一种超级电容模块电芯的主动均衡方法
【专利摘要】本发明公开了一种超级电容模块电芯的主动均衡方法，在超级电容模块电芯的电解液中添加具有氧化还原电位的穿梭分子；所述穿梭分子的激发电压高于超级电容的额定充电电压，且低于超级电容电芯的临界损害电压。该方法直接将模块的电芯均衡整合于电芯的制造中，为主动性均衡策略，均衡方案简单易行；模块的均衡不需要复杂的外部集成管理电路，成本大大降低；模块之间的连接避免了外部均衡方案中所涉及的复杂的线路连接，使模块系统管理大为简化。
【专利说明】一种超级电容模块电芯的主动均衡方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及超级电容电芯和模块，尤其涉及一种超级电容模块电芯的主动均衡方法。【背景技术】
[0002]超级电容器又叫双电层电容器，是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点，具有广泛的用途。单个超级电容电芯的电压较低，超级电容模块中储能系统由多个电芯串联来提供应用中所需较高的电压。由于各个电芯的容量和内阻存在差别，因此串联中的各个电芯的电压将会有较广的分布。电芯之间的电压差别主要来自于电芯之间的漏电流的差别。漏电流大的电芯的所负载的电压小， 漏电流小的电芯所负载的电压大。在充电状态下，电芯之间的电压差别将会使漏电流小的电芯处于过充状态，导致电极结构的破坏和电芯性能的衰减。目前，降低电芯之间的漏电流差别有被动平衡和主动平衡两种策略。在被动平衡策略中，各个电芯分别和一个外电阻并联，其中从外电阻传输的电流是漏电流的10倍以上。主动策略则在并联电阻中串联开关电路，以实现对并联的电阻的开关的控制。这两种策略均增大了电芯的漏电流，导致充电效率的降低，并大大增加了超级电容模块的管理电路的复杂性。
【发明内容】
[0003]发明目的:针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种超级电容模块电芯的主动均衡方法，以满足在充电时，对电芯进行过充保护；在激活时，降低电芯之间漏电流的波动性；统一电芯充电时所承受的最大电压，提高电芯容量的一致性。
[0004]技术方案:为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为:
一种超级电容模块电芯的主动均衡方法:在超级电容模块电芯的电解液中添加具有氧化还原电位的穿梭分子；所述穿梭分子的激发电压高于超级电容的额定充电电压，且低于超级电容电芯的临界损害电压。
[0005]所述的临界损害电压是指:在该电压下，超级电容电芯的性能在10000循环中，有性能明显衰减，例如:明显衰减可以为电芯容量降低10%，性能指标不限于此。
[0006]所述穿梭分子包括二茂铁及其衍生物、二茂铁及其衍生物、咪唑盐及其侧链取代的衍生物、三唑盐及其侧链取代的衍生物、金属卟啉化合物及其侧链取代衍生物。
[0007]在有机相电解液中，所述穿梭分子的氧化还原电位最高工作电压为2.3^4.5V。
[0008]所述穿梭分子的用量为电解液的I 一 5wt%。
[0009]所述超级电容模块的电芯电压为1.5V^3.6V。
[0010]本发明的超级电容模块电芯的主动均衡方法，在超级电容模块电芯的电解液中直接添加具有合适氧化还原电位的穿梭分子，从而提高储能系统中电芯性能的均衡性和一致性。氧化还原电对的功能包括:1)充电时，对电芯进行过充保护；2)在激活时，降低电芯之间漏电流的波动性；3)统一电芯充电时所承受的最大电压，提高电芯容量的一致性。[0011]氧化还原电对的电化学窗口略高于电芯的额定(设计)电压，在电芯发生过充时， 过充或过放的电芯中的穿梭分子被激发，分子在正极被氧化后，经电解液转移到负极被还原，从而限制了电芯所承受的电压，均衡的电芯所承受电压。当充电电压超过设计值时，电芯所承受的电压为氧化还原电对分子的氧化还原电势限制，避免了充电电压过高对电芯可能的损伤。在穿梭分子被激发后，电芯的漏电流主要由分子在正负极之间的转移来完成，从而提高了电芯之间一致性。
[0012]有益效果:本发明的超级电容模块电芯的主动均衡方法，直接将模块的电芯均衡整合于电芯的制造中，为主动均衡策略，均衡方案简单易行；模块的均衡不需要复杂的外部集成管理电路，成本大大降低；模块之间的连接避免了外部均衡方案中所涉及的复杂的线路连接，使系统管理大为简化；避免了过充电压对电极的冲击和不可逆性损害，从而延长了电芯的循环和使用寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是由多节超级电容电芯串联组成的超级电容模块的结构示意图；
图2是利用穿梭分子对电芯进行主动平衡原理示意图；
图3是加入穿梭分子后的超级电容电芯充放电性能比较图。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图对本发明做进一步的解释。
[0015]如图1所示，超级电容模块由多节电芯串联组成，如果每节电芯提供电压为V，则由n节电芯提供的总电压为nV。模块的总容量由串联电芯中的容量最小的电芯决定。电芯所承受电压由电芯内阻决定。在放电时，容量最小的电芯容量最先达到放电终点。在充电时，容量最小的电芯最先达到饱和状态。内阻最小的电芯承受电压最高。过度充电和过度放电均会对电芯的结构和性能产生不可逆的损害。此外，电芯之间的容量不匹配将会导致充电或放电的提前截止，使电池组可使用容量的降低。目前，超级电容模块的均衡均由外电路实现。均衡电路的引入使电池组和超级电容的管理模块复杂程度大幅度增加，降低了电池组和模块的充放电效率,并使超级电容成本高,价格昂贵。
[0016]本发明在超级电容模块电芯的电解液中添加具有合适氧化还原电位的穿梭分子， 从而提高储能系统中电芯性能的均衡性和一致性。如图2、图3所示，在电池组充电时，达到过充状态时电芯中的氧化还原电对被激活，电芯所承受的电压被穿梭分子之的氧化还原反应`限制，因此，电容的过充状态被限制，避免了由于过充引起的电芯性能衰减。其中，氧化还原电对包括但不限于以下物质:
(I)二茂铁及其衍生物，结构通式如下:
【权利要求】
1.一种超级电容模块电芯的主动均衡方法，其特征在于:在超级电容模块电芯的电解液中添加具有氧化还原电位的穿梭分子；所述穿梭分子的激发电压高于超级电容的额定充电电压，且低于超级电容电芯的临界损害电压。
2.根据权利要求1所述的超级电容模块电芯的主动均衡方法，其特征在于:所述穿梭分子包括二茂铁及其衍生物、二茂钴及其衍生物、咪唑盐及其侧链取代的衍生物、三唑盐及其侧链取代的衍生物、金属卟啉化合物及其侧链取代衍生物。
3.根据权利要求2所述的超级电容模块电芯的主动均衡方法，其特征在于:所述二茂铁及其衍生物的结构通式如下:
4.根据权利要求2所述的超级电容模块电芯的主动均衡方法，其特征在于:所述二茂钴及其衍生物的结构通式如下:
5.根据权利要求2所述的超级电容模块电芯的主动均衡方法，其特征在于:所述咪唑及其衍生物的结构通式如下:
6.根据权利要求2所述的超级电容模块电芯的主动均衡方法，其特征在于:所述三唑及其衍生物化合物的结构通式如下:
7.根据权利要求2所述的超级电容模块电芯的主动均衡方法，其特征在于:所述金属卟啉及其衍生物的结构通式如下:
8.根据权利要求1所述的超级电容模块电芯的主动均衡方法，其特征在于:在有机相电解液中，所述穿梭分子的氧化还原电位最高工作电压为2.3^4.5V。
9.根据权利要求1所述的超级电容模块电芯的主动均衡方法，其特征在于:所述穿梭分子的用量为电解液的l~5wt%。
10.根据权利要求1所述的超级电容模块电芯的主动均衡方法，其特征在于:所述超级电容模块的电芯电压为1.5疒3.6V。
【文档编号】H01G11/84GK103578793SQ201210262763
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年7月27日 优先权日:2012年7月27日
【发明者】傅强, 王学峰, 刘杰 申请人:江苏捷峰高科能源材料股份有限公司