用于高电压和太阳能应用的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及用于高电压和太阳能应用的装置和方法。特别地，本发明专利技术提供包括一块或多块电池的装置以及其制造方法。所述装置可以是电化学装置。所述装置可以包括三维超级电容器。所述装置可以是微型装置，例如，微型超级电容器。在一些实施方案中，所述装置是三维混合微型超级电容器。所述装置可以被配置用于高电压应用。在一些实施方案中，所述装置是高电压微型超级电容器。在某些实施方案中，所述装置是高电压非对称的微型超级电容器。在一些实施方案中，所述装置是用于高电压应用的集成的微型超级电容器。超级电容器。超级电容器。

Devices and methods for high voltage and solar applications

【技术实现步骤摘要】
用于高电压和太阳能应用的装置和方法
[0001]本申请为申请日为2017年3月22日，申请号为201780024978.3，专利技术名称为“用于高电压和太阳能应用的装置和方法”的专利技术专利申请的分案申请。
[0002]相关申请的引证
[0003]本申请要求在2016年3月23日提交的美国临时申请No.62/312,408以及在2016年11月14日提交的美国临时申请No.62/421,920的权益，所述申请以引用的方式整体并入本文中。


[0004]本专利技术涉及用于高电压和太阳能应用的装置和方法。

技术介绍

[0005]由于现代生活对能源的需求迅速增长，高性能储能装置的发展受到了重视。
[0006]超级电容器是有前途的储能装置，其特性介于电池的特性与传统电容器的特性之间，但是它们的改进速度比任一者都快。在过去的几十年中，通过在越来越多的应用中取代电池和电容器，超级电容器已经成为日常产品的关键部件。它们的高功率密度和卓越的低温性能已经使它们成为后备电源、冷起动、相机闪光灯、再生制动和混合电动车辆中的应用的技术选择。这项技术的未来发展取决于许多领域的进一步改进，包括能量密度、功率密度、日历寿命、循环寿命和生产成本。

技术实现思路

[0007]本专利技术人已经认识到需要改进的设计并且将混合材料集成到微型超级电容器中(例如，由于可能涉及构建具有微米间隔的3D微电极的复杂的精密加工技术)。
[0008]本公开提供用于制造例如3D混合微型超级电容器等微型装置的简单而通用的技术。在一些实施方案中，此类3D混合微型超级电容器是基于互连波纹碳基网络(ICCN)和MnO2。在一些实施方案中，本文的微型装置实现接近约400mF/cm2的每占用面积电容(例如，超高的每占用面积电容)。在一些实施方案中，本文的微型装置提供高达约22Wh/L的能量密度(例如，是锂薄膜蓄电池的能量密度的两倍以上)。除了其他实例之外，这些开发对于例如生物医学传感器和射频识别(RFID)标签(例如，其中较高的每占用面积容量至关重要)等微电子装置来说是有前景的。
[0009]本公开提供一种用于制备和/或集成用于高电压应用的微型装置的方法。在一些实施方案中，本公开提供一种用于直接制备和集成用于高电压应用的非对称微型超级电容器的方法。所述微型超级电容器可以包括单独电化学电池的阵列。在一些实施方案中，可以在同一平面中并且在一个步骤中直接制造单独电化学电池的阵列。此配置可以提供对电压和电流输出的非常良好的控制。在一些实施方案中，所述阵列可以与太阳能电池集成以实现有效的太阳能收集和存储。在一些实施方案中，所述装置是用于高电压应用的集成的微型超级电容器。在某些实施方案中，所述装置是用于高电压应用的非对称的微型超级电容
器(高电压非对称的微型超级电容器)。在一些实施方案中，所述阵列包括具有至少一个ICCN/MnO2混合电极的一个或多个电化学电池。
[0010]本公开的一方面提供一种用于制造混合激光刻划的石墨烯(LSG)
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MnO23D超级电容器和微型超级电容器的方法。在一些实施方案中，所述超级电容器和/或微型超级电容器可以是紧凑的、可靠的、能量密集的，或其任何组合。在其他实施方案中，所述超级电容器和/或微型超级电容器可以快速充电、拥有较长寿命，或其任何组合。在给定在碱蓄电池中使用MnO2(每年销售大约100亿颗)和石墨烯基材料的可缩放性的情况下，石墨烯/MnO2混合电极可以给现实世界应用带来前景。
[0011]本公开的一方面提供一种电化学系统，所述电化学系统包括多个互连的电化学电池，每个电化学电池包括第一电极和第二电极，其中所述第一电极和所述第二电极中的至少一者包括互连波纹碳基网络(ICCN)。在一些实施方案中，所述电化学系统能够输出约5V至约500V的电压。在一些实施方案中，所述电化学系统能够输出至少约5V的电压。在一些实施方案中，所述电化学系统能够输出至少约100V的电压。在一些实施方案中，所述电化学系统能够输出以下电压：约5V至约10V、约5V至约50V、约5V至约100V、约5V至约200V、约5V至约300V、约5V至约400V、约5V至约500V、约10V至约50V、约10V至约100V、约10V至约200V、约10V至约300V、约10V至约400V、约10V至约500V、约50V至约100V、约50V至约200V、约50V至约300V、约50V至约400V、约50V至约500V、约100V至约200V、约100V至约300V、约100V至约400V、约100V至约500V、约200V至约300V、约200V至约400V、约200V至约500V、约300V至约400V、约300V至约500V或者约400V至约500V。
[0012]在一些实施方案中，所述多个互连的电化学电池包括至少一个混合超级电容器单元。在一些实施方案中，所述多个互连的电化学电池是混合微型超级电容器的阵列。在一些实施方案中，所述多个互连的电化学电池是通过光刻划而制造的微型超级电容器的阵列。
[0013]在一些实施方案中，电化学系统还包括设置在第一电极与第二电极之间的电解质。在一些实施方案中，电解质是含水电解质。在一些实施方案中，所述系统还包括与所述多个互连的电化学电池处于电连通的太阳能电池。在一些实施方案中，所述太阳能电池是铜铟镓硒(CIGS)电池或者有机光伏电池。
[0014]在一些实施方案中，所述电化学系统包括互连的电化学电池的平面阵列，其中每个电化学电池包括至少两个电极，其中每个电极包括碳质材料，其中至少一个电极还包括伪电容(赝电容，pseudocapacitive)材料。在一些实施方案中，所述碳质材料包括互连波纹碳基网络(ICCN)、激光刻划的石墨烯(LSG)或其任何组合。在一些实施方案中，每个电化学电池包括两个电极，并且其中每个电极包括碳质材料和伪电容材料。在一些实施方案中，所述伪电容材料包括MnO2、RuO2、Co3O4、NiO、Fe2O3、CuO、MoO3、V2O5、Ni(OH)2，或其任何组合。在一些实施方案中，电化学电池阵列被布置成交叉指型结构。在一些实施方案中，电化学系统还包括设置在第一电极与第二电极之间的电解质。在一些实施方案中，所述电化学系统还包括附接到电极的集电器。在一些实施方案中，至少一个电化学电池能够输出至少约5伏的电压。在一些实施方案中，所述电化学系统能够输出至少100伏的电压。在一些实施方案中，电化学电池具有至少约22瓦时/升(Wh/L)的能量密度。在一些实施方案中，所述电化学电池阵列具有至少约380毫法/平方厘米(mF/cm2)的每占用面积电容。在一些实施方案中，所述电化学电池阵列具有至少约1,100法拉/立方厘米(F/cm3)的体积电容。
[0015]本公开的另一方面提供一种包括超级电容器电池阵列的超级电容器。在一些实施方案中，所述超级电容器电池阵列包括至少一个混合超级电容器电池。在一些实施方案中，所述超级电容器电池阵列是混合超级电容器电池阵列。
[0016]在一些实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电化学系统，所述电化学系统包括互连的电化学电池的平面阵列，所述互连的电化学电池的平面阵列包括：三个或更多个第一电极，每个第一电极包括三个或更多个第一微电极；和三个或更多个第二电极，每个第二电极包括三个或更多个第二微电极，其中每个第一微电极与一个第二微电极交叉以形成一块电化学电池；其中所述第一电极和所述第二电极中的至少一个包括3D互连波纹碳基网络，所述3D互连波纹碳基网络包括多个扩展和互连的碳层，其中所述第一电极和所述第二电极中的至少一个包含伪电容材料。2.根据权利要求1所述的电化学系统，其中所述第一电极和所述第二电极包含所述伪电容材料。3.根据权利要求1所述的电化学系统，其中所述伪电容材料包括MnO2、RuO2、Co3O4、NiO、Fe2O3、CuO、MoO3、V2O5、Ni(OH)2或它们的任何组合。4.根据权利要求1所述的电化学系统，所述电化学系统还包括设置在至少一个第一电极和至少一个第二电极之间的电解质。5.根据权利要求1所述的电化学系统，所述电化学系统还包括附接到至少一个第一电极和至少一个第二电极的集电器。6.根据权利要求1所述的电化学系统，其中至少一块电化学电池能够输出至少5伏的电压。7.根据权利要求1所述的电化学系统，其中所述电化学系统能够输出至少100伏的电压。8.根据权利要求1所述的电化学系统，其中所述电化学系统具有至少22瓦时/升(Wh/L)的能量密度。9.根据权利要求1所述的电化学系统，其中所述互连的电化学电池的平面阵列具有至少380毫法/平方厘米(mF/cm2)的每占用面积电容。10.根据权利要求1所述的电化学系统，其中所述互连的电化学电池的平面阵列具有至少1,100法拉/立方厘米(F/cm3)的体积电容。11.一种用于制造电化学系统的方法，所述方法包括：形成碳质膜；由所述碳质...

【专利技术属性】
技术研发人员：马赫，
申请(专利权)人：纳米技术能源公司，
类型：发明
国别省市：