CN111276334A - 纳米电容电池 - Google Patents
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Abstract
本发明创造性的提出了一种纳米电容电池的概念和制造方法，该方法以超级电容的原理为基础，以纳米级超级电容为基本单元，采取将基本单元层层叠加的结构方法制造纳米电容电池，这种电池具有超级电容充电时间短、使用寿命长、功率密度大以及环境友好的特点，在一定体积范围内纳米级超级电容可数十万层、数百万层的层叠，极大地增加了单位体积储存电荷电极的表面积，最大限度的缩小了极板之间的间距，可极大地提高单位体积纳米电容电池的能量密度，是新一代理想的高密度环境友好电池。
Description
技术领域
本发明属于新材料及微电子技术领域，提出了一个新的概念——纳米电容电池，发明了以纳米级超级电容为基本单元通过层层叠加、集流连接、整合分装等流程生产纳米电容电池的方法。
背景技术
可重复充电电池作为一种电能储存转换装置，已广泛应用于通讯、计算机、交通等产业，随着时间的推移，其应用的广度和深度还将进一步扩大。
镍氢电池、三元锂电池因为其单体能量密度较大,已经得到比较广泛的应用，如特斯拉电动汽车所采用的日本松下18650电池，其能量密度已达到每公斤250wh。但这类电池的生产需要消耗大量的稀土材料，以三元电池为例，钴占比5%~20%，镍占比5%~12%，锰占比7%~10%，锂占比2%~5%，其平均使用寿命仅为5~8年，重复使用只有1000--2000次，据报道从2019年开始我国每年报废的电池已超过20万吨，大量的废旧电池和生产过程中产生的弃渣因为含有大量的稀土材料，如不能得到有效的、及时的处理，对生态环境将会产生极为不利的影响。
超级电容又名双电层电容，是一种介于传统电容器与电池之间具有特殊性能的电源器件，其原理是依靠双电层储存电荷电能，其储存电荷能力与电极基板的表面积成正比，与极板之间的间距成反比。超级电容储存和释放电荷的过程是可逆的、不发生化学反应的过程，正因为此，超级电容可重复充电数十万次，使用年限长，充电10秒至10分钟即可达到其额定容量的95%以上，功率密度最高可达每公斤300 w至5000w，产品生产所需要的原材料主要是铜、铝、碳等常见普通材料，终身免维护，碳可以自然降解，报废后的拆解，采取传统成熟的回收利用工艺即可达到环保要求，超级电容是理想的绿色环保电源。超级电容的缺点是能量密度较低，仅为锂电池的10%~20%，因而其应用主要集中在功率补偿以及在短时间内需要大功率辅助的电子设备，如闪光灯等，应用于公共交通时，则需要在途中快速充电，如宁波中车新能源科技公司阮殿波团队研究生产的超级电容，单体容量已高达6万法拉，将这种电容组合用作城市公共汽车电源，仍需每5公里在公交站利用乘客上下车的间隙进行快速充电。
随着社会经济的发展，对大容量可充电电池的研究、开发和生产提出了新的要求，这包括：一要环境友好，其生产、使用及回收全周期都应最大限度地减少对环境的不利影响；二要功率密度和能量密度都相对较大，以满足不同类型设施设备的需求；三要充电时间短；四要使用寿命长；五要能确保使用过程中的安全，无爆炸漏电等安全隐患。锂电池、镍氢电池等等除了能量密度较大，安全性能正在逐步提高之外，其他的条件均难以满足，而超级电容仅仅在能量密度方面处于劣势，其他方面均是其强项。因此发明一种方法，以超级电容的基本原理为基础，最大限度的提高其能量密度便是本发明的出发点。
近年来，材料科学、微电子产业的发展和进步不断加快，纳米物理与化学气相沉积（PVD、ALD、CVD等）技术，已成为材料科学应用于半导体、精密仪器和航空产品生产过程中较为成熟的技术，气相沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜，还可以沉积化合物、陶瓷、半导体和聚合物膜等等，正如公告号CN102623175B、CN101800253A及CN110310843A等发明专利公告，纳米级超级电容基本单元的正负电极、固态电解液以及高介电绝缘隔膜等基本构件，均可通过物理气相沉积技术生长而成。
发明内容
本案发明了一种纳米电容电池。
本发明内容详细介绍了该纳米电容电池的制造方法，这个方法的实质是以超级电容器的原理为理论基础，以现代纳米级气相沉积技术为实现途径，充分发挥现代新材料、纳米制造技术优势，以纳米级超级电容为基本单元，采取层层叠加方法，将纳米级超级电容进行叠加整合，采用这种工艺和方法，可极大地增加单位体积用于储存电荷电极的表面积，最大限度的缩小极板之间的间距，继而达到提高其单位体积能量密度的目的。
一种纳米电容电池，该纳米电容电池由纳米级超级电容为基本单元层层叠加而成，如纳米级超级电容的正负电极、绝缘隔膜等构件均能控制在5--10纳米以内，则厚度为1厘米的纳米电容电池，其纳米级超级电容单元层叠的层数可达十万次以上，因此，相比同体积超级电容，纳米电容电池储存电荷的能力将提高数十万倍。
一种纳米电容电池，其整体是一种以纳米级超级电容为基本单元的层叠结构，在每一个纳米级超级电容电极的物理气相沉积生长过程中，正极和负极分别按设计在不同的位置生长出一个端点，在纳米级超级电容层层叠加后，通过电子焊接将每一个纳米级超级电容的正极和负极的端点分别相连，形成纳米电容电池的正极和负极集电极，将集电极引出至纳米电容电池的封装端口，用于电源的输入与输出。
一种纳米电容电池，以纳米级超级电容为基本单元进行结构整合时，可以采取层层叠加的方式，也可以采用折叠方式或卷轴方式，以及其他的结构形式，凡此种种均在此发明权利保护范围之内。
附图说明
图1是本发明实例纳米电容电池结构示意图。
图2是本发明实例纳米电容电池的基本单元纳米级超级电容结构示意图。
主要原件符号说明
纳米电容电池结构示意图100；
纳米级超级电容结构示意图200；
纳米级超级电容正极触点300；
纳米级超级电容负极触点400；
纳米级超级电容正极集流纳米线500；
纳米级超级电容负极集流纳米线600；
纳米电容电池封装700；
纳米电容电池正极分脚800；
纳米电容电池负极分脚900；
纳米级超级电容正极气相沉积生长层201；
纳米级超级电容固态电解质气相沉积生长层202；
纳米级超级电容高介电绝缘膜气相沉积生长层203；
纳米级超级电容负极气相沉积生长层204；
纳米级超级电容基本单元衬底气相沉积生长层205。
具体实施方式
实例1
按照示意图2设计生产出纳米级超级电容，将其按照一定规格进行切割，如平面尺寸按60毫米×100毫米，控制其层叠厚度，如5毫米、10毫米或20毫米等，按照图1结构进行层层叠加，进行封装检测之后即可用作可穿戴电源或微信、小型移动通信设施设备电源。
实例2
按照图2设计生产纳米级超级电容，将其按照一定规格进行切割，如平面尺寸按10厘米×20厘米，控制其层叠厚度，如30厘米、50厘米等，按照图1结构进行层层叠加，再进行封装制成相对较大的单体纳米电容电池，即可组合用作电动摩托、便携式森林灭火机等机械设备电源。
实例3
如实例2，将已制造并封装的纳米电容电池进行组合，设计制造专门的电控系统，对组合后的纳米电容电池的电压、电流和电量进行系统控制，可用做乘用车、公交车以及小型应急备用电源电站，为解决移动设备电源和应急备用电源提供了一个很好的解决方案。
Claims (4)
1.一种纳米电容电池，其特征在于：其基本单元是纳米级超级电容，其整体是基本单元的层层叠加结构，
进一步地，一种如权利要求一所述的纳米电容电池，作为其整体结构的变体，除层层叠加结构外，可以是其基本单元纳米级超级电容的折叠结构、卷轴结构以及其他的变体结构类型。
2.如权利要求一所述纳米电容电池，其特征在于：其基本单元纳米级超级电容的正极电极、负极电极、绝缘膜以及固态电解质层，均采用目前最能充分发挥其效能的材料，如碳、硅、铜、铝及其化合物等，采取最先进的物理和化学气象沉积技术生长而成，每一个生长层的厚度控制在5纳米至10纳米或更薄的范围。
3.如权利要求一所述纳米电容电池，其特征在于：在其基本单元纳米级超级电容正极电极、负极电极气相沉积生长过程中，应分别在确定位置生长出一个触点。
4.如权利要求一所述纳米电容电池，其特征在于：其正电极、负电极分别由纳米金属线将层层叠加的基本单元纳米级超级电容的正电极、负电极触点连接形成。
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