲的電荷提供電路徑；
[0009] 阻擋層，該阻擋層配置成覆蓋所述導(dǎo)電層的表面的一部分，使得當(dāng)電極與電解質(zhì) 接觸時，阻止電解質(zhì)實質(zhì)接觸并腐蝕被覆蓋部分處的導(dǎo)電層；以及
[0010] 配置成用于產(chǎn)生和/或存儲電荷的活性電極元件，該活性電極元件與導(dǎo)電層電接 觸地布置在非覆蓋部分中，以便阻止電解質(zhì)實質(zhì)接觸并腐蝕非覆蓋部分中的導(dǎo)電層，并且 以便也被暴露于所述電解質(zhì)以允許產(chǎn)生和/或存儲電荷以及向?qū)щ妼犹峁┧a(chǎn)生/存儲的 電荷。
[0011] 阻擋層可以是電絕緣體。
[0012] 活性材料可以包括下述中的一種或多種：活性碳，碳納米顆粒，碳納米管，碳納米 角，碳納米管網(wǎng)絡(luò)，石墨烯，石墨烯片晶，金屬納米線，金屬納米線網(wǎng)，半導(dǎo)體納米線，半導(dǎo)體 納米線網(wǎng)，以及金屬氧化物納米顆粒。
[0013] 導(dǎo)電層的未被阻擋層覆蓋的一部分可以配置成充當(dāng)用于連接到電路的電部件的 電觸點。
[0014] 導(dǎo)電層可以包括銅。
[0015] 阻擋層可以包括塑料、聚合物、聚酰亞胺、聚酯、聚氨酯和聚乙烯中的一種或多種。
[0016] 阻擋層可以使用粘合劑被粘合到導(dǎo)電層。粘合劑可以包括環(huán)氧粘合劑或基于丙烯 酸（acrylic-based)的粘合劑。阻擋層可以配置成直接粘合到導(dǎo)電層上。
[0017] 導(dǎo)電層和阻擋層中的一個或多個可以由電路板的相應(yīng)層形成。電路板可以是剛性 電路板，剛?cè)峤Y(jié)合電路板，或者柔性電路板。
[0018] -種設(shè)備可以包括：
[0019] 第一和第二電極，該第一和第二電極中的至少一個電極是根據(jù)第一方面的電極， 其中所述設(shè)備配置成使得在第一與第二電極之間限定有腔室，該腔室包括電解質(zhì)。
[0020] 所述設(shè)備可以是下述中的一個或多個：電存儲設(shè)備，用于電存儲設(shè)備的電路，以及 用于電存儲設(shè)備的模塊（例如，電池或電容器）。所述設(shè)備可以形成便攜式電子裝置的一部 分或用于便攜式電子裝置的模塊的一部分。便攜式電子裝置可以是便攜式遠(yuǎn)程通信裝置。
[0021] 所述電存儲設(shè)備可以包括第一和第二電極以及電解質(zhì)。至少第一電極可以是本文 所述的任何電極。電解質(zhì)可以配置成允許移動離子（或電荷）迀移到第一和/或第二電極、 和/或從第一和/或第二電極迀移，以使得能夠產(chǎn)生和/或存儲電能。
[0022] 所述電存儲設(shè)備可以是電池或電容器（例如，超級電容器）。所述電存儲設(shè)備可以 是鋰金屬電池、鋰離子電池、鋰離子電容器或其它基于電荷載子的電化學(xué)電容器（超級電 容器），例如基于氯化物（Cl)離子傳輸?shù)碾娀瘜W(xué)超級電容器。所述電存儲設(shè)備可以形成便 攜式電子裝置的一部分或用于電子裝置的模塊的一部分。便攜式電子裝置可以是便攜式遠(yuǎn) 程通信裝置。
[0023] 第一和第二電極可以被密封在一起以容納腔室內(nèi)的電解質(zhì)。
[0024] 一個或多個電部件可以被物理和電連接到第一和第二電極中的一個或兩者，以允 許向所述一個或多個電部件供應(yīng)電能。
[0025] 所述電解質(zhì)可以包括碳酸丙二酯、四氟硼酸四乙基銨、氯化鉀水溶液中的一種或 多種。
[0026] 所述設(shè)備可以包括所述第一與第二電極之間的隔板（s印arator)。
[0027] 所述設(shè)備可以是下述中的至少一種：電池，電容器，超級電容器 (supercapacitor)，超電容器（ultracapacitor)，基于電化學(xué)離子傳輸?shù)碾娙萜?，以及?池-電容器混合體。
[0028] 根據(jù)另一方面，提供了一種制作電極的方法，該方法包括：
[0029] 提供導(dǎo)電層，該導(dǎo)電層配置成在使用時充當(dāng)電荷收集器，以通過導(dǎo)電層為所產(chǎn)生 和/或存儲的電荷提供電路徑；
[0030] 提供阻擋層，該阻擋層配置成覆蓋所述導(dǎo)電層的表面的一部分，使得當(dāng)電極與電 解質(zhì)接觸時，阻止電解質(zhì)實質(zhì)接觸并腐蝕被覆蓋部分處的導(dǎo)電層；以及
[0031] 提供配置成用于產(chǎn)生和/或存儲電荷的活性電極元件，該活性電極元件與導(dǎo)電層 電接觸地布置在非覆蓋部分中，以便阻止電解質(zhì)實質(zhì)接觸并腐蝕非覆蓋部分中的導(dǎo)電層， 并且以便也被暴露于所述電解質(zhì)以允許產(chǎn)生和/或存儲電荷以及向?qū)щ妼犹峁┧a(chǎn)生/存 儲的電荷。
[0032] 阻擋層可以使用柔性印刷電路層壓技術(shù)來提供。
[0033] 所述方法可以包括：
[0034] 從導(dǎo)電層的表面蝕刻掉阻擋層的一部分，以提供非覆蓋部分；以及
[0035] 將活性電極元件提供到非覆蓋部分上。
[0036] 阻擋層可以通過蝕刻掉覆蓋層來提供。通過使用標(biāo)準(zhǔn)的柔性印刷電路（FPC)工 藝，覆蓋層（例如，包括例如聚酰亞胺或其它塑料的電絕緣層）首先被層壓在基銅層之上。 接著，蝕刻工藝被用于去除覆蓋層的一個或多個部分。例如，覆蓋層中用于離子傳輸（電解 質(zhì)）通道（電流收集器中以后被活性碳（AC)或其它多孔材料覆蓋以形成活性表面區(qū)域的 區(qū)域）和/或電接觸的區(qū)域中的部分可以被去除。
[0037] 阻擋層可以使用光刻技術(shù)來提供。阻擋層的一部分可以使用蝕刻被去除以形成非 覆蓋部分。
[0038] 阻擋層可以或可以不比導(dǎo)電層更耐電解質(zhì)的化學(xué)腐蝕。
[0039] 電解質(zhì)可以是固態(tài)或凝膠電解質(zhì)。固態(tài)或凝膠電解質(zhì)可以包括鋰磷氧氮。電解質(zhì) 可以是聚合物電解質(zhì)。聚合物可以包括下述中的一種或多種：聚（環(huán)氧乙烷）的衍生物，和 硼酸酯基團。
[0040] 本文公開的任何方法的步驟不必以所公開的確切順序執(zhí)行，除非明確說明。
[0041] 根據(jù)又一方面，提供了一種用于控制電極的制作的計算機程序，該計算機程序包 括配置成控制下述中的一個或多個的計算機代碼：
[0042] 提供導(dǎo)電層，該導(dǎo)電層配置成在使用時充當(dāng)電荷收集器，以通過導(dǎo)電層為所產(chǎn)生 和/或存儲的電荷提供電路徑；
[0043] 提供阻擋層，該阻擋層配置成覆蓋所述導(dǎo)電層的表面的一部分，使得當(dāng)電極與電 解質(zhì)接觸時，阻止電解質(zhì)實質(zhì)接觸并腐蝕被覆蓋部分處的導(dǎo)電層；以及
[0044] 提供配置成用于產(chǎn)生和/或存儲電荷的活性電極元件，該活性電極元件與導(dǎo)電層 電接觸地布置在非覆蓋部分中，以便阻止電解質(zhì)實質(zhì)接觸并腐蝕非覆蓋部分中的導(dǎo)電層， 并且以便也被暴露于所述電解質(zhì)以允許產(chǎn)生和/或存儲電荷以及向?qū)щ妼犹峁┧a(chǎn)生/存 儲的電荷。
[0045] 本公開包括一個或多個孤立的對應(yīng)方面、實施例或特征及其各種組合，不論是否 以該組合或孤立地被明確陳述（包括要求保護的那些）。用于執(zhí)行所討論的功能中的一個 或多個的對應(yīng)裝置也在本公開的范圍內(nèi)。
[0046] 上述
【發(fā)明內(nèi)容】
旨在僅僅是示例性而非限制性的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0047] 現(xiàn)在參考附圖，僅通過示例的方式給出描述，在附圖中：
[0048] 圖Ia示出傳統(tǒng)電池的放電過程；
[0049] 圖Ib示出傳統(tǒng)電池的充電過程；
[0050] 圖2a示出超級電容器的充電過程；
[0051] 圖2b示出超級電容器的放電過程；
[0052] 圖3a示出電極的實施例；
[0053] 圖3b示出包括電極和隔板的實施例的兩個柔性印刷電路板；
[0054] 圖3c示出包括固態(tài)或凝膠電解質(zhì)和本文所述的電極制品的電存儲設(shè)備；
[0055] 圖3d示出包括類似于圖3a的實施例的柔性印刷電路板；
[0056] 圖4a示出電極的實施例；
[0057] 圖4b示出包括固態(tài)或凝膠電解質(zhì)和本文所述的電極制品的電存儲設(shè)備；
[0058] 圖5是用于提供電極的過程的流程圖。
[0059] 圖6示意性地示出提供程序的計算機可讀介質(zhì)。
[0060] 圖7a_c示出實驗結(jié)果。

【具體實施方式】
[0061] 在電路中，電池和電容器被用于向其它部件提供電力。然而，這些電源以相當(dāng)不同 的方式運行。
[0062] 電池使用電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力。傳統(tǒng)電池的放電過程如圖Ia所示。電池包括通 過電解質(zhì)131隔開的兩個電氣端子（電極104a、104b)。電池還可以包含隔板106以防止電 極之間的直接物理接觸，這在使用液態(tài)電解質(zhì)時是特別重要的。在負(fù)電極（陽極104a)處， 發(fā)生產(chǎn)生電子的氧化反應(yīng)。這些電子從陽極104a繞外部電路195 (由箭頭104指示）流向 正電極（陰極l〇4b)，從而允許在陰極104b發(fā)生還原反應(yīng)。電子的流動可以被用于向外部 電路195中的一個或多個電部件196供電。氧化和還原反應(yīng)可以繼續(xù)直到反應(yīng)物被完全轉(zhuǎn) 化。然而重要的是，如果電子不能夠從陽極104a經(jīng)由外部電路195流向陰極104b，則電化 學(xué)反應(yīng)不能發(fā)生。這允許電池長時間存儲電力。在電子從陽極l〇4a繞外部電路流向陰極 104b時，負(fù)電荷云在陰極104b周圍的電解質(zhì)131中形成，并且正電荷云在陽極104a周圍的 電解質(zhì)131中形成。電解質(zhì)131中的正離子137和負(fù)離子138移動以中和這些電荷云，從 而允許所述反應(yīng)和電子的流動繼續(xù)。如果沒有來自電解質(zhì)131的離子137、138,則每個電極 104a、104b周圍的電荷云將禁止電力的產(chǎn)生。
[0063] 原電池是其中電化學(xué)反應(yīng)不可逆的任何種類的電池。這些電池被用作一次性電 池。另一方面，至于二次電池，電化學(xué)反應(yīng)是可逆的，意味著化學(xué)反應(yīng)物能夠恢復(fù)到它們的 初始狀態(tài)。這些電池被用作可充電電池。傳統(tǒng)可充電電池的充電過程在圖Ib中示出。為 了給電池充電，電位差被施加在陽極104a與陰極104b之間。充電器109的正端子從陰極 104b剝離電子并將其返回到陽極104a(由箭頭111指示），在電極-電解質(zhì)分界面引發(fā)化 學(xué)反應(yīng)。再一次，為了補償電荷的迀移，電解質(zhì)131中的正離子107與負(fù)離子108以與之前 相反的方向在電極l〇4a、104b之間移動。
[0064] 由電池生成的電流和電壓取決于用于電極和電解質(zhì)的材料。一種材料相對于另一 種材料失去或獲得電子的能力被稱為其電極電位。氧化劑和還原劑的強度由它們的標(biāo)準(zhǔn)電 極電位指示。帶有相對正電極電位的材料被用于形成陽極，而帶有相對負(fù)電極電位的材料 被用于形成陰極。陽極與陰極電位之間的差值越大，能夠由電池產(chǎn)生的電能的量就越大。例 如，鋰在電化序的頂部出現(xiàn)（大的負(fù)電極電位），表示其是強還原劑。同樣，氟在電化序的底 部出現(xiàn)（大的正電極電位），表示其是強氧化劑。
[0065] 由于鋰的高電極電位，鋰電池能夠產(chǎn)生接近4V的電壓，超過鋅-碳或堿性電池的 電壓的兩倍。取決于用于陽極的材料的選擇，鋰電池的陰極和電解質(zhì)、電流、電壓、容量、壽 命和安全性可以發(fā)生顯著變化。近來，新穎的架構(gòu)已被用于改善這些電池的性能。純鋰是 非?；顫姷模⑶遗c水嚴(yán)格反應(yīng)以形成氫氧化鋰和氫氣。為此，使用非水電解質(zhì)，并且使用 密封容器把水從電池包中嚴(yán)格排除。
[0066] 就是說，許多不同的鋰電池存在是因為鋰與許多陰極和非水電解質(zhì)的低反應(yīng)性。 術(shù)語"鋰電池"指的是一系列不同的化學(xué)成分，其包括作為陽極的鋰金屬或鋰化合物，以及 許多用于陰極和電解質(zhì)的不同材料。多孔碳材料常常用作用于從外部電路接收電子的陰極 電荷收集器。
[0067] 在典型鋰離子電池中，陽極由碳制成，陰極是金屬氧化物，并且電解質(zhì)是有機溶劑 中的鋰鹽。市售的最流行的陽極材料是石墨，并且陰極通常包括：層狀氧化物（例如鋰鈷氧 化物），基于聚陰離子的陰極（例如磷酸鐵鋰），或尖晶石（例如鋰錳氧化物）。電解質(zhì)通 常是有機碳酸酯的混合物，例如包含鋰離子的絡(luò)合物（complex)的碳酸亞乙酯或碳酸二乙 醋。這些非水電解質(zhì)常常包括非配位陰離子鹽例如六氟磷酸鋰（LiPF 6)、六氟砷酸鋰一水化 物（LiAsF6)、高氯酸鋰（LiClO4)、四氟硼酸鋰（LiBF 4)以及三氟甲磺酸鋰（LiCF3SO3)。
[0068] 與電池相反，電容器靜電地存儲電荷，并且不能產(chǎn)生電力。被稱為"超級電容 器"（也被稱為雙電層電容器，超電容器，贗電容器和電化學(xué)雙層電容器）的一種相對新型 的電容器比傳統(tǒng)或電解質(zhì)電容器提供更大的能量存儲，并且對于便攜式電子應(yīng)用正變得越 來越普及。
[0069] 圖2a和2b分別示意性地示出超級電容器的充電和放電過程。超級電容器具有各 自包括導(dǎo)電板205 (電荷收集器）的陰極電極204b和陽極電極204a，它們通過電解質(zhì)231 隔開。當(dāng)使用液態(tài)電解質(zhì)時，超級電容器還可以包括隔板206以阻止陰極與陽極之間的直 接物理接觸。板205涂覆有多孔材料207 (例如，碳粉）以增加它們的表面面積，用于更大 的電荷存儲。當(dāng)電源（充電器）在電極204a、204b之間施加電位差時，電解質(zhì)231被極化。 陰極204b上的電位吸引電解質(zhì)231中的負(fù)離子238,并且陽極204a上的電位吸引正離子 237。這在圖2a中示出。
[0070] 與電池不同，所施加的電位被保持在電解質(zhì)231的擊穿電壓以下，以防止在電極 204a、204b的表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。為此，超級電容器不能像電化學(xué)電池一樣產(chǎn)生電力。結(jié) 果，沒有明顯的電流能夠在電解質(zhì)231與電極204a、204b之間流動。而是，溶液中的離子 237、238將自身布置在電極204a、204b的表面上以形成表面電荷216的鏡像并形成絕緣的 "雙電層"。在雙電層（即，表面電荷216的層和離子237、238的層）中，表面電荷216與離 子237、238之間的間隔通常在納米量級。雙電層的組合以及板205表面上的高表面面積材 料207的使用允許大量的電荷載子被存儲在電極-電解質(zhì)分界面處。
[0071] 為了使超級電容器放電（如圖2b所示），在帶電電極204a、204b之間進行電連接 295,使電子從陽極經(jīng)由外部電路（由箭頭294指示）流向陰極。這種電荷流動可以被用于 向外部電路295中的一個或多個電部件296供電。
[0072] 然而，活性碳可能不是用于涂覆電容器的板205的最適合的材料207。溶液中的離 子237、238相比于碳中的孔來說相對較大，這會相當(dāng)大地限制能量存儲。該領(lǐng)域中最近的 研宄已集中在使用碳納米管和碳納米角作為替代，所述碳納米管和碳納米角都比活性碳提 供更高的可用表面面積。
[0073] 超級電容器具有超過電池的幾個優(yōu)點，結(jié)果，在許多應(yīng)用中已經(jīng)傾向于替代電池。 超級電容器通過提供大電流脈沖以向裝置供電并然后迅速對自身重新充電來運行。超級電 容器的低內(nèi)阻或等效串聯(lián)電阻（ESR)允許其傳遞和吸收這些大電流，而傳統(tǒng)化學(xué)電池的更 高的內(nèi)阻會導(dǎo)致電池電壓坍縮。而且，電池通常需要長時間的再沖電過程，而超級電容器能 夠（通常在大約數(shù)分鐘之內(nèi)）非常迅速地再沖電。超級電容器還保留其比電池保持電荷更 長時間的能力，即使在多次充電后。當(dāng)與電池組合時，超級電容器能夠消除通常施加于電池 的瞬時能量需求，從而延長電池壽命。
[0074] 電池常常需要維護并且僅能夠在小溫度范圍內(nèi)很好地運行，而超級電容器無需維 護并能在較寬的溫度范圍上表現(xiàn)良好。超級電容器還比電池具有更長的壽命，并被建造成 至少持續(xù)直到其被用于供電的電子裝置的壽命。另一方面，電池在一裝置的壽命期間通常 需要被更換數(shù)次。
[0075] 然而，超級電容器不是沒有缺陷。盡管能夠比傳統(tǒng)和電解質(zhì)電容器存儲更大量的 能量，但是每單位重量超級電容器所存儲的能量比電化學(xué)電池低相當(dāng)多。此外，超級電容器 的工作電壓受電解質(zhì)擊穿電壓的限制，這對于電池來說不是問題。
[0076] 某些電池例如鋰離子電池具有高能量密度，而超級電容器通常具有高功率密度和 壽命。此外，旨在集成鋰離子電池和超級電容器的優(yōu)點的被稱為鋰離子電容器的混合存儲 裝置已被開發(fā)。鋰離子電容器的陰極采用活性碳，在該活性碳處，類似于超級電容器，電荷 在碳與電解質(zhì)之間的分界面處被存儲為雙電層。另一方面，類似于鋰離子電池，陽極由預(yù)摻 雜有鋰離子的納米結(jié)構(gòu)的夾層材料制成。這種預(yù)摻雜工藝降低了陽極電位并產(chǎn)生高電池輸 出電壓。通常，鋰離子電容器的輸出電壓在3. 8V到4V的范圍內(nèi)。結(jié)果，鋰離子電容器具有 高能量密度。而且，陽極的容量比陰極的容量大幾個數(shù)量級。結(jié)果，充電和放電期間的陽極 電位的變化可以比陰極電位的變化小得多。夾層陽極也可以與夾層陰極（例如1^&)0 2或 LiMn2O4)耦合，以增加鋰離子電容器的功率。鋰離子電容器中使用的電解質(zhì)通常是鋰離子 鹽溶液，并且隔板可以被用于防止陽極與陰極之間的直接物理接觸。
[0077] 利用上述系統(tǒng)中的每個系統(tǒng)，與電解質(zhì)接觸的活性電極元件允許電荷被產(chǎn)生和/ 或存儲。為了允許這種電荷被用在別處，電荷收集器通常被用于使該存儲/產(chǎn)生的電荷能 夠被傳輸以便用在別處（例如用在電路中）。
[0078] 選擇適當(dāng)?shù)碾姾墒占骺梢詫绯夒娙萜骰螂姵氐男阅芫哂酗@著的影響。在 選擇電荷收集器時，需要考慮幾個因素，例如包括：導(dǎo)電性，對電解質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性，以及電 流收集器與活性電極材料之間的接觸電阻。例如，目前市售的帶有有機電解質(zhì)的超級電容 器（0-2. 7V)廣泛使用處理后的鋁箔或鋁網(wǎng)作為電流收集器，這是由于與其他金屬相比，鋁 對所使用的電解質(zhì)是相對化學(xué)惰性的。
[0079] 然而，就導(dǎo)電性、接觸電阻和/或成本而言，鋁可能不是電流收集器的最佳選 擇。例如，基于每單位體積的導(dǎo)電性、每單位質(zhì)量的導(dǎo)電性和每單位成本的導(dǎo)電性，銅作 為電流收集器可能是優(yōu)選的（參見例如J. Electrochem. Soc.，Vol. 152, Issue 11，ρρ· Α2105-Α2113(2005))。然而，銅未被廣泛用在超級電容器中，特別是當(dāng)使用有機電解質(zhì)時， 這是因為銅在高電壓下的電化學(xué)穩(wěn)定性使得在電解質(zhì)與銅之間直接接觸時會發(fā)生電化學(xué) 反應(yīng)。在典型的裝置構(gòu)造中，這發(fā)生在電流收集器箔片的側(cè)面和/或背面。
[0080] 例如鋰離子電池中的銅電流收集器的氧化和性能的問題可起因于在或接近鋰電 位時特定冶煉條件下的環(huán)境龜裂。在存在Li/Li+時，特別是當(dāng)存在少量雜質(zhì)HF和H 2O時， 銅電流收集器會在3. 4V以上被氧化。而且，已發(fā)現(xiàn)銅能夠與鋰形成合金。而且，在環(huán)境 大氣壓下存儲和運輸期間，表面氧化會在銅箔或銅網(wǎng)上發(fā)生，在露出的部分上留下氧化銅 (Cu xO)涂層。CuxO電極在3-0. 02V范圍中具有大約400mAh/g的可逆容量，對于CuO而言具 有850mAh/g的初次鋰化容量且對于Cu2O而言具有600mAh/g的初次鋰化容量。這類顯著 的不可逆容量損失意味著，除了在碳質(zhì)顆粒上形成眾所周知的固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI)層以 夕卜，鋰離子電池的初次循環(huán)不可逆容量損失可以局部歸因于表面CuO涂層中的鋰嵌入過程 (J. Zhang的"Lithium insertion in naturally surface-oxidized copper''，Journal of Power Sources 137(2004)88-92)。
[0081] 此外，使用銅電流收集器誘發(fā)的問題除了適用于鋰離子電池以外，還以類似方式 適用于其它化學(xué)品（chemistries)和超級電容器。
[0082] 如上所述，為了規(guī)避與使用銅作為電荷收集器關(guān)聯(lián)的問題，帶有有機電解質(zhì)的超 級電容器廣泛使用處理后的鋁箔或鋁網(wǎng)作為電流收集器。然而，鋁電流收集器與電極材料 之間的直接電接觸相對較差（例如與銅相比），并且這種界面電阻產(chǎn)生較高的裝置ESR。需 要表面處理（諸如在鋁之上涂覆導(dǎo)電碳或?qū)щ娊饘傺趸铮┮愿纳其X與電極之間的接觸， 從而減小裝置的界面電阻。這種額外處理步驟還會增加制造的成本和復(fù)雜性。
[0083] 以下描述的實施例涉及（例如，用于超級電容器和/或電池的）電極，其配置成阻 止電解質(zhì)實質(zhì)接觸并腐蝕電荷收集器的一部分。這可以允許選擇電荷收集器的材料以優(yōu)化 例如接觸電阻和導(dǎo)電性。例如，減輕電荷收集器與電解質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)的影響可以允許例如 銅電流收集器被用在具有IV以上的工作電壓的超級電容器中。與常用的鋁電流收集器相 比，銅電流收集器可以實現(xiàn)較低的等效串聯(lián)電阻（ESR)和較高的電容。就是說，電化學(xué)穩(wěn)定 性可得以保持，同時從改善的導(dǎo)電性和電極界面中獲益。應(yīng)當(dāng)理解的是，所述實施例可以被 用作上述電池、電容器和混合系統(tǒng)中的電極。
[0084] 還公開了一種用于提供薄膜保護封裝的嵌入型電流收集器（其可以包括銅）的方 法。這可以允許低ESR(等效串聯(lián)電阻）超級電容器和/或電池得以生產(chǎn)。在該方法中，銅 電流收集器被設(shè)置在帶有阻擋層（例如，聚酰亞胺）的電極中，以保護電流/電荷收集器免 于與電解質(zhì)相互作用。在該方法中，阻擋層可以基本上覆蓋電荷收集器的整個表面，除了活 性電極元件和電觸點以外，以阻止電荷收集器材料與電解質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)。這種方法還 產(chǎn)生針對離子迀移現(xiàn)象的低ESR和高導(dǎo)電界面。
[0085] 圖3a示出包括電極304的實施例，該電極包括：
[0086] 導(dǎo)電層305,其配置成在使用時充當(dāng)電荷收集器，以便通過導(dǎo)電層為所產(chǎn)生和/或 存儲的電荷提供電路徑；
[0087] 阻擋層321，該阻擋層配置成覆蓋所述導(dǎo)電層的表面的一部分，使得當(dāng)電極與電解 質(zhì)接觸時，阻止電解質(zhì)實質(zhì)接觸并腐蝕被覆蓋部分處的導(dǎo)電層；以及
[0088] 配置成用于產(chǎn)生和/或存儲電荷的活性電極元件307,該活性電極元件307被布置 在與導(dǎo)電層305電接觸的非覆蓋部分中，以便阻止電解質(zhì)實質(zhì)接觸并腐蝕非覆蓋部分中的 導(dǎo)電層，并且以便還被暴露于所述電解質(zhì)以允許產(chǎn)生和/或存儲電荷以及向?qū)щ妼犹峁┧?產(chǎn)生/存儲的電荷。
[0089] 在這種情況下，阻擋層321包括聚酰亞胺（Pl)。應(yīng)當(dāng)理解的是，對于其它示例實施 例，阻擋層可以包括其它材料，例如其它塑料諸如聚丙烯、聚酯、聚氨酯和聚乙烯。在這種情 況下，阻擋層是不可滲透的電絕緣層。在這種情況下，導(dǎo)電層305包括銅。
[0090] 電極304包括在導(dǎo)電層305之上并與導(dǎo)電層305直接電接觸的高表面面積活性 電極元件307,活性電極元件307的材料包括下述中的一個或多個的混合物：活性碳（AC)、 多壁碳納米管（MWNT)、碳納米角（CNH)、碳納米纖維（CNF)和碳納米洋蔥（CNO)。AC、MWNT、 CNH、CNF和CNO被使用是因為它們的大導(dǎo)電性和高表面面積。如前面提到的，高表面面積 允許大量電解質(zhì)離子被吸收到電容性元件304的表面上。
[0091] 在該示例實施例中，聚酰亞胺膜利用環(huán)氧粘合劑粘合到銅箔的未涂覆有活性電極 材料的前和后表面上，使活性電極區(qū)域免受聚酰亞胺影響。應(yīng)當(dāng)理解的是，粘合劑可以是任 何適合的膠，例如基于環(huán)氧樹脂或丙烯酸的粘合劑。應(yīng)當(dāng)理解的是，在其他示例實施例中， 阻擋層可以直接粘合到導(dǎo)電層。就是說，可以不需要分離的粘合劑層。使用處理后的銅箔 電流收集器制造的超級電容器在-2. 5V到+2. 5V的電壓范圍內(nèi)展示出很好的電容器性能， 并且可以比使用鋁或涂鋁的電流收集器的那些超級電容器具有更高的電容和較低的ESR。
[0092] 在該示例中，覆銅箔層壓板（例如，包括一個或多個銅層以及一個或多個相應(yīng)的 保護層例如聚酰亞胺、聚醋或聚萘二甲酸乙二醇醋（poly-ethylene-naphthalate)層，所 述保護層可以使用粘合劑被粘合到相應(yīng)的銅層、或者可以直接粘合到銅而不使用粘合劑） 是制造電極的過程的開始點。覆銅箔層壓板可以首先被切割為離散的層壓板塊，這些層壓 板塊的大小和形狀適合于提供印刷電路板（PCB)/電極構(gòu)造。此后，層壓板塊可以被鉆孔 (以形成任何需要的通孔或微孔（該孔不是通孔，而是在另一銅層停止））、并被鍍上另一層 銅（例如，使用濕法工藝?yán)珉婂儯?。在此情況下，所鍍的銅層將形成電極的電流/電荷收 集器導(dǎo)電層。聚酰亞胺覆蓋層（或任何其它覆蓋涂層或阻焊劑）被設(shè)置在導(dǎo)電層的整個表 面上（例如，使用粘合劑），接著覆蓋層的外表面被處理（例如，通過按照已知的感光成像覆 蓋層（PICL)或阻焊工藝，被顯影和曝光以形成抗蝕圖案）。如果使用通常的覆蓋層工藝， 則各區(qū)域利用工具被切除，然后利用粘合劑被放置在銅之上。接著（在PICL、覆蓋涂層、阻 焊，但不是通常的覆蓋層工藝的情況下），覆蓋層聚酰亞胺的一個或多個部分從期望對電流 收集器露出的區(qū)域被蝕刻掉（例如，根據(jù)抗蝕圖案，使用化學(xué)蝕刻以選擇性去除聚酰亞胺 層）。未被蝕刻的剩余區(qū)域?qū)⒘粝伦鳛樽钃鯇?，以保護銅電流收集器免受電解質(zhì)的影響。阻 擋層可以增加電流收集器的耐久性，并保護所述表面免受腐蝕以及導(dǎo)致ESR增加的表面電 阻率增加。接著，活性電極元件（例如，包括活性碳（AC)、碳納米角（CNH)和/或碳納米管 (CNT))被設(shè)置在導(dǎo)電層的非覆蓋部分上以阻止電解質(zhì)實質(zhì)接觸并腐蝕非覆蓋部分中的導(dǎo) 電層，而且以便還被暴露于所述電解質(zhì)以允許產(chǎn)生和/或存儲電荷以及向?qū)щ妼犹峁┧a(chǎn) 生/存儲的電荷。
[0093] 應(yīng)當(dāng)理解的是，在其它示例實施例中，覆銅箔層壓板的銅層可以形成電流收集器， 和/或覆銅箔層壓板的保護層可以形成阻擋層。
[0094] 電流收集器層的厚度可以例如在12與18 ym之間。阻擋層的厚度可以在12. 5與 25 μ m之間。粘合劑層的厚度可以在10與15 μ m之間。
[0095] 在此情況下，電極在其兩個面上具有阻擋層（S卩，電極是雙面的）。應(yīng)當(dāng)理解的是， 其它示例實施例可以僅在單個面（例如，配置成與電解質(zhì)接觸的面）上具有阻擋層。
[0096] 圖3b示出包括如圖3a所示的兩個電極304的設(shè)備。應(yīng)當(dāng)理解的是，其它示例實 施例可以僅具有作為本公開的實施例的一個電極。如圖3b所示的設(shè)備包括兩個FPC(柔性 印刷電路）板301，每個FPC板301包括導(dǎo)電層305。在該實施例中，每個FPC板301上的 導(dǎo)電層305在任一面上涂覆有一層電絕緣材料321，該電絕緣材料層321可以被用作阻擋層 以阻止電解質(zhì)接觸并腐蝕被覆蓋部分處的導(dǎo)電層。以這種方式，導(dǎo)電層305和阻擋層321 從電路板的相應(yīng)層形成。絕緣阻擋層材料321也被用于保護導(dǎo)電層305免受外部環(huán)境的影 響。
[0097] 在該情況下，每個電極304通過使用FPC (柔性印刷電路）層壓技術(shù)處理電流收集 器來產(chǎn)生。這使得所述表面能夠通過使用與應(yīng)用于電流收集器的工藝相同的工藝而被（阻 擋層321)保護。所述工藝可以被用于應(yīng)用于帶有經(jīng)過光刻技術(shù)處理的Pl/Cu表面的預(yù)處 理的FPC板。此外，使用常見材料例如銅允許為高體積工藝開發(fā)的技術(shù)得到使用例如高精 度光刻工藝。這與在體積上不是標(biāo)準(zhǔn)FPC工藝金屬的材料（例如鋁）形成對比（盡管根據(jù) 需要，可對已知的工藝進行適配）。應(yīng)當(dāng)理解的是，電極可以以其它方式生產(chǎn)。
[0098] 高表面面積材料307可以通過使用作為粘合劑的基于聚四氟乙烯（PTFE)或苯乙 烯丁二烯共聚物（SBR)的材料和作為溶劑的丙酮或水而將AC、MWNT和CNH的不同部分混合 在一起，并通過攪拌使混合物均勻，來進行準(zhǔn)備。此后，通過將所述混合物滾到每個導(dǎo)電層 305的非覆蓋表面上來施加所產(chǎn)生的漿液。接著，F(xiàn)PC板301在例如80°C被退火1小時以 驅(qū)除溶劑并固結(jié)所述混合物。為了使其表面面積和導(dǎo)電性達(dá)到最大值，高表面材料307作 為薄膜被施加在導(dǎo)電層305上。
[0099] 如圖3b所示，F(xiàn)PC板301配置成使得導(dǎo)電層305 (現(xiàn)在被涂以高表面面積材料307) 彼此面對，在所述導(dǎo)電層之間夾著薄電介質(zhì)隔板306。隔板306阻止電極304之間的直接物 理接觸（并因此電接觸），但是包括多個微孔309,以使得當(dāng)電位差已被施加在電容性元件 304之間時，電解質(zhì)的離子能夠朝高表面面積材料307移動。
[0100] 在其它示例實施例中，導(dǎo)電層305可以由各種不同的材料形成，但是有利地由銅 制成，盡管鋁（或其它金屬）或碳也可以被使用。材料的選擇影響超級電容器的物理和電 特性。如上所述，銅以及在較小程度上的鋁展現(xiàn)出令人滿意的導(dǎo)電性。這是有利的，因為其 允許電荷載子以最小電阻流過導(dǎo)電層305以流到高表面面積材料307。導(dǎo)電層305還可以 包括表面修飾（涂覆），以保護導(dǎo)電層305或提供高表面面積材料307的更好粘附?？赡艿?表面材料包括碳、鎳-金、金和/或銀。
[0101] 如前面提到的，超級電容器可以被用于向便攜式電子裝置中的多媒體增強模塊供 電。對于需要高功率脈沖的模塊例如LED閃光燈模塊，超級電容器需要被實現(xiàn)為接近負(fù)載 電路。在目前的情況下，F(xiàn)PC結(jié)構(gòu)301 (超級電容器被集成在該FPC結(jié)構(gòu)內(nèi)）形成多媒體 增強模塊，該模塊的各種部件被物理（和電）地連接到FPC板301。在圖3b中，表面貼裝 (SMD)LED310、兩個陶瓷電容器311、指示器LED 312、電感器313以及超級電容器充電器和 LED驅(qū)動電路314被（電）連接到上部FPC板301的導(dǎo)電層305,同時板對板（B2B)連接器 315被（電）連接到下部FPC板301的導(dǎo)電層305。各種電部件可以被焊接或ACF (各向異 性導(dǎo)電膜）接觸FPC板301。導(dǎo)電層305被用于將電力經(jīng)由路線傳送到超級電容器和模塊 部件以及經(jīng)由路線傳送來自超級電容器和模塊部件的電力，并且B2B連接器315將FPC結(jié) 構(gòu)301 (電）連接到電子裝置的主板。
[0102] 電極304之間需要電解質(zhì)以使電荷能夠被存儲。為了實現(xiàn)這點，F(xiàn)PC板301被配 置成形成腔室，電解質(zhì)可以被容納在該腔室內(nèi)。該腔室以橫截面在圖3c中示出。為了形成 腔室，圍繞電解質(zhì)304的邊界被限定。接著，F(xiàn)PC板301在邊界處被密封在一起，以阻止電 解質(zhì)331 (其可以是凝膠或液態(tài)電解質(zhì)）在使用期間泄漏或揮發(fā)。FPC板301可以通過熱層 壓、真空包裝或標(biāo)準(zhǔn)FPC沖壓工藝被密封。所述邊界的小區(qū)域（未示出）可以保留未密封 直到電解質(zhì)321已被導(dǎo)入腔室中。在某些實施例中，導(dǎo)電層305和阻擋層321可以延伸到 腔室的末端（未示出）。
[0103] 在另一個實施例中，環(huán)狀件可以被并入FPC結(jié)構(gòu)中以形成腔室。在該實施例（未 示出）中，環(huán)狀件圍繞電容性電極304布置并被夾在FPC板301之間。實際上，這可以包含 將第一 FPC板面朝上放置在平坦表面上；將環(huán)狀件（其具有電容性電極304的至少最大面 內(nèi)尺寸的直徑）圍繞該FPC板的電容性元件放置；將環(huán)狀件密封附接到FPC板；用電解質(zhì) 321填充環(huán)狀件；將第二FPC板面朝下放置在第一 FPC板之上，使得第二FPC板的電容性元 件被包含在環(huán)狀件內(nèi)并面向另一個電容性元件；以及將第二FPC板密封附接到環(huán)狀件。理 想地，環(huán)狀件的厚度應(yīng)當(dāng)與FPC結(jié)構(gòu)的總厚度基本相同。然而，由于FPC板304的柔韌性， 環(huán)狀件厚度可以偏離FPC結(jié)構(gòu)的總厚度并仍然允許形成腔室。
[0104] 在另一個實施例中，環(huán)狀件可以包括孔。在該實施例中，電解質(zhì)可以經(jīng)由孔被導(dǎo)入 到腔室中、并隨后被密封以保留電解質(zhì)321。
[0105] 然而，應(yīng)當(dāng)注意的是，腔室的厚度h在圖3c中被夸大。實際上，電容性電極304和 隔板306處于物理接觸以便將腔室的厚度減到最小。在另一個實施例中，電容性電極304 可以簡單地彼此間隔開。這種構(gòu)造將消除隔板306的需求，但是如果FPC結(jié)構(gòu)是物理柔韌 的，則這種構(gòu)造可能很難保持。圖3c的結(jié)構(gòu)可以由向后折疊到自身上的同一 FPC板形成。
[0106] 為了對設(shè)備充電，電位差被施加在電極304之間。這通過將電池（或其它電源） 的正和負(fù)端子連接到相應(yīng)FPC板301的導(dǎo)電層來執(zhí)行。然而，實際上，F(xiàn)PC板301的導(dǎo)電層 通常被連接到充電器電路（未示出），該充電器電路自身被連接到電池或其它電源。電位 差的施加使電解質(zhì)331極化，導(dǎo)致正和負(fù)離子被吸收到電極304的高表面面積活性元件材 料307的露出表面上。當(dāng)超級電容器放電時，在活性元件307與電解質(zhì)331之間的界面處 存儲的電荷可以被用于向電部件供電。
[0107] 應(yīng)當(dāng)理解的是，不像上述的實施例配置成使得電極包括這樣的導(dǎo)電層（其既是配 置成使得能夠向電子部件傳輸電流/電荷的導(dǎo)電傳輸層，又是配置成在使用時充當(dāng)通過導(dǎo) 電層305為所產(chǎn)生和/或存儲的電荷提供電氣路徑的電荷收集器的導(dǎo)電層305)，其它示例 實施例（例如在圖3d中示出的實施例）可以配置成使得配置成充當(dāng)電荷收集器的導(dǎo)電層 與配置成能夠向電子部件傳輸電荷/電流的導(dǎo)電傳輸層不同。
[0108] 圖3d中示出的實施例是FPC板301d，其包括電極，該電極包括：阻擋層321d，阻擋 層321d配置成覆蓋導(dǎo)電層305d的表面的一部分，使得當(dāng)電極與電解質(zhì)接觸時，阻止電解質(zhì) 實質(zhì)接觸并腐蝕被覆蓋部分處的導(dǎo)電層；以及配置成用于產(chǎn)生和/或存儲電荷的活性電極 元件307d，活性電極元件307d被布置在與導(dǎo)電層305d電接觸的非覆蓋部分中，以便阻止 電解質(zhì)實質(zhì)接觸并腐蝕非覆蓋部分中的導(dǎo)電層，并且以便也被暴露于所述電解質(zhì)以允許產(chǎn) 生和/或存儲電荷以及向?qū)щ妼犹峁┧a(chǎn)生/存儲的電荷。導(dǎo)電層305d被電連接到獨立 的導(dǎo)電傳輸層302d，該導(dǎo)電傳輸層302d配置成使電流/電荷能夠例如通過垂直互連訪問 (VIA)連接306d被傳輸?shù)诫娮硬考?10d-314d)/電路。
[0109] 像先前的實施例一樣，傳輸層302d的導(dǎo)電材料層（在這種情況下，該導(dǎo)電材料層 與配置成充當(dāng)電荷收集器的導(dǎo)電層305d不同）配置成允許電流/電荷被傳遞給構(gòu)成電路 (310d-314d)的電子部件。
[0110] 應(yīng)當(dāng)理解的是，圖3d的實施例可以使用類似于針對圖3a實施例描述的方法來提 供。
[0111] 圖4a示出包括電極的另一實施例，所述電極包括：
[0112] 導(dǎo)電層405，其配置成在使用時充當(dāng)電荷收集器以便通過導(dǎo)電層為所產(chǎn)生和/或 存儲的電荷提供電氣路徑；
[0113] 阻擋層421，該阻擋層配置成覆蓋所述導(dǎo)電層的表面的一部分，使得當(dāng)電極與電解 質(zhì)接觸時，阻止電解質(zhì)實質(zhì)接觸并腐蝕被覆蓋部分處的導(dǎo)電層；以及
[0114] 配置成用于產(chǎn)生和/或存儲電荷的活性電極元件407,該活性電極元件407被布置 在與導(dǎo)電層405電接觸的非覆蓋部分中，以便阻止電解質(zhì)實質(zhì)接觸并腐蝕非覆蓋部分中的 導(dǎo)電層，并且以便也被暴露于所述電解質(zhì)以允許產(chǎn)生和/或存儲電荷以及向?qū)щ妼犹峁┧?產(chǎn)生/存儲的電荷。
[0115] 在這種情況下，阻擋層包括聚乙烯。應(yīng)當(dāng)理解的是，對于其它示例實施例，阻擋層 可以包括其它材料，例如其它塑料諸如聚丙烯、聚酯、聚氨酯和聚酰亞胺。在這種情況下，阻 擋層是不可滲透的電絕緣層。
[0116] 在這種情況下，導(dǎo)電層包括銅（箔）。應(yīng)當(dāng)理解的是，在其它示例實施例中，導(dǎo)電層 可以包括另一種金屬例如鋁。
[0117] 電極404還包括在導(dǎo)電層405之上并與導(dǎo)電層405直接電接觸的高表面面積活性 電極元件407,活性電極元件407的材料包括活性碳（AC)、多壁碳納米管（MWNT)、碳納米角 (CNH)、碳納米纖維（CNF)和碳納米洋蔥（CNO)中的一種或多種的混合物。AC、MWNT、CNH、 CNF和CNO被使用是因為它們的大導(dǎo)電性和高表面面積。如前面提到的，高表面面積允許大 量的電解質(zhì)離子被吸收到電容性元件404的表面上。
[0118] 在該示例實施例中，聚乙烯阻擋層421利用丙烯酸基粘合劑422被粘合到銅箔405 的未被活性電極材料涂覆的前和后表面上，使僅僅激活的電極區(qū)域（407周圍的區(qū)域）和電 觸點423免受聚乙烯影響。應(yīng)當(dāng)理解的是，粘合劑可以是任何適合的膠，例如基于環(huán)氧樹脂 或丙稀酸的粘合劑。
[0119] 高表面面積活性電極元件材料407可以通過使用作為粘合劑的聚四氟乙烯 (PTFE)與作為溶劑的丙酮而將AC、MWNT和CNH的不同部分混合在一起、并通過攪拌使混合 物均勻，來進行準(zhǔn)備。此后，通過將所述混合物滾動到每個導(dǎo)電層405的表面上來施加所產(chǎn) 生的漿液。
[0120] 圖4b示出包括如圖4a所示的兩個電極的設(shè)備。應(yīng)當(dāng)理解的是，其它示例實施例 可以僅具有作為本公開的實施例的一個電極。
[0121] 如圖4b所示，電極404配置成使得導(dǎo)電層405 (現(xiàn)在被涂以高表面面積材料407) 彼此面對。不像先前的實施例，在該實施例中，電極通過殼體435被保持分開。在這種情況 下，隔板未被用于阻止電極直接電接觸。
[0122] 其它示例實施例的導(dǎo)電層405可以由各種不同的材料形成，但有利地由銅或鋁制 成。材料的選擇影響超級電容器的物理和電特性。銅以及在較小程度上的鋁展現(xiàn)出令人滿 意的導(dǎo)電性。這是有利的，因為其允許電荷載子以最小電阻流過導(dǎo)電層405以流到高表面 面積材料407。另一方面，表面修飾例如箔片之上的薄碳層能比銅和鋁提供對高表面面積材 料407的更好粘附。
[0123] 電極404之間需要電解質(zhì)以使得能夠存儲電荷。為了實現(xiàn)這點，如圖4a所示的電 極配置成形成腔室，電解質(zhì)431可以被容納在該腔室內(nèi)。該腔室以橫截面在圖4b中示出。
[0124] 然而應(yīng)當(dāng)注意的是，腔室的厚度h在圖4a中被夸大。
[0125] 在此情況下，電觸點與電解質(zhì)物理接觸。在此情況下，每個觸點423被布置在與導(dǎo) 電層405電接觸的導(dǎo)電層的未被覆蓋的部分中，以便阻止電解質(zhì)實質(zhì)接觸并腐蝕未被覆蓋 部分中的導(dǎo)電層，并且以便也允許電荷（或電流）迀移到導(dǎo)電層/從導(dǎo)電層迀移出。與導(dǎo) 電層相比，所述觸點可以對電解質(zhì)更化學(xué)惰性。例如，所述觸點可以包括金或鋁。
[0126] 為了對設(shè)備充電，電位差被施加在電極403之間。這通過將電池（或其它電源） 的正和負(fù)端子經(jīng)由觸點423連接到電極403的導(dǎo)電層來執(zhí)行。然而，實際上，電極403的導(dǎo) 電層405通常被連接到充電器電路，該充電器電路自身被連接到電池或其它電源。電位差 的施加使電解質(zhì)431極化，導(dǎo)致正和負(fù)離子被分別吸收到負(fù)和正充電電極404的高表面面 積材料407的露出表面上。當(dāng)超級電容器放電時，在高表面面積材料407與電解質(zhì)431之 間的界面處存儲的電荷可以被用于向所連接的電路436的部件供電。
[0127] 上述實施例的優(yōu)點包括，由于非腐蝕/污染表面處理，銅電荷收集器（例如，包括 銅箔）可與腐蝕電解質(zhì)（例如，有機電解質(zhì)）結(jié)合使用在超級電容器中。使用銅可以允許 電容器實現(xiàn)較低ESR和較高的電容，這對需要高功率密度的應(yīng)用會是有益的。此外，不需要 額外的封裝袋（packaging bag)，因此減少所述裝置的總厚度。
[0128] 圖5示出的流程圖圖解一種電極的提供，所述電極包括導(dǎo)電層、阻擋層和活性電 極元件，并且圖5是不解自明的。應(yīng)當(dāng)理解的是，所示出的步驟的順序可以改變。例如，提 供阻擋層可以在提供活性電極層之前、之后或同時發(fā)生。
[0129] 圖6示意性地示出計算機/處理器可讀介質(zhì)601，其提供用于控制本文所述（例如 關(guān)于圖5所述）的電極和/或電存儲設(shè)備的制造的計算機程序。在該示例中，計算機/處 理器可讀介質(zhì)601是盤例如數(shù)字多功能盤（DVD)或緊湊盤（CD)。在其它實施例中，計算機 /處理器可讀介質(zhì)601可以是已經(jīng)被編程為實現(xiàn)本發(fā)明功能的任何介質(zhì)。計算機/處理器 可讀介質(zhì)601可以是可移動存儲器裝置，例如記憶棒或存儲器卡（SD、迷你 SD或微型SD)。
[0130] 附圖中示出的其它實施例已經(jīng)被提供有與較早描述的實施例的類似特征相對應(yīng) 的附圖標(biāo)記。例如，特征編號1也可與編號101、201、301等相對應(yīng)。這些被編號的特征可 能出現(xiàn)在附圖中，但是可能沒有在這些特定實施例的描述內(nèi)被直接引用。這些被編號的特 征之所以在附圖中提供，是為了幫助理解另外的實施例，特別是關(guān)于類似描述的實施例的 特征。
[0131] 實驗數(shù)據(jù)
[0132] 多個初步實驗被執(zhí)行以確定作為電極構(gòu)造中的電荷/電流收集器的各種材料的 有效性。
[0133] 活性電極元件通過在水中混合活性碳和5%的粘合劑以獲得可印刷油墨來制備。 油墨被棒涂到電流收集器上并在80°C被干燥1小時。不同的電流收集器例如鋁箔、碳表面 修飾的鋁、銅箔和覆蓋有聚酰亞胺阻擋層的銅箔被用作電荷/電流收集器進行比較。所有 裝置的活性電極面積是2cm 2。被浸泡在電解質(zhì)（溶解在碳酸丙烯酯中的1.25M四氟硼酸四 乙基銨（TEABF4))中的隔板被夾在兩個電極之間。有機電解質(zhì)比水性電解質(zhì)提供更大的電 化學(xué)窗口，并且可以將電池工作電壓增加到2. 7V。
[0134] 圖7a示出從-1到+IV，使用不同電流收集器（鋁781a，碳表面修飾的鋁782a，以 及銅箔783a)的超級電容器的循環(huán)伏安法（CV)掃描。碳飾面的鋁782a和銅電流收集器 783a裝置顯示出幾乎矩形的形狀，這表示理想的雙層電容器特性。鋁電流收集器781a裝置 顯示出較小程度的矩形形狀。這暗示鋁與電極之間的不良電接觸。從ImA下的充電/放電 曲線計算的電容和ESR值在表1中列出。使用銅電流收集器的裝置具有最高的電容和最低 的 ESR。
[0135]

【權(quán)利要求】
1. 一種電極，所述電極包括： 導(dǎo)電層，其配置成在使用時充當(dāng)電荷收集器，W通過所述導(dǎo)電層為所產(chǎn)生和/或存儲 的電荷提供電路徑； 阻擋層，所述阻擋層配置成覆蓋所述導(dǎo)電層的表面的一部分，使得當(dāng)所述電極與電解 質(zhì)接觸時，阻止所述電解質(zhì)實質(zhì)接觸并腐蝕被覆蓋部分處的導(dǎo)電層；W及 配置成用于產(chǎn)生和/或存儲電荷的活性電極元件，所述活性電極元件與所述導(dǎo)電層電 接觸地布置在非覆蓋部分中，W便阻止所述電解質(zhì)實質(zhì)接觸并腐蝕所述非覆蓋部分中的導(dǎo) 電層，并且W便也被暴露于所述電解質(zhì)W允許產(chǎn)生和/或存儲電荷W及向所述導(dǎo)電層提供 所產(chǎn)生/存儲的電荷。
2. 如權(quán)利要求1所述的電極，其中所述阻擋層是電絕緣體。
3. 如權(quán)利要求1所述的電極，其中所述活性材料包括下述中的一種或多種；碳納米顆 粒，碳納米管，碳納米角，碳納米管網(wǎng)絡(luò)，石墨締，石墨締片晶，金屬納米線，金屬納米線網(wǎng)， 半導(dǎo)體納米線，半導(dǎo)體納米線網(wǎng)，W及金屬氧化物納米顆粒。
4. 如權(quán)利要求1所述的電極，其中所述導(dǎo)電層的未被所述阻擋層覆蓋的一部分被配置 成充當(dāng)用于連接到電路的電部件的電觸點。
5. 如權(quán)利要求1所述的電極，其中所述導(dǎo)電層包括銅。
6. 如權(quán)利要求1所述的電極，其中所述阻擋層包括塑料、聚合物、聚酷亞胺、聚醋、聚氨 醋和聚己締中的一種或多種。
7. 如權(quán)利要求1所述的電極，其中所述阻擋層使用粘合劑被粘合到所述導(dǎo)電層。
8. 如權(quán)利要求7所述的電極，其中所述粘合劑包括環(huán)氧粘合劑或基于丙締酸的粘合 劑。
9. 一種包括如權(quán)利要求1所述的電極的電路板，其中所述導(dǎo)電層和所述阻擋層中的一 個或多個由所述電路板的相應(yīng)層形成。
10. -種設(shè)備，所述設(shè)備包括： 第一和第二電極，所述第一和第二電極中的至少一個電極是根據(jù)權(quán)利要求1所述的電 極，其中所述設(shè)備配置成使得在所述第一和第二電極之間限定有腔室，所述腔室包括所述 電解質(zhì)。
11. 如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中 所述第一和第二電極被密封在一起W容納所述腔室內(nèi)的所述電解質(zhì)。
12. 如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中一個或多個電部件被物理和電連接到所述第一和 第二電極中的一個或兩者，W允許向所述一個或多個電部件供應(yīng)電能。
13. 如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述電解質(zhì)包括碳酸丙二醋、四氣棚酸四己基錠、 氯化鐘水溶液中的一種或多種。
14. 如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備包括位于所述第一和第二電極之間的隔 板。
15. 如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備是下述中的至少一種；電池，電容器，W 及電池-電容器混合體。
16. 如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備是下述中的一個或多個；電存儲設(shè)備，用 于電存儲設(shè)備的電路，W及用于電存儲設(shè)備的模塊。
17. -種制造電極的方法，所述方法包括； 提供導(dǎo)電層，所述導(dǎo)電層配置成在使用時充當(dāng)電荷收集器，W通過所述導(dǎo)電層為所產(chǎn) 生和/或存儲的電荷提供電路徑； 提供阻擋層，所述阻擋層配置成覆蓋所述導(dǎo)電層的表面的一部分，使得當(dāng)所述電極與 電解質(zhì)接觸時，阻止所述電解質(zhì)實質(zhì)接觸并腐蝕被覆蓋部分處的導(dǎo)電層；W及 提供配置成用于產(chǎn)生和/或存儲電荷的活性電極元件，所述活性電極元件與所述導(dǎo)電 層電接觸地布置在非覆蓋部分中，W便阻止所述電解質(zhì)實質(zhì)接觸并腐蝕所述非覆蓋部分中 的導(dǎo)電層，并且W便也被暴露于所述電解質(zhì)W允許產(chǎn)生和/或存儲電荷W及向所述導(dǎo)電層 提供所產(chǎn)生/存儲的電荷。
18. 如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述阻擋層是使用柔性印刷電路層壓技術(shù)來提供 的。
19. 如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述阻擋層是使用光刻技術(shù)來提供的。
20. 如權(quán)利要求17所述的方法，所述方法包括； 從所述導(dǎo)電層的表面蝕刻掉阻擋層的一部分，W提供非覆蓋部分；W及 將所述活性電極元件提供到所述非覆蓋部分上。
【文檔編號】H01M4/70GK104471754SQ201380038087
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年4月15日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月18日
【發(fā)明者】Y·劉, P·希拉拉爾, M·羅瓦拉, P·安德魯, T·呂海寧 申請人:諾基亞公司