專利名稱：儲(chǔ)能組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種儲(chǔ)能組件，特別是一種具有活性電解液的儲(chǔ)能組件。
背景技術(shù)：
在二十一世紀(jì)，人們對(duì)于電能的需求日益殷切，因此對(duì)于電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的需求也隨之增加，其中電池及電容器(electrochemical capacitor)均是主要的儲(chǔ)能裝置。由于超級(jí)電容器(supercapacitor ;ultracapacitor)的儲(chǔ)存容量高于一般電容器,且具備反復(fù)快速充/放電、瞬間高輸出功率能力，因此引起各界極大的研究興趣。目前，超級(jí)電容器主要可分為三個(gè)類型:(I)電雙層電容器(electric double layer capacitor, EDLC)、(2)氧化還原電容器(redox-capacitor ;pseudo_capacitor)以及(3)將前述兩種電容器結(jié)合在一起的混合型電容器(hybrid capacitors)。電雙層電容器主要是以多孔隙的物質(zhì)作為活性材料，并通過其高表面積的特性來(lái)儲(chǔ)存電能。電雙層電容器的電容量與孔隙大小以及電解液中離子的體積相關(guān)。由于過大的離子并無(wú)法進(jìn)入小尺寸的孔隙，因此主要儲(chǔ)電的孔洞為大于中孔隙(2nm至50nm)的孔洞。然而，電雙層電容器的電容量仍僅限于電解液與電極表面離子的吸附/脫附，因此電容量往往無(wú)法滿足目前需求。在氧化還原電容器中，則是利用法拉第電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)而非電雙層電容器應(yīng)用的靜電吸引力來(lái)將電容量提高數(shù)十倍。因此，活性材料對(duì)帶電離子的親合性深切地影響氧化還原電容器的電容量。然而，法拉第反應(yīng)有時(shí)會(huì)有不可逆反應(yīng)，使吸附電荷的活性材料無(wú)法有效地放電，導(dǎo)致循環(huán)壽命下降，且電容量也受限于活性物質(zhì)能夠摻雜/去摻雜的程度。因此，如何進(jìn)一步提高超級(jí)電容器的電容量已成為現(xiàn)今技術(shù)的重要課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有活性電解液的儲(chǔ)能組件。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種儲(chǔ)能組件，其包括活性電解液、第一電極以及第二電極?；钚噪娊庖汉匈|(zhì)子以及具有氧化還原能力的離子對(duì)。第一電極與第二電極共存于活性電解液中，且第一電極與第二電極電性分離。第一電極與第二電極各自包括與活性電解液產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)的活性材料或與活性電解液產(chǎn)生離子吸附/脫附反應(yīng)的活性材料?；钚噪娊庖航邮諄?lái)自第一電極和/或第二電極的電子以進(jìn)行氧化還原反應(yīng)來(lái)儲(chǔ)存電荷。上述的儲(chǔ)能組件，所述的活性電解液例如含有具氧化還原能力的多價(jià)態(tài)離子對(duì)、支持電解質(zhì)與溶劑。上述的儲(chǔ)能組件，所述的多價(jià)態(tài)離子對(duì)中的離子例如為鉻離子、硫離子、鐵離子、溴離子、錫離子、銻離子、鈦離子、銅離子、鈰離子、鎂離子、釩離子或其組合。上述的儲(chǔ)能組件，所述的支持電解質(zhì)例如為硫酸、鹽酸、硝酸、磷酸、氫氧化鋰、氫氧化鈉、氫氧化鉀、過氯酸鋰、硝酸鋰、四氟硼酸鋰、六氟磷酸鋰、四乙基六氟磷酸銨、四乙基四氟硼酸銨、三乙基甲基六氟磷酸銨、三乙基甲基四氟硼酸銨或其組合。上述的儲(chǔ)能組件，所述的溶劑例如為水、醇、酮、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、Y-丁內(nèi)酯、環(huán)丁砜、乙腈、四氫呋喃、二甲基亞砜、二甲基甲酰胺或其組合。上述的儲(chǔ)能組件，所述的可與活性電解液產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)的電極包括導(dǎo)電基板與導(dǎo)電高分子或質(zhì)子嵌入型金屬氧化物，其中導(dǎo)電高分子或質(zhì)子嵌入型金屬氧化物配置于導(dǎo)電基板上。上述的儲(chǔ)能組件，所述的導(dǎo)電高分子例如為聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚芳香烴乙烯、其衍生物、其混合物或其共聚物。上述的儲(chǔ)能組件，所述的質(zhì)子嵌入型金屬氧化物例如為氧化鎢、氧化鑰、氧化釕、
氧化猛或其組合。上述的儲(chǔ)能組件，所述的可與活性電解液產(chǎn)生離子吸附/脫附反應(yīng)的電極包括導(dǎo)電基板與表面積大于50m2/g的碳材,其中碳材配置于導(dǎo)電基板上。上述的儲(chǔ)能組件，所述的碳材例如為活性碳、石墨碳、碳布、碳?xì)只蚱浣M合。上述的儲(chǔ)能組件，所述的導(dǎo)電基板的材料例如為白金、金、銀、鈦、其合金或其組
八
口 ο上述的儲(chǔ)能組件，還可包括隔離膜，其配置于第一電極與第二電極之間。上述的儲(chǔ)能組件，所述的隔離膜例如為具有離子傳導(dǎo)能力。上述的儲(chǔ)能組件，所述的隔離膜例如為具有磺酸根或磷酸根或碳酸根的高分子膜或其復(fù)合膜。上述的儲(chǔ)能組件，所述的隔離膜例如為不具有離子傳導(dǎo)能力。上述的儲(chǔ)能組件，所述的隔離膜的材料例如為多孔性人造纖維膜、天然纖維膜、或其復(fù)合或混紡膜。上述的儲(chǔ)能組件，所述的第一電極、第二電極與活性電解液例如同置于容器中。本發(fā)明的技術(shù)效果在于:在本發(fā)明的儲(chǔ)能組件中，由于活性電解液、第一電極以及第二電極均具有儲(chǔ)存電荷的能力，因此可以有效地提高儲(chǔ)能組件的電容量。以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對(duì)本發(fā)明的限定。


圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的剖面示意圖；圖2為本發(fā)明另一實(shí)施例的剖面示意圖；圖3為本發(fā)明又一實(shí)施例的的剖面示意圖。其中，附圖標(biāo)記10、2O儲(chǔ)能組件100活性電解液102 第一電極104 第二電極200隔離膜300 容器
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作具體的描述:圖1為依照本發(fā)明一實(shí)施例的剖面示意圖。請(qǐng)參照?qǐng)D1，本實(shí)施例的儲(chǔ)能組件10包括活性電解液100、第一電極102以及第二電極104。在本實(shí)施例中，并不對(duì)第一電極102以及第二電極104的極性作限制。換句話說(shuō)，第一電極102可視為正極，而第二電極104則為負(fù)極；或者，第一電極102可視為負(fù)極，而第二電極104則為正極。第一電極102與第二電極104配置于活性電解液100中，且第一電極102與第二電極104彼此電性分離。以下將對(duì)活性電解液100、第一電極102以及第二電極104作進(jìn)一步地說(shuō)明。活性電解液100中含有質(zhì)子以及具有氧化還原能力的離子對(duì)。詳細(xì)地說(shuō)，活性電解液100例如含有具氧化還原能力的多價(jià)態(tài)離子對(duì)、支持電解質(zhì)與溶劑，其中多價(jià)態(tài)離子對(duì)用以提供具有氧化還原能力的離子對(duì)，而支持電解質(zhì)用以提供質(zhì)子。多價(jià)態(tài)離子對(duì)中的離子可以是鉻離子、硫離子、鐵離子、溴離子、錫離子、銻離子、鈦離子、銅離子、鈰離子、鎂離子、釩離子或其組合。支持電解質(zhì)可以是硫酸、鹽酸、硝酸、磷酸、氫氧化鋰、氫氧化鈉、氫氧化鉀、硝酸鋰、過氯酸鋰、四氟硼酸鋰、六氟磷酸鋰、四乙基六氟磷酸銨、四乙基四氟硼酸銨、三乙基甲基六氟磷酸銨、三乙基甲基四氟硼酸銨或其組合。溶劑可以是水、醇、酮、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、Y-丁內(nèi)酯、環(huán)丁砜、乙腈、四氫呋喃、二甲基亞砜、二甲基甲酰胺或其組合。多價(jià)態(tài)離子對(duì)的濃度例如介于0.5M至3.5M之間，較佳介于IM至2M之間。支持電解質(zhì)的濃度例如介于0.5M至3.5M之間，較佳介于IM至2M之間。特別一提的是，在本實(shí)施例中，活性電解液100是靜止的，S卩非流動(dòng)的。舉例來(lái)說(shuō)，如圖3所不,在一實(shí)施例中，第一電極102、第二電極104與活性電解液100同置于容器300中?；钚噪娊庖?00在容器300中為靜止的而不會(huì)流至容器300外。第一電極102與第二電極104各自為與活性電解液100產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)的電極或與活性電解液100產(chǎn)生離子吸附/脫附反應(yīng)的電極。與活性電解液100產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)的電極一般可稱為氧化還原電極，而與活性電解液100產(chǎn)生離子吸附/脫附反應(yīng)的電極一般可稱為電雙層電極。詳細(xì)地說(shuō)，依據(jù)第一電極102與第二電極104的型態(tài)，本實(shí)施例的儲(chǔ)能組件10可以分為四種類型。在第一種類型中，第一電極102與第二電極104均為氧化還原電極。在第二種類型中，第一電極102為氧化還原電極，而第二電極104為電雙層電極。在第三種類型中，第一電極102為電雙層電極，而第二電極104為氧化還原電極。在第四種類型中，第一電極102與第二電極104均為電雙層電極。在本實(shí)施例中，上述的與活性電解液100產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)的電極包括導(dǎo)電基板與導(dǎo)電高分子或質(zhì)子嵌入型金屬氧化物，其中導(dǎo)電高分子或質(zhì)子嵌入型金屬氧化物配置于導(dǎo)電基板上。導(dǎo)電高分子例如為聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚芳香烴乙烯、其衍生物、其混合物或其共聚物。質(zhì)子嵌入型金屬氧化物例如為氧化鎢、氧化鑰、氧化釕、氧化錳或其組合。此外，在本實(shí)施例中，上述的與活性電解液100產(chǎn)生離子吸附/脫附反應(yīng)的電極包括導(dǎo)電基板以及配置于其上的表面積大于50m2/g的碳材。上述的導(dǎo)電基板的材料例如為白金、金、銀、鈦、其合金或其組合。導(dǎo)電基板用以收集電荷，其可以是片狀、網(wǎng)狀或其它合適的形狀。碳材例如為活性碳、石墨碳、碳布、碳?xì)只蚱浣M合。高表面積碳材可具有較高的電荷儲(chǔ)存能力。
在本實(shí)施例中，與活性電解液100產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)的電極(氧化還原電極)可透過與活性電解液100進(jìn)行氧化還原反應(yīng)來(lái)儲(chǔ)存電荷，并可將電子傳導(dǎo)至活性電解液100中的多價(jià)態(tài)離子對(duì)。此外，與活性電解液100產(chǎn)生離子吸附/脫附反應(yīng)的電極(電雙層電極)可透過活性電解液100中離子吸附/脫附反應(yīng)來(lái)儲(chǔ)存電荷，并可將電子傳導(dǎo)至活性電解液100中的多價(jià)態(tài)離子對(duì)。另外，由于活性電解液100中含有質(zhì)子以及具有氧化還原能力的離子對(duì)，因此當(dāng)活性電解液100接收來(lái)自第一電極102與第二電極104的電子時(shí)，可以透過多價(jià)態(tài)離子對(duì)進(jìn)行氧化還原反應(yīng)來(lái)儲(chǔ)存電荷。也就是說(shuō)，在本實(shí)施例中，活性電解液100、第一電極102以及第二電極104均具有儲(chǔ)存電荷的能力，因此與一般的儲(chǔ)能組件(僅電極具有儲(chǔ)存電荷的能力)相比，本實(shí)施例的儲(chǔ)能組件10可以具有較高的電容量。另外一提的是，當(dāng)電極的材料為質(zhì)子嵌入型金屬氧化物時(shí)，可將多價(jià)態(tài)離子對(duì)進(jìn)行氧化還原反應(yīng)所產(chǎn)生的質(zhì)子嵌入于其中，以維持儲(chǔ)能組件10內(nèi)部的電荷平衡。此外，由于多價(jià)態(tài)離子對(duì)的氧化還原反應(yīng)具有較高的可逆性，因此可以具有較佳的電容量維持率。另外，由于本實(shí)施例中的多價(jià)態(tài)離子對(duì)的兩個(gè)氧化還原電位差距較大，因此使得氧化還原反應(yīng)能夠完全地進(jìn)行。此外，為了有效地隔離第一電極102與第二電極104以避免二者接觸而造成短路，還可以于第一電極102與第二電極104之間配置隔離膜。以下將對(duì)此進(jìn)行說(shuō)明。圖2為依照本發(fā)明另一實(shí)施例的剖面示意圖。請(qǐng)參照?qǐng)D2，在本實(shí)施例中，儲(chǔ)能組件20與儲(chǔ)能組件10的差異在于:在儲(chǔ)能組件20中，隔離膜200配置于第一電極102與第二電極104之間，以有效地電性隔離第一電極102與第二電極104。在一實(shí)施例中，隔離膜200具有離子傳導(dǎo)能力，以使活性電解液100中的質(zhì)子(即氫離子H+)可以穿透隔離膜200。隔離膜200可以是具有磺酸根或磷酸根或碳酸根的高分子膜或復(fù)合膜，例如全氟化磺酸化高分子膜、部分氟化磺酸化高分子膜、磺酸化碳?xì)涓叻肿幽ぁ⑷姿峄叻肿幽?、部分氟化磷酸化高分子膜、磷酸化碳?xì)涓叻肿幽?、全氟化碳酸化高分子膜、部分氟化碳酸化高分子膜、碳酸化碳?xì)涓叻肿幽さ??；蛘撸诹硪粚?shí)施例中，隔離膜200也可以不具有離子傳導(dǎo)能力，其僅用于電性隔離第一電極102與第二電極104。此時(shí)，隔離膜200的材料例如為多孔性人造纖維膜、天然纖維膜或其復(fù)合或混紡膜，例如為多孔性聚乙烯膜、多孔性聚丙烯膜、多孔性聚丙烯腈膜、多孔性聚乙烯對(duì)苯二甲酸酯膜、植物纖維膜、其復(fù)合或混紡膜。與圖3類似，在一實(shí)施例中，第一電極102、第二電極104、活性電解液100與隔離膜200可同置于容器中。活性電解液100在容器中為靜止的而不會(huì)流至容器外。以下將以實(shí)施例與比較例對(duì)本發(fā)明的儲(chǔ)能組件作說(shuō)明。在以下實(shí)施例與比較例中，儲(chǔ)能組件均是由浸置于活性電解液的二個(gè)電極和離子傳導(dǎo)膜所組成。在各實(shí)施例中，活性電解液均是由2M的VOSO4-XH2O(Aldrich, 97% )(作為多價(jià)態(tài)離子對(duì))添加至2M的H2SO4 (Aldrich，96% )(作為支持電解質(zhì))和水(作為溶劑)中調(diào)配而成。制作具有導(dǎo)電高分子的電極:由聚苯胺(Aldrich)、聚3_甲基噻吩或聚卩比咯(Aldrich)、導(dǎo)電碳(KS6 (Cabot),Super P(TIMCAL Graphite&Carbon))與粘著劑(EPDM)以重量比 75: 15: 10 混合成膜。然后，將此薄膜利用粘著膠(Acheson EB012)粘貼于鈦箔(Alfa Aesar)上，再經(jīng)過輾壓、裁切以形成直徑為12mm的電極板。制作具有質(zhì)子嵌入型金屬氧化物的電極:將氧化鎢或氧化鑰混合上述導(dǎo)電碳與粘著劑(重量比75: 15: 10)制作成膜。經(jīng)過相同步驟，并裁切成直徑12mm的極板。制作具有高表面積碳材的電極:將活性碳(表面積為2600m2/g)混合上述的導(dǎo)電碳與粘著劑(重量比75: 15: 10)制作成薄膜。之后，經(jīng)過相同步驟，并裁切成直徑為12_的極板。離子傳導(dǎo)膜:Nafion NR-212 (DuPont)、sPEEK (磺酸化聚醚醚酮，BASF)。在各實(shí)施例與比較例中，所測(cè)量的單位重量放電容量(C)是由放電電流(I)、時(shí)間(t)、工作電壓(V)和兩電極重量(W)計(jì)算而得，公式如下。此外，有機(jī)電解液的工作電壓為OV至2.5V，水系電解液的工作電壓為OV至IV。以ImA充放電，所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表一所示。
權(quán)利要求
1.一種儲(chǔ)能組件，其特征在于，包括: 一活性電解液，含有質(zhì)子以及具有氧化還原能力的離子對(duì)；以及 一第一電極與一第二電極，其中該第一電極與該第二電極共存于該活性電解液中，且該第一電極與該第二電極電性分離，該第一電極與該第二電極各自包括一與該活性電解液產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)的活性材料或一與該活性電解液產(chǎn)生離子吸附/脫附反應(yīng)的活性材料，且該活性電解液可接收來(lái)自該第一電極和/或該第二電極的電子以進(jìn)行氧化還原反應(yīng)來(lái)儲(chǔ)存電荷。
2.如權(quán)利要求1所述的儲(chǔ)能組件，其特征在于，該活性電解液包括一具氧化還原能力的多價(jià)態(tài)離子對(duì)、一支持電解質(zhì)與一溶劑。
3.如權(quán)利要求2所述的儲(chǔ)能組件，其特征在于，該多價(jià)態(tài)離子對(duì)中的離子包括鉻離子、硫離子、鐵離子、溴離子、錫離子、銻離子、鈦離子、銅離子、鈰離子、鎂離子、釩離子或其組口 ο
4.如權(quán)利要求2所述的儲(chǔ)能組件，其特征在于，該支持電解質(zhì)包括硫酸、鹽酸、硝酸、磷酸、氫氧化鋰、氫氧化鈉、氫氧化鉀、過氯酸鋰、硝酸鋰、四氟硼酸鋰、六氟磷酸鋰、四乙基六氟磷酸銨、四乙基四氟硼酸銨、三乙基甲基六氟磷酸銨、三乙基甲基四氟硼酸銨或其組合。
5.如權(quán)利要求2所述的儲(chǔ)能組件，其特征在于，該溶劑包括水、醇、酮、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、Y-丁內(nèi)酯、環(huán)丁砜、乙腈、四氫呋喃、二甲基亞砜、二甲基甲酰胺或其組合。
6.如權(quán)利要求1所述的儲(chǔ)能組件，其特征在于，該與該活性電解液產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)的活性材料包括一導(dǎo)電高分子或一質(zhì)子嵌入型金屬氧化物，其中該導(dǎo)電高分子或該質(zhì)子嵌入型金屬氧化物配置于一導(dǎo)電基板上。
7.如權(quán)利要求6所述的儲(chǔ)能組件，其特征在于，該導(dǎo)電高分子包括聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚芳香烴乙烯、其衍生物、其混合物或其共聚物。
8.如權(quán)利要求6所述的儲(chǔ)能組件，其特征在于，該質(zhì)子嵌入型金屬氧化物包括氧化鎢、氧化鑰、氧化釕、氧化猛或其組合。
9.如權(quán)利要求6所述的儲(chǔ)能組件，其特征在于，該導(dǎo)電基板的材料包括白金、金、銀、鈦、其合金或其組合。
10.如權(quán)利要求1所述的儲(chǔ)能組件，其特征在于，該與該活性電解液產(chǎn)生離子吸附/脫附反應(yīng)的活性材料包括表面積大于50m2/g的一碳材,其中該碳材配置于一導(dǎo)電基板上。
11.如權(quán)利要求10所述的儲(chǔ)能組件，其特征在于，該碳材包括活性碳、石墨碳、碳布、碳?xì)只蚱浣M合。
12.如權(quán)利要求10所述的儲(chǔ)能組件，其特征在于，該導(dǎo)電基板的材料包括白金、金、銀、鈦、其合金或其組合。
13.如權(quán)利要求1所述的儲(chǔ)能組件，其特征在于，還包括一隔離膜，配置于該第一電極與該第二電極之間。
14.如權(quán)利要求13所述的儲(chǔ)能組件，其特征在于，該隔離膜具有離子傳導(dǎo)能力。
15.如權(quán)利要求14所述的儲(chǔ)能組件，其特征在于，該隔離膜包括具有磺酸根、磷酸根或碳酸根的高分子膜或其復(fù)合膜。
16.如權(quán)利要求13所述的儲(chǔ)能組件，其特征在于，該隔離膜不具有離子傳導(dǎo)能力。
17.如權(quán)利要求16所述的儲(chǔ)能組件，其特征在于，該隔離膜的材料包括多孔性人造纖維膜、天然纖維膜或其復(fù)合或混紡膜。
18.如權(quán)利要求1所述的儲(chǔ)能組件，其特征在于，該第一電極、該第二電極與該活性電解液同置于一容器 中。
全文摘要
一種儲(chǔ)能組件，其包括活性電解液、第一電極以及第二電極。活性電解液含有質(zhì)子以及具有氧化還原能力的離子對(duì)。第一電極與第二電極共存于活性電解液中，且第一電極與第二電極電性分離。第一電極與第二電極各自包括與活性電解液產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)的活性材料或與活性電解液產(chǎn)生離子吸附/脫附反應(yīng)的活性材料?；钚噪娊庖航邮諄?lái)自第一電極和/或第二電極的電子以進(jìn)行氧化還原反應(yīng)來(lái)儲(chǔ)存電荷。本發(fā)明可以有效地提高儲(chǔ)能組件的電容量。
文檔編號(hào)H01G9/042GK103187179SQ20111045594
公開日2013年7月3日 申請(qǐng)日期2011年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月27日
發(fā)明者蔡麗端, 趙崇翔, 黃震宇, 李俊龍 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院