CN109411834A - 一种基于浓度差的扩散电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于浓度差的扩散电池。所述基于浓度差的扩散电池包括绝缘基片、两个导电金属层、两个含有离子的金属氧化物薄膜层、电解质、封装胶和外电路；所述两个导电金属层分别位于所述绝缘基片表面，且互不接触；所述两个含有离子的金属氧化物薄膜层分别位于所述两个导电金属层表面，且互不接触；所述电解质包覆于所述两个导电金属层和两个含有离子的金属氧化物薄膜层的周围，且填充于所述两个导电金属层之间以及两个含有离子的金属氧化物薄膜层之间的空隙；所述封装胶包覆于所述电解质外围；所述外电路与所述两个导电金属层电连接。本发明具备结构简单、成本较低、安全性高的特点，在电池领域有良好的应用前景。

Description

一种基于浓度差的扩散电池
技术领域
本发明涉及电池领域，尤其涉及一种基于浓度差的扩散电池。
背景技术
传统锂离子电池被称为“摇椅式电池”，主要由正极、负极、隔膜和电解质组成，正极材料是含锂的化合物，负极通常是一种层状结构的材料，电解质也是含锂的。充电过程中，正极材料浅层的锂离子在电场作用下，从晶格脱出，插入到负极的层间空隙中；放电过程中，负极中的锂离子自发的脱出，回到正极材料中。传统锂离子电池实现充放电，一要正负极材料之间必须存在电位差，二要有电场，此外，传统锂离子电池结构中要有隔膜，用以使电池的正负极分隔开来，防止两极接触而短路。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，提供一种基于浓度差的扩散电池，其正负极材料之间无需存在电位差且可以实现无隔膜结构。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于浓度差的扩散电池，包括绝缘基片、两个导电金属层、两个含有离子的金属氧化物薄膜层、电解质、封装胶和外电路；所述两个导电金属层分别位于所述绝缘基片表面，且互不接触；所述两个含有离子的金属氧化物薄膜层分别位于所述两个导电金属层表面，且互不接触；所述电解质包覆于所述两个导电金属层和两个含有离子的金属氧化物薄膜层的周围，且填充于所述两个导电金属层之间以及两个含有离子的金属氧化物薄膜层之间的空隙；所述封装胶包覆于所述电解质外围；所述外电路与所述两个导电金属层电连接。
本发明的充放电原理是：充电时，在导电金属层中的电流驱动下，位于正极薄膜层内部和电解质中的离子沿着电流方向迁移至负极薄膜层内，直至负极薄膜层无法再容纳离子，此时充电完毕；放电时，由于正负极薄膜层中离子浓度存在差异，使得离子自发地从负极薄膜层脱出扩散至电解质和正极薄膜层内，直至正负极薄膜层和电解质中的离子浓度相等，此时放电完毕。
相对于现有技术，本发明的电池正负极可以采用同一种材料，充放电过程无需存在电场和电位差，而是利用离子在正负极薄膜层之间的浓度差异进行扩散运动，实现离子不断在正负极之间来回迁移，从而实现电池的充放电效果。此外，本发明在结构上采用扁平化设计，正负极之间互不接触，距离较大，无需担心电池在使用过程中正负极触碰而引起的短路，从而实现无隔膜结构。本发明具备结构简单、成本较低、安全性高的特点，在电池领域有良好的应用前景。
进一步地，所述外电路包括充放电切换开关、电源开关、电源和用电器，所述充放电切换开关包括充电档和放电档；当所述充放电切换开关位于充电档且所述电源开关闭合时，所述两个导电金属层与电源串联形成充电回路；当所述充放电切换开关位于放电档且所述电源开关断开时，所述两个导电金属层与用电器串联形成放电回路。
进一步地，所述两个含有离子的金属氧化物薄膜层中，所述金属氧化物薄膜层的材料为氧化钨、氧化钼、氧化铌、氧化镍中的一种或多种的复合。
进一步地，所述两个含有离子的金属氧化物薄膜层中，所述离子为氢离子、锂离子、钠离子或钾离子。
进一步地，所述电解质为含有与所述两个含有离子的金属氧化物薄膜层中同种离子的液体电解质或凝胶体电解质。
进一步地，所述绝缘基片为柔性绝缘基片或刚性绝缘基片。
进一步地，所述封装胶为硅胶或塑料。
进一步地，所述两个含有离子的金属氧化物薄膜层的厚度均为180～220nm。
进一步地，所述两个含有离子的金属氧化物薄膜层的面积均为0.8～1.2cm2。
进一步地，所述两个含有离子的金属氧化物薄膜层之间的距离为0.8～1.2cm。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为实施例的基于浓度差的扩散电池的结构示意图。
图2为实施例的基于浓度差的扩散电池的短路电流与时间的对应关系图。
图3为实施例的基于浓度差的扩散电池的开路电压与时间的对应关系图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1，其为本实施例的基于浓度差的扩散电池的结构示意图。所述基于浓度差的扩散电池包括绝缘基片10、两个导电金属层20、两个含有离子的金属氧化物薄膜层30、电解质40、封装胶50和外电路60。
所述两个导电金属层20分别位于所述绝缘基片10表面，且互不接触。本实施例中，所述两个导电金属层20并排设于所述绝缘基片10表面的两侧，两者之间形成一定距离的空隙。所述绝缘基片可以为柔性绝缘基片或刚性绝缘基片。
所述两个含有离子的金属氧化物薄膜层30分别位于所述两个导电金属层20表面，且互不接触。本实施例中，每个含有离子的金属氧化物薄膜层30覆盖于一个导电金属层20表面，且含有离子的金属氧化物薄膜层30的面积不超过导电金属层20的面积，从而所述两个含有离子的金属氧化物薄膜层30之间也形成一定距离的空隙。优选的，所述两个含有离子的金属氧化物薄膜层的厚度均为180～220nm、面积均为0.8～1.2cm2，两者之间的距离为0.8～1.2cm。所述金属氧化物薄膜层的材料可以为氧化钨、氧化钼、氧化铌、氧化镍中的一种或多种的复合。所述离子可以为氢离子、锂离子、钠离子或钾离子。
所述电解质40包覆于所述两个导电金属层20和两个含有离子的金属氧化物薄膜层30的周围，且填充于所述两个导电金属层20之间以及两个含有离子的金属氧化物薄膜层30之间的空隙。本实施例中，所述电解质40为含有与所述两个含有离子的金属氧化物薄膜层30中同种离子的液体电解质或凝胶体电解质。
所述封装胶50包覆于所述电解质40外围。本实施例中，所述封装胶可以为硅胶或塑料。
所述外电路60与所述两个导电金属层20电连接。本实施例中，所述外电路60包括充放电切换开关61、电源开关62、电源63和用电器64，所述充放电切换开关61的两端分别通过导线与两个导电金属层20电连接，所述充放电切换开关包括充电档61a和放电档61b；当所述充放电切换开关61位于充电档61a且所述电源开关62闭合时，所述两个导电金属层20与电源63串联形成充电回路；当所述充放电切换开关61位于放电档61b且所述电源开关62断开时，所述两个导电金属层20与用电器64串联形成放电回路。此外，在充电时，当无电流流过所述充放电切换开关61时，所述充放电切换开关61自动断开，以保持电量不发生漏电。所述电源开关62用于电池充电，并在充满电时自动断开，防止过充，保护电池。
本实施例的基于浓度差的扩散电池的工作过程包括充电过程和放电过程，具体如下：
(1)充电过程：将充放电切换开关61切换至充电档61a，同时将电源开关62闭合，从而在两个导电金属层20中产生电流，在电流的作用下，正极的金属氧化物薄膜层30内部和电解质40中的离子沿着电流方向迁移至负极的金属氧化物薄膜层30内部，直至负极的金属氧化物薄膜层30无法再容纳离子，此时充电完毕，充放电切换开关61自动断开，然后再把电源开关62断开。
(2)放电过程：将充放电切换开关61切换至放电档61b，与用电器64电连接，由于正负极的金属氧化物薄膜层30中离子浓度存在差异，使得离子自发地从负极的金属氧化物薄膜层30脱出，扩散至电解质40和正极的金属氧化物薄膜层30内；与此同时，电子从外电路中迁移，产生电流供用电器64工作，直至正负极的金属氧化物薄膜层30与电解质40中的离子浓度相等，此时电池电量耗尽。
本实施例以含有锂离子的氧化钨作为薄膜层，其厚度为200nm，并使用含有一定浓度的锂离子的液体作为电解质，来详细描述本发明的充放电过程。本实施例所采用的薄膜层面积大小为1cm2，两个薄膜层之间的距离为1cm。由于要实现离子的扩散效果，需要先为薄膜层注入一定浓度锂离子，本实施例优选3V的注入电压，持续1min，使锂离子注入氧化钨薄膜中，并且氧化钨薄膜颜色由透明态变为着色态，此时氧化钨薄膜完成注入锂离子步骤。
当给电池充电时，充电电流大小0.2A，持续1min，负极薄膜层的透过率逐渐减小，而正极薄膜层透过率逐渐增加，直至两个薄膜层透过率达到稳定状态，不再变化，此时电池已经充电完毕，先断开充放电切换开关，再断开电源开关。
本实施例中，为了直观了解本发明的技术效果，采用了电流表直接测量基于浓度差的扩散电池的短路电流与开路电压，请参阅图2和图3，其分别为短路电流、开路电压与时间的对应关系图。在短路状态下，电池的短路电流最高为176μA，且随着时间增加，短路电流逐渐减少，在300秒后放电结束。而在开路状态下，测得开路电压最高为490mV，随着时间增加，开路电压逐渐降低，在300秒后电压降为55mV左右。上述测试结果充分证明了本发明从原理上、技术上均能实现作为能源电池的基本功能与技术效果，在新能源领域拥有广泛的应用前景。
相对于现有技术，本发明的电池正负极可以采用同一种材料，充放电过程无需存在电场和电位差，而是利用离子在正负极薄膜层之间的浓度差异进行扩散运动，实现离子不断在正负极之间来回迁移，从而实现电池的充放电效果。此外，本发明在结构上采用扁平化设计，正负极之间互不接触，距离较大，无需担心电池在使用过程中正负极触碰而引起的短路，从而实现无隔膜结构。本发明具备结构简单、成本较低、安全性高的特点，在电池领域有良好的应用前景。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，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。

Claims (10)

1.一种基于浓度差的扩散电池，其特征在于，包括绝缘基片、两个导电金属层、两个含有离子的金属氧化物薄膜层、电解质、封装胶和外电路；所述两个导电金属层分别位于所述绝缘基片表面，且互不接触；所述两个含有离子的金属氧化物薄膜层分别位于所述两个导电金属层表面，且互不接触；所述电解质包覆于所述两个导电金属层和两个含有离子的金属氧化物薄膜层的周围，且填充于所述两个导电金属层之间以及两个含有离子的金属氧化物薄膜层之间的空隙；所述封装胶包覆于所述电解质外围；所述外电路与所述两个导电金属层电连接。
2.根据权利要求1所述的基于浓度差的扩散电池，其特征在于，所述外电路包括充放电切换开关、电源开关、电源和用电器，所述充放电切换开关包括充电档和放电档；当所述充放电切换开关位于充电档且所述电源开关闭合时，所述两个导电金属层与电源串联形成充电回路；当所述充放电切换开关位于放电档且所述电源开关断开时，所述两个导电金属层与用电器串联形成放电回路。
3.根据权利要求1或2所述的基于浓度差的扩散电池，其特征在于，所述两个含有离子的金属氧化物薄膜层中，所述金属氧化物薄膜层的材料为氧化钨、氧化钼、氧化铌、氧化镍中的一种或多种的复合。
4.根据权利要求3所述的基于浓度差的扩散电池，其特征在于，所述两个含有离子的金属氧化物薄膜层中，所述离子为氢离子、锂离子、钠离子或钾离子。
5.根据权利要求4所述的基于浓度差的扩散电池，其特征在于，所述电解质为含有与所述两个含有离子的金属氧化物薄膜层中同种离子的液体电解质或凝胶体电解质。
6.根据权利要求1所述的基于浓度差的扩散电池，其特征在于，所述绝缘基片为柔性绝缘基片或刚性绝缘基片。
7.根据权利要求1所述的基于浓度差的扩散电池，其特征在于，所述封装胶为硅胶或塑料。
8.根据权利要求1所述的基于浓度差的扩散电池，其特征在于，所述两个含有离子的金属氧化物薄膜层的厚度均为180～220nm。
9.根据权利要求8所述的基于浓度差的扩散电池，其特征在于，所述两个含有离子的金属氧化物薄膜层的面积均为0.8～1.2cm2。
10.根据权利要求9所述的基于浓度差的扩散电池，其特征在于，所述两个含有离子的金属氧化物薄膜层之间的距离为0.8～1.2cm。
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