CN110071259A - 一种电化学储能器件 - Google Patents

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Abstract

本发明属于能源电化学领域，涉及一种电化学储能器件。该电化学储能器件包括壳体、正极、负极、隔膜、电解液和集流体，其特征在于正极和负极交叉排列，通过隔膜分隔开；正负极阵列与集流体紧密连接，通过极耳引出壳体外部；正负极阵列之间注满电解液。本发明的电化学储能器件设计简单合理，不仅能最大化地利用空间，使得正负极之间的离子传输更快，而且减少了集流体的使用，在一定程度可以提高储能器件的能量密度，可以应用在各种规模的储能、电网调峰等领域。

Description

一种电化学储能器件
技术领域
本发明属于能源电化学领域，涉及一种电化学储能器件。
背景技术
在现代社会，能源储存已成为全球关注的焦点，对高性能储能设备有很大程度的需求。目前储能市场方兴未艾，主要的三大储能领域有大型风光储能、通信基站的后备电源、家庭储能。在大力发展太阳能、风能等可再生能源的同时，由于这些可再生能源具有间歇性和波动性等特点，如果将生产出的电能直接并入电网，将会对电网产生很大的冲击，因此需要储能和调频方可并入电网，而智能电网的运行必须依赖于储能装置。在各种储能方式中，电化学储能具有循环寿命长、功率大和能量特性灵活及运行效率高等优势，因此在储能领域中的应用具有较好的前景。
由于各种电化学储能装置(例如，铅酸电池，镍-金属氢化物电池，锂离子电池，超级电容器及水系离子电池等)都存在一些优缺点，例如，铅酸电池成本低，但是深度充放电寿命较低，并且金属铅和硫酸电解液对环境的污染较大；锂离子电池能量密度高，但其价格较高，并且安全性较差；超级电容器功率密度高，但其能量密度较低；水系离子电池工作条件简单、安全环保、循环性能优异、价格低廉，但其能量密度较低。虽然各有优缺点，但不同的储能装置在不同的场合中有广泛的应用。
目前储能器件主要有两种结构形式，一种是卷绕式，结构简单，能量密度较高，但由于极片长，内阻大，不利于大电流充放电。采用卷绕式结构，在局部焊接极耳，做大电流充放电时，不管极片涂布得多么的均匀，都必然会产生电流密度分布不均匀的情况，当大电流大倍率充电时，充电电流分布也是不均匀的，由于锂、钠、钾等离子扩散不及时，容易发生析出，特别是电流分布密集的地方，因而容易发生安全事故，而且电池的容量容易衰减，循环寿命缩短。另一种是叠片式，由于极片短，内阻相对较小，有利于大电流充放电，但极片多会产生很多边料，另外，多层极片焊接有困难，特别是小尺寸小容量的器件不适合使用叠片式生产，因为极片小而难以操作。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种电化学储能器件，设计简单合理，不仅能最大化地利用空间，使得正负极之间的离子传输更快，而且减少了集流体的使用，在一定程度可以提高储能器件的能量密度，可以应用在各种规模的储能、电网调峰等领域。
本发明涉及一种电化学储能器件，其特征在于，该电化学储能器件包括壳体、正极、负极、隔膜、电解液和集流体，其特征在于正极和负极交替排列，通过隔膜分隔开；正极、负极阵列与集流体紧密连接，通过极耳引出壳体外部；正极、负极阵列之间注满电解液。
本发明的电化学储能器件，其特征在于，在水平方向上正极和负极交替排列，在竖直方向上至少有一层正极和负极交替排列。
上述正极或负极单元的长宽比为1∶1-10∶1。
上述正极和负极单元横截面为圆、椭圆、四边形、五边形或六边形其中至少一种。
上述电化学储能器件，其特征在于，正极活性材料为可实现锂、钠、钾、镁、锌、锰离子可逆地电化学嵌入/脱出的化合物，包括炭材料、导电聚合物、金属氧化物及其掺杂物和聚阴离子型化合物及其氟化物其中至少一种。
上述电化学储能器件，其特征在于，负极活性材料为炭材料、锡基材料、含锂过渡金属氮化物、含钠过渡金属氮化物、金属材料、合金材料其中至少一种。
上述正负极添加一定比例的导电剂和粘结剂，其中粘结剂选自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠、聚丙烯腈、聚氨酯、丁苯橡胶、环氧树脂、LA132、LA133、LA135粘结剂等其中至少一种。
本发明的电化学储能器件，其特征在于，电解液为阳离子包含锂离子、钠离子、钾离子、镁离子、锌离子、锰离子其中至少一种的溶液。
上述电解液浓度范围为0.5-15mol/L。
上述电解液的Ph值为0-14。
本发明的电化学储能器件，其特征在于，隔膜位于正极、负极之间，呈锯齿状或弧形将每个正极和负极单元隔开。
上述隔膜选自有机或者无机多孔材料，可以为玻纤、无纺布、聚烯烃多孔膜其中至少一种。
本发明的电化学储能器件，其特征在于，集流体厚度为20-2000um，优选厚度为0.1-0.4mm，可以是至少一层碳基材料、金属或合金的贴合材料，或者是为了降低集流体质量对其进行拓孔处理。
本发明的电化学储能器件，其特征在于，极耳位于储能器件壳体短边外侧的中间，所述极耳以壳体短边中心线自身对称，并以壳体长边中心线对称。
附图说明
图1是本发明电化学储能器件的结构示意图。
图2是本发明实施例1的恒电流充放电曲线图。
图3是本发明实施例1的恒电流充放电图。
图4是本发明实施例1的循环性能图。
图5是本发明实施例2的恒电流充放电曲线图。
图6是本发明实施例2的循环性能图。
图7是本发明实施例3的循环性能图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，但是本发明的保护范围并不局限于此。
实施例1
分别将磷酸钛钠、活性炭和导电碳、PTFE按照质量比为80∶10∶10混合均匀，用N-甲基吡咯烷酮调浆，然后置于模具中，压制成单层正负极单元，干燥。用6mol/L的氢氧化钾水溶液为电解液，玻纤为隔膜，组装器件，进行恒流充放电和循环性能测试。图2和图3分别为在0.3A/g的电流密度条件的恒电流充放电曲线图和恒电流充放电图。图4为其循环性能图。循环800次以后比容量仍能保持在85mAh/g，库伦效率仍能保持99.8％以上，表现出优异的循环性能。
实施例2
分别将二氧化锰、活性炭和导电碳、PTFE按照质量比为80∶10∶10混合均匀，用N-甲基吡咯烷酮调浆，然后然后置于模具中，压制成单层正负极单元，干燥。用1mol/L硫酸钠的水溶液为电解液，玻纤为隔膜，组装器件，进行恒流充放电和循环性能测试。图5为在0.2A/g的电流密度条件的恒电流充放电曲线图，图6为其循环性能图。循环250次以后比容量仍能保持在100mAh/g以上，库伦效率仍能保持100％，表现出优异的循环性能。
实施例3
将活性炭作为正负极活性材料，和导电碳、PVDF按照质量比为80∶10∶10混合均匀，用N-甲基吡咯烷酮调浆，然后然后置于模具中，压制成单层正负极单元，干燥。用6mol/L氢氧化钾的水溶液为电解液，玻纤为隔膜，组装器件，进行电化学性能测试。图7为在2A/g的电流密度条件下的循环性能图。循环6500次以后比容量仍能保持在114F/g以上，库伦效率超过100％，表现出优异的循环性能。
以上实施方式仅是用于解释权利要求书，本发明的保护范围并不局限于说明书。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电化学储能器件，其特征在于，该电化学储能器件包括壳体、正极、负极、隔膜、电解液和集流体，其特征在于正极和负极交替排列，通过隔膜分隔开；正极、负极阵列与集流体紧密连接，通过极耳引出壳体外部；正极、负极阵列之间注满电解液。
2.根据权利要求1所述的电化学储能器件，其特征在于，在水平方向上正极和负极交替排列，在竖直方向上至少有一层正极和负极交替排列；正极或负极单元的长宽比为1:1-10:1；正极和负极单元横截面为圆、椭圆、四边形、五边形或六边形其中至少一种。
3.根据权利要求1和权利要求2所述的电化学储能器件，其特征在于，正极活性材料为可实现锂、钠、钾、镁、锌、锰离子可逆地电化学嵌入/脱出的化合物，包括炭材料、导电聚合物、金属氧化物及其掺杂物和聚阴离子型化合物及其氟化物其中至少一种；负极活性材料为炭材料、锡基材料、含锂过渡金属氮化物、含钠过渡金属氮化物、金属材料、合金材料其中至少一种。正负极添加一定比例的导电剂和粘结剂，其中粘结剂选自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠、聚丙烯腈、聚氨酯、丁苯橡胶、环氧树脂、LA132、LA133、LA135粘结剂等其中至少一种。
4.根据权利要求1所述的电化学储能器件，其特征在于，电解液为阳离子包含锂离子、钠离子、钾离子、镁离子、锌离子、锰离子；电解液浓度范围为0.5-15mol/L；pH值为0-14。
5.根据权利要求1所述的电化学储能器件，其特征在于，隔膜位于正极、负极之间，呈锯齿状或弧形将每个正极和负极单元隔开；隔膜选自有机或者无机多孔材料，可以为玻纤、无纺布、聚烯烃多孔膜其中至少一种。
6.根据权利要求1所述的电化学储能器件，其特征在于，集流体厚度为20-2000um，优选厚度为0.1-0.4mm，可以是至少一层碳基材料、金属或合金的贴合材料，或者是为了降低集流体质量对其进行拓孔处理。
7.根据权利要求1所述的电化学储能器件，其特征在于，极耳位于储能器件壳体短边外侧的中间，所述极耳以壳体短边中心线自身对称，并以壳体长边中心线对称。
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