具有纳米复合材料的电子电池制造技术

具有常规电化学电容器结构的超级电容器式电子电池，所述常规电化学电容器结构具有放置在所述常规电化学电容器结构内的第一纳米复合电极的。所述纳米复合电极显示分散在电解质基质中的纳米级导电颗粒，所述纳米级导电颗粒涂覆有设计和功能化的有机或有机金属化合物。此外，在具有相似性质的所述常规电化学电容器结构内放置第二纳米复合电极。在所述常规电化学电容器结构内的电解质使所述第一纳米复合电极与所述第二纳米复合电极分离。与所述第一和第二纳米复合电极连通的两个集流体完成发电方案。用于制造电容器的方法，其包括形成导电或半导体纳米颗粒并使所述纳米颗粒与第一设计和功能化的有机或有机金属化合物反应，所述反应形成围绕各个所述纳米颗粒的有机或有机金属壳。将所述处理的纳米颗粒分散至电解质基质以形成纳米复合电极。使用分离的电解质排列这种电极中的两个由此形成上述结构。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有纳米复合材料的电子电池
技术介绍
世界已知的油储量由于发展中国家的工业化和需求的增加而以更快的速度减少。2008年油价超过$100每桶并且可能将来变得更昂贵。对于发电，有许多选择可代替燃油发电站在美国和其它工业化国家已经广泛开展天然气、煤、核能和水力发电站。然而，燃烧天然气和煤导致空气二氧化碳水平的增加以及全球变暖加速而且政府寻求解决该日益严重的问题的办法，最近越来越关注诸如太阳能、风能和潮汐能的可再生能源。值得提及的是尽管将来可能增加核能发电的比例，但这不是万能的。公众记得切尔诺贝利和三里岛事件，并且非常担忧将数百年甚至数千年仍有危险的放射性废弃物。此外，虽然为了和平目的使用核能，但这也提高了可裂变燃料的供应并且伴随其所有伴随问题而增加了核扩散的可能。多方面问题使得这需要结合几种解决方案的策略。上述增加可再生能源的使用是一个好的开始，但世界还必须学习减少其人均能耗并更有效地使用其能源。实现这些目标所需的关键是高效储能。这又有许多解决方案仅列举一些，在高处抽水、在地下洞穴储 存压缩气体、将过量电能转化为诸如氢、惯性轮、电池和电容器的燃料。各个解决方案具有其优选的应用并且目前电池和电容器是储存电能的小型和中型便携式电器的优选方法。然而，越来越关注使用较大的电池和电容器用于车辆推进并负荷水平或功率调节应用。提议将电池和电容器用于储存来自风力和光伏发电机的能量以分别在平静或黑暗时提供电能。伴随大多数工业操作，需要能量以制造电池和电容器。此外，这些装置本身不产生能量但它们能导致更有效地使用能量。因此，考虑给定应用中特定电池或电容器的净能量平衡是重要的。如果能量储存装置在其使用寿命内比制造其的能量节省更多的能量，那么其导致有价值的能量节约并可能减少总的CO2排放。然而，如果发生相反的情况，那么认为所研究的技术是“绿色”节能技术是不实际的。充电电池制造是相对能量密集型操作高能量密度的锂离子电池特别需要高纯度的材料，其一些必须在高温度下进行制造。一些早期的锂离子电池仅具有几百次循环的有限循环寿命并且它们在许多典型便携式电子设备中的净能量平衡是负的。在充分重视全球变暖和能量储量逐渐减少的严重性之前，它们确实提供了给定尺寸和重量的更好性能，因此降低了装置的总尺寸和重量，这是主要的考虑因素。对于车辆推进剂和发电站应用，关键的是电池的净能量平衡是正的并且它们的寿命足以证明它们的用途。由于其本身性质，电化学电池中的电极在充电和放电过程中经历化学变化。这些能够为相变化、结构变化和/或体积变化的形式，其所有均能随时间显著降低电极的完整性并降低电池的容量。实际上，必须小心控制最近产生的锂离子电池中的充电和放电过程一过度充电或过度放电能限制性能并导致电池过早失效。相比之下，电容器以电极上的电荷形式储存其能量。大多数电容器不包括化学变化并且具有百万次或更多至100%放电深度的循环的循环寿命。电容器还能以比电化学电池快数量级的速度进行充电和放电使得它们特别利于捕捉例如下降的电梯和汽车再生制动应用中快速释放的能量。传统静电和电解质电容器广泛用于电路应用中，但每单位重量或体积仅能储存相对少量的能量。现在，电化学双层(EDL)电容器的出现提供了传统电化学电池的可行替代，其中功率密度和循环寿命比能量密度更重要。实际上，最近产生的EDL超级电容器具有约25Wh/kg的比能，与铅酸电化学电池接近相同。现有技术人们很久就意识到在电解质和不可逆电极之间的界面上存在非常大的电容。 参见 R. Kotz 和 M. Carlen, “Principles and Applications of ElectrochemicalCapacitors (电化学电容器的原理和应用)”，Electrochimica Acta(电化学学报)45,2483-2498(2000)。在今天可商业获得的电化学双层(EDL)超级电容器(有时称为“超电容器”)中发现该现象。参见“Basic Research Needs for Electrical Energy Storage (电能储存的基础研究需要)”，Basic Research Needs for Electrical Energy Storage (电能储存的基础电能科学研讨会的报告)，美国能源部，2007年4月”。该可接受的机制追溯到 1853 年，当 von Helmholtz 发现电化学双层(electrochemical double layer)时。参JAL H. von Helmholtz, Ann. Phys. (Leipzig) 89 (1853) 211。如果将两个电极浸入电解质,贝丨J来自电解质的负离子的单一层形成与正电极的紧密接近并且正离子占优势的电解质的第二层形成与上述负离子的接近，形成所谓的“Helmholtz双层”。相似的过程在相反的负电极上发生，尽管在该情况下正离子形成最接近电极的层-这在图I中示意性地示出。 由于该双层仅在电极和电解质之间的界面上形成，因此需要建立使该界面区域最大化的结构。传统上，使用闻表面积碳粉和水性电解质制造EDL超级电容器。参见 B.E.Conway, Electrochemical Supercapacitors-Scientific Fundamentals andTechnological Applications (电化学超级电容器-科学原理和技术应用)，Kluwer, NewYork，1999。然而，EDL超级电容器的电容不常随表面积成比例增加。有时大多数具有通过BET方法测量的最高表面积的多孔碳粉具有比其它低表面积材料低的电容。这通常解释为由于一些孔不是形成双层结构的尺寸的事实。一些作者研究使用了使用假电容提高电极材料的有效电容的电容器。除了通过Helmholtz双层中的电荷分离储存的能量之外,假电容器(pseudocapacitance)通过改变成分之一的氧化态来稳定电极材料中储存的电荷，所述成分通常具有多重氧化态的过渡金属。在该方面，假电容器与电化学电池相似，但具有非常重要的不同在许多电化学电池中，例如，锂离子电池，可变氧化态金属氧化态的变化伴随流动离子从电解质固态扩散至大多数活性电极材料(在锂离子电池中，锂离子扩散至大多数活性电极材料)。该过程导致活性电极材料的结构变化并被认为是有助于充电电化学电池的有限循环寿命的主要因素。相比之下，真正的假电容仅在表面发生一来自电解质的流动离子不扩散至大多数活性电极材料。建议将二氧化钌(RuO2)和二氧化锰(MnO2)作为用于假电容器的活性材料。在迄今公布的若干美国专利中，Lee等人描述了包含具有超过600F/g的高比容的碳/无定形二氧化锰电极的假电容器。基于水性电解质的电容器和假电容器通常局限于略高于IV的最大操作电池电压一较高的电压导致电解质不期望的电解。最近的EDL超级电容器使用基于有机溶剂的电解质(参见 K. Yuyama, G. Masuda, H. Yoshida和 T. Sato,“ Ionic liquids containing thetetrafluoroborate anion have the best performance and stability for electr本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：维尔讷·奥斯卡·马蒂恩森，格林·杰里米·雷诺兹，
申请(专利权)人：OC欧瑞康巴尔斯公司，罗莎琳达·马蒂恩森，
类型：发明
国别省市：