CN111799432A - 基于减少传质和扩散控制的多层电极及储能设备 - Google Patents

基于减少传质和扩散控制的多层电极及储能设备 Download PDF

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CN111799432A CN201910277072.3A CN201910277072A CN111799432A CN 111799432 A CN111799432 A CN 111799432A CN 201910277072 A CN201910277072 A CN 201910277072A CN 111799432 A CN111799432 A CN 111799432A
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李长明
吴超
辛程勋
辛民昌
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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的多层电极，包括多层的薄层电极，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。本发明还公开了一种基于减少传质和扩散控制多层电极的储能设备。通过将电极设置为多层薄层电极，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，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的多层电极及储能设备
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的多层电极及储能设备。
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。
在锂离子电池充放电过程中，正电极和负电极仅有一定深度的孔表面与电解液接触而产生锂离子的嵌入和脱嵌，正电极和负电极的材料不能完全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，不但限制了锂离子电池的充放电容量，而且也限制了电池的充放电功率。
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的多层电极及储能设备，能够减小传质和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：
本发明首先提出了一种基于减少传质和扩散控制的多层电极，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。
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 BDA0002020383820000021
其中，δ为扩散控制层厚度；D为扩散系数；t为时间。
本发明还提出了一种基于减少传质和扩散控制多层电极的储能设备，包括电子绝缘且可通过离子的隔膜，所述隔膜的两侧分别设有电极，所述电极采用如上所述基于减少传质和扩散控制的多层电极。
进一步，所述隔膜为电池隔膜；位于所述电池隔膜两侧的所述电极分别为正电极和负电极，所述正电极上设有与其导电连接的正极集流体，所述负电极上设有与其导电连接的负极集流体。
进一步，所述正电极包括间隔设置的正薄层电极，设置在相邻两层所述正薄层电极之间的所述导电薄膜为正极导电薄膜；
所述负电极包括间隔设置的负薄层电极，设置在相邻两层所述负薄层电极之间的所述导电薄膜为负极导电薄膜。
进一步，所述正薄层电极和负薄层电极均与所述电池隔膜之间相互平行，所述正薄层电极采用可将电解液导流至所述正极导电薄膜的多孔正薄层电极，所述负薄层电极采用可将电解液导流至所述负极导电薄膜的多孔负薄层电极。
进一步，所有的所述正极导电薄膜均与所述正极集流体导电连接，所有的所述负极导电薄膜均与所述负极集流体导电连接。
进一步，所述正薄层电极和负薄层电极均与所述电池隔膜之间相互垂直。
进一步，所有的所述正极导电薄膜均与所述正极集流体导电连接，所有的所述负极导电薄膜均与所述负极集流体导电连接。
进一步，所述正薄层电极采用锂离子电池正极材料制成，所述负薄层电极采用锂离子电池负极材料制成。
进一步，分别位于所述隔膜两侧的两个所述电极中，其中一个所述电极的薄层电极采用电池正极材料或电极负极材料制成，另一个所述电极的薄层电极采用电容电极材料制成。
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储能设备，通过将电极设置为多层薄层电极，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储能设备实施例1的结构示意图；
图2为本发明基于减少传质和扩散控制多层电极的储能设备实施例2的结构示意图；
图3为本发明基于减少传质和扩散控制多层电极的储能设备实施例3的结构示意图；
图4为本发明基于减少传质和扩散控制多层电极的储能设备实施例4的结构示意图。
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。
实施例1
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储能设备实施例1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储能设备，包括离子导电但电子绝缘的隔膜，隔膜的两侧分别设有电极，电极采用基于减少传质和扩散控制的多层电极。本实施例基于减少传质和扩散控制的多层电极包括多层的薄层电极，相邻两个薄层电极之间设有可同时实现离子导电和电子导电的导电薄膜，该相邻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。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。具体的，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 BDA0002020383820000041
其中，δ为扩散控制层厚度；D为扩散系数；t为时间。
进一步，隔膜为电池隔膜1；位于电池隔膜1两侧的电极分别为正电极和负电极，正电极上设有与其导电连接的正极集流体2，负电极上设有与其导电连接的负极集流体3。本实施例的正电极包括间隔设置的多层正薄层电极4，设置在相邻两层正薄层电极4之间的导电薄膜为正极导电薄膜5。本实施例的负电极包括间隔设置的多层负薄层电极6，设置在相邻两层负薄层电极6之间的导电薄膜为负极导电薄膜7。
进一步，本实施例的正薄层电极4和负薄层电极6均与电池隔膜1之间相互平行，正薄层电极4上设有采用可将电解液导流至所述正极导电薄膜的多孔正薄层电极，负薄层电极6采用可将电解液导流至所述负极导电薄膜的多孔负薄层电极。
进一步，正薄层电极4采用锂离子电池正极材料制成，负薄层电极6采用锂离子电池负极材料制成，即本实施例的储能设备为锂电池。
本实施例基于减少传质和扩散控制多层电极的储能设备，通过将电极设置为多层薄层电极，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。
实施例2
如图2所示，为本发明基于减少传质和扩散控制多层电极的储能设备实施例2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储能设备，包括离子导电但电子绝缘的隔膜，隔膜的两侧分别设有电极，电极采用基于减少传质和扩散控制的多层电极。本实施例基于减少传质和扩散控制的多层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实现离子导电和电子导电的导电薄膜，该相邻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。
进一步，隔膜为电池隔膜1；位于电池隔膜1两侧的电极分别为正电极和负电极，正电极上设有与其导电连接的正极集流体2，负电极上设有与其导电连接的负极集流体3。本实施例的正电极包括间隔设置的多层正薄层电极4，设置在相邻两层正薄层电极4之间的导电薄膜为正极导电薄膜5。本实施例的负电极包括间隔设置的多层负薄层电极6，设置在相邻两层负薄层电极6之间的导电薄膜为负极导电薄膜7。
进一步，所有的正极导电薄膜5均通过接线桥8与正极集流体导电连接，所有的负极导电薄膜7均通过接线桥9与负极集流体导电连接。
本实施例的其他结构与实施例1相同，不再一一累述。
实施例3
如图3所示，为本发明基于减少传质和扩散控制多层电极的储能设备实施例3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储能设备，包括离子导电但电子绝缘的隔膜，隔膜的两侧分别设有电极，电极采用基于减少传质和扩散控制的多层电极。本实施例基于减少传质和扩散控制的多层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实现离子导电和电子导电的导电薄膜，该相邻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。
进一步，隔膜为电池隔膜1；位于电池隔膜1两侧的电极分别为正电极和负电极，正电极上设有与其导电连接的正极集流体2，负电极上设有与其导电连接的负极集流体3。本实施例的正电极包括间隔设置的正薄层电极4，设置在相邻两层正薄层电极4之间的导电薄膜为正极导电薄膜5。本实施例的负电极包括间隔设置的负薄层电极6，设置在相邻两层负薄层电极6之间的导电薄膜为负极导电薄膜7。
进一步，正薄层电极5和负薄层电极7均与电池隔膜1之间相互垂直，且所有的正极导电薄膜5均与正极集流体2导电连接，所有的负极导电薄膜7均与负极集流体3导电连接。
本实施例的其他结构与实施例1相同，不再一一累述。
实施例4
如图3所示，为本发明基于减少传质和扩散控制多层电极的储能设备实施例3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储能设备，包括离子导电但电子绝缘的隔膜，隔膜的两侧分别设有电极，电极采用基于减少传质和扩散控制的多层电极。本实施例基于减少传质和扩散控制的多层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实现离子导电和电子导电的导电薄膜，该相邻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。
进一步，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，能够消除或减少传质或扩散控制效应的影响。
进一步，扩散控制层厚度为：
Figure BDA0002020383820000071
其中，δ为扩散控制层厚度；D为扩散系数；t为时间。
进一步，本实施例位于隔膜10两侧的两个电极分别采用不同的电极材料制成，分别位于隔膜10两侧的两个电极中，其中一个电极的薄层电极11采用电池正极材料或电极负极材料制成，另一个电极的薄层电极12采用电容电极材料制成。本实施例的其中一个电极的相邻两个薄层电极11之间设有导电薄膜13，另一个电极的相邻两个薄层电极11之间设有导电薄膜14。本实施例的储能设备为混合型储能设备。
本实施例的薄层电极11和薄层电极12均与隔膜10平行，当然，也可以将薄层电极11和薄层电极12设置为与隔膜10垂直，不再累述。
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 (24)

1.一种基于减少传质和扩散控制的多层电极，其特征在于：包括多层薄层电极，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的多层电极，其特征在于：所述薄层电极的厚度大于等于1nm。
3.根据权利要求1所述基于减少传质和扩散控制的多层电极，其特征在于：所述薄层电极的厚度满足：L≤10δ。
4.根据权利要求3所述基于减少传质和扩散控制的多层电极，其特征在于：所述薄层电极的厚度满足：L≤5δ。
5.根据权利要求4所述基于减少传质和扩散控制的多层电极，其特征在于：所述薄层电极的厚度满足：L≤2δ。
6.根据权利要求5所述基于减少传质和扩散控制的多层电极，其特征在于：所述薄层电极的厚度满足：L≤δ。
7.根据权利要求1所述基于减少传质和扩散控制的多层电极，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。
8.根据权利要求1所述基于减少传质和扩散控制的多层电极，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的多层电极，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的多层电极，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的多层电极，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11所述基于减少传质和扩散控制的多层电极，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12所述基于减少传质和扩散控制的多层电极，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13所述基于减少传质和扩散控制的多层电极，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的多层电极，其特征在于：所述扩散控制层厚度为：
Figure FDA0002020383810000021
其中，δ为扩散控制层厚度；D为扩散系数；t为时间。
16.一种基于减少传质和扩散控制多层电极的储能设备，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：所述电极采用如权利要求1-15任一项所述基于减少传质和扩散控制的多层电极。
17.根据权利要求16所述的基于减少传质和扩散控制多层电极的储能设备，其特征在于：所述隔膜为电池隔膜；位于所述电池隔膜两侧的所述电极分别为正电极和负电极，所述正电极上设有与其导电连接的正极集流体，所述负电极上设有与其导电连接的负极集流体。
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储能设备，其特征在于：所述正电极包括间隔设置的多层正薄层电极，设置在相邻两层所述正薄层电极之间的所述导电薄膜为正极导电薄膜；
所述负电极包括间隔设置的多层负薄层电极，设置在相邻两层所述负薄层电极之间的所述导电薄膜为负极导电薄膜。
19.根据权利要求18所述的基于减少传质和扩散控制多层电极的储能设备，其特征在于：所述正薄层电极和负薄层电极均与所述电池隔膜之间相互平行，所述正薄层电极采用可将电解液导流至所述正极导电薄膜的多孔正薄层电极，所述负薄层电极采用可将电解液导流至所述负极导电薄膜的多孔负薄层电极,实现正、负电极去离子的迁移和交换。
20.根据权利要求19所述的基于减少传质和扩散控制多层电极的储能设备，其特征在于：所有的所述正极导电薄膜均与所述正极集流体导电连接，所有的所述负极导电薄膜均与所述负极集流体导电连接。
21.根据权利要求18所述的基于减少传质和扩散控制多层电极的储能设备，其特征在于：所述正薄层电极和负薄层电极均与所述电池隔膜之间相互垂直。
22.根据权利要求21所述的基于减少传质和扩散控制多层电极的储能设备，其特征在于：所有的所述正极导电薄膜均与所述正极集流体导电连接，所有的所述负极导电薄膜均与所述负极集流体导电连接。
23.根据权利要求16-22任一项所述的基于减少传质和扩散控制多层电极的储能设备，其特征在于：所述正薄层电极采用锂离子电池正极材料制成，所述负薄层电极采用锂离子电池负极材料制成。
24.根据权利要求16所述的基于减少传质和扩散控制多层电极的储能设备，其特征在于：分别位于所述隔膜两侧的两个所述电极中，其中一个所述电极的薄层电极采用电池正极材料或电极负极材料制成，另一个所述电极的薄层电极采用电容电极材料制成。
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