CN111952079B - 可持续充电的储能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可持续充电的储能装置，包括：电容器第一电极、电容器第二电极、第一电解液、金属电极以及吸水隔膜；所述第一电解液设置于所述电容器第一电极、所述电容器第二电极之间的空隙中，与所述电容器第一电极、所述电容器第二电极共同形成一超级电容器；所述金属电极与所述电容器第一电极间隔设置形成一第一间隙，所述金属电极至少与所述电容器第二电极的部分区域欧姆接触；所述吸水隔膜设置在所述金属电极与所述电容器第一电极之间，该吸水隔膜用于吸收周边环境中的水分，以将所述金属电极与所述电容器第一电极导通形成一金属‑空气电池。

Description

可持续充电的储能装置
技术领域
本发明涉及能源技术领域，尤其涉及一种可持续充电的储能装置。
背景技术
超级电容器是通过电极与电解质之间形成的界面双层来存储能量的电学元器件，既具有电容器快速充放电的特性，同时又具有电池的储能特性。但现有的超级电容器通常只是存储能量并不能自发产生能量，即现有的超级电容器不能实现既产生能量又能够将产生的能量存储。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种可持续充电的储能装置。
一种可持续充电的储能装置，包括：电容器第一电极、电容器第二电极、第一电解液、金属电极以及吸水隔膜；所述第一电解液设置于所述电容器第一电极、所述电容器第二电极之间的空隙中，与所述电容器第一电极、所述电容器第二电极共同形成一超级电容器；所述金属电极与所述电容器第一电极间隔设置形成一第一间隙，所述金属电极至少与所述电容器第二电极的部分区域欧姆接触；所述吸水隔膜设置在所述金属电极与所述电容器第一电极之间，该吸水隔膜用于吸收周边环境中的水分，以将所述金属电极与所述电容器第一电极导通形成一金属-空气电池。
相较于现有技术，本发明提供的可持续充电的储能装置可以长时间向外输出能量，且不需要补充金属-空气电池电解质，可以实现可穿戴电子产品的持续供能。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的可持续充电的储能装置结构示意图。
图2为本发明第一实施例中金属电极与电容器第二电极接触部位的电流-电压曲线。
图3为本发明第一实施例提供的可持续充电的储能装置功能单元示意图。
图4为本发明第一实施例提供的可持续充电的储能装置自充电模式与非自充电模式示意图。
图5为本发明第一实施例提供的可持续充电的储能装置充电时间-电压曲线图。
主要元件符号说明
储能装置 10a
超级电容器区块 100
电容器第一电极 110
第一部分 111
第二部分 113
电容器第二电极 120
第三部分 121
第四部分 123
第一电解液 130
绝缘层 140
金属-空气电池区块 200
金属电极 210
吸水隔膜 220
金属-空气电池电解液 230
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供一种可持续充电的储能装置，包括超级电容器、金属电极以及吸水隔膜。所述超级电容器可以进一步包括电容器第一电极、电容器第二电极以及第一电解液。其中，所述第一电解液设置于所述电容器第一电极、电容器第二电极之间的空隙中，与所述电容器第一电极、电容器第二电极共同形成超级电容器。
所述金属电极与所述电容器第一电极间隔设置形成一第一间隙。所述金属电极至少与所述电容器第二电极的部分区域欧姆接触。所述欧姆接触可以通过在所述金属电极与所述电容器第二电极的接触面涂布导电胶黏剂的方式实现。
所述吸水隔膜设置在所述金属电极与所述电容器第一电极之间。该吸水隔膜可以吸收储能装置周边环境中的水分，吸水后的吸水隔膜可以将所述金属电极与所述电容器第一电极导通，以形成一金属-空气电池(metal-air cell)，其中所述金属电极为金属-空气电池阳极，所述电容器第一电极为金属-空气电池阴极。
请参见图1，本发明第一实施例提供一种可持续充电的储能装置10a，包括电容器第一电极110、电容器第二电极120、第一电解液130、金属电极210以及吸水隔膜220。
所述电容器第一电极110与所述电容器第二电极120平行、间隔且相对设置，所述电容器第一电极110、电容器第二电极120以及第一电解液130共同形成一超级电容器。所述金属电极210与所述电容器第二电极120欧姆接触，与所述电容器第一电极110间隔且相对设置，所述金属电极210与所述电容器第一电极110分别为金属-空气电池的负极与正极。
所述电容器第一电极110与电容器第二电极120的材料可以为现有的各种超级电容器电极材料。本实施例中，电容器第一电极110与电容器第二电极120的材料均为聚苯胺/碳纳米管复合材料。所述碳纳米管/聚苯胺复合材料包括碳纳米管网状结构及导电聚合物聚苯胺。所述碳纳米管网状结构由多个碳纳米管相互连接形成。相邻的碳纳米管之间通过范德华力相互连接。所述碳纳米管/聚苯胺复合材料中，碳纳米管网状结构作为骨架，所述聚苯胺层包覆在所述碳纳米管网状结构中的碳纳米管的表面，即，所述碳纳米管网状结构可支撑该聚苯胺层，使得该聚苯胺层可分布在碳纳米管的表面。在本实施例中，所述聚苯胺层均匀地分布在所述碳纳米管网状结构的全部表面，即，所述碳纳米管网状结构中每个碳纳米管的表面都均匀分布有聚苯胺层。此外，所述碳纳米管网状结构具有多个微孔。这些微孔是由多个碳纳米管所围成，且每一个微孔的内表面均设置有上聚苯胺层。所述微孔的尺寸范围为60nm～400nm。由于多个微孔的存在，使得所述电容器第一电极110及电容器第二电极120具有较小的密度，从而重量较轻。由于所述电容器第一电极110及电容器第二电极120均是由碳纳米管和聚苯胺组成的复合材料，该电容器第一电极110及电容器第二电极120具有非常好的柔性，可以任意弯曲。
所述电容器第一电极110与电容器第二电极120的尺寸可以基本相同。通常电容器第一电极110与电容器第二电极120的长度可以为20mm～90mm，宽度可以为5mm～20mm，厚度可以为50μm～200μm。本实施例中，电容器第一电极110与电容器第二电极120均为矩形电极片，长度约为45mm，宽度约为10mm，厚度约为100μm。
所述电容器第一电极110包含两个相对的表面，本实施例中将其中与电容器第二电极120相对的表面定义为第一电极内表面，将远离电容器第二电极120的表面定义为第一电极外表面。同样地，电容器第二电极120也包含两个相对的表面，将其中与电容器第一电极110相对的表面定义为第二电极内表面，将远离电容器电容器第一电极110的表面定义为第二电极外表面。
所述电容器第一电极110可以进一步划分为相互间隔的两个部分：第一部分111及第二部分113。类似地，所述电容器第二电极120也可以进一步划分为相互间隔的两个部分：第三部分121及第四部分123。
在上述四个部分中，所述第一部分111与第三部分121间隔且相对设置形成一第一空隙，所述第一部分111与第三部分121的尺寸可以基本相同，且所述第一部分111与第三部分121之间填充有第一电解液130。该第一电解液130可以为各种适用于超级电容器系统的电解液，如聚乙烯醇/硫酸(PVA/H2SO4)凝胶电解液。所述第一部分111、第三部分121以及第一电解液130共同形成一超级电容器100。
在上述四个部分中，所述第二部分113与所述第四部分123间隔且相对设置，所述第二部分113与第四部分123的尺寸可以基本相同。所述第四部分123靠近第二部分113的表面(即第四部分123内表面)设置有金属电极210。所述金属电极210的材料可选用镁、铝、锌、汞、铁等金属空气电池负极材料。所述金属电极210的长度与宽度可与第四部分123基本相同，所述金属电极210的厚度可以为25μm～100μm。本实施例中，所述金属电极210选用的是一片厚度约50μm的锌箔。
所述金属电极210与第四部分123内表面之间欧姆接触。所述欧姆接触可以通过在所述金属电极210与第四部分123之间涂布导电胶黏剂的方式实现。所述导电胶黏剂可以选用导电银胶(silver paste)。请参阅图2，通过导电银胶紧密接触的金属电极210与电容器第二电极120之间电流-电压曲线接近一直线，表明两者之间的接触可以视为欧姆接触。
所述吸水隔膜220设置在所述金属电极210与所述电容器第一电极110之间。所述吸水隔膜220可以紧贴所述金属电极210与所述电容器第一电极110设置。该吸水隔膜220可以持续吸收储能装置10a周边环境中的水分，同时也可以阻止金属电极210与电容器第一电极110直接接触。当所述吸水隔膜220吸收水分后，可以将所述金属电极210与所述电容器第一电极110导通，形成一金属-空气电池。
本实施例中所述吸水隔膜220可以通过以下方法制备：
S1，将一隔膜浸泡于一由吸水材料配制的溶液中；以及
S2，取出浸泡后的隔膜并干燥。
S1中，所述吸水材料为离子型化合物，即在溶剂的作用下能够产生阴阳离子，如，氯化钙、硫酸钙、硫酸镁、硫酸钠、碳酸钾等。本实施例中，所述吸水材料为氯化钙，所述溶液为氯化钙溶液。本实施例中隔膜选用的是一片定性试纸，技术人员还可以根据实际需求选取其他现有的金属-空气电池隔膜。
S2中，干燥后即获得吸水隔膜220，该吸水隔膜220的表面及孔隙中包含大量吸水材料微粒(如无水氯化钙微粒)，设置在隔膜表面及孔隙中的吸水材料能够在短时间内吸收水分形成金属-空气电池电解液230。即所述吸水隔膜220不仅能够吸收水分，还能形成用于金属-空气电池的电解液。
请参见图3，本发明实施例提供的储能装置10a可以根据功能进一步分为超级电容器区块100与金属-空气电池区块200。超级电容器区块100包括：电容器第一电极110、电容器第二电极120、第一电解液130。金属-空气电池区块200包括电容器第一电极110、金属电极210、吸水隔膜220。其中，电容器第一电极110既是超级电容器的电极，也是金属-空气电池的正极。
请参见图4，当所述吸水隔膜220吸收周边环境中的水分将所述金属电极210与所述电容器第一电极110导通时，所述金属-空气电池区块200处于工作状态，输出电能，该金属-空气电池区块200向超级电容器区块100充电，此时该储能装置10a处于自充电模式。当所述吸水隔膜220处于干燥状态，所述金属电极210与所述电容器第一电极110不导通，所述金属-空气电池区块200处于非工作状态，不输出电能，该金属-空气电池区块200不向超级电容器区块100充电，此时该储能装置10a处于非自充电模式。
请参见图5，当周边环境的相对湿度为68％时，所述储能器件10a的输出电压可以稳定达到0.63V以上，当周边环境的相对湿度为88％时，所述储能器件10a的输出电压可以稳定达到0.77V以上。可见，本实施例提供的储能装置10a可以在一定湿度条件下持续、稳定的输出电能，在作为可穿戴电子产品的供能装置时，人体汗液可以直接进入金属电极210与电容器第一电极110之间的空隙使该金属电极210与电容器第一电极110导通，同时吸水隔膜220也可以持续的吸收人体周边的水气，实现持续供能。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种可持续充电的储能装置，其特征在于，包括：电容器第一电极、电容器第二电极、第一电解液、金属电极以及吸水隔膜；
所述第一电解液设置于所述电容器第一电极、所述电容器第二电极之间的空隙中，与所述电容器第一电极、所述电容器第二电极共同形成一超级电容器；
所述金属电极与所述电容器第一电极间隔设置形成一第一间隙，所述金属电极至少与所述电容器第二电极的部分区域欧姆接触；
所述吸水隔膜设置在所述金属电极与所述电容器第一电极之间，该吸水隔膜用于吸收周边环境中的水分，以将所述金属电极与所述电容器第一电极导通形成一金属-空气电池，所述吸水隔膜紧贴所述金属电极与所述电容器第一电极设置。
2.如权利要求1所述的可持续充电的储能装置，其特征在于，所述吸水隔膜包括隔膜及吸水材料微粒，其中所述吸水材料微粒位于所述隔膜的表面及孔隙中。
3.如权利要求1所述的可持续充电的储能装置，其特征在于，所述吸水隔膜制备方法为：将一隔膜浸泡于一由吸水材料配制的溶液中，取出浸泡后的隔膜并干燥。
4.如权利要求2或3所述的可持续充电的储能装置，其特征在于，所述吸水材料为离子型化合物，该离子型化合物吸收水分后形成用于金属-空气电池的电解液。
5.如权利要求2或3所述的可持续充电的储能装置，其特征在于，所述吸水材料包括氯化钙、硫酸钙、硫酸镁、硫酸钠、碳酸钾中的一种或多种。
6.如权利要求1所述的可持续充电的储能装置，其特征在于，所述金属电极为的材料包括镁、铝、锌、汞、铁中的一种或几种。
7.如权利要求1所述的可持续充电的储能装置，其特征在于，所述电容器第一电极、所述电容器第二电极的材料均为聚苯胺/碳纳米管复合材料。
8.如权利要求1所述的可持续充电的储能装置，其特征在于，所述金属电极的厚度范围为25μm～100μm。
9.如权利要求1所述的可持续充电的储能装置，其特征在于，所述金属电极与所述电容器第二电极通过导电胶黏剂实现欧姆接触。
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