包括固体多层电解质的能量储存装置制造方法及图纸

提供了包括固体多层电解质的能量储存装置。在某些实施方案中，本文公开的能量储存装置在较低电压下可呈现与电化学电池类似的性能，但是当电压升高时可过渡为静电电容器性能。通过提供大的总能量储量，本文公开的能量储存装置、方法和系统可优选为有利的。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包括固体多层电解质的能量储存装置本申请要求2010年I月9日提交的美国临时申请号61/293，638的权益，该临时申请通过引用全文结合到本文中。
技术介绍
电能储存装置(例如电容器、电池和超电容器)通过利用在两个金属或另外的导电性表面(“电极”)上的电荷而储存或产生能量。带电荷的表面通常通过电绝缘体或电介质分隔。当将电荷放置在传导性表面上时，在电极之间建立电场，产生电压。通常，电容器物理分隔正和负电荷，而不是像在电池中通常的那样化学分隔电荷。电池再循环能力有限并且不能像电容器那么快地递送能量，或者不具有比电容器产生的更大的损失。超电容器(supercapacitor)或超电容器(ultracapacitor)有时称为双层电容器，因为它极化电解质溶液，以静电储存能量。超电容器的能量储存机理高度可逆，这使得超电容器多次充电和放电。 然而，由于缺乏可容许具有足够强度的电场的可用的材料和结构，电容器通常不能与电池的能量储量匹配。专利技术概述 在一方面，本公开提供能量储存装置。在一个实施方案中，能量储存装置包括阳极；包括多个层的固体多层电解质，所述多个层包括阴离子交换聚合物电解质层和阳离子交换聚合物电解质层；和阴极。至少一个阴离子交换聚合物电解质层包括具有多个化学结合的正离子和多个静电结合的负离子的聚合物。至少一个阳离子交换聚合物电解质层包括具有多个化学结合的负离子和多个静电结合的正离子的聚合物。在某些实施方案中，阳极、阴极或二者可为高表面积电极，例如，包括其中具有多个颗粒(例如，碳或石墨纳米颗粒)的离子交换聚合物电解质的复合材料电极。在某些实施方案中，所述装置进一步包括非导电性电介质油(例如，聚二甲基硅氧烷)，优选在固体多层电解质内。在优选的实施方案中，所述装置设置为初始充电以电化学模式储存能量，且进一步充电以静电模式储存能量。在另一个实施方案中，能量储存装置包括阳极；包括多个层的固体多层电解质，所述多个层包括交替的阴离子交换聚合物电解质层和阳离子交换聚合物电解质层；和阴极。至少一个阴离子交换聚合物电解质层包括具有多个化学结合的正离子和多个静电结合的负离子的聚合物。至少一个阳离子交换聚合物电解质层包括具有多个化学结合的负离子和多个静电结合的正离子的聚合物。至少一个阴离子交换聚合物电解质层与阴极相邻，并且至少一个阳离子交换聚合物电解质层与阳极相邻。在某些实施方案中，阳极、阴极或二者可为高表面积电极，例如，包括其中具有多个颗粒(例如，碳或石墨纳米颗粒)的离子交换聚合物电解质的复合材料电极。在某些实施方案中，所述装置进一步包括非导电性电介质油(例如，聚二甲基硅氧烷)，优选在固体多层电解质内。在优选的实施方案中，所述装置设置为初始充电以电化学模式储存能量，且进一步充电以静电模式储存能量。在另一方面，本公开提供一种储存能量的方法。在一个实施方案中，所述方法包括提供本文描述的能量储存装置；在足以引起实质上所有的静电结合的正离子迁移并在阴极上被还原和沉积以及实质上所有的静电结合的负离子迁移并在阳极上被氧化和沉积的条件下，施加相对于阴极负极化的和相对于阳极正极化的场，其中在一个或多个阴离子交换聚合物电解质层上的残余的化学结合的正离子和在一个或多个阳离子交换聚合物电解质层上的残余的化学结合的负离子形成包括极化的聚合物层(例如，交替层)的固体多层电介质；和在足以在电极的表面上静电储存电荷的条件下，进一步施加相对于阳极正极化的和相对于阴极负极化的场。在另一方面，本公开提供一种至少部分充电的能量储存装置。在一个实施方案中，所述装置包括阳极；包括一个或多个阳离子极化的聚合物层和一个或多个阴离子极化的聚合物层的层的固体多层电介质；和阴极。至少一个阳离子极化的聚合物层包括多个化学结合的正离子。至少一个阴离子极化的聚合物层包括多个化学结合的负离子。在另一个实施方案中，所述装置包括阳极；固体多层电介质，其包括一个或多个阳离子极化的聚合物层和一个或多个阴离子极化的聚合物层的交替层；和阴极。至少一个阳离子极化的聚合物层包括多个化学结合的正离子。至少一个阴离子极化的聚合物层包括多个化学结合的负离子。另外，至少一个阳离子极化的聚合物层与阴极相邻，并且至少一个阴离子极化的聚合物层与阳极相邻。 在另一方面，本公开提供一种储存能量的方法。所述方法包括提供本文描述的至少部分充电的能量储存装置；和在足以在电极的表面上静电储存电荷的条件下，施加相对于阳极正极化的和相对于阴极负极化的场。在另一个实施方案中，本公开提供至少部分充电的能量储存装置，所述装置包括阳极；具有至少80，000 (并且在某些实施方案中，至少20，000)的介电常数的固体多层电介质；和阴极。在某些实施方案中，所述固体多层电介质可具有至少25，000、50，000或甚至100, 000的介电常数。在另一方面，本公开提供一种用于储存和释放能量的系统。在一个实施方案中，所述系统包括一个或多个本文描述的至少部分充电的能量储存装置；用于在足以在电极的表面上静电储存电荷的条件下，施加相对于阴极负极化的和相对于阳极正极化的场的装置(例如，使用电流来源，例如直流电流来源，其可任选为连续的电流来源)；和用于在电极的表面上从静电储存的电荷释放能量的装置(例如，使用阻抗和/或机械漏电，例如加热器和/或电动机)。在另一方面，本公开提供一种制备固体多层电解质的方法。在某些实施方案中，所述方法包括辊压层压阴离子交换聚合物电解质和阳离子交换聚合物电解质的层(例如，交替层)。在另一方面，本公开提供一种制备能量储存装置的方法。在某些实施方案中，所述方法包括在阳极和阴极之间提供固体多层电解质。在另一方面，本公开提供包括一个或多个本文描述的能量储存装置的电池和电池包装。在某些实施方案中，比起本领域已知的能量储存装置、方法和系统，本文公开的能量储存装置、方法和系统可提供优点。例如，具有交替的极化聚合物层的固体多层电介质由于固有地非导电性电解质层的高电阻率可具有超过120 V/微米的击穿电压和低渗漏电流。另外，高电介质介电常数和大的击穿电压可允许在较高电压下操作，能制造能储存一定量的能量的电池，该能量与锂离子电池可比并优选超过锂离子电池，同时保持期望的电容器特性，例如，快速递送能量。对于另一个实例，固体多层电介质的高电介质介电常数与至少适度的板极(Plate)表面积和高电压组合可导致具有大的总能量储量的高能量密度结构。在优选的实施方案中，本文公开的能量储存装置可具有大于汽油(例如，34，000，000焦耳/升)的储能容量。本文使用的“一个”、“该”和“至少一个”可互换使用，并且是指一个或多于一个。本文使用的术语“包含”与“包括”或“含有”同义，为包含性、开放式、并且不排除另外的未引用的要素或方法步骤。本公开的各种实施方案的以上简要描述不旨在描述本公开的每个实施方案或每种实施。而是，鉴于附图，参考以下描述和权利要求，对本公开的更完全的理解将变得显而易见并得到领会。另外，应理解的是，可利用其它实施方案，并且在不偏离本公开的范围下可进行结构变化。附图简述 图I为简单的电容器的示意性说明。图2为电双层电容器(EDLC)结构的示意性说明。图3为说明示例性自组装的聚合物电解质的层状结构的透射电子显微照片。图4为对于示例性未极化的聚合本文档来自技高网...

【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：SG埃伦伯格，
申请(专利权)人：戴斯分析公司，
类型：发明
国别省市：