CN114597071B - 一种固态储能单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固态储能单元，其特征在于：包括两个极板；两层薄层，两层所述薄层分别附着在两个所述极板的相对侧面上，所述薄层为多孔构造；固态离子导电层，所述固态离子导电层置于两层所述薄层之间。本发明利用固态储能代替液态储能，同时能够藏储锂原子以及可以储藏和放出锂离子，提高储能密度，明显缩短充放电时间，优化能量存储单元的能量和充放电跟踪响应性能。
Description
技术领域
本发明涉及储能电池，具体是一种固态储能单元。
背景技术
仿照液态电气二重层的蓄电构造的固态电气二重层(S-EDLC:Solid-ElectricDouble Layer Capacitor)虽然还没有在储能市场内得到大量的应用，但已受到极大的重视，在全世界范围内对S-EDLC的开发正如火如荼地展开。固态储能单元构造与液态储能单元在蓄电结构上高度相似，最显著的区别是采用没有爆炸腐蚀且电学性质更加稳定的固态媒质，因此对蓄电无贡献的空间得以去除等诸难题得以改进，但是在迄今为止的方案中，对提高储能质量的无关体积还是占了相当的体积，这对进一步提高储能密度形成了难以逾越的物理壁垒。
发明内容
为解决上述现有技术的缺陷，本发明提供一种固态储能单元，本发明利用固态储能代替液态储能，同时能够储藏锂原子以及可以储藏和放出锂离子，提高储能密度，明显缩短充放电时间，优化能量存储单元的能量和充放电跟踪响应性能。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：一种固态储能单元，包括两个极板；
两层薄层，两层所述薄层分别附着在两个所述极板的相对侧面上，所述薄层为多孔构造；
固态离子导电层，所述固态离子导电层置于两层所述薄层之间。
进一步地，当两个所述极板外加电压为阈值电压时，所述固态离子导电层靠近两个所述极板的部分与该对应极板和对应薄层共同形成扩散型电气二重层。
进一步地，当两个所述极板外加电压大于所述阈值电压时，发生电化学反应，电能以化学能的形式储藏。
进一步地，两个所述极板间承受的最大电压高于8V。
进一步地，所述固态离子导电层的厚度5-50nm。
进一步地，所述固态离子导电层采用耐压高的离子晶体薄层。
进一步地，所述固态储能单元的总厚度15-80nm。
进一步地，两个所述极板均采用薄金属铜材料。
综上所述，本发明取得了以下技术效果：
1、本发明在固态蓄电媒质基础上推出固态薄膜准电容储能单元构造，对应正极和负极的储能含锂金属化合物夹着离子导体薄层，正极和负极用薄金属铜作为对外引线，两个极板和薄层均采用较薄的材料，能够压缩厚度，减小体积，去除大量无用的储能空间；
2、本发明S-QC具有极薄的固体薄层可以明显缩短充放电时间，优化能量存储单元的能量、充放电跟踪响应性能；
3、本发明S-QC能量密度比S-EDLC和L-EDLC高一个数量级；
4、本发明S-QC利用固态导电层无爆炸隐患问题；
5、本发明S-QC储能芯片给储能单元施加超过阈值电压时，发生电化学反应，电能以化学能的形式储藏，其最大电压可超过8V。
附图说明
图1是本发明实施例提供的液态L-EDLC的构造原理图；
图2是本发明实施例提供的固态S-EDLC的构造原理图；
图3是本发明实施例提供的S-QC的构造原理图；
图4是本发明实施例提供的传统离子电池动作机理示意图；
图5是本发明实施例提供的S-QC储电单元的工作原理；
图6是本发明实施例提供的S-EDLC储电单元示意图；
图7是本发明实施例提供的S-QC储电单元示意图；
图8是本发明实施例提供的4种储能电池的能量密度与功率密度的关系示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
实施例：
市场化的液态电介质层L-EDLC(液态电解质电气二重型电容器型储能电池，下述液态L-EDLC)的缺点非常明显：①高温时会局部膨胀气化爆炸；②储能元器件的体积和自重都相对大。如图1所示为液态L-EDLC的构造以及对储能无贡献区域示意图，其中无贡献区域较大，储能密度较低。
在介绍本发明之前，先介绍一下固体离子导电型电容器型储能电池(SolidElectric Double Layer Capacitor)，即S-EDLC，下述固态S-EDLC。
固态S-EDLC是针对液态L-EDLC提出的固态储能构造，具体是利用固态导电代替液态导电，其中，如图2所示，其具备第一极板1和第二极板2以及夹设于两个极板之间的固态离子导电层3，其相对于液态储能提高了储能密度、降低了体积和厚度。
而本发明提出一种固态储能单元，如图3所示，包括两个极板，具体是第一极板1和第二极板2，其中，第一极板1作为正极，第二极板2作为负极。
本发明的固态储能单元还包括两层薄层，两层薄层分别附着在两个极板的相对侧面上，薄层为多孔构造；具体是第一薄层4贴附在第一极板1的内壁上，第二薄层5贴附在第二极板2的内壁上，第一薄层4和第二薄层5均采用多孔的形式便于储存和释放锂离子，其中，第一薄层4和第二薄层5采用藏储锂原子以及可以储藏和放出锂离子的材料，例如第一薄层4为LiCoO2、LiNiO2或Li1+x(Fe0.3Mn0.5Ti0.2)1-xO2(0<x<1/3)等材料；第二薄层5为Li4Ti5O12/C复合材料或SiOx复合材料等。
本发明的固态储能单元还包括固态离子导电层3，固态离子导电层3置于两层薄层之间，具体是置于第一薄层4和第二薄层5之间。
在本实施例中，两个极板均采用薄金属铜材料，鉴于铜金属的良好延展性和加工特性，以上述两个极板、两层薄层、一个固态离子导电层形成准电容复合构造，即如图3所示的对应正极和负极的储能锂金属夹着离子导体薄层构造，且该构造的正极和负极用薄金属铜作为对外引线。也就是说，相对于基于液态蓄电媒质材质的液态准电容储能单元来说，本发明是基于固态蓄电媒质的固态薄膜准电容储能单元构造，即固态准电容构造S-QC(SolidQuasi Capacitor)，使得本储能单元的能量密度理论上可以达到1000Wh/kg。
在固态准电容构造S-QC中，当两个极板外加电压为阈值电压时，固态离子导电层3靠近两个极板的部分与该对应极板和对应薄层共同形成扩散型电气二重层，即，固态离子导电层3靠近第一极板1的部分，与第一极板1、与第一薄层4共同形成扩散型电气二重层，同理，固态离子导电层3靠近第二极板2的部分，与第二极板2、与第二薄层5共同形成扩散型电气二重层。
与传统离子电池相比较而言，如图4所示传统离子电池动作机理示意图，在正极(Anode)和负极(Cathode)间充满了液态含锂离子的电解质(electrolytes)，为防止正负电极间锂离子的短路接触，在正负电极之间布置有绝缘隔膜(separator)，当外加电压使储能单元处于充电状态时，锂离子将被来自正极板的电子的中和而将锂离子储藏在阳极附近的储藏体中。与此同时，同量的负极一面的多孔质薄层中将会放出锂离子。储能单元放电过程与此相反，在正负极间产生电压，这是锂离子电池的动作原理。
如图5所示是本技术的S-QC处于低电压充电的情形，即处于阈值电压Vth下的充电情形，其中，阈值电压Vth最大值为2V，在0.5～2V范围内，此过程中，在正负电极附近形成上述的电气二重层，达到储能的目的。当外加电压高于阈值充电电压时，电气二重层内形成的锂离子被来自电极的电子中和，在正极的锂离子储层体内储存。与此同时，同量的负极一侧的多孔质薄层内将放出锂离子，锂离子导体获得高速补充能量。在此过程中，电气能量以化学能量形式储藏。由于关联储能材质均为薄膜构造，电学能量和化学能量的相互变换比二次电池的应答的反应速度要快得多。反之储能电池在放电时，上述能量变换过程为完全可逆过程，锂离子将会快速从阴极返回到阳极，使储能单元逐渐恢复电中性。能量密度直接决定于锂原子的总体密度和总量。
在此特别强调L-EDLC、L-QC以及锂电池构造的液态电解质层一般在100μm到1000μm的数量级，并且其中大部分为对储能没有贡献的空间构造。而在本发明的储能单元中，储能层的总厚度低于100nm。从两极板间距的角度而言，极板间距缩小到万分之一，对锂资源的需求量也相应降低了至少千分之一。多层储能单元并联在一起施加电压时，发生电化学反应，电能以化学能的形式储藏，其最大电压可超过8V，单个储能单元如图6所示的Vmax。
本实施例中，固态离子导电层采用耐压高的离子晶体薄层，例如采用氧化铜材料作为能量密度载体，氧化铜材料成本低，相对于锂离子材料来说能够降低整体电池的成本。同时相对液态导电层来说，能够压缩厚度和体积。
在本发明中，第一极板1、第二极板2与固态离子导电层3、第一薄层4和第二薄层5的总厚度为15-80nm，甚至是15-50nm以内，将有效储能密度提高数万倍，也就是把对锂资源的消耗降至万分之一以下，同时将既有的液态L-EDLC的能量密度提高100倍以上。同时，压缩极板间距也能够减小整体电池的体积和重量，使得体积和重量远小于液态的L-EDLC电池。
如图6所示是S-EDLC构造，图7所示是本发明中的S-QC单元构造，S-QC单元构造与S-EDLC构造看似形同，但是S-QC的电极有储藏锂离子的功能，几何厚度将超过S-EDLC的2倍。考虑此几何因素，S-QC的能量密度值的理论计算如下：
单个储能芯片面积：S＝100cm2；
离子导体的厚度：dic＝20nm；
最大容许电压：Vu,max＝8V；
电气容量：Q＝0.7F；
计算得到Eu＝(1/2)CVmax2＝0.5×(0.7F)×(8V)2＝22.4J，即最大储能量约为22J。
储能单元的重量约S-EDLC的2倍，由S-EDLC计算结果推算出最大能量密度ED＝Eu/mu＝(22J)/(3.25×10-3g*2)＝6.77×106J/Kg＝18.8×102Wh/kg＝1880Wh/kg，即约1,900Wh/kg，超过S-EDLC的100Wh/kg一个数量级。S-QC充放电速度不及S-EDLC和L-EDLC，但是比传统的二次充放电要快一个数量级。
将本发明S-QC与其他储能单元的性能作比较，比较结果如图8的能量密度与功率密度的关系示意图所示，图中，O-C(OrdinalCapacitor)为传统概念的电容器、L-EDLC(Liquid-Electric Double Layer Calacitor)、2nddary Battery为锂离子蓄电池，S-QC为本发明构造，由图可知，能量密度越高显示了储能能力越强，功率密度越大显示电力响应(充放电特性)越好，可知，传统电容器电池的充放电特性虽高但是储能能力很低，锂离子电池的储能能力高但充放电特性低，液态L-EDLC储能能力和充放电特性位于中间程度，本技术中的S-QC储能能力和充放电特性均比液态电解质锂离子蓄电池高。
本发明在S-EDLC的构造基础上，对蓄电单元进行了更可以增加储能能量密度的蓄电单元本质进行了进一步的原理性改变，将是能量密度进一步提高一个数量级，可以面向更加轻型、使用即时更大功率的固定和可高速移动的用电市场。以传统的锂电池比较，充放电性能(与功率密度相当)得到了极大改善，充放电时间也可以缩短1个数量级，因此可以有更加广阔的应用市场：比如大马力电气汽车，无人机，5G移动通信中继站等。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，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做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (1)
1.一种固态储能单元，其特征在于：包括
两个极板，具体是第一极板（1）和第二极板（2），其中，第一极板（1）作为正极，第二极板（2）作为负极；
两层薄层，两层所述薄层分别附着在两个所述极板的相对侧面上，所述薄层为多孔构造；具体是第一薄层（4）贴附在第一极板（1）的内壁上，第二薄层（5）贴附在第二极板（2）的内壁上，第一薄层（4）和第二薄层（5）均采用多孔的形式；第一薄层（4）为LiCoO2、LiNiO2或Li1+x(Fe0.3Mn0.5Ti0.2)1-xO2 (0 < x < 1/3)材料；第二薄层（5）为Li4Ti5O12/C复合材料或SiOx复合材料；
固态离子导电层，所述固态离子导电层置于两层所述薄层之间，具体是置于第一薄层（4）和第二薄层（5）之间；
当两个所述极板外加电压为阈值电压时，所述固态离子导电层靠近两个所述极板的部分与该对应极板和对应薄层共同形成扩散型电气二重层；固态离子导电层（3）靠近第一极板（1）的部分，与第一极板（1）、与第一薄层（4）共同形成扩散型电气二重层；固态离子导电层（3）靠近第二极板（2）的部分，与第二极板（2）、与第二薄层（5）共同形成扩散型电气二重层；
当两个所述极板外加电压大于所述阈值电压时，发生电化学反应，电能以化学能的形式储藏；
两个所述极板间承受的最大电压高于8V；
所述固态离子导电层的厚度5-50nm；
所述固态离子导电层采用耐压高的离子晶体薄层；
所述固态储能单元的厚度15-80nm；
两个所述极板均采用薄金属铜材料；
处于阈值电压Vth下的充电情形时，阈值电压Vth最大值为2V，在0.5~2 V范围内，此过程中，在正负电极附近形成电气二重层，达到储能的目的；
能量密度值的理论计算如下：
单个储能芯片面积：S = 100 cm2；
离子导体的厚度：dic = 20 nm；
最大容许电压：Vu, max = 8 V；
电气容量：Q=0.7 F；
计算得到Eu=（1/2）CVmax2=0.5×(0.7 F)×(8V)2=22.4 J，即最大储能量约为22 J；
储能单元的重量约S-EDLC的2倍，由S-EDLC计算结果推算出最大能量密度为1880 Wh/kg。
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