CN102074351A

CN102074351A - 电容式储能电池及其制造方法

Info

Publication number: CN102074351A
Application number: CN 201010543363
Authority: CN
Inventors: 萧小月
Original assignee: WUXI SUOYINFEI TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: WUXI SUOYINFEI TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2010-11-12
Filing date: 2010-11-12
Publication date: 2011-05-25

Abstract

本发明提供一种电容式储能电池，其包括介电材料、在介电材料内平行间隔交叉排列的第一电极和第二电极、夹持于介电材料两侧的第一封装导体以及第二封装导体；其中第一封装导体与第一电极的一端相连作为电池的正极，第二封装导体与第二电极的一端相连作为电池的负极，所述介电材料为相互叠加的钛酸钡纳米粉体加工形成的介电薄膜。

Description

电容式储能电池及其制造方法

【技术领域】

本发明涉及电池领域，特别是关于一种电容式储能电池及其制造方法。

【背景技术】

要推动低碳能源工业的发展，高效大功率的储能器件就成了其中的关键技术之一。储能器件技术涵盖太阳能和风能的替换储能器件，紧急情况和瞬时反应储能电池，大功率和高能储能器件等, 其应用领域则涉及电网变电站应急储能器件，医院和24小时运营的高科技产业，军工脉冲电源，航天和深海温度敏感储能电池，微型化医疗移植器件，电动自行车和纯电动汽车用动力储能电池等等。

目前市场上的储能电池主要有铅酸电池，铅晶电池，镍氢电池，锂离子电池包括磷酸铁锂电池等化学电池。这类化学电池通过电能-化学能-电能的转换过程，来实现能量的储存和释放。而化学电池在能量密度，功率密度，充放电时间，和安全环保等方面都已经趋于极限。并因此严重制约了新能源产业的发展，特别是新能源电动汽车产业的发展。为了克服上述化学电池功率密度低和充电速率慢的难题，电化学双电层超级电容器（EDLC)在近十年获得了迅速的发展。其电池充电可在很短的时间内完成（以秒至分钟计）。因此，它在短途公交车如2005年在烟台试运行的城市公交车和2006年在上海试运行的11路城市公交车就成功将其运用为动力电源。而在世博园运行的电动公交车很多都是采用双电层超级电容器作为动力电池组。然而，双电层超级电容器的单体模块电压低（< 3.5伏），从而导致比能量小（≤30瓦*时/公斤），因此大大地限制了其应用前景。

因此，有必要提出一种新的电池以克服现有技术的前述缺陷。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种新的电容式储能电池。

本发明的另一目的在于提供一种新的电容式储能电池的制造方法。

为达成前述目的，本发明一种电容式储能电池，其包括介电材料、在介电材料内平行间隔交叉排列的第一电极和第二电极、夹持于介电材料两侧的第一封装导体以及第二封装导体；所述第一封装导体与第一电极的一端相连作为电池的正极，第二封装导体与第二电极的一端相连作为电池的负极，其中所述介电材料为钛酸盐纳米粉体加工形成的介电薄膜。

进一步地，所述钛酸盐纳米粉体为钛酸钡纳米粉体、钛酸锶纳米粉体或钛酸锶钡纳米粉体。

进一步地，所述钛酸盐纳米粉体为掺杂稀土形成的稀土参杂钛酸钡纳米粉体、稀土参杂钛酸锶纳米粉体或稀土参杂钛酸锶钡纳米粉体。

进一步地，所述介电材料为相互叠加的若干层介电薄膜。

进一步地，所述第一封装导体和第二封装导体为相对的半开口框形，其自两侧卡扣于介电材料与电极材料两侧，所述电极材料的末端与封装导体的内表面接触形成电池的正负极。

为达成前述另一目的，本发明一种电容式储能电池介电材料的制造方法，其中所述电容式储能电池包括介电材料、在介电材料内平行间隔交叉排列的第一电极和第二电极、夹持于介电材料两侧的第一封装导体以及第二封装导体；所述第一封装导体与第一电极的一端相连作为电池的正极，第二封装导体与第二电极的一端相连作为电池的负极；所述方法包括：

制备高纯度钛酸盐纳米粉体；

对前述纳米粉体进行纳米颗粒分级处理，获得粉体粒径均匀分布的上述纳米粉体；

经过高纯薄膜制备工艺将前述纳米粉体制成介电薄膜。

进一步地，在形成高纯度钛酸盐纳米粉体的步骤中，所述钛酸盐纳米粉体为钛酸钡纳米粉体、钛酸锶纳米粉体或钛酸锶钡纳米粉体。

进一步地，在形成高纯度钛酸盐纳米粉体的步骤中，所述钛酸盐纳米粉体为参杂稀土形成的稀土参杂钛酸钡纳米粉体、稀土参杂钛酸锶纳米粉体或稀土参杂钛酸锶钡纳米粉体。

进一步地，所述介电材料为相互叠加的若干层介电薄膜。

进一步地，所述电容式储能电池的第一封装导体和第二封装导体为相对的半开口框形，其自两侧卡扣于介电材料与电极材料两侧，所述电极材料的末端与封装导体的内表面接触形成电池的正负极。

本发明的电容式储能电池能量密度大，能够快速充电，功率大，高效节能，相比于化学储能电池，该类电容器储能电池无能量转换及损耗，充放电效率≥95%。因此，其相对节能可达30%以上，使用寿命长，充放电次数>10万次，而锂电池约为1000次，铅氧电池为500次，低碳环保，无二次环境污染，无安全隐患，结构上两端的封装导体为半开口框形，自两侧卡扣于介电材料两侧，封装导体的内表面与电极相连作为电池的正负极，结构简单而且能节省电池所占的空间。

【附图说明】

图1为本发明电容式电池的结构示意图。

图2为本发明电容式电池的部分分解示意图。

图3为本发明电容式电池的外部结构示意图。

图4a为本发明的电容式储能电池的结构部分分解图。

图4b为沿图4a中a-a虚线的介电材料及电极材料的放大结构示意图。

图5为本发明电容式电池的介电材料的制备方法流程图。

【具体实施方式】

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

请参阅图1及图2所示，其显示本发明电容式电池的结构示意图，如图所示，本发明电容式电池包括介电材料1、电极材料2以及封装导体3。

如图1及图2所示，在本发明的一个实施例中所述介电材料1为整个为实体的方形立方体，其包括上表面11、下面表12、左侧面13、右侧面14、前端面15以及后端面（未示出）。在其他实施方式中所述介电材料1也可以为圆柱体或其他多边形柱体，例如五边形柱体或六边形柱体等。

如图1及图2所示，本发明的一个实施例中所述电极材料2为矩形平板，其包括形状相同的第一电极21和第二电极22。在本实施例中每一第一电极21和每一第二电极22均包括若干块相同的电极板，这些相同的电极板构成的第一电极21和第二电极22在图中的上下方向上相互平行，并且间隔交叉排列，即两块第一电极21之间设置一块第二电极22，两块第二电极22之间设置一块第一电极21。电极板的层数取决于电池的容量，若电池的容量大，则电极板的层数多，电池的容量小，则层数少，最少可以是仅有一块第一电极21和一块第二电极22。

所述第一电极21和第二电极22位于前述介电材料1内，每两块电极板21、22之间充满前述介电材料1，这样每两块电极板21、22则相当于电容的两端，中间的介电材料1为电容的两块板之间的介质。

其中第一电极21和第二电极22的宽度小于介电材料1的宽度，如图所示，其中位于图2中左侧的第一电极21的末端均相互平齐并与介电材料1的左侧面13平齐，而位于图2中右侧的第二电极22的末端也相互平齐并与介电材料1的右侧面14平齐，由于第一电极21和第二电极22的宽度小于介电材料1的宽度，整个介电材料1并未被电极材料完全隔离开，仍为连续的一整块。

在其他实施方式中，所述第一电极和第二电极的宽度也可以大于介电材料的宽度，则整个介电材料被每两块第一电极和第二电极隔离开来，形成两块电极板中间夹一层介电材料的形式。

为与前述介电材料的其他实施例中的形状相适应，所述第一电极21和第二电极22也可以为圆片形板状，或者其他多边形板状，例如五边形板状或六边形板状等。

请继续参阅图1和图2所示，所述封装导体3包括第一封装导体31和第二封装导体32，如图所示，每一封装导体31、32均为半开口框形，第一封装导体31包括上下两端的水平板状的卡扣部311、312以及连接卡扣部311、312并与每一卡扣部311、312垂直的连接部313。第二封装导体32包括上下两端的水平板状的卡扣部321、322以及连接卡扣部321、322并与每一卡扣部321、322垂直的连接部323。如图2所示，组装时第一封装导体31和第二封装导体32自两侧卡扣于介电材料1的两侧，其中第一封装导体31和第二封装导体32的上端卡扣部311和321卡扣于介电材料1的上表面11，第一封装导体31和第二封装导体32的下端卡扣部312和322卡扣于介电材料1的下表面12。

由于第一电极21的末端与介电材料1的左侧面13平齐，第一封装导体31的连接部313的内表面与介电材料1的左侧面13平齐，因此第一封装导体31的连接部313的内表面会与第一电极21的末端相接触，这样通过第一封装导体31可以将第一电极21的末端相互连接在一起，可以作为电池的正极或者负极。第二封装导体32的连接部323的内表面与介电材料1的右侧面14平齐，因此第二封装导体32的连接部323的内表面会与第二电极22的末端相接触，这样通过第二封装导体32可以将第二电极22的末端相互连接在一起，可以作为电池的负极或者正极。其中图2中为显示电极材料与介质材料的侧面相平齐，将两侧的封装导体与介质材料间隔一定距离，在组装时封装导体的连接部的内表面与介质材料的侧面以及电极材料的末端是相接触的。

对于介电材料1和电极材料2为圆形或多边形的实施例，所述封装导体3的外形可以相应变化以适应介电材料和电极材料的形状，但封装导体3仍是包括上下的卡扣部和中间的连接部，而连接部的内表面与第一电极和第二电极的末端相连作为电池的正负极。

请参阅图3所示，在整个电池的外表面可以包装一个封装壳体4，而在壳体4的顶端设置两个导电的螺柱5，其中一个螺柱5与前述第一封装导体31相连，作为电池的一个电极的引出端，另一个螺柱5与前述第二封装导体32相连，作为电池的另一个电极的引出端。

请参阅图4a和图4b所示，其中图4a其显示本发明的电容式储能电池的结构部分分解图，其中图4b为沿图4a中a-a虚线的介电材料1及电极材料21、22的放大结构示意图。如图4b中所示，在前述本发明的电容式储能电池中，所述介电材料1为一层一层的介电薄膜叠加而成，在本发明的一个实施例中，所述介电材料1为钛酸钡纳米材料、钛酸锶纳米材料或钛酸锶钡纳米材料等各种钛酸盐纳米材料制成的介电薄膜，或者在本发明的一个实施例中所述介电材料1为各种掺杂稀土之后形成的稀土参杂钛酸钡纳米材料、稀土参杂钛酸锶纳米材料或稀土参杂钛酸锶钡纳米材料等。下面将以钛酸钡纳米粉体为例对介电材料的制备方法进行说明。

请参阅图5所示，其显示在一个实施例中，本发明的电容式储能电池的介电材料1的制造方法的流程图。在该实施例中所述介电材料1为钛酸钡纳米材料制成的介电薄膜，本发明的电容式储能电池的介电材料1的制造方法其包括：

步骤S51：制备高纯度钛酸钡纳米粉体。首先制备钛酸钡纳米粉体，然后对其进行纯化，得到高纯度的泰酸钡纳米粉体。

在制备钛酸钡纳米粉体时可以采用现有的各种方法，例如固相合成法、化学合成法以及气相合成法等，较佳的本发明采用水热合成法或者溶胶-凝胶法。

水热合成是将含有钛（Ti）、钡（Ba）和锆（Zr）的原料溶液化、置于一定温度和一定压力的容器中，在水热条件下进行化学反应，将得到的水热产物重复洗涤和过滤，再经干燥、研磨即可得到钛酸钡纳米粉体。

溶胶-凝胶法是由金属有机化合物或金属无机盐经水解和缩聚过程，再经过凝胶化及相应的热处理而获得氧化物或者其他固体化合物的一种方法。此工艺包括水解，成胶，溶胶凝胶化，干燥，焙烧等一系列的工艺过程。溶胶-凝胶法制备钛酸钡纳米粉体的钛源通常为钛酸四丁酯或异丙醇钛；钡源通常为醋酸钡；锆源可以选择硝酸锆、四正丁氧基锆、柠檬酸锆等。

在制备的钛酸钡纳米粉体的过程中需要经过多阶段的化学纯化工艺，包括前体化学材料纯化和钛酸钡纳米材料纯化工艺以及化学热分解工艺等。关于水热合成法以及溶胶-凝胶法的具体原理以及详细过程可以参考现有的各种研究，此处不再详细说明。经过纯化最终制得纯度≥99.999%的的钛酸钡纳米粉体，较佳的纯度为≥99.9999%的钛酸钡纳米粉体。

步骤S52：对前述高纯度钛酸钡纳米粉体经由纳米颗粒分级处理获得粉体粒径分布均匀的纳米粉体。因为经过纯化之后制备出的钛酸钡纳米粉体，其粒径有大有小，粒径可能为1000nm±200nm、500nm±100nm、250nm±50nm、100nm±30nm、50nm±20nm等各种范围的粉体，在本发明的一个实施例中，所述经过分级处理后的纳米粉体粒径在90±30纳米时达到较佳的介电特性。

步骤S53：经过高纯薄膜制备工艺，将前述钛酸钡纳米粉体制备成小于1000nm的介电薄膜。

如前述图4b所示，使用图5方法制备的介电薄膜一层一层进行叠加形成本发明电容式储能电池的介电材料1。

本发明的电容式储能电池比能量>250瓦时/公斤，甚至可以达到>400瓦时/公斤，功率密度>1000瓦时/公斤，以50度电计算充电时间<5分钟。所以本发明的电容式储能电池能量密度大，能够快速充电，功率大，高效节能，相比于化学储能电池，该类电容器储能电池无能量转换及损耗，充放电效率≥95%。因此，其相对节能可达30%以上，使用寿命长，充放电次数>10万次，而锂电池约为1000次，铅氧电池为500次，低碳环保，无二次环境污染，无安全隐患。在结构上其介电材料两端的封装导体为半开口框形，其卡扣于介电材料的两侧，而封装导体的连接部的内表面分别将第一电极和第二电极的一端连接在一起形成电池的正负极，整体结构简单而且能够节省电池所占的空间。

上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims

1.一种电容式储能电池，其包括介电材料、在介电材料内平行间隔交叉排列的第一电极和第二电极、夹持于介电材料两侧的第一封装导体以及第二封装导体；所述第一封装导体与第一电极的一端相连作为电池的正极，第二封装导体与第二电极的一端相连作为电池的负极，其中所述介电材料为钛酸盐纳米粉体加工形成的介电薄膜。

2.如权利要求1所述的电容式储能电池，其特征在于：所述钛酸盐纳米粉体为钛酸钡纳米粉体、钛酸锶纳米粉体或钛酸锶钡纳米粉体。

3.如权利要求2所述的电容式储能电池，其特征在于：所述钛酸盐纳米粉体为掺杂稀土形成的稀土参杂钛酸钡纳米粉体、稀土参杂钛酸锶纳米粉体或稀土参杂钛酸锶钡纳米粉体。

4.如权利要求1所述的电容式储能电池，其特征在于：所述介电材料为相互叠加的若干层介电薄膜。

5.如权利要求1所述的电容式储能电池，其特征在于：所述第一封装导体和第二封装导体为相对的半开口框形，其自两侧卡扣于介电材料与电极材料两侧，所述电极材料的末端与封装导体的内表面接触形成电池的正负极。

6.一种电容式储能电池介电材料的制造方法，其中所述电容式储能电池包括介电材料、在介电材料内平行间隔交叉排列的第一电极和第二电极、夹持于介电材料两侧的第一封装导体以及第二封装导体；所述第一封装导体与第一电极的一端相连作为电池的正极，第二封装导体与第二电极的一端相连作为电池的负极；所述方法包括：

制备高纯度钛酸盐纳米粉体；

经过高纯薄膜制备工艺将前述纳米粉体制成介电薄膜。

7.如权利要求6所述的电容式储能电池介电材料的制造方法，其中在形成高纯度钛酸盐纳米粉体的步骤中，所述钛酸盐纳米粉体为钛酸钡纳米粉体、钛酸锶纳米粉体或钛酸锶钡纳米粉体。

8.如权利要求7所述的电容式储能电池介电材料的制造方法，其中在形成高纯度钛酸盐纳米粉体的步骤中，所述钛酸盐纳米粉体为参杂稀土形成的稀土参杂钛酸钡纳米粉体、稀土参杂钛酸锶纳米粉体或稀土参杂钛酸锶钡纳米粉体。

9.如权利要求6所述的电容式储能电池介电材料的制造方法，其特征在于：所述介电材料为相互叠加的若干层介电薄膜。

10.如权利要求6所述的电容式储能电池介电材料的制造方法，其特征在于：所述电容式储能电池的第一封装导体和第二封装导体为相对的半开口框形，其自两侧卡扣于介电材料与电极材料两侧，所述电极材料的末端与封装导体的内表面接触形成电池的正负极。