专利名称：储能组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种储能组件，特别是一种具有活性电解液的储能组件。
背景技术：
在二十一世纪，人们对于电能的需求日益殷切，因此对于电化学储能装置的需求也随之增加，其中电池及电容器(electrochemical capacitor)均是主要的储能装置。由于超级电容器(supercapacitor ;ultracapacitor)的储存容量高于一般电容器,且具备反复快速充/放电、瞬间高输出功率能力，因此引起各界极大的研究兴趣。目前，超级电容器主要可分为三个类型:(I)电双层电容器(electric double layer capacitor, EDLC)、(2)氧化还原电容器(redox-capacitor ;pseudo_capacitor)以及(3)将前述两种电容器结合在一起的混合型电容器(hybrid capacitors)。电双层电容器主要是以多孔隙的物质作为活性材料，并通过其高表面积的特性来储存电能。电双层电容器的电容量与孔隙大小以及电解液中离子的体积相关。由于过大的离子并无法进入小尺寸的孔隙，因此主要储电的孔洞为大于中孔隙(2nm至50nm)的孔洞。然而，电双层电容器的电容量仍仅限于电解液与电极表面离子的吸附/脱附，因此电容量往往无法满足目前需求。在氧化还原电容器中，则是利用法拉第电荷转移反应而非电双层电容器应用的静电吸引力来将电容量提高数十倍。因此，活性材料对带电离子的亲合性深切地影响氧化还原电容器的电容量。然而，法拉第反应有时会有不可逆反应，使吸附电荷的活性材料无法有效地放电，导致循环寿命下降，且电容量也受限于活性物质能够掺杂/去掺杂的程度。因此，如何进一步提高超级电容器的电容量已成为现今技术的重要课题。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有活性电解液的储能组件。为了实现上述目的，本发明提供了一种储能组件，其包括活性电解液、第一电极以及第二电极。活性电解液含有质子以及具有氧化还原能力的离子对。第一电极与第二电极共存于活性电解液中，且第一电极与第二电极电性分离。第一电极与第二电极各自包括与活性电解液产生氧化还原反应的活性材料或与活性电解液产生离子吸附/脱附反应的活性材料。活性电解液接收来自第一电极和/或第二电极的电子以进行氧化还原反应来储存电荷。上述的储能组件，所述的活性电解液例如含有具氧化还原能力的多价态离子对、支持电解质与溶剂。上述的储能组件，所述的多价态离子对中的离子例如为铬离子、硫离子、铁离子、溴离子、锡离子、锑离子、钛离子、铜离子、铈离子、镁离子、钒离子或其组合。上述的储能组件，所述的支持电解质例如为硫酸、盐酸、硝酸、磷酸、氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾、过氯酸锂、硝酸锂、四氟硼酸锂、六氟磷酸锂、四乙基六氟磷酸铵、四乙基四氟硼酸铵、三乙基甲基六氟磷酸铵、三乙基甲基四氟硼酸铵或其组合。上述的储能组件，所述的溶剂例如为水、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-丁内酯、环丁砜、乙腈、四氢呋喃、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺或其组合。上述的储能组件，所述的可与活性电解液产生氧化还原反应的电极包括导电基板与导电高分子或质子嵌入型金属氧化物，其中导电高分子或质子嵌入型金属氧化物配置于导电基板上。上述的储能组件，所述的导电高分子例如为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚芳香烃乙烯、其衍生物、其混合物或其共聚物。上述的储能组件，所述的质子嵌入型金属氧化物例如为氧化钨、氧化钥、氧化钌、
氧化猛或其组合。上述的储能组件，所述的可与活性电解液产生离子吸附/脱附反应的电极包括导电基板与表面积大于50m2/g的碳材,其中碳材配置于导电基板上。上述的储能组件，所述的碳材例如为活性碳、石墨碳、碳布、碳毡或其组合。上述的储能组件，所述的导电基板的材料例如为白金、金、银、钛、其合金或其组
八
口 ο上述的储能组件，还可包括隔离膜，其配置于第一电极与第二电极之间。上述的储能组件，所述的隔离膜例如为具有离子传导能力。上述的储能组件，所述的隔离膜例如为具有磺酸根或磷酸根或碳酸根的高分子膜或其复合膜。上述的储能组件，所述的隔离膜例如为不具有离子传导能力。上述的储能组件，所述的隔离膜的材料例如为多孔性人造纤维膜、天然纤维膜、或其复合或混纺膜。上述的储能组件，所述的第一电极、第二电极与活性电解液例如同置于容器中。本发明的技术效果在于:在本发明的储能组件中，由于活性电解液、第一电极以及第二电极均具有储存电荷的能力，因此可以有效地提高储能组件的电容量。以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
图1为本发明一实施例的剖面示意图；图2为本发明另一实施例的剖面示意图；图3为本发明又一实施例的的剖面示意图。其中，附图标记10、2O储能组件100活性电解液102 第一电极104 第二电极200隔离膜300 容器
具体实施例方式下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述:图1为依照本发明一实施例的剖面示意图。请参照图1，本实施例的储能组件10包括活性电解液100、第一电极102以及第二电极104。在本实施例中，并不对第一电极102以及第二电极104的极性作限制。换句话说，第一电极102可视为正极，而第二电极104则为负极；或者，第一电极102可视为负极，而第二电极104则为正极。第一电极102与第二电极104配置于活性电解液100中，且第一电极102与第二电极104彼此电性分离。以下将对活性电解液100、第一电极102以及第二电极104作进一步地说明。活性电解液100中含有质子以及具有氧化还原能力的离子对。详细地说，活性电解液100例如含有具氧化还原能力的多价态离子对、支持电解质与溶剂，其中多价态离子对用以提供具有氧化还原能力的离子对，而支持电解质用以提供质子。多价态离子对中的离子可以是铬离子、硫离子、铁离子、溴离子、锡离子、锑离子、钛离子、铜离子、铈离子、镁离子、钒离子或其组合。支持电解质可以是硫酸、盐酸、硝酸、磷酸、氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾、硝酸锂、过氯酸锂、四氟硼酸锂、六氟磷酸锂、四乙基六氟磷酸铵、四乙基四氟硼酸铵、三乙基甲基六氟磷酸铵、三乙基甲基四氟硼酸铵或其组合。溶剂可以是水、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-丁内酯、环丁砜、乙腈、四氢呋喃、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺或其组合。多价态离子对的浓度例如介于0.5M至3.5M之间，较佳介于IM至2M之间。支持电解质的浓度例如介于0.5M至3.5M之间，较佳介于IM至2M之间。特别一提的是，在本实施例中，活性电解液100是静止的，S卩非流动的。举例来说，如图3所不,在一实施例中，第一电极102、第二电极104与活性电解液100同置于容器300中。活性电解液100在容器300中为静止的而不会流至容器300外。第一电极102与第二电极104各自为与活性电解液100产生氧化还原反应的电极或与活性电解液100产生离子吸附/脱附反应的电极。与活性电解液100产生氧化还原反应的电极一般可称为氧化还原电极，而与活性电解液100产生离子吸附/脱附反应的电极一般可称为电双层电极。详细地说，依据第一电极102与第二电极104的型态，本实施例的储能组件10可以分为四种类型。在第一种类型中，第一电极102与第二电极104均为氧化还原电极。在第二种类型中，第一电极102为氧化还原电极，而第二电极104为电双层电极。在第三种类型中，第一电极102为电双层电极，而第二电极104为氧化还原电极。在第四种类型中，第一电极102与第二电极104均为电双层电极。在本实施例中，上述的与活性电解液100产生氧化还原反应的电极包括导电基板与导电高分子或质子嵌入型金属氧化物，其中导电高分子或质子嵌入型金属氧化物配置于导电基板上。导电高分子例如为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚芳香烃乙烯、其衍生物、其混合物或其共聚物。质子嵌入型金属氧化物例如为氧化钨、氧化钥、氧化钌、氧化锰或其组合。此外，在本实施例中，上述的与活性电解液100产生离子吸附/脱附反应的电极包括导电基板以及配置于其上的表面积大于50m2/g的碳材。上述的导电基板的材料例如为白金、金、银、钛、其合金或其组合。导电基板用以收集电荷，其可以是片状、网状或其它合适的形状。碳材例如为活性碳、石墨碳、碳布、碳毡或其组合。高表面积碳材可具有较高的电荷储存能力。
在本实施例中，与活性电解液100产生氧化还原反应的电极(氧化还原电极)可透过与活性电解液100进行氧化还原反应来储存电荷，并可将电子传导至活性电解液100中的多价态离子对。此外，与活性电解液100产生离子吸附/脱附反应的电极(电双层电极)可透过活性电解液100中离子吸附/脱附反应来储存电荷，并可将电子传导至活性电解液100中的多价态离子对。另外，由于活性电解液100中含有质子以及具有氧化还原能力的离子对，因此当活性电解液100接收来自第一电极102与第二电极104的电子时，可以透过多价态离子对进行氧化还原反应来储存电荷。也就是说，在本实施例中，活性电解液100、第一电极102以及第二电极104均具有储存电荷的能力，因此与一般的储能组件(仅电极具有储存电荷的能力)相比，本实施例的储能组件10可以具有较高的电容量。另外一提的是，当电极的材料为质子嵌入型金属氧化物时，可将多价态离子对进行氧化还原反应所产生的质子嵌入于其中，以维持储能组件10内部的电荷平衡。此外，由于多价态离子对的氧化还原反应具有较高的可逆性，因此可以具有较佳的电容量维持率。另外，由于本实施例中的多价态离子对的两个氧化还原电位差距较大，因此使得氧化还原反应能够完全地进行。此外，为了有效地隔离第一电极102与第二电极104以避免二者接触而造成短路，还可以于第一电极102与第二电极104之间配置隔离膜。以下将对此进行说明。图2为依照本发明另一实施例的剖面示意图。请参照图2，在本实施例中，储能组件20与储能组件10的差异在于:在储能组件20中，隔离膜200配置于第一电极102与第二电极104之间，以有效地电性隔离第一电极102与第二电极104。在一实施例中，隔离膜200具有离子传导能力，以使活性电解液100中的质子(即氢离子H+)可以穿透隔离膜200。隔离膜200可以是具有磺酸根或磷酸根或碳酸根的高分子膜或复合膜，例如全氟化磺酸化高分子膜、部分氟化磺酸化高分子膜、磺酸化碳氢高分子膜、全氟化磷酸化高分子膜、部分氟化磷酸化高分子膜、磷酸化碳氢高分子膜、全氟化碳酸化高分子膜、部分氟化碳酸化高分子膜、碳酸化碳氢高分子膜等。或者，在另一实施例中，隔离膜200也可以不具有离子传导能力，其仅用于电性隔离第一电极102与第二电极104。此时，隔离膜200的材料例如为多孔性人造纤维膜、天然纤维膜或其复合或混纺膜，例如为多孔性聚乙烯膜、多孔性聚丙烯膜、多孔性聚丙烯腈膜、多孔性聚乙烯对苯二甲酸酯膜、植物纤维膜、其复合或混纺膜。与图3类似，在一实施例中，第一电极102、第二电极104、活性电解液100与隔离膜200可同置于容器中。活性电解液100在容器中为静止的而不会流至容器外。以下将以实施例与比较例对本发明的储能组件作说明。在以下实施例与比较例中，储能组件均是由浸置于活性电解液的二个电极和离子传导膜所组成。在各实施例中，活性电解液均是由2M的VOSO4-XH2O(Aldrich, 97% )(作为多价态离子对)添加至2M的H2SO4 (Aldrich，96% )(作为支持电解质)和水(作为溶剂)中调配而成。制作具有导电高分子的电极:由聚苯胺(Aldrich)、聚3_甲基噻吩或聚卩比咯(Aldrich)、导电碳(KS6 (Cabot),Super P(TIMCAL Graphite&Carbon))与粘着剂(EPDM)以重量比 75: 15: 10 混合成膜。然后，将此薄膜利用粘着胶(Acheson EB012)粘贴于钛箔(Alfa Aesar)上，再经过辗压、裁切以形成直径为12mm的电极板。制作具有质子嵌入型金属氧化物的电极:将氧化钨或氧化钥混合上述导电碳与粘着剂(重量比75: 15: 10)制作成膜。经过相同步骤，并裁切成直径12mm的极板。制作具有高表面积碳材的电极:将活性碳(表面积为2600m2/g)混合上述的导电碳与粘着剂(重量比75: 15: 10)制作成薄膜。之后，经过相同步骤，并裁切成直径为12_的极板。离子传导膜:Nafion NR-212 (DuPont)、sPEEK (磺酸化聚醚醚酮，BASF)。在各实施例与比较例中，所测量的单位重量放电容量(C)是由放电电流(I)、时间(t)、工作电压(V)和两电极重量(W)计算而得，公式如下。此外，有机电解液的工作电压为OV至2.5V，水系电解液的工作电压为OV至IV。以ImA充放电，所得到的实验结果如表一所示。
权利要求
1.一种储能组件，其特征在于，包括: 一活性电解液，含有质子以及具有氧化还原能力的离子对；以及 一第一电极与一第二电极，其中该第一电极与该第二电极共存于该活性电解液中，且该第一电极与该第二电极电性分离，该第一电极与该第二电极各自包括一与该活性电解液产生氧化还原反应的活性材料或一与该活性电解液产生离子吸附/脱附反应的活性材料，且该活性电解液可接收来自该第一电极和/或该第二电极的电子以进行氧化还原反应来储存电荷。
2.如权利要求1所述的储能组件，其特征在于，该活性电解液包括一具氧化还原能力的多价态离子对、一支持电解质与一溶剂。
3.如权利要求2所述的储能组件，其特征在于，该多价态离子对中的离子包括铬离子、硫离子、铁离子、溴离子、锡离子、锑离子、钛离子、铜离子、铈离子、镁离子、钒离子或其组口 ο
4.如权利要求2所述的储能组件，其特征在于，该支持电解质包括硫酸、盐酸、硝酸、磷酸、氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾、过氯酸锂、硝酸锂、四氟硼酸锂、六氟磷酸锂、四乙基六氟磷酸铵、四乙基四氟硼酸铵、三乙基甲基六氟磷酸铵、三乙基甲基四氟硼酸铵或其组合。
5.如权利要求2所述的储能组件，其特征在于，该溶剂包括水、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-丁内酯、环丁砜、乙腈、四氢呋喃、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺或其组合。
6.如权利要求1所述的储能组件，其特征在于，该与该活性电解液产生氧化还原反应的活性材料包括一导电高分子或一质子嵌入型金属氧化物，其中该导电高分子或该质子嵌入型金属氧化物配置于一导电基板上。
7.如权利要求6所述的储能组件，其特征在于，该导电高分子包括聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚芳香烃乙烯、其衍生物、其混合物或其共聚物。
8.如权利要求6所述的储能组件，其特征在于，该质子嵌入型金属氧化物包括氧化钨、氧化钥、氧化钌、氧化猛或其组合。
9.如权利要求6所述的储能组件，其特征在于，该导电基板的材料包括白金、金、银、钛、其合金或其组合。
10.如权利要求1所述的储能组件，其特征在于，该与该活性电解液产生离子吸附/脱附反应的活性材料包括表面积大于50m2/g的一碳材,其中该碳材配置于一导电基板上。
11.如权利要求10所述的储能组件，其特征在于，该碳材包括活性碳、石墨碳、碳布、碳毡或其组合。
12.如权利要求10所述的储能组件，其特征在于，该导电基板的材料包括白金、金、银、钛、其合金或其组合。
13.如权利要求1所述的储能组件，其特征在于，还包括一隔离膜，配置于该第一电极与该第二电极之间。
14.如权利要求13所述的储能组件，其特征在于，该隔离膜具有离子传导能力。
15.如权利要求14所述的储能组件，其特征在于，该隔离膜包括具有磺酸根、磷酸根或碳酸根的高分子膜或其复合膜。
16.如权利要求13所述的储能组件，其特征在于，该隔离膜不具有离子传导能力。
17.如权利要求16所述的储能组件，其特征在于，该隔离膜的材料包括多孔性人造纤维膜、天然纤维膜或其复合或混纺膜。
18.如权利要求1所述的储能组件，其特征在于，该第一电极、该第二电极与该活性电解液同置于一容器 中。
全文摘要
一种储能组件，其包括活性电解液、第一电极以及第二电极。活性电解液含有质子以及具有氧化还原能力的离子对。第一电极与第二电极共存于活性电解液中，且第一电极与第二电极电性分离。第一电极与第二电极各自包括与活性电解液产生氧化还原反应的活性材料或与活性电解液产生离子吸附/脱附反应的活性材料。活性电解液接收来自第一电极和/或第二电极的电子以进行氧化还原反应来储存电荷。本发明可以有效地提高储能组件的电容量。
文档编号H01G9/042GK103187179SQ20111045594
公开日2013年7月3日 申请日期2011年12月27日 优先权日2011年12月27日
发明者蔡丽端, 赵崇翔, 黄震宇, 李俊龙 申请人:财团法人工业技术研究院