TW202044663A - 可原位充電的儲能裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種可原位充電的儲能裝置，包括：電容器第一電極、電容器第二電極、第一電解液、金屬電極以及疏水層。所述電容器第一電極、所述電容器第二電極以及所述第一電解液共同形成一超級電容器。所述金屬電極與所述電容器第二電極歐姆接觸。所述金屬電極與所述電容器第一電極之間可以通過一第二電解液導通，以形成一金屬-空氣電池。所述電容器第一電極的至少部份表面和/或所述電容器第二電極的至少部份表面設置有所述疏水層。

Description

可原位充電的儲能裝置
本發明涉及能源技術領域，尤其涉及一種可原位充電的儲能裝置。
超級電容器是通過電極與電解質之間形成的介面雙層來存儲能量的電學元器件，既具有電容器快速充放電的特性，同時又具有電池的儲能特性。但先前的超級電容器通常只是存儲能量並不能自發產生能量，即先前的超級電容器不能實現既產生能量又能夠將產生的能量存儲。
有鑑於此，確有必要提供一種可原位充電的儲能裝置。
一種可原位充電的儲能裝置，包括：電容器第一電極、電容器第二電極、第一電解液、金屬電極以及疏水層；所述電容器第一電極、所述電容器第二電極以及所述第一電解液共同形成一超級電容器；所述金屬電極與所述電容器第一電極間隔設置形成一第一間隙；所述金屬電極與所述電容器第二電極歐姆接觸；所述金屬電極與所述電容器第一電極之間可以通過一第二電解液導通，以形成一金屬-空氣電池；所述電容器第一電極的至少部份表面和/或所述電容器第二電極的至少部份表面設置有所述疏水層。
相較於先前技術，本發明提供的可原位充電的儲能裝置可以長時間向外輸出能量，且不需要頻繁補充金屬-空氣電池電解質，可以實現可穿戴電子產品的持續供能。
下面將結合圖示及具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。
本發明提供一種可原位充電的儲能裝置，包括：超級電容器、金屬電極以及疏水層。
所述超級電容器的結構不限，可以為各種叉指狀電容器。該超級電容器的具體結構可參見後文的實施例，無論採用何種結構，所述超級電容器可以進一步包括電容器第一電極、電容器第二電極以及第一電解液。其中，所述第一電解液設置於所述電容器第一電極、電容器第二電極之間的空隙中，與所述電容器第一電極、電容器第二電極共同形成超級電容器。
所述金屬電極與所述電容器第一電極間隔設置，且與該電容器第一電極的部份區域相對設置。所述金屬電極至少與所述電容器第二電極的部份區域歐姆接觸。所述歐姆接觸可以通過在所述金屬電極與所述電容器第二電極的接觸面塗布導電膠黏劑的方式實現。
所述金屬電極與所述電容器第一電極可以通過一第二電解液導通，以形成一金屬-空氣電池(metal-air cell)，其中所述金屬電極為金屬-空氣電池陽極，所述電容器第一電極為金屬-空氣電池陰極，並且將電容器第一電極中與金屬電極相對或相鄰的那部份區域定義為電池陰極區，將電池陰極區與金屬電極之間的間隙稱之為第一間隙。
所述疏水層設置在所述電容器第一電極的至少部份表面和/或所述電容器第二電極的至少部份表面。優選地，所述疏水層300的材料接觸角大於90度。
請參閱圖1，本發明第一實施例提供一種可原位充電的儲能裝置10a，包括超級電容器100、金屬電極210以及疏水層300。所述超級電容器100進一步包括電容器第一電極110a、電容器第二電極120a以及第一電解液130。所述超級電容器100部份區域被所述疏水層300包覆。所述超級電容器100為叉指狀電容器，其中電容器第一電極110a與電容器第二電極120a均為叉指狀電極。所述電容器第一電極110a與所述電容器第二電極120a相互交叉設置。
請參見圖2，所述電容器第一電極110a包括第一連接部111a及連接在該第一連接部111a上的多個第一叉指部113a。該多個第一叉指部113a相互平行間隔設置。該第一連接部111a的第一端1111與所述金屬電極210間隔設置形成一第一間隙220，該第一連接部111a的第二端1113作為引腳用於與外部連接。所述電容器第二電極120a包括第二連接部121a及連接在該第二連接部121a上的多個第二叉指部123a。該多個第二叉指部123a相互平行間隔設置。該第二連接部121a的第一端1211與所述金屬電極210歐姆接觸，該第二連接部121a的第二端1213作為引腳用於與外部連接。該多個第一叉指部113a與該多個第二叉指部123a相互間隔且交錯設置。相鄰的該第一叉指部113a與該第二叉指部123a之間存在間隔。
所述第一電解液130填充於該多個第一叉指部113a與該多個第二叉指部123a的間隙中。該第一電解液130可以為各種適用於超級電容器系統的電解液，如聚乙烯醇/硫酸（PVA/H2 SO4 ）凝膠電解液。
該電容器第一電極110a和該電容器第二電極120a的形狀不限，可根據實際需要進行選擇。圖4為本實施例提供的可原位充電的儲能裝置10a的實物照片，技術人員可以根據實際需求選擇該電容器第一電極110a和該電容器第二電極120a的的尺寸與形狀。
所述電容器第一電極110a與電容器第二電極120a的材料可以為先前的各種超級電容器電極材料。本實施例中，電容器第一電極110a與電容器第二電極120a的材料均為聚苯胺/奈米碳管複合材料。所述奈米碳管/聚苯胺複合材料包括奈米碳管網狀結構及導電聚合物聚苯胺。所述奈米碳管網狀結構由多個奈米碳管相互連接形成。相鄰的奈米碳管之間通過凡得瓦力相互連接。所述奈米碳管/聚苯胺複合材料中，奈米碳管網狀結構作為骨架，所述聚苯胺層包覆在所述奈米碳管網狀結構中的奈米碳管的表面，即，所述奈米碳管網狀結構可支撐該聚苯胺層，使得該聚苯胺層可分佈在奈米碳管的表面。在本實施例中，所述聚苯胺層均勻地分佈在所述奈米碳管網狀結構的全部表面，即，所述奈米碳管網狀結構中每個奈米碳管的表面都均勻分佈有聚苯胺層。此外，所述奈米碳管網狀結構具有多個微孔。這些微孔是由多個奈米碳管所圍成，且每一個微孔的內表面均設置有上聚苯胺層。所述微孔的尺寸範圍為60 nm~400 nm。由於多個微孔的存在，使得所述電容器第一電極110a及電容器第二電極120a具有較小的密度，從而重量較輕。由於所述電容器第一電極110a及電容器第二電極120a均是由奈米碳管和聚苯胺組成的複合材料，該電容器第一電極110a及電容器第二電極120a具有非常好的柔性，可以任意彎曲。
本實施例中所述第一連接部111a的第一端1111也是金屬-空氣電池的電池陰極區，該電池陰極區與所述金屬電極210之間存在第一間隙220。當該第一空隙220存在第二電解液時，金屬電極210與電容器第一電極110a被該第二電解液導通，所述金屬-空氣電池處於工作狀態，輸出電能，該金屬-空氣電池向超級電容器充電，此時該儲能裝置10a處於自充電模式。當金屬電極210a與電容器第一電極110a之間不存在第二電解液或不能被第二電解液導通時，所述金屬-空氣電池處於非工作狀態，不向超級電容器充電，此時該儲能裝置10a處於非自充電模式。所述金屬電極210的材料可選用鎂、鋁、鋅、鐵等金屬空氣電池負極材料。本實施例中，所述金屬電極210選用的是一片厚度約30 μm～80 μm的鋁箔。
可見，通過第二電解液可以控制該儲能裝置10a處於自充電模式或非自充電模式。具體地，可以通過接觸或按壓等方式將承載物，如手指、棉簽，上攜帶的第二電解液，如汗液、NaCl溶液等，施加到金屬電極210與電容器第一電極110a之間。
所述疏水層300設置在所述電容器第一電極110a的至少部份表面和/或所述電容器第二電極120a的至少部份表面。所述電容器第一電極110a包括一第一表面以及與該第一表面相對的第二表面，所述第二電解液由該第一表面流向該第二表面，該第二表面設置有疏水層300。所述電容器第二電極120a包括一第三表面以及與該第三表面相對的第四表面，所述第二電解液由該第三表面流向該第四表面，該第四表面設置有疏水層300。圖4中所述疏水層300分別設置在該第二表面鄰近所述第一間隙220的部位以及該第四表面鄰近所述第一間隙220的部位。圖5中所述疏水層300還進一步擴大範圍，設置在所述第二表面除引腳外的部位以及所述第四表面除引腳外的部位。所述疏水層300還可以進一步設置在所述第一表面和/或所述第三表面，甚至將電容器第一電極110a、電容器第二電極120a包覆，只保留電容器引腳部位外露。
圖1、4、5中所述疏水層300並沒有完全延伸到電容器第一電極110a的末端，具體實施時疏水層300也可以完全延伸到電容器第一電極110a的末端，只需要確保電容器第一電極110a有部份表面裸露。圖6列舉了若干種疏水層300與電容器第一電極110a位置關係，設置於第一表面的疏水層300可以完全延伸到電容器第一電極110a的末端，也可以只延伸到離末端尚有一段距離（如1mm~10mm）的位置；同樣地，設置於第二表面的疏水層300可以完全延伸到電容器第一電極110a的末端，也可以只延伸到離末端尚有一段距離（如1mm~10mm）的位置。
所述疏水層300可以維持第二電解液長時間處於第一空隙，進而延長所述儲能裝置10a的工作時間。請參見圖7，圖中箭頭所指處為第一空隙220，照片中奈米碳管/聚苯胺材料未覆蓋疏水層300，從所述第一空隙220上方滴落的第二電解液更傾向于集聚於鋅箔一側。此時，由於第二電解液不能很好的連接金屬電極210和電容器第一電極110a，金屬-空氣電池難以持續穩定的工作。這是由於第二電解液不能有效的聚集在第一空隙220處，即使金屬電極210和電容器第一電極110a能勉強導通，但隨著時間的推移第二電解液體積逐漸變小，金屬電極210和電容器第一電極110a之間導通中斷，金屬-空氣電池隨之停止工作。圖8照片中奈米碳管/聚苯胺材料下表面覆蓋有疏水層300，從所述第一空隙220上方滴落的第二電解液更傾向于集聚於第一空隙220處。後一種情況下，所述儲能裝置10a的持續工作時間大幅延長。請參見圖9，儲能裝置10可以在不補充第二電解液的情況下持續工作時間大於100分鐘，且電壓大於1V。這是由於第二電解液能有效的聚集在第一空隙220處。
本實施例提供的可原位充電的儲能裝置10a可以長時間向外輸出能量，且不需要頻繁補充金屬-空氣電池電解質，可以實現可穿戴電子產品的持續供能。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10a:儲能裝置 100:超級電容器 110a:電容器第一電極 111a:第一連接部 1111:第一連接部的第一端 1113:第一連接部的第二端 113a:第一叉指部 120a:電容器第二電極 121a:第二連接部 1211:第二連接部的第一端 1213:第二連接部的第二端 123a:第二叉指部 130:第一電解液 210:金屬電極 220:第一間隙 300:疏水層
圖1為本發明第一實施例提供的儲能裝置結構俯視圖。
圖2為本發明第一實施例提供的儲能裝置結構分解示意圖。
圖3為本發明第一實施例提供的各種叉指狀儲能裝置實物照片。
圖4為本發明第一實施例提供的疏水層設置方式示意圖。
圖5為本發明第一實施例提供的疏水層設置方式示意圖。
圖6為本發明第一實施例提供的疏水層與電容器第一電極位置關係示意圖。
圖7為沒有疏水層時第二電解液分佈情況照片。
圖8為有疏水層時第二電解液分佈情況照片。
圖9為本發明第一實施例提供的儲能裝置中金屬-空氣電池電壓時間曲線圖。
無
10a:儲能裝置
100:超級電容器
110a:電容器第一電極
120a:電容器第二電極
130:第一電解液
210:金屬電極
220:第一間隙
300:疏水層

Claims (10)

  1. 一種可原位充電的儲能裝置，其中，包括：電容器第一電極、電容器第二電極、第一電解液、金屬電極以及疏水層；所述電容器第一電極、所述電容器第二電極以及所述第一電解液共同形成一超級電容器；所述金屬電極與所述電容器第一電極間隔設置形成一第一間隙；所述金屬電極與所述電容器第二電極歐姆接觸；所述金屬電極與所述電容器第一電極之間可以通過一第二電解液導通，以形成一金屬-空氣電池；所述電容器第一電極的至少部份表面和/或所述電容器第二電極的至少部份表面設置有所述疏水層。
  2. 如請求項1所述的可原位充電的儲能裝置，其中，所述電容器第一電極與所述電容器第二電極材料均為聚苯胺/奈米碳管複合材料。
  3. 如請求項1所述的可原位充電的儲能裝置，其中，所述金屬電極的材料包括鎂、鋁、鋅、鐵中的一種或幾種。
  4. 如請求項1所述的可原位充電的儲能裝置，其中，當所述金屬電極與所述電容器第一電極之間存在第二電解液且被該第二電解液導通時，所述金屬-空氣電池處於工作狀態，向所述超級電容器充電。
  5. 如請求項1所述的可原位充電的儲能裝置，其中，所述疏水層的材料的接觸角大於90度。
  6. 如請求項1所述的可原位充電的儲能裝置，其中，所述疏水層的材料為矽橡膠。
  7. 如請求項1所述的可原位充電的儲能裝置，其中，所述電容器第一電極包括一第一表面以及與該第一表面相對的第二表面，該第二表面鄰近所述第一間隙的部位設置有疏水層。
  8. 如請求項7所述的可原位充電的儲能裝置，其中，所述電容器第二電極包括一第三表面以及與該第三表面相對的第四表面，該第四表面鄰近所述第一間隙的部位設置有疏水層。
  9. 如請求項1所述的可原位充電的儲能裝置，其中，所述第二電解液為汗液。
  10. 如請求項1所述的可原位充電的儲能裝置，其中，所述金屬電極與所述電容器第二電極通過導電膠黏劑實現歐姆接觸。
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