基于液相中的电化学活性物质的超级电容器制造技术

基于液相中的电化学活性物质的超级电容器，涉及一种超级电容器，提供一种基于液相中以多孔电极内外表面附近的薄液层中电化学活性物质的电极反应为主要能量存储方式的超级电容器。设有至少一单元的正负电极集流体、正负电极室和隔离膜。正负电极室为多孔电极，孔内浸吸充满不流动的正负电极液体，正负电极液体中含有至少一种正负电极电化学活性物质，其电化学氧化还原反应主要发生在正负电极内表面。功率密度高，电化学赝电容大，具有较高的单次充放电能量密度。循环性能优异，寿命长，可作为混合动力型电动车回收制动能量和提供启动加速能量的理想配套电源等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种超级电容器，尤其是涉及一种基于液相中以多孔电极内外表面附近的薄液层中电化学活性物质的电极反应为主要能量存储方式的超级电容器。
技术介绍
资源和环境是制约人类社会发展的决定因素，为了整个社会的可持续发展，必须发展清洁、高效的能源利用形式。供电网络直接对固定用户供电比较方便，而移动用户(如汽车)则必须依赖储能装置，主要有以下化石燃料(燃油车)或蓄电池(电动车)等储能系统。1.以化石燃料为储能的燃油汽车因为汽油的燃烧热值很高，以化学形式储能的能量密度位居榜首，所以燃油汽车的速度和里程都具有很大优势。但随着石油资源枯竭和燃油汽车污染环境问题的日趋严峻，燃油汽车的弊病(尤其是在城市内)已经非常严重。发展清洁节能车辆的需求也愈加迫切。2.以蓄电池为储能装置的电动汽车以蓄电池为能源的电动汽车不污染环境，可以利用石油以外的多种能源充电，满足清洁节能的要求。但蓄电池由于其功率密度低、循环寿命差和存在安全隐患等问题，不能很好地满足电动汽车电源的要求。近年来，人们一直致力于开发高比功率和适当比能量的储能装置作为混合动力电动汽车的辅助能源，以满足电动汽车在加速、启动、制动时的高功率要求。3.以超级电容器为储能装置的电动汽车由于超级电容器具有充放电速度快、对环境无污染、循环寿命长以及可以回收汽车制动时的动能等优点，有希望成为本世纪新型的城市绿色能源。超级电容器电容量的第一方面来自电极/溶液界面双电层电容。利用高比表面的碳材料、气凝胶等，可制备高达10～100F/g的较大容量电容器，而且充放电速度极快。但相对蓄电池而言，利用双电层电容的超级电容器能量密度太小。超级电容器容量的第二方面来自材料表面的电化学过程，也称为赝电容(pseudo-capacity)，赝电容的存在可以大幅度提高超级电容器的容量。赝电容本质上也是依靠电化学过程储能，与蓄电池(例如锂离子电池)本质上相似，所以基于赝电容的超级电容器可视为极高比功率且长寿命的蓄电池。目前已有的赝电容的产生形式有(1)电极的表面化学吸脱附和欠电势沉积； (2)电极表面氧化物薄膜如RuO2、IrO2、Cr3O4的氧化还原反应；(3)导电聚合物的掺杂和去掺杂。但现有各类型的赝电容超级电容器分别存在循环寿命差，价格昂贵等问题，尚不能满足实用化的要求。有关超级电容器的专利也有不少，如最近美国专利(US Patent 7,049,233，2006年5月23日授权)提出的多孔氧化钌薄膜材料作电极的超级电容器；2003年12月的美国专利(USPatent 6,671,166)提出的高比表面碳材料的有机体系超级电容器；中国科学院电工研究所在公开号为CN1770344的专利技术专利申请中也公开一种正极和负极均采用金属氧化物纳米管-多孔碳复合材料的超级电容器。上述超级电容器均限于固体电极表面双层电容或以固体电极为活性物质的准法拉第反应。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有的超级电容器存在的问题，提供一种基于液相中以多孔电极内外表面附近的薄液层中电化学活性物质的电极反应为主要能量存储方式的超级电容器。本专利技术设有至少一单元的正电极集流体、正电极室、隔离膜、负电极室、负电极集流体和壳体。正电极室为固体多孔电极，多孔电极的孔内浸吸充满不流动的正电极液体，负电极室为固体多孔电极，多孔电极的孔内浸吸充满不流动的负电极液体，正电极液体中含有至少一种正电极电化学活性物质，其电化学氧化还原反应主要发生在正电极内表面，负电极液体中含有至少一种负电极电化学活性物质，其电化学氧化还原反应主要发生在负电极内表面。正电极室和负电极室分别作为正电极和负电极。正电极集流体和负电极集流体的功能为收集电流，正电极集流体和负电极集流体的材料为电子良导体，可选自金属材料或整体碳材料等。正电极室和负电极室其电极材料为电化学惰性固体，所述的电化学惰性固体为对正电极液体或负电极液体具有化学稳定性的电子良导体，包括碳材料(例如石墨，碳黑，碳纳米管，活性炭，无定形碳等)、惰性或钝化的金属(例如惰化镍，贵金属等)或合金材料(例如不锈钢等)以及导电高分子材料(例如苯胺、噻吩，吡咯，呋喃及它们衍生物的聚合物等)。正电极室和负电极室的厚度分别为5～0.01mm。多孔电极可以为富含微孔的多孔隙电极，包括大量细微的线条状物组成的多孔隙电极和大量细微片状物组成的多孔隙电极，微片之间充满正或负电极液体。在孔隙内液体不流动，传质主要依赖扩散和电迁移。孔隙的尺度小于100μm，最好为100～0.1μm，孔率为99％～10％，孔隙内液体中的任意点的电化学活性物质距离固体表面都很近，传质到多孔隙电极固体表面所需的时间很短，在10s以下。所述的正电极液体中含有至少一种正电极电化学活性物质，所述的负电极液体中含有至少一种负电极电化学活性物质，充电时正极电化学氧化(负极还原)的产物可以在放电时返回充电前的状态，以下将这种可通过电化学反应而相互转化的氧化态和还原态活性物质简称为氧化还原剂。所述的正(负)电极液体中的电化学活性物质应满足1.应为易溶物质，可配制成浓溶液，以利获得较大的超级电容器单次充放电能量密度。2.其电化学氧化还原速度较快，以利获得超级电容器充放电循环过程较高的能量效率。3.其电化学氧化还原电位值靠近溶剂电化学电位窗口的正(负)端，以利获得较高的超级电容器工作电压。电化学电位窗口指的是溶剂可承受的不发生电解时电压范围，若外加电压超过此电压范围，溶剂将发生电解而分解。所述的正电极液体中含有的正电极电化学活性物质选自含有四价钒(VO++)/五价钒(VO2+)氧化还原剂，四价钒VO++离子在充电时被氧化为五价钒VO2+离子，在放电时VO2+离子被还原返回充电前的VO++离子；或者选自含有Br/Br2氧化还原剂，Br离子在充电时被氧化为Br2分子，在放电时Br2分子被还原返回充电前的Br离子；或者选自含有Fe++/Fe+++氧化还原剂；或者选自含有Ce+3/Ce+4氧化还原剂。所述的负电极液体中含有的负电极电化学活性物质选自含有V+++/V++氧化还原剂，V+++离子在充电时被还原为V++离子，在放电时V++离子被氧化返回充电前的V+++离子；或者选自含有Cr+++/Cr++氧化还原剂；或者选自含有UO2+/UO2++氧化还原剂；或者选自含有Ti+3/TiO++氧化还原剂。隔离膜具有阻隔正、负电极室的氧化还原剂相互渗透的能力，同时允许非电化学活性的离子顺利通过。隔离膜材料可以是阴离子交换膜(均相或非均相)、阳离子交换膜(均相或非均相)或微孔膜。隔离膜厚度为2～0.01mm。所述的电极液体中的液相可以是水溶液、非水(有机)溶液、无机熔融盐或有机熔融盐。组合电池的集流体可采用正负双极型集流体。本专利技术提出的基于薄液层电化学活性物质获取赝电容的超级电容器，一方面具有高功率密度、长循环寿命、低成本和高安全性，优于蓄电池；另一方面，由于它以体系中的液相电化学活性物质的电极反应来实现能量转换，因而又比现有的各种类型超级电容器具有更高的能量密度，是新类型赝电容的超级电容器。本专利技术的原理是利用薄液层电化学活性物质在电极表面发生电化学氧化/还原反应。具体来说，就是将电能储存于电极表面薄液层中具有电化学活性的化学物质，在充电过程中，电能转换为液相中活性物质的化学能，而在本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于液相中的电化学活性物质的超级电容器，其特征在于至少设有一单元正电极集流体、正电极室、隔离膜、负电极室和负电极集流体，正电极室为固体多孔电极，多孔电极的孔内浸吸充满不流动的正电极液体，负电极室为固体多孔电极，多孔电极的孔内浸吸充满不流动的负电极液体，正电极液体中含有至少一种正电极电化学活性物质，其电化学氧化还原反应主要发生在正电极内表面，负电极液体中含有至少一种负电极电化学活性物质，其电化学氧化还原反应主要发生在负电极内表面；正电极室和负电极室其电极材料为电化学惰性 固体，所述的电化学惰性固体为对正电极液体和负电极液体具有化学稳定性的良导体；正电极集流体和负电极集流体用于收集电流，正电极集流体和负电极集流体为电子良导体；正电极液体含有至少一种正电极电化学活性物质，负电极液体中含有至少一种 负电极电化学活性物质；电极液体中的液相选自水溶液、非水有机溶液、无机熔融盐或有机熔融盐。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：田昭武，董全峰，郑明森，林祖赓，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：92[中国|厦门]