CN113327769A

CN113327769A - 基于巨介电陶瓷材料的长效储能电容器

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Publication number: CN113327769A
Application number: CN202110607929.0A
Authority: CN
Inventors: 吴永德; 郑洪河
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-06-01
Filing date: 2021-06-01
Publication date: 2021-08-31

Abstract

一种基于巨介电陶瓷材料的长效储能电容器，属于储能器件技术领域。该基于巨介电陶瓷材料的长效储能电容器包括第一固态相和第二固态相，第一固态相和第二固态相中至少一个设有巨介电陶瓷层，巨介电陶瓷层设置在集电极上；第一固态相和第二固态相之间设置有电解质层，电解质层中设有隔膜。本发明基于巨介电陶瓷材料能够制成大容量长效储能电容器，突破了传统物理电容器由于自身体积电阻导致的自放电较快而难以长时间储存电荷的问题。

Description

基于巨介电陶瓷材料的长效储能电容器

技术领域

本发明涉及的是一种电能储能器件领域的技术，具体是一种基于巨介电陶瓷材料的长效储能电容器。

背景技术

在电动汽车、光伏电站、储能电站、移动电子设备等新技术领域中，锂电池是主要储能器件，锂电池的理论最大储能容量密度在300Wh/kg左右，目前的技术已经接近该理论值，但是与石油类能源的汽油相比，体积和重量太大，加(充)电时间长，不能满足大容量电池快速充电及长续航等使用要求，离替代石油能源还有较大的距离；加之全球锂资源的匮乏，锂电池很难作为今后长期依赖的储能器件。因此人们急需寻找一种储能容量更大、加(充)电速度更快、使用寿命更长、更安全环保，地球资源充沛且可以持续发展的大容量、高性能长效储能器件。

巨介电陶瓷材料具有原料资源丰富、价格低廉、储能容量密度高、充放电速度快、使用寿命长等优点，其出现给人们提供了突破现有锂电池使用限制的新希望，引起了世界各国的重视，已成为当今全球研究的重点、热点和最新科技发展的前沿。美国EEStor公司自2001年开始研发陶瓷电容储能器件，相继提出了几十件专利申请，典型地，如US09833609(2001-04-12)、US13401136(2012-02-21)。该公司的研究在世界范围内掀起了巨介电陶瓷材料及其储能器件的研发热潮。

就巨介电陶瓷材料的研发而言，近年来国内外均取得了长足的进展，但在做成可应用的储能器件上，仍步履艰难。理论上讲，当巨介电陶瓷材料的介电常数不小于3万(3×10⁴)时，可以制造出储能容量密度超过现有锂电池的物理电容器。在上述条件下，EEStor公司制造的巨介电陶瓷电容器，其储能容量密度达到了400Wh/kg左右，理论充放电循环寿命不少于10万次。另外查阅近年来的技术资料，可以发现最新的巨介电陶瓷材料其介电常数超过了EEStor公司的产品，达到了10⁵-10⁷，典型地，如中国专利申请CN201610033935.9，CN201810069586.5，CN201810710417.5，CN201810883807.2，CN202010205096.0，而且这些技术在其他性能指标上也实现了对EEStor公司的超越，理论上能够制造性能更强大的储能器件。

如上所述，世界各国的研发人员已对巨介电陶瓷材料进行了相当深入的研究，达到了巨介电陶瓷电容器的理论储能容量密度(300-1000Wh/kg)；然而和EEStor公司一样，即使研发出了体积电阻达到10¹²Ω·cm以及具有高耐电强度的巨介电陶瓷材料，但是物理电容器固有的自放电(漏电)速度快难以长时间保存电量的问题始终难以解决，这成了制作长效储能电容器最后的瓶颈。

物理电容器难以长时间保存电量的根本原因在于其结构，电介质材料具有体积电阻，而电介质材料及其两侧的导电极板均为固体，内部均是电子在传导电荷，如图1所示，因此电子具有了能穿过两个导电极板漏电的通道。物理电容器的上述物理性质决定了其自放电速度快，是电量长时间保存难以逾越的鸿沟。以巨介电陶瓷材料为电介质制作成这样的传统结构物理电容器，也就难以避免会出现相同的问题。

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明由此而来。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种基于巨介电陶瓷材料的长效储能电容器，克服了物理电容器自放电速度快的缺陷，且能够发挥巨介电陶瓷材料储能容量密度大的优势，具有可充电循环使用、寿命长、容量大、续航持久等优势。

本发明包括第一固态相和第二固态相，第一固态相和第二固态相中至少一个设有巨介电陶瓷层，巨介电陶瓷层层叠设置在集电极上；第一固态相和第二固态相之间设置有电解质层，电解质层与巨介电陶瓷层相接触，电解质层中设有隔膜。

巨介电陶瓷材料的分子组成、微观结构和制造工艺并非最重要的影响因素，只要是具有巨介电性能的陶瓷材料均可应用于本发明电容器的制造。巨介电陶瓷材料可以通过涂布工艺与集电极致密结合，然后低温烧制成固态相；也可以通过印刷工艺与集电极致密结合，然后低温烧制成固态相，印刷工艺；也可以先烧结成巨介电陶瓷片，再通过被银的方式与集电极结合制成固态相；此外，还可以通过气相沉积或离子沉积工艺在集电极上制备巨介电陶瓷薄膜，以形成固态相。集电极采用金属极板，如铜极板、铝极板。

对于第一固态相和第二固态相而言，可以采用相同的结构，也可以采用不同的结构。在采用相同结构，即第一固态相和第二固态相均为设有巨介电陶瓷层的集电极时，本发明为对称电极形式的电容器，在采用不同结构，即第一固态相和第二固态相中一个采用设有巨介电陶瓷层的集电极，而另一个采用设有导电层的集电极时，本发明为非对称电极形式的电容器。巨介电陶瓷层和导电层均可以设置不少于一层，导电层可以采用导电碳材料、金属氧化物、导电聚合物中至少一种。

对于电容器中的电解质层而言，可以采用固体电解质，也可以采用液体电解质；采用固体电解质时，本发明电容器为固态巨介电陶瓷电容器。

对于电解质层中的隔膜而言，其采用与电解质种类匹配的纤维材料隔膜、有机材料隔膜和陶瓷材料隔膜中的一种；有机材料隔膜有PP、PE、聚合物电解质隔膜等。

当仅需制作小容量电容器时，第一固态相、电解质和第二固态相构成的三明治结构形式即可满足要求；当需要制成大容量电容器时，可采用卷绕结构或三明治结构层叠而成的叠层串联结构；最终还可通过多个串联和/或并联的方式制成做成更大容量、更高电压的储能组件。

技术效果

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

1)在工作时，本发明电容器可以看成两个“串联”连接的不对称电极形式物理电容器，即第一固态相侧电容器和第二固态相侧电容器；以第一固态相侧电容器为例(第二固态相侧电容器同理)，若第一固态相采用集电极与巨介电陶瓷层层叠的结构形式，即集电极作为一个电极，巨介电陶瓷层作为介电层，电解质作为另一个电极；由于第一固态相侧电容器和第二固态相侧电容器结构相同，一个极是导电金属而另一个极是电解质中的导电离子，因而第一固态相侧和第二固态相侧之一通过电解质中的负电荷粒子吸引集电极上的正电荷，另一通过电解质中的正电荷粒子吸引另一集电极上的负电荷，使得第一固态相侧电容器和第二固态相侧电容器形成了电子阻隔，因此传统物理电容器的漏电问题不复存在；而这两个不对称电极形式物理电容器通过电解质“串联”起来，电解质中设有隔膜，又杜绝了物理短路(导通)；

2)本发明电容器一方面利用了物理电容器中巨介电陶瓷材料介电系数巨大的特性，另一方面利用了陶瓷耐电强度高(100～1000V)的特性，从而可以实现100Wh/kg-1000Wh/kg的储能容量密度；

3)有别于电池(一次电池和二次电池)、电化学电容器，本发明电容器虽然也添加了电解质，但是未发生电化学反应，而是依赖静电作用吸引电荷，属于物理储能，因此具有充放电速度快、循环使用寿命长、受环境温度的影响小、体积小、重量轻、单体电压高、能量密度大、功率密度高等优异特性，相对于现有电池、电化学电容器等储能器件均有很大的优势和进步。

附图说明

图1为现有技术中物理电容器处于充电状态的原理结构示意图；

图2为实施例1中长效储能电容器处于非充电状态的原理结构示意图；

图3为实施例1中长效储能电容器处于充电状态的原理结构示意图；

图中：

第一固态相10，第一集电极11，第一巨介电陶瓷层12；

第二固态相20，第二集电极21，第二巨介电陶瓷层22；

电解质层30；

隔膜40。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细描述。

实施例1

如图2所示，本实施例包括第一固态相10和第二固态相20；优选地，第一固态相10包括层叠设置的第一集电极11和第一巨介电陶瓷层12，第二固态相20包括层叠设置的第二集电极21、第二巨介电陶瓷层22；第一巨介电陶瓷层和第二巨介电陶瓷层之间设有电解质层30，电解质层30中设有隔膜40。优选地，本实施例中电解质层30采用液体电解质。

优选地，第一巨介电陶瓷层12和第二巨介电陶瓷层12的介电系数大于10⁴，具有低损耗、低内阻、高体积电阻、温度曲线平坦等优点。

本实施例中在第一固态相侧和第二固态相侧分别形成不对称电极形式物理电容器，即在第一固态相侧，第一集电极11作为一个电极，第一巨介电陶瓷层12作为介电层，电解质层30作为另一个电极，组成一个不对称电极形式物理电容器-第一固态相侧电容器；而在第二固态相侧，第二集电极21作为一个电极，第二巨介电陶瓷层22作为介电层，电解质层30作为另一个电极，组成另一个不对称电极形式物理电容器-第二固态相侧电容器，电解质层30串联连接这两个不对称电极形式物理电容器。

如图3所示，充电状态下，两不对称电极形式物理电容器-第一固态相侧电容器和第二固态相侧电容器，通过电解液中的离子吸引集电极上的相应电荷，一个通过负电荷粒子(阴离子)吸引正电荷，另一个通过正电荷粒子(阳离子)吸引负电荷，从而实现电子阻隔，避免出现漏电现象，能够长久的存储电量；另一方面电解质层中设置有隔膜，避免了出现物理短路的风险，电解质是离子导体而非电子导体，不具备电子导电性，缺少电子通道。

本实施例中巨介电陶瓷层作为固相和液相之间的相变介质，在把不对称电极形式物理电容器通过电解质巧妙串联成了一体后，形成了类似电化学电容器电双层的结构，兼具巨介电陶瓷电容器储能容量大以及电化学电容器无漏电缺陷的优点。

需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种基于巨介电陶瓷材料的长效储能电容器，其特征在于，包括第一固态相和第二固态相，第一固态相和第二固态相中至少一个设有巨介电陶瓷层，巨介电陶瓷层层叠设置在集电极上；第一固态相和第二固态相之间设置有电解质层，电解质层中设有隔膜。

2.根据权利要求1所述长效储能电容器，其特征是，所述巨介电陶瓷层通过涂布后烧制、印刷后烧制、烧结后被银、气相沉积或离子沉积与集电极结合。

3.根据权利要求1所述长效储能电容器，其特征是，所述第一固态相和第二固态相均设有巨介电陶瓷层。

4.根据权利要求1所述长效储能电容器，其特征是，所述第一固态相和第二固态相中一个设有巨介电陶瓷层，另一个设有导电层；对应导电层，相应地设有集电极。

5.根据权利要求4所述长效储能电容器，其特征是，所述导电层采用导电碳材料、金属氧化物、导电聚合物中至少一种。

6.根据权利要求1所述长效储能电容器，其特征是，所述电解质层包括固体电解质或液体电解质。

7.根据权利要求1或6所述长效储能电容器，其特征是，所述隔膜采用纤维材料隔膜、有机材料隔膜和陶瓷材料隔膜中的一种，与电解质种类匹配。

8.根据权利要求1所述长效储能电容器，其特征是，所述长效储能电容器为一组第一固态相、电解质、第二固态相构成的三明治结构或卷绕结构，或若干三明治结构层叠而成的叠层串联结构。

9.根据权利要求8所述长效储能电容器，其特征是，所述长效储能电容器通过串联和/或并联制成大型电容器。