Устройство аккумулирования электроэнергии и его электрод

Устройство аккумулирования электроэнергии и его электрод

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Данное изобретение в общем относится к электродам, устройствам аккумулирования электроэнергии, содержащим такие электроды, и к способам производства электродов и устройств аккумулирования электроэнергии.

Предпосылки изобретения

Хотя было сделано много значительных улучшений в области разработки новых батарей и сетей электропитания для устройств транспорта и связи, различные типы батарей могут представлять проблемы при использовании в конкретных условиях. Например, батареи, в настоящий момент используемые в транспортных средствах с электрическим питанием, имеют ряд проблем. К этим батареям предъявляются высокие требования по току, отводимому от батареи и подаваемому на нее на различных стадиях в процессе работы транспортного средства. Например, в электрических транспортных средствах (электромобилях) от батареи требуется высокая скорость разрядки для обеспечения ускорения, а высокая скорость зарядки батареи связана с рекуперативным торможением. В ситуации, когда используются свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, в частности, в гибридных электромобилях, высокая скорость разрядки и зарядки батареи может привести к образованию слоя сульфата свинца на поверхности отрицательной пластины и к генерации газообразных водорода и кислорода на положительной и отрицательной пластинах. Этот эффект в значительной степени возникает в результате высоких требований к току батареи. Условия состояния частичного заряда (partial state-of-charge, PSoC), при которых эти батареи обычно работают, - это 20-100% для электромобилей, 40-60% для гибридных электромобилей и 70-90% для «мягких», или «умеренных», гибридных электромобилей. Это является высокоскоростным состоянием частичного заряда (high rate partial state-of-charge, HRPSoC). При смоделированном рабочем цикле HRPSoC, таком как режимы работы гибридных или «мягких» гибридных электромобилей, свинцово-кислотные аккумуляторные батареи могут преждевременно выйти из строя, в первую очередь, из-за прогрессивного накопления сульфата свинца на поверхностях отрицательных пластин. Это происходит из-за того, что сульфат свинца не может быть эффективно преобразован обратно в губчатый свинец в ходе зарядки как при рекуперативном торможении, так и от двигателя. В итоге, этот слой сульфата свинца развивается до такой степени, что эффективная площадь поверхности пластины заметно сокращается, и пластина уже не может выдавать более высокий ток, необходимый автомобилю. Это существенно уменьшает потенциальный срок службы батареи.

Портативные и перезаряжаемые устройства аккумулирования энергии, такие как перезаряжаемые электрохимические батареи и конденсаторы, становятся все более существенными для обеспечения питания ряда современных устройств транспорта и связи. Как было указано выше, во многих устройствах требуется сочетание высокой мгновенной мощности или высокой скорости заряда-разряда с высоким уровнем энергии. Были разработаны гибридные электроды и батареи, в которых электроактивный конденсатор сочетается с электрохимической батареей для того, чтобы удовлетворить требованиям по максимальной мощности при применениях с импульсным потреблением мощности. Хотя такого рода комбинированная конструкция может значительно улучшить эксплуатационные характеристики батареи, например, обеспечивая увеличенный срок службы, все же остаются различные проблемы, связанные с такими гибридными устройствами, которые по-прежнему ограничивают их общие эксплуатационные характеристики и срок службы.

Следовательно, существует потребность в предоставлении альтернативных электродов и устройств аккумулирования электроэнергии, включая усовершенствованные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, которые имеют улучшенные срок службы и/или эксплуатационные характеристики по сравнению с существующими батареями.

Сущность изобретения

Данное изобретение, в целом, предусматривает электрод для устройства аккумулирования электроэнергии. Изобретение также предусматривает содержащее этот электрод устройство аккумулирования электроэнергии, такое как свинцово-кислотная аккумуляторная батарея, содержащая такой электрод.

В первом аспекте предусмотрен электрод для устройства аккумулирования электроэнергии, содержащий:

токоотвод;

первый электроактивный материал;

второй электроактивный материал; и

электропроводный мат;

при этом:

первый электроактивный материал обладает более высокой плотностью энергии, чем второй электроактивный материал, а второй электроактивный материал обладает способностью к более высокой скорости заряда-разряда, чем первый электроактивный материал; и

электропроводный мат обеспечивает конструктивную и проводящую опору для по меньшей мере одного из первого электроактивного материала и второго электроактивного материала.

В одном варианте реализации электропроводный мат способен обеспечить конструктивную опору для по меньшей мере одного из первого электроактивного материала и второго электроактивного материала для уменьшения их оползания с электрода. В другом варианте реализации электропроводный слой является листом из углеродного волокна, например, нетканым листом из углеродного волокна. Электропроводный мат может быть пористым и/или может содержать сетку из взаимосвязанных электропроводных волокон.

Каждый из первого электроактивного материала, второго электроактивного материала и электропроводного мата может быть предусмотрен на токоотводе, или друг на друге, в виде покрытия, слоя или области, в любом порядке или в любой компоновке, и может быть выполнен с другими покрытиями, слоями (включая промежуточные слои) или материалами. Любые одна или более областей, один или более слоев или одно или более покрытий могут содержать первый и второй электроактивные материалы, или же любые одна или более областей, один или более слоев или одно или более покрытий могут содержать первый электроактивный материал и/или второй электроактивный материал, необязательно с одной или более добавками, которые могут включать в себя связующие или связующие агенты, загустители, волокна, проводящие материалы и порообразующие агенты. Первый электроактивный материал может быть смешан в различных количествах со вторым электроактивным материалом в любых одной или более областей, одном или более покрытиях или одном или более слоях, или же первый электропроводный материал может быть обеспечен в одной или более областей, одном или более покрытий или одном или более слоев, отдельных от второго электроактивного материала.

В одном варианте реализации электропроводный мат содержит одно или более покрытий, один или более слоев или одну или более областей, содержащих по меньшей мере один из первого электроактивного материала и второго электроактивного материала. В другом варианте реализации электропроводный мат содержит одно или более покрытий, один или более слоев или одну или более областей, состоящих из первого электроактивного материала или второго электроактивного материала, необязательно с одной или более добавками. В другом варианте реализации электропроводный мат предусмотрен в виде промежуточного слоя, отделяющего первый электроактивный материал от второго электроактивного материала. В другом варианте реализации по меньшей мере один из первого электроактивного материала и второго электроактивного материала нанесен на и/или введен в электропроводный мат.

В другом варианте реализации один из первого и второго электроактивных материалов предусмотрен в виде первого отдельного слоя, нанесенного на токоотвод, а другой из первого и второго электроактивных материалов предусмотрен в виде второго отдельного слоя, нанесенного на первый отдельный слой, и при этом электропроводный мат предусмотрен в виде третьего отдельного слоя, находящегося в контакте со вторым отдельным слоем.

В другом варианте реализации первый электроактивный материал предусмотрен в виде первого отдельного слоя, нанесенного на токоотвод, а электропроводный мат предусмотрен в виде второго отдельного слоя, находящегося в контакте с первым отдельным слоем, и второй электроактивный материал предусмотрен в виде третьего отдельного слоя, нанесенного на второй отдельный слой.

Первый электроактивный материал может быть выбран из группы, состоящей из La, Li, Na, Al, Fe, Ζn, Cd, Pb, Sn, Bi, V, Mn, Co, Ni, Ag и их сплавов, оксидов, гидроксидов, гидридов, карбидов, нитридов или сульфитов, углерода, полианилина, политиофена, полифторфенилтиофена, полипиррола, n- или р-допированных полимеров, окислительно-восстановительных полимеров, а также их смесей. В одном варианте реализации первый электроактивный материал является материалом на основе свинца, например, губчатым свинцом, который обычно используется на отрицательном электроде для свинцово-кислотной аккумуляторной батареи, или диоксидом свинца, который обычно используется на положительном электроде для свинцово-кислотной аккумуляторной батареи, или материалом, способным образовывать электродный материал губчатый свинец или диоксид свинца при его активации.

Второй электроактивный материал может быть выбран из группы, состоящей из Nb, Hf, Ti, Та, Li, Fe, Zn, Sn, Ru, Ag, Pt, Ir, Pb, Mo, W, Ni, Co и их сплавов, оксидов, гидроксидов, гидридов, карбидов, нитридов или сульфитов, углерода, полианилина, политиофена, полифторфенилтиофена, полипиррола, n- или р-допированных полимеров, окислительно-восстановительных полимеров, а также их смесей. В одном варианте реализации второй электроактивный материал выбран из группы, состоящей из углерода с большой площадью поверхности, оксида рутения, оксида серебра, оксида кобальта и проводящих полимеров. Углерод с большой площадью поверхности может быть активированным углем, углеродной сажей, аморфным углеродом, углеродными наночастицами, углеродными нанотрубками или их смесью. В одном варианте реализации второй электроактивный материал является активированным углем.

Во втором аспекте предусмотрено устройство аккумулирования электроэнергии, содержащее по меньшей мере одну пару отрицательного и положительного электродов, причем по меньшей мере один электрод является электродом по описанному здесь первому аспекту.

Электрод по первому аспекту может содержать отрицательный электрод устройства аккумулирования электроэнергии, причем первый электроактивный материал выбран из одного или более из группы, состоящей из кадмия, гидридов металлов, свинца и цинка. В одном варианте реализации первый электроактивный материал является свинцом.

Электрод по первому аспекту может содержать положительный электрод устройства аккумулирования электроэнергии, причем первый электроактивный материал выбран из одного или более из группы, состоящей из оксида никеля, оксида свинца и серебра. В одном варианте реализации первый электроактивный материал является оксидом свинца.

В одном варианте реализации устройство аккумулирования электроэнергии предназначено для работы под сжимающей силой менее примерно 80 кПа.

В третьем аспекте предусмотрено устройство аккумулирования электроэнергии, содержащее по меньшей мере один положительный электрод на основе диоксида свинца и по меньшей мере один отрицательный электрод на основе губчатого свинца в электролитическом растворе серной кислоты, причем упомянутый по меньшей мере один отрицательный электрод на основе губчатого свинца содержит:

токоотвод;

первый слой, нанесенный на токоотвод, причем первый слой содержит губчатый свинец;

второй слой, находящийся в контакте с первым слоем, причем второй слой содержит электропроводный мат, содержащий сетку из взаимосвязанных электропроводных углеродных волокон;

третий слой, нанесенный на второй слой, причем третий слой содержит второй электроактивный материал;

при этом губчатый свинец обладает более высокой плотностью энергии, чем второй электроактивный материал, а второй электроактивный материал обладает способностью к более высокой скорости заряда-разряда, чем губчатый свинец.

В четвертом аспекте предусмотрен способ изготовления электрода по описанному здесь первому аспекту, содержащий:

формирование композиционного слоя, содержащего по меньшей мере один из первого электроактивного материала и второго электроактивного материала, нанесенный на и/или введенный в электропроводный мат; и

соединение композиционного слоя с токоотводом.

В одном варианте реализации способ дополнительно содержит формирование покрытия из первого электроактивного материала на токоотводе и соединение композиционного слоя с покрытием из первого электроактивного материала на токоотводе.

Краткое описание чертежей

Предпочтительные варианты реализации данного изобретения будут сейчас описаны и проиллюстрированы только в качестве примера со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:

Фигуры 1а и 1b показывают ступенчатый процесс для получения двух типов компоновок электрода в соответствии с вариантами реализации данного изобретения;

Фигуры 2а и 2b показывают ступенчатый процесс для получения двух типов компоновок, показанных на Фигурах 1а и 1b, соответственно, с использованием токоотвода, сформированного из решетки из сплава свинца;

Фигура 3 показывает оборудование для испытаний и компоновку, используемые для определения характеристик циклирования электродов под воздействием интервала сжатий при включении в работающий элемент;

Фигура 4 показывает профиль испытаний с использованием последовательности зарядки и разрядки, применяемой с оборудованием для испытаний и компоновкой по Фигуре 3;

Фигура 5 является графиком, показывающим характеристики циклирования под различными сжимающими силами набора из четырех элементов, сделанных из различных отрицательных электродов по различным вариантам реализации данного изобретения;

Фигура 6 является графиком, показывающим общую зависимость между числом циклов и силой сжатия элемента для испытанных электродов;

Фигура 7 является графиком, показывающим профиль зарядки и разрядки, задействованный при испытании нетканых листов из углеродного волокна, включая изменения напряжения элемента, потенциала положительного электрода и потенциала отрицательного электрода в ходе зарядки и разрядки при 20 мА в одном цикле;

Фигура 8 является графиком, показывающим изменения напряжения элемента и потенциала отрицательного электрода со временем для набора из 10 циклов, задействованных при испытании нетканых листов из углеродного волокна;

Фигура 9 является графиком, показывающим изменения напряжения элемента, потенциала положительного электрода и потенциала отрицательного электрода в ходе зарядки и разрядки при 50 мА в одном цикле, задействованном при испытании нетканых листов из углеродного волокна;

Фигура 10 является графиком, показывающим изменения напряжения элемента и потенциала отрицательного электрода со временем для набора из 4 циклов, задействованных при испытании нетканого листа из углеродного волокна;

Фигура 11 показывает конфигурацию элемента, применяемую для испытания изменений четырех различных составов электроактивного материала с высокой скоростью заряда-разряда в соответствии с различными вариантами реализации данного изобретения;

Фигура 12 показывает конфигурацию элемента, применяемую для испытания изменений различных электропроводных матов в соответствии с различными вариантами реализации данного изобретения;

Фигура 13 является графиком, показывающим изменения напряжения элемента и емкости для протокола зарядки/разрядки высоким током для элемента, содержащего конденсаторный состав, намазанный непосредственно на свинцовый лист элемента, причем конденсаторный состав содержит 20 вес. % оксида свинца, 20 вес. % углеродной сажи и 35 вес. % активированного угля;

Фигура 14 является графиком, показывающим изменения напряжения элемента и емкости для протокола зарядки/разрядки высоким током для элемента, содержащего конденсаторный состав, намазанный непосредственно на свинцовый лист элемента, причем конденсаторный состав содержит 20 вес. % оксида свинца, 20 вес. % углеродной сажи и 45 вес. % активированного угля;

Фигура 15 является графиком, показывающим изменения напряжения элемента и емкости для протокола зарядки/разрядки высоким током для элемента, содержащего нетканый лист из углеродного волокна 8000040 с намазанным на него конденсаторным составом, содержащим 20 вес. % оксида свинца, 30 вес. % углеродной сажи и 35 вес. % активированного угля;

Фигура 16 является графиком, показывающим изменения напряжения элемента и емкости для протокола зарядки/разрядки высоким током для элемента, содержащего нетканый лист из углеродного волокна 8000030 (1 дюйм) с намазанным на него конденсаторным составом, содержащим 20 вес. % оксида свинца, 30 вес. % углеродной сажи и 35 вес. % активированного угля;

Фигура 17 показывает конфигурацию элемента, применяемую для испытания характеристик клапанно-регулируемого свинцово-кислотного (VRLA) 2-вольтового аккумуляторного элемента, содержащего нетканые листы из углеродного волокна, составляющие конденсаторный материал;

Фигура 18 является графиком, показывающим профиль циклирования зарядки и разрядки при 42 В при испытании характеристик элемента по Фигуре 17;

Фигура 19 является графиком, показывающим изменения напряжения элемента и емкости при испытании элемента, такого как на Фигуре 17;

Фигура 20 показывает установку и процесс в соответствии с вариантом реализации изобретения для изготовления композиционного слоя, содержащего электропроводный мат, покрытый электроактивным материалом с высокой скоростью заряда-разряда; и

Фигура 21 показывает установку и процесс в соответствии с вариантом реализации изобретения для изготовления двухстороннего электрода с композиционным слоем, нанесенным на каждую из его сторон.

Подробное описание аббревиатур

В примерах будут сделаны ссылки на следующие аббревиатуры, где:

АРР - применения

С - Градусы Цельсия

Cl - Класс

[ ] - Концентрация

F - Градусы Фаренгейта

h - Час

HRPSoC - Высокоскоростное состояние частичного заряда

Μn - Среднечисловой молекулярный вес

Mw - Средневесовой молекулярный вес

MW - Молекулярный вес

PSoC - Условия состояния частичного заряда

RH - Относительная влажность

SG - Удельный вес или относительная плотность относительно воды

SEM - Сканирующая электронная микроскопия

Wt% - Процентное весовое содержание конкретного компонента в составе

XPS - Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

Подробное описание

В попытке выявить альтернативные материалы и компоновки в электродах для батарей с улучшенными характеристиками было обнаружено, что электропроводный мат, используемый с электродами, содержащими сочетание двух различных электроактивных материалов, причем один из электроактивных материалов обладает более высокой плотностью энергии и способностью к более низкой скорости заряда-разряда, чем другой электроактивный материал, может обеспечить определенные преимущества, включая увеличенный срок службы. Неограничивающие конкретные варианты реализации данного изобретения описаны ниже.

Электрод по данному изобретению содержит первый электроактивный материал и второй электроактивный материал, причем первый электроактивный материал обладает более высокой плотностью энергии, чем второй электроактивный материал, а второй электроактивный материал обладает способностью к более высокой скорости заряда-разряда, чем первый электроактивный материал. Для удобства электроактивный материал, обладающий более высокой плотностью энергии (первый электроактивный материал), называется далее «электроактивным материалом с высокой энергией», а электроактивный материал, обладающий способностью к более высокой скорости заряда-разряда (второй электроактивный материал), называется далее «электроактивным материалом с высокой скоростью заряда-разряда».

Данное изобретение, в общем, относится к электроду для высокоскоростных и высокоэнергетических устройств аккумулирования электроэнергии, содержащих токоотвод, электроактивный материал с высокой энергией, электроактивный материал с высокой скоростью заряда-разряда, электропроводный мат для обеспечения конструктивной и проводящей опоры для по меньшей мере одного из электроактивных материалов с высокой энергией и высокой скоростью заряда-разряда. Электроды по описанному здесь первому аспекту могут быть использованы в высокоскоростных и высокоэнергетических устройствах аккумулирования электроэнергии.

Общие термины

Термин «высокоскоростной» или «с высокой скоростью заряда-разряда» в общем относится к способности устройства или материала обеспечивать высокую скорость или высокий ток электрического разряда и повторного заряда, чему способствует устройство или материал, имеющие низкое внутреннее сопротивление и большую площадь поверхности. Хорошо известно, что высокая скорость разряда обеспечивается традиционными конденсаторными материалами электродов, способными к емкостному аккумулированию (хранению) энергии, такими как углерод с большой площадью поверхности.

Термин «высокоэнергетический» или «с высокой энергией» в общем относится к способности устройства или материала обеспечивать высокую величину электрического разряда или повторного заряда, обычно обеспечиваемую при длительной продолжительности электрического разряда или повторного заряда, но с малой скоростью. Считается, что материал с высокой энергией обеспечивается традиционным материалом электродов батареи, способным к электрохимическому аккумулированию (хранению) энергии, такому как свинцовая паста, применяемая в свинцово-кислотных аккумуляторных батареях.

Термин «электроактивный», «активный электродный материал» или схожие термины относятся к способности материала принимать, хранить или обеспечивать источник электрического заряда и включают в себя материалы электродов конденсатора, способные к емкостному аккумулированию энергии, и материалы электродов батареи, способные к электрохимическому аккумулированию энергии.

Другие конкретные термины были описаны ниже, где они соответственно описаны со ссылкой на конкретные варианты реализации.

Структура электрода

Электроды обычно содержат токоотвод (обычно решетку или пластину) с нанесенным на него активным электродным материалом. Активный электродный материал наиболее часто наносят в виде пасты на область токоотвода. Паста может содержать иные добавки или материалы, отличные от активного электродного материала.

Электрод может иметь любую подходящую форму, хотя обычно имеет форму плоской пластины (решетки) или спирально намотанной пластины для призматических или спирально-закрученных элементов. Для простоты конструкции обычно предпочтительны плоские пластины или решетки. Токоотводы обычно обеспечивают основную структуру электрода и, как правило, выполнены из электропроводных металлов, например, обычно в качестве токоотвода в свинцово-кислотных аккумуляторных батареях используется сплав свинца. Более того, материалы, используемые для токоотвода, должны быть устойчивы к среде электролита.

Как описано выше, данное изобретение в общем предусматривает электрод для высокоскоростного и высокоэнергетического устройства аккумулирования электроэнергии, содержащий: токоотвод, электроактивный материал с высокой энергией, электроактивный материал с высокой скоростью заряда-разряда и электропроводный мат, который обеспечивает электропроводящую конструктивную и механическую опору для электроактивного материала с высокой скоростью заряда-разряда и/или высокой энергией.

Каждый из электроактивного материала с высокой энергией, электроактивного материала с высокой скоростью заряда-разряда и электропроводного мата может быть предусмотрен на токоотводе, или друг на друге, в виде покрытия, слоя или области и в любом порядке или любой компоновке, и может быть выполнен с другими материалами или слоями. Различные компоновки и варианты реализации электрода описаны следующим образом.

Первый и второй электроактивные материалы могут быть перемешены в любых одном или более покрытиях, одном или более слоях или одной или более областях, необязательно с одной или более другими добавками. Первый электроактивный материал может быть также отделен от второго электроактивного материала в любых одном или более покрытиях, одном или более слоях или одной или более областях.

В одном варианте реализации электрод имеет отдельные первую(ые) и вторую(ые) области, причем электроактивный материал с высокой энергией расположен в одной или более первых областях, а электроактивный материал с высокой скоростью заряда-разряда расположен в одной или более вторых областях. Первая(ые) и вторая(ые) области могут быть смежными, разнесенными, перекрывающимися или наслоенными одна на другой. Области могут быть предусмотрены на токоотводе и/или на электропроводном мате, причем мат выполнен с возможностью поддерживать (т.е. обеспечивать опору) для любой из областей. Электропроводный мат помогает предотвратить сползание электроактивных материалов с электрода в процессе использования. В другом примере электропроводный мат может быть расположен в виде слоя поверх токоотвода с расположенными на поверхности электропроводного мата первой(ыми) и второй(ыми) областями.

В другом варианте реализации один из электроактивньгх материалов с высокой скоростью заряда-разряда и с высокой энергией может быть предусмотрен в виде первого отдельного слоя, нанесенного на токоотвод, а другой из электроактивных материалов с высокой скоростью заряда-разряда и с высокой энергией может быть тогда предусмотрен в виде второго отдельного слоя, нанесенного на первый отдельный слой, причем электропроводный мат является третьим отдельным слоем, находящимся в контакте со вторым отдельным слоем. В альтернативном варианте реализации электроактивный материал с высокой энергией может быть предусмотрен в виде первого отдельного слоя, нанесенного на токоотвод, а электропроводный мат может быть предусмотрен в виде второго отдельного слоя, находящегося в контакте с первым отдельным слоем, а электроактивный материал с высокой скоростью заряда-разряда предусмотрен в виде третьего отдельного слоя, нанесенного на второй отдельный слой.

Электроактивный материал с высокой скоростью заряда-разряда и/или с высокой энергией может быть нанесен на и/или введен в электропроводный мат с образованием композиционного слоя. В одном варианте реализации электрод содержит композиционный слой, содержащий электропроводный мат, покрытый по меньшей мере одним из электроактивных материалов с высокой скоростью заряда-разряда и высокой энергией, а, предпочтительно, по меньшей мере электроактивным материалом с высокой скоростью заряда-разряда. Относительно изготовления электрода или устройства, содержащего такой электрод, композиционные слои могут быть предварительно изготовлены и храниться, а затем собираться в электрод или устройство в подходящий момент времени, что обеспечивает определенную эффективность при изготовлении таких электродов и устройств. Например, композиционный слой может наноситься одновременно на каждую сторону двухстороннего электрода для обеспечения эффективного производства электрода.

В другом варианте реализации электропроводный мат предусмотрен в виде промежуточного слоя, отделяющего электроактивный материал с высокой энергией от электроактивного материала с высокой скоростью заряда-разряда. Промежуточный слой может быть предусмотрен в виде отдельного слоя. Пористость электропроводного мата может быть также выбрана для предотвращения проникновения электроактивного материала с высокой скоростью заряда-разряда через электропроводный мат. Выбранная пористость будет зависеть от природы устройства и окружающей среды, в которой устройство предназначено работать. Например, электроактивный материал с высокой скоростью заряда-разряда может быть нанесен на одну сторону электропроводного мата, а электроактивный материал с высокой энергией может быть нанесен на противоположную сторону электропроводного мата, причем пористость электропроводного мата выбрана для сохранения разделения электроактивных материалов с высокой скоростью заряда-разряда и с высокой энергией.

Указанные выше компоновки электрода подходят для формирования как отрицательных, так и положительных электродов батарей.

Электроактивные материалы

«Электроактивный материал с высокой энергией» обладает более высокой плотностью энергии, чем «электроактивный материал с высокой скоростью заряда-разряда», а «электроактивный материал с высокой скоростью заряда-разряда» обладает способностью к более высокой скорости заряда-разряда, чем «электроактивный материал с высокой энергией». Будет понятно, что абсолютные значения скорости заряда-разряда или энергии для этих материалов зависят от ряда факторов, включая количества и тип материала, а также окружающие среды и конфигурации, в которых эти материалы используются.

«Электроактивным материалом с высокой энергией» может быть любой материал, традиционно применяемый в электродах батарей для обеспечения высокой плотности энергии. Эти материалы обычно обеспечивают непрерывную выдачу энергии, но с меньшей скоростью или мощностью по сравнению с материалами с высокой скоростью заряда-разряда. Примеры некоторых обычных материалов с высокой энергией, которые использовались для анодов в перезаряжаемых водных батареях, включают в себя кадмий, гидриды металлов, свинец и цинк, при том что такие материалы для катодов изготавливались из оксида никеля, оксида свинца, серебра и кислорода или воздуха (с катализатором). Примеры анодных материалов с высокой энергией для Li-ионных перезаряжаемых батарей включают в себя углерод (с интеркаляцией Li), WO₃, и TiS₂, и SnO_x, с соответствующими катодными материалами, включающими в себя Li_xNi_yO_z, LiCoO₂, LiMn₂O₂, Li_xTi_yOz и LiV₆O₁₃, где x, у и z изменяются в интервале от 0,1 до 10. Другие материалы с высокой энергией включают в себя La, Li, Na, Al, Fe, Zn, Cd, Pb, Sn, Bi, С, V, Mn, Co, Ni, Ag и их оксиды, гидроксиды, гидриды, карбиды, нитриды или сульфиты, и полианилин, политиофен, полифторфенилтиофен, полипиррол, n- или р-допированные полимеры, окислительно-восстановительные полимеры и их смеси. Например, устройство аккумулирования электроэнергии может содержать системы на основе иона лития, металлического лития, гидрида металла-лития, гидрида металла-никеля, никеля и цинка, и устройства или электродные системы на основе никеля и серебра.

В одном варианте реализации электроактивный материал с высокой энергией является материалом на основе свинца, например, для свинцово-кислотной аккумуляторной батареи, губчатым свинцом для использования в качестве материала отрицательного электрода и диоксидом свинца для использования в качестве материала положительного электрода.

«Электроактивный материал с высокой скоростью заряда-разряда» может быть любым материалом с высокой скоростью (или с высокой мощностью) заряда-разряда, который обычно демонстрирует свойства конденсаторов. Такие материалы хорошо известны в данной области техники. Эти материалы обычно обеспечивают начальную выдачу с высокой скоростью заряда-разряда или с высокой энергией в течении короткого промежутка времени, но имеют малую плотность энергии по сравнению с материалом с высокой энергией. Примеры некоторых материалов с высокой скоростью заряда-разряда, которые использовались в конденсаторах, включают в себя углерод с большой площадью поверхности, оксид рутения, оксид серебра, оксид кобальта и проводящие полимеры (такие как полианилин, политиофен, полифторфенилтиофен, n- или p-допированные полимеры, окислительно-восстановительные полимеры или полипиррол). Примерами углеродных материалов с высокой площадью поверхности являются активированный углерод, углеродная сажа, аморфный углерод, углеродные наночастицы, углеродные нанотрубки, углеродные волокна и их смеси. Другие материалы с высокой скоростью заряда-разряда включают в себя С, Nb, Hf, Ti, Та, Li, Fe, Zn, Sn, Ru, Ag, Pt, Ir, Pb, Mo, W, Ni, Co и их оксиды, гидроксиды, гидриды, карбиды, нитриды или сульфиты, а также их смеси.

Электроактивный материал с высокой энергией и электроактивный материал с высокой скоростью заряда-разряда обычно предусмотрены в виде областей, слоев или покрытий на электроде. Электроактивный материал может быть нанесен или наложен в виде покрытия на токоотвод, электропроводный мат или один или более других компонентов электродов, например, в виде пасты со связующим или связующими агентами, такими как карбоксиметилцеллюлоза, неопрен, бутадиенстирольный каучук, политетрафторэтилен (ПТФЭ) или поливинилиденфторид (ПВДФ)/кайнар и их сочетания, и, необязательно, с одной или более другими добавками, включая проводящие материалы, такие как углеродная сажа, пластмассовые или углеродные волокна, загустители или порообразующие агенты. Электроактивный материал с высокой энергией может быть нанесен на токоотвод, электропроводный мат или один или более других компонентов электрода без необходимости в использовании связующего или связующего(их) агента(ов).

Паста для нанесения электроактивного материала с высокой скоростью заряда-разряда на один или более компонентов электродов часто содержит другие материалы для достижения нужного баланса между площадью поверхности (и, следовательно, емкостью) и проводимостью. На данный момент, из соображений затрат, активированный уголь является наиболее подходящим источников электроактивного материала с высокой скоростью заряда-разряда. Подходящий материал из активированного угля может иметь площадь поверхности по меньшей мере 500 м²/г, например, в интервале примерно 1000-3500 м²/г.Подходящий материал из углеродной сажи может иметь площадь поверхности в интервале 20-1000 м²/г.

Электроактивные материалы могут быть использованы в сочетании с одной или более добавками. Добавка может включать в себя связующее или связующие агенты, загустители, волокна, проводящие материалы и порообразующие агенты. Добавки могут быть предусмотрены в смеси или пасте, содержащей электроактивный материал, для формирования части области, покрытия или слоя, и для улучшения характеристик электрода.

Порообразующий агент может быть выбран из одного или более из группы, состоящей из порошка цинка, порошка камфары, порошка нафталина и порошка алюминия. Порообразующий агент увеличивает пористость области, покрытия или слоя, содержащих электроактивный материал, и облегчает подачу электролита к поверхности электрода для улучшения высокоскоростного разряда.

Проводящий материал обеспечивает достаточную величину электропроводности в области, покрытии или слое и может включать в себя углеродную сажу или другие проводящие материалы. Проводящий материал может быть предусмотрен в количестве по меньшей мере 5% по весу области, покрытия, слоя, смеси или пасты, например, в интервале от 10 до 60% по весу.

Связующее или связующий агент полезны для усиления связывания материалов друг с другом и на поверхности токоотвода, электрода или электропроводного мата. Связующее может также обеспечивать электрическое соединение между материалами, областями, слоями, покрытиями или компонентами электрода, и способствовать поддержанию достаточной степени пористости, когда материалы высушены. Связующее или связующий агент могут включать в себя полихлоропрен, бутадиенстирольный каучук (БСК), политетрафторэтилен (ПТФЭ), поливинилиденфторид (ПВДФ). Связующее может быть предусмотрено в интервале от 1 до 20% по весу в области, покрытии или слое, например, в интервале от 5 до 15% по весу.

Загуститель, который можно также назвать связующим или связующим агентом, полезен для приготовления смеси материалов в виде пасты. Для водной пасты подходят производные целлюлозы, такие как карбоксиметилцеллюлоза (КМ