CN102148097B - 电容器储能电池及其高比表面积电极的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电容器储能电池及其高比表面电极材料的制备方法，本发明将高比表面电极材料与高纯无机介电材料进行混合；将混合的高比表面电极材料和高纯无机介电材料经过高温烧结，使高纯无机介电材料形成相应尺寸的纳米晶体材料，并吸附在高比表面电极材料中形成电极-介电复合材料，两者的混合比必须大于渗析阈值以确保此复合材料的导电性；此复合材料中可加入适量的碳纤维或者石墨纤维以增强其机械韧性；然后将所制备的电极-介电复合材料，经真空冷压或真空热压成储电电极薄膜片；将所制备的电极-介电复合材料的电极薄膜片进行叠加形成电容器储能电池的电极。本发明的电池具有高电容量和高击穿电压。

Description

电容器储能电池及其高比表面积电极的制备方法

【技术领域】

本发明涉及电池领域，特别是关于一种电容器储能电池中的高比表面积电极材料的制备。

【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具有高比表面积电极的电容器储能电池。

本发明的另一目的在于提供一种电容器储能电池中高比表面积电极材料的制备方法。

为达成前述目的，本发明一种电容器储能电池，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，其中所述电极为由高比表面积的电极材料和高纯度介电材料混合形成的电极薄膜片叠加形成。

进一步地，所述高比表面积的电极材料为多孔活性炭或石墨烯，所述高纯度介电材料为纯度≥99.995％的钛酸钡纳米粉体、稀土掺杂钛酸钡纳米粉体、钛酸锶钡纳米粉体、稀土掺杂钛酸锶钡纳米粉体或高纯度的介电材料钛酸铜钙纳米粉体。

进一步地，所述电容器储能电池的电极还包括覆盖于所述叠加后的电极薄膜片外或夹持于各电极薄膜片之间的导电薄膜。

为达成前述另一目的，本发明一种电容器储能电池中高比表面积电极的制备方法，其包括：

提供高比表面积的电极材料；

将高比表面积电极材料与高纯无机介电材料进行混合；

将混合的高比表面积电极材料和高纯无机介电材料经过高温烧结，使高纯无机介电材料形成相应尺寸的纳米晶体材料，并吸附在高比表面积电极材料中形成电极-介电复合材料；

将所制备的电极-介电复合材料，经真空冷压或真空热压成储电电极薄膜片；

将所制备的电极-介电复合材料的电极薄膜片进行叠加形成电容器储能电池的电极。

进一步地，所述高比表面积的电极材料为多孔活性炭或石墨烯所述高比表面积的电极材料的比表面积≥500平方米/克，所述高纯度介电材料为纯度≥99.995％的钛酸钡纳米粉体、稀土掺杂钛酸钡纳米粉体、钛酸锶钡纳米粉体、稀土掺杂钛酸锶钡纳米粉体或高纯度的介电材料钛酸铜钙纳米粉体。

进一步地，所述将高比表面积电极材料和高纯无机介电材料进行混合的方法包括化学沉淀法、化学和物理吸附法以及机械研磨法。

进一步地，所述高比表面积电极材料和高纯无机介电材料的混合比例必须大于渗析阈值以确保此复合材料的导电性，其中所述高比表面积电极材料：高纯无机介电材料的的体积比≥50∶50。

进一步地，在所述电极-介电复合材料中可加入增强其机械韧性的碳纤维或石墨纤维。

在将电极薄膜片进行叠加之前，其进一步包括在前述电极薄膜片表面涂抹或喷镀导电薄膜的步骤。

在电极薄膜片叠加之后，其进一步包括在形成的整个电极表面涂抹或喷镀导电薄膜的步骤。

利用本发明的方法制备的电容器储能电池由于电极使用的是电极材料和介电材料的复合材料，其具有高电容量(≥5mF/cm2)和高击穿电压。其击穿电压相当于所用介电材料(例如高纯钛酸钡)的击穿电压，击穿电压≥350兆伏/米。

本发明的电容器储能电池比能量＞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。所以本发明的电容器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。

【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4为本发明电容式储能电池的部分分解示意图。

图5a为在本发明一个实施例中图4中虚线圆A中的电极的放大结构示意图。

图5b为在本发明另一个实施例中图4中虚线圆A中的电极的放大结构示意图。

图5c为在本发明再一个实施例中图4中虚线圆A中的电极的放大结构示意图。

图6为本发明电容式电池的电极的制备方法流程图。

【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的整体其包括上表面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2的整体为矩形平板状，其包括形状基本相同的第一电极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21、22，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则相当于电容的两块电极板，中间的介电材料1为电容的两块电极板之间的介质。

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。

在其他实施例中所述封装导体与每一电极之间也可以设置导线或者导电板等其他结构将封装导体与电池的电极电性连接。

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5a、图5b及图5c所示，其分别为在不同实施例中图4中虚线圆A内的本发明的电容器储能电池的电极的放大结构示意图。下面以其中一个电极21为例进行说明。

如图5a所示，在本发明的一个实施例中，本发明的电容器储能电池的电极21为由电极-介电复合材料制成的电极薄膜片211相互叠加形成的电极211。

在图5b所示的实施例中，本发明的电容器储能电池的电极21除了包括中间的由电极-介电复合材料制成的电极薄膜片211相互叠加形成的电极芯211之外，在整个电极薄膜片211叠加之后的电极芯211表面包覆有一层导电薄膜212。

在图5c所示的实施例中，本发明的电容器储能电池的电极21除了包括由电极-介电复合材料制成的电极薄膜片211，在每两片电极薄膜片之间间隔设置有导电膜212，形成电极薄膜片-导电膜-电极薄膜片的电极结构。

为提高电容器储能电池的比能量，电池的电极材料十分关键，电极材料吸附的电子越多，则电池的能量密度越大，因此电极材料的比表面越高越好。在本发明的一个实施例中，前述电极薄膜片211的材料为高比表面积电极材料与高纯介电材料的复合合材料。其中在本发明的一个实施例中所述高比表面积电极材料可以是多孔活性炭、石墨烯或者其他电极材料。而高纯介电材料可以是纯度≥99.995％的钛酸钡纳米粉体、稀土掺杂钛酸钡纳米粉体、钛酸锶钡纳米粉体、稀土掺杂钛酸锶钡纳米粉体或者高纯度的介电材料钛酸铜钙纳米粉体等等。下面将讲述本发明的电池的电极材料的制备方法。

请参阅图6所示，其显示本发明的电容器储能电池的高比表面积电极的制备方法流程图，本发明的电容器储能电池的电极的制备方法包括：

步骤S601：首先提供高比表面积的电极材料。本发明的电容器储能电池采用高比表面积电极材料制备正负极储电电极，所用的电极材料包括具有高比表面积的多孔活性炭、石墨烯以及其他电极材料，其中所用的高比表面积材料的比表面积≥500平方米/克。

步骤S602：将高比表面积电极材料与高纯无机介电材料进行混合。其中所用的高纯无机介电材料为纯度≥99.995％的钛酸钡纳米粉体、稀土掺杂钛酸钡纳米粉体、钛酸锶钡纳米粉体、稀土掺杂钛酸锶钡纳米粉体或者高纯度的介电材料钛酸铜钙纳米粉体等等。具体混合的方法包括化学沉淀法、化学和物理吸附法以及机械研磨法等等。高比表面积电极材料与高纯介电材料的混合比例依据材料的渗析理论，必须确保混合比例大于渗析阈值，在本发明中为确保复合材料的导电性和高比表面积，该电极材料：高纯介电材料的体积比≥50∶50。例如在本发明的一个实施例中高比表面积电极材料为多孔活性炭，高纯介电材料为高纯钛酸钡纳米材料，则多孔活性炭与高纯钛酸钡纳米材料的体积混合比例为≥50∶50。

步骤S603：将经过混合的高比表面积电极材料和高纯无机介电材料经过高温烧结后，高纯无机介电材料形成相应尺寸的纳米晶体材料，并吸附在高比表面积电极材料中形成电极-介电复合材料。在此复合材料中也可加入适量碳纤维或者石墨纤维以增强其机械韧性。

步骤S604：将所制备的电极-介电复合材料，经真空冷压或真空热压成储电电极薄膜片211。所制备的储电电极薄膜片211具有大于等于500平方米/克的高比表面积。

步骤S605：将所制备的电极-介电复合材料的电极薄膜片211进行叠加形成叠片式电容器储能电池的电极的电极211。如果是图5a所示的实施例中的电容器储能电池，则进行到步骤S605即可形成本发明电容器储能电池的电极。如果是图5b所示的实施例，则其进一步包括步骤S606：在电极薄膜片211进行叠加之后形成的电容式电池的叠片电极的电极芯211表面涂抹或喷镀导电薄膜，制备成电池的电极，以提高叠片式电容器储能电池的导电效率。在图5c所示的实施例中，步骤S606为在电极薄膜片211表面的其中一侧涂抹或喷镀导电薄膜212，然后将涂抹或喷镀有导电膜的电极薄膜片相互叠加，可制备成“电极薄膜片-导电薄膜-电极薄膜片”的叠片式内电极，以提高叠片式电容器储能电池的导电效率。

利用本发明的方法制备的电容器储能电池由于电极使用的是电极材料和介电材料的复合材料，其具有高电容量(≥5mF/cm2)和高击穿电压。其击穿电压相当于所用介电材料(例如高纯钛酸钡)的击穿电压，击穿电压≥350兆伏/米。

本发明的电容器储能电池比能量＞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。所以本发明的电容器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 (10)

1.一种电容器储能电池，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，其中所述第一电极和第二电极为由比表面积≥500平方米/克的高比表面积电极材料和纯度≥99.995％的高纯度介电材料混合形成的电极薄膜片叠加形成。

2.如权利要求1所述的电容器储能电池，其特征在于：所述高比表面积的电极材料为多孔活性炭或石墨烯，所述高纯度介电材料为纯度≥99.995％的钛酸钡纳米粉体、稀土掺杂钛酸钡纳米粉体、钛酸锶钡纳米粉体、稀土掺杂钛酸锶钡纳米粉体或钛酸铜钙纳米粉体。

3.如权利要求1所述的电容器储能电池，其特征在于：所述电容器储能电池的电极还包括覆盖于所述叠加后的电极薄膜片外或夹持于各电极薄膜片之间的导电薄膜。

4.一种根据权利要求1所述的电容器储能电池中的高比表面积电极的制备方法，其包括：

提供比表面积≥500平方米/克的高比表面积电极材料；

将所述高比表面积电极材料与纯度≥99.995％的高纯无机介电材料进行混合；

将混合的高比表面积电极材料和高纯无机介电材料经过高温烧结，使高纯无机介电材料形成相应尺寸的纳米晶体材料，并吸附在高比表面积电极材料中形成电极-介电复合材料；

将所制备的电极-介电复合材料，经真空冷压或真空热压成储电电极薄膜片；

将所制备的电极-介电复合材料的电极薄膜片进行叠加形成电容器储能电池的电极。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述高比表面积的电极材料为多孔活性炭或石墨烯，所述高比表面积的电极材料的比表面积≥500平方米/克，所述高纯度介电材料为纯度≥99.995％的钛酸钡纳米粉体、稀土掺杂钛酸钡纳米粉体、钛酸锶钡纳米粉体、稀土掺杂钛酸锶钡纳米粉体或高纯度的介电材料钛酸铜钙纳米粉体。

6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述将高比表面积电极材料和高纯无机介电材料进行混合的方法包括化学沉淀法、化学吸附法和物理吸附法以及机械研磨法。

7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述高比表面积电极材料和高纯无机介电材料的混合比例为高比表面积电极材料：高纯无机介电材料的体积比≥50∶50以确保此复合材料的导电性。

8.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：在所述电极-介电复合材料中加入了增强其机械韧性的碳纤维或石墨纤维。

9.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：其进一步包括在将电极薄膜片进行叠加之前，在前述电极薄膜片表面涂抹或喷镀导电薄膜的步骤。

10.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：其进一步包括在电极薄膜片叠加之后形成的整个电极表面涂抹或喷镀导电薄膜的步骤。

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