一种高容量轻质碳基储能器件制造技术

技术编号:13992531 阅读:122 留言:0更新日期:2016-11-14 00:35
本发明专利技术涉及电化学储能领域,具体的说是一种高容量轻质碳基储能器件。包括封装外壳,微孔隔膜,电解质,其特征是:所述封装外壳的左侧设有正极引线,封装外壳的右侧设有负极引线,封装外壳内设有4对左右阵列式排布的正极板和负极板并形成7对正负电极,位于相邻的正极板与负极板之间的封装外壳内设有微孔隔膜,位于正极板与微孔隔膜、负电极板和微孔隔膜之间的封装外壳内填充有电解质。本发明专利技术同现有技术相比,属于轻质高比容量和比能量的长寿命装置,具有类似电容的快速充放电的特性,同时兼容了类似二次电池较大容量的特点;可大规模应用于移动电源、清洁能源如光伏、风能发电等的能量存储。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电化学储能领域,具体的说是一种高容量轻质碳基储能器件
技术介绍
目前人类的能源主要是以传统的石化能源为主,采用煤、石油、天然气等发电,一方面会造成大量的气体排放如二氧化碳、二氧化硫、氧化氮等造成环境污染、气温升高;另一方面随着地球上石化能源储量的限制,在未来数十年内将逐渐耗尽。故发展清洁能源包括太阳能和风能等已成为人类社会发展迫切任务。而太阳能光伏发电和风能发电因其间歇式的特点,需要在发电峰值时储能来平衡峰谷,这样才能规模化应用。目前主要的储能技术主要有蓄水储能、机械储能、电化学储能等,其中电化学储能因建造成本低、周期短且应用灵活,最有可能发展成为清洁能源储能技术的主流。电化学储能技术具体可分为铅酸蓄电池、碱金属离子电池、超级电容、液流电池等,其中铅酸蓄电池最成熟且成本低,但因其含铅易造成环境污染而使应用受到限制;锂离子电池技术也发展的较为成熟,已广泛应用于消费类电子产品的可移动电源。另外,锂离子动力电池和超级电容也逐步应用于电动汽车等领域,此类电池和电容因其成本偏高,较难在清洁能源的储能领域规模化应用。正在发展的液流电池因其成本较低,已开始在清洁能源的储能领域进行小规模应用,但因其比容量较小,且需要大量的储液罐等,占地面积较大,不易小型化,其应用也受到限制。钠硫电池因其能量密度较高、成本较低,已在电网储能领域开始小规模的应用,但因其工作在高温条件下,存在安全隐患,难以大规模应用。若能发展其它安全、低成本、高容量的二次可充电电池和储能电容技术,才有可能在清洁能源的储能领域实现规模化应用。提高储能电池或电容的比容量和降低成本是储能应用的关键,对于较为成熟的锂离子电池体系,因含锂离子盐原材料较高成本的限制,主要是通过其它材料和器件结构的改进以提高电池比容量。另外的方法主要是通过采用原料来源广泛且成本低的元素如含钠离子的盐来制造较高容量的储能器件,是一种有效降低成本且可规模化应用的储能技术。以通常的锂离子电池为例,一般采用正极、负极、隔膜、电解质材料作为器件的主要组成,正极采用金属铝箔涂敷有锂盐的活性层,负极采用金属铜箔涂敷有石墨的离子存储层,锂离子在充放电时通过电解质和隔膜可在锂盐正极与石墨层负极之间脱嵌二进行能量的存储转化。用于正负极的金属铜和铝电极衬底一般厚度在15-30微米范围,因大量使用此类金属衬底,衬底除了成本较高外,因其比重较大,在整体电池材料中所占质量比较大,对同样厚度的电极活性材料涂层,使得整体电池的质量比容量和比能量较小,根据正极锂盐涂层种类的不同,电池的比容量在100-250mAh/g范围。另外,因采用了金属铜和铝箔作为电极的衬底材料,在电化学充放电工作过程中金属电极衬底易被腐蚀,一般锂离子电池的充放电循环寿命不超过3000次,不适合长期使用。目前发展较为成熟的超级电容主要采用在铝箔表面涂敷有活性炭材料的电极结构,同样也存在如锂离子电池的类似问题,金属铝箔所占质量比较大,电容的比容量和比能量较低。对于清洁能源的储能应用,需要进一步发展低成本、高比容量和长寿命的储能电池或电容器件。若能采用导电性较好的轻质碳基薄膜材料替代昂贵的金属铜箔和铝箔材料,则可大幅降低电极和器件的重量和成本,将使电化学储能技术实现规模化应用。因碳的原子质量为12,相比与目前广泛使用的电极材料衬底,如铜原子质量约为64、铝原子质量约为27,故采用碳基薄膜为衬底电极的质量可减轻2-5倍。若将碳基薄膜电极衬底直接替代正极铝箔和负极铜箔材料,电池电极材料的质量可平均下降为原来的约25%,在电池其它材料不变的前提下可有效地提高电池的质量比容量。因碳材料良好的耐腐蚀性和电化学稳定性,在储能器件中应用还可提高充放电循环次数和使用寿命。另外,现有的电池结构主要采用正极、负极、隔膜和电解质在正负极间的三明治结构,单元电压较低,如锂电池的单元电压在3.7V,难以制作直接产生如9V、12V、24V、36V、48V等较高电压的单元储能器件。若要获得较高电压的储能器件,一般是将单元电池封装后,通过串联组成电池模组而获得不同的电压,这样整体模组较重,相应的质量比容量较小,限制了其应用范围。
技术实现思路
本专利技术为克服现有技术的不足,设计一种重量较轻,比容量较大,且一致性和可靠性较好的高容量轻质碳基储能器件。为实现上述目的,设计一种高容量轻质碳基储能器件,包括封装外壳,微孔隔膜,电解质,其特征是:所述封装外壳的左侧设有正极引线,封装外壳的右侧设有负极引线,封装外壳内设有4对左右阵列式排布的正极板和负极板并形成7对正负电机,位于相邻的正极板与负极板之间的封装外壳内设有微孔隔膜,位于正极板与微孔隔膜、负电极板和微孔隔膜之间的封装外壳内填充有电解质,所述正极板与负极板均由碳基薄膜衬底为基层材料制成,所述碳基薄膜衬底由碳纤维、碳晶须、碳纳米管、碳纸、石墨烯片等高导电的碳材料中的一种或多种组成,所述碳基薄膜衬底的厚度为10-500 µm,密度为0.3-2.0 g/cm3。所述每对正极板和负极板组成一个电池组,相邻两个电池组中的正极板和负极板可以分别通过正极并联线和负极并联线并联连接,相邻的两个电池组串联连接。所述微孔隔膜由聚合物、陶瓷和玻璃中的至少一种制成,所述聚合物包括聚乙烯PE、聚丙烯PP、聚碳酸酯PET、聚酰亚胺PI、无纺布中的一种或多种,所述陶瓷包括多孔氧化铝、氧化钛、氧化锆中的一种或多种,所述玻璃包括玻璃纤维布、多孔膜中的一种或多种。所述电解质由有机电解质、无机电解质和水系电解质中的至少一种制成,所述有机电解质由有机溶剂和金属盐组成,所述有机溶剂包括碳酸乙烯酯EC、碳酸丙烯酯PC、碳酸亚丁酯BC、碳酸二乙酯DEC、甲基吡咯烷酮NMP、甲酯、丁丙酯GBL中的一种或多种,所述金属盐包括锂离子盐、钠离子盐、钾离子盐中的一种或多种;所述无机电解质包括含锂、钠、钾、氮、氧、硫、磷中的一种或多种的导电化合物;所述水系电解质包括锂离子盐、钠离子盐、钾离子盐、碱的水溶液中的一种或多种。所述电池组的正极板使用双面涂敷有离子电荷材料活性层的碳基薄膜,电池组的负极板使用碳基薄膜或者表面涂敷有碳的复合材料涂层的碳基薄膜。所述电池组的正极板使用碳基薄膜或者表面涂敷有碳的复合材料涂层的碳基薄膜,电池组的负极板使用碳基薄膜或者表面涂敷有碳的复合材料涂层的碳基薄膜。所述电池组的正极板使用表面涂敷有金属氧化物复合涂层的碳基薄膜,电池组的负极板使用碳基薄膜或表面涂敷金属氧化物复合涂层的碳基薄膜。所述离子电荷材料涂层包括锂离子盐、钠离子盐、钾离子盐、钙离子盐、镁离子盐、锌离子盐、铝离子盐中的至少一种,其中锂盐包括钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、磷酸铁锂的至少一种;钠盐包括钴酸钠、锰酸钠、镍酸钠、磷酸铁钠的至少一种;所述离子电荷材料涂层的厚度不超过500µm。所述碳的复合材料涂层包括金属氧化物与碳,所述金属氧化物与碳的摩尔含量之比小于30atm%,所述金属氧化物包括MnO2、NiO2、CoO、Fe2O3、Fe3O4、MoO2、SnO2、Sb2O3、V2O5、TiO2、WO3中的至少一种材料;所述碳的复合材料涂层的厚度不超过500µm。所述金属氧化物复合涂层包括MnO2、NiO2、CoO、Fe2O3、Fe3O4、MoO2、SnO2、Sb2O3、V2O5、TiO2、W本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种高容量轻质碳基储能器件,包括封装外壳,微孔隔膜,电解质,其特征是:所述封装外壳(5)的左侧设有正极引线(7),封装外壳(5)的右侧设有负极引线(8),封装外壳(5)内设有4对左右阵列式排布的正极板(1)和负极板(2)并形成7对正负电极,位于相邻的正极板(1)与负极板(2)之间的封装外壳(5)内设有微孔隔膜(3),位于正极板(1)与微孔隔膜(3)、负电极板(2)和微孔隔膜(3)之间的封装外壳(5)内填充有电解质(4),所述正极板(1)与负极板(2)均由碳基薄膜衬底为基层材料制成,所述碳基薄膜衬底由碳纤维、碳晶须、碳纳米管、碳纸、石墨烯片等高导电的碳材料中的一种或多种组成,所述碳基薄膜衬底的厚度为10‑500 µm,密度为0.3‑2.0 g/cm3。

【技术特征摘要】
1.一种高容量轻质碳基储能器件,包括封装外壳,微孔隔膜,电解质,其特征是:所述封装外壳(5)的左侧设有正极引线(7),封装外壳(5)的右侧设有负极引线(8),封装外壳(5)内设有4对左右阵列式排布的正极板(1)和负极板(2)并形成7对正负电极,位于相邻的正极板(1)与负极板(2)之间的封装外壳(5)内设有微孔隔膜(3),位于正极板(1)与微孔隔膜(3)、负电极板(2)和微孔隔膜(3)之间的封装外壳(5)内填充有电解质(4),所述正极板(1)与负极板(2)均由碳基薄膜衬底为基层材料制成,所述碳基薄膜衬底由碳纤维、碳晶须、碳纳米管、碳纸、石墨烯片等高导电的碳材料中的一种或多种组成,所述碳基薄膜衬底的厚度为10-500 µm,密度为0.3-2.0 g/cm3。2.如权利要求1所述的一种高容量轻质碳基储能器件,其特征是:所述每对正极板(1)和负极板(2)组成一个电池组(6),相邻两个电池组(6)中的正极板(1)和负极板(2)可以分别通过正极并联线(9)和负极并联线(10)并联连接,相邻的两个电池组(6)串联连接。3.如权利要求1所述的一种高容量轻质碳基储能器件,其特征是:所述微孔隔膜(3)由聚合物、陶瓷和玻璃中的至少一种制成,所述聚合物包括聚乙烯PE、聚丙烯PP、聚碳酸酯PET、聚酰亚胺PI、无纺布中的一种或多种,所述陶瓷包括多孔氧化铝、氧化钛、氧化锆中的一种或多种,所述玻璃包括玻璃纤维布、多孔膜中的一种或多种。4.如权利要求1所述的一种高容量轻质碳基储能器件,其特征是:所述电解质(3)由有机电解质、无机电解质和水系电解质中的至少一种制成,所述有机电解质由有机溶剂和金属盐组成,所述有机溶剂包括碳酸乙烯酯EC、碳酸丙烯酯PC、碳酸亚丁酯BC、碳酸二乙酯DEC、甲基吡咯烷酮NMP、甲酯、丁丙酯GBL中的一种或多种,所述金属盐包括锂离子盐、钠离子盐、钾离子盐中的一种或多种;所述无机电解质包括含锂、钠、钾、氮、氧、硫、磷中的一种或多种的导...

【专利技术属性】
技术研发人员:孙卓刘素霞
申请(专利权)人:上海纳晶科技有限公司
类型:发明
国别省市:上海;31

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