CN109004255A - 一种电化学储能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电化学储能电池，其包括单体结构及电池壳，所述单体结构设置于所述电池壳中，其中，所述单体结构包括，正极集流体；与所述正极集流体并排设置的负极集流体，所述正极集流体及所述负极集流体之间存在一间隔；设置于所述间隔中的隔膜；设置于所述正极集流体与所述隔膜之间的正极材料，所述正极材料与所述正极集流体固定连接；设置于所述负极集流体与所述隔膜之间的负极材料，所述负极材料与所述负极集流体固定连接；以及填充于所述正极集流体与所述负极集流体之间的电解液。本发明中当检测到电化学储能电池的电池容量降低到一定程度时，则可通过更换新的电极的形式，保证电化学储能电池的继续工作。
Description
技术领域
本发明涉及蓄电池的技术领域，尤其涉及一种可替换正极或负极材料的电化学储能电池。
背景技术
目前，电池已被广泛地作为便携式电子设备和备用电源等广泛应用于交通、通讯、医疗、建筑等各个领域。目前常用的商用电池是铅酸电池、镍镉(Ni-Cd)电池、镍氢(Ni-MH)电池、锂离子电池和金属(例如铝、锌)-空气电池。其中，铅酸电池由于较低的价格和可靠的安全性能得到广泛的应用，但是，循环寿命较短，生产过程中电极原料的毒性等也限制了其生产和应用。
电化学电容器(或超级电容器)作为电池利用，可以提供超长的循环寿命(超过10万个周期)，例如KR1020060084441A,CA2680743,CA2680747,CN200910183503等中所公开的技术内容，但是电化学电容器虽然一定程度上提高了电池寿命，但其能量密度比普通电池低一个数量级，比如相比于传统铅酸电池的能量密度40-50Wh/kg，这种超级电池的能量密度显著降低到8-16Wh/kg。此外，随着电池应用领域的拓展，对电池寿命要求的不断提高，即使超级电池的寿命也无法再满足长期应用的需求。
可见，仍没有任何电池或者混合电池-电容特性的储能器件能够同时满足提供高功率密度、高能量密度以及足够长的使用寿命，满足工业上多元化的应用需求。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种电化学储能电池。其中，电极材料与隔膜及集流体可拆卸连接的方式，将所述电化学储能电池设计为可更换电极材料的电化学储能电池，从而，当检测到电化学储能电池的电池容量降低到一定程度时，则可通过更换新的电极的形式，保证电化学储能电池的继续工作。
具体地，本发明提供一种电化学储能电池，其包括单体结构及电池壳，所述单体结构组装于所述电池壳中，其中，所述单体结构包括，正极集流体；与所述正极集流体并排设置的负极集流体，所述正极集流体及所述负极集流体之间存在一间隔；设置于所述间隔中的隔膜；设置于所述正极集流体与所述隔膜之间的正极材料，所述正极材料与所述正极集流体固定连接；设置于所述负极集流体与所述隔膜之间的负极材料，所述负极材料与所述负极集流体固定连接；以及填充于所述正极集流体与所述负极集流体之间的电解液，其中，所述正极材料与所述隔膜固定连接或者所述负极材料与所述隔膜固定连接。
优选地，上述电化学储能电池中，所述正极集流体和负极集流体的材料包括金属或者石墨。
优选地，上述电化学储能电池中，所述正极集流体和负极集流体选自铅网、铅箔、钛网、钛箔、石墨板、石墨箔或石墨纸。
优选地，上述电化学储能电池中，所述隔膜选自绝缘多孔膜、织物或板材。
优选地，上述电化学储能电池中，所述隔膜选自玻璃纤维垫、无纺布、聚丙烯膜或聚乙烯膜。
优选地，上述电化学储能电池中，所述电解液为酸性、碱性或者中性水溶液，或者有机溶剂。
优选地，上述电化学储能电池中，所述电解液选自Li2SO4、Na2SO4、K2SO4、LiCl、NaCl、KCl中的一种或多种，或者选自LiOH、NaOH、KOH中的一种或多种。
优选地，上述电化学储能电池中，所述正极材料选自二氧化铅、二氧化锰、氢氧化镍；所述负极材料选自钨基材料、活性炭。
优选地，上述电化学储能电池包括至少两个单体结构，所述单体结构之间为串联或并联连接。
优选地，上述电化学储能电池中，所述单体结构之间并联连接，所有所述单体结构的正极集流体通过第一电极汇流排连接，所有所述单体结构的负极集流体通过第二电极汇流排连接。
与现有技术相比较，本发明的优势在于：
1)本发明中的电化学储能电池的电极为可拆卸电极；
2)本发明中，当检测到电池容量降低到一定程度时(例如20％)，可通过更换新电极确保电池维持高性能状态；
3)本发明的电化学储能电池具有低成本、超长循环寿命以及高性能的特点。
附图说明
图1为符合本发明优选实施例的电化学储能单体结构的结构示意图；
图2为实施例WO3//PbO2超级电池更换电极后的循环寿命示意图；
图3为符合本发明另一优选实施例的电化学储能电池的结构示意图；
图4为符合图3的电化学储能电池中的正极通过汇流排连接的示意图；
图5为符合图3的图2电化学储能电池中的负极通过汇流排连接的示意图。
附图标记：
1-单体结构，
11-负极集流体，
12-负极材料，
13-隔膜
14-正极材料，
15-正极集流体，
2-第一电极汇流排，
3-第二电极汇流排。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，详细阐述本发明的优势。
参见图1，其为一符合本发明优选实施例的电化学储能电池的结构示意图，从图中可以看出，本实施例中所提供的电化学储能电池包括单体结构1及电池壳(未示出)。
其中，单体结构1包括负极集流体11，负极材料12，隔膜13，正极材料14以及正极集流体15。其中，正极集流体15与负极集流体11并排设置于电池壳中，并且在正极集流体15与负极集流体11之间预留一定的间隔；隔膜13设置于正极集流体15与负极集流体11的间隔的中央；而负极材料12设置于负极集流体11与隔膜13之间，正极材料14则设置于正极集流体15与隔膜13之间；从而，本实施例中，上述间隔的长度可以根据正极材料15、负极材料11以及隔膜13的厚度设置；同时，本实施例中，可以是正极材料14同时固定连接于正极集流体15和隔膜13上，而负极材料12则固定连接于负极集流体11，但与隔膜13接触不固定，使负极材料12和负极集流体11可以作为整体拆卸；在正极集流体15与负极集流体11之间填充电解液，则，最终形成负极可拆卸的电化学储能电池，当检测到该电化学储能电池的电池容量降低到一定程度例如20％、15％或者10％等，根据实际需求设定的阈值时，则可通过开启电池壳，取出使用过的负极材料和负极集流体，并以新的负极材料和负极集流体替换的方式，使电化学储能电池保持高性能继续工作；
对应得，本实施例中，也可以负极材料12同时固定连接负极集流体11和隔膜13，而正极材料14则与正极集流体15固定连接，而与隔膜13接触但不固定，从而，正极材料14和正极集流体15作为整体可拆卸；在正极集流体15与负极集流体11之间填充电解液，则，最终形成一正极可拆卸的电化学储能电池，当检测到该电化学储能电池的电池容量降低到一定程度例如20％、15％或者10％等，根据实际需求设定的阈值时，则可通过开启电池壳，取出使用过的正极材料和正极集流体，并以新的正极材料和正极集流体替换的方式，使电化学储能电池保持高性能继续工作。
更进一步地，本实施例中，优选地，正极集流体和负极集流体的材料可以包括金属或者石墨等；隔膜则可以选自绝缘多孔膜、织物或板材等；电解液可以为酸性、碱性或者中性水溶液，也或者有机溶剂。
鉴于上述设计，本实施例可以实现，电池按照正常充电/放电方式循环，循环足够圈数后固定电极侧的性能依然高度稳定，然而电化学储能电池的性能确因可替换电极侧的限制而发生衰减，则可使用新的电极置换失效电极，使电化学储能电池仍然能够以高性能继续工作。
下面通过具体实施例进一步阐述本发明的优点，但本发明的保护范围不仅仅局限于下述实施例。
实施例1：WO3//PbO2超级电池
根据上述电化学储能电池的结构，利用二氧化铅(PbO2)作为正极材料，纯三氧化钨((WO3)或含有WO3的混合物作为负极材料，电解质为硫酸(H2SO4)溶液，正极集流体选择铅合金板栅，负极集流体选择铅网、铅箔、钛网、钛箔、石墨板、石墨箔、石墨纸中的任一种，隔膜选择玻璃纤维垫、无纺布、PP(聚丙烯)膜、PE(聚乙烯)膜或其它多孔塑料膜，构建钨基超级电池及超级电容器。这种电池结构中，WO3负极是高度稳定的，但PbO2正极在深度充放循环下的使用寿命只有几百次，故，该电池中，选择负极作为永久电极，而正极作为可拆卸电极。本实施例中，三氧化钨电极则采用浆料涂布工艺进行制造，其中浆料是由三氧化钨粉末、导电剂(石墨、碳黑、碳纳米纤维、碳纳米管等)、粘合剂(PTFE、PVDF、PVA、CMC、SBR等)和溶剂(水、NMP、乙醇、丙酮等)组成。三氧化钨浆料涂布在负极集流体上；涂布后，将电极预干燥，固定作为负极材料的活性材料粘结在负极集流体上，此时活性层内仍含有溶剂；最后将隔膜与作为负极材料的活性物质进行复合压延以将其固定在负极材料上。而，正极材料固定于正极集流体上，但是与隔膜接触但不连接。
电极组装成电池的过程中，首先将含有集流体和隔板的永久负极放置并固定于电池壳中，随后将二氧化铅正极放置到同一壳体内，随后加入硫酸电解液；再将电池壳以允许打开但不破坏任何电池和电极组件的方式密封。经历长期循环后，则当电池容量衰减至一根据需求设置的阈值时，取出失效的二氧化铅正极，可用新的PbO2正极材料替换失效的正极材料，使整个电池能够始终保持高性能并延长电池的循环寿命。本实施例中，低成本的二氧化铅电极可以多次更换，从而使得电池循环使用寿命延长，如图2所示。图中的钨基超级电池循环2000次后，容量衰减更换一次二氧化铅正极后，又继续保持高性能的循环了2000次，再更换一次二氧化铅正极，循环寿命达到6000次，几乎是传统铅酸电池循环寿命的120倍。此外，失效的二氧化铅电极还可以循环再生利用成为新二氧化铅电极。
实施例2：AC//PbO2电池
根据上述电化学储能电池的结构，采用活性炭(AC)作为负极材料，采用与传统铅酸电池相同或相似的正极材料，如PbO2作为正极材料，采用硫酸(H2SO4)作为电解质，采用与上述相似或者相同的正极集流体、负极集流体和隔膜材料，构建“铅碳”超级电池。AC负极材料同样具有高稳定性和快速电荷储存的能力，但PbO2电极作为正极材料依然是造成寿命缩短的问题所在。故，本实施例中，选择负极材料与负极集流体及隔膜固定连接，作为永久电极；而正极材料固定连接于正极集流体，但是与隔膜接触不固定，作为可拆卸电极。则当电池容量衰减至一根据需求设置的阈值时，取出失效的二氧化铅正极，可用新的PbO2正极材料替换失效的正极材料，使整个电池能够始终保持高性能并延长电池的循环寿命。
实施例3：AC//MnO2电池
根据上述电化学储能电池的结构，采用活性炭(AC)作为负极材料，二氧化锰(MnO2)作为正极材料，采用与上述相似或者相同的正极集流体、负极集流体和隔膜材料，构建一种混合超级电容器。其中，电解液为含有不同金属盐的水溶液，包括Li2SO4,Na2SO4,K2SO4,LiCl,NaCl,KCl等中的一种或多种。本实施例中，AC负极材料具有高稳定性和快速电荷储存的能力，可以被作为永久电极。但MnO2正极材料由于不可逆的材料结构变化、溶解和氧化副反应，导致该混合超级电容器的循环寿命缩短(仅实现数万次循环)。本实施例中，该混合超级电容器被设计成开放式结构，选择负极材料与负极集流体及隔膜固定连接，作为永久电极；而正极材料固定连接于正极集流体，但是与隔膜接触不固定，作为可拆卸电极。则当电池容量衰减至一根据需求设置的阈值时，取出失效的MnO2电极，替换以新的MnO2电极，则电容器能够继续保持超长的循环寿命性。
实施例4：AC//Ni(OH)2电池
根据上述电化学储能电池的结构，采用活性炭(AC)作为负极材料，和氢氧化镍(Ni(OH)2)作为正极材料，采用与上述相似或者相同的正极集流体、负极集流体和隔膜材料构建一种混合超级电容器。其中电解质为碱性不同种类的金属盐水溶液，例如LiOH、NaOH、KOH等的一种或多种。同样地，AC负极材料具有高稳定性和快速电荷储存的能力，可以被作为永久电极。但Ni(OH)2正极材料由于不可逆的材料结构变化，溶解和氧化副反应，会导致电容器的循环寿命缩短(仅实现数万次循环)。故本实施例中，超级电容器被设计成开放式结构，选择负极材料与负极集流体及隔膜固定连接，作为永久电极；而正极材料固定连接于正极集流体，但是与隔膜接触不固定，作为可拆卸电极。则当电池容量衰减至一根据需求设置的阈值时，取出失效的Ni(OH)2电极，替换以新的Ni(OH)2电极，则电容器能够继续保持超长的循环寿命性。
蓄电池组
本发明还提供一种至少包括两个上述的单体结构1的电化学储能电池，在该电化学储能电池中，每个单体结构1之间可以通过并联连接也可以通过串联的方式连接。
参见图3，其为一符合本发明另一优选实施例的电化学储能电池的结构示意图。从图中可以看出，本实施例所提供的电化学储能电池，包括至少一个单体结构1，其中，单体结构1之间通过并联连接。则，整个电化学储能电池的容量随着连接的单体结构的数量增加而成比例的增加。同时，在本实施例中，每个单体结构1的正极集流体相互之间通过第一电极汇流排2连接，而每个单体结构1的负极集流体相互之间通过第二电极汇流排3连接。
则，参见图4和图5，当选择正极作为永久电极，而负极作为可更换电极时，则根据上述的单体结构的设计，可以将正极材料同时固定连接于正极集流体和隔膜上，而负极材料则与负极集流体固定连接，与隔膜仅接触不固定。则当检测显示电化学储能电池的容量低于或者等于，如20％、15％或者10％等根据需求设置的阈值时，可开启该电化学储能电池的电池壳，从中取出通过第二电极汇流排3连接的负极集流体及与其固定连接的负极材料，并作为整体替换，将预先固定连接的新的第二电极汇流排连接的负极集流体和负极材料放置入上述电化学储能电池中，并补充新的电解液，使其获得原始的电池容量。从而提供一种可无限循环使用的电化学储能电池。
对应地，当选择负极作为永久电极，则可将正极作为可更换电极，则根据上述的单体结构的设计，可以将负极材料同时固定连接于负极集流体和隔膜上，而正极材料则与正极集流体固定连接，与隔膜仅接触不固定。则当检测显示电化学储能电池的容量低于或者等于，如20％、15％或者10％等根据需求设置的阈值时，可开启该电化学储能电池的电池壳，从中取出通过第一电极汇流排2连接的正极集流体及与其固定连接的正极材料，并作为整体替换，将预先固定连接的新的第一电极汇流排连接的正极集流体和正极材料放置入上述电化学储能电池中，并补充新的电解液，使其获得原始的电池容量。从而提供一种可无限循环使用的电化学储能电池。综上所述，本发明中的电化学储能电池的电极为可拆卸电极；本发明中，当检测到电池容量降低到一定程度时(例如20％)，可通过更换新电极确保电池维持高性能状态；本发明的电化学储能电池具有低成本、超长循环寿命以及高性能的特点。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
Claims (11)
1.一种电化学储能电池，包括单体结构及电池壳，所述单体结构组装于所述电池壳中，其特征在于，所述单体结构包括，
正极集流体；
与所述正极集流体并排设置的负极集流体，所述正极集流体及所述负极集流体之间存在一间隔；
设置于所述间隔中的隔膜；
设置于所述正极集流体与所述隔膜之间的正极材料，所述正极材料与所述正极集流体固定连接；
设置于所述负极集流体与所述隔膜之间的负极材料，所述负极材料与所述负极集流体固定连接；以及
填充于所述正极集流体与所述负极集流体之间的电解液，其中，
所述正极材料与所述隔膜固定连接或者所述负极材料与所述隔膜固定连接。
2.如权利要求1所述的电化学储能电池，其特征在于，
所述正极集流体和负极集流体的材料包括金属或者石墨。
3.如权利要求2所述的电化学储能电池，其特征在于，
所述正极集流体和负极集流体选自铅网、铅箔、钛网、钛箔、石墨板、石墨箔或石墨纸。
4.如权利要求1所述的电化学储能电池，其特征在于，
所述隔膜选自绝缘多孔膜、织物或板材。
5.如权利要求4所述的电化学储能电池，其特征在于，
所述隔膜选自玻璃纤维垫、无纺布、聚丙烯膜或聚乙烯膜。
6.如权利要求1所述的电化学储能电池，其特征在于，
所述电解液为酸性、碱性或者中性水溶液，或者有机溶剂。
7.如权利要求6所述的电化学储能电池，其特征在于，
所述电解液选自Li2SO4、Na2SO4、K2SO4、LiCl、NaCl、KCl中的一种或多种。
8.如权利要求6所述的电化学储能电池，其特征在于，
所述电解液选自LiOH、NaOH、KOH中的一种或多种。
9.如权利要求1所述的电化学储能电池，其特征在于，
所述正极材料选自二氧化铅、二氧化锰、氢氧化镍，
所述负极材料选自钨基材料、活性炭。
10.如权利要求1-8任一所述的电化学储能电池，其特征在于，
包括至少两个单体结构，所述单体结构之间为串联或并联连接。
11.如权利要求9所述的电化学储能电池，其特征在于，
所述单体结构之间并联连接，
所有所述单体结构的正极集流体通过第一电极汇流排连接，
所有所述单体结构的负极集流体通过第二电极汇流排连接。
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