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CN111952080A - 可原位充电的储能装置 - Google Patents

可原位充电的储能装置 Download PDF

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Abstract

一种可原位充电的储能装置，包括：电容器第一电极、电容器第二电极、第一电解液、金属电极以及疏水层；所述电容器第一电极、所述电容器第二电极以及所述第一电解液共同形成一超级电容器；所述金属电极与所述电容器第一电极间隔设置形成一第一间隙；所述金属电极与所述电容器第二电极欧姆接触；所述金属电极与所述电容器第一电极之间可以通过一第二电解液导通，以形成一金属‑空气电池；所述电容器第一电极的至少部分表面和/或所述电容器第二电极的至少部分表面设置有所述疏水层。

Description

可原位充电的储能装置
技术领域
本发明涉及能源技术领域，尤其涉及一种可原位充电的储能装置。
背景技术
超级电容器是通过电极与电解质之间形成的界面双层来存储能量的电学元器件，既具有电容器快速充放电的特性，同时又具有电池的储能特性。但现有的超级电容器通常只是存储能量并不能自发产生能量，即现有的超级电容器不能实现既产生能量又能够将产生的能量存储。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种可原位充电的储能装置。
一种可原位充电的储能装置，包括：电容器第一电极、电容器第二电极、第一电解液、金属电极以及疏水层；所述电容器第一电极、所述电容器第二电极以及所述第一电解液共同形成一超级电容器；所述金属电极与所述电容器第一电极间隔设置形成一第一间隙；所述金属电极与所述电容器第二电极欧姆接触；所述金属电极与所述电容器第一电极之间可以通过一第二电解液导通，以形成一金属-空气电池；所述电容器第一电极的至少部分表面和/或所述电容器第二电极的至少部分表面设置有所述疏水层。
相较于现有技术，本发明提供的可原位充电的储能装置可以长时间向外输出能量，且不需要频繁补充金属-空气电池电解质，可以实现可穿戴电子产品的持续供能。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的储能装置结构俯视图。
图2为本发明第一实施例提供的储能装置结构分解示意图。
图3为本发明第一实施例提供的各种叉指状储能装置实物照片。
图4为本发明第一实施例提供的疏水层设置方式示意图。
图5为本发明第一实施例提供的疏水层设置方式示意图。
图6为本发明第一实施例提供的疏水层与电容器第一电极位置关系示意图。
图7为没有疏水层时第二电解液分布情况照片。
图8为有疏水层时第二电解液分布情况照片。
图9为本发明第一实施例提供的储能装置中金属-空气电池电压时间曲线图。
主要元件符号说明
储能装置 10a
超级电容器 100
电容器第一电极 110a
第一连接部 111a
第一连接部的第一端 1111
第一连接部的第二端 1113
第一叉指部 113a
电容器第二电极 120a
第二连接部 121a
第二连接部的第一端 1211
第二连接部的第二端 1213
第二叉指部 123a
第一电解液 130
金属电极 210
第一间隙 220
疏水层 300
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供一种可原位充电的储能装置，包括：超级电容器、金属电极以及疏水层。
所述超级电容器的结构不限，可以为各种叉指状电容器。该超级电容器的具体结构可参见后文的实施例，无论采用何种结构，所述超级电容器可以进一步包括电容器第一电极、电容器第二电极以及第一电解液。其中，所述第一电解液设置于所述电容器第一电极、电容器第二电极之间的空隙中，与所述电容器第一电极、电容器第二电极共同形成超级电容器。
所述金属电极与所述电容器第一电极间隔设置，且与该电容器第一电极的部分区域相对设置。所述金属电极至少与所述电容器第二电极的部分区域欧姆接触。所述欧姆接触可以通过在所述金属电极与所述电容器第二电极的接触面涂布导电胶黏剂的方式实现。
所述金属电极与所述电容器第一电极可以通过一第二电解液导通，以形成一金属-空气电池(metal-air cell)，其中所述金属电极为金属-空气电池阳极，所述电容器第一电极为金属-空气电池阴极，并且将电容器第一电极中与金属电极相对或相邻的那部分区域定义为电池阴极区，将电池阴极区与金属电极之间的间隙称之为第一间隙。
所述疏水层设置在所述电容器第一电极的至少部分表面和/或所述电容器第二电极的至少部分表面。优选地，所述疏水层300的材料接触角大于90度。
请参阅图1，本发明第一实施例提供一种可原位充电的储能装置10a，包括超级电容器100、金属电极210以及疏水层300。所述超级电容器100进一步包括电容器第一电极110a、电容器第二电极120a以及第一电解液130。所述超级电容器100部分区域被所述疏水层300包覆。所述超级电容器100为叉指状电容器，其中电容器第一电极110a与电容器第二电极120a均为叉指状电极。所述电容器第一电极110a与所述电容器第二电极120a相互交叉设置。
请参见图2，所述电容器第一电极110a包括第一连接部111a及连接在该第一连接部111a上的多个第一叉指部113a。该多个第一叉指部113a相互平行间隔设置。该第一连接部111a的第一端1111与所述金属电极210间隔设置形成一第一间隙220，该第一连接部111a的第二端1113作为引脚用于与外部连接。所述电容器第二电极120a包括第二连接部121a及连接在该第二连接部121a上的多个第二叉指部123a。该多个第二叉指部123a相互平行间隔设置。该第二连接部121a的第一端1211与所述金属电极210欧姆接触，该第二连接部121a的第二端1213作为引脚用于与外部连接。该多个第一叉指部113a与该多个第二叉指部123a相互间隔且交错设置。相邻的该第一叉指部113a与该第二叉指部123a之间存在间隔。
所述第一电解液130填充于该多个第一叉指部113a与该多个第二叉指部123a的间隙中。该第一电解液130可以为各种适用于超级电容器系统的电解液，如聚乙烯醇/硫酸(PVA/H2SO4)凝胶电解液。
该电容器第一电极110a和该电容器第二电极120a的形状不限，可根据实际需要进行选择。图4为本实施例提供的可原位充电的储能装置10a的实物照片，技术人员可以根据实际需求选择该电容器第一电极110a和该电容器第二电极120a的的尺寸与形状。
所述电容器第一电极110a与电容器第二电极120a的材料可以为现有的各种超级电容器电极材料。本实施例中，电容器第一电极110a与电容器第二电极120a的材料均为聚苯胺/碳纳米管复合材料。所述碳纳米管/聚苯胺复合材料包括碳纳米管网状结构及导电聚合物聚苯胺。所述碳纳米管网状结构由多个碳纳米管相互连接形成。相邻的碳纳米管之间通过范德华力相互连接。所述碳纳米管/聚苯胺复合材料中，碳纳米管网状结构作为骨架，所述聚苯胺层包覆在所述碳纳米管网状结构中的碳纳米管的表面，即，所述碳纳米管网状结构可支撑该聚苯胺层，使得该聚苯胺层可分布在碳纳米管的表面。在本实施例中，所述聚苯胺层均匀地分布在所述碳纳米管网状结构的全部表面，即，所述碳纳米管网状结构中每个碳纳米管的表面都均匀分布有聚苯胺层。此外，所述碳纳米管网状结构具有多个微孔。这些微孔是由多个碳纳米管所围成，且每一个微孔的内表面均设置有上聚苯胺层。所述微孔的尺寸范围为60nm～400nm。由于多个微孔的存在，使得所述电容器第一电极110a及电容器第二电极120a具有较小的密度，从而重量较轻。由于所述电容器第一电极110a及电容器第二电极120a均是由碳纳米管和聚苯胺组成的复合材料，该电容器第一电极110a及电容器第二电极120a具有非常好的柔性，可以任意弯曲。
本实施例中所述第一连接部111a的第一端1111也是金属-空气电池的电池阴极区，该电池阴极区与所述金属电极210之间存在第一间隙220。当该第一空隙220存在第二电解液时，金属电极210与电容器第一电极110a被该第二电解液导通，所述金属-空气电池处于工作状态，输出电能，该金属-空气电池向超级电容器充电，此时该储能装置10a处于自充电模式。当金属电极210a与电容器第一电极110a之间不存在第二电解液或不能被第二电解液导通时，所述金属-空气电池处于非工作状态，不向超级电容器充电，此时该储能装置10a处于非自充电模式。所述金属电极210的材料可选用镁、铝、锌、铁等金属空气电池负极材料。本实施例中，所述金属电极210选用的是一片厚度约30μm～80μm的铝箔。
可见，通过第二电解液可以控制该储能装置10a处于自充电模式或非自充电模式。具体地，可以通过接触或按压等方式将承载物，如手指、棉签，上携带的第二电解液，如汗液、NaCl溶液等，施加到金属电极210与电容器第一电极110a之间。
所述疏水层300设置在所述电容器第一电极110a的至少部分表面和/或所述电容器第二电极120a的至少部分表面。所述电容器第一电极110a包括一第一表面以及与该第一表面相对的第二表面，所述第二电解液由该第一表面流向该第二表面，该第二表面设置有疏水层300。所述电容器第二电极120a包括一第三表面以及与该第三表面相对的第四表面，所述第二电解液由该第三表面流向该第四表面，该第四表面设置有疏水层300。图4中所述疏水层300分别设置在该第二表面邻近所述第一间隙220的部位以及该第四表面邻近所述第一间隙220的部位。图5中所述疏水层300还进一步扩大范围，设置在所述第二表面除引脚外的部位以及所述第四表面除引脚外的部位。所述疏水层300还可以进一步设置在所述第一表面和/或所述第三表面，甚至将电容器第一电极110a、电容器第二电极120a包覆，只保留电容器引脚部位外露。
图1、4、5中所述疏水层300并没有完全延伸到电容器第一电极110a的末端，具体实施时疏水层300也可以完全延伸到电容器第一电极110a的末端，只需要保证电容器第一电极110a有部分表面裸露。图6列举了若干种疏水层300与电容器第一电极110a位置关系，设置于第一表面的疏水层300可以完全延伸到电容器第一电极110a的末端，也可以只延伸到离末端尚有一段距离(如1mm～10mm)的位置；同样地，设置于第二表面的疏水层300可以完全延伸到电容器第一电极110a的末端，也可以只延伸到离末端尚有一段距离(如1mm～10mm)的位置。
所述疏水层300可以维持第二电解液长时间处于第一空隙，进而延长所述储能装置10a的工作时间。请参见图7，图中箭头所指处为第一空隙220，照片中碳纳米管/聚苯胺材料未覆盖疏水层300，从所述第一空隙220上方滴落的第二电解液更倾向于集聚于锌箔一侧。此时，由于第二电解液不能很好的连接金属电极210和电容器第一电极110a，金属-空气电池难以持续稳定的工作。这是由于第二电解液不能有效的聚集在第一空隙220处，即使金属电极210和电容器第一电极110a能勉强导通，但随着时间的推移第二电解液体积逐渐变小，金属电极210和电容器第一电极110a之间导通中断，金属-空气电池随之停止工作。图8照片中碳纳米管/聚苯胺材料下表面覆盖有疏水层300，从所述第一空隙220上方滴落的第二电解液更倾向于集聚于第一空隙220处。后一种情况下，所述储能装置10a的持续工作时间大幅延长。请参见图9，储能装置10可以在不补充第二电解液的情况下持续工作时间大于100分钟，且电压大于1V。这是由于第二电解液能有效的聚集在第一空隙220处。
本实施例提供的可原位充电的储能装置10a可以长时间向外输出能量，且不需要频繁补充金属-空气电池电解质，可以实现可穿戴电子产品的持续供能。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种可原位充电的储能装置，其特征在于，包括：电容器第一电极、电容器第二电极、第一电解液、金属电极以及疏水层；所述电容器第一电极、所述电容器第二电极以及所述第一电解液共同形成一超级电容器；所述金属电极与所述电容器第一电极间隔设置形成一第一间隙；所述金属电极与所述电容器第二电极欧姆接触；所述金属电极与所述电容器第一电极之间可以通过一第二电解液导通，以形成一金属-空气电池；所述电容器第一电极的至少部分表面和/或所述电容器第二电极的至少部分表面设置有所述疏水层。
2.如权利要求1所述的可原位充电的储能装置，其特征在于，所述电容器第一电极与所述电容器第二电极材料均为聚苯胺/碳纳米管复合材料。
3.如权利要求1所述的可原位充电的储能装置，其特征在于，所述金属电极的材料包括镁、铝、锌、铁中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的可原位充电的储能装置，其特征在于，当所述金属电极与所述电容器第一电极之间存在第二电解液且被该第二电解液导通时，所述金属-空气电池处于工作状态，向所述超级电容器充电。
5.如权利要求1所述的可原位充电的储能装置，其特征在于，所述疏水层的材料的接触角大于90度。
6.如权利要求1所述的可原位充电的储能装置，其特征在于，所述疏水层的材料为硅橡胶。
7.如权利要求1所述的可原位充电的储能装置，其特征在于，所述电容器第一电极包括一第一表面以及与该第一表面相对的第二表面，该第二表面邻近所述第一间隙的部位设置有疏水层。
8.如权利要求7所述的可原位充电的储能装置，其特征在于，所述电容器第二电极包括一第三表面以及与该第三表面相对的第四表面，该第四表面邻近所述第一间隙的部位设置有疏水层。
9.如权利要求1所述的可原位充电的储能装置，其特征在于，所述第二电解液为汗液。
10.如权利要求1所述的可原位充电的储能装置，其特征在于，所述金属电极与所述电容器第二电极通过导电胶黏剂实现欧姆接触。
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