一种高储能电容单元的制作方法

文档序号:10407519
一种高储能电容单元的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电化学储能技术,特别是有关于一种高储能电容单元。
【背景技术】
[0002]由于能源短缺问题日渐严重,为了因应各领域例如绿能与电力运输的需求,电化学储能技术的应用日益广泛。超级电容器(supercapacitor)为近年来出现的一种性能介于二次电池与传统电容器之间的新型储能组件,其电容量可达法拉级甚至数千法拉,且具备传统电容器功率密度大、能量密度高的优点,而超级电容器也因此在移动通讯、信息技术、电动汽车、航空和国防科技等各种领域有着极其广阔的应用前景。
[0003]基于超级电容器的能量密度和功率密度与操作电压之平方成正比的原则,使用具有高电压稳定度的电解质变得非常重要。然而,习用之水系电解质所能容许的电压范围为IV,因而限制了电容电池的可操作电压;另一方面,习用之非水系电解质例如有机溶剂,其因为易燃和高挥发性等特点而容易在热及电化学环境中呈现不稳定的状态,故不利于电容电池于高温状态下操作。
[0004]除了电解质的选择之外,电极材料的选择也是影响超级电容器之整体表现的重要因素。习用之电极材料主要有碳系材料与金属氧化物两种,以碳系材料来说,多孔质活性碳材料尽管具有较大的比表面积,但因为其结晶性较差,导电性能不良,从而不利于电极传输过程中电子的转移。再者,采用活性碳材料电极之电容器的等效串联电阻(ESR)大,且电容器的比表面积利用率不超过30%,实际上电解质离子难以进入,故电容性能无法有效提升。
[0005]奈米碳管(CNT)是由石墨层卷曲而成的无缝奈米级管状晶体,其结晶度高、比表面积大且比表面利用率可达到100%,因而可以直接作为超级电容器的电极材料。然而,制备薄膜电极所用奈米碳管原料一般为粉末状且极易发生团聚,而以此方式制成的薄膜电极中奈米碳管分布不均匀且可能出现无序排列的状态,故需要对奈米碳管进行化学改性。只是经化学改性后之奈米碳管仍然可能发生大规模团聚的现象,并使得所制得薄膜电极的韧性变差,在使用上容易发生脆性断裂,影响超级电容器的性能。
[0006]因此,发展一种电容量高且功率密度大的超级电容器实在有其必要性与迫切性。

【发明内容】

[0007]本实用新型从电容性能的角度出发,主要目的系在于提供一种具有极佳电化学活性的高储能电容单元。
[0008]为达上述之目的,本实用新型一实施例提供一种高储能电容单元,其包括一电解质、一正电极及一负电极。所述正电极设置于所述电解质中,所述正电极包含一基材及一形成于所述基材上的过渡金属氧化物层,所述负电极设置于所述电解质中且与所述正电极彼此相对。
[0009]本实用新型另一实施例提供一种高储能电容单元,其包括一电解质、一正电极及一负电极。所述正电极设置于所述电解质中,所述正电极的材料为多孔碳材料与奈米尺寸的过渡金属氧化物材料的混合物,所述负电极设置于所述电解质中且与所述正电极彼此相对。
[0010]综上所述,本实用新型透过过渡金属氧化物复合材料阳极之运用,可具有较佳的电化学活性与超级电容特性,以大幅改善习用超级电容器的电容效率,进而可具有广阔的应用前景。
[0011]本实用新型的其他目的和优点可以从本实用新型所揭露的技术内容得到进一步的了解。为了让本实用新型之上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂,下文特举实施例并配合所附图式作详细说明如下。
【附图说明】
[0012]下面通过附图和实施例,对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
[0013]图1为本实用新型第一实施例之高储能电容单元之一种态样的剖面示意图。
[0014]图2本实用新型第一实施例之高储能电容单元之另一种态样的剖面示意图。
[0015]图3本实用新型第一实施例之高储能电容单元之又一种态样的剖面示意图。
[0016]图4为本实用新型第二实施例之高储能电容单元之剖面示意图。
[0017]图5为本实用新型第二实施例之第一电极之剖面示意图。
【具体实施方式】
[0018]本实用新型所揭示技术内容涉及电化学储能系统,值得注意的是,本实用新型开启了过渡金属氧化物复合材料正电极搭配包含导电高分子之电解质的新应用方式,并且透过上述新应用方式所显现出的良好协成效果,本实用新型能于相同充放电时间,具有较大的功率与能量密度,进而能被广泛应用于各种领域,尤其适合于电动车相关应用(因为本实用新型能在汽车启动和上坡时快速提供大功率电流,并能在刹车时能快速存储由发电机所产生的瞬间大电流)。
[0019]下文中特举出数个较佳的实施例,并配合所附图式详细说明本实用新型的主要创新部分和优点。
[0020]第一实施例:
[0021]图1显示本实用新型第一实施例之高储能电容单元之结构示意图。请参阅图1,本实施例之高储能电容单元C包括:一电解质1、一外壳S、一第一集电体2、一第二集电体3、一第一电极4、一第二电极5及一隔离膜6。接下来将会先介绍各组件的结构特征,而后再适时的补充说明各组件的材料与组件特性。
[0022]电解质I设置于外壳S内,其中外壳S可以是玻璃外壳或不锈钢外壳,电解质I可以是水系电解液、有机电解液、固态电解质或凝胶电解质,但本实用新型不为此限。而在上述各类电解液中,固态电解质具有加工容易、储存寿命长、化学安全性高、电化学稳定性佳及机械性质优越等特性;另外,凝胶电解质同时具有固体的内聚性质与液体的扩散传导性质,凝胶电解质中包含塑化剂(低分子量的极性塑化剂),其能使原先半结晶的高分子电解质转变为非晶型(amorphous),以降低离子在高分子链上移动时所需克服的能量,并增加离子的迀移率,该塑化剂亦会与盐类中正离子配位,一方面提高盐类的解离程度,另一方面使部分锂尚子从尚分子链结中脱尚,藉以改善尚分子链的移动性(mobility)。
[0023]电解质I中包含导电性高分子,且最好是π共轭系导电性高分子,例如聚吡咯类、聚噻吩类、聚乙炔类、聚伸苯类、聚苯乙烯类、聚苯胺类、聚并苯类、聚噻吩乙烯类及上述诸类高分子材料的共聚合物等。而较佳的设计是,导电性高分子的含量必须为I?5wt%。藉此,能形成导电性良好的电荷通路,以降低高储能电容单元C的ESR,同时提升高储能电容单元C的工作电压/耐电压。
[0024]进一步而言,考虑到材料聚合程度和安定性,导电性高分子可优先选用聚吡咯类、聚噻吩类及聚苯胺类。再者,可于导电性高分子中导入例如烷基、羧基、磺基、烷氧基、羟基、氛基等官能基,以提尚其导电度。
[0025]在本实施例中,共轭系导电性高分子的具体例包含但不限于:聚吡咯、聚(N—甲基吡咯)、聚(3—甲基吡咯)、聚(3—乙基吡咯)、聚(3—正丙基吡咯)、聚(3— 丁基吡咯)、聚(3—辛基吡咯)、聚(3—癸基吡咯)、聚(3 —十二烷基吡咯)、聚(3,4一二甲基吡咯)、聚(3,4 一二丁基吡咯)、聚(3—羧基吡咯)、聚(3 —甲基一 4 一羧基吡咯)、聚(3 —甲基一 4 一羧基乙基吡咯)、聚(3 —甲基一 4 一羧基丁基吡咯)、聚(3—羟基吡咯)、聚(3—甲氧基吡咯)、聚(3 —乙氧基吡咯)、聚(3— 丁氧基吡咯)、聚(3—己氧基吡咯)、聚(3 —甲基一 4 一己氧基吡咯)、聚噻吩、聚(3—甲基噻吩)、聚(3—乙基噻吩)、聚(3—丙基噻吩)
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