[發明專利]一種電化學能量存儲裝置

有效

• 申請號: 201710565334.7
• 申請日: 2017-07-12
• 公開（公告）號: CN107591249B
• 公開（公告）日: 2020-03-24
• 發明（設計）人: 鄭俊生;鄭劍平
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/32;H01G11/50
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 王小榮

本發明涉及一種電化學能量存儲裝置，包括依次分布的陽極導電板、負載在陽極導電板上的陽極、多孔隔膜、負載在陰極導電板上的陰極以及陰極導電板，陽極和陰極之間填充電解質，陽極包括第一導電含碳材料和鋰金屬材料，其中第一導電含碳材料和鋰金屬材料的質量比為(3～30)：1，陰極包括第二導電含碳材料和含鋰化合物材料，其中第二導電含碳材料和含鋰化合物材料的質量比為(0.05～5)：1，且所述鋰金屬材料與第二導電含碳材料之間的質量比為(0.001～0.1)：1，第二導電含碳材料的孔隙率大于第一導電含碳材料的孔隙率。與現有技術相比，本發明在低功率需求下，具有比超級電容器更高的能量密度；在高功率需求下，具有比鋰離子電池更高的功率密度。

技術領域

本發明涉及化學電源技術領域，具體涉及一種電化學能量存儲裝置。

背景技術

汽車工業對世界經濟和人類社會做出了顯著的貢獻，汽車被視為是現代社會自由和解放的象征。然而隨著汽車行業的不斷拓展，需要消耗大量的化石燃料，并且對環境產生了很大影響。據統計世界范圍內超過50％的石油用于運輸，一半以上的污染物來自車輛尾氣。如何解決汽車行業蓬勃發展帶來的能源和環境問題，電動汽車是非常有效的解決方案，并且近年來許多不同的電動汽車已經引入市場。

眾所周知，電動汽車比傳統的汽車具有許多優點，例如操作簡便，污染氣體零排放和安靜的駕駛體驗。

然而，即使是最先進的電動汽車也面臨著三個主要問題：有限的行程里程，較慢的起動速度和昂貴的價格。這些問題與車輛的動力電源相關。最廣泛使用的動力電源包括鋰離子電池，燃料電池和電化學電容器。鋰離子電池通過電化學反應存儲能量，電化學電容器是通過在電解液和電子導體之間的界面處形成雙電層來儲存電能。

每個能量存儲系統都有自己的優點和缺點。由于電化學電容器和鋰離子電池它們分別可以提供高功率密度或高能量密度，因此被認為是最具潛力的能量存儲系統。鋰離子電池在放電過程中鋰離子從負極脫嵌遷移到正極，并且該過程可以提供高化學能為120-250Wh/kg。然而，由于鋰離子移動和嵌入脫嵌的速度低，因而功率密度相當低，僅為200W/kg左右。在電化學電容器中，能量的主要來源是電解質在電極上的吸附/解吸過程，該過程與鋰離子電池的化學反應過程相比極快。因此，電化學電容器功率密度可以達到2-10kW/kg甚至更高。但由于離子吸附/脫附僅發生在電極活性物質表現，因此器件整體能量密度較低，僅為5～8Wh/kg。

為了解決這些問題，研究人員提出了不同的解決方案。最廣泛使用的解決方法是開發由電化學電容器電極和電池電極組成的混合系統。在該結構中，正極通過陰離子的可逆非法拉第反應存儲電荷，同時負極利用可逆的法拉第反應實現鋰離子嵌入/脫嵌。與傳統電化學電容器相比，混合超級電容器顯示出更高的能量密度。Telcordia已經開發出了一種名為非水性不對稱混合電化學超級電容器的新裝置，其中Li₄Ti₅O₁₂作為負極材料，活性炭作為正極材料。然而，這些裝置的能量密度太低，不能作為電動汽車的能量存儲系統。

先前已有文獻公開了可以通過在表面上添加穩定鋰金屬材料粉末(SLMP)層的硬碳(HC)負極代替常規活性炭負極的鋰離子電容器[W.J.Cao and J.P.Zheng,J.PowerSources,213,180(2012).]。添加的鋰粉層可以增加電容器的開路電壓，并確保在充電時電解液中更少的離子被消耗。該鋰離子電容器能夠存儲比常規電化學電容器多大約5倍的能量(<25Wh/Kg)，并且具有高功率密度。盡管如此，但能量密度仍然沒有達到實際應用的需要，由儲能機理分析可知，基于活性炭和預嵌鋰的電池性負極很難進一步提高鋰離子電容器的能量密度，因此，需要在電源器件的結構設計等方面做更多的工作。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種同時具有高功率密度和高能量密度的電化學能量存儲裝置。