專(zhuān)利名稱(chēng)：一種靜電電能儲(chǔ)存裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電能儲(chǔ)存裝置，尤其涉及一種高能量密度和高功率密度的超薄靜電電能儲(chǔ)存裝置。
背景技術(shù)：
目前常用的電能儲(chǔ)存裝置為鋰離子電池，鋰離子電池以炭材料作負(fù)極，以含鋰的化合物作正極。當(dāng)對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電時(shí)，電池的正極材料產(chǎn)生鋰離子，鋰離子經(jīng)過(guò)電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，到達(dá)負(fù)極的鋰離子嵌入到碳層的微孔中。嵌入的鋰離子越多，充電容量越高；當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行放電時(shí)，嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運(yùn)動(dòng)回正極?；卣龢O的鋰離子越多，放電容量越高。雖然業(yè)界對(duì)鋰離子電池不斷改進(jìn)，使其性能和安全性等方面獲得了較大的提高，但受其基本結(jié)構(gòu)和充放電原理的限制，鋰離子電池依舊存在以下幾個(gè)主要缺陷:1、鋰離子的功率密度較小受限于鋰離子電池的電極蓄電原理及電解液結(jié)構(gòu)，鋰離子電池的功率密度僅為I千瓦/公斤左右。較小的功率密度限制了鋰離子電池在動(dòng)力電池方面的應(yīng)用；2、鋰離子的能量密度較小
鋰離子電池的能量密度為120-160瓦小時(shí)/公斤，在電動(dòng)車(chē)等動(dòng)力應(yīng)用方面不能完全滿(mǎn)足需求；3、充電時(shí)間較長(zhǎng)鋰離子電池以0.5CT1C的充電電流，需要2 4小時(shí)以上的充電時(shí)間。若以2C以上高倍電流充電，雖然可以減少充電時(shí)間，但是大電流能夠使鋰離子電池的電解液析出氫氣和氧氣，同時(shí)產(chǎn)生高溫，使鋰離子存在爆炸的安全隱患。同時(shí)大電流充電會(huì)損壞鋰離子電池的正負(fù)電極的微結(jié)構(gòu)，降低蓄電容量，并較大幅度地減少使用壽命；4、循環(huán)壽命較短深度放電情況下，鋰離子電池的充放電循環(huán)壽命在30(Γ500次左右，使用壽命較短；5、使用溫度范圍有限鋰離子電池的使用溫度范圍是-20°C 60°C，高于溫度范圍不僅降低能量效率，損壞電池，且有爆炸的危險(xiǎn)。而低于溫度范圍使用，則顯著降低電池效率和蓄電量。因此，如何提供一種高能量密度和高功率密度的新型靜電電能儲(chǔ)存裝置是業(yè)界亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型為了解決目前的鋰電池能量密度、功率密度較小，使用壽命短等缺點(diǎn)，提出一種新型的全固體的靜電電能儲(chǔ)存裝置。本實(shí)用新型提出的靜電電能儲(chǔ)存裝置包括至少一個(gè)靜電電能儲(chǔ)存單元，其中靜電電能儲(chǔ)存單元包括構(gòu)成電容的兩個(gè)金屬薄膜電極、附著在金屬薄膜電極內(nèi)側(cè)的復(fù)合納米絕緣薄膜層、以及復(fù)合納米絕緣薄膜層之間的一陶瓷納米晶薄膜層。各靜電電能儲(chǔ)存單元之間通過(guò)金屬納米粉集流體并聯(lián)。在本技術(shù)方案中，所述金屬薄膜電極的材質(zhì)為鎳、銅、鋅、錫、銀及其合金的一種，優(yōu)選鎳材質(zhì)，其厚度為1.(Γ15微米，優(yōu)選2.5微米；所述的復(fù)合納米絕緣薄膜層的材質(zhì)采用粒徑小于50納米、擊穿電壓為106"107V/cm數(shù)量級(jí)的有機(jī)納米絕緣材料、或無(wú)機(jī)納米絕緣材料、或有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化納米絕緣材料，其厚度為0.Γ0.5微米，最佳厚度為0.25微米；所述的陶瓷納米晶薄膜層采用鐵電體、或非鐵電體的陶瓷納米晶材料，優(yōu)選材質(zhì)為非鐵電體的陶瓷納米晶材料，其厚度為I微米 20微米，優(yōu)選6.5微米。本實(shí)用新型依據(jù)靜電平行板感應(yīng)電容原理，利用具有納米微結(jié)構(gòu)的金屬薄膜電極與其中間夾嵌的具有超高介電常數(shù)的陶瓷納米晶薄膜層形成靜電感應(yīng)平板電容來(lái)儲(chǔ)存靜電能量的。全固體的材質(zhì)和納米微結(jié)構(gòu)既能夠提高該靜電電能儲(chǔ)存裝置的電容量和電容電壓，從而獲得高的能量密度，同時(shí)其內(nèi)部只存在較小的位移電流，全固體的材質(zhì)能夠耐高溫，不存在現(xiàn)有技術(shù)中的液相溫度限制，使得本電能存儲(chǔ)裝置能夠提供大的功率密度輸出，且無(wú)爆炸危險(xiǎn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型可采用1000V的電壓進(jìn)行高速充電，極大地減少了充電時(shí)間，充電后能夠提供的能量密度可達(dá)到500瓦小時(shí)/公斤，功率密度可達(dá)到150千瓦/公斤，自放電率小于0.5%/30天，即便提供較高的瞬時(shí)放電電流也不會(huì)損壞本裝置，使用溫度范圍較廣泛，可以在_70°C 20(TC下正常使用。

圖1為本實(shí)用新型靜電電能儲(chǔ)存單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型靜電電能儲(chǔ)存裝置的一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型一實(shí)施例提出的靜電電能儲(chǔ)存裝置，包括至少一個(gè)靜電電能儲(chǔ)存單元，利用高介電常數(shù)的陶瓷納米晶薄膜層和具有巨大比表面積的納米微結(jié)構(gòu)的超薄金屬薄膜電極組成超薄的靜電電能儲(chǔ)存單元，并將此靜電電能儲(chǔ)存單元并聯(lián)堆疊組合成具有高能量密度和超高充放電功率密度的全固體的陶瓷納米晶靜電電能儲(chǔ)存裝置。如圖1所示，每一個(gè)靜電電能儲(chǔ)存單元都有5層結(jié)構(gòu)，其中第一、第五層為具有納米微細(xì)結(jié)構(gòu)的金屬薄膜電極,這兩個(gè)金屬薄膜電極構(gòu)成一電容，其材質(zhì)可選擇鎳、銅、鋅、錫、銀等導(dǎo)電金屬，也可以由他們的合金構(gòu)成，優(yōu)選的材質(zhì)鎳金屬，金屬薄膜電極的厚度非常薄，厚度范圍為1.(Γ15微米，優(yōu)選2.5微米。第二層和第四層為附著在金屬薄膜電極內(nèi)側(cè)的復(fù)合納米絕緣薄膜層，復(fù)合納米絕緣薄膜層的材質(zhì)采用可選擇高抗電強(qiáng)度的有機(jī)納米絕緣材料或無(wú)機(jī)納米絕緣材料，也可采用有機(jī)\無(wú)機(jī)雜化納米絕緣材料，其粒徑要求小于50納米，其擊穿電壓要求在106 107V/cm數(shù)量級(jí)，它的厚度為0.Γ0.5微米，最佳厚度為0.25微米。最后是夾在中間的第三層，為一陶瓷納米晶薄膜層。該層采用鐵電體、或非鐵電體的陶瓷納米晶材料，優(yōu)選材質(zhì)為非鐵電體的陶瓷納米晶材料，其厚度為I微米 20微米，優(yōu)選6.5微米。[0024]如圖2所示，根據(jù)實(shí)際需要，可以將多個(gè)靜電電能儲(chǔ)存單元疊加形成一符合預(yù)定設(shè)計(jì)的蓄電池容量的靜電電能儲(chǔ)存裝置，這些靜電電能儲(chǔ)存單元之間通過(guò)金屬納米粉集流體進(jìn)行并聯(lián)。在本實(shí)施例中，采用兩個(gè)靜電電能儲(chǔ)存單元進(jìn)行疊加來(lái)示意靜電電能儲(chǔ)存單元之間的連接關(guān)系，使用金屬納米粉集流體將兩個(gè)靜電電能儲(chǔ)存單元的正極與正極相連接、負(fù)極與負(fù)極相連接即可。本實(shí)用新型所涉及的蓄電原理與鋰電子電池的蓄電原理完全不同，它利用的是平板靜電電容原理。平板電容的容量與相對(duì)的平板電極的面積成正比，與平板電極間的間距成反比，與介質(zhì)的介電常數(shù)成正比，其電容容量公式如下:C = Se %/d，式中C是電容容量，S是相對(duì)面積，是^真空介電常數(shù)，ε是介質(zhì)的介電常數(shù)，d為平板電極間的間距。本實(shí)用新型所涉及的平板電容單元選用具有巨大介電常數(shù)和抗電強(qiáng)度的納米陶瓷粉末形成納米薄膜介質(zhì)，介電常數(shù)在IO6數(shù)量級(jí)，并使金屬薄膜電極間的間距達(dá)到微米級(jí)，較大幅度地提高了電容的容量。同時(shí)，本實(shí)用新型通過(guò)對(duì)金屬薄膜電極的納米微加工處理，使金屬薄膜電極具有納米級(jí)的納米半孔微細(xì)結(jié)構(gòu)或納米絨毛結(jié)構(gòu)，從而大幅提高其比表面面積，進(jìn)一步提高平板電容的電容量。平板電容的蓄能公式如下:E=1/2CV2，式中E是平板電容儲(chǔ)存的能量，C是平板電容的電容量，V是電容電極間的電壓。本實(shí)用新型通過(guò)對(duì)具有納米微結(jié)構(gòu)的金屬薄膜電極進(jìn)行處理，在金屬薄膜電極的表面形成一層具有高抗電強(qiáng)度的納米薄膜，從而提高整個(gè)電容的抗電強(qiáng)度，使得平板電容單元的耐壓達(dá)到千伏級(jí)。由于具有全固體的材質(zhì)結(jié)構(gòu)，使得此裝置的能夠以高電流密度高速充放電，極大地縮短了充電時(shí)間，并使放電功率密度獲得極大地提高。以上具體實(shí)施例僅用以舉例說(shuō)明本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本實(shí)用新型的構(gòu)思下可以做出多種變形和變化，這些變形和變化均包括在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之 內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種靜電電能儲(chǔ)存裝置，其特征在于:包括至少一個(gè)靜電電能儲(chǔ)存單元，所述靜電電能儲(chǔ)存單元包括構(gòu)成電容的兩個(gè)金屬薄膜電極、附著在金屬薄膜電極內(nèi)側(cè)的復(fù)合納米絕緣薄膜層、以及復(fù)合納米絕緣薄膜層之間的一陶瓷納米晶薄膜層。
2.如權(quán)利要求1所述的靜電電能儲(chǔ)存裝置，其特征在于:所述靜電電能儲(chǔ)存單元之間通過(guò)金屬納米粉集流體并聯(lián)。
3.如權(quán)利要求1所述的靜電電能儲(chǔ)存裝置，其特征在于:所述金屬薄膜電極的材質(zhì)為鎳、銅、鋅、錫、銀及其合金的一種。
4.如權(quán)利要求1所述的靜電電能儲(chǔ)存裝置，其特征在于:所述金屬薄膜電極的厚度為1.0 15微米。
5.如權(quán)利要求1所述的靜電電能儲(chǔ)存裝置，其特征在于:所述的復(fù)合納米絕緣薄膜層的材質(zhì)采用粒徑小于50納米、擊穿電壓為106 107V/cm數(shù)量級(jí)的有機(jī)納米絕緣材料、或無(wú)機(jī)納米絕緣材料、或有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化納米絕緣材料。
6.如權(quán)利要求1所述的靜電電能儲(chǔ)存裝置，其特征在于:所述的復(fù)合納米絕緣薄膜層的厚度為0.Γ0.5微米 。
7.如權(quán)利要求1所述的靜電電能儲(chǔ)存裝置，其特征在于:所述的陶瓷納米晶薄膜層采用鐵電體、或非鐵電體的陶瓷納米晶材料。
8.如權(quán)利要求1所述的靜電電能儲(chǔ)存裝置，其特征在于:所述的陶瓷納米晶薄膜層的厚度為I微米 20微米。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種靜電電能儲(chǔ)存裝置，包括至少一個(gè)靜電電能儲(chǔ)存單元，每個(gè)靜電電能儲(chǔ)存單元設(shè)有五層結(jié)構(gòu)，包括構(gòu)成電容的兩個(gè)金屬薄膜電極與其內(nèi)側(cè)復(fù)合納米絕緣薄膜層，以及復(fù)合納米絕緣薄膜層之間的陶瓷納米晶薄膜層。本實(shí)用新型依據(jù)靜電平行板感應(yīng)電容原理，利用具有納米微結(jié)構(gòu)的金屬薄膜電極與其中間夾嵌的具有超高介電常數(shù)的陶瓷納米晶薄膜層形成靜電感應(yīng)平板電容來(lái)儲(chǔ)存靜電能量的。
文檔編號(hào)H01G4/38GK203150391SQ20122073620
公開(kāi)日2013年8月21日 申請(qǐng)日期2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月28日
發(fā)明者白金, 馮剛 申請(qǐng)人:白金, 馮剛