Гибридный электрохимический конденсатор

Гибридный электрохимический конденсатор

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Описываемые здесь варианты осуществления изобретения относятся, в общем и целом, к устройствам для хранения энергии и, более конкретно, к аккумуляторам и конденсаторам.

Предпосылки создания изобретения

Современное общество зависит от того, насколько высока степень доступности энергии и ее готовности к использованию. Поскольку потребности в энергии растут, устройства, способные эффективно сохранять энергию, становятся все более важными. В результате, устройства для хранения энергии, включая аккумуляторы, конденсаторы, электрохимические конденсаторы (electrochemical capacitor (ЕС)), гибридные электрохимические конденсаторы и другие подобные устройства все более широко используются в области электроники и за ее пределами. В частности, конденсаторы широко используются в самых разнообразных областях применения от электрических схем и снабжения энергией до стабилизации напряжения и в качестве замены аккумуляторам.

Электрохимические конденсаторы (включая псевдоконденсаторы и электрические двухслойные конденсаторы (electric double-layer capacitors (EDLC))) (иногда, помимо других названий, именуемые ультраконденсаторами) отличаются большой емкостью хранения энергии, возможностью быстрого заряда/разряда и большими сроками службы при циклических нагрузках, а также другими желательными характеристиками, включая высокую плотность хранения энергии, небольшие размеры и небольшую массу, и стали, таким образом, перспективными кандидатами для использования в различных областях применения, где требуется хранение энергии. Одно из различий между электрохимическими конденсаторами и аккумуляторами состоит в том, что электрохимические конденсаторы могут заряжаться и разряжаться быстро, поскольку они не опираются на химические реакции для сохранения энергии и они не подвержены существенной деградации в течение всего срока службы, даже при быстром заряде и разряде. Электрохимические конденсаторы (далее называемые также ЕС-конденсаторами) также менее чувствительны к температуре, чем аккумуляторы. Гибридные электрохимические конденсаторы (далее называемые также гибридными ЕС-конденсаторами) сочетают большой запас энергии, способность быстро заряжаться и большой срок службы при циклических нагрузках с более высокими напряжениями, что повышает плотность хранения энергии по сравнению с обычными ЕС-конденсаторами. Гибридные ЕС-конденсаторы, таким образом, «закрывают» разрыв между традиционными электрохимическими конденсаторами и аккумуляторами в том смысле, что они обладают более высокой плотностью мощности, чем литий-ионные аккумуляторы, и более высокой плотностью хранения энергии, чем обычные ЕС-конденсаторы. Кроме того, гибридные конденсаторы могут достигать уровней эффективности 95% и более, что превышает эффективность 70%, демонстрируемую большинством аккумуляторов.

Краткое описание чертежей

Описываемые варианты осуществления станут более понятны из последующего подробного описания, рассматриваемого в сочетании с прилагаемыми чертежами, которые совместно иллюстрируют на примерах разнообразные признаки заявляемого изобретения и на которых:

фиг. 1 представляет собой поперечное сечение гибридного электрохимического конденсатора согласно одному из вариантов настоящего изобретения;

фиг. 2 представляет собой поперечное сечение гибридного электрохимического конденсатора согласно одному из вариантов настоящего изобретения;

фиг. 3 представляет собой поперечное сечение гибридного электрохимического конденсатора согласно одному из вариантов настоящего изобретения;

фиг. 4 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ изготовления гибридного электрохимического конденсатора согласно одному из вариантов настоящего изобретения;

фиг. 5А-В представляют графики, иллюстрирующие результаты циклических вольтамперометрических испытаний гибридного электрохимического конденсатора согласно различным вариантам настоящего изобретения.

Для простоты и ясности иллюстрации чертежи иллюстрируют общие принципы конструкции, а описание и подробности хорошо известных признаков и способов могут быть опущены во избежание ненужного загромождения описания рассматриваемыми вариантами осуществления изобретения. Кроме того, элементы на чертежах не обязательно выполнены в масштабе. Например, размеры некоторых элементов на чертежах могут быть специально преувеличены относительно других элементов, чтобы способствовать лучшему пониманию иллюстрируемых вариантов. Некоторые чертежи могут быть показаны в идеализированном виде для лучшего понимания, так что структуры, изображенные с прямыми линиями, острыми углами и/или параллельными плоскостями либо другими подобными элементами, в реальных условиях будут, скорее всего, значительно менее симметричными и упорядоченными. Одинаковые цифровые обозначения на разных чертежах указывают на одинаковые элементы, тогда как схожие цифровые обозначения могут, но не обязательно будут, указывать на подобные элементы.

Далее будут использоваться ссылки на иллюстрируемые примеры вариантов, а для описания этих вариантов здесь будут использованы конкретные формулировки. Тем не менее, должно быть понятно, что это не имеет целью наложить какие-то ограничения на объем изобретения.

Описание вариантов осуществления изобретения

Хотя следующее ниже подробное описание включает для целей иллюстрации много конкретных деталей, средний специалист в рассматриваемой области техники поймет, что многие вариации и изменения приведенных далее частностей также находятся в пределах объема описываемых здесь вариантов осуществления изобретения.

Соответственно, следующие варианты осуществления настоящего изобретения приводятся здесь без какой-либо потери общности и без наложения ограничений на приведенную здесь Формулу изобретения. Прежде чем какие-либо варианты изобретения будут описаны более подробно, следует понять, что настоящее изобретение не ограничивается рассмотренными здесь конкретными вариантами. Следует также понимать, что используемая здесь терминология предназначена только для целей описания конкретных вариантов изобретения и не направлена на ограничение объема изобретения. Если не указано иное, все используемые здесь технические и научные термины имеют такое же значение, какое обычно понимается средним специалистом в области, к которой относится настоящее изобретение.

В настоящем описании и в прилагаемой Формуле изобретения формы единственного числа артиклей "а", "an" и "the" включают в себя также множественное число, если только контекст не в явном виде не указывает на иное. Таким образом, например, ссылки на «пористый материал» охватывают множество таких материалов.

В настоящем документе слова «содержит», «содержащий», «имеющий в составе» и «имеющий», а также другие аналогичные слова, могут иметь значение, приписываемое им в патентном законодательстве США, и могут означать «включает», «включающий» и т.д., так что их, в общем случае, следует интерпретировать как неограничивающие термины. Термин «состоит из» является ограничивающим, «замкнутым», термином и охватывает только те компоненты, структуры, этапы и другие подобные элементы, которые перечислены в явном виде, так что этот термин тоже следует интерпретировать в соответствии с патентным законодательством США. Термины «состоящий по существу из», или «состоит по существу…» и т.п., при применении их к способам и композициям, обозначают композиции, которые похожи на композиции, описываемые здесь, но могут содержать дополнительные структурные группы, компоненты композиций или этапы способов. Такие дополнительные структурные группы, компоненты композиций или этапы способов и т.п. не оказывают, однако, существенного влияния на базовые и новые характеристики композиций или способов по сравнению с влиянием описываемых здесь соответствующих композиций или способов. Более подробно, термины «состоящий по существу из», или «состоит по существу…» или другие подобные термины при применении к способам и композициям, рассматриваемым здесь, имеют значение, приписываемое им патентным законодательством США, и являются открытыми, неограничивающими терминами, позволяя присутствие дополнительных компонентов по сравнению с компонентами, указанными в явном виде, (например, микропримесей, компонентов, не вступающих в реакцию с подложкой из пористого кремния, и других подобных компонентов) до тех пор, пока базовые или новые характеристики, упомянутые здесь, не изменяются вследствие присутствия этих дополнительных компонентов в большей степени, чем указано здесь, но при этом исключают известные варианты. При использовании неограничивающего термина, подобного терминам «содержащий» или включающий, понятно, что это должно также прямо поддерживать термины «состоящий по существу из», равно как «состоящий из», как если бы он был выражен в явном виде.

Термины «первый», «второй», «третий», «четвертый» и т.д. в настоящем описании и в Формуле изобретения, если таковые встречаются, используются для различения между подобными элементами, и вовсе не обязательно указывают на какую-либо конкретную последовательность или хронологический порядок. Следует понимать, что используемые таким образом термины в соответствующих обстоятельствах являются взаимозаменяемыми, так что описываемые здесь варианты способны, например, работать в соответствии с последовательностями, отличными от проиллюстрированных или иным способом описанных здесь последовательностей. Аналогичным образом, если описываемый здесь способ включает ряд этапов, представленный здесь порядок следования этих этапов не обязательно является единственным возможным порядком, в котором эти этапы могут быть выполнены, так что некоторые из указанных этапов могут быть, в каких-то вариантах, опущены и/или какие-то другие этапы, не описанные здесь, могут быть, вероятно, добавлены. Более того, термины «содержит», «включает», «имеет» и какие-либо вариации этих терминов предназначены для того, чтобы охватывать неисключающее включение, так что какая-либо процедура, способ, изделие или устройство, содержащее некий перечень элементов, не обязательно ограничены только этими элементами, а, вместо этого, могут содержать и другие элементы, не указанные явным образом или не присущие явным образом такой процедуре, способу, изделию или устройству.

Термины «слева», «справа», «спереди», «сзади», «сверху», «снизу», «над», «под» и другие подобные термины в настоящем описании и в формуле изобретения, если таковые встречаются, используются только для описательных целей, и вовсе не обязательно для описания постоянных относительных положений. Следует понимать, что используемые таким способом термины являются взаимозаменяемыми при определенных обстоятельствах, так что описываемые здесь варианты способны, например, работать и в других ориентациях, отличных от изображенных или иным способом описанных в настоящем документе ориентаций. Термин «связанные», как он используется здесь, определен как обозначающий прямое или непрямое соединение электрическим или неэлектрическим способом. Объекты, описываемые в настоящем изобретении, как находящиеся «рядом» друг с другом, могут быть в физическом контакте между собой, могут быть очень близко (в непосредственной близости) один к другому или в одной и той же области, как это следует из контекста, в котором использована эта фраза. Случаи, когда используется фраза «в одном из вариантов осуществления», не обязательно относятся к одному и тому же варианту.

Как используется в настоящем документе, несколько объектов, структурных элементов, композиционных элементов и/или материалов могут быть представлены в общем списке по соображениям удобства. Однако эти списки следует толковать так, как будто каждый из элементов списка индивидуально идентифицирован как отдельный и уникальный элемент. Таким образом, ни один из индивидуальных элементов из такого списка не следует толковать как де факто эквивалентный какому-либо другому элементу из этого же списка исключительно на основании присутствия этих элементов в общей группе, если явно не будет указано противоположное. Кроме того, разнообразные варианты и примеры могут упоминаться наряду с альтернативными вариантами их различных компонентов. Понятно, что такие варианты, примеры и альтернативы не следует толковать, как де факто эквивалентные друг другу, а нужно считать отдельными и автономными друг от друга.

В настоящем документе термины «электролит» и «ион-содержащий электролит» могут быть использованы взаимозаменяемо и охватывают, в том числе, твердые электролиты, гелеобразные электролиты, ионные жидкости и жидкие растворы электролитов, включая жидкости на водной основе и на органической основе, если не указано иное.

В настоящем документе термины «существенный» и «по существу», при использовании их в связи с количеством или объемом материала или с конкретной характеристикой материала, обозначают количество материала, достаточное для достижения эффекта, который рассматриваемый материал или характеристика должны создавать. Точная величина допустимого отклонения может в некоторых случаях зависеть от конкретного контекста. Аналогичным образом, термин «по существу свободный от» или другой подобный термин указывает на отсутствие данного элемента или агента в композиции. В частности, элементы, обозначенные как «по существу свободные от», либо полностью отсутствуют в композиции, либо входят в нее достаточно малых количествах, чтобы не оказывать измеримого воздействия на композицию.

Ссылки в пределах настоящего описания на «пример» означают, что конкретный признак, структура или характеристика, описанные в связи с этим примером, входят по меньшей мере в один вариант осуществления. Таким образом, не обязательно все появления фразы «в примере» в различных местах настоящего описания относятся к одному и тому же варианту осуществления.

Примеры вариантов осуществления

Ниже приведен первичный обзор вариантов осуществления технологии, а конкретные варианты осуществления будут затем описаны более подробно. Первоначальная краткая сводка имеет целью помочь читателю быстрее понять описываемую технологию, но не предназначена для идентификации ключевых или существенных признаков технологии, равно как и не ставит себе целью ограничить объем заявляемого изобретения.

Плотность энергии в гибридном электрохимическом (ЕС) конденсаторе может быть увеличена посредством увеличения электрического напряжения по сравнению с обычным ЕС-конденсатором. Это может быть достигнуто за счет использования пористого материала с большой площадью поверхности для катода и электрода аккумуляторного типа для анода. В одном из вариантов гибридный электрохимический конденсатор содержит первый электрод, имеющий в составе магний, натрий, цинк, алюминий или олово, и второй электрод, выполненный из пористого материала или наноструктуры с отношением площади поверхности к объему по меньшей мере 10 м²/см³, а также электролит и сепаратор. В некоторых вариантах отношение площади поверхности к объему для пористого материала может быть в пределах от примерно 10 м²/см³ до примерно 5000 м²/см³; в других вариантах это отношение может быть в пределах от примерно 100 м²/см³ до примерно 2000 м²/см³; и еще в некоторых вариантах это отношение может быть в пределах от примерно 300 м²/см³ до примерно 1000 м²/см³. В другом варианте первый электрод содержит магний, натрий, цинк, алюминий, олово, литий, предварительно обработанный литием пористый углерод или предварительно обработанный литием мягкий углерод. Пористый углерод или мягкий углерод может быть также предварительно импрегнирован ионами металла, отличного от лития. Второй электрод может содержать пористый кремний, подходящим образом пассивированный каким-либо материалом, в некоторых случаях электропроводным материалом.

Гибридные ЕС-конденсаторы согласно некоторым вариантам осуществления могут быть интегрированы в кремниевые устройства или в корпуса с кремниевыми устройствами для реализации хранилища энергии с быстрым откликом. Их можно использовать вместе с аккумуляторами или (потенциально) вместо аккумуляторов в таких областях применения, как питание в «спящем» режиме/режиме ожидания или в качестве резервных источников питания для запоминающих устройств (где эти конденсаторы могут быть использованы многократно благодаря большому сроку службы при циклических нагрузках); быстрый заряд, турбо режим и в качестве источников питания для ламп-вспышек в фото и видеокамерах; в низкотемпературных приложениях (диапазон рабочих температур от -25°С до +60°С при уровне потерь энергии менее 5% (против 50% для аккумуляторов)); устройства для сбора и аккумулирования энергии; автомобильные применения (аварийный источник питания (например, для разблокирования дверей или опускания стекол), достаточная плотность мощности для подъема в гору или движения с ускорением; торможение с рекуперацией энергии обеспечивает некоторую перезарядку); и другие области применения. Кроме того, гибридные ЕС-конденсаторы совместимы с возобновляемыми источниками энергии, работающими лишь время от времени (ветровые генераторы, солнечные/фотогальванические панели, гидравлические генераторы, преобразователи энергии волн и т.п.). Гибридные ЕС-конденсаторы могут быть также использованы в носимых устройствах или в устройствах для соединения многочисленных повседневно используемых устройств, аппаратуры, продукции, пакетов продуктов и т.п. с Интернет (для получения «Интернета вещей»).

Обратимся теперь к чертежам. На фиг. 1 представлен вид сечения гибридного электрохимического конденсатора 100 согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Этот гибридный ЕС-конденсатор содержит первый электрод 110, второй электрод 120 и электролит 130. Первый электрод и второй электрод могут быть разделены промежутком во избежание электрических коротких замыканий между электродами. В некоторых вариантах первый электрод может содержать магний, натрий, цинк, алюминий, олово или комбинацию этих элементов, а второй электрод может содержать пористый материал с отношением площади поверхности к объему по меньшей мере 10 м²/см³. В некоторых вариантах отношение площади поверхности к объему для пористого материала может быть в пределах от примерно 10 м²/см³ до примерно 5000 м²/см³; в других вариантах это отношение может быть от примерно 100 м²/см³ до примерно 2000 м²/см³; а в еще одной группе вариантов это отношение может быть в пределах от примерно 300 м²/см³ до примерно 1000 м²/см³. Пористый материал может иметь поры 140, открывающиеся на поверхности электрода, чтобы электролит мог проникать в эти поры. В некоторых вариантах второй электрод может иметь поверхность 150 с нанесенным на нее материалом 160 покрытия. В некоторых вариантах это покрытие может представлять собой электропроводное покрытие. Размер пор и толщина материала покрытия могут быть конфигурированы таким образом, чтобы внутренний объем 170 этих пор оказался достаточно велик для протекания ионов электролита внутрь пор и из пор наружу.

Хотя фиг. 1 иллюстрирует вариант, в котором второй электрод выполнен из пористого материала, а первый электрод изготовлен из непористого материала, можно предположить и другие возможные конфигурации. В одном из вариантов первый электрод может представлять собой анод, выполненный из непористого материала, а второй электрод - катод, выполненный из пористого материала. Однако в других вариантах оба электрода - и анод, и катод, могут быть выполнены из пористых материалов. Еще в одной группе вариантов первый электрод может быть пористым, а второй электрод непористым. В некоторых вариантах первый электрод может быть катодом, а второй электрод может быть анодом. В некоторых вариантах один или оба электрода могут быть соединены с коллектором тока (не показан).

В различных вариантах осуществления один из электродов гибридного электрохимического конденсатора может действовать так, как если бы он представлял собой конденсатор с двойным электрическим слоем (electric double layer capacitor (EDLC)), а другой электрод может работать так, как если бы он был аккумулятором. Указанный электрод EDLC-типа может создавать на поверхности этого электрода двойной слой заряженных ионов и тем самым сохранять энергию посредством физического хранения электрических зарядов. Электрод аккумуляторного типа может химически реагировать с ионами в электролите, например с протеканием реакций восстановления/окисления, и тем самым сохранять энергию за счет химических реакций. Сочетание электрода EDLC-типа с электродом аккумуляторного типа позволяет гибридному электрохимическому конденсатору иметь свойства и EDLC-конденсатора, и аккумулятора. Следует отметить, что некоторые сочетания материалов и рабочих параметров могут позволить гибридному электрохимическому конденсатору реализовать выгодные сочетания преимуществ и EDLC-конденсаторов, и аккумуляторов. Однако многие сочетания материалов и рабочих параметров могут привести к тому, что полученные в результате гибридные электрохимические конденсаторы будут обладать многими ограничениями и недостатками EDLC-конденсаторов и аккумуляторов, но лишь немногими их преимуществами. Материалы и сочетания, рассматриваемые в настоящем описании и в формуле изобретения, могут быть использованы для создания гибридных электрохимических конденсаторов с высокой плотностью энергии, высокой плотностью мощности и другими благоприятными свойствами.

В некоторых вариантах гибридный электрохимический конденсатор может иметь более высокое напряжение, чем обычные электрохимические конденсаторы. Например, в некоторых случаях гибридный электрохимический конденсатор может иметь напряжение выше 4 В. Плотность энергии в гибридном электрохимическом конденсаторе увеличена за счет увеличения электрического потенциала по сравнению с электрохимическим конденсатором. Кроме того, в некоторых вариантах гибридный электрохимический конденсатор может поддерживать относительно стабильное напряжение в процессе разряда. Например, более 50% заряда, сохраненного в гибридном электрохимическом конденсаторе, может быть разряжено при падении напряжения меньше 1 В. Это позволяет легче интегрировать гибридный электрохимический конденсатор в электрические системы, по сравнению с обычными конденсаторами, в которых напряжение падает линейно от максимального напряжения до 0 В, по мере того, как происходит потеря заряда в процессе разряда. Кроме того, можно использовать большую долю энергии, запасенной в гибридном электрохимическом конденсаторе, по сравнению с обычным конденсатором, так как после достижения обычным конденсатором низкого напряжения, например около 1 В, использование оставшейся энергии становится уже нереалистичным, вследствие чего эта оставшаяся энергии просто теряется.

Электрод гибридного электрохимического конденсатора может быть изготовлен из различных материалов, как это известно в уровне технике. В одном из вариантов этот электрод может быть изготовлен из пористого кремния. Другими материалами, особенно хорошо подходящими для электродов, являются пористый германий, пористое олово и пористый диоксид титана. Среди возможных преимуществ использования пористого кремния можно указать его совместимость с существующей кремниевой технологией, недорогой исходный материал и хорошую способность сохранять энергию. В одном из конкретных вариантов пористый кремний может быть легирован. Пористый германий обладает аналогичными преимуществами, поскольку существует разработанная технология для этого материала и он тоже хорошо способен сохранять энергию, а по сравнению с кремнием у германия есть еще одно возможное преимущество, заключающееся в том, что его собственный оксид (оксид германия) растворим в воде и потому может быть легко удален. (Собственный оксид, образующийся на поверхности кремния, уменьшает его электропроводность, что является нежелательным результатом.) Пористый германий также в высокой степени совместим с кремниевой технологией. Однако стоимость исходного материала в случае германия значительно выше по сравнению с кремнием. Возможные преимущества использования пористого олова, являющегося материалом с нулевой запрещенной зоной, состоят в его повышенной электропроводности по сравнению с некоторыми другими электропроводными и полупроводниковыми материалами.

Другие материалы также могут хорошо подходить для изготовления пористых электродов. Например, подходящими материалами на углеродной основе являются активированный углерод, углеродные нанотрубки, углеродные нанонити, графеновые структуры и другие подобные материалы. Можно использовать также материалы в виде частиц, содержащие углерод, кремний или другие материалы. В случае материалов в виде частиц может быть предпочтительно удерживать эти частицы вместе посредством электропроводного связующего материала. В другом варианте подложка быть выполнена из непористого материала, преобразованного затем в пористый материал. В качестве неограничивающих примеров таких материалов можно указать нано- или микроструктурированные материалы, пористые протравленные материалы, материалы, подвергнутые лазерной эрозии, анодированные материалы и другие подобные материалы. Среди подходящих исходных материалов для этого можно указать металлы, полупроводники, кремний, углерод, карбид кремния, активированный уголь, алюминий и другие подобные материалы, включая комбинации этих материалов. Для изготовления пористых структур могут быть также использованы и другие материалы, включая сплавы, такие как сплав кремния с германием, и металлы, такие как медь, алюминий, никель, кальций, вольфрам, молибден и марганец. Другими конкретными примерами пористых материалов являются поликристаллический кремний, кремний металлургической чистоты, кремний на диэлектрике, сплавы кремний-германий, арсенид галлия, фосфид индия, нитрид галлия, арсенид алюминия и галлия и нитрид бора (GaAs, InP, GaN, AlGaAs и BN).

В некоторых вариантах пористый материал представляет собой единый кусок. В другом варианте пористый материал представляет собой агрегат непористых элементов (т.е. углеродных нанотрубок, графена и т.п.), образующий сеть пор, когда непористые частицы соединены один с другим посредством связующего материала или естественных поверхностных сил, таких как силы Ван-дер-Ваальса.

Пористый электрод может действовать как конденсатор с двойным электрическим слоем. В общем случае, такой электрод представляет собой двухслойный конденсатор, работающий посредством образования двойного слоя электрического заряда на поверхности электрода. Когда электрод заряжен, ионы, имеющие противоположный заряд, притягиваются к поверхности, образуя слой. Эти ионы остаются физически рядом с электродом, не вступая в химические реакции с материалом электрода. Поэтому поверхность электрода может быть химически инертной относительно ионов электролита, чтобы электрод мог работать в качестве конденсатора с двойным электрическим слоем. Имеющиеся на сегодня в продаже EDLC-конденсаторы обычно выполнены на основе углерода, хотя недавно начали рассматривать EDLC-конденсаторы на основе кремния. Такие EDLC-конденсаторы на основе кремния могут использовать подложку из пористого кремния, на которую нанесен материал покрытия, электропроводный и инертный. Поскольку углерод является по природе своей электропроводным и в высокой степени инертным, для электродов на основе углерода никакая пассивация не требуется и никакие дополнительные слои не используются. Слой материала покрытия в составе электрода из кремния обычно имеет только одну активную поверхность, а электролит образует двойной слой на этой поверхности. Другая поверхность является неактивной, поскольку она контактирует с пористым кремнием.

Некоторые варианты могут использовать очень узкие поры в пористом материале. В некоторых вариантах электролит проникает в эти поры. В таких вариантах размер пор может быть достаточным, чтобы электролит мог проникнуть в поры. Некоторые электролиты могут содержать сольватированные ионы размером порядка 2 нанометров (нм). По меньшей мере в одном из вариантов, поэтому, наименьший размер каждой из пор не меньше 2 нм, чтобы электролит мог свободно протекать по всей длине пор.

В том же самом или в другом варианте осуществления наименьший размер каждой из пор не превышает 1 микрона (мкм). Верхний предел наименьшего размера пор может быть выбран для конкретных вариантов таким образом, чтобы максимально увеличить площадь поверхности пористых структур в этих вариантах. В некоторых вариантах перенос ионов из электролита в материал электрода является кинетически лимитирующей реакцией, так что максимальное увеличение площади поверхности может увеличить мощность. Меньшие (например, более узкие) поры ведут к увеличению общей площади поверхности каждого электрода, поскольку в пределах одного электрода данного размера может разместиться большее число таких более узких пор. Кроме того, можно также манипулировать другими размерами пор, например длинами, и/или их формами, для увеличения площади поверхности или для достижения какого-либо другого результата. В вариантах осуществления, где пористый электрод является анодом, работающим посредством интеркаляции ионов, увеличенная площадь поверхности, создаваемая при вариации размеров пор и их конфигураций, обеспечивает больше возможностей для интеркаляции пористого материала ионами (т.е. для внедрения ионов) и, тем самым, для увеличения емкости для сохранения заряда. В других вариантах осуществления наименьший размер пор может быть больше 1 мкм и может достигать 10 мкм или более. Хотя поры большего размера должны бы уменьшить площадь поверхности пористого материала, такие увеличенные поры могут создать большее внутреннее пространство, в котором могут расти или расширяться или формироваться другим способом дополнительные структуры, когда это необходимо.

Пористые структуры согласно вариантам осуществления настоящего изобретения могут быть изготовлены с применением очень точного и равномерного контроля размеров пор. Это позволяет быстро заряжать структуры и также улучшать емкость (размер пор можно оптимизировать для быстрой/эффективной диффузии ионов сквозь поры к поверхности максимальной площади).

В некоторых вариантах гибридный электрохимический конденсатор может содержать катод, изготовленный из пористого материала и покрытый псевдоемкостным материалом. В некоторых случаях, например в случае анода из металлического лития, плотность емкости пористого катода может быть меньше плотности емкости анода. Псевдоемкостные материалы могут быть нанесены на катод для увеличения емкости катода с целью более близкого согласования этой емкости с емкостью анода. К примерам таких псевдоемкостных материалов относятся, без ограничения, MnO₂, RuO₂, V₂O₅, VN, VC, Mo₂N, Mo₂C, W₂N, W₂C, CrN, поли(3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT), полипиррол (РРу), поли(триарил амин) (РТАА), полианилин (РАNI) и другие. Псевдоемкостные материалы также могут включать в себя гидроксиды.

В некоторых вариантах осуществления первый электрод может представлять собой анод, выполненный из щелочного или щелочноземельного металла, включая магний, натрий, другие металлы, такие как цинк, алюминий, олово, сплавы этих материалов, такие как Na₂Ti₃O₇, Na₂Ti₆O₁₃, сплавы кремния с оловом, или материалы, сплавленные с магнием. Второй электрод может представлять собой катод, изготовленный из какого-либо пористого материала, который может действовать как электрод EDLC-типа. Например, может быть использован пористый углерод, пассивированный пористый кремний или пористый катод, содержащий псевдоемкостный материал. Другие пористые материалы могут быть изготовлены путем нанесения материала на пористый кремний и затем стравливания кремния. В одном из вариантов анод может содержать магний, а катод может представлять собой катод на основе углерода, включающий связующий материал и электропроводный агент. В одном из конкретных вариантов связующий материал может представлять собой натрийкарбометилцеллюлозу, а электропроводный агент может быть электропроводной угольной сажей, такой как SUPER С65. Электролит может представлять собой электролит, совместимый с магнием или содержащий ионы магния. Например, совместимые электролиты содержат 2-метилтетрагидрофуран с MgBr₂ и Mg(ОСН₂(СН₃))₂.

Использование магния в качестве анода может быть выгодным по ряду причин. Во-первых, магний не вступает в столь бурную реакцию с водой, как литий. Магниевые аноды могут быть безопаснее литиевых анодов и могут быть использованы в комбинации с водными электролитами. Кроме того, ионы магния несут заряд +2, так что магниевый анод может сохранять заряд вдвое больше в расчете на один ион, чем литиевый анод. Однако магний имеет более положительный потенциал, чем литий, вследствие чего общее напряжение гибридного электрохимического конденсатора с магниевым анодом может быть меньше. В прошлом магний не использовался широко в качестве материала анодов в аккумуляторах, поскольку трудно было найти эффективные катоды, совместимые с магниевыми анодами. Благодаря использованию катода EDLC-типа в гибридном электрохимическом конденсаторе с магниевым анодом, преимущества магниевых анодов могут быть использованы без необходимости поиска совместимого катода аккумуляторного типа. Аналогичным образом в качестве анодов могут быть использованы другие металлы, такие как натрий, цинк, алюминий или олово, вместе с подходящими электролитами, содержащими ионы соответствующих металлов.

В качестве альтернативы, анод может включать структуры типа литиевой шпинели, такие как Li₄Mn₅O₁₂, Li₄Ti₅O₁₂ и Li₂Mn₄O₉ со структурой типа шпинели. Электрический потенциал этих материалов не столь электроотрицателен, как потенциал некоторых других материалов, но все же является низким. Другим преимуществом использования таких материалов является повышенная стабильность устройства и способность выдерживать циклические нагрузки вследствие минимальной деформации материалов типа шпинели во время работы.

В некоторых вариантах осуществления в качестве анодного материала может быть использован пористый кремний. В таких вариантах анод может быть выполнен из предварительно литерованного пористого кремния. В некоторых вариантах в качестве анода можно использовать кремний, пористый кремний или кремниевые частицы в электропроводной матрице, такой как углерод, а литий может быть внедрен в анод. В качестве альтернативы анод может содержать пористый нитрид или оксид переходного металла, такой как пористый TiO₂, TiN, TaN, Та_хО_у и/или пористый кремний, покрытый TiO₂, который может вступать в реакцию с литием с образованием титаната лития. Электрический потенциал этого материала не настолько низок, как потенциал некоторых других анодных материалов, но все же является низким. Посредством наноинженерной обработки TiO₂ может быть достигнута более высокая степень литирования, что увеличивает плотность энергии на стороне анода. Такие аноды из пористого кремния могут быть использованы вместе с катодами, изготовленными из пористого кремния, пассивированного подходящим электропроводным или псевдоемкостным материалом. Кроме того, в некоторых вариантах катод может содержать LiMn₂C₄, LiCoO₂, LiCoPO₄, LiMnPO₄, LiNiO₂ или комбинацию этих материалов.

В некоторых вариантах, использующих пористый кремний в качестве анода, этот анод из пористого кремния может быть изготовлен таким образом, чтобы иметь целевую пористость. Такая пористость может быть достигнута посредством травления или с применением других известных