CN101521115A

CN101521115A - 储能装置

Info

Publication number: CN101521115A
Application number: CN200910118551A
Authority: CN
Inventors: 姜镇娥; 金熙洙; 李河泳; 朴从硕; 金俊浩
Original assignee: LS Mtron Ltd
Current assignee: LS Materials Co Ltd
Priority date: 2008-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2029-02-26
Also published as: US20090225495A1; KR100969405B1; KR20090092157A; CN101521115B; US8351183B2

Abstract

本发明提供了一种储能装置，所述储能装置包括正极和负极；分别与正极和负极连接的正极导线和负极导线；放置在正极和负极之间从而使所述正极和负极彼此电绝缘的由单元纤维构成的隔板；容纳正极和负极以及隔板的壳套；收纳在壳套中的电解质；和分别与正极导线和负极导线连接的正极端子和负极端子，其中隔板的电解质渗透指数大于电极的电解质渗透指数，并且隔板的单元纤维无规排列从而使形成于所述隔板中的孔隙具有多边形的横截面。使用这种储能装置，对电容量有直接影响的电极的电解质不会被耗尽。并且能够有效防止隔板的应力破坏。

Description

储能装置

技术领域

本发明涉及一种储能装置，更具体而言涉及一种其中隔板的电解质渗透指数大于电极的电解质渗透指数、并且其中所述隔板中的单元纤维(unit fiber)无规排列的储能装置。

背景技术

通常，电池和电容器是代表性的电能储存装置。

超级电容器(ultra capacitor或super capacitor)是其特性介于电解电容器和二次电池之间的储能装置。由于高效和半永久性寿命(semi-permanent life span)，超级电容器被看作可与二次电池并行使用或替代二次电池使用的下一代储能装置。

按照储能机制，可以将超级电容器分为EDLC(双电层电容器)和赝电容器。

赝电容器利用电荷在电极表面上或附近的累积，而EDLC利用电荷在位于电极和电解质之间的界面的双电层上的吸附。

通过将诸如活性炭等具有侧面区域(side surface area)的材料用做电极的活性材料，在电极材料表面和电解质之间的接触面形成了EDLC的双电层。

换言之，由于静电效应，在电极和电解质溶液的交界表面形成了具有不同极性的电荷层。如上形成的电荷分布被称为双电层，这一现象产生了类似电池的充电容量。

然而，双电层容量的充电/放电特性与电池的充电/放电特性不同。普通电池的电压-时间特征在充电/放电的过程中表现为平台图形，而双电层电容器的电压-时间特征在充电/放电的过程中表现为线性图形。

因此，通过测定双电层电容器的电压可以容易地计算其充电/放电的能量。

并且，了解上述双电层电容器中的储电机制，电荷被储存在形成于电解质的界面处的双电层中，所以双电层容量利用了电荷的物理累积来储电，这与利于化学反应的电池不同。因此，双电层电容器不显示由反复使用所引起的性能劣化，并且确保优异的可逆特性和长久的寿命。

因此，双电层电容器不需要维护，并且在需要长寿命的应用中其有时可替代电池使用。

并且，上述的双电层电容器利用了向/从形成于电极和电解质之间的界面处的双电层插入/析出电荷的原理，所以其具有快速充电/放电的特性。因此，双电层电容器非常适合作为需要较大容量的电动车辆、道路信号灯和UPS(不间断电源)的主要或辅助电源，以及诸如移动电话等移动通信设备、笔记本和PDA(个人数字助手)的辅助电源。

具有如上所述的不同用途的双电层电容器的电极应该在界面处通过宽的比表面确保高能量，通过低的电阻率具有高输出，并且通过电化学反应控制具有电化学稳定性。

因此，具有宽的比表面积的活性炭粉末或活性炭纤维最经常被用做电极的主要材料，并且可将导电性材料或金属粉末与其混合或通过注射涂覆的方式对其施用从而取得低的电阻率。

另外，现在通过以各种方式控制发生在电极界面处的电化学副反应而正在研究和开发更稳定的电极材料。

发明内容

本发明涉及提供一种储能装置，其中隔板的电解质渗透指数大于电极的电解质渗透指数，从而防止可直接影响电容量的电极的电解质耗尽。

本发明还涉及提供一种储能装置，其中隔板的单元纤维无规排列，从而以更有效的方式防止隔板的应力破坏(stress failure)。

为了实现以上目标，本发明提供了一种储能装置，所述储能装置包括正极和负极；分别与所述正极和负极连接的正、负极导线；放置在所述正极和负极之间从而使所述正极和负极彼此电绝缘的由单元纤维构成的隔板；容纳所述正极和负极以及所述隔板的壳套；收纳在所述壳套中的电解质；和分别与所述正极导线和负极导线连接的正极端子和负极端子，其中所述隔板的电解质渗透指数大于所述电极的电解质渗透指数，并且所述隔板的单元纤维无规排列从而使在所述隔板中形成的孔隙具有多边形的横截面。

优选所述隔板中的孔隙的横截面具有等于或小于2μm的最大宽度。

本发明中，所述隔板优选具有50％～75％的孔隙率。

另外，所述隔板的电解质渗透指数可以为所述电极的电解质渗透指数的1.3倍～3倍。

优选的是，当在20℃～200℃的温度施加5kg/cm²的压力时，隔板的增加的长度相比于隔板的起始长度的比(或长度伸长比)小于10％。

另外，经完全干燥的隔板的减少的长度相比于其中渗透了电解质的隔板的长度的比(或长度收缩比)可以小于1％。

优选的是，所述隔板的单元纤维为浆料(pulp)。

并且优选的是，所述隔板的单元纤维的长-宽比至少为3。

如果使用了本发明的储能装置，则可以防止可直接影响电容量的电极的电解质耗尽。

另外，可以有效防止所述隔板的应力破坏。

附图说明

图1是显示本发明的储能装置的透视图；

图2是显示本发明的储能装置的电极与导线连接的正视图；

图3是显示本发明的储能装置的电极、导线和隔板的排列的平面图；和

图4是显示卷绕正极和负极以及隔板的透视图。

<附图中关键部件的附图标记>

2，12：集电器 4，14：活性材料层

10：正极 20：负极

30：隔板 40：下壳套

50：上壳套 66：正极端子

76：负极端子

具体实施方式

下面，通过参考附图将详细描述本发明的优选的实施方式。

在描述之前，应该理解的是本说明书和所附权利要求书中所用的术语不限于常用含义和字典解释，而应该在允许本发明人为了最佳说明来适合地定义术语的这一原则的基础上，基于与本发明的技术方面相对应的含义和概念来解释本说明书和所附权利要求书中所用的术语。

因此，本发明所提出的描述只是出于阐述目的的优选例，而不会试图限制本发明的范围，所以应该理解的是可以对其做出其它等同方式和修改，而不背离本发明的精神和范围。

图1是显示本发明的储能装置的透视图，图2是显示本发明的储能装置的电极与导线连接的正视图，而图3是显示本发明的储能装置的电极、导线和隔板的排列的平面图。

参考图1至图3，本发明的储能装置100包括正极10、负极20、正极导线6、负极导线16、放置在正极10和负极20之间并且使所述正极10和负极20彼此电绝缘的隔板30；容纳正极10和负极20以及隔板30的壳套40、50；收纳在所述壳套中的电解质溶液；和分别与所述正极导线6和负极导线16连接的正极端子66和负极端子76。隔板30的电解质渗透指数大于电极10、20的电解质渗透指数。并且，将隔板30构造成使其孔隙具有多边形形状，并且用来构成隔板30的单元纤维无规排列。

本发明的储能装置100的池室(cell)包括由金属材料构成的上壳套50和下壳套40，以及包含在上壳套50和下壳套40中的正极10和负极20。

正极10包括金属集电器2和由多孔活性炭制成的活性材料层4。正极导线6与正极10的一侧相连接。

集电器2被配制成普通金属箔的形式，并且通过在金属集电器2的两个表面上广泛地施用活性炭来形成活性材料层4。

活性材料层4、14储存正/负电能，集电器2、12所发挥的作用是传递从所述活性材料层放出的或向所述活性材料层供给的电荷。

以依次叠放的方式将用于控制正、负极10、20之间的电子传导率的隔板30放置在正、负极10、20之间。另外，上、下壳套50、40中填充有电解质溶液。

本发明中，多孔活性材料层4、14具有近似圆形的微孔，这确保了宽大的表面积。多孔活性材料层4、14作为与正、负极10、20相同的活性材料，所以它们的表面与电解质溶液接触。

如果对电极10、20施加电压，则包含在电解质溶液中的阳离子和阴离子分别向正、负极10、20移动，并且随后进入多孔活性材料层4、14的微孔中。

如上所述的叠放的正、负极10、20和隔板30以图4中所示的方式卷绕并随后收纳在下壳套40中。

可以以金属或合成树脂材料，优选铝或其合金制造下壳套40。

在图1中所示的下壳套40为圆筒形，但下壳套40还可以具有其它形状，例如但不限于六角形。

将下壳套40构造成收纳正、负极10、20和用于电隔离正、负极10、20的隔板30，以及导线6、16。

上壳套50在下壳套40的上部与下壳套40结合。同样可以以金属或合成树脂材料，优选铝或其合金制造上壳套50。

正极端子66和负极端子76被结合到上壳套50，使得正极导线6和负极导线16分别与其连接。

在本文中，可以以铝、钢和不锈钢中的任何一种制造正极端子66和负极端子76从而确保机械强度，并且可以通过焊接等以镍或锡涂覆其表面从而确保粘合。

优选在上壳套50上在容许的加工误差内将正极端子66和负极端子76以相互垂直的方向排列。

由于如上所述正极端子66和负极端子76以相互垂直的方向排列，所以即使从任何方向上施加由外力引起的弯矩，正极端子66和负极端子76都可以提供基本相同的支撑力。

通过以熔吹加工的方式无规地排列浆料类或聚合物类的单元纤维，可以构造本发明的隔板30。

所述浆料是指以机械或化学方法由木材或其它纤维植物获得的纤维素纤维的集合体。聚合物类合成树脂可以采用聚乙烯或聚丙烯等。

常规隔板通过使诸如聚乙烯等合成树脂形成膜状，随后在其中加工圆形微孔而制成。

然而，在将如聚乙烯等合成树脂形成膜状的情况中，该树脂的单元分子具有链状连接结构，其在任何方向上都具有弹柔性但在与其垂直的方向上不具有弹柔性。

在隔板由于机械应力或热应力而破裂的情况中，隔板失去其固有的绝缘功能。因此，如果防止了隔板的破裂，则会极其有利地影响整个储能装置的寿命。

因此，将本发明的隔板30构造成使隔板的单元纤维无规排列，这实质上确保了在所有方向上同等的抗应力的抗拉性。

在本发明中，可以使用熔吹加工来使隔板30的单元纤维无规排列。

熔吹加工是以通过高压空气喷射热熔化的单元树脂而进行的。可以以一定压力压缩通过上述熔吹加工而形成的纺织网，这可以得到无纺布隔板。

将通过熔吹工序而形成的无纺布构造成使形成于无纺布中的孔隙具有多边形截面，并且可以通过上述压制工序控制该孔隙的大小。

在使用诸如聚乙烯等合成树脂以膜状形成的常规隔板的情况中，常规隔板中的孔隙具有圆形截面，并且该隔板是通过压制处于熔融态的合成树脂而以膜状形成的。

因此，以上述无纺布的形式形成的本发明的隔板基本上具有比压制成膜状的常规隔板更大的孔隙率。并且，观察孔隙截面，多边形截面比圆形截面具有更大的表面积，大的表面积增强了作为电解质渗透指数的重要因素的毛细管力。因此，每相同单位体积的隔板能够吸收更大量的电解质。

出于这一原因，隔板的单元纤维的长-宽比优选至少为3。

另外，与施用在金属集电器2的两侧表面的活性材料层4相比，处于无纺布形式的隔板30具有更高的电解质渗透指数。

由于将隔板30构造成比上述活性材料层4具有更大的电解质渗透指数，所以，虽然渗透至活性材料层4中的电解质由于伴随电化学反应的热而被消耗，但隔板30中所含的电解质对其有所补偿，从而确保整个储能装置的较长寿命。

同时，可以通过压制用于形成隔板的被喷射的单元纤维来控制单元纤维的厚度和隔板中孔隙的大小。本发明的隔板经形成从而使隔板中的孔隙的横截面具有等于或小于2μm的最大宽度。

如果孔隙的横截面具有的最大宽度超过2μm，则电解质中的离子以及活性材料层4、14中的碳微粒可以穿过这些孔隙，这可能引起电流泄漏并且在更坏的情况中引起短路。

并且，孔隙的横截面具有允许离子从其中穿过的最小宽度。离子通常具有0.2nm的直径，所以孔隙的横截面优选具有大于或等于约0.3nm的最小宽度。

所述隔板优选具有10μm～100μm的厚度。在隔板中的单元纤维无规地排列的状态中，单元纤维被叠放从而具有三维厚度，因此碳微粒不能穿过隔板。

隔板的孔隙率，即隔板中的孔隙相对于隔板的体积比优选为50％～75％。

如果孔隙率小于50％，则难以实现本发明的目的，其涉及从隔板30向电极10、20补充电解质。如果孔隙率超过75％，则隔板不能经受在卷绕工序时所作用的机械应力。

另外，在隔板的孔隙率处于上述范围内的情况中，优选的是隔板的电解质渗透指数是电极的电解质渗透指数的1.3倍～2倍。

相似的是，如果隔板的电解质渗透指数小于电极的电解质渗透指数的1.3倍，则难以实现本发明的目的，其涉及从隔板30向电极10、20补充电解质。如果隔板的电解质渗透指数大于电极的电解质渗透指数的2倍，则隔板不能经受在卷绕工序时所作用的机械应力。

并且，在于20℃～200℃的温度施加5kg/cm²的压力的情况中，隔板的增加的长度相比于起始长度的比(即长度伸长比)小于10％。另外，经完全干燥的隔板的减少的长度相比于其中渗透了电解质的隔板的长度的比(即长度收缩比)小于1％。

通常，当将隔板与电极一起卷绕时，拉伸应力作用在隔板上，因此当隔板被卷绕时其以特定的长度比伸长。

并且，当由于热化学反应所引起的热而使电解质消耗时，隔板由于电解质消耗而以特定的长度比收缩。

然而，如果所述长度伸长比和长度收缩比分别超过10％或1％，则隔板中的孔隙严重变形以至于不能保持多边形的横截面形状。

并且，如果在电解质消耗使所述长度收缩比超过1％，则隔板可能由于过度的拉伸应力而破裂。

因此，在本发明的隔板中，无规地排列隔板中所包含的单元纤维从而使作用在隔板上的应力可以在单元纤维中的接触点消失。另外，以一定的压力压制具有无纺布形式的隔板从而使整个长度变化的比例在上述条件下不超过10％。

实施例和比较例

为了检测本发明的储能装置的性能，对于本发明的实施例和比较例进行了下述实验。

为了快速评估寿命特性，进行了高温负载测试。对于实施例和比较例，采用了相似的在测试中所用的储能装置的整体构成，不同之处在于隔板。

高温负载测试通常被用来测试储能装置的寿命特性。在高温负载测试中，于60℃的温度施加电压2000小时之后，测定了与初始电阻相比的电阻的增加量，以用于评估储能装置的寿命。

通常，2000小时之后，如果电阻的增加量不大于二倍，则估计储能装置具有500,000个周期的寿命。

表1

在表1中，将电极的电解质渗透指数设为1，并且通过与电极的电解质渗透指数相比较来表示隔板的电解质渗透指数。

当估测电解质渗透指数时，测定了所渗透的电解质的重量，随后测定了对其施用的电解质的密度，所以将电解质渗透指数表示为作为无量纲的数的比值。

实施例1和比较例1

将实施例1的储能装置形成为使得孔隙率为64％并且孔隙的横截面具有多边形形状，而将比较例1的储能装置形成为使得孔隙率为63％并且孔隙的横截面具有圆形形状。

在实施例1和比较例1中，孔隙率几乎相同，但是当孔隙的横截面具有多边形形状时，电解质渗透指数更大并且电流泄漏率更低。另外，在实施例1中电阻的增加率也更低。

在比较例1中，应该理解的是当电解质渗透指数小于1.3时，促进了电阻的增加。

实施例2和比较例2

将实施例2的储能装置形成为使得孔隙率为51％并且孔隙的横截面具有多边形形状，而将比较例2的储能装置形成为使得孔隙率为47％并且孔隙的横截面具有多边形形状。

在实施例2和比较例2中，孔隙的横截面同样具有多边形形状，但是电解质渗透指数随着孔隙率而变化。应该理解的是与孔隙率为47％时相比孔隙率大于等于50％时的电解质渗透指数增加了约30％。

同样，在实施例2中，应该理解的是，当隔板的电解质渗透指数比电极的电解质渗透指数高大约30％时，电阻的增加率小于200％，这满足电阻特性。

实施例3和比较例3

将实施例3的储能装置形成为使得孔隙率为74％并且孔隙的横截面具有多边形形状，而将比较例3的储能装置形成为使得孔隙率为80％并且孔隙的横截面具有多边形形状。

在实施例3中，电阻的增加率为146％。因此，当与实施例1和2相比较时，应该理解的是在孔隙的横截面具有多边形形状的情况中，随着电解质渗透指数变得更高，电阻的增加变慢。

同时，在比较例3中，由于高孔隙率，隔板不能承受通过被卷绕而引起的机械拉伸应力，所以其不可能形成电极元件。

已经详细地描述了本发明。然而，应该理解的是，由于本领域的技术人员通过这份详细的说明书可以清晰的知悉本发明的实质和范围内的各种变化和改变，所以仅仅以说明的方式给出了指明本发明的优选实施方式的详细说明和具体实例。

Claims

1.一种储能装置，所述储能装置包括：

正极和负极；

分别与所述正极和负极连接的正极导线和负极导线；

放置在所述正极和负极之间从而使所述正极和负极彼此电绝缘的由单元纤维构成的隔板；

容纳所述正极和负极以及所述隔板的壳套；

收纳在所述壳套中的电解质；和

分别与所述正极导线和负极导线连接的正极端子和负极端子，

其中所述隔板的电解质渗透指数大于所述电极的电解质渗透指数，并且所述隔板的单元纤维无规排列从而使形成于所述隔板中的孔隙具有多边形的横截面。

2.如权利要求1所述的储能装置，

其中所述隔板中的孔隙的横截面具有等于或小于2μm的最大宽度。

3.如权利要求1所述的储能装置，

其中所述隔板具有50％～75％的孔隙率。

4.如权利要求1所述的储能装置，

其中所述隔板的电解质渗透指数为所述电极的电解质渗透指数的1.3倍～3倍。

5.如权利要求1所述的储能装置，

其中，当在20℃～200℃的温度施加5kg/cm²的压力时，所述隔板的增加的长度相比于所述隔板的初始长度的比(或，长度伸长比)小于10％。

6.如权利要求5所述的储能装置，

其中经完全干燥的所述隔板的减少的长度相比于其中渗透了所述电解质的所述隔板的长度的比(或，长度收缩比)小于1％。

7.如权利要求1所述的储能装置，

其中所述隔板的单元纤维是浆料。

8.如权利要求1所述的储能装置，

其中所述隔板的单元纤维的长-宽比至少为3。