CN113921894B - 一种基于等离子体态电解质的储能器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于等离子体态电解质的储能器件，包括罐体，正极、负极、绝缘环、凸型密封绝缘体、负极集流体、负极接线柱、密封盖、固定绝缘件以及正极接线柱；该储能器件的正、负极都采用表面积较大的多孔体材料制成，正极的多孔体内含碱金属，负极的多孔体上涂覆有单向导通能力的PN结薄膜，碱金属不仅是电离时的电荷工质，在充电时还起到电解质的作用，为正负极的极化提供电荷来源。该储能器件解决了现有物理储能器件能量密度较低，同时电化学储能器件的储能速度慢的问题，以及储能电池厚电极充放电时利用效率不高的问题，同时该储能器件具有生产工艺简单、成本较低、可适用多种复杂工作环境和应用场景的优点。

Description

一种基于等离子体态电解质的储能器件
技术领域
本发明属于物理储能器件制造领域，具体涉及一种基于等离子体态电解质的储能器件。
背景技术
随着社会和工业技术的发展，人类社会对于电能的需求和依赖愈来愈迫切，矿物能源的不断枯竭以及二氧化碳的大量排放对人们的生存环境带来了严重的威胁。因此，人们越来越重视对太阳能、风能、水利等可再生能源的开发。
随着我国新能源发电规模的快速扩大，风力发电、水利发电、光伏发电、短时调节电力、削峰填谷、纯电动汽车接入将会形成超过数千亿元的工业储能市场。此时，电网与新能源发展的矛盾就越来越突出，对储能的需求也更为迫切。大规模的储能系统己经成为未来智能电网的重要组成部分，开发高效储能技术对于提高发电系统的利用效率、电力质量和促进可再生能源广泛应用具有重大社会与经济效益。
目前的物理储能器件及电化学储能器件种类繁多，如钽电容器、平行板电容器，铅酸电池、镍系电池、全钒流液电池、锂离子电池、钠离子电池等；由于物理储能器件能量密度较低，同时电化学储能器件的储能速度慢，因此现有储能器件储能机理均具有各自的不足。
特别是，以前的厚电极电池，因为工作方式的问题，存在能量不能够完全充放，循环性能差的不足。以锂离子电池为例，若电极采用过厚，在充放电过程中，在电极内部锂离子嵌入或脱嵌效率极低，能量不能得到充分利用。而为了增加电池的储能量，大多采用超薄式电极卷绕或叠片的方式制备，这增加了工艺的难度，使得成本升级。
而且，目前的主流电池也只能在普通环境中使用，很难在强电磁场、辐射环境等复杂工况下正常工作。
在这种技术背景下，如何充分利用厚电极的本身优势，设计一种可快速充放电、能量密度较高且性能稳定的可以适用多种复杂工作环境和应用场景的储能器件已经成为该领域研究的难点。
发明内容
为了解决背景技术中指出现有物理储能器件能量密度较低，同时电化学储能器件的储能速度慢的问题，且储能电池厚电极充放电时利用效率不高的不足，本发明提供一种基于等离子体态电解质的储能器件。
本发明的原理是：
本发明基于等离子体电离的原理，结合电化学电容器与物理电容器原理发明的一种储能器件。该储能器件的正、负极都采用表面积较大的多孔材料制成，正极的多孔基体内含碱金属，负极的多孔基体上涂覆有单向导通能力的PN结薄膜，碱金属不仅是电离时的电荷工质，在充电时还起到电解质的作用，为正负极的极化提供电荷来源。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种基于等离子体态电解质的储能器件，包括罐体，正极、负极、绝缘环、凸型密封绝缘体、负极集流体、负极接线柱、密封盖、固定绝缘件以及正极接线柱；
正极为含有碱金属的多孔环状柱体；
负极包括多孔柱状体以及覆盖于多孔柱状体表面的具有电流单向导通能力的PN结薄膜；
正极、负极均同轴设置于所述罐体内，正极的外圆表面与罐体内壁紧密配合，负极的外圆表面与正极的内孔之间形成环形间隙；
正极的上端压装有绝缘环；
负极的上端安装负极集流体，负极集流体穿过罐体上端密封盖的中心孔后与所述负极接线柱连接；负极的下端与固定安装于罐体底部的固定绝缘件连接；
罐体的侧壁上安装有正极接线柱，以及抽真空接口；
负极集流体与密封盖中心孔之间、密封盖与罐体上端面之间通过一个凸型密封绝缘体支撑隔离；
凸型密封绝缘体与密封盖之间、凸型密封绝缘体与负极接线柱之间，凸型密封绝缘体与负极集流体之间、凸型密封绝缘体与罐体上端面之间均设有环形密封铜垫。
进一步地，罐体和密封盖之间采用螺纹连接；负极接线柱与负极集流体之间采用螺纹连接，并涂敷螺纹密封胶，正极接线柱通过螺纹和导电胶连接于罐体侧壁上。
进一步地，上述多孔柱状体采用石墨烯或石墨或活性炭制作。
进一步地，上述多孔环状柱体可以采用多孔电气石材料制备。
进一步地，当该多孔环状柱体采用多孔电气石材料制备时，其原料配方按照质量百分比包括：电气石粉40-45％、CeO2粉0.1-5％、羧甲基纤维素钠0.1％-1.0％、石墨粉0.1-1.0％和ZrO2粉0.1％-5％，烧结助剂0.1％-1.0％以及造孔剂40-55％。
进一步地，该多孔环状柱体采用多孔电气石材料制备的具体过程为：
步骤1：按照配方称取各组分并进行均匀混合；
步骤2：将混合后的多孔环状柱体原料中按照球料比2:1加入玛瑙磨球进行球磨处理；
步骤3：浆料真空除泡：
步骤4：浆料冷冻及等静压成型：先将浆料移至单向冷冻成型装置中，进行冷冻初步成型，再将其至于磨具中在等静压下，进行进一步压制成型，该步骤的冷冻温度为-10℃至-40℃；
步骤5：坯体干燥：在真空冷冻干燥机中进行干燥，干燥时间为12-24小时，将坯体中的冰升华排出；
步骤6：样品烧结：将干燥好的坯体放入等离子体烧结炉中匀速升温至100℃-200℃，使游离水排出，快速升温至280℃-500℃，使造孔剂分解；再快速升温至800℃-1000℃煅烧，保温10min-30min；最后经缓慢冷却至常温，制得多孔环状柱体。
进一步地，该多孔环状柱体(即正极)采用多孔电气石材料制备时，该储能器件的制作方法具体为：
步骤1：将储能器件所有零部件均置于氧含量、水含量均低于1ppm的手套箱中；
步骤2：制备正极
步骤2.1：将多孔环状柱体置于罐体内，盖上密封盖，将密封盖的中心孔与抽真空装置连接，对罐体内部进行抽真空，使得罐体内部的真空度低于0.1Pa，同时对罐体进行加热，将罐体的温度加热到该气压下碱金属的气化温度之上；
步骤2.2：根据多孔环状柱体的孔隙率计算碱金属的沉积量，并将称量好的过量碱金属在惰性气体保护下进行高温融化；
步骤2.3：将熔融的液态碱金属通过抽真空装置中的真空阀快速注入罐体内后关闭真空阀，并继续按照步骤2.1的温度进行恒温加热，加热时间大于10分钟，液态碱金属在加热过程中转化为气态并渗透至多孔环状柱体的孔隙中；
步骤2.4：以小于等于10℃/min的降温速度对装载有吸附有碱金属的多孔环状柱体进行降温，温度降至碱金属的熔点温度到熔点温度+50℃的温度区间时，打开真空阀，将罐体内剩余的液态碱金属抽出，从而完成正极的制备；
步骤3：制备负极
通过等离子喷涂的方式，在多孔柱状体的表面制备一层具有电流单向导通能力的PN结薄膜，从而完成负极的制备；
步骤4：对罐体继续降温，当温度降至常温时，拆下密封盖，将绝缘件固定安装于罐体内底部，并将制备完成的负极同轴设置于正极内孔中，并将负极下端与该绝缘件通过螺纹固定；
步骤5：在正极上端面通过耐高温胶连接绝缘环；
步骤6：将负极上端与负极集流体螺纹连接固定，并在螺纹间涂导电胶；
步骤7：安装凸型密封绝缘体，环形密封铜垫以及密封盖；
步骤8：再将负极接线柱和负极集流体上端通过螺纹连接，同时通过环形密封铜垫及真空密封胶进行密封，密封前打开抽真空接口对罐体内再次进行抽真空操作，保证内部压强小于1Pa；
步骤9：正极接线柱和罐体之间通过螺纹连接并点焊固定。
进一步地，所述正极采用碱金属材料、电气石材料结合塑料闪烁体材料制备。
进一步地，当正极采用碱金属材料、电气石材料结合塑料闪烁体材料制备时，该储能器件的制作方法具体为：
步骤1：将储能器件所有零部件均置于氧含量、水含量均低于1ppm的手套箱中；
步骤2：将已制作完成的正极置于罐体中；
步骤3：通过等离子喷涂的方式，在多孔柱状体的表面制备一层具有电流单向导通能力的PN结薄膜，从而完成负极的制备；
步骤4：将绝缘件固定安装于罐体内底部，并将制备完成的负极置于正极内孔中，并将负极下端与该绝缘件通过螺纹固定；
步骤5：在正极上端面通过耐高温胶连接绝缘环；
步骤6：将负极上端与负极集流体螺纹连接固定，并在螺纹间涂导电胶；
步骤7：安装凸型密封绝缘体，环形密封铜垫以及密封盖；
步骤8：再将负极接线柱和负极集流体上端通过螺纹连接，同时通过环形密封铜垫及真空密封胶进行密封，密封前打开抽真空接口对罐体内再次进行抽真空操作，保证内部压强小于1Pa；
步骤9：正极接线柱和罐体侧壁之间通过螺纹连接并点焊固定。
本发明的有益效果是:
与现有技术相比，本发明的优点在于:
1、本发明采用由罐体、含有碱金属工质的多孔环状体正极、喷涂有单向电流导通PN结膜的多孔柱状体负极、绝缘环、凸型密封绝缘体、负极集流体、负极接线柱、密封盖、固定绝缘件以及正极接线柱构成的储能器件，其储能机理是将多孔体正极中的碱金属物质在强辐射环境，强电场环境，强紫外环境等作用下，电离产生等离子态物质并在外加电场力的作用下，电子可以通过具有单向导通特性的PN结薄膜结构，实现正负电荷分离，形成正负电荷层，高效实现能量存储，这种结构和工作方式，克服了正负电极因为过厚而存在的充放电不彻底的不足，与现有电化学储能器件相比，可实现快速充电，且储能密度远大于现有厚电极电池，且制备工艺较薄片电池的生产工艺简单、成本较低；本发明的容量密度高，电极活性物质的容量密度即为采用的碱金属容量密度，最高为3861Ah/kg，远大于现有物理储能器件的容量密度。
2、本发明为固体储能器件(相当于固体电池)，充放电过程中不会产生污染物质，且使用过程较为安全，符合环保要求；
3、本发明储能器件的充电方式充分利用了空间辐射能量，可满足深空探测活动中的应用，将辐射能转换为电能，可以为深空探测活动提供电源。
4、本发明制备的采用含碱金属的电气石复合材料结合塑料闪烁体材料制备的正极具有在辐射射线作用下，产生电流的功能，在深空探测和人工核辐射环境中，可以充分利用空间中射线能量，将之转换为电能，且制备方法较传统传统方法方便简洁、制备效率高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为负极的结构示意图。
附图标记如下：
1-罐体；2-正极；3-负极、31-PN结薄膜；4-绝缘环；5-凸型密封绝缘体；6-负极集流体；7-负极接线柱；8-环形间隙；9-密封盖；10-固定绝缘件；11-正极接线柱；12-环形密封铜垫；13-固定螺母、14-抽真空接口。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接：同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本实施例提供一种基于等离子体态电解质的储能器件的具体结构，如图1所示，包括罐体1，正极2、负极3、绝缘环4、凸型密封绝缘体5、负极集流体6、负极接线柱7、密封盖9、固定绝缘件10以及正极接线柱11；
正极2为含有碱金属的多孔环状柱体，碱金属为易电离材料，可以采用锂、铍、钠、镁、钾、钙、铷、锶、铯、钡等金属材料中的任意一种；
负极3包括石墨烯制备的多孔柱状体，以及覆盖于多孔柱状体表面的具有电流单向导通能力的PN结薄膜31；
正极2和负极3同轴设置于罐体内；正极2的外圆表面与罐体内壁紧密配合，负极3的外圆表面与正极2的内孔之间形成环形间隙8；
正极2的上端压装有固定及绝缘作用的绝缘环4；
负极3下端于起固定和绝缘作用的固定绝缘件10连接，固定绝缘件10固定安装在罐体1底部；负极3上端通过螺纹连接的方式安装有固定及导通电流作用的的负极集流体6；
负极集流体6与密封盖中心孔之间、密封盖与罐体上端面之间通过一个凸型密封绝缘体5支撑隔离；
负极集流体6一端与负极3上端连接，另一端穿过凸型密封绝缘体5后与所述负极接线柱7螺纹连接，并该连接部分涂敷螺纹密封胶；
罐体1的侧壁上安装有正极接线柱11，以及抽真空接口14；罐体1的顶部通过螺纹旋合的方式与密封盖9连接；
负极接线柱7和正极接线柱11上均设有固定螺母13；
为保证整个储能器件与外界的绝缘和密封，凸型密封绝缘体5与密封盖9之间、凸型密封绝缘体顶部5与负极接线柱底部之间，凸型密封绝缘体2与负极集流体6之间、凸型密封绝缘体5与罐体1上端面之间均设有环形密封铜垫12。
需要重点说明的一点是：
本发明中正极有两种制备方式：第一种形式是：采用多孔电气石材料制备，该方式中正极制备过程中是制作储能器件的其中一个步骤；第二种形式为：采用碱金属、电气石材料结合塑料闪烁体材料制备，该方式中正极制备与储能器件制作分开进行。
下面通过实施例1和2来对采用以上两种不同制备方式形成的正极的储能器件进行更加具体的介绍。
实施例1
本实施例正极中使用的正极以多孔电气石材料制备(即第一种形式)，在此基础上该储能器件的制作过程如下：
步骤1：将储能器件所有零部件均置于氧含量、水含量均低于1ppm的手套箱中；
步骤2：制备正极
步骤2.1：将多孔环状柱体置于罐体内，盖上密封盖，将密封盖的中心孔与抽真空装置连接，对罐体内部进行抽真空，使得罐体内部的真空度低于0.1Pa，同时对罐体进行加热，将罐体的温度加热到该气压下碱金属的气化温度T1之上，本实施例中由于碱金属采用金属锂，因此T1＝600℃；
步骤2.2：根据多孔环状柱体的孔隙率计算碱金属的沉积量，并将称量好的过量碱金属在惰性气体保护下进行高温融化，加热温度大于183℃；
步骤2.3：将熔融的液态碱金属通过抽真空装置中的真空阀快速注入罐体内后关闭真空阀，并继续进行600℃的恒温加热，加热时间大于10分钟，液态碱金属在加热过程中转化为气态并渗透至多孔环状柱体的孔隙中；
步骤2.4：以小于等于10℃/min的降温速度对装载有碱金属的罐体及正极进行降温，温度降至碱金属的熔点温度到熔点温度+50℃的温度区间(本实施例中该温度区间为：183℃-233℃)温度区间时，打开真空阀，将罐体内剩余的液态碱金属抽出，从而完成正极的制备；
步骤3：制备负极
通过等离子喷涂的方式，在多孔柱状体的表面制备一层具有电流单向导通能力的PN结薄膜，从而完成负极的制备；
步骤4：对罐体继续降温，当温度降至至常温时，拆下密封盖，将绝缘件固定安装于罐体内底部(本实施例中绝缘件是通过设置在罐体内底部的卡槽固定的)，并将制备完成的负极置于正极内孔中，并将负极下端与该绝缘件通过螺纹固定；
步骤5：在正极上端面通过耐高温胶连接绝缘环；
步骤6：将负极上端与负极集流体螺纹连接固定，并在螺纹间涂导电胶；
步骤7：安装凸型密封绝缘体，环形密封铜垫以及密封盖；
步骤8：再将负极接线柱和负极集流体上端通过螺纹连接，同时通过环形密封铜垫及真空密封胶进行密封，密封前打开抽真空接口14对罐体内再次进行抽真空操作，保证罐体内部压强小于1Pa；
步骤9：正极接线柱和罐体之间通过螺纹连接并点焊固定。
还需要说明的是：采用多孔电气石材料制备的多孔环状柱体，其原料配方按照质量百分比包括：电气石粉(如锂电气石、镁电气石、钙电气石、钙锂电气石、钙镁电气石中的一种或者多种)40-45％、CeO2粉0.1-5％、羧甲基纤维素钠0.1％-1.0％、石墨粉0.1-1.0％和ZrO2粉0.1％-5％，烧结助剂0.1％-1.0％，造孔剂40-55％(造孔剂为有机聚合物造孔剂，如：聚丙烯酸树脂，聚甲基丙烯酸甲酯等)。
该多孔环状柱体的具体制备方法为：
步骤S1：按照上述配方称取原料并将其进行混合均匀；
步骤S2：在原料中按照球料比2:1加入玛瑙磨球进行球磨过程；
步骤S3：浆料真空除泡：
多孔电气石材料在冷冻成型前要经过真空除气装置除去浆料中的气泡，并在除气过程中对浆料进行搅拌，通常情况下该步骤中放入真空除气时间为5min-10min；
步骤S4：浆料冷冻及等静压成型：先将浆料移至单向冷冻成型装置中，进行冷冻初步成型，再将其至于磨具中在等静压下，进行进一步压制成型，该步骤的冷冻温度为-10℃至-40℃；
步骤S5：坯体干燥：多孔电气石材料在真空冷冻干燥机中进行干燥，干燥时间为12-24小时，将坯体中的冰升华排出；
步骤S6：样品烧结：将干燥好的坯体放入等离子体烧结炉中匀速升温至100℃-200℃，使原料中游离水排出，快速升温至280℃-500℃，是原料中的造孔剂分解；再快速升温至800℃-1000℃煅烧，保温10min-30min；最后经缓慢冷却至常温，制得多孔环状柱体原料；
在上述制备过程中：电气石粉平均粒径为1-10μm，CeO2粉平均粒径为1-8μm，ZrO2粉平均粒径为1-8μm，石墨粉的平均粒径1-20μm，造孔剂的平均粒径1-5μm，烧结助剂平均粒径0.5-1μm，羧甲基纤维素钠平均粒径1-50μm。
上述储能器件具有两种充放电方式：
第一种充放电方式：
当储能器件充电时：将负极接线柱7接高压脉冲直流电源正极，正极接线柱11接高压脉冲直流电源负极，打开高压脉冲直流电源后(高压脉冲直流电源的电压为1000V)，在高压脉冲作用下，将储存在正极多孔环状柱体中的碱金属电离形成等离子体态物质，在电场的作用下，等离子体态物质中的电子流经过环形间隙8后，再经过涂覆在负极表面的单向导通PN结薄膜后，到达负极的内部进行存储；当碱金属完全电离，并将所有电荷完全分离后，各自存储至正负极后，断开充电电源，此时正负极之间形成电位差，且储能器件的储能密度可高达3861Ah/kg。
当储能器件放电时：将负极接线柱7接负载的负极，正极接线柱11接负载的正极，可实现大电流快速释放。本发明充电方式高效快速，可实现充电时间小于30s；可实现快速大电流放电。
第二种充放电方式：
当储能器件充电时：
将负极接线柱7接具有防辐射能力的直流电源正极，正极接线柱11接具有防辐射能力的直流电源负极，打开防辐射能力直流电源(直流电源的电压为5V)后，将整个装置至于强辐射环境下，在辐射射线的作用下多孔环状柱体内的碱金属开始电离，形成等离子体态物质，在电场的作用下，等离子体态物质中的电子流经过环形间隙8后，再经过涂覆在负极表面的单向导通PN结薄膜后，到达负极的内部进行存储；当碱金属完全电离，并将所有电荷完全分离后，各自存储至正负极后，断开充电电源，此时正负极之间形成电位差。
当储能器件放电时：
将负极接线柱7接负载的负极，正极接线柱11接负载的正极，可实现大电流快速释放。本发明充电方式高效快速，可实现充电时间小于30s；可实现快速大电流放电。(这种环境下，可以实现辐射能源的转换与存储，实现废辐射能的收集利用。)
实施例2
本实施例正极中使用的多孔环状柱体采用含碱金属的电气石复合材料结合塑料闪烁体材料制备(即第二种形式)，该形式是以塑料闪烁体为网络骨架，含碱金属的电气石复合材料均匀分布在网络状多孔结构中。
该形式制作的正极具有在辐射射线作用下，产生电流的功能，在深空探测和人工核辐射环境中，可以充分利用空间中射线能量，将之转换为电能。
该储能器件的具体制备方法与实施例1不同之处在于，该实施例中正极在储能器件整体制作之前已经提前制备完成：
上述储能器件也具有一种适用于强辐射环境的充放电方式：
当储能器件充电时：将负极接线柱7接具有防辐射能力的直流电源正极，正极接线柱11接具有防辐射能力的直流电源负极，打开直流电源后(直流电源的电压为5V)，将整个装置至于强辐射环境下，在辐射射线的作用下，辐射射线先与正极相互作用，产生紫外线，紫外线照射碱金属，发生光致电离作用，将碱金属变为等离子体态物质，在电场的作用下，等离子体态物质中的电子流经过环形间隙，再经过涂覆在负极表面的单向导通PN结薄膜后，到达负极的内部进行存储；当当碱金属完全电离，并将所有电荷完全分离后，各自存储至正负极后，断开充电电源，此时正负极之间形成电位差；
当储能器件放电时：负极接线柱7接负载的负极，正极接线柱11接负载的正极，可实现大电流快速释放。本发明充电方式高效快速，可实现充电时间小于30s；可实现快速大电流放电。

Claims (7)

1.一种基于等离子体态电解质的储能器件，其特征在于：包括罐体(1)，正极(2)、负极(3)、绝缘环(4)、凸型密封绝缘体(5)、负极集流体(6)、负极接线柱(7)、密封盖(9)、固定绝缘件(10)以及正极接线柱(11)；
正极(2)为含有碱金属的多孔环状柱体，所述多孔环状柱体采用多孔电气石材料制备；
负极(3)包括多孔柱状体以及覆盖于多孔柱状体表面的具有电流单向导通能力的PN结薄膜(31)，所述多孔柱状体采用石墨烯或石墨或活性炭制作；
正极(2)、负极(3)均同轴设置于所述罐体(1)内，正极(2)的外圆表面与罐体内壁紧密配合，负极(3)的外圆表面与正极(2)的内孔之间形成环形间隙(8)；
正极(2)的上端压装有绝缘环(4)；
负极(3)的上端安装负极集流体(6)，负极集流体(6)穿过罐体上端密封盖的中心孔后与所述负极接线柱(7)连接；负极(3)的下端与固定安装于罐体(1)底部的固定绝缘件(10)连接；
罐体(1)的侧壁上安装有正极接线柱(11)，以及抽真空接口(14)；
负极集流体(6)与密封盖中心孔之间、密封盖与罐体上端面之间通过一个凸型密封绝缘体(5)支撑隔离；
凸型密封绝缘体(5)与密封盖(9)之间、凸型密封绝缘体(5)与负极接线柱(7)之间，凸型密封绝缘体(5)与负极集流体(6)之间、凸型密封绝缘体(5)与罐体(1)上端面之间均设有环形密封铜垫(12)。
2.根据权利要求1所述的基于等离子体态电解质的储能器件，其特征在于：罐体(1)和密封盖之间采用螺纹连接；负极接线柱(7)与负极集流体(6)之间采用螺纹连接，并涂敷螺纹密封胶，正极接线柱通过螺纹和导电胶连接于罐体侧壁上。
3.根据权利要求2所述的基于等离子体态电解质的储能器件，其特征在于：所述多孔环状柱体原料配方按照质量百分比包括：电气石粉40-45％、CeO2粉0.1-5％、羧甲基纤维素钠0.1％-1.0％、石墨粉0.1-1.0％和ZrO2粉0.1％-5％，烧结助剂0.1％-1.0％以及造孔剂40-55％。
4.根据权利要求3所述的基于等离子体态电解质的储能器件，其特征在于：该多孔环状柱体的具体制备方法为：
步骤1：按照配方称取各组分并进行均匀混合；
步骤2：将混合后的多孔环状柱体原料中按照球料比2:1加入玛瑙磨球进行球磨处理；
步骤3：浆料真空除泡：
步骤4：浆料冷冻及等静压成型：先将浆料移至单向冷冻成型装置中，进行冷冻初步成型，再将其至于磨具中在等静压下，进行进一步压制成型，该步骤的冷冻温度为-10℃至-40℃；
步骤5：坯体干燥：在真空冷冻干燥机中进行干燥，干燥时间为12-24小时，将坯体中的冰升华排出；
步骤6：样品烧结：将干燥好的坯体放入等离子体烧结炉中匀速升温至100℃-200℃，使游离水排出，快速升温至280℃-500℃，使造孔剂分解；再快速升温至800℃-1000℃煅烧，保温10min-30min；最后经缓慢冷却至常温，制得多孔环状柱体。
5.根据权利要求1或2所述的基于等离子体态电解质的储能器件，其特征在于，该储能器件的制作方法具体为：
步骤1：将储能器件所有零部件均置于氧含量、水含量均低于1ppm的手套箱中；
步骤2：制备正极
步骤2.1：将多孔环状柱体置于罐体内，盖上密封盖，将密封盖的中心孔与抽真空装置连接，对罐体内部进行抽真空，使得罐体内部的真空度低于0.1Pa，同时对罐体进行加热，将罐体的温度加热到该气压下碱金属的气化温度之上；
步骤2.2：根据多孔环状柱体的孔隙率计算碱金属的沉积量，并将称量好的过量碱金属在惰性气体保护下进行高温融化；
步骤2.3：将熔融的液态碱金属通过抽真空装置中的真空阀快速注入罐体内后关闭真空阀，并继续按照步骤2.1的温度进行恒温加热，加热时间大于10分钟，液态碱金属在加热过程中转化为气态并渗透至多孔环状柱体的孔隙中；
步骤2.4：以小于等于10℃/min的降温速度对装载有吸附有碱金属的多孔环状柱体进行降温，温度降至碱金属的熔点温度到熔点温度+50℃的温度区间时，打开真空阀，将罐体内剩余的液态碱金属抽出，从而完成正极的制备；
步骤3：制备负极
通过等离子喷涂的方式，在多孔柱状体的表面制备一层具有电流单向导通能力的PN结薄膜，从而完成负极的制备；
步骤4：对罐体继续降温，当温度降至常温时，拆下密封盖，将固定绝缘件(10)固定安装于罐体内底部，并将制备完成的负极同轴设置于正极内孔中，并将负极下端与固定绝缘件(10)通过螺纹固定；
步骤5：在正极上端面通过耐高温胶连接绝缘环；
步骤6：将负极上端与负极集流体螺纹连接固定，并在螺纹间涂导电胶；
步骤7：安装凸型密封绝缘体，环形密封铜垫以及密封盖；
步骤8：再将负极接线柱和负极集流体上端通过螺纹连接，同时通过环形密封铜垫及真空密封胶进行密封，密封前打开抽真空接口对罐体内再次进行抽真空操作，保证内部压强小于1Pa；
步骤9：正极接线柱和罐体之间通过螺纹连接并点焊固定。
6.根据权利要求1或2所述的基于等离子体态电解质的储能器件，其特征在于：所述正极采用碱金属材料、电气石材料结合塑料闪烁体材料制备。
7.根据权利要求6所述的基于等离子体态电解质的储能器件，其特征在于，该储能器件的制作方法具体为：
步骤1：将储能器件所有零部件均置于氧含量、水含量均低于1ppm的手套箱中；
步骤2：将已制作完成的正极置于罐体中；
步骤3：通过等离子喷涂的方式，在多孔柱状体的表面制备一层具有电流单向导通能力的PN结薄膜，从而完成负极的制备；
步骤4：将固定绝缘件(10)固定安装于罐体内底部，并将制备完成的负极置于正极内孔中，并将负极下端与固定绝缘件(10)通过螺纹固定；
步骤5：在正极上端面通过耐高温胶连接绝缘环；
步骤6：将负极上端与负极集流体螺纹连接固定，并在螺纹间涂导电胶；
步骤7：安装凸型密封绝缘体，环形密封铜垫以及密封盖；
步骤8：再将负极接线柱和负极集流体上端通过螺纹连接，同时通过环形密封铜垫及真空密封胶进行密封，密封前打开抽真空接口对罐体内再次进行抽真空操作，保证内部压强小于1Pa；
步骤9：正极接线柱和罐体侧壁之间通过螺纹连接并点焊固定。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101116808A (zh) * 2006-08-04 2008-02-06 深圳市海川实业股份有限公司 一种具有负离子释放功能的光催化粉体及其制备方法
CN101274176A (zh) * 2007-12-19 2008-10-01 华南理工大学 电气石功能陶瓷滤芯的制备方法
CN101453028A (zh) * 2007-11-28 2009-06-10 肖远科 等离子体燃料电池
WO2015134047A1 (en) * 2014-03-03 2015-09-11 Blacklight Power, Inc. Photovoltaic power generation systems and methods regarding same

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012009010A2 (en) * 2010-07-13 2012-01-19 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Energy storage device with large charge separation
DE102011122658A1 (de) * 2011-12-30 2013-07-04 Li-Tec Battery Gmbh Verfahren und System zur Herstellung elektrochemischer Zellen für elektrochemische Energiespeicher

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101116808A (zh) * 2006-08-04 2008-02-06 深圳市海川实业股份有限公司 一种具有负离子释放功能的光催化粉体及其制备方法
CN101453028A (zh) * 2007-11-28 2009-06-10 肖远科 等离子体燃料电池
CN101274176A (zh) * 2007-12-19 2008-10-01 华南理工大学 电气石功能陶瓷滤芯的制备方法
WO2015134047A1 (en) * 2014-03-03 2015-09-11 Blacklight Power, Inc. Photovoltaic power generation systems and methods regarding same

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
高压脉冲放电震源及其放电特性;樊爱龙;孙鹞鸿;徐旭哲;严萍;;高电压技术(03);223-228 *

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