纳米粒子电解液的热充电超级电容器的制作方法

本发明属于热电转换领域，具体涉及使用含有纳米粒子电解质溶液的热充电超级电容器。

背景技术：

随着人类对化石能源的大量开采和消耗，能源危机逐渐成为国际社会关注的焦点。各种余热以及太阳热的利用是改善能源结构，改善能源危机的重要方法之一。但也是现阶段一个重要的挑战。一方面余热资源无处不在非常充足，包括工业生产过程的废热、发动机的余热以及太阳热等，如果能够进行收获和利用，能源效率将大大的提升，另一方面传统技术的热电转换效率，无论是基于塞贝克效应的直接方法，还是使用有机朗肯循环(orc)机器的间接方法，在余热利用的效率都较低。一种新型热电转换器件的提出：热充电超级电容器可以实现在余热利用时的高效率。热充电超级电容器是由两个传统的半超级电容器组成，通过将两部分分别放置在不同温度的电解液容器中，并通过盐桥连接。通过温差趋动离子的扩散，导致热端电极表面电荷密度低于冷端，从而产生电势差。但如何提高最终得到的开路电压是通过热充电超级电容器进行热电转换利用的一个关键问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种纳米粒子电解液的热充电超级电容器，以提高热充电超级电容器的热电转换性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种纳米粒子电解液的热充电超级电容器，包括电极，电解质溶液以及盐桥，所述电解质溶液中含有纳米粒子。

所述电解质溶液由含有纳米粒子的基液组成。

所述纳米粒子为金属或者非金属纳米粒子。

所述纳米粒子为无孔或者多孔的纳米粒子。

所述纳米粒子具有导热性。

所述纳米粒子的粒径为1～100nm。

所述基液为有机体系或者水系电解质溶液。

所述电解质溶液中，纳米粒子的质量分数为0.01％～30％。

有益效果：本发明所提出的纳米粒子电解液的热充电超级电容器，可在热电转换的同时将电以表面电荷的形式储存，并且可以同时进行充放电。通过加入纳米粒子，不仅提高了离子的扩散系数而且提高了温度的均匀性。较使用没有加入纳米粒子电解液的系统相比，开路电压极大地提高，从而提高了热充电超级电容器在余热、工业废热以及太阳热利用中的性能。

附图说明

图1为本发明的原理流程图；

图2为本发明的原理图；图中：1-纳米粒子，2-热电解质溶液，3-冷电解质溶液，4-离子交换膜，5-负载；

图3为不同温差下系统的开路电压；

图4为加入相同质量分数的纳米碳和纳米铜系统的开路电压；

图5为加入不同质量分数纳米碳系统在不同温差下的开路电压。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

本发明的纳米粒子电解液的热充电超级电容器的原理如图1以及图2所示，纳米粒子电解液的热充电超级电容器，可在热电转换的同时将电以表面电荷的形式储存，并且可以同时进行充放电。通过纳米粒子的加入，一方面提高了离子的扩散系数，在温差驱动下有更多的离子从热端移动到冷端，从而使得热端电极的表面电荷密度更加的低于冷端电极的表面电荷密度，从而产生了更大的电势差，表现为得到了更高的系统开路电压；另一方面提高温度的响应时间，从而缩短热端温度达到稳定的时间，也使得热端温度分布均匀，缩短了充电时间，提高了充放电的速率。从而提高系统在余热、工业废热以及太阳热利用中的性能。

图2展示了本发明的一个典型的纳米粒子电解液的热充电超级电容器，其包括热电解质溶液2和冷电解质溶液3，热电解质溶液2和冷电解质溶液3中均含有纳米粒子1，热电解质溶液2和冷电解质溶液3之间设置有离子交换膜4，热电解质溶液2和冷电解质溶液3中设置有电极，电极之间通过导线连接有负载5。

本发明中通过加入不同种类的纳米粒子以及不同质量分数的纳米粒子来获得不同的电解质溶液离子扩散系数，从而得到了不同情况下系统在不同温差下的开路电压，通过以下实施例对发明进行了试验的验证。

实施例1：

纳米粒子电解液的热充电超级电容器，具体实施方式为：

将两个传统的半超级电容器分别放置在充满电解质溶液的容器中，对一端容器进行加热，冷端温度为t1，热端温度为t2,通过改变t1和t2可以获得不同的温差。当温差稳定时读取系统在不同温差下的开路电压。结果显示温差越大，系统所测出的开路电压越大如图3所示。

实施例2：

纳米粒子电解液的热充电超级电容器，具体实施方式为：

将两个传统的半超级电容器分别放置在充满电解质溶液的容器中，对一端容器进行加热，冷端温度为t1，热端温度为t2，通过改变t1和t2可以获得不同的温差。当温差稳定时读取系统在不同温差下的开路电压。在热端电解质溶液中分别加入相同质量的纳米碳和纳米铜，将其与未加入纳米粒子的系统所得的开路电压进行对比，加入纳米铜的系统所得开路电压>加入纳米碳的系统>未加入纳米粒子的系统，如图4所示。

实施例3：

纳米粒子电解液的热充电超级电容器，具体实施方式为：

将两个传统的半超级电容器分别放置在充满电解质溶液的容器中，对一端容器进行加热，冷端温度为t1，热端温度为t2，通过改变t1和t2可以获得不同的温差。当温差稳定时利用数据采集系统读取系统在不同温差下的开路电压。在热端电解质溶液中分别加入质量分数为以及的纳米碳，得到了对不同纳米粒子浓度以及不同温差下的开路电压如图5所示。加入纳米粒子的质量分数存在一个最佳值，为0.7％。因为离子的扩散系数在纳米粒子浓度较低时，随着加入纳米粒子的增加而增加，在纳米粒子浓度较高时，随着纳米粒子的加入，离子的扩散系数反而减少。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种纳米粒子电解液的热充电超级电容器，其特征在于：包括电极，电解质溶液以及盐桥，所述电解质溶液中含有纳米粒子。

2.根据权利要求1所述的纳米粒子电解液的热充电超级电容器，其特征在于：所述电解质溶液由含有纳米粒子的基液组成。

3.根据权利要求1或2所述的纳米粒子电解液的热充电超级电容器，其特征在于：所述纳米粒子为金属或者非金属纳米粒子。

4.根据权利要求1或2所述的纳米粒子电解液的热充电超级电容器，其特征在于：所述纳米粒子为无孔或者多孔纳米粒子。

5.根据权利要求1或2所述的纳米粒子电解液的热充电超级电容器，其特征在于：所述纳米粒子具有导热性。

6.根据权利要求1或2所述的纳米粒子电解液的热充电超级电容器，其特征在于：所述纳米粒子的粒径为1～100nm。

7.根据权利要求2所述的纳米粒子电解液的热充电超级电容器，其特征在于：所述基液为有机体系或者水系电解质溶液。

8.根据权利要求1所述的纳米粒子电解液的热充电超级电容器，其特征在于：所述电解质溶液中，纳米粒子的质量分数为0.01％～30％。

技术总结
本发明公开了一种纳米粒子电解液的热充电超级电容器，包括电极，电解质溶液以及盐桥，所述电解质溶液中含有纳米粒子。本发明可在热电转换的同时将电以表面电荷的形式储存，并且可以同时进行充放电。在加入相应质量分数的纳米粒子后，可以较大的增强电解质离子的热扩散系数，提高热端温度的均匀分布，从而极大程度的提高热充电超级电容器的性能。

技术研发人员：宣益民;孟婷婷
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2020.01.08
技术公布日：2020.05.29