CN109244466A - 一种水下潜标用储能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电化学储能器件,特别涉及一种水下潜标用储能电池。电池包括具有活性功能的一体化薄膜碳材料分别作为的正极、负极,电解液,介于正负极之间的隔膜,所述薄膜碳材料密度为1.0~1.3g/cm3,厚度为10~100μm,且正极厚度为负极厚度的2~4倍,隔膜材料密度为0.1~1g/cm3。该电池正负极一体化薄膜碳材料,省却了常规锂离子/钠离子电池中所用的金属集流体、导电剂、粘结剂,质量轻,制造工艺简单,并采用密度低下的外包装材料进一步降低电池重量,可以有效提升单位重量所储存电能,可长时间供电,且该电池整体密度与海水密度相当,可以在水下自由活动,增强了水下潜器的灵活性、机动性。

Description

一种水下潜标用储能电池
技术领域
本发明涉及一种电化学储能器件,特别涉及一种水下潜标用储能电池。
背景技术
水下潜标具有海底采样、水中观察测定以及拍摄录象、照相、打捞等功用,广泛应用于海洋基础学科的研究和海洋资源的调查、开发,对这些领域的发展起到重大作用。近年来,随着全球及我国对海洋资源的日益重视,水下潜标发挥着巨大作用。在早期,人们使用铅酸电池或碱性干电池用于水下潜标供电系统,但由于能量密度低下,造成水下潜标工作时间短,致使数据采集量太少,不能满足长期观测要求,而且还需要额外的浮力材料。之后,人们开始利用锂亚硫酰氯电池替代铅酸电池或碱性干电池,持续供电时间远超过铅酸电池和碱性干电池。不幸的是,锂金属对环境要求的苛刻性,造成多起爆炸事故,尤其当电池组在大容量、高功率工作时,其安全性更加难以保障。
发明专利201410141863.0公开了一种深海热液温差能发电装置,它是采用温差能发电片将深海热液与周围海水的温差能转换为电能,但这种发电装置仅能在深海热液区域附近发挥作用,热液区最高温度可达400℃,存在一定安全风险,对深潜器所携带的科学探测仪器也有一定不利影响。实用新型专利201721280147.6公开了一种用于无人水下潜器的温差能发电装置,其采用烷烃类材料作为相变材料,将温差相变产生的能量传递给烷烃材料,烷烃材料体积增大,驱动机械活塞装置转动,利用发电装置转换为电能,再储存到电池中,结构十分复杂,对水下潜器的使用带来诸多不便和使用复杂性。
锂离子电池是近年来发展迅速的电能储存装置,由于其高的能量密度、长使用寿命和良好的高安全性,在电动汽车等新能源领域得到广泛应用。常规的锂离子电池一般以含锂金属氧化物(压实密度:钴酸锂5.1g/cm3、锰酸锂4.2g/cm3、磷酸铁锂3.6g/cm3、111型三元材料4.8g/cm3)为正极活性物质、石墨颗粒(压实密度1.3~2.0g/cm3)为负极活性物质,再加上正极铝箔集流体、负极铜箔集流体、不锈钢壳体,重量大,且海水的密度一般在1.02~1.07g/cm3之间,当直接挂在潜器舱外使用时,容易下沉,需要大量浮力材料来平衡在海水中的重力,实际上降低了电池的质量能量密度。
发明内容
本发明为了解决上述存在的问题,提供了一种水下潜标用储能电池。
为了实现上述目的,本发明的技术方案是:
一种水下潜标用储能电池,电池包括具有活性功能的一体化薄膜碳材料分别作为的正极、负极,电解液,介于正负极之间的隔膜,所述薄膜碳材料密度为1.0-1.3g/cm3,厚度为10-100μm,且正极厚度为负极厚度的2-4倍,隔膜材料密度为0.1-1g/cm3
所述电池还包括外包装,外包装材料密度为0.03-1.4g/cm3
所述作为正、负的一体化薄膜碳材料由膨胀石墨、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、石墨炔、聚酰亚胺碳球、硬碳、生物质碳中的一种或几种物质压制成型后所得,一体化薄膜碳材料(正负极)内部的层间距为0.34-0.80nm,。
所述电解液由电解质和溶剂构成,电解液中,电解质在电解液中的摩尔浓度为0.5~10mol/L;所述电解质为:六氟磷酸锂、高氯酸锂、六氟砷酸锂、四氟硼酸锂、双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、二(三氟甲基磺酰)亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂、三氟甲磺酸锂、六氟锑酸锂、三(五氟乙基)三氟磷酸锂、高氯酸钠、六氟磷酸钠、四氟硼酸钠、三氟甲基磺酸钠中的一种或多种;所述溶剂为环丁砜、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸甲丙酯、γ-丁内酯、氟代碳酸乙烯酯、乙酸乙酯、三甲基乙酸乙酯、丁酸甲酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、乙酸丙酯、乙酸甲酯、乙酰乙酸乙酯、三甲基乙酸甲酯、二乙醇二甲醚、四乙醇二甲醚、四氢呋喃中的一种或多种。
所述隔膜材料为单层聚丙烯膜、聚乙烯膜、聚乙烯/聚丙烯/聚乙烯的复合膜、纤维素无纺布、聚丙烯腈或聚酰亚胺隔膜。
所述外包装材料为聚乙烯、聚丙烯、尼龙、铝塑复合膜中的一种。
本发明所具有的优点和积极效果是:
本发明水下潜标用储能电池正负极为一体化薄膜碳材料,省却了常规锂离子/钠离子电池中所用的金属集流体、导电剂、粘结剂,质量轻,储能电池制造工艺简单,并采用密度低下的外包装材料进一步降低电池重量,可以有效提升单位重量所储存电能,可长时间供电,且该电池整体密度与海水密度相当,可以在水下自由活动,增强了水下潜器的灵活性、机动性。
具体实施方式
下面通过实施例,对本发明作进一步的说明。
本发明电池正负极一体化薄膜碳材料,省却了常规锂离子/钠离子电池中所用的金属集流体、导电剂、粘结剂,质量轻,制造工艺简单,并采用密度低下的外包装材料进一步降低电池重量,可以有效提升单位重量所储存电能,可长时间供电,且该电池整体密度与海水密度相当,可以在水下自由活动,增强了水下潜器的灵活性、机动性。
实施例1
正、负极片制作:在250ml锥形瓶中加入30ml硫酸(80%)和30ml浓硝酸混合,向混酸中加入1.1g高锰酸钾,使其充分混合溶解,最后加入5g天然鳞片石墨,不断搅拌1h后,抽滤,加入30%过氧化氢溶液,直至不再有气体产生。将得到的混合液水洗至Ph=7,过滤,干燥箱中50℃烘干3小时,得到膨胀石墨,将该膨胀石墨在10MP压力下,通过对辊机,形成膨膜,所得膜即作为正极片又作为负极片;经测定,所得石墨膜密度为1.05g/cm3,所获膜即作为正极片又作为负极片,正负极石墨膜材料内部的层间距为0.4856nm,正极厚度为60μm,负极厚度为20μm,将上述得到的膨胀石墨膜裁切成一定尺寸后,烘干待用。
单位结构储能电池的封装:将上述一定尺寸的膨胀石墨膜正负极片按照负极片/隔膜/正极片/负极片……/正极片/隔膜/负极片的顺序叠片顺序封装,电解液为1mol/L的LiPF6/(碳酸甲乙酯+环丁砜混合溶剂),隔膜为聚丙烯多孔隔膜,密度为0.6g/cm3,外包装为聚丙烯材质,密度为0.92g/cm3,封装后形成单位结构储能电池电池。
电池充放电测试:采用0.2C倍率电流进行充放电,电压范围为4.0~5.2V,经测定,单位结构电池的能量密度为150Wh/kg,1C倍率电流下1000次充放电后,容量保持率为98.5%。
实施例2:
将实施例1中的电解质盐换为双氟磺酰亚胺锂,其余与实施例1相同。经测定,该电池的能量密度达146Wh/kg,1C倍率电流下1000次充放电后,容量保持率为99.2%。
实施例3:
将实施例1中的电解质盐换为四氟硼酸锂,其余与实施例1相同。经测定,该液电池的能量密度达147Wh/kg,1C倍率电流下1000次充放电后,容量保持率为97.2%。
实施例4:
将实施例1中的溶剂换为碳酸丙烯酯,其余与实施例1相同。经测定,该电池的能量密度达146.5Wh/kg,1C倍率电流下1000次充放电后,容量保持率为98.7%。
实施例5:
将实施例1中的电解质盐换为二(三氟甲基磺酰)亚胺锂,其余与实施例1相同。经测定,该电池的能量密度高达148.5Wh/kg,1C倍率电流下1000次充放电后,容量保持率为98.6%。
实施例6:
将实施例1中的隔膜换为聚乙烯/聚丙烯/聚乙烯的多孔复合膜,密度为0.56g/cm3,其余与实施例1相同。经测定,该电池的能量密度达148.4Wh/kg,1C倍率电流下1000次充放电后,容量保持率为98.2%。
实施例7:
将实施例1中的膨胀石墨膜换成由石墨烯膜在15MP压力下,通过对辊机压制方式成为一体,从而作为正、负极,该石墨烯膜密度为1.25g/cm3,正极厚度为45μm,负极厚度为15μm,正负极石墨烯膜材料内部层间距为0.3859nm,其余与实施例1相同。经测定,该电池的能量密度达140Wh/kg,1C倍率电流下1000次充放电后,容量保持率为98.3%。
实施例8:
将实施例1中的膨胀石墨膜换成由聚酰亚胺碳球膜通过在12MP压力下,通过对辊机压制方式成为一体,从而作为正、负极,该碳膜密度为1.15g/cm3,正极厚度为90μm,负极厚度为30μm,正负极聚酰亚胺碳球膜材料内部层间距为0.6032nm,其余与实施例1相同。经测定,该电池的能量密度达132Wh/kg,1C倍率电流下1000次充放电后,容量保持率为96.5%。
实施例9:
将实施例1中的膨胀石墨膜换成由碳纳米管膜通过在12MP压力下,通过对辊机压制方式成为一体,从而作为正、负极,该碳膜密度为1.20g/cm3,正极厚度为75μm,负极厚度为25μm,正负极碳纳米管膜材料内部间距为0.3846nm,其余与实施例1相同。经测定,该电池的能量密度达140.8Wh/kg,1C倍率电流下1000次充放电后,容量保持率为97.2%。
实施例10:
将实施例1中的聚丙烯外包装换成聚乙烯外包装,密度为0.91g/cm3,其余与实施例1相同。经测定,该电池的能量密度达155Wh/kg,1C倍率电流下1000次充放电后,容量保持率为98.5%。
实施例11
将实施例1中的电解质盐换为六氟磷酸钠,溶剂换为二乙二醇二甲醚,其余与实施例1相同。经测定,该液电池的能量密度达132Wh/kg,1C倍率电流下1000次充放电后,容量保持率为96.3%。
实施例12
将实施例11中溶剂换为四乙二醇二甲醚,其余与实施例11相同。经测定,该液电池的能量密度高达132.5Wh/kg,1C倍率电流下1000次充放电后,容量保持率为96.7%。
对比例1
正极片制作:将锂离子电池正极活性材料磷酸铁锂(压实密度3.6g/cm3)与粘结剂聚偏氟乙烯、导电剂乙炔黑按照质量比90:5:5比例混合成浆料,之后涂覆于铝箔集流体上,经烘干、压实、裁切后备用。
负极片制作:将锂离子电池负极活性材料石墨(压实密度1.9g/cm3)与粘结剂丁苯橡胶乳液、导电剂乙炔黑按照质量比90:5:5比例混合成浆料,之后涂覆于铜箔箔集流体上,经烘干、压实、裁切后备用。
单位结构储能电池的封装:将上述一定尺寸的正负极片按照负极片/隔膜/正极片/负极片……/正极片/隔膜/负极片的顺序叠片顺序封装,电解液为1mol/L的LiPF6/(碳酸乙烯酯+碳酸二甲酯混合溶剂),隔膜为聚丙烯多孔隔膜,外包装为不锈钢材质,封装后形成单位结构储能电池电池。
电池充放电测试:采用0.2C倍率电流进行充放电,电压范围为2.5~3.7V,经测定,单位结构电池的能量密度为110Wh/kg,1C倍率电流下1000次充放电后,容量保持率为90.5%。
对比例中常规的锂离子电池,在制作过程中,正负极片中需要添加粘结剂、导电剂,并且需要铜铝箔集流体和不锈钢外壳,而额外添加的粘结剂、导电剂是必须的,但同时又是非活性物质,不能储存电荷,对电池能量提升起到负面作用;常规锂离子电池使用正负极活性、铜铝箔集流体和不锈钢外壳密度远远大于海水密度,当直接挂在潜器舱外使用时,容易下沉,而本发明实施例中所记载的水下潜标供能电池不存在上述问题。
以上所述实施例仅代表本发明中的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种水下潜标用储能电池,其特征在于:电池包括具有活性功能的一体化薄膜碳材料分别作为的正极、负极,电解液,介于正负极之间的隔膜,所述薄膜碳材料密度为1.0~1.3g/cm3,厚度为10~100μm,且正极厚度为负极厚度的2~4倍,隔膜材料密度为0.1~1g/cm3
2.按权利要求1所述的水下潜标用储能电池,其特征在于:所述电池还包括外包装,外包装材料密度为0.03~1.4g/cm3
3.按权利要求1所述的水下潜标用储能电池,其特征在于:所述作为正、负的一体化薄膜碳材料由膨胀石墨、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、石墨炔、聚酰亚胺碳球、硬碳、生物质碳中的一种或几种物质压制成型后所得,层间距为0.34~0.80nm。
4.按权利要求1所述的水下潜标用储能电池,其特征在于:所述电解液由电解质和溶剂构成,电解液中,电解质在电解液中的摩尔浓度为0.5~10mol/L;所述电解质为:六氟磷酸锂、高氯酸锂、六氟砷酸锂、四氟硼酸锂、双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、二(三氟甲基磺酰)亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂、三氟甲磺酸锂、六氟锑酸锂、三(五氟乙基)三氟磷酸锂、高氯酸钠、六氟磷酸钠、四氟硼酸钠、三氟甲基磺酸钠中的一种或多种;所述溶剂为环丁砜、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸甲丙酯、γ-丁内酯、氟代碳酸乙烯酯、乙酸乙酯、三甲基乙酸乙酯、丁酸甲酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、乙酸丙酯、乙酸甲酯、乙酰乙酸乙酯、三甲基乙酸甲酯、二乙醇二甲醚、四乙醇二甲醚、四氢呋喃中的一种或多种。
5.按权利要求1所述的水下潜标用储能电池,其特征在于:所述隔膜材料为单层聚丙烯膜、聚乙烯膜、聚乙烯/聚丙烯/聚乙烯的复合膜、纤维素无纺布、聚丙烯腈或聚酰亚胺隔膜。
6.按权利要求2所述的水下潜标用储能电池,其特征在于:所述外包装材料为聚乙烯、聚丙烯、尼龙、铝塑复合膜中的一种。
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