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TWI738010B - 可持續充電的儲能裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種可持續充電的儲能裝置，包括：電容器第一電極、電容器第二電極、第一電解液、金屬電極以及吸水隔膜。所述第一電解液設置於所述電容器第一電極、所述電容器第二電極之間的空隙中，與所述電容器第一電極、所述電容器第二電極共同形成一超級電容器。所述金屬電極至少與所述電容器第二電極的部份區域歐姆接觸。所述吸水隔膜設置在所述金屬電極與所述電容器第一電極之間，該吸水隔膜用於吸收周邊環境中的水分，以將所述金屬電極與所述電容器第一電極導通。

Description

可持續充電的儲能裝置
本發明涉及能源技術領域，尤其涉及一種可持續充電的儲能裝置。
超級電容器是通過電極與電解質之間形成的介面雙層來存儲能量的電學元器件，既具有電容器快速充放電的特性，同時又具有電池的儲能特性。但先前的超級電容器通常只是存儲能量並不能自發產生能量，即先前的超級電容器不能實現既產生能量又能夠將產生的能量存儲。
有鑑於此，確有必要提供一種可持續充電的儲能裝置。
一種可持續充電的儲能裝置，包括：電容器第一電極、電容器第二電極、第一電解液、金屬電極以及吸水隔膜；所述第一電解液設置於所述電容器第一電極、所述電容器第二電極之間的空隙中，與所述電容器第一電極、所述電容器第二電極共同形成一超級電容器；所述金屬電極與所述電容器第一電極間隔設置形成一第一間隙，所述金屬電極至少與所述電容器第二電極的部份區域歐姆接觸；所述吸水隔膜設置在所述金屬電極與所述電容器第一電極之間，該吸水隔膜用於吸收周邊環境中的水分，以將所述金屬電極與所述電容器第一電極導通形成一金屬-空氣電池。
相較於先前技術，本發明提供的可持續充電的儲能裝置可以長時間向外輸出能量，且不需要補充金屬-空氣電池電解質，可以實現可穿戴電子產品的持續供能。
下面將結合圖示及具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。
本發明提供一種可持續充電的儲能裝置，包括超級電容器、金屬電極以及吸水隔膜。所述超級電容器可以進一步包括電容器第一電極、電容器第二電極以及第一電解液。其中，所述第一電解液設置於所述電容器第一電極、電容器第二電極之間的空隙中，與所述電容器第一電極、電容器第二電極共同形成超級電容器。
所述金屬電極與所述電容器第一電極間隔設置形成一第一間隙。所述金屬電極至少與所述電容器第二電極的部份區域歐姆接觸。所述歐姆接觸可以通過在所述金屬電極與所述電容器第二電極的接觸面塗布導電膠黏劑的方式實現。
所述吸水隔膜設置在所述金屬電極與所述電容器第一電極之間。該吸水隔膜可以吸收儲能裝置周邊環境中的水分，吸水後的吸水隔膜可以將所述金屬電極與所述電容器第一電極導通，以形成一金屬-空氣電池(metal-air cell)，其中所述金屬電極為金屬-空氣電池陽極，所述電容器第一電極為金屬-空氣電池陰極。
請參見圖1，本發明第一實施例提供一種可持續充電的儲能裝置10a，包括電容器第一電極110、電容器第二電極120、第一電解液130、金屬電極210以及吸水隔膜220。
所述電容器第一電極110與所述電容器第二電極120平行、間隔且相對設置，所述電容器第一電極110、電容器第二電極120以及第一電解液130共同形成一超級電容器。所述金屬電極210與所述電容器第二電極120歐姆接觸，與所述電容器第一電極110間隔且相對設置，所述金屬電極210與所述電容器第一電極110分別為金屬-空氣電池的負極與正極。
所述電容器第一電極110與電容器第二電極120的材料可以為先前的各種超級電容器電極材料。本實施例中，電容器第一電極110與電容器第二電極120的材料均為聚苯胺/奈米碳管複合材料。所述奈米碳管/聚苯胺複合材料包括奈米碳管網狀結構及導電聚合物聚苯胺。所述奈米碳管網狀結構由多個奈米碳管相互連接形成。相鄰的奈米碳管之間通過凡得瓦力相互連接。所述奈米碳管/聚苯胺複合材料中，奈米碳管網狀結構作為骨架，所述聚苯胺層包覆在所述奈米碳管網狀結構中的奈米碳管的表面，即，所述奈米碳管網狀結構可支撐該聚苯胺層，使得該聚苯胺層可分佈在奈米碳管的表面。在本實施例中，所述聚苯胺層均勻地分佈在所述奈米碳管網狀結構的全部表面，即，所述奈米碳管網狀結構中每個奈米碳管的表面都均勻分佈有聚苯胺層。此外，所述奈米碳管網狀結構具有多個微孔。這些微孔是由多個奈米碳管所圍成，且每一個微孔的內表面均設置有上聚苯胺層。所述微孔的尺寸範圍為60 nm~400 nm。由於多個微孔的存在，使得所述電容器第一電極110及電容器第二電極120具有較小的密度，從而重量較輕。由於所述電容器第一電極110及電容器第二電極120均是由奈米碳管和聚苯胺組成的複合材料，該電容器第一電極110及電容器第二電極120具有非常好的柔性，可以任意彎曲。
所述電容器第一電極110與電容器第二電極120的尺寸可以基本相同。通常電容器第一電極110與電容器第二電極120的長度可以為20 mm~90 mm，寬度可以為5 mm~20 mm，厚度可以為50 μm~200 μm。本實施例中，電容器第一電極110與電容器第二電極120均為矩形電極片，長度約為45 mm，寬度約為10 mm，厚度約為100 μm。
所述電容器第一電極110包含兩個相對的表面，本實施例中將其中與電容器第二電極120相對的表面定義為第一電極內表面，將遠離電容器第二電極120的表面定義為第一電極外表面。同樣地，電容器第二電極120也包含兩個相對的表面，將其中與電容器第一電極110相對的表面定義為第二電極內表面，將遠離電容器電容器第一電極110的表面定義為第二電極外表面。
所述電容器第一電極110可以進一步劃分為相互間隔的兩個部份：第一部分111及第二部份113。類似地，所述電容器第二電極120也可以進一步劃分為相互間隔的兩個部份：第三部份121及第四部份123。
在上述四個部份中，所述第一部分111與第三部份121間隔且相對設置形成一第一空隙，所述第一部分111與第三部份121的尺寸可以基本相同，且所述第一部分111與第三部份121之間填充有第一電解液130。該第一電解液130可以為各種適用於超級電容器系統的電解液，如聚乙烯醇/硫酸（PVA/H2 SO4 ）凝膠電解液。所述第一部分111、第三部份121以及第一電解液130共同形成一超級電容器100。
在上述四個部份中，所述第二部份113與所述第四部份123間隔且相對設置，所述第二部份113與第四部份123的尺寸可以基本相同。所述第四部份123靠近第二部份113的表面（即第四部份123內表面）設置有金屬電極210。所述金屬電極210的材料可選用鎂、鋁、鋅、汞、鐵等金屬空氣電池負極材料。所述金屬電極210的長度與寬度可與第四部份123基本相同，所述金屬電極210的厚度可以為25 μm~100 μm。本實施例中，所述金屬電極210選用的是一片厚度約50 μm的鋅箔。
所述金屬電極210與第四部份123內表面之間歐姆接觸。所述歐姆接觸可以通過在所述金屬電極210與第四部份123之間塗布導電膠黏劑的方式實現。所述導電膠黏劑可以選用導電銀膠(silver paste)。請參閱圖2，通過導電銀膠緊密接觸的金屬電極210與電容器第二電極120之間電流-電壓曲線接近一直線，表明兩者之間的接觸可以視為歐姆接觸。
所述吸水隔膜220設置在所述金屬電極210與所述電容器第一電極110之間。所述吸水隔膜220可以緊貼所述金屬電極210與所述電容器第一電極110設置。該吸水隔膜220可以持續吸收儲能裝置10a周邊環境中的水分，同時也可以阻止金屬電極210與電容器第一電極110直接接觸。當所述吸水隔膜220吸收水分後，可以將所述金屬電極210與所述電容器第一電極110導通，形成一金屬-空氣電池。
本實施例中所述吸水隔膜220可以通過以下方法製備： S1，將一隔膜浸泡於一由吸水材料配製的溶液中；以及 S2，取出浸泡後的隔膜並乾燥。
S1中，所述吸水材料為離子型化合物，即在溶劑的作用下能夠產生陰陽離子，如，氯化鈣、硫酸鈣、硫酸鎂、硫酸鈉、碳酸鉀等。本實施例中，所述吸水材料為氯化鈣，所述溶液為氯化鈣溶液。本實施例中隔膜選用的是一片定性試紙，技術人員還可以根據實際需求選取其他先前的金屬-空氣電池隔膜。
S2中，乾燥後即獲得吸水隔膜220，該吸水隔膜220的表面及孔隙中包含大量吸水材料微粒（如無水氯化鈣微粒），設置在隔膜表面及孔隙中的吸水材料能夠在短時間內吸收水分形成金屬-空氣電池電解液230。即所述吸水隔膜220不僅能夠吸收水分，還能形成用於金屬-空氣電池的電解液。
請參見圖3，本發明實施例提供的儲能裝置10a可以根據功能進一步分為超級電容器區塊100與金屬-空氣電池區塊200。超級電容器區塊100包括：電容器第一電極110、電容器第二電極120、第一電解液130。金屬-空氣電池區塊200包括電容器第一電極110、金屬電極210、吸水隔膜220。其中，電容器第一電極110既是超級電容器的電極，也是金屬-空氣電池的正極。
請參見圖4，當所述吸水隔膜220吸收周邊環境中的水分將所述金屬電極210與所述電容器第一電極110導通時，所述金屬-空氣電池區塊200處於工作狀態，輸出電能，該金屬-空氣電池區塊200向超級電容器區塊100充電，此時該儲能裝置10a處於自充電模式。當所述吸水隔膜220處於乾燥狀態，所述金屬電極210與所述電容器第一電極110不導通，所述金屬-空氣電池區塊200處於非工作狀態，不輸出電能，該金屬-空氣電池區塊200不向超級電容器區塊100充電，此時該儲能裝置10a處於非自充電模式。
請參見圖5，當周邊環境的相對濕度為68 %時，所述儲能器件10a的輸出電壓可以穩定達到0.63V以上，當周邊環境的相對濕度為88 %時，所述儲能器件10a的輸出電壓可以穩定達到0.77V以上。可見，本實施例提供的儲能裝置10a可以在一定濕度條件下持續、穩定的輸出電能，在作為可穿戴電子產品的供能裝置時，人體汗液可以直接進入金屬電極210與電容器第一電極110之間的空隙使該金屬電極210與電容器第一電極110導通，同時吸水隔膜220也可以持續的吸收人體周邊的水氣，實現持續供能。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10a:儲能裝置 100:超級電容器區塊 110:電容器第一電極 111:第一部分 113:第二部份 120:電容器第二電極 121:第三部份 123:第四部份 130:第一電解液 140:絕緣層 200:金屬-空氣電池區塊 210:金屬電極 220:吸水隔膜 230:金屬-空氣電池電解液
圖1為本發明第一實施例提供的可持續充電的儲能裝置結構示意圖。
圖2為本發明第一實施例中金屬電極與電容器第二電極接觸部位的電流-電壓曲線。
圖3為本發明第一實施例提供的可持續充電的儲能裝置功能單元示意圖。
圖4為本發明第一實施例提供的可持續充電的儲能裝置自充電模式與非自充電模式示意圖。
圖5為本發明第一實施例提供的可持續充電的儲能裝置充電時間-電壓曲線圖。
無
10a:儲能裝置
110:電容器第一電極
111:第一部分
113:第二部份
120:電容器第二電極
121:第三部份
123:第四部份
130:第一電解液
140:絕緣層
210:金屬電極
220:吸水隔膜

Claims (10)

  1. 一種可持續充電的儲能裝置，其中，包括：電容器第一電極、電容器第二電極、第一電解液、金屬電極以及吸水隔膜；所述第一電解液設置於所述電容器第一電極、所述電容器第二電極之間的空隙中，與所述電容器第一電極、所述電容器第二電極共同形成一超級電容器；所述金屬電極與所述電容器第一電極間隔設置形成一第一間隙，所述金屬電極至少與所述電容器第二電極的部份區域歐姆接觸；所述吸水隔膜設置在所述金屬電極與所述電容器第一電極之間，該吸水隔膜用於吸收周邊環境中的水分，以將所述金屬電極與所述電容器第一電極導通形成一金屬-空氣電池。
  2. 如請求項1所述的可持續充電的儲能裝置，其中，所述吸水隔膜包括隔膜及吸水材料微粒，其中所述吸水材料微粒位於所述隔膜的表面及孔隙中。
  3. 如請求項1所述的可持續充電的儲能裝置，其中，所述吸水隔膜製備方法為：將一隔膜浸泡於一由吸水材料配製的溶液中，取出浸泡後的隔膜並乾燥。
  4. 如請求項2或3所述的可持續充電的儲能裝置，其中，所述吸水材料為離子型化合物，該離子型化合物吸收水分後形成用於金屬-空氣電池的電解液。
  5. 如請求項2或3所述的可持續充電的儲能裝置，其中，所述吸水材料包括氯化鈣、硫酸鈣、硫酸鎂、硫酸鈉、碳酸鉀中的一種或多種。
  6. 如請求項1所述的可持續充電的儲能裝置，其中，所述金屬電極的材料包括鎂、鋁、鋅、汞、鐵中的一種或幾種。
  7. 如請求項1所述的可持續充電的儲能裝置，其中，所述電容器第一電極、所述電容器第二電極的材料均為聚苯胺/奈米碳管複合材料。
  8. 如請求項1所述的可持續充電的儲能裝置，其中，所述金屬電極的厚度範圍為25μm~100μm。
  9. 如請求項1所述的可持續充電的儲能裝置，其中，所述金屬電極與所述電容器第二電極通過導電膠黏劑實現歐姆接觸。
  10. 如請求項1所述的可持續充電的儲能裝置，其中，所述吸水隔膜緊貼所述金屬電極與所述電容器第一電極設置。
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