CN111223679A - 一种三维固态超级电容器结构 - Google Patents

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周阳辛
臧孝贤
张继国
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Abstract

本发明涉及一种三维固态超级电容器结构，包括正电极、负电极和固态电解质；正电极、负电极相互正对；固态电解质设置于正电极和负电极之间，固态电解质与正电极和负电极均贴合。本发明的有益效果是：本发明公开了一种三维固态超级电容器结构，通过在正、负电极上设一体的延伸段并对向延伸嵌入固态电解质内，将原来正、负电极和电解质之间的二维平面接触变为嵌合的三维立体接触，在体积不变的情况下增大正、负电极电极和电解质的接触界面面积，提升主要储能的双电层区域的体积占比，从而提高超级电容器的总电容和能量密度；正、负电极之间采用固态电解质，省略隔膜，简化结构，降低成本。

Description

一种三维固态超级电容器结构
技术领域
本发明涉及超级电容器领域，具体为一种导电电极在固态电解质中三维交错延伸的三维固态超级电容器结构。
背景技术
超级电容器是由两块导电电极和夹在电极中间的电解质组成，依据双电层工作原理，利用静电场来储存电能的一种新型电气储能器件。在储能过程中，超级电容器无需将电能转化为其他非电气类能源，不涉及化学反应，因而具有功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽、维护成本低等一系列优点。
对于传统电容器，其电势在绝缘电介质中线性变化，能量均匀储存在绝缘电介质中。超级电容器在充电过程中，通过离子移动，在导电电极和电解质的接触界面形成厚度为0.3～0.8nm的双电层，其电势的变化主要发生在双电层中，能量也主要储存于所述双电层。双电层区域大小与电极和电解质的接触界面面积正向关联，在超级电容器中的体积占比低，因而整体器件的能量密度较低。此外，现有超级电容器一般采用液体电解质，为防止电极接触而引起短路，正、负电极之间需放置隔膜，增加了制造成本。
2016年，美国专利(Patent No.:US 9,300,002B2)公开了一种高能量密度的三维超级电容器/电池结构，其中至少包含一个正极和一个负极，且两个电极在电解质中三维交错延伸。为了防止电极接触而引起短路，正、负电极之间需设置隔膜。
发明内容
本发明提供一种三维固态超级电容器结构，正、负电极在固态电解质中的三维交错延伸，省略隔膜，是本技术领域的一项具有针对性和实用性的技术发明。
本发明解决技术问题采用的技术方案：一种三维固态超级电容器结构，包括正电极、负电极和固态电解质；
所述正电极、负电极相互正对；
所述固态电解质设置于正电极和负电极之间，固态电解质与正电极和负电极均贴合；
正电极上设有若干正电极延伸段，正电极延伸段与正电极连为一体，正电极延伸段嵌入固态电解质并向负电极一侧延伸，正电极延伸段不与负电极接触；
负电极上设有若干负电极延伸段，负电极延伸段与负电极连为一体，负电极延伸段嵌入固态电解质并向正电极一侧延伸，负电极延伸段不与正电极接触。
作为优选，正电极延伸段与负电极延伸段在固态电解质中交错相邻，并通过固态电解质隔离开来，避免相互接触引发短路，不需要隔膜。
作为优选，相邻的正电极延伸段和负电极延伸段上有正对的表面。
作为优选，所述正电极延伸段与固态电解质嵌合的接触面及负电极延伸段与固态电解质嵌合的接触面为平面、凹凸面或多孔面。
作为优选，所述相邻的正电极延伸段和负电极延伸段上正对的表面以及两者之间的固态电解质构成一个超级电容器。
作为优选，相邻的多个超级电容器与原有正电极、原有负电极和固态电解质组成的超级电容器为并联关系。
本发明公开了一种三维固态超级电容器结构，通过在正、负电极上设一体的延伸段并对向延伸嵌入固态电解质内，将原来正、负电极和电解质之间的二维平面接触变为嵌合的三维立体接触，在体积不变的情况下增大正、负电极电极和电解质的接触界面面积，提升主要储能的双电层区域的体积占比，从而提高超级电容器的总电容和能量密度；正、负电极之间采用固态电解质。固态电解质同时隔离正电极和负电极，避免相互接触引发短路，可以省略隔膜，简化结构，降低成本。
附图说明
图1为三维固态超级电容器结构的立体图；
图2为三维固态超级电容器结构中交错延伸电极的立体图；
图3为三维固态超级电容器结构的平面图；
图4为三维固态超级电容器结构的等效电路图。
附图标记说明：固态电解质1、正电极2、负电极3、正电极延伸段21、负电极延伸段31。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
图1为三维固态超级电容器结构的立体图，包括正对的正电极2和负电极3及设于两者之间的固态电解质1；所述固态电解质1与两侧的正电极2、负电极3相贴合；所述正电极2上设有一体的正电极延伸段21嵌入固态电解质1内，向负电极3一侧延伸，但不接触；所述负电极3上设有一体的负电极延伸段31嵌入固态电解质1内，向正电极2一侧延伸，但不接触。通过在正电极2、负电极3上设一体的延伸段(正电极延伸段21、负电极延伸段31)并对向延伸嵌入固态电解质1内，将原来正电极2、负电极3和固态电解质1之间的二维平面接触变为嵌合的三维立体接触，增大正电极2、负电极3与固态电解质1的接触界面，继而提升双电层区域的体积占比；正电极2及其延伸段21与负电极3及其延伸段31之间由固态电解质1隔开，避免相互接触引发短路，无需设置隔膜，优化器件结构，简化制造工艺。
图2为三维固态超级电容器结构中交错延伸电极的立体图，正电极2上设有一体的正电极延伸段21，负电极3上设有一体的负电极延伸段31，正电极延伸段21和负电极延伸段31交错相邻，并设有正对的表面。
图3为三维固态超级电容器结构的平面图，正电极延伸段21、负电极延伸段31与固态电解质1嵌合的接触面为平面或凹凸面或多孔面，优选凹凸或多孔面。
图4为三维固态超级电容器结构的等效电路图。正、负电极延伸段交错设置，每一对相邻的正电极延伸段和负电极延伸段及两者间的固态电解质都提供了一个与原超级电容器并联的超级电容器，若相邻的电极同为正极(或负极)，其作用与单个正极(或负极)相当。在不改变超级电容器体积和有限改变超级电容器质量的情况下，正、负电极延伸段交错嵌入固态电解质的方式可以最大化提升器件的总电容量和能量密度，提升的幅度则由交错延伸电极的密度决定。

Claims (6)

1.一种三维固态超级电容器结构，其特征在于，包括：正电极(2)、负电极(3)和固态电解质(1)；
所述正电极(2)与负电极(3)相互正对；
所述固态电解质(1)设置于正电极(2)和负电极(3)之间，固态电解质(1)与正电极(2)和负电极(3)均贴合；
正电极(2)上设有若干正电极延伸段(21)，正电极延伸段(21)与正电极(2)连为一体，正电极延伸段(21)嵌入固态电解质(1)并向负电极(3)一侧延伸，正电极延伸段(21)不与负电极(3)接触；
负电极(3)上设有若干负电极延伸段(31)，负电极延伸段(31)与负电极(3)连为一体，负电极延伸段(31)嵌入固态电解质(1)并向正电极(2)一侧延伸，负电极延伸段(31)不与正电极(2)接触。
2.根据权利要求1所述的三维固态超级电容器结构，其特征在于：正电极延伸段(21)与负电极延伸段(31)在固态电解质(1)中交错相邻。
3.根据权利要求2所述的三维固态超级电容器结构，其特征在于：相邻的正电极延伸段(21)和负电极延伸段(31)上有正对的表面。
4.根据权利要求3所述的三维固态超级电容器结构，其特征在于：所述正电极延伸段(21)与固态电解质(1)嵌合的接触面及负电极延伸段(31)与固态电解质(1)嵌合的接触面为平面、凹凸面或多孔面。
5.根据权利要求4所述的三维固态超级电容器结构，其特征在于：所述相邻的正电极延伸段(21)和负电极延伸段(31)上正对的表面以及两者之间的固态电解质(1)构成一个超级电容器。
6.根据权利要求5所述的三维固态超级电容器结构，其特征在于：相邻的多个超级电容器与原有正电极(2)、原有负电极(3)和固态电解质(1)组成的超级电容器为并联关系。
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