CN111799094A - 基于减少传质和扩散控制多层电极的电容器 - Google Patents

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Abstract

本发明首先公开了一种基于减少传质和扩散控制多层电极的电容器，包括离子导电但电子绝缘的隔膜，所述隔膜的两侧分别设有电极，所述电极包括多层的薄层电极，相邻两个所述薄层电极之间设有可同时离子导电和电子导电的导电薄膜，该相邻的两个所述薄层电极通过所述导电薄膜导电连接，且所述薄层电极的厚度满足：L≤kδ；其中，L为薄层电极的厚度；k为系数，且k≥1；δ为扩散控制层厚度。通过将电极设置为多层薄层电极，可有效提高比表面积，增大储能容量；另外，通过利用扩散控制层厚度来限定薄层电极的厚度，从而使反应分子或离子等在电极内不受传质速率的控制或大大改善传质速率的控制，提高储能设备的比功率以及极大地提高多孔电极的利用率。

Description

基于减少传质和扩散控制多层电极的电容器
技术领域
本发明涉及储能设备技术领域，具体的为一种基于减少传质和扩散控制多层电极的电容器。
背景技术
现有的锂离子电池包括正电极、负电极和隔膜，正电极和负电极之间设有电解液。根据锂离子电池的充放电原理可知：锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。锂电池放电需要注意几点：第一，放电电流不能过大，过大的电流导致电池内部发热，有可能会造成永久性的损害。第二，绝对不能过放电！锂电池内部存储电能是靠电化学一种可逆的化学变化实现的，过度的放电会导致这种化学变化有不可逆的反应发生，因此锂电池最怕过放电，一旦放电电压低于2.7V，将可能导致电池报废。
由图1可知，在锂离子电池充放电过程中，正极1和负极2仅有表面与电解液接触而产生锂离子的嵌入和脱嵌，正极1和负极2内部并未参与锂离子的嵌入和脱嵌，这也是导致现有的锂离子电池充放电电流不大的原因，同时也限制了锂离子电池的充放电容量。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于减少传质和扩散控制多层电极的电容器，能够减小扩散控制对充放电的影响，提高充放电速率，并能够提高比表面积，增大储能容量。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于减少传质和扩散控制多层电极的电容器，包括离子导电但电子绝缘的隔膜，所述隔膜的两侧分别设有电极，所述电极包括多层的薄层电极，相邻两个所述薄层电极之间设有可同时离子导电和电子导电的导电薄膜，该相邻的两个所述薄层电极通过所述导电薄膜导电连接，且所述薄层电极的厚度满足：
L≤kδ
其中，L为薄层电极的厚度；k为系数，且k≥1；δ为扩散控制层厚度。
进一步，所述导电薄膜采用允许电解液通过从而实现离子导电的多孔导电材料制成。
进一步，所述薄层电极的厚度大于等于1nm。
进一步，所述薄层电极的厚度满足：L≤10δ。
进一步，所述薄层电极的厚度满足：L≤5δ。
进一步，所述薄层电极的厚度满足：L≤2δ。
进一步，所述薄层电极的厚度满足：L≤δ。
进一步，所述导电薄膜采用但不限于多孔的碳、石墨、石墨烯、还原石墨烯或聚苯胺制成。
进一步，所述导电薄膜的厚度满足：
L0≤kδ
其中，L0为导电薄膜的厚度；k为系数，且k≥1；δ为扩散控制层厚度。
进一步，所述导电薄膜的厚度大于等于1nm。
进一步，所述导电薄膜的厚度满足：L0≤10δ。
进一步，所述导电薄膜的厚度满足：L0≤5δ。
进一步，所述导电薄膜的厚度满足：L0≤2δ。
进一步，所述导电薄膜的厚度满足：L0≤δ。
进一步，所述扩散控制层厚度为：
Figure BDA0002020609930000021
其中，δ为扩散控制层厚度；D为扩散系数；t为时间。
进一步，位于所述隔膜两侧的所述薄层电极采用相同的电极材料制成；或，设置在所述隔膜两侧的所述薄层电极分别采用不同的电极材料制成。
进一步，所述电极上设有与其导电连接的集流体；位于所述隔膜同一侧的所述导电薄膜与所述集流体导电连接。
进一步，所述薄层电极与所述隔膜平行或垂直。
本发明的有益效果在于：
本发明基于减少传质和扩散控制多层电极的电容器，通过将电极设置为多层的薄层电极，如此，电解液进入到导电薄膜后分别与薄层电极的表面接触，即所有的薄层电极的表面均会参与电池充放电反应，可增加同时充放电的薄层电极的数量，即可有效提高比表面积，增大储能容量；另外，通过利用扩散控制层厚度来限定薄层电极的厚度，能够减小传质和扩散控制对充放电的影响，从而使反应分子或离子等在电极内不受传质速率的控制或大大改善传质速率的控制，提高储能设备的比功率以及极大地提高多孔电极的利用率。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明基于减少传质和扩散控制多层电极的电容器实施例的结构示意图。
附图标记说明：
1-隔膜；2-电极片；3-导电薄膜；4-负孔道；5-集流体；6-集流体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，为本发明基于减少传质和扩散控制多层电极的电容器实施例的结构示意图。本实施例基于减少传质和扩散控制多层电极的电容器，包括离子导电并实现正、负极区离子交换和传质但电子绝缘的隔膜，隔膜的两侧分别设有电极，电极包括多层薄层电极，相邻两个薄层电极之间设有可同时离子导电和电子导电的导电薄膜，该相邻的两个薄层电极通过导电薄膜导电连接，且薄层电极的厚度满足：
L≤kδ
其中，L为薄层电极的厚度；k为系数，且k≥1；δ为扩散控制层厚度。
具体的，本实施例的薄层电极的厚度大于等于1nm，且薄层电极的厚度满足：L≤10δ；优选的，薄层电极的厚度满足：L≤5δ。优选的，薄层电极的厚度满足：L≤2δ。优选的，薄层电极的厚度满足：L≤δ。本实施例的薄层电极的厚度小于等于扩散控制层厚度，能够消除或减小传质或扩散控制的影响，提高储能设备的比功率以及极大地提高多孔电极的利用率。
进一步，导电薄膜采用但不限于多孔的碳、石墨、石墨烯、还原石墨烯或聚苯胺制成，本实施例的导电薄膜采用石墨烯制成。且导电薄膜的厚度满足：L0≤kδ；其中，L0为导电薄膜的厚度；k为系数，且k≥1；δ为扩散控制层厚度。优选的，导电薄膜的厚度大于等于1nm，且导电薄膜的厚度满足：L0≤10δ，优选的，导电薄膜的厚度满足：L0≤5δ；优选的，导电薄膜的厚度满足：L0≤2δ，优选的，导电薄膜的厚度满足：L0≤δ。本实施例的导电薄膜的厚度小于等于扩散控制层厚度，能够消除或减小传质或扩散控制的影响。
进一步，扩散控制层厚度为：
Figure BDA0002020609930000031
其中，δ为扩散控制层厚度；D为扩散系数；t为时间。
进一步，位于所述隔膜1两侧的所述薄层电极2,3采用相同的电极材料制成，即此时的电容器为对称式电容。当然，设置在隔膜两侧的所述薄层电极也可以分别采用不同的电极材料制成，即此时的电容器为非对称式电容。本实施例的位于隔膜两侧的薄层电极采用相同的电极材料制成。
进一步，所述电极上设有与其导电连接的集流体4,5；位于所述隔膜1同一侧的所述导电薄膜与所述集流体导电连接。即本实施例位于所述隔膜1同一侧的所述导电薄膜6与所述集流体4导电连接，位于所述隔膜1同一侧的所述导电薄膜7与所述集流体5导电连接，可使电极内部保持等电位。
进一步，所述薄层电极2,3与所述隔膜1平行或垂直。本实施例的薄层电极2,3与所述隔膜1平行。
本实施例基于减少传质和扩散控制多层电极的电容器，通过将电极设置为多层的薄层电极，如此，电解液进入到导电薄膜后分别与薄层电极的表面接触，即所有的薄层电极的表面均会参与电池充放电反应，可增加同时充放电的薄层电极的数量，即可有效提高比表面积，增大储能容量；另外，通过利用扩散控制层厚度来限定薄层电极的厚度，能够减小传质和扩散控制对充放电的影响，从而使反应分子或离子等在电极内不受传质速率的控制或大大改善传质速率的控制，提高储能设备的比功率以及极大地提高多孔电极的利用率。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (18)

1.一种基于减少传质和扩散控制多层电极的电容器，包括离子导电但电子绝缘的隔膜，所述隔膜的两侧分别设有电极，其特征在于：所述电极包括多层的薄层电极，相邻两个所述薄层电极之间设有可同时离子导电和电子导电的导电薄膜，该相邻的两个所述薄层电极通过所述导电薄膜导电连接，且所述薄层电极的厚度满足：
L≤kδ
其中，L为薄层电极的厚度；k为系数，且k≥1；δ为扩散控制层厚度。
2.根据权利要求1所述基于减少传质和扩散控制多层电极的电容器，其特征在于：所述导电薄膜采用允许电解液通过从而实现离子导电和交换的多孔导电材料制成。
3.根据权利要求1所述基于减少传质和扩散控制多层电极的电容器，其特征在于：所述薄层电极的厚度大于等于1nm。
4.根据权利要求1所述基于减少传质和扩散控制多层电极的电容器，其特征在于：所述薄层电极的厚度满足：L≤10δ。
5.根据权利要求1所述基于减少传质和扩散控制多层电极的电容器，其特征在于：所述薄层电极的厚度满足：L≤5δ。
6.根据权利要求1所述基于减少传质和扩散控制多层电极的电容器，其特征在于：所述薄层电极的厚度满足：L≤2δ。
7.根据权利要求1所述基于减少传质和扩散控制多层电极的电容器，其特征在于：所述薄层电极的厚度满足：L≤δ。
8.根据权利要求1所述基于减少传质和扩散控制多层电极的电容器，其特征在于：所述导电薄膜采用但不限于多孔的碳、石墨、石墨烯、还原石墨烯或聚苯胺制成。
9.根据权利要求1所述基于减少传质和扩散控制多层电极的电容器，其特征在于：所述导电薄膜的厚度满足：
L0≤kδ
其中，L0为导电薄膜的厚度；k为系数，且k≥1；δ为扩散控制层厚度。
10.根据权利要求9所述基于减少传质和扩散控制多层电极的电容器，其特征在于：所述导电薄膜的厚度大于等于1nm。
11.根据权利要求10所述基于减少传质和扩散控制多层电极的电容器，其特征在于：所述导电薄膜的厚度满足：L0≤10δ。
12.根据权利要求10所述基于减少传质和扩散控制多层电极的电容器，其特征在于：所述导电薄膜的厚度满足：L0≤5δ。
13.根据权利要求10所述基于减少传质和扩散控制多层电极的电容器，其特征在于：所述导电薄膜的厚度满足：L0≤2δ。
14.根据权利要求10所述基于减少传质和扩散控制多层电极的电容器，其特征在于：所述导电薄膜的厚度满足：L0≤δ。
15.根据权利要求1-14任一项所述基于减少传质和扩散控制多层电极的电容器，其特征在于：所述扩散控制层厚度为：
Figure FDA0002020609920000021
其中，δ为扩散控制层厚度；D为扩散系数；t为时间。
16.根据权利要求1所述的基于减少传质和扩散控制多层电极的电容器，其特征在于：位于所述隔膜两侧的所述薄层电极采用相同的电极材料制成；或，设置在所述隔膜两侧的所述薄层电极分别采用不同的电极材料制成。
17.根据权利要求1-14任一项所述的基于减少传质和扩散控制多层电极的电容器，其特征在于：所述电极上设有与其导电连接的集流体；位于所述隔膜同一侧的所述导电薄膜与所述集流体导电连接。
18.根据权利要求17所述的基于减少传质和扩散控制多层电极的电容器，其特征在于：所述薄层电极与所述隔膜平行或垂直。
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