CN101615512A - 超级电容装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超级电容装置及其制造方法。该超级电容装置包括第一电极，第二电极及与第一电极接触并形成第一离子输送通道来输送离子的第一离子输送体。此外，该超级电容装置还包括第一固持层及分别与第一和第二电极相连的第一和第二集流体。该固持层用于固持第一离子输送体于该固持层与第一电极间。
Description
技术领域
本发明涉及一种超级电容装置及其制造方法，尤其涉及一种超级电容脱盐装置及其制造方法。
背景技术
超级电容装置被广泛地用来存储能量。通常，超级电容装置为两层的电容结构，其包括一对由活性炭组成的电极及位于电极之间允许带电离子通过且阻止电子通过的隔离物。电解质均匀的分布于电极之间。此外，超级电容装置还可包括一对集流体用于分别和相应的电极相连。
当对超级电容装置进行充电时，电极与电源相连使电荷聚集在相应的电极与电解质的界面位置从而来吸引不同的带电离子向相应的电极移动。当放电时，离子从相应的电极脱离而回到电解质中。然而，超级电容装置中存在内阻，其通常存在于电极与隔离物之间及电极自身从而增加带电离子移动的阻力。这样，不论是在充电或放电过程中，都需要消耗一部分能量来克服超级电容装置的内阻，从而不可避免的增加了能量的损耗。
现有技术中有不同的尝试方法来减少超级电容装置的内阻，比如使活性炭电极和集流体一体化。美国专利公告第5,115,378揭示了一种在高温下烧结使活性炭电极和集流体一体化来减小超级电容装置内阻的方法。然而，很明显的是该方法中过多的步骤及大量的能量耗费导致了其经济可行性较差。而且，通过该方法制造的超级电容结构很难对其形状进行改变来适应特定的形状要求。
所以，需要提供一种新的超级电容装置及其制造方法。
发明内容
本发明的一个实施例提供了一种超级电容装置。该超级电容装置包括第一电极，第二电极及与第一电极接触并形成第一离子输送通道来输送离子的第一离子输送体。此外，该超级电容装置还包括第一固持层及分别与第一和第二电极相连的第一和第二集流体。该固持层用于固持第一离子输送体于该固持层与第一电极间。
本发明的另一个实施例提供了一种超级电容脱盐装置。该超级电容脱盐装置包括第一电极和第二电极。该第一和第二电极用于在该超级电容脱盐装置充电状态时吸引离子并在其放电状态时释放所述离子。另外，该超级电容脱盐装置还包括用于固持第一离子输送体于该固持层与第一电极间的第一固持层及分别与第一和第二电极相连的第一和第二集流体。
本发明的实施例还提供了一种超级电容脱盐系统。该超级电容脱盐系统包括超级电容脱盐装置、电源及流体源。超级电容脱盐装置包括第一电极，第二电极，与第一电极接触并形成第一离子输送通道来输送离子的第一离子输送体，用于固持第一离子输送体于该固持层与第一电极间的第一固持层及分别与第一和第二电极相连的第一和第二集流体。电源用于使所述第一和第二电极具有不同的极性。流体源用于提供流体通过所述超级电容脱盐装置对该流体进行处理。
本发明的实施例进一步提供了一种制造超级电容装置的方法。该方法包括设置第一和第二电极；设置第一离子输送体与所述第一电极接触并形成第一离子输送通道来输送离子；设置第一固持层固持所述第一离子输送体于该固持层与所述第一电极间及设置第一和第二集流体分别和所述第一和第二电极相连。
附图说明
通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1为本发明超级电容装置的一个实施例的剖面示意图；
图2为本发明超级电容装置的另一个实施例的剖面示意图；
图3本发明超级电容脱盐系统的一个实施例的立体组合图；
图4为不设置离子输送体的超级电容脱盐装置的一个实验曲线；
图5为本发明超级电容脱盐装置的一个实施例的一个实验曲线；
图6为可显示本发明一个实施例中超级电容脱盐装置的稳定性的一个实验曲线；
图7为多个本发明超级电容脱盐装置组合的一个实施例的平面示意图。
具体实施方式
如图1所示，超级电容装置10包括第一集流体11，第二集流体12，第一电极13，第二电极14，第一离子输送体15，第二离子输送体16，第一固持层17和第二固持层18。在本实施例中，第一集流体11和第二集流体12分别和一个电源19的正负极相连。此外，在一个实施例中，电解质溶液20，比如氯化钠溶液可设置于第一和第二电极13和14之间。
第一集流体11和第二集流体12分别与第一电极13和第二电极14相连，这样，在超级电容装置10中，第一电极13可作为阳极(正极)，第二电极14可作为阴极(负极)。在本实施例中，第一离子输送体15设置于第一电极13和第一固持层17之间用于输送阴离子。第二离子输送体16设置于第二电极14和第二固持层18之间用于输送阳离子。第一固持层17和第二固持层18可进行离子交换，即可使离子通过，也就是说，该两个固持层17和18可使与其接触的电解质溶液20中的阴阳离子通过从而到达相应的电极13和14上。在本发明的一个实施例中，第一固持层17和第二固持层18可分别均允许阴阳离子通过。特别的是在本实施例中，第一固持层17可仅使阴离子通过，第二固持层18可仅使阳离子通过。另一方面，在本发明实施例中，第一离子输送体15和第二离子输送体16可分别为聚合电解质溶液，因而，第一固持层17和第二固持层18分别固持第一离子输送体15和第二离子输送体16从而防止聚合电解质从相应的固持层渗漏而失效。在本发明一个实施例中，第一和第二离子输送体15和16也可分别均用来输送阴阳离子。
此外，在本发明实施例中，超级电容装置10还可包括一个隔离装置100，特别是在当第一固持层17和第二固持层18之间的距离很小的情况下，用来间隔第一固持层17和第二固持层18。该隔离装置100可允许带电离子通过并且阻止电子通过，其上可设置有通道用来使一定的流体通过第一固持层17和第二固持层18间。另外，当第一固持层17和第二固持层18间的距离允许的情况下，超级电容装置10也可不设置隔离装置100。
在超级电容装置10充电状态时，来自电源19的正负电荷分别聚集在第一电极13和第二电极14的表面上从而吸引电解质溶液20内的带电离子聚集在电极13和14上。在放电状态时，在电极13和14上吸引的阴阳带电离子脱离相应电极而回到电解质溶液20中，其间，释放的能量可用来驱动一定的电器，如电灯等，或者通过一个转换器19，比如双向直流变换器(Bi-direction DC-DC Converter)进行转换。
在本实施例中，阴离子输送体15分别与阳极13和第一固持层17相接触，阳离子输送体16分别与阴极14和第二固持层18相接触。特别的是离子输送体15和16可分布于阳极13和阴极14内。可见，离子输送体15和16可渗透到电极13和14内，并且在电极13和14的胞间隙与相应的固持层17和18间分布。在本发明的实施例中，第一离子输送体15和第二离子输送体16分别形成了第一离子输送通道和第二离子输送通道用来向电极方向输送离子或输送来自于电极方向的离子。这样，由于离子输送体15和16的存在便减小了相应的电极和固持层之间的内阻。因而，在充电过程中，只需要消耗较少的能量来吸引电解质溶液20中的带电离子到相应的电极表面上；在放电过程中，带电离子脱离相应的电极回到电解质20中也只需要消耗较少的能量从而减小了能量的耗费。
在本发明实施例中，第一离子输送体15可以是用来输送阴离子的含有阳离子基团，如季胺基的离子聚合体。第二离子输送体16可以是用来输送阳离子的含有阴离子基团，如璜酸基(SO3H)或羧酸基(COOH-)的离子聚合体。在图1所示的实施例中，第一和第二离子输送体15和16分别包括第一和第二离子聚合体，如聚合电解质溶液。该第一聚合电解质溶液包括聚二烯丙基二甲基氯化铵(poly(diallydimethyl ammonium chloride)，PDDA)溶液，第二聚合电解质溶液包括聚苯乙烯磺酸钠(polystyrene sulfatesodium，PSS)溶液。此外，离子输送体15和16也可分别为大分子的两性电解质，如聚磷酸盐，可用来便利阴阳两种带电的离子输送。
当组装超级电容装置10的各元件时，把聚合电解质溶液设置于相应的电极13和14上，或者把电极13和14浸没于相应的聚合电解质溶液中一段时间，比如2小时或2天；然后，把固持层17和18分别按压于相应的被处理过的电极13和14上，这样，就形成了超级电容装置的基本架构。
这样，在本发明实施例中，固持层17和18就可以防止PSS溶液和PDDA溶液中的大分子离子从相应的固持层渗漏，从而PSS溶液和PDDA溶液被固持在相应的电极和固持层之间以减小其间的阻力来加快电解质20中的阴阳离子的输送，从而减少充放电过程中能量的消耗。
在图1所示的实施例中，离子聚合体15和16以溶液的形式存在。另外，该离子聚合体15和16也可以非溶液形式，比如凝胶体或半硬状态(Semi-hardened)存在。在本发明实施例中，聚合电解质凝胶体15和16可通过聚电解质的单体的原位聚合，或者是使用交联剂使聚电解质分子交联而形成于电极13和14的表面和内部，这对于业界技术人员来说是较容易实现的。交联剂可包括N，N-亚甲基双丙烯酰胺(N，N′-Methylenebisacrylamide)或二乙烯基苯(Divinylbenzene)。在一定的实施例中，当离子聚合体15和16为凝胶体形式时，超级电容装置10可不设置固持层17和18。特别的是超级电容装置10设置有固持层17和18来防止凝胶形式的聚电解质散裂从而失效。此外，超级电容装置10也可设置有隔离装置100。
在本发明实施例中，固持层17和18可以是膜形式，其可由电绝缘且导离子的聚合体制得。该聚合体可包括聚乙烯(Polyethylene)、聚乙烯基氯(Poly vinyl chloride)、聚丙烯(Polypropylene)、聚四氟乙烯(Teflon)、尼龙(Nylon)或其组合等。另外，固持层17和18也可为网状形式或薄片形式。
如图1所示，集流体11和12可以是板状、网状或薄片形式，其可由金属或金属合金制得。该金属包括钛、铂、铱或铑等。该金属合金包括不锈钢等。在一个实施例中，集流体11和12可包括碳，比如石墨等。另外，其也可包括塑料材料，比如包括聚乙烯等在内的聚烯烃。塑性的集流体11和12中可混有导电性的碳料或金属离子来达到一定的导电需求。
第一和第二电极13和14可以相互平行设置且呈板状形式以形成一种堆叠的结构。在一定的实施例中，电极13和14也可以是其他形状，比如片状、块状或圆柱状等。而且，电极13和14的排列也可采用其他形式，比如二者采用同轴的螺旋形式设置，并且其间具有连续的空间。电极13和14包括有导电材料，其也可导热或不导热。在一个实施例中，导电材料包括碳或碳基材料。碳基材料包括活性炭颗粒、多孔碳颗粒、碳纤维或其组合等。另外，导电材料也可包括导电合成物，比如氧化锰、氧化铁或碳化钛、碳化锆、碳化钒、碳化钨或其组合等。
此外，导电材料可以是具有小尺寸、大表面积的颗粒。大的表面积可具有大的吸附能力，较高的能量密度和较高的超级电容装置的容量。在本发明实施例中，电极13和14的导电材料可通过一种或多种沉积技术，比如溅射、喷射、旋转镀膜(Spin-coating)、碾压或印刷等技术设置于相应的集流体11和12上。
如图2所示，其为本发明超级电容装置的另一个实施例的剖面示意图。图1和图2中相同的元件编号可表示相同的元件。在图2中，超级电容装置21包括第一集流体11，第二集流体12，与第一集流体11相连的第一电极13、与第二集流体12相连的第二电极14、设置于第一和第二电极13和14间的一个离子输送体22及一个固持层23。该固持层23与离子输送体22相接触且固持离子输送体22于其与第一电极13间。集流体11和12可依然分别和电源19(见图1)的正负极相连。电解质20可分布于该超级电容装置21内。
在一个实施例中，离子输送体22可包括大分子两性电解质，如聚磷酸盐或聚硅酸盐用来输送电解质20内的阴阳带电离子。另外，在一定条件下，比如要移除液体中特定的离子杂质，离子输送体22也可仅输送阳离子或阴离子。在一些实施例中，离子输送体22可以是凝胶形式或溶液形式等。此外，超级电容装置22也可设置有隔离装置100来隔离固持层23和电极14。
在本发明的实施例中，超级电容装置可被用来作为能量存储装置。另外，本发明实施例中的超级电容装置也可被用来作为超级电容脱盐装置(Supercapacitor Desalination Device，SCD)。超级电容脱盐装置是指使用超级电容装置来对海水或其他含盐的水进行脱盐来减小其内的盐含量以适合工业或农业使用。此外，超级电容脱盐装置也可指使用超级电容装置来移除或减小流体中的其他离子杂质，比如来自工业、农业或市政中的废水或其他流体中的杂质。
图3所示为本发明超级电容脱盐系统的一个实施例的立体组合图。以图1中所示的超级电容装置10为例。超级电容脱盐装置3包括超级电容装置10，电源19的正负极分别和第一和第二电极13和14相连。在充电过程中，来自于流体源30的流体，如氯化钠通过电极13和14间时，阳离子31向阴极14移动，阴离子32向阳极13移动。这样，电荷就聚集在超级电容装置10内，并且从超级电容装置10流出的输出流体33变成了稀溶液，其内的特定的离子的浓度便会小于输入时的浓度。在一定的实施例中，该输出流体33也可再次被输入到另一个超级电容脱盐装置中继续进行处理。另外，超级电容脱盐装置3还可包括有隔离装置100(见图1所示)，其用来隔离固持层17和18并可形成一个流体通道以便于流体通过。
在放电过程中，吸附的带电离子可脱离相应的电极13和14。在一个实施例中，电极13和14的极性可保持不变，此时使电极13和14短路使吸附的带电离子脱离。另外，也可改变电极13和14的极性而使电极14上的阳离子向电极13移动，使电极13上的离子阴离子向电极14移动。这样，通过此种方式可使输出流体33的浓度高于输入时的浓度。
图4所示为没有设置离子输送体的超级电容脱盐装置的一个实验曲线。图5所示为本发明超级电容脱盐装置的一个实验曲线。在图4中，当处理一个流体，使80毫安的电流通过没有设置离子输送体的超级电容脱盐装置超级电容脱盐装置上时，其电压突变(Voltage Jump)VAC大约为0.4伏，其开路电压(Open Circuit Voltage，OCV)VAB大概为0.1伏，这样，其内阻就可以表示为(0.4伏-0.1伏)/0.08安＝3.75欧姆。在图5中，当处理相同的流体，使同样80毫安的电流通过本发明超级电容脱盐装置时，其电压突变VDE大约为0.2伏且开路电压很小可以不计，这样其内阻就可以表示为0.2伏/0.08安＝2.5欧姆。可见，在处理相同的流体时，本发明超级电容脱盐装置的内阻小于没有设置离子输送体的超级电容脱盐装置的内阻。由于使用了离子输送体，其内阻降低了大概30％。因而，离子输送体15和16可很好的减小超级脱盐装置的内阻从而降低能量的消耗，特别是当需要处理大量的流体的情况下，就更可以避免消耗更多的能量。
图6所示为本发明一个实施例中超级电容脱盐装置经历了600多次充放电过程中的一个实验曲线。从图中可以看出，在600多次的充放电过程中，超级电容脱盐装置的内阻基本上维持在2.0-2.6欧姆间。可见，本发明一个实施例的超级电容脱盐装置的性能是很稳定的。
图7所示为多个本发明超级电容脱盐装置组合的一个实施例的平面示意图。如图7所示，该组合包括有收容器71，多个超级电容脱盐装置72相互平行的设置于收容器71内。该收容器71设置有入口74和出口74用于流体进入和流出。在一个实施例中，每个脱盐装置72分别与一个电源，如电源19(如图1所示)相连，在相邻的两个脱盐装置72间可设置有隔离装置73用来电绝缘相邻的两个脱盐装置。另外，多个超级电容脱盐装置72也可平行设置且相互串联后与一个电源相连，即相邻的两个不同脱盐装置72的相对的两个单个电极相连，最外层的两个单电极分别与电源的正负极相连。这样，就可以同时处理较多的流体。在该实施例中，超级电容脱盐装置72可与装置10或21相同，或者与本发明其他实施例中装置相同。流体可借助外力，比如使用泵来导入进收容器71内。此外，多个超级电容脱盐装置也可依次排列从而前一个装置的输出流体可作为后一个装置的输入流体。
虽然结合特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。
Claims (22)
1.一种超级电容装置，包括：
第一电极和第二电极；
第一离子输送体，其与所述第一电极接触并形成第一离子输送通道来输送离子；
第一固持层，其用于固持所述第一离子输送体于该固持层与所述第一电极间；
电解质，其设置于所述第一电极和第二电极间用于提供所述离子；
第一集流体，其与所述第一电极相连；及
第二集流体，其与所述第二电极相连。
2.如权利要求1所述的超级电容装置，进一步包括第二离子输送体和第二固持层，所述第二离子输送体与所述第二电极相接并形成第二离子输送通道来输送离子；所述第二固持层用于固持所述第二离子输送体于该固持层与所述第二电极间。
3.如权利要求2所述的超级电容装置，其中所述第一离子输送体包括聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液，所述第二离子输送体包括聚苯乙烯磺酸钠溶液。
4.如权利要求2所述超级电容装置，其中所述第一和第二固持层分别包括离子交换膜，其可用于保护相应的第一离子输送体和第二离子输送体以避免其失效。
5.如权利要求4所述的超级电容装置，其中所述第一离子输送通道和所述第二离子输送通道可分别用于减小相应的电极和固持层之间的电阻。
6.如权利要求4所述的超级电容装置，其中所述第一固持层仅允许阴离子通过，所述第二固持层仅允许阳离子通过。
7.一种超级电容脱盐装置，包括：
第一电极，其用于在该超级电容脱盐装置充电状态时吸引离子并在其放电状态时释放所述离子；
第二电极，其用于在该超级电容脱盐装置充电状态时吸引离子并在其放电状态时释放所述离子；
第一离子输送体，其与所述第一电极接触并形成第一离子输送通道来输送离子；
第一固持层，其用于固持所述第一离子输送体于该固持层与所述第一电极间；
第一集流体，其与所述第一电极相连；及
第二集流体，其与所述第二电极相连。
8.如权利要求7所述的超级电容装置，其中所述第一离子输送体包括大分子两性电解质。
9.如权利要求7所述超级电容脱盐装置，进一步包括第二离子输送体和第二固持层，所述第二离子输送体与所述第二电极相接并形成第二离子输送通道来输送离子；所述第二固持层用于固持所述第二离子输送体于该固持层和所述第二电极间。
10.如权利要求9所述的超级电容脱盐装置，其中所述第一离子输送通道和所述第二离子输送通道可分别用于减小相应的电极和固持层之间的电阻。
11.如权利要求9所述的超级电容脱盐装置，其中所述第一离子输送体包括含有阳离子基团的离子聚合体，所述第二离子输送体包括含有阴离子基团的离子聚合体。
12.如权利要求11所述的超级电容脱盐装置，其中所述第一离子输送体包括聚二烯丙基二甲基氯化铵，所述第二离子输送体包括聚苯乙烯磺酸钠。
13.如权利要求9所述的超级电容脱盐装置，其中所述第一和第二固持层分别包括离子交换膜，其可用于保护相应的第一离子输送体和第二离子输送体以避免其失效。
14.如权利要求9所述的超级电容脱盐装置，其中所述第一固持层仅允许阴离子通过，所述第二固持层仅允许阳离子通过。
15.如权利要求9所述的超级电容脱盐装置，其中所述第一和第二离子输送体均为溶液形式。
16.如权利要求9所述的超级电容脱盐装置，其中所述第一和第二离子输送体均为凝胶形式。
17.一种超级电容脱盐系统，包括：
超级电容脱盐装置，其包括用于在该超级电容脱盐装置充电状态时吸引离子并在其放电状态时释放所述离子的第一和第二电极，与所述第一电极接触并形成第一离子输送通道来输送离子的第一离子输送体，用于固持所述第一离子输送体在其和所述第一电极间的第一固持层及分别与所述第一和第二电极相连的第一和第二集流体；
电源，用于使所述第一和第二电极具有不同的极性；及
流体源，用于提供流体通过所述超级电容脱盐装置对该流体进行处理。
18.如权利要求17所述的超级电容脱盐系统，其中所述超级电容脱盐装置还包括第二离子输送体和第二固持层，所述第二离子输送体与所述第二电极相接并形成第二离子输送通道来输送离子；所述第二固持层用于固持所述第二离子输送体于该固持层和所述第二电极间。
19.如权利要求18所述的超级电容脱盐系统，其中所述第一离子输送体包括聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液，所述第二离子输送体包括聚苯乙烯磺酸钠溶液。
20.一种用于制造超级电容装置的方法，包括：
设置第一和第二电极；
设置第一离子输送体，其与所述第一电极接触并形成第一离子输送通道来输送离子；
设置第一固持层，其用于固持所述第一离子输送体于该固持层与所述第一电极间；及
设置第一和第二集流体分别和所述第一和第二电极相连。
21.如权利要求20所述的用于制造超级电容装置的方法，进一步包括：
设置第二离子输送体，其与所述第二电极接触并形成第二离子输送通道来输送离子；及
设置第二固持层，固持所述第二离子输送体于该固持层与所述第二电极间。
22.如权利要求21所述的用于制造超级电容装置的方法，其中所述第一离子输送体包括聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液，所述第二离子输送体包括聚苯乙烯磺酸钠溶液。
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