可控电场效应充放电钠离子电池及其快速充电放电的方法

可控电场效应充放电钠离子电池及其快速充电放电的方法
【专利摘要】可控电场效应充放电钠离子电池及其快速充电放电的方法。可控电场效应充放电钠离子电池包括正极集电板、正极材料、负极集电板、负极材料、微孔隔膜和电解质，微孔隔膜的两侧分别设置有正极材料与负极材料，正极材料与负极材料均设置在电解质中，正极材料、负极材料分别通过正极集电板、负极集电板与电池的正极、负极连接，特征是正极集电板和负极集电板中至少有一个集电板的外侧设有电场极板，电场极板为外设绝缘膜的电场电极板膜。本发明解决了钠离子研制中的难题：钠离子扩散速度明显提高、电池库仑效率明显提高。同时，消除了钠枝晶生长的现象。发明还有效地提高了电池内部导电性及低温特性，使放电较长时间地维持在较高电位水平。
【专利说明】可控电场效应充放电钠离子电池及其快速充电放电的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种内置电场结构的钠离子电池，并组成可控电场效应充放电钠离子电池。尤其是可控电场效应充放电钠离子电池，它设有电池正极端子、电池负极端子、电场电极A端子、电场电极B端子，共四个外接端子电极，或电池正极端子、电池负极端子、电场电极端子，共三个外接端子电极。可控电场效应充放电钠离子电池是通过外部电路接入钠离子电池的电场电极，控制钠离子电池内部的电场强度、电场方向，形成快速充、放电的钠离子电池。
【背景技术】
[0002]由于锂离子电池适合实现小型轻量化、可稳定进行大容量充放电，因此目前锂离子电池的研究与生产局居首位。不过，锂离子电池面临的瓶颈是，锂的储量在地壳中仅占
0.002%左右，是一种稀有金属。而且大多分布于政局不稳的南美等地。使得锂离子电池的成本较高。同时，其安全性也不是完全理想。
[0003]在大规模储能方面，研究者十分青睐钠离子电池，因为它具有原材料来源广泛、成本低、能采用分解电压更低的电解液等特点，降低了生产成本，提高了钠离子电池的安全性。对于可再生能源长时期和大规模的储能装置，以及电动汽车而言，钠离子电池的重量和体积要求不是很高，所以钠离子电池是最合适的选择。
[0004]对于大型的工业交通工具来说，它们所面临的是各种恶劣的自然环境。极端的温度、大量的灰尘，这些都不是锂电池可以应付的，因此急需一种性能更加强大的新产品出现。钠离子电池恰好能够克服锂电池的这些不足。现代技术界普遍期盼，钠充电电池可以取代锂离子电池，以支持电子产品和电动车。
.[0005]但是，迄今为止，钠离子电池尚未能够大规模推广使用，其原因是:钠离子电池存在难以克服的缺点:一是电池内部正极材料与负极材料导电性差、钠离子扩散速度慢，高倍率充放电时，实际比容量低。由于钠离子的尺寸是锂离子的2.5倍，而且钠离子电池正极材料与负极材料导电性较差，使用时需要混合大量的导电添加剂，导致电池库仑效率较低，同时造成循环性能较差，不可逆容量损失较大。
[0006]现有技术中的钠离子电池结构循环很不稳定，在快速充电过程中，能会导致钠在硬碳表面的沉积和钠枝晶的生长；这种钠枝晶甚至会造成短路。
[0007]现有技术克服以上问题的传统方法是:不断寻找更好的正极材料、负极材料，或者更换更好的电介质。
[0008]例如:正极材料采用NaFe02、NaCrO2> Na2MnO3^ NaFe1/2Ni1/202> NaNil72Mnl72O2 氧化物材料，以及复合氧化物材料Na3V2 (PO4) 3/C和过渡金属氟磷酸钠盐(如NaV (PO4) F，Na2Fe (PO4)F)等；负极材料采用硬碳、Sn、Pb、Ti02、对二苯甲酸乙二醇酯、对二笨甲酸二钠等；都会在负极造成钠离子扩散困难。
[0009]上述的钠离子电池，都努力改善正极材料与负极材料，虽然都取得了一定的效果，但是对于现有的钠离子电池的三个主要不足:钠离子扩散速度慢、电池库仑效率较低，和出现钠枝晶的生长现象，现有技术尚未找到理想的技术方案同时克服以上不足，使得当前国际上的常温下钠离子电池还没有达到实际使用的程度。
[0010]中国发明专利200910032914.5，提供了一种内置可控电场的二次电池及其快速充放电方法，特征是，设置有一个内置电隔离的电场极板对，该电场极板对中的A极板设置在所述电池正极的外侧，并与该电池正极绝缘；该电场极板对中的B极板设置在所述电池负极的外侧，并与该电池负极绝缘；在所述的内置电隔离的电场极板对的A极、B极之间施加电压:在放电状态，该电场极板对中的A极板与所述电池正极的极性相反；该电场极板对中的B极板与所述电池负极的极性相反；在充电状态，该电场极板对中的A极板与所述电池正极的极性相同；该电场极板对中的B极板与所述电池负极的极性相同。这个技术方案的发明目的是:针对的是“锂离子电池”，并能够有效提高锂离子电池内部导电性及低温特性，从而使锂离子电池的放电较长时间地维持在较高电位水平；并在充电时明显缩短充电时间；也就是说，该技术方案是对锂离子电池进行技术创新，形成可控场效应锂离子电池，解决的是锂离子电池的快速充放电问题。

【发明内容】

[0011]为了克服钠离子电池内部钠离子扩散速度慢、电池库仑效率较低，和出现钠枝晶的生长现象，本发明通过内置可控电场提高可逆钠离子嵌入和脱嵌性，可以明显提高电池库仑效率，和消除钠枝晶的生长现象。同时，本发明能够明显延长电池的使用寿命，明显提高钠离子扩散速度、提高目前钠离子电池的快速充放电特性；在充电时明显缩短充电时间；本发明的另一个发明目的是能够有效提高电池内部导电性及低温特性，从而使钠离子电池的放电较长时间地维持在较高电位水平。
[0012]实现本申请发明任务的技术方案是:一种可控电场效应充放电钠离子电池，包括正极集电板、正极材料、负极集电板、负极材料、微孔隔膜和电解质，所述微孔隔膜的两侧分别设置有正极材料与负极材料，该正极材料与负极材料均设置在电解质中，所述正极材料、负极材料分别通过正极集电板、负极集电板与电池的正极、负极连接，其特征在于:所述正极集电板和负极集电板中至少有一个集电板的外侧设有电场极板，所述电场极板为外设绝缘膜的电场电极板膜。
[0013]所述的内置电隔离的电场极板由外设绝缘膜的电场电极板膜构成，它不仅分别与电池的正极集电板、负极集电板绝缘，同时也与电池内的电解液绝缘。
[0014]更优化和更具体地说，本发明的上述技术方案可以具体为下列三个并列的技术方案之一:
[0015]1、一种可控电场效应充放电钠离子电池，包括正极集电板、正极材料、负极集电板、负极材料、微孔隔膜和电解质，所述微孔隔膜的两侧分别设置有正极材料与负极材料，该正极材料与负极材料均设置在电解质中，所述正极材料、负极材料分别通过正极集电板、负极集电板与电池的正极、负极连接，其特征在于:在该内置可控电场的钠离子电池中设置有一个内置电隔离的电场极板对，该电场极板对中的A极板设置在所述电池正极集电板的外侧，并与该电池正极集电板绝缘；该电场极板对中的B极板设置在所述电池负极集电板的外侧，并与该电池负极集电板绝缘。
[0016]S卩，所述“至少有一个集电板的外侧设有电场极板”的结构是，在该内置可控电场的钠离子电池中设置有一个内置电隔离的电场极板对，该电场极板对中的A极板设置在所述电池正极集电板的外侧，并与该电池正极集电板绝缘；该电场极板对中的B极板设置在所述电池负极集电板的外侧，并与该电池负极集电板绝缘。
[0017]2、一种内置可控电场的钠离子电池，包括正极集电板、正极材料、负极集电板、负极材料、微孔隔膜和电解质，在微孔隔膜的两侧分别设置有正极材料与负极材料，该正极材料与负极材料均设置在电解质中，所述正极材料与负极材料分别与电池的正极集电板、负极集电板连接，其特征在于，在该内置可控电场的钠离子电池中设置有一个内置电隔离的电场极板B，该电场极板B设置在所述电池负极集电板的外侧，并与该电池负极集电板与电解质绝缘；并且电池的正极集电板连接正电极端子，负极集电板连接负电极端子，电场极板B连接电场电极B端子。
[0018]S卩，所述“至少有一个集电板的外侧设有电场极板”的结构是，在该内置可控电场的钠离子电池中设置有一个内置电隔离的电场极板B，该电场极板B设置在所述电池负极集电板的外侧，并与该电池负极集电板与电解质绝缘；并且电池的正极集电板连接正电极端子，负极集电板连接负电极端子，电场极板B连接电场电极B端子。
[0019]3、一种内置可控电场的钠离子电池，包括正极集电板、正极材料、负极集电板、负极材料、微孔隔膜和电解质，在微孔隔膜的两侧分别设置有正极材料与负极材料，该正极材料与负极材料均设置在电解质中，所述正极材料与负极材料分别与电池的正极集电板、负极集电板连接，其特征在于，在该内置可控电场的钠离子电池中设置有一个内置电隔离的电场极板A，该电场极板A设置在所述电池正极集电板的外侧，并与该电池正极集电板与电解质绝缘；并且电池的正极集电板连接正电极端子，负极集电板连接负电极端子，电场极板A连接电场电极A端子。
[0020]S卩，所述“至少有一个集电板的外侧设有电场极板”的结构是，在该内置可控电场的钠离子电池中设置有一个内置电隔离的电场极板A，该电场极板A设置在所述电池正极集电板的外侧，并与该电池正极集电板与电解质绝缘；并且电池的正极集电板连接正电极端子，负极集电板连接负电极端子，电场极板A连接电场电极A端子。
[0021 ] 所述内置可控电场的钠离子电池在使用时，需要在所述的内置电隔离的电场极板或电场极板对上(电场极A端子，或电场极B端子，或电场极A端子、B端子之间)施加电场电压。
[0022]所述电场极板是采用两片塑料薄膜内夹金属箔压合而成。更具体地说，所述电场极板A与电场极板B是采用聚四氟乙烯(或其它塑料)薄膜的一面镀导电膜，此导电膜面再与另一聚四氟乙烯(或其它塑料)薄膜压合而成，或两片聚四氟乙烯(或其它塑料)薄膜内夹铝箔压合而成；所述微孔隔膜采用聚丙烯微孔隔膜(PP)或聚乙烯微孔隔膜(PE)材料。
[0023]本发明克服了现有技术中改进钠离子电池的传统思路，避开了对钠离子电池本身结构的改进，也避开了对正极材料、负极材料与电解质的更换；转而采用现有技术中原来用于提高电池内部导电性及低温特性的、外加电场的技术方案。特别指出的是，锂离子电池内部正极材料、负极材料之间，是一种“离子交换隔膜”，锂离子在电解质中可以通过“离子交换隔膜”，在正极材料、负极材料之间，进行可逆方式锂离子嵌入和脱嵌。由于钠离子大于锂离子2.5倍，无法采用现有的锂离子电池中的“离子交换隔膜”，原因是钠离子无法通过“离子交换隔膜”，所以，钠离子电池采用的是一种“微孔隔膜”；由于钠离子电池采用的是一种“微孔隔膜”，使得钠离子电池内部导电性不好，离子扩散速度慢、电池库仑效率较低，造成钠离子电池无法达到实际使用程度的钠离子电池。
[0024]本发明为了解决钠离子钠内部导电性不好，离子扩散速度慢、电池库仑效率较低，和出现钠枝晶的生长现象，通过增加“外加可控电场”结构的用途，使得“电场效应钠离子电池”中电场电极形成的正负两方向电场，改善钠离子电池内部正极材料与负极材料的导电性，提高可逆钠离子的嵌入/脱嵌性，使在充电与放电过程中，提高电池内部的导电性及抑制负极硬碳表面的沉积和钠枝晶的生长。
[0025]本发明涉及的可控电场效应充放电钠离子电池的正极材料可以选用NaFe02、NaCrO2> Na2MnO3> NaFel72Ni 1/202> NaNi 1/2Μη1/202 氧化物材料，以及复合氧化物材料 Na3V2 (PO4) JC和过渡金属氟磷酸钠盐(如NaV(PO4)F, Na2Fe (PO4)F)等；负极材料可以选用硬碳、Sn, Pb,TiO2、对二苯甲酸乙二醇酯、对二笨甲酸二钠等；电解质可以选用碳酸乙烯酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)及碳酸二乙酯(DEC)饱和环状碳酸酯与链状碳酸酯的混合溶剂，以及六氟化磷酸钠(NaPF6)、高氯酸钠(NaCIO4)等。
[0026]完成本申请第2个发明目的的方案是:一种上述内置可控电场的钠离子电池的快速充放电方法:所述内置可控电场的钠离子电池在使用时，在所述的内置电隔离的电场极板或电场极板对上(电场极A端子与电场极B端子之间，或者电池正电极端子与电场电极B端子之间，或者电场电极A端子与电池负电极端子之间)施加电场电压:
[0027]在放电状态，该电场极板对中的电场极A端子与所述电池正极的极性相反；该电场极板对中的电场极B端子与所述电池负极的极性相反。所施加的外部电压为V > 2倍电池正极、负极之间的标准电压值；
[0028]在充电状态，该电场极板对中的电场极A端子与所述电池正极的极性相同；该电场极板对中的电场极B端子与所述电池负极的极性相同。所施加的电压值>2倍电池正极、负极之间的标准电压值。
[0029]在实验室中，采用以上结构，和本发明的外加电场效应，经过数千小时的使用和数百次的充放电，几种结构的钠离子扩散速度明显提高、电池库仑效率明显提高，参考图9所示实验曲线图。同时，多次实验中，均没有出现钠枝晶生长的现象。证明本发明借用另一项技术解决本发明任务的设想，是成功的。不仅克服了传统偏见，解决了现有技术中难以解决的技术问题，而且产生了意想不到的技术效果。
[0030]换言之，本发明的上述结构，其内置可控电场钠离子电池是在传统钠离子电池结构中，形成一个可控的内电场，进行调控传统钠离子电池的正极集电板与负极集电板之间电场的强弱与方向。传统钠离子电池结构主要由正极集电板、正极材料、微孔隔膜、电解质、负极材料、负极集电板所组成。内置可控电场钠离子电池结构中，增加一个内置电隔离的电场极板对，其结构主要由:电场极板A、正极集电板、正极材料、微孔隔膜、电解质、负极材料、负极集电板、电场极板B所组成；其中电场极板A与电场极板B分别是两片绝缘膜之间夹有电场电极板膜，并且相对应的电场电极板膜一端电气连接电场极A端子与电场极B端子。
[0031]本发明方案中的电场极板A与电场极板B是采用聚四氟乙烯(或其它塑料)薄膜的一面镀导电膜，此导电膜面再与另一聚四氟乙烯(或其它塑料)薄膜压合而成，或两片聚四氟乙烯(或其它塑料)薄膜内夹铝箔压合而成；微孔隔膜采用聚丙烯微孔隔膜(PP)或聚乙烯微孔隔膜(PE)材料。
[0032]作为本发明的进一步改进，所述内置可控电场的钠离子电池在使用时，需要在所述的内置电隔离的电场极板对上(电场极A端子、电场极B端子之间)施加电场电压:
[0033]在放电状态，该电场极板对中的电场极A端子与所述电池正极的极性相反；该电场极板对中的电场极B端子与所述电池负极的极性相反。所施加的外部电压为V > 2倍电池正极、负极之间的标准电压值；
[0034]在充电状态，该电场极板对中的电场极A端子与所述电池正极的极性相同；该电场极板对中的电场极B端子与所述电池负极的极性相同。所施加的电压值>2倍电池正极、负极之间的标准电压值。
[0035]本发明的可控电场效应充放电钠离子电池，由于内部加设了电场极，可以快速进行充放电。钠离子电池在充电时，电场E加强了正极材料中的钠离子Na+的排斥力，钠离子Na+通过微孔隔膜，钠离子Na+向负极材料吸引迁移，极大提高了导电率与加快钠离子Na+扩散速度，形成快速恒压充电。钠离子电池在放电时，电场E加强负极材料中的钠离子Na+的脱插排斥力，钠离子Na+通过微孔隔膜，钠离子Na+向正极材料迁移嵌入，极大提高了导电率与加快钠离子Na+扩散速度，形成快速放电。
[0036]本发明的可控场效应钠离子电池可以明显提高电池库仑效率，和消除钠枝晶的生长现象。请参照图9。同时，本发明能够明显延长电池的使用寿命，明显提高钠离子扩散速度、提高目前钠离子电池的快速充放电特性；在充电时明显缩短充电时间；发明还能够有效提高电池内部导电性及低温特性，从而使钠离子电池的放电较长时间地维持在较高电位水平。本发明提高了钠离子电池技术，形成可控场效应钠离子电池，从而实现达到实际使用程度的钠离子电池。
[0037]特别指出的是，中国发明专利200910032914.5，是对已经达到实际使用程度的“锂离子电池”进行技术创新，形成可控场效应锂离子电池，解决的是锂离子电池的快速充放电；而本发明是在原有提出中国发明专利200910032914.5的基础上，进一步针对还没有达至IJ实际使用程度的“钠离子电池”进行技术创新，解决的是钠离子电池充放电循环次数低，提高钠离子电池技术达到实际使用程度而提出的发明技术；也就是说，当前国际上针对常温下钠离子电池还没有达到实际使用程度的钠离子电池，进而进行技术创新，使还没有达到实际使用程度的钠离子电池，形成可控场效应钠离子电池，来达到实际使用程度的钠离子电池。
【专利附图】

【附图说明】
[0038]图1为四端子可控电场效应充放电钠离子电池结构原理图；
[0039]图2为三端子可控电场效应充放电钠离子电池结构B原理图；
[0040]图3为三端子可控电场效应充放电钠离子电池结构A原理图；
[0041]图4为四端子可控电场效应充放电钠离子电池电路原理图；
[0042]图5为三端子可控电场效应充放电钠离子电池B电路原理图；
[0043]图6为三端子可控电场效应充放电钠离子电池A电路原理图；
[0044]图7-8为本发明可控电场效应充放电钠离子电池充放电曲线图；
[0045]图9为本发明可控电场效应充放电钠离子电池循环次数与库伦效率实验曲线图。【具体实施方式】
[0046]实施例1，
[0047]一种内置可控电场钠离子电池，是在传统的钠离子电池结构中内置一个可控的内电场E，参照图1所示，从左至右设有电场电极A31、正极集电板10-1、正极材料10-2、微孔隔膜50、负极材料20-2、负极集电板20-1和电场电极B41，正极材料10_2和负极材料20_2设在电解质60中。电场电极板膜30-1和外周的绝缘膜30-2构成电场电极A31，电场电极板膜40-1和外周的绝缘膜40-2构成电场电极B41。
[0048]可控电场效应充放电钠离子电池对外电气连接共有四个电极端子，分别是正电极端子10与负电极端子20，以及电场电极A端子30与电场电极B端子40。电池正电极端子10与负电极端子20是连接负载与相对应连接充电电路的电极端。而电场电极A端子30与电场电极B端子40是连接电场电源，形成可控电池内部电场E的强弱与方向，进行快速充放电。
[0049]本实施例为四端子可控电场效应充放电钠离子电池电路，原理图参照附图4所示。电场电极A端子与电场电极B端子，通过双联切换开关Kl连接电场电源VI，电池正电极端子与电池负电极端子通过单联切换开关K2连接负载与充电电流源V2。
[0050]当开关Kl切换到充电位置，电场电极A端子接通电场电源Vl正极与电场电极B端子接通电场电源Vl负极，钠离子电池内部正极集电板与负极集电板之间有一个较强的电场E，电场E方向从正极集电板指向负极集电板。此时开关K2切换到充电位置，钠离子电池在充电时，电场E加强了正极材料中的钠离子Na+的排斥力，钠离子Na+通过微孔隔膜，钠离子Na+向负极材料吸引迁移，极大提高了导电率与加快钠离子Na+扩散速度，形成快速恒压充电。
[0051]当开关Kl切换到放电位置，电场电极A端子接通电源Vl负极与电场电极B端子接通电源Vl正极,钠离子电池正极集电板与负极集电板之间有一个较强的电场E,电场E方向从负极集电板指向正极集电板。此时开关K2切换到负载放电位置，钠离子电池在放电时，电场E加强负极材料中的钠离子Na+的脱插排斥力，钠离子Na+通过微孔隔膜，钠离子Na+向正极材料迁移嵌入，极大提高了导电率与加快钠离子Na+扩散速度，形成快速放电。
[0052]实施例2
[0053]一种内置可控电场钠离子电池，是在传统的钠离子电池结构中内置一个可控的内电场E，参照图2所示，从左至右设有正极集电板10-1、正极材料10-2、微孔隔膜50、负极材料20-2、负极集电板20-1和电场电极B41，正极材料10_2和负极材料20_2设在电解质60中。电场电极板膜40-1和绝缘膜40-2构成电场电极B41。
[0054]可控电场效应充放电钠离子电池对外电气连接共有三个电极端子，分别是正电极端子10与负电极端子20，以及电场电极B端子40。电池正电极端子10与负电极端子20是连接负载与相对应连接充电电路的电极端。而电场电极B端子40与正电极端子10是连接电场电源，形成可控电池内部电场E的强弱与方向，进行快速充放电。
[0055]本实施例共有三个电极端子，可控电场效应充放电钠离子电池B电路，原理图参照附图5所示。三端子可控电场效应充放电钠离子电池B外接电气端子有电池正电极端子、电池负电极端子、电场电极B端子，共三个外接端子；其中电池正电极端子与电场电极B端子，通过双联切换开关Kl连接电场电源VI，电池正电极端子与电池负电极端子通过单联切换开关K2连接负载与充电电流源V2。
[0056]当开关Kl切换到充电位置，电池正电极端子接通电场电源Vl正极与电场电极B端子接通电场电源Vl负极，钠离子电池内部正极集电板与负极集电板之间有一个较强的电场E，电场E方向从正极集电板指向负极集电板。此时开关K2切换到充电位置，钠离子电池在充电时，电场E加强了正极材料中的钠离子Na+的排斥力，钠离子Na+通过微孔隔膜，钠离子Na+向负极材料吸引迁移，极大提高了导电率与加快钠离子Na+扩散速度，形成快速恒压充电。
[0057]当开关Kl切换到放电位置，电池正电极端子接通电源Vl负极与电场电极B端子接通电源Vl正极，钠离子电池正极集电板与负极集电板之间有一个较强的电场E，电场E方向从负极集电板指向正极集电板。此时开关K2切换到负载放电位置，钠离子电池在放电时，电场E加强负极材料中的钠离子Na+的脱插排斥力，钠离子Na+通过微孔隔膜，钠离子Na+向正极材料迁移嵌入，极大提高了导电率与加快钠离子Na+扩散速度，形成快速放电。
[0058]实施例3
[0059]一种内置可控电场钠离子电池，是在传统的钠离子电池结构中内置一个可控的内电场E，参照图3所示，从左至右设有电场电极A31、正极集电板10-1、正极材料10-2、微孔隔膜50、负极材料20-2和负极集电板20-1，正极材料10-2和负极材料20_2设在电解质60中。电场电极板膜30-1和周边的绝缘膜30-2构成电场电极A31。
[0060]实施例3的可控电场效应充放电钠离子电池，其快速充放电工作电路接线图，参看附图6所示。其快速充放电曲线图，参看附图7、图8所示。附图7是采用直流6V电场电源Vl与5A电流源V2，给钠离子电池进行放电测试的曲线图，图8是进行充电测试的曲线图。
[0061 ] 可控电场效应充放电钠离子电池对外电气连接共有三个电极端子，分别是正电极端子10与负电极端子20，以及电场电极A端子30。电池正电极端子10与负电极端子20是连接负载与相对应连接充电电路的电极端。而电场电极A端子30与负电极端子20是连接电场电源，形成可控电池内部电场E的强弱与方向，进行快速充放电。本实施例为三端子可控电场效应充放电钠离子电池A电路，原理图参照附图6所示。三端子可控电场效应充放电钠离子电池A外接电气端子有电池正电极端子、电池负电极端子、电场电极A端子，共三个外接端子；其中电池负电极端子与电场电极A端子，通过双联切换开关Kl连接电场电源VI，电池正电极端子与电池负电极端子通过单联切换开关K2连接负载与充电电流源V2。
[0062]当开关Kl切换到充电位置，电场电极A端子接通电场电源Vl正极与电池负电极端子接通电场电源Vl负极，钠离子电池内部正极集电板与负极集电板之间有一个较强的电场E，电场E方向从正极集电板指向负极集电板。此时开关K2切换到充电位置，钠离子电池在充电时，电场E加强了正极材料中的钠离子Na+的排斥力，钠离子Na+通过微孔隔膜，钠离子Na+向负极材料吸引迁移，极大提高了导电率与加快钠离子Na+扩散速度，形成快速恒压充电。
[0063]当开关Kl切换到放电位置，电场电极A端子接通电源Vl负极与电池负电极端子接通电源Vl正极，钠离子电池正极集电板与负极集电板之间有一个较强的电场E，电场E方向从负极集电板指向正极集电板。此时开关K2切换到负载放电位置，钠离子电池在放电时，电场E加强负极材料中的钠离子Na+的脱插排斥力，钠离子Na+通过微孔隔膜，钠离子Na+向正极材料迁移嵌入，极大提高了导电率与加快钠离子Na+扩散速度，形成快速放电。
【权利要求】
1.一种可控电场效应充放电钠离子电池，包括正极集电板、正极材料、负极集电板、负极材料、微孔隔膜和电解质，所述微孔隔膜的两侧分别设置有正极材料与负极材料，该正极材料与负极材料均设置在电解质中，所述正极材料、负极材料分别通过正极集电板、负极集电板与电池的正极、负极连接，其特征在于:所述正极集电板和负极集电板中至少有一个集电板的外侧设有电场极板，所述电场极板为外设绝缘膜的电场电极板膜。
2.根据权利要求1所述的可控电场效应充放电钠离子电池，其特征在于:所述“至少有一个集电板的外侧设有电场极板”的结构是以下三种结构之一: 在该内置可控电场的钠离子电池中设置有一个内置电隔离的电场极板对，该电场极板对中的A极板设置在所述电池正极集电板的外侧，并与该电池正极集电板绝缘；该电场极板对中的B极板设置在所述电池负极集电板的外侧，并与该电池负极集电板绝缘； 在该内置可控电场的钠离子电池中设置有一个内置电隔离的电场极板B，该电场极板B设置在所述电池负极集电板的外侧，并与该电池负极集电板与电解质绝缘；并且电池的正极集电板连接正电极端子，负极集电板连接负电极端子，电场极板B连接电场电极B端子; 在该内置可控电场的钠离子电池中设置有一个内置电隔离的电场极板A，该电场极板A设置在所述电池正极集电板的外侧，并与该电池正极集电板与电解质绝缘；并且电池的正极集电板连接正电极端子，负极集电板连接负电极端子，电场极板A连接电场电极A端子。
3.根据权利要求2所述的可控电场效应充放电钠离子电池，其特征在于:所述电池正电极、电池负电极、电场电极A和电场电极B分别设有外接端子，电场电极A端子与电场电极B端子，通过双联切换开关Kl连接电场电源VI，电池正电极端子与电池负电极端子通过单联切换开关K2连接负载与充电电流源V2。
4.根据权利要求2所述的可控电场效应充放电钠离子电池，其特征在于:所述电池正电极、电池负电极和电场电极B设有外接电气端子，外接电气端子有电池正电极端子、电池负电极端子和电场电极B端子，共三个外接端子；其中电池正电极端子与电场电极B端子，通过双联切换开关Kl连接电场电源VI，电池正电极端子与电池负电极端子通过单联切换开关K2连接负载与充电电流源V2。
5.根据权利要求2所述的可控电场效应充放电钠离子电池，其特征在于:所述电池正电极、电池负电极和电场电极A设有外接端子，分别为电池正电极端子、电池负电极端子、电场电极A端子；其中电池负电极端子与电场电极A端子，通过双联切换开关Kl连接电场电源VI，电池正电极端子与电池负电极端子通过单联切换开关K2连接负载与充电电流源V2。
6.根据权利要求1所述的可控电场效应充放电钠离子电池，其特征在于: 所述电场极板是采用两片塑料薄膜内夹金属箔压合而成。
7.根据权利要求1所述的可控电场效应充放电钠离子电池，其特征在于:所述微孔隔膜采用聚丙烯微孔隔膜或聚乙烯微孔隔膜材料。
8.根据权利要求1-7之一所述的内置可控电场的钠离子电池，其特征在于，所述可控电场效应充放电钠离子电池的正极材料选用NaFeO2、NaCrO2、Na2MnO3、NaFel72Nil72O2,NaNil72Mnl72O2氧化物材料，或复合氧化物材料Na3V2 (PO4) 3/C和过渡金属氟磷酸钠盐；负极材料选用硬碳、Sn、Pb、TiO2、对二苯甲酸乙二醇酯、对二笨甲酸二钠；电解质选用碳酸乙烯酯、碳酸亚丙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯及碳酸二乙酯饱和环状碳酸酯与链状碳酸酯的混合溶剂，以及六氟化磷酸钠，或高氯酸钠。
9.一种权利要求1所述的内置可控电场的钠离子电池的快速充放电方法:其特征在于，所述内置可控电场的钠离子电池在使用时，在所述的内置电隔离的电场极板或电场极板对上施加电场电压:在放电状态，该电场极板对中的电场极A端子与所述电池正极的极性相反；该电场极板对中的电场极B端子与所述电池负极的极性相反；在充电状态，该电场极板对中的电场极A端子与所述电池正极的极性相同；该电场极板对中的电场极B端子与所述电池负极的极性相同。
10.根据权利要求9所述的内置可控电场的钠离子电池的快速充放电方法:其特征在于，在放电状态，所施加的外部电压为V > 2倍电池正极、负极之间的标准电压值；在充电状态，所施加的电压值> 2倍电 池正极、负极之间的标准电压值。
【文档编号】H01M10/054GK103427112SQ201310370853
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2013年8月22日 优先权日:2013年8月22日
【发明者】郭建国, 毛星原 申请人:郭建国, 毛星原