[发明专利]一种超级电容器电池

说明书

技术领域

本发明涉及电池制造，尤其是动力电池技术领域。

背景技术

随着经济的不断发展,必然会引起石油资源的枯竭和环境污染、地球温暖化的加剧。新能源技术、环境技术的开发和综合高效的利用己成为十分必要的课题,发展电动汽车势在必行。超级电容器在电动汽车领域具有明显的优势,它可以满足汽车在加速、启动、爬坡时的高功率需求,以保护主蓄电池系统。

若与动力电池配合使用,超级电容器则可充当大电流或能量缓冲区,降低大电流充放电对动力电池的伤害,延长电池的使用寿命,同时它能较好地通过再生制动系统将瞬间能量回收,提高能量利用率；超级电容器如与燃料电池相配套,则可作为燃料电池的启动动力。美国、日本和俄罗斯等国都先后投入大量的人力、物力对超级电容器进行研究开发。美国能源部对电动车用超级电容器的开发己制订了相应的发展计划,1998-2003年为能量密度达到5W/kg,功率密度达到500W/kg。日本制定了“新阳光计划”,将电化学电容器列为核心研究项目。而欧洲共同体从1996年开始实施所谓的Juolelll框架工程,其目的在于开发电动车辆用的电化学电容器,计划目标是能量密度达到6w/kg(或8wh/L),功率密度达到1500w/kg(或2000W/L),循环寿命超过10万次,满足二次电池和燃料电池电动汽车的要求。由此可见,电化学电容器己经成为新型储能器件方面研究的一个热潮,今后将有更多的研究机构及人员投入到该领域的研究当中,这必将使电化学电容器在日益广阔的范围内获得更加迅猛的发展。双电层是指电化学溶液中性质不同的两相之间界面处所产生的正电荷与负电荷分布层。电解液与电极接触时,为达到系统的电化学平衡,电荷在电极和电解质的界面之间自发的分配形成双电层,充电时在电极/溶液界面发生电子和离子或偶极子的定向排布,形成双电层电容并达到保存能量的目的。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时,与普通电容器一样,极板的正电极存储正电荷,负极板存储负电荷,在两极板上电荷产生的电场作用下,电解液与电极间的界面上会形成相反的电荷层,以平衡电解液的内电场,这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上以极短间隙排列的电荷分布层叫做双电层。当两极板间的电势低于电解液的氧化还原电位时,超级电容器为正常工作状态(通常为3v以下),如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电位时,电解液将分解,为非正常状态。随着超级电容器放电,正、负极板上的电荷被外电路泄放,电极/溶液界面上的电荷相应减少。由此可以看出这种充放电过程始终是物理过程,没有化学反应,因此性能稳定,循环寿命长。双电层电容器的电极材料主要由具有高比表面积的碳材料组成。

法拉第准电容也被称为赝电容,是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上,电活性物质进行欠电位沉积,发生高度可逆的化学吸附/脱附或氧化/还原反应,产生与电极充电电位有关的电容。赝电容的贮能机制是一个法拉第过程,但不会像常规的法拉第过程那样产生持续的法拉第电流。它的充放电过程具有电容器的特征:(l)电容器的电压随时间线性变化；(2)当对电极加一个随时间线性变化的外电压时,可以观察到一个近乎常量的充放电电流或电容。赝电容不仅发生在电极表面,而且可深入到整个电极内部,其最大充放电性能由电活性物质表面的离子取向和电荷转移速度控制,可在短时间内进行电荷转移,因而可获得比双电层电容更高的电容量和能量密度。在相同电极面积的情况下,赝电容可以是双电层电容量的10-100倍。而且在整个充放电过程中,电极上没有发生决定反应速度与限制电极寿命的电活性物质的相变化,因此循环寿命也非常长。赝电容材料主要包括两大类:一类是过渡金属氧化物,这类电活性物质在充电时电解液中的离子在外加电场的作用下由溶液中扩散到电极/溶液界面,而后通过界面电化学反应，进入到电极表面活性氧化物的体相中,当放电时这些进入氧化物中的离子又会重新返回到电解液中,同时所存储的电荷通过外电路而释放出来；另一类是导电聚合物(如聚苯胺,聚吡咯等),通过充放电过程中的氧化还原反应在聚合物膜上快速产生n型或p型掺杂从而使聚合物储存很高密度的电荷,产生很大的法拉第准电容。