CN111799438A - 减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备 - Google Patents

减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备，包括隔膜，隔膜的两侧分别设有电极，电极为多孔电极，且电极内的孔间距部分或完全满足：L≤kδ；其中，L为电极内的孔间距；k为系数，且k≥1；δ为扩散控制层厚度。本发明减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备，通过将电极设置为多孔电极，并控制多孔电极内的孔间距，从而使反应分子或离子等在多孔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

减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备
技术领域
本发明属于储能设备技术领域，具体的为一种减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备。
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，电池的正电极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负电极。而作为负电极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负电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，嵌在负电极碳层中的锂离子脱出，又运动回正电极。回正电极的锂离子越多，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减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备，能够有效减少甚至完全消除传质或扩散控制对充放电的影响，提高充放电速率，并能够有效提高比表面，增大储能容量。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备，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，所述电极为多孔电极，且所述电极内的孔间距部分或完全满足：
L≤kδ
其中，L为电极内的孔间距；k为系数，且k≥1；δ为扩散控制层厚度。
进一步，所述孔间距为所述电极内或电极外表面可传输电解液的孔之间的间距。
进一步，设置在所述电极内的所述孔的孔径大于等于1nm。
进一步，设置在所述电极内的所述孔的孔径小于等于1um。
进一步，设置在所述电极内的所述孔的孔径小于等于100nm。
进一步，设置在所述电极内的所述孔的孔径小于等于50nm。
进一步，设置在所述电极内的所述孔的孔径大于等于2nm。
进一步，所述电极采用介孔材料制成。
进一步，所述介孔材料内设有用于输送电解液的不规则的联通介孔网络或所述介孔材料内设有规则阵列分布的且指向电极表面的介孔。
进一步，所述孔间距满足：L≤10δ。
进一步，所述孔间距满足：L≤5δ。
进一步，所述孔间距满足：L≤2δ。
进一步，所述孔间距满足：L≤δ。
进一步，所述扩散控制层厚度为：
Figure BDA0002020386190000021
其中，δ为扩散控制层厚度；D为扩散系数；t为时间。
进一步，所述隔膜为电池隔膜，设置在所述电池隔膜两侧的所述电极分别为正电极和负电极。
进一步，所述正电极和负电极的厚度为1-5000um。
进一步，所述正电极和负电极上分别设有与其导电连接的集流体。
进一步，所述隔膜为电容隔膜，设置在所述电容隔膜两侧的所述电极均为电容电极。
进一步，分别设置在所述隔膜两侧的所述电容电极采用相同的电容电极材料制成；或，设置在所述隔膜两侧的所述电容电极分别采用不同的电容电极材料制成。
进一步，位于所述隔膜两侧的两个所述电极中，其中一个所述电极采用电池正极材料或电极负极材料制成，另一个所述电极采用电容电极材料制成。
本发明的有益效果在于：
本发明减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备，通过将电极设置为多孔电极，并控制多孔电极内的孔间距，从而使反应分子或离子等在多孔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为本发明减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备实施例1的结构示意图，本实施例的储能设备为电池；
图2为电极的结构示意图，具体的为设有规则分布的介孔的电极的结构示意图；
图3为图2的A详图；
图4为本发明减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备实施例2的结构示意图，本实施例的储能设备为电容。
图5为本发明减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备实施例3的结构示意图，本实施例的储能设备为混合型储能设备。
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，为本发明减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备实施例1的结构示意图。本实施例减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备，包括电子绝缘且可通过离子的隔膜，隔膜的两侧分别设有电极，电极为多孔电极，且电极内的孔间距部分或完全满足：
L≤kδ
其中，L为两个电极孔之间的间距；k为系数，且k≥1；δ为扩散控制层厚度。
具体的，本实施例的孔间距为电极内或电极外表面可传输电解液的孔之间的间距。从而使反应分子或离子等在多孔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。
进一步，设置在电极内的孔的孔径大于等于1nm，本实施例的设置在电极内的孔的孔径大于等于2nm并小于等于50nm，即本实施例设置在电极内的孔为介孔。当然，还可以将设置在电极内的孔的孔径设置为小于等于1um以及小于等于100nm，也可满足传输电解液的技术目的。
进一步，本实施例的电极采用介孔材料制成。介孔材料内设有用于输送电解液的不规则的联通介孔网络或介孔材料内设有规则阵列分布的且指向电极表面的介孔。本实施例的介孔材料内设有规则阵列分布的且指向电极表面的介孔12，如图2所示。
具体的，孔间距满足：L≤10δ；优选的，孔间距满足：L≤5δ；优选的，孔间距满足：L≤2δ。本实施例的孔间距满足：L≤δ，即孔间距小于扩散控制层厚度，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。
具体的，扩散控制层厚度为：
Figure BDA0002020386190000041
其中，δ为扩散控制层厚度；D为扩散系数；t为时间。
进一步，本实施例的隔膜为电池隔膜1，设置在电池隔膜1两侧的电极分别为正电极2和负电极3。正电极2和负电极3的厚度为1-5000um，本实施例的正电极1和负电极2的厚度为100um，且正电极2和负电极3上分别设有与其导电连接的集流体4,5。
本实施例减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备，通过将电极设置为多孔电极，并控制多孔电极内的孔间距，从而使反应分子或离子等在多孔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3所示，为本发明减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备实施例2的结构示意图。本实施例减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备，包括电子绝缘且可通过离子的隔膜，隔膜的两侧分别设有电极，电极为多孔电极，且电极内的孔间距部分或完全满足：
L≤kδ
其中，L为两个电极孔之间的间距；k为系数，且k≥1；δ为扩散控制层厚度。
具体的，本实施例的孔间距为电极内或电极外表面可传输电解液的孔之间的间距。从而使反应分子或离子等在多孔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。
进一步，设置在电极内的孔的孔径大于等于1nm，本实施例的设置在电极内的孔的孔径大于等于2nm并小于等于50nm，即本实施例设置在电极内的孔为介孔。当然，还可以将设置在电极内的孔的孔径设置为小于等于1um以及小于等于100nm，也可满足传输电解液的技术目的。
进一步，本实施例的电极采用介孔材料制成。介孔材料内设有用于输送电解液的不规则的联通介孔网络或介孔材料内设有规则阵列分布的且指向电极表面的介孔。
具体的，孔间距满足：L≤10δ；优选的，孔间距满足：L≤5δ；优选的，孔间距满足：L≤2δ。本实施例的孔间距满足：L≤δ，即孔间距小于扩散控制层厚度，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。
具体的，扩散控制层厚度为：
Figure BDA0002020386190000051
其中，δ为扩散控制层厚度；D为扩散系数；t为时间。
本实施例的隔膜为电容隔膜6，设置在电容隔膜6两侧的电极均为电容电极7,8。具体的，本实施例分别设置在隔膜两侧的电容电极7,8采用相同的电容电极材料制成，即此时的储能设备为对称式电容。当然，设置在电容隔膜6两侧的电容电极6也可以分别采用不同的电容电极材料制成，即此时的储能设备为非对称式电容。
实施例3
如图4所示，为本发明减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备实施例3的结构示意图。本实施例减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备，包括电子绝缘且可通过离子的隔膜，隔膜的两侧分别设有电极，电极为多孔电极，且电极内的孔间距部分或完全满足：
L≤kδ
其中，L为两个电极孔之间的间距；k为系数，且k≥1；δ为扩散控制层厚度。
具体的，本实施例的孔间距为电极内或电极外表面可传输电解液的孔之间的间距。从而使反应分子或离子等在多孔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。
进一步，设置在电极内的孔的孔径大于等于1nm，本实施例的设置在电极内的孔的孔径大于等于2nm并小于等于50nm，即本实施例设置在电极内的孔为介孔。当然，还可以将设置在电极内的孔的孔径设置为小于等于1um以及小于等于100nm，也可满足传输电解液的技术目的。
进一步，本实施例的电极采用介孔材料制成。介孔材料内设有用于输送电解液的不规则的联通介孔网络或介孔材料内设有规则阵列分布的且指向电极表面的介孔。
具体的，孔间距满足：L≤10δ；优选的，孔间距满足：L≤5δ；优选的，孔间距满足：L≤2δ。本实施例的孔间距满足：L≤δ，即孔间距小于扩散控制层厚度，能够完全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。
具体的，扩散控制层厚度为：
Figure BDA0002020386190000052
其中，δ为扩散控制层厚度；D为扩散系数；t为时间。
本实施例位于隔膜11两侧的两个电极中，其中一个电极9采用电池正极材料或电极负极材料制成，另一个电极10采用电容电极材料制成，构成混合型储能设备。
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 (20)

1.一种减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备，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，其特征在于：所述电极为多孔电极，且所述电极内的孔间距部分或完全满足：
L≤kδ
其中，L为电极内的孔间距；k为系数，且k≥1；δ为扩散控制层厚度。
2.根据权利要求1所述减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备，其特征在于：所述孔间距为所述电极内或电极外表面可传输电解液的孔之间的间距。
3.根据权利要求1所述减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备，其特征在于：设置在所述电极内的所述孔的孔径大于等于1nm。
4.根据权利要求1所述减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备，其特征在于：设置在所述电极内的所述孔的孔径小于等于1um。
5.根据权利要求1所述减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备，其特征在于：设置在所述电极内的所述孔的孔径小于等于100nm。
6.根据权利要求1所述减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备，其特征在于：设置在所述电极内的所述孔的孔径小于等于50nm。
7.根据权利要求1所述减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备，其特征在于：设置在所述电极内的所述孔的孔径大于等于2nm。
8.根据权利要求1-7任一项所述减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备，其特征在于：所述电极采用介孔材料制成。
9.根据权利要求7所述减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备，其特征在于：所述介孔材料内设有用于输送电解液的不规则的联通介孔网络或所述介孔材料内设有规则阵列分布的且指向电极表面的介孔。
10.据权利要求1-7或9所述减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备，其特征在于：所述孔间距满足：L≤10δ。
11.据权利要求1-7或9所述减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备，其特征在于：所述孔间距满足：L≤5δ。
12.据权利要求1-7或9所述减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备，其特征在于：所述孔间距满足：L≤2δ。
13.据权利要求1-7或9所述减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备，其特征在于：所述孔间距满足：L≤δ。
14.根据权利要求1所述减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备，其特征在于：所述扩散控制层厚度为：
Figure FDA0002020386180000021
其中，δ为扩散控制层厚度；D为扩散系数；t为时间。
15.根据权利要求1所述减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备，其特征在于：所述隔膜为电池隔膜，设置在所述电池隔膜两侧的所述电极分别为正电极和负电极。
16.根据权利要求15所述减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备，其特征在于：所述正电极和负电极的厚度为1-5000um。
17.根据权利要求15所述减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备，其特征在于：所述正电极和负电极上分别设有与其导电连接的集流体。
18.根据权利要求1所述减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备，其特征在于：所述隔膜为电容隔膜，设置在所述电容隔膜两侧的所述电极均为电容电极。
19.根据权利要求18所述减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备，其特征在于：分别设置在所述隔膜两侧的所述电容电极采用相同的电容电极材料制成；或，设置在所述隔膜两侧的所述电容电极分别采用不同的电容电极材料制成。
20.根据权利要求1所述减少传质或扩散控制或完全无传质或扩散控制的储能设备，其特征在于：位于所述隔膜两侧的两个所述电极中，其中一个所述电极采用电池正极材料或电极负极材料制成，另一个所述电极采用电容电极材料制成。
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