专利名称：一种全固态储能器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种全固态储能器件。
背景技术：
能源问题是世界各国在发展过程中无法回避的问题。为了解决能源瓶颈，各国都制定了能源科技发展战略，充分利用现有能源，大力开发新型储能设备。传统的储能材料如电池和电容器在储能领域发挥了重要的作用，但是电池的能量密度高而其功率密度较低，这主要是由于电池要通过电化学反应才能产生电荷并进行电能的存储，因此，电池的充电或放电需要一定的时间，导致其功率密度较低。近年 来，锂离子电池的研究十分广泛并已经进入商业化阶段。然而，锂离子电池在充电过程中容易发生短路、过充等现象，从而导致爆炸，并且容量会缓慢衰退，使其性能下降。另一方面，电容器具有较高的输出功率密度，即放电过程能在很短的时间内完成；但是其能量密度较低，导致放电持续时间短。超级电容器是近年来发展起来的一种介于传统电容器和二次电池之间的新型储能器件，它保留了传统电容器功率密度大，充放电速度快，放电效率高，寿命长的特点，同时其能量密度也大幅提高，是一种新型、实用、高效的储能器件。但是，超级电容的能量密度仍远小于锂电池，这限制了超级电容器在储能领域的应用。同时，由于仍然使用液态电解质，这种电容器同样存在电解质渗漏等安全隐患。因此，开发一种既有较高的能量密度，又具有大的功率密度的储能器件对于储能具有重要的意义，有助于提高能源的利用效率。
发明内容
本发明针对储能材料和器件在能量存储方面存在的能量密度过低(如超级电容器)和功率密度过低(如电池)等问题，提供一种全固态储能器件，拓展储能器件在能源存储方面的应用。本发明的全固态储能器件主要由电极、电荷存储材料、绝缘材料组成，其中电荷存储材料用绝缘材料隔开，形成电荷存储材料/绝缘材料/电荷存储材料的夹心结构。所述的全固态储能器件，其中电极为铜或其合金、铝或其合金、导电性碳材料、导电高分子其中一种；所述的全固态储能器件，其中电荷存储材料包括正电荷存储材料和电子存储材料，正电荷存储材料与正极接触，电子存储材料与负极接触；所述的全固态储能器件，正电荷存储材料是聚对苯撑乙烯、聚乙烯咔唑、聚酚噻嗪中的一种或大于一种的混合物构成；所述的全固态储能器件，所使用的正电荷存储材料的分子量为300 500000 ；所述的全固态储能器件，电子存储材料是联苯醌类及其衍生物、噻咯及其衍生物中一种或大于一种的混合物，优选为3，3’ - 二甲基_5，5’ - 二叔丁基联苯醌、3，5_ 二甲基-3’，5’ - 二叔丁基联苯醌的混合物和2，3，4，5-四苯基噻咯中的一种或大于一种的混合物；
所述的全固态储能器件，绝缘材料是由无机类绝缘材料、有机绝缘聚合物中的一种或大于一种的混合物，优选为二氧化硅(无机)和聚酰亚胺(有机聚合物)中的一种或两种的混合物。本发明的全固态储能器件具有如下优点(I)本发明的全固态储能器件不涉及化学反应，充/放电过程由电荷的迁移速率决定，因此功率密度高，充电时间短；(2)本发明的全固态储能器件在储能过程中没有电解质的损耗，充放电循环寿命长;(3)电荷存储材料具有较强的电荷存储能力，因此本发明的全固态储能器件能量密度大； (4)由于整个器件中没有化学反应，没有液态电解质，因此，不存在电解质渗漏等问题，安全可靠，并且对环境友好。
图I是全固态储能器件结构示意图；其中I是负极，2是电子存储层，3是绝缘层，4是正电荷存储层，5是正极；图2是串联全固态储能器件结构示意图。
具体实施例方式实施例I采用真空蒸镀技术在金属铝表面制备一层面积为IOX 10cm2，厚度为Iym的3，3’ - 二甲基-5，5’ - 二叔丁基联苯醌，然后在联苯醌层表面旋涂一层厚度为5 μ m的聚酰亚胺。最后在聚酰亚胺表面旋涂一层厚度为750nm的聚乙烯咔唑聚合物(平均分子量为19325)。干燥固化后，在聚合物表面真空蒸镀一层IOOnm后的金属铝，即得到本发明所述的全固态储能器件。测试表明，该全固态储能器件在I. 5min内完成充电，能量密度为500Wh/kg，功率密度为8. 7kW/kg。实施例2采用真空蒸镀技术在玻璃表面依次蒸镀面积为IOX 10cm2，厚度为IOOnm的金属铜，厚度为500nm的联苯醌(3，3’ - 二甲基-5，5’ -二叔丁基联苯醌和3，5-二甲基-3’，5’ - 二叔丁基联苯醌的混合物，质量比为I :1)，厚度为200nm的Si02。然后在表面旋涂一层厚度为380nm的聚对苯撑乙烯(平均分子量为8050)。干燥固化后，在聚合物表面真空蒸镀一层厚度为IOOnm的金属铜，即得到本发明所述的全固态储能器件。测试表明，该全固态储能器件在Imin内完成充电，能量密度为536Wh/kg，功率密度为9. 4kW/kg。实施例3采用真空蒸镀技术在金属铝表面制备一层面积为IOX 10cm2，厚度为2μπι的3，3’ - 二甲基-5，5’ - 二叔丁基联苯醌，然后在联苯醌层表面旋涂一层厚度为5 μ m的聚二甲基硅氧烷。最后在聚二甲基硅氧烷层表面旋涂一层厚度为I. 8 μ m的聚乙烯咔唑聚合物(平均分子量为1930)。干燥固化后，在聚合物表面真空蒸镀一层IOOnm厚的金属铝，即得到本发明所述的全固态储能器件。测试表明，该全固态储能器件在3. 5min内完成充电，能量密度为483Wh/kg，功率密度为8. 2kW/kg。实施例4采用真空蒸镀技术在酚醛树脂片表面依次蒸镀面积为IOX 10cm2，厚度为IOOnm的金属铜，厚度为4 μ m的2，3，4，5-四苯基噻咯，然后在联苯醌层表面旋涂一层厚度为5 μ m的聚二甲基硅氧烷。最后在聚二甲基硅氧烷层表面旋涂一层厚度为4μπι的聚乙烯咔唑聚合物(平均分子量为1930)。干燥固化后，在聚合物表面真空蒸镀一层IOOnm厚的金属铜，即得到本发明所述的全固态储能器件。测试表明，该全固态储能器件在5min内完成充电，能量密度为460Wh/kg，功率密度为7. 9kW/kg。实施例5采用真空蒸镀技术酚醛树脂片表面依次蒸镀面积为IOX 10cm2，厚度为IOOnm的金属铜，厚度为200nm的2，3，4，5-四苯基噻咯，然后在联苯醌层表面旋涂一层厚度为5 μ m 的聚二甲基硅氧烷。最后在聚二甲基硅氧烷层表面旋涂一层厚度为ISOnm的聚对苯撑乙烯(平均分子量为8050)。干燥固化后，在聚合物表面真空蒸镀一层IOOnm厚的金属铜，即得到本发明所述的全固态储能器件。测试表明，该全固态储能器件在O. 5min内完成充电，能量密度为624Wh/kg，功率密度为10. 8kW/kg。
权利要求
1.一种全固态储能器件，其特征在于包括电极，电荷存储材料、绝缘材料，其中电荷存储材料用绝缘材料隔开，形成电极/正电荷存储材料/绝缘材料/电子存储材料/电极夹心结构。
2.根据权利要求I所述的一种全固态储能器件，其特征在于电极为铜或其合金、铝或其合金、导电性碳材料、导电高分子中的一种。
3.根据权利要求I所述的一种全固态储能器件，其特征在于电荷存储材料包括正电荷存储材料和电子存储材料，正电荷存储材料与正极接触 ，电子存储材料与负极接触。
4.根据权利要求I所述的一种全固态储能器件，其特征在于绝缘材料是无机类绝缘材料、有机绝缘聚合物中的一种或大于一种的混合物，优选为二氧化硅(无机)和聚酰亚胺(有机聚合物)中的一种或两种的混合物。
5.根据权利要求I或者3所述的一种全固态储能器件，其特征在于正电荷存储材料是聚酚噻嗪类、聚对苯撑乙烯类、聚乙烯咔唑类聚合物中的一种或大于一种的混合物。
6.根据权利要求I或者3或者5所述的一种全固态储能器件，其特征在于正电荷存储材料的分子量为300 100000。
7.根据权利要求I或者3所述的一种全固态储能器件，其特征在于电子存储材料是联苯醌类及其衍生物、噻咯及其衍生物中的一种或大于一种的混合物，优选为3，3’ - 二甲基-5，5’- 二叔丁基联苯醌、3，5- 二甲基-3’，5’- 二叔丁基联苯醌的混合物和2，3，4，5-四苯基噻咯中的一种或大于一种的混合物。
全文摘要
本发明涉及一种全固态储能器件，主要包括电极、电荷存储材料和绝缘材料。电荷存储材料包括正电荷存储材料和电子存储材料，它们被绝缘材料隔开，形成电极/正电荷存储材料/绝缘材料/电子存储材料/电极的夹心结构。正电荷存储材料与正极接触，电子存储材料与负极接触。本发明的这种全固态储能器件具有高的能量密度和功率密度，而且对环境友好，安全性高。
文档编号H01G4/002GK102881451SQ201210376840
公开日2013年1月16日 申请日期2012年10月8日 优先权日2012年10月8日
发明者刘必前, 何敏 申请人:中国科学院化学研究所, 刘必前