CN105977039A - 一种石墨烯活性复合电极超级电容电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开并提供了一种充电时间短、充电效率高、体积重量小、比能量高以及应用范围广的可以采用大电流充放电的石墨烯活性复合电极材料超级电容电池。本发明包括电池槽、扣设在所述电池槽顶部的槽盖、正极板、负极板以及柔性隔板，所述正极板与所述负极板分别适配设置在所述柔性隔板的两侧，所述正极板、所述柔性隔板以及所述负极板卷绕放置在所述电池槽内，所述电池槽内充装有电解液，所述正极板与所述负极板的表面均喷制粘合有石墨烯活性复合电极材料，所述石墨烯活性复合电极材料的直径为30‑80nm，其长度为150‑300nm。本发明可广泛应用于通讯设备、交通工具、国防武器等各个领域中。
Description
技术领域
本发明涉及一种石墨烯活性复合电极超级电容电池。
背景技术
自1860年发明铅蓄电池以来，人们在电化学范围内开发研究，作出了不懈的努力，技术上也取得持续的进步。但是，已有的储能电池仍不完美。最大缺憾是充电时间过长，严重限制了现代电池的实际应用。
过去，因为极板的比表面积小，只能采用化学方法长时间充电，不能采用大电流充放电。否则，大电流充电时，极板易产生焦尔热并容易产生分解水，降低其使用寿命，甚至造成热失控，使电池变形、开裂而失效。大电流放电时，也伴随有热效应，易导致电压降低，电池的容量也随放电电流的增大而降低，目前现有的各类储能电池的实际充电时间最快也要30分钟以上，慢则长达12小时以上。
其次是比能量低，致使电池整体重量过大，体积无法有效减小，限制了很多应用场景。这也是新能源纯电动车辆目前不能快速普及的关键原因之一。如最大应用的铅酸电池的比能量一般只有30-40Wh/kg。这一缺点大大的限制了其应用范围，也大大降低了汽车、铁路机车、客车、飞机、舰船、坦克等运动工具和设备的有效载荷和有效能耗。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种充电时间短、充电效率高、体积重量小、比能量高以及应用范围广的可以采用大电流充放电的石墨烯活性复合电极材料超级电容电池。
本发明所采用的技术方案是：本发明包括电池槽、扣设在所述电池槽顶部的槽盖、正极板、负极板以及柔性隔板，所述正极板与所述负极板分别适配设置在所述柔性隔板的两侧，所述正极板、所述柔性隔板以及所述负极板卷绕放置在所述电池槽内，所述电池槽内充装有电解液，所述正极板与所述负极板的表面均喷制粘合有石墨烯活性复合电极材料，所述石墨烯活性复合电极材料的直径为30-80nm，其长度为150-300nm。
所述槽盖上分别设置有正极柱与负极柱，所述正极柱与所述正极板相连接，所述负极柱与所述负极板相连接。
所述正极板的主体为铝板栅，所述正极板的尺寸与所述电池槽内部的尺寸相适配。
所述负极板的主体为铜板栅，所述负极板的尺寸与所述电池槽内部的尺寸相适配。
所述柔性隔板由高绝缘强度的高分子无纺布制备而成，所述柔性隔板的尺寸与所述电池槽内部的尺寸相适配。
所述正极板、所述柔性极板以及所述负极板之间设置有小间距。
本发明的有益效果是：本发明中的正极板、柔性隔板以及负极板卷绕放置在电池槽内，所以当电池槽的体积一定时，卷绕的放置方式使得电池槽的内部的使用率最大化；
又由于在正、负两极板的表面喷制粘合设置有石墨烯活性复合电极材料，而石墨烯活性复合电极材料本身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应。石墨烯活性复合电极材料有极大的比表面积、极高的活性和孔隙率，散热效率高，扩散速率大，即使通过很大的电流，也只有很小的电流密度。因此，由其制作的正、负极板可以通过很大的充放电电流而不产生焦尔热，无热效应伴随，从而使得本发明能够采用大电流充电，大大缩短了充电时间。所以，本发明能够采用物理方法大电流快速充电，又能够采用化学方法长时间小电流低电压慢速放电，两者完美配合。
在本发明中，石墨烯活性复合电极材料的直径为30-80nm ，其长度为150-300nm。这一尺寸的石墨烯活性碳材料活性大，比表面积大，用于制作正、负极板效果最好。每一组正负极板及其隔膜都具有使其成为大电容的小间距，等效于将这一大电容与电池并联。隔膜由高绝缘强度的高分子无纺布制备而成，其尺寸与电池槽内部尺寸相同，这一结构同时具有法拉(F)级电容的特性和大功率电池的特性，其等效电路相当于一个法拉级大电容和一个大功率电池并联。
从对这一等效电路的深入分析可见，瞬时间放电时，电容具有超前角，首先放电，可承受大电流放电的需要。长时间放电时，电池可慢速放电，解决长时间的特点。此时总的放电电流等于电容和电池放电电流之和。充电时，电容首先充电，可防止电流过大发热急剧而爆炸。此时总的充电电流等于电容和电池充电电流之和，相当于外电路并联了多个吸收电容。
电池和电容两个元件的工作电压V相等，不会产生互相流动，起到互利、作用。设电池的电流为I，则其功率E=IV，设电容的容量为C，则其功率W=1/2V²，则总能量P=E+W，实质为两元件之和。因此，其总能量大大超过电池或单个电容，整体重最大大减轻，比能量大大提高，其中比能量可达300Wh/kg，功率可达l000W/kg以上。
本发明还具有电容和电池两种特性，大电容在8法拉级到10-3000法拉，电池容量从150mAH至200AH。电力储能电池最大可达20000AH，重量只有铅酸电池的 1/10，体积只有其 1/5，充电时间最快可以达到 90 秒。
附图说明
图1是本发明的正负极板的结构示意图；
图2是本发明的整体立体示意图；
图3是本发明的正负极板卷绕示意图；
图4是本发明的等效电路示意图。
具体实施方式
实施例一，如图1、图2、图3所示，本发明包括电池槽1、扣设在所述电池槽1顶部的槽盖2、正极板3、负极板4以及柔性隔板5，所述槽盖2上分别设置有正极柱6与负极柱7，所述正极柱6与所述正极板3相连接，所述负极柱7与所述负极板4相连接。所述正极板3与所述负极板4分别适配设置在所述柔性隔板5的两侧，所述正极板3、所述柔性极板5以及所述负极板4之间使本发明成为大电容的小间距。所述正极板3、所述柔性隔板5以及所述负极板4卷绕成柱状或者均形体状放置在所述电池槽1内，所述电池槽1内充装有电解液，所述正极板3的主体为铝板栅，所述负极板4的主体为铜板栅，所述柔性隔板5由高绝缘强度的高分子无纺布制备而成，所述正极板3、所述负极板4以及柔性隔板5的尺寸均与所述电池槽1内部的尺寸相适配。所述正极板3与所述负极板4的表面均喷制粘合有由石墨烯活性复合电极材料组成的复合层8，所述石墨烯活性复合电极材料的直径为25nm，其长度为250nm。它可采用大电流充放电，充电时间缩短为过去的1/150，比能量最高为过去的铅酸电池的8倍，同时大大地降低了整体重量。
如图4所示，本发明等效于一个电池E和一个大电容C并联，其总能量
P=E+W。
实施例二，本实施例与实施例一的不同之处在于，所述石墨烯活性复合电极材料的直径为80nm，其长度为300nm。它可采用大电流充放电，充电时间缩短为过去的1/10，比能量最高为过去的铅酸电池的7倍，同时大大地降低了整体重量。
实施例三，本实施例与实施例一以及实施例二的不同之处在于，所述石墨烯活性复合电极材料的直径为60nm，其长度为200nm。它可采用大电流充放电，充电时间缩短为过去的1/20，比能量最高为过去的铅酸电池的10倍，同时大大地降低了整体重量。
本发明可广泛应用于通讯设备、交通工具、国防武器等各个领域中。
Claims (6)
1.一种石墨烯活性复合电极超级电容电池，它包括电池槽（1）、扣设在所述电池槽（1）顶部的槽盖（2）、正极板（3）、负极板（4）以及柔性隔板（5），其特征在于：所述正极板（3）与所述负极板（4）分别适配设置在所述柔性隔板（5）的两侧，所述正极板（3）、所述柔性隔板（5）以及所述负极板（4）卷绕放置在所述电池槽（1）内，所述电池槽（1）内充装有电解液，所述正极板（3）与所述负极板（4）的表面均喷制粘合有石墨烯活性复合电极材料，所述石墨烯活性复合电极材料的直径为30-80nm，其长度为150-300nm。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯活性复合电极超级电容电池，其特征在于：所述槽盖（2）上分别设置有正极柱（6）与负极柱（7），所述正极柱（6）与所述正极板（3）相连接，所述负极柱（7）与所述负极板（4）相连接。
3. 根据权利要求1所述的一种石墨烯活性复合电极超级电容电池，其特征在于：所述正极板（3）的主体为铝板栅，所述正极板（3）的尺寸与所述电池槽（1）内部的尺寸相适配。
4. 根据权利要求1所述的一种石墨烯活性复合电极超级电容电池，其特征在于：所述负极板（4）的主体为铜板栅，所述负极板（4）的尺寸与所述电池槽（1）内部的尺寸相适配。
5. 根据权利要求1所述的一种石墨烯活性复合电极超级电容电池，其特征在于：所述柔性隔板（5）由高绝缘强度的高分子无纺布制备而成，所述柔性隔板（5）的尺寸与所述电池槽（1）内部的尺寸相适配。
6. 根据权利要求1所述的一种石墨烯活性复合电极超级电容电池，其特征在于：所述正极板（3）与所述柔性极板（5）之间以及所述负极板（4）与所述柔性极板（5）之间均设置有电容间距。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160928 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |