CN112242258B - 一种变孔隙下的非对称多孔电极结构的电双层超级电容 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变孔隙下的非对称多孔电极结构的电双层超级电容，涉及超级电容的技术领域，包括集电器、正极多孔电极、隔离层、负极多孔电极、集电器，正极多孔电极和负极多孔电极的孔隙率均从远离隔离层的一端向靠近隔离层的一端线性或阶跃增大；正极多孔电极的孔径不小于负极多孔电极的孔径；正极多孔电极的厚度不大于负极多孔电极的厚度。本发明采用变孔隙多孔电极结构，能够使由于放电速率过快而堆积在电极内侧的电解液有效的扩散到电极外侧，改善电解液在电极内部的分布均匀性，提高快速充放电过程中的电双层电容的比电容和比能量，采用不同孔径及厚度的电极结构，发挥不同离子特质与电极中孔径地相互作用，提高多孔电极孔隙利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及超级电容的技术领域，尤其涉及一种变孔隙下的电双层超级电容。
背景技术
电双层超级电容通常由集电板、多孔电极、隔离层和电解液组成。隔离层位于多孔电极中间，通过允许特定离子经过以防止电路短路；电解液则充满整个电极；集电板在电双层电容两端与多孔电极相连。在充电过程中，电解液中的离子在静电力、扩散的作用下向电性相反的电极移动，并在电解液与多孔电极界面形成电双层，从而将能量储存在电双层中。在放电过程中，储存在电双层中的能量又释放出来。
现有的电双层电容，大多采用具有恒定孔隙率的单层多孔电极结构或正负极对称的多孔电极结构。首先，在采用具有恒定孔隙率的单层多孔电极结构设计中，可用比表面积与扩散阻力之间的冲突成为设计高性能电双层电容结构的重大障碍，尤其在较大的充放电频率下这一问题更加明显。因为孔隙率的改变将直接影响多孔电极的扩散阻力和比表面积，从而对电池性能产生两个性质相反的影响：一方面，孔隙率的增加导致扩散阻力的减少，增大电解液分布的均匀性从而使电解液电阻减少；另一方面，孔隙率的增加降低了电极的比表面积，导致形成电双层的有效面积减少。因此，在这种设计中，低扩散阻力和高比表面积总是不能兼得。其次，电解质中的正负离子通常具有不同的离子直径和离子扩散系数。一方面，某一直径的离子在特定的电极孔径范围内将形成较大的电容，而对称孔隙直径的多孔电极中大多数情况下无法同时满足正离子和负离子的适用孔径范围；另一方面，离子扩散系数是影响电双层超级电容性能的重要参数，具有较大扩散系数的离子在较短的时间内就能到达整个电极的可用孔径内形成电双层，而对称电极长度的多孔电极的超级电容中将无法完全发挥出较大离子扩散系数的优势。
因此，如何解扩散阻力和比表面积之间的联系与冲突,以及最大程度的发挥各个离子特质与多孔电极的相互作用，是提高电双层超级电容性能的重要因素。
发明内容
针对上述产生的问题，本发明的目的在于提供一种变孔隙下的非对称多孔电极结构的电双层超级电容，通过设置新型变孔隙多孔电极结构，以改善电解液在电极内部的分布和质量传输的同时，保证电极内充足的比表面积实现这两种效应的平衡，并在电双层超级电容中设置非对称的电极孔径，提高离子与孔径结合构成电双层所形成的电容；设置非对称的电极厚度，发挥各离子的不同扩散系数的优势。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种变孔隙下的非对称多孔电极结构的电双层超级电容，包括依次顺序叠合的集电器、正极多孔电极、隔离层、负极多孔电极、集电器，所述电双层超级电容采用H2SO4溶液作为电解质，其中：
所述正极多孔电极和所述负极多孔电极的孔隙率均从远离所述隔离层的一端向靠近所述隔离层的一端线性或阶跃增大；
所述正极多孔电极的孔径不小于所述负极多孔电极的孔径；
所述正极多孔电极的厚度不大于所述负极多孔电极的厚度。
上述的一种变孔隙下的非对称多孔电极结构的电双层超级电容，其中，所述正极多孔电极和所述负极多孔电极均由单层多孔介质构成，所述正极多孔电极和所述负极多孔电极的内部孔隙率均从远离所述隔离层的一端向靠近所述隔离层的一端线性增大。
上述的一种变孔隙下的非对称多孔电极结构的电双层超级电容，其中，所述正极多孔电极和所述负极多孔电极均由双层多孔介质构成，所述正极多孔电极和所述负极多孔电极的内部孔隙率均从远离所述隔离层的一端向靠近所述隔离层的一端阶跃增大。
上述的一种变孔隙下的非对称多孔电极结构的电双层超级电容，其中，所述正极多孔电极包括正极外层多孔电极和正极内层多孔电极，所述正极内层多孔电极与所述隔离层连接，所述负极多孔电极包括负极外层多孔电极和负极内层多孔电极，所述负极内层多孔电极与所述隔离层连接。
上述的一种变孔隙下的非对称多孔电极结构的电双层超级电容，其中，所述正极多孔电极和所述负极多孔电极的材料均为多孔碳。
上述的一种变孔隙下的非对称多孔电极结构的电双层超级电容，其中，所述电双层超级电容采用浓度为2000mol/m3的H2SO4溶液作为电解质。
本发明由于采用上述技术，使之与现有技术相比具有的积极效果是：
1、本发明采用变孔隙多孔电极结构，通过在正极多孔电极和负极多孔电极的外侧设置更多比面积的小孔隙率，在正极多孔电极和负极多孔电极的内侧设置更小流动阻力的大孔隙率，能够使由于放电速率过快而堆积在电极内侧的电解液有效的扩散到电极外侧，有效改善电解液在电极内部的分布均匀性，从而降低电解质阻力，有效的提高快速充放电过程中的电双层电容的比电容和比能量。
2、本发明采用变孔隙多孔电极结构，能够有效解耦扩散阻力和比表面积之间的联系与冲突，在改善电极内部电解液扩散分布的同时，最大限度地保留了相对较大的比表面积，使电解液具有更多的附着点形成电双层，从而提高电双层电容性能。
3、本发明采用不同孔径及厚度的电极结构，最大限度地发挥不同离子特质(包括离子直径及扩散系数)与电极中孔径地相互作用，具体来说，给较大直径和扩散系数的离子在对应电极(正离子对应负极，负离子对应正极)上配备较大的孔径或较长的厚度，提高多孔电极孔隙利用效率并充分发挥电解质特质。
附图说明
图1是本发明的孔隙率渐变且非对称孔径结构的电双层电容的剖视图。
图2是本发明的孔隙率渐变且非对称厚度结构的电双层电容的剖视图。
图3是本发明的孔隙率梯变等分双层且非对称孔径结构的电双层电容的剖视图。
图4是本发明的孔隙率梯变等分双层且非对称厚度结构的电双层电容的剖视图。
附图标记：1、集电器；2、正极多孔电极；21、正极外层多孔电极；22、正极内层多孔电极；3、隔离层；4、负极多孔电极；41、负极外层多孔电极；42、负极内层多孔电极；5、集电器。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图和具体实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要指出的是，本文提及的方位词“上”和“下”、“内”和“外”是以本发明的附图中零部件的相对位置为基准定义的，只是为了描述技术方案的清楚及方便，应当理解，此方位词的应用对本申请的保护范围不构成限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例提供的一种变孔隙下的非对称多孔电极结构的电双层超级电容，请参阅图1至4所示，包括依次顺序叠合的集电器1、正极多孔电极2、隔离层3、负极多孔电极4、集电器5，正极多孔电极2和负极多孔电极4的孔隙率均从远离隔离层3的一端向靠近隔离层3的一端线性或阶跃增大；正极多孔电极2的孔径不小于负极多孔电极4的孔径；正极多孔电极2的厚度不大于负极多孔电极4的厚度。
其中，正极多孔电极2和负极多孔电极4的材料均为多孔碳，多孔碳是由硅基和钛基碳化物氯化产生的碳化物衍生碳，电双层超级电容采用浓度为2000mol/m3的H2SO4溶液作为电解质。
实施例1
本发明实施例提供了一种孔隙率渐变且非对称孔径结构的电双层电容，如图1所示，包括依次顺序叠合的集电器1、正极多孔电极2、隔离层3、负极多孔电极4和集电器5，正极多孔电极2和负极多级电极均由单层多孔介质构成，正极多孔电极2和负极多孔电极4的内部孔隙率均从远离隔离层3的一端向靠近隔离层3的一端线性增大，正极多孔电极2的孔径大于负极多孔电极4的孔径，正极多孔电极2的厚度等于负极多孔电极4的厚度。
进一步优化上述实施例，正极多孔电极2和负极多孔电极4的厚度均为80um，正极多孔电极2和负极多孔电极4的均从远离隔离层3的一端向靠近隔离层3的一端由0.20渐变增加至0.40，正极多孔电极2的孔径为0.80-10nm，负极多孔电极4的孔径为0.60-8nm，电解质采用浓度为2000mol/m3的H2SO4溶液，H+的直径为0.76nm，SO42-的直径为0.56nm。
实施例2
本发明实施例提供了一种孔隙率渐变且非对称厚度结构的电双层电容，如图2所示，包括依次顺序叠合的集电器1、正极多孔电极2、隔离层3、负极多孔电极4和集电器5，正极多孔电极2和负极多孔电极4均由单层多孔介质构成，正极多孔电极2和负极多孔电极4的内部孔隙率均从远离隔离层3的一端向靠近隔离层3的一端线性增大，正极多孔电极2的孔径等于负极多孔电极4的孔径，正极多孔电极2的厚度小于负极多孔电极4的厚度。
进一步优化上述实施例，正极多孔电极2的厚度为60um，负极多孔电极4的厚度为100um，正极多孔电极2和负极多孔电极4的均从远离隔离层3的一端向靠近隔离层3的一端由0.20渐变增加至0.40，电解质采用浓度为2000mol/m3的H2SO4溶液，H+的扩散系数为9.3×10-9m2/s，SO42-的扩散系数为1.1×10-9m2/s，正极多孔电极2和负极多孔电极4的孔径范围为0.60～10nm。
实施例3
本发明实施例提供了一种孔隙率梯变等分双层且非对称孔径结构的电双层电容，如图3所示，包括依次顺序叠合的集电器1、正极多孔电极2、隔离层3、负极多孔电极4和集电器5，正极多孔电极2和负极多孔电极4均由双层多孔介质构成，正极多孔电极2和负极多孔电极4的内部孔隙率均从远离隔离层3的一端向靠近隔离层3的一端阶跃增大，正极多孔电极2的孔径大于负极多孔电极4的孔径，正极多孔电极2的厚度等于负极多孔电极4的厚度。
进一步地，正极多孔电极2包括正极外层多孔电极21和正极内层多孔电极22，正极内层多孔电极22与隔离层3连接，正极外层多孔电极21采用厚度为40um、孔隙率为0.20的多孔碳，正极内层多孔电极22采用厚度为40um、孔隙率为0.40的多孔碳，正极外层多孔电极21和正极内层多孔电极22的孔径均为0.80-10nm；负极多孔电极4包括负极外层多孔电极41和负极内层多孔电极42，负极内层多孔电极42与隔离层3连接，负极外层多孔电极41采用厚度为40um、孔隙率为0.20的多孔碳，负极内层多孔电极42采用厚度为40um、孔隙率为0.40的多孔碳，负极外层多孔电极41和负极内层多孔电极42的孔径均为0.60-8nm，正极多孔电极2和负极多孔电极4的厚度均为80um，且孔隙率均从远离隔离层3的一端向靠近隔离层3的一端由0.20阶跃增加至0.40，所选用的电解质为浓度2000mol/m3的H2SO4溶液，H+的直径为0.76nm，SO42-的直径为0.56nm。
实施例4
本发明实施例提供了一种孔隙率梯变等分双层且非对称厚度结构的电双层电容，如图4所示，包括依次顺序叠合的集电器1、正极多孔电极2、隔离层3、负极多孔电极4和集电器5，正极多孔电极2和负极多孔电极4均由双层多孔介质构成，正极多孔电极2和负极多孔电极4的内部孔隙率均从远离隔离层3的一端向靠近隔离层3的一端阶跃增大，正极多孔电极2的厚度小于负极多孔电极4的厚度，正极多孔电极2的孔径等于负极多孔电极4的孔径。
进一步地，正极多孔电极2包括正极外层多孔电极21和正极内层多孔电极22，正极内层多孔电极22与隔离层3连接，正极外层多孔电极21采用厚度为30um，孔隙率为0.20的多孔碳，正极内层多孔电极22采用厚度为30um，孔隙率为0.40的多孔碳，因此正极多孔电极2的总厚度为60um，且孔隙率由0.2阶跃增加至0.40；负极多孔电极4包括负极外层多孔电极41和负极内层多孔电极42，负极内层多孔电极42与隔离层3连接，负极外层多孔电极41采用厚度为50um、孔隙率为0.20的多孔碳，负极内层多孔电极42采用厚度为50um、孔隙率为0.40的多孔碳，因此负极多孔电极4总厚度为100um，且孔隙率由0.20阶跃增加至0.40；所选用的电解质为浓度2000mol/m3的H2SO4溶液，H+的扩散系数为9.3×10-9m2/s,，SO42-的扩散系数为1.1×10-9m2/s，正极多孔电极2和负极多孔电极4的孔径范围为0.60～10nm。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此本发明将不会限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (3)
1.一种变孔隙下的非对称多孔电极结构的电双层超级电容，包括依次顺序叠合的集电器(1)、正极多孔电极(2)、隔离层(3)、负极多孔电极(4)、集电器(5)，所述电双层超级电容采用H2SO4溶液作为电解质，其特征在于：
所述正极多孔电极(2)和所述负极多孔电极(4)的孔隙率均从远离所述隔离层(3)的一端向靠近所述隔离层(3)的一端阶跃增大；
所述正极多孔电极(2)的孔径不小于所述负极多孔电极(4)的孔径；
所述正极多孔电极(2)的厚度不大于所述负极多孔电极(4)的厚度；
所述正极多孔电极(2)和所述负极多孔电极(4)均由双层多孔介质构成，所述正极多孔电极(2)和所述负极多孔电极(4)的内部孔隙率均从远离所述隔离层(3)的一端向靠近所述隔离层(3)的一端阶跃增大；
所述正极多孔电极(2)包括正极外层多孔电极(21)和正极内层多孔电极(22)，所述正极内层多孔电极(22)与所述隔离层(3)连接，所述负极多孔电极(4)包括负极外层多孔电极(41)和负极内层多孔电极(42)，所述负极内层多孔电极(42)与所述隔离层(3)连接。
2.根据权利要求1所述的变孔隙下的非对称多孔电极结构的电双层超级电容，其特征在于，所述正极多孔电极(2)和所述负极多孔电极(4)的材料均为多孔碳。
3.根据权利要求1所述的变孔隙下的非对称多孔电极结构的电双层超级电容，其特征在于，所述电双层超级电容采用浓度为2000mol/m3的H2SO4溶液作为电解质。
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