电容储能装置及其生产方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种电容储能装置，包括：至少一个渗透有电解质的多孔膜；和设置在多孔膜的第一表面的顶部上的一对或多对分离电极，每个电极包括与下面的多孔膜离子连通的电容电极材料，其中电解质经由多孔膜的内部孔隙在分离电极之间提供离子连通。

Capacitor energy storage device and its production method

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电容储能装置及其生产方法
本专利技术涉及电容储能装置(capacitiveenergystoragedevice)，涉及电容储能装置的生产方法，并且涉及以多孔膜(film)来生产堆叠式电容储能装置的用途。特别地，电容储能装置包括至少一个渗透有电解质的多孔膜，其中，一个或多个电容电极对形成在膜表面上，并在膜的内部孔隙中与电解质离子连通。
技术介绍
小型化电子装置在现代生活中的日益增长的影响推动了对小型化储能系统开发的越来越多的研究。电源系统经常占据装置体积或重量的50％以上，并通常是小型化的主要限制。尽管电池传统上具有相对较高的能量密度的优点，但是它们的低功率容量和有限的循环寿命，以及在维持电化学性能的同时减小规模的挑战，导致人们对高性能超级电容器作为电池替代品的兴趣日益增加。这些装置提供平衡的能量和功率密度、快速的充电/放电能力(比法拉第装置高几个数量级)、延长的使用寿命、免维护的运行以及对环境低影响。因此，对于许多应用，无论是单独使用还是与电池系统集成在一起，超级电容器都是有吸引力的能源。传统的超级电容器是通过使用多孔碳电极材料涂覆厚度通常大于100微米的金属集流器(currentcollector)箔制成的。然后将两个这样的电极面对面组装，并使用插入的多孔隔膜(separator)提供电绝缘，但允许离子连通，如图1所示。电解质使隔膜和电极饱和，同时装置经由集流器电连接到外部电路。多孔电极以离子的形式存储电荷，该电荷主要位于高表面积碳电极材料的双电层(electricaldoublelayer)中。因此，这样的装置被称为双电层(EDL)超级电容器。在这种EDL超级电容器中，电极的分离距离取决于隔膜的厚度，并且因此电极之间的间隔至少为50–100微米。离子在充电和放电期间经过的相对较长的距离限制了装置的功率密度。此外，电极的大表面积通常在超级电容器装置的横截面上延伸并因此在mm2(平方毫米)至cm2(平方厘米)范围内，因此有必要使用金属集流器来在电极与外部电路之间进行有效的电子传输。因此，集流器、隔膜和组件之间的界面会导致死体积(deadvolume)、重量增加和装置的柔性降低。为了解决这些缺点，已经开发了平面电极几何形状以提供相对于传统超级电容器具有改善的能量密度的微型超级电容器。在这些装置中，通常以所需的电极几何形状在导电金属垫上对绝缘基板进行图案化，并通过电化学沉积或其他技术将电极材料沉积在垫上。沉积在基板上的电解质层在整个表面上的电极之间提供离子连通，而金属垫充当集流器。尽管这种方法避免了传统电极-隔膜-电极配置的一些限制，但可达到的电极分辨率通常不足以制造1至50微米范围内的电极分离距离，并且制造过程需要复杂的多步骤过程。近来，直接的“写入”方法已经允许制造具有平面配置的真正的微米尺度电极。在该技术中，绝缘石墨烯氧化物层被涂覆到基板上，并且电极通过聚焦束被“写入”该层，该聚焦束选择性地将石墨烯氧化物还原为导电的高表面积石墨烯。所得的石墨烯电极被中间的石墨烯氧化物分离，该中间的石墨烯氧化物能够保留电极之间离子连通所需的电解质贮存器(reservoir)。如ElKady等人在自然通讯(NatureCommunication)s2013，4，1475和Lobo等人在先进能源材料(AdvancedEnergyMaterials)2015，19，1500665中所述，因此，激光和聚焦离子束都已用于转录具有高分辨率的叉指式电极(interdigitatedelectrode)。在后者的研究中，制造了电极间分离距离低至1微米的电极，其面积电容超过100mFcm-2，并且具有超快的循环响应。这种优异的性能归因于电极的微米尺度分辨率，并且特别地归因于动力学控制从线性扩散转变为径向扩散离子传输机制，该转变发生在临界电极尺寸以下，该尺寸被认为低于50微米。尽管这项研究证明了微型超级电容器的能量密度甚至高于膜锂离子电池，而具有极大的功率密度和可循环性，由于依赖束减少技术，直接写入方法对扩大规模以实现工业生产具有挑战性。而且，直接写入技术是一种缓慢的过程，并且相对低效地使用昂贵的电极材料，因为多孔GO层既用作电极前驱体(precursor)(随后被还原以形成电极)，又用作还原电极之间的绝缘间隔物。此外，由于束减少技术，基板已限于无孔材料，诸如硅晶圆。结果，微型超级电容器是不希望的刚性，限制了它们在柔性电子装置中的适用性。此外，电解质的贮存器仅驻留在基板表面平面上方，通常作为基板顶部上的凝胶电解质层，这增加了装置的厚度并因此降低了体积功率和能量密度。因此，需要不断改进具有优异的能量和/或功率密度的电容储能装置以及这种装置的生产方法，以解决上述一个或多个缺点。本文所引用的专利文件或作为现有技术的其他主题，不应视为承认该文件或主题是已知的，或者其所含有的信息是截至任意权利要求的优先权日的公知常识的一部分。
技术实现思路
专利技术人现在已经开发出一种电容储能装置及其生产方法，其中，应用到多孔膜的电容电极材料在膜的表面的顶部上形成分离电极对。膜(通常具有类似于常规超级电容器中的隔膜的性质)足够地多孔以充当电解质的贮存器，使得在使用中，经由膜的内部孔隙在分离电极之间提供离子连通。由于电解质从多个方向进入微电极的可及性降低了与电解质扩散有关的电阻，因此认为通过膜内部的离子导电路径(可选地通过跨膜表面和/或通过多层堆叠体中的覆盖多孔膜的其他离子导电路径来补充)可增强装置的电化学性能。另外或可替代地，利用多孔基板作为电解质的贮存器可以使在基板顶部上的电解质覆盖层的厚度最小化，或者完全不存在这样的层。因此，在维持电极之间令人满意的离子导电性的同时减小了装置的体积。此外，膜孔隙被认为有利于高分辨率的电极的制造，这将在下文中更详细地描述。因此，根据第一方面，本专利技术提供了一种电容储能装置，包括：至少一个渗透有电解质的多孔膜；和设置在多孔膜的第一表面的顶部上的一个或多个分离电极对，每个电极包括与放在下面的多孔膜离子连通的电容电极材料，其中电解质经由多孔膜的内部孔隙在分离电极之间提供离子连通。多孔膜通常在膜的相对侧上具有两个表面。如本文所使用的，多孔膜的“第一表面”和“背表面”是用于指代和区分这些相对的表面的术语，并且其本身并不暗示表面之间的任何差异。多孔膜具有内部孔隙，该内部孔隙至少与第一表面连通，并且通常与第一表面和背表面都连通。多孔材料的内部孔隙指代分布在整个固体基质中的内部空隙或孔。多孔膜的孔相互连接，使得多孔膜可渗透液体，并且因此可被电解质渗透。如本领域技术人员将理解的那样，多孔膜的内部孔隙可以由诸如孔径、孔隙率(也称为空隙分数，即，孔占总体积的分数)和表面积的参数来表征。在一些实施例中，总的电解质的至少80％，优选地至少90％或基本上全部渗透到电容储能装置中的多孔膜的内部孔隙中。因此，装置中被离散的电解质层占据的空间被保持为最小。如本文所使用的，“设置在多孔膜的第一表面上的分离电极对”指代具有三维物理结构的电隔离电极对，其至少部分地形成在放在下面的多孔膜的连续表面上方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电容储能装置，包括：/n至少一个渗透有电解质的多孔膜；以及/n设置在所述多孔膜的第一表面的顶部上的一个或多个分离电极对，每个电极包括与放在下面的多孔膜离子连通的电容电极材料，/n其中所述电解质经由所述多孔膜的内部孔隙在所述分离电极之间提供离子连通。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170907 AU 2017903619;20171026 AU 20179043341.一种电容储能装置，包括：
至少一个渗透有电解质的多孔膜；以及
设置在所述多孔膜的第一表面的顶部上的一个或多个分离电极对，每个电极包括与放在下面的多孔膜离子连通的电容电极材料，
其中所述电解质经由所述多孔膜的内部孔隙在所述分离电极之间提供离子连通。


2.根据权利要求1所述的电容储能装置，其中，所述分离电极对的电极间分离距离小于约50微米。


3.根据权利要求1或2所述的电容储能装置，其中，所述分离电极对的电极间分离距离小于所述多孔膜的厚度。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的电容储能装置，其中，每个分离电极对覆盖所述多孔膜上的小于约1平方毫米的表面积。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的电容储能装置，其中，所述分离电极对包括具有两个至六个指状物的叉指式电极。


6.根据权利要求5所述的电容储能装置，其中，所述指状物的宽度小于约50微米，并且长度小于约250微米。


7.根据权利要求1至6中任一项所述的电容储能装置，其中，所述电极在没有金属集流器的情况下电连接至相邻的电极和/或外部电路。


8.根据权利要求1至7中任一项所述的电容储能装置，其中，在所述多孔膜的第一表面的顶部上设置有多个分离电极对，所述多个分离电极对串联和/或并联电连接。


9.根据权利要求8所述的电容储能装置，其中，所述多个分离电极对由在所述多孔膜的第一表面上的导电联接件电连接，所述导电联接件包括所述电容电极材料。


10.根据权利要求1至9中任一项所述的电容储能装置，其中，堆叠多个所述多孔膜，使得设置在第一多孔膜的第一表面的顶部上的所述一个或多个分离电极对与堆叠在所述第一多孔膜上方的第二多孔膜的背表面接触。


11.根据权利要求10所述的电容储能装置，其中，设置在所述第一多孔膜的第一表面的顶部上的至少一个所述分离电极经由导电路径与设置在所述第二多孔膜的第一表面的顶部上的至少一个所述分离电极电连接。


12.根据权利要求11所述的电容储能装置，其中，所述导电路径包括在延伸通过所述第二多孔膜的厚度的开口中的导电材料。


13.根据权利要求12所述的电容储能装置，其中，所述导电材料包括包含分散的金属的固化树脂。


14.根据权利要求1至13中任一项所述的电容储能装置，其中，所述至少一个多孔膜是厚度小于100微米的柔性聚合物膜。


15.根据权利要求14所述的电容储能装置，其中，所述柔性聚合物膜包括选自聚偏二氟乙烯、聚氯乙烯、尼龙和聚对苯二甲酸乙二醇酯组成的组中的至少一种。


16.根据权利要求1至15中任一项所述的电容储能装置，其中，所述电容电极材料包括选自碳基电极材料和伪电容电极材料组成的组中的至少一种。


17.根据权利要求1至15中任一项所述的电容储能装置，其中，所述电容电极材料包括还原的石墨烯氧化物。


18.根据权利要求1至17中任一项所述的电容储能装置，其中，所述电容电极材料被印刷在所述多孔膜上。


19.根据权利要求1至18中任一项所述的电容储能装置，其中，所述电解质是凝胶电解质。


20.根据权利要求19所述的电容储能装置，其中，所述凝胶电解质包括交联的聚乙烯醇。


21.一种堆叠式电容储能装置，包括：
第一多孔膜；
设置在所述第一多孔膜的第一表面的顶部上的一个或多个分离电极对，每个电极包括与放在下面的第一多孔膜离子连通的电容电极材料，
堆叠在所述第一多孔膜上方的第二多孔膜，使得设置在所述第一多孔膜的第一表面的顶部上的一个或多个分离电极对与所述第二多孔膜的背表面接触；以及
所述第一多孔膜和所述第二多孔膜的内部孔隙中的电解质。


22.根据权利要求21所述的堆叠式电容储能装置，其中，所述电容电极材料与所述第二多孔膜的背表面离子连通。


23.根据权利要求22所述的堆叠式电容储能装置，其中，所述电解质经由所述第一多孔膜和所述第二多孔膜的内部孔隙在所述分离电极之间提供离子连通。


24.根据权利要求21至23中任一项所述的堆叠式电容储能装置，还包括设置在所述第二多孔膜的第一表面的顶部上的一个或多个分离电极对，每个电极包括与放在下面的第二多孔膜离子连通的电容电极材料。


25.根据权利要求24所述的堆叠式电容储能装置，其中，设置在所述第一多孔膜的第一表面的顶部上的至少一个所述分离电极经由导电路径与设置在所述第二多孔膜的第一表面的顶部上的至少一个所述分离电极电连接。


26.一种生产电容储能装置的方法，所述方法包括：
将电容电极材料或前驱体应用到多孔膜的第一表面，以形成设置在所述第一表面的顶部上的一个或多个...

【专利技术属性】
技术研发人员：PC巴纳吉，M玛祖德，DE罗博，A阿克巴里瓦基拉巴迪，
申请(专利权)人：蒙纳希大学，
类型：发明
国别省市：澳大利亚;AU