可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池及其快速充電放電的方法
【專利摘要】可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池及其快速充電放電的方法。可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池包括正極集電板、正極材料、負極集電板、負極材料、微孔隔膜和電解質(zhì)，微孔隔膜的兩側(cè)分別設(shè)置有正極材料與負極材料，正極材料與負極材料均設(shè)置在電解質(zhì)中，正極材料、負極材料分別通過正極集電板、負極集電板與電池的正極、負極連接，特征是正極集電板和負極集電板中至少有一個集電板的外側(cè)設(shè)有電場極板，電場極板為外設(shè)絕緣膜的電場電極板膜。本發(fā)明解決了鈉離子研制中的難題：鈉離子擴散速度明顯提高、電池庫侖效率明顯提高。同時，消除了鈉枝晶生長的現(xiàn)象。發(fā)明還有效地提高了電池內(nèi)部導(dǎo)電性及低溫特性，使放電較長時間地維持在較高電位水平。
【專利說明】可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池及其快速充電放電的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種內(nèi)置電場結(jié)構(gòu)的鈉離子電池，并組成可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池。尤其是可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池，它設(shè)有電池正極端子、電池負極端子、電場電極A端子、電場電極B端子，共四個外接端子電極，或電池正極端子、電池負極端子、電場電極端子，共三個外接端子電極?？煽仉妶鲂?yīng)充放電鈉離子電池是通過外部電路接入鈉離子電池的電場電極，控制鈉離子電池內(nèi)部的電場強度、電場方向，形成快速充、放電的鈉離子電池。
【背景技術(shù)】
[0002]由于鋰離子電池適合實現(xiàn)小型輕量化、可穩(wěn)定進行大容量充放電，因此目前鋰離子電池的研究與生產(chǎn)局居首位。不過，鋰離子電池面臨的瓶頸是，鋰的儲量在地殼中僅占
0.002%左右，是一種稀有金屬。而且大多分布于政局不穩(wěn)的南美等地。使得鋰離子電池的成本較高。同時，其安全性也不是完全理想。
[0003]在大規(guī)模儲能方面，研究者十分青睞鈉離子電池，因為它具有原材料來源廣泛、成本低、能采用分解電壓更低的電解液等特點，降低了生產(chǎn)成本，提高了鈉離子電池的安全性。對于可再生能源長時期和大規(guī)模的儲能裝置，以及電動汽車而言，鈉離子電池的重量和體積要求不是很高，所以鈉離子電池是最合適的選擇。
[0004]對于大型的工業(yè)交通工具來說，它們所面臨的是各種惡劣的自然環(huán)境。極端的溫度、大量的灰塵，這些都不是鋰電池可以應(yīng)付的，因此急需一種性能更加強大的新產(chǎn)品出現(xiàn)。鈉離子電池恰好能夠克服鋰電池的這些不足?，F(xiàn)代技術(shù)界普遍期盼，鈉充電電池可以取代鋰離子電池，以支持電子產(chǎn)品和電動車。
.[0005]但是，迄今為止，鈉離子電池尚未能夠大規(guī)模推廣使用，其原因是:鈉離子電池存在難以克服的缺點:一是電池內(nèi)部正極材料與負極材料導(dǎo)電性差、鈉離子擴散速度慢，高倍率充放電時，實際比容量低。由于鈉離子的尺寸是鋰離子的2.5倍，而且鈉離子電池正極材料與負極材料導(dǎo)電性較差，使用時需要混合大量的導(dǎo)電添加劑，導(dǎo)致電池庫侖效率較低，同時造成循環(huán)性能較差，不可逆容量損失較大。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)中的鈉離子電池結(jié)構(gòu)循環(huán)很不穩(wěn)定，在快速充電過程中，能會導(dǎo)致鈉在硬碳表面的沉積和鈉枝晶的生長；這種鈉枝晶甚至?xí)斐啥搪贰?br> [0007]現(xiàn)有技術(shù)克服以上問題的傳統(tǒng)方法是:不斷尋找更好的正極材料、負極材料，或者更換更好的電介質(zhì)。
[0008]例如:正極材料采用NaFe02、NaCrO2> Na2MnO3^ NaFe1/2Ni1/202> NaNil72Mnl72O2 氧化物材料，以及復(fù)合氧化物材料Na3V2 (PO4) 3/C和過渡金屬氟磷酸鈉鹽(如NaV (PO4) F，Na2Fe (PO4)F)等；負極材料采用硬碳、Sn、Pb、Ti02、對二苯甲酸乙二醇酯、對二笨甲酸二鈉等；都會在負極造成鈉離子擴散困難。
[0009]上述的鈉離子電池，都努力改善正極材料與負極材料，雖然都取得了一定的效果，但是對于現(xiàn)有的鈉離子電池的三個主要不足:鈉離子擴散速度慢、電池庫侖效率較低，和出現(xiàn)鈉枝晶的生長現(xiàn)象，現(xiàn)有技術(shù)尚未找到理想的技術(shù)方案同時克服以上不足，使得當(dāng)前國際上的常溫下鈉離子電池還沒有達到實際使用的程度。
[0010]中國發(fā)明專利200910032914.5，提供了一種內(nèi)置可控電場的二次電池及其快速充放電方法，特征是，設(shè)置有一個內(nèi)置電隔離的電場極板對，該電場極板對中的A極板設(shè)置在所述電池正極的外側(cè)，并與該電池正極絕緣；該電場極板對中的B極板設(shè)置在所述電池負極的外側(cè)，并與該電池負極絕緣；在所述的內(nèi)置電隔離的電場極板對的A極、B極之間施加電壓:在放電狀態(tài)，該電場極板對中的A極板與所述電池正極的極性相反；該電場極板對中的B極板與所述電池負極的極性相反；在充電狀態(tài)，該電場極板對中的A極板與所述電池正極的極性相同；該電場極板對中的B極板與所述電池負極的極性相同。這個技術(shù)方案的發(fā)明目的是:針對的是“鋰離子電池”，并能夠有效提高鋰離子電池內(nèi)部導(dǎo)電性及低溫特性，從而使鋰離子電池的放電較長時間地維持在較高電位水平；并在充電時明顯縮短充電時間；也就是說，該技術(shù)方案是對鋰離子電池進行技術(shù)創(chuàng)新，形成可控場效應(yīng)鋰離子電池，解決的是鋰離子電池的快速充放電問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]為了克服鈉離子電池內(nèi)部鈉離子擴散速度慢、電池庫侖效率較低，和出現(xiàn)鈉枝晶的生長現(xiàn)象，本發(fā)明通過內(nèi)置可控電場提高可逆鈉離子嵌入和脫嵌性，可以明顯提高電池庫侖效率，和消除鈉枝晶的生長現(xiàn)象。同時，本發(fā)明能夠明顯延長電池的使用壽命，明顯提高鈉離子擴散速度、提高目前鈉離子電池的快速充放電特性；在充電時明顯縮短充電時間；本發(fā)明的另一個發(fā)明目的是能夠有效提高電池內(nèi)部導(dǎo)電性及低溫特性，從而使鈉離子電池的放電較長時間地維持在較高電位水平。
[0012]實現(xiàn)本申請發(fā)明任務(wù)的技術(shù)方案是:一種可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池，包括正極集電板、正極材料、負極集電板、負極材料、微孔隔膜和電解質(zhì)，所述微孔隔膜的兩側(cè)分別設(shè)置有正極材料與負極材料，該正極材料與負極材料均設(shè)置在電解質(zhì)中，所述正極材料、負極材料分別通過正極集電板、負極集電板與電池的正極、負極連接，其特征在于:所述正極集電板和負極集電板中至少有一個集電板的外側(cè)設(shè)有電場極板，所述電場極板為外設(shè)絕緣膜的電場電極板膜。
[0013]所述的內(nèi)置電隔離的電場極板由外設(shè)絕緣膜的電場電極板膜構(gòu)成，它不僅分別與電池的正極集電板、負極集電板絕緣，同時也與電池內(nèi)的電解液絕緣。
[0014]更優(yōu)化和更具體地說，本發(fā)明的上述技術(shù)方案可以具體為下列三個并列的技術(shù)方案之一:
[0015]1、一種可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池，包括正極集電板、正極材料、負極集電板、負極材料、微孔隔膜和電解質(zhì)，所述微孔隔膜的兩側(cè)分別設(shè)置有正極材料與負極材料，該正極材料與負極材料均設(shè)置在電解質(zhì)中，所述正極材料、負極材料分別通過正極集電板、負極集電板與電池的正極、負極連接，其特征在于:在該內(nèi)置可控電場的鈉離子電池中設(shè)置有一個內(nèi)置電隔離的電場極板對，該電場極板對中的A極板設(shè)置在所述電池正極集電板的外側(cè)，并與該電池正極集電板絕緣；該電場極板對中的B極板設(shè)置在所述電池負極集電板的外側(cè)，并與該電池負極集電板絕緣。
[0016]S卩，所述“至少有一個集電板的外側(cè)設(shè)有電場極板”的結(jié)構(gòu)是，在該內(nèi)置可控電場的鈉離子電池中設(shè)置有一個內(nèi)置電隔離的電場極板對，該電場極板對中的A極板設(shè)置在所述電池正極集電板的外側(cè)，并與該電池正極集電板絕緣；該電場極板對中的B極板設(shè)置在所述電池負極集電板的外側(cè)，并與該電池負極集電板絕緣。
[0017]2、一種內(nèi)置可控電場的鈉離子電池，包括正極集電板、正極材料、負極集電板、負極材料、微孔隔膜和電解質(zhì)，在微孔隔膜的兩側(cè)分別設(shè)置有正極材料與負極材料，該正極材料與負極材料均設(shè)置在電解質(zhì)中，所述正極材料與負極材料分別與電池的正極集電板、負極集電板連接，其特征在于，在該內(nèi)置可控電場的鈉離子電池中設(shè)置有一個內(nèi)置電隔離的電場極板B，該電場極板B設(shè)置在所述電池負極集電板的外側(cè)，并與該電池負極集電板與電解質(zhì)絕緣；并且電池的正極集電板連接正電極端子，負極集電板連接負電極端子，電場極板B連接電場電極B端子。
[0018]S卩，所述“至少有一個集電板的外側(cè)設(shè)有電場極板”的結(jié)構(gòu)是，在該內(nèi)置可控電場的鈉離子電池中設(shè)置有一個內(nèi)置電隔離的電場極板B，該電場極板B設(shè)置在所述電池負極集電板的外側(cè)，并與該電池負極集電板與電解質(zhì)絕緣；并且電池的正極集電板連接正電極端子，負極集電板連接負電極端子，電場極板B連接電場電極B端子。
[0019]3、一種內(nèi)置可控電場的鈉離子電池，包括正極集電板、正極材料、負極集電板、負極材料、微孔隔膜和電解質(zhì)，在微孔隔膜的兩側(cè)分別設(shè)置有正極材料與負極材料，該正極材料與負極材料均設(shè)置在電解質(zhì)中，所述正極材料與負極材料分別與電池的正極集電板、負極集電板連接，其特征在于，在該內(nèi)置可控電場的鈉離子電池中設(shè)置有一個內(nèi)置電隔離的電場極板A，該電場極板A設(shè)置在所述電池正極集電板的外側(cè)，并與該電池正極集電板與電解質(zhì)絕緣；并且電池的正極集電板連接正電極端子，負極集電板連接負電極端子，電場極板A連接電場電極A端子。
[0020]S卩，所述“至少有一個集電板的外側(cè)設(shè)有電場極板”的結(jié)構(gòu)是，在該內(nèi)置可控電場的鈉離子電池中設(shè)置有一個內(nèi)置電隔離的電場極板A，該電場極板A設(shè)置在所述電池正極集電板的外側(cè)，并與該電池正極集電板與電解質(zhì)絕緣；并且電池的正極集電板連接正電極端子，負極集電板連接負電極端子，電場極板A連接電場電極A端子。
[0021 ] 所述內(nèi)置可控電場的鈉離子電池在使用時，需要在所述的內(nèi)置電隔離的電場極板或電場極板對上(電場極A端子，或電場極B端子，或電場極A端子、B端子之間)施加電場電壓。
[0022]所述電場極板是采用兩片塑料薄膜內(nèi)夾金屬箔壓合而成。更具體地說，所述電場極板A與電場極板B是采用聚四氟乙烯(或其它塑料)薄膜的一面鍍導(dǎo)電膜，此導(dǎo)電膜面再與另一聚四氟乙烯(或其它塑料)薄膜壓合而成，或兩片聚四氟乙烯(或其它塑料)薄膜內(nèi)夾鋁箔壓合而成；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]本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中改進鈉離子電池的傳統(tǒng)思路，避開了對鈉離子電池本身結(jié)構(gòu)的改進，也避開了對正極材料、負極材料與電解質(zhì)的更換；轉(zhuǎn)而采用現(xiàn)有技術(shù)中原來用于提高電池內(nèi)部導(dǎo)電性及低溫特性的、外加電場的技術(shù)方案。特別指出的是，鋰離子電池內(nèi)部正極材料、負極材料之間，是一種“離子交換隔膜”，鋰離子在電解質(zhì)中可以通過“離子交換隔膜”，在正極材料、負極材料之間，進行可逆方式鋰離子嵌入和脫嵌。由于鈉離子大于鋰離子2.5倍，無法采用現(xiàn)有的鋰離子電池中的“離子交換隔膜”，原因是鈉離子無法通過“離子交換隔膜”，所以，鈉離子電池采用的是一種“微孔隔膜”；由于鈉離子電池采用的是一種“微孔隔膜”，使得鈉離子電池內(nèi)部導(dǎo)電性不好，離子擴散速度慢、電池庫侖效率較低，造成鈉離子電池?zé)o法達到實際使用程度的鈉離子電池。
[0024]本發(fā)明為了解決鈉離子鈉內(nèi)部導(dǎo)電性不好，離子擴散速度慢、電池庫侖效率較低，和出現(xiàn)鈉枝晶的生長現(xiàn)象，通過增加“外加可控電場”結(jié)構(gòu)的用途，使得“電場效應(yīng)鈉離子電池”中電場電極形成的正負兩方向電場，改善鈉離子電池內(nèi)部正極材料與負極材料的導(dǎo)電性，提高可逆鈉離子的嵌入/脫嵌性，使在充電與放電過程中，提高電池內(nèi)部的導(dǎo)電性及抑制負極硬碳表面的沉積和鈉枝晶的生長。
[0025]本發(fā)明涉及的可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池的正極材料可以選用NaFe02、NaCrO2> Na2MnO3> NaFel72Ni 1/202> NaNi 1/2Μη1/202 氧化物材料，以及復(fù)合氧化物材料 Na3V2 (PO4) JC和過渡金屬氟磷酸鈉鹽(如NaV(PO4)F, Na2Fe (PO4)F)等；負極材料可以選用硬碳、Sn, Pb,TiO2、對二苯甲酸乙二醇酯、對二笨甲酸二鈉等；電解質(zhì)可以選用碳酸乙烯酯(EC)、碳酸亞丙酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)及碳酸二乙酯(DEC)飽和環(huán)狀碳酸酯與鏈狀碳酸酯的混合溶劑，以及六氟化磷酸鈉(NaPF6)、高氯酸鈉(NaCIO4)等。
[0026]完成本申請第2個發(fā)明目的的方案是:一種上述內(nèi)置可控電場的鈉離子電池的快速充放電方法:所述內(nèi)置可控電場的鈉離子電池在使用時，在所述的內(nèi)置電隔離的電場極板或電場極板對上(電場極A端子與電場極B端子之間，或者電池正電極端子與電場電極B端子之間，或者電場電極A端子與電池負電極端子之間)施加電場電壓:
[0027]在放電狀態(tài)，該電場極板對中的電場極A端子與所述電池正極的極性相反；該電場極板對中的電場極B端子與所述電池負極的極性相反。所施加的外部電壓為V > 2倍電池正極、負極之間的標(biāo)準(zhǔn)電壓值；
[0028]在充電狀態(tài)，該電場極板對中的電場極A端子與所述電池正極的極性相同；該電場極板對中的電場極B端子與所述電池負極的極性相同。所施加的電壓值>2倍電池正極、負極之間的標(biāo)準(zhǔn)電壓值。
[0029]在實驗室中，采用以上結(jié)構(gòu)，和本發(fā)明的外加電場效應(yīng)，經(jīng)過數(shù)千小時的使用和數(shù)百次的充放電，幾種結(jié)構(gòu)的鈉離子擴散速度明顯提高、電池庫侖效率明顯提高，參考圖9所示實驗曲線圖。同時，多次實驗中，均沒有出現(xiàn)鈉枝晶生長的現(xiàn)象。證明本發(fā)明借用另一項技術(shù)解決本發(fā)明任務(wù)的設(shè)想，是成功的。不僅克服了傳統(tǒng)偏見，解決了現(xiàn)有技術(shù)中難以解決的技術(shù)問題，而且產(chǎn)生了意想不到的技術(shù)效果。
[0030]換言之，本發(fā)明的上述結(jié)構(gòu)，其內(nèi)置可控電場鈉離子電池是在傳統(tǒng)鈉離子電池結(jié)構(gòu)中，形成一個可控的內(nèi)電場，進行調(diào)控傳統(tǒng)鈉離子電池的正極集電板與負極集電板之間電場的強弱與方向。傳統(tǒng)鈉離子電池結(jié)構(gòu)主要由正極集電板、正極材料、微孔隔膜、電解質(zhì)、負極材料、負極集電板所組成。內(nèi)置可控電場鈉離子電池結(jié)構(gòu)中，增加一個內(nèi)置電隔離的電場極板對，其結(jié)構(gòu)主要由:電場極板A、正極集電板、正極材料、微孔隔膜、電解質(zhì)、負極材料、負極集電板、電場極板B所組成；其中電場極板A與電場極板B分別是兩片絕緣膜之間夾有電場電極板膜，并且相對應(yīng)的電場電極板膜一端電氣連接電場極A端子與電場極B端子。
[0031]本發(fā)明方案中的電場極板A與電場極板B是采用聚四氟乙烯(或其它塑料)薄膜的一面鍍導(dǎo)電膜，此導(dǎo)電膜面再與另一聚四氟乙烯(或其它塑料)薄膜壓合而成，或兩片聚四氟乙烯(或其它塑料)薄膜內(nèi)夾鋁箔壓合而成；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]作為本發(fā)明的進一步改進，所述內(nèi)置可控電場的鈉離子電池在使用時，需要在所述的內(nèi)置電隔離的電場極板對上(電場極A端子、電場極B端子之間)施加電場電壓:
[0033]在放電狀態(tài)，該電場極板對中的電場極A端子與所述電池正極的極性相反；該電場極板對中的電場極B端子與所述電池負極的極性相反。所施加的外部電壓為V > 2倍電池正極、負極之間的標(biāo)準(zhǔn)電壓值；
[0034]在充電狀態(tài)，該電場極板對中的電場極A端子與所述電池正極的極性相同；該電場極板對中的電場極B端子與所述電池負極的極性相同。所施加的電壓值>2倍電池正極、負極之間的標(biāo)準(zhǔn)電壓值。
[0035]本發(fā)明的可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池，由于內(nèi)部加設(shè)了電場極，可以快速進行充放電。鈉離子電池在充電時，電場E加強了正極材料中的鈉離子Na+的排斥力，鈉離子Na+通過微孔隔膜，鈉離子Na+向負極材料吸引遷移，極大提高了導(dǎo)電率與加快鈉離子Na+擴散速度，形成快速恒壓充電。鈉離子電池在放電時，電場E加強負極材料中的鈉離子Na+的脫插排斥力，鈉離子Na+通過微孔隔膜，鈉離子Na+向正極材料遷移嵌入，極大提高了導(dǎo)電率與加快鈉離子Na+擴散速度，形成快速放電。
[0036]本發(fā)明的可控場效應(yīng)鈉離子電池可以明顯提高電池庫侖效率，和消除鈉枝晶的生長現(xiàn)象。請參照圖9。同時，本發(fā)明能夠明顯延長電池的使用壽命，明顯提高鈉離子擴散速度、提高目前鈉離子電池的快速充放電特性；在充電時明顯縮短充電時間；發(fā)明還能夠有效提高電池內(nèi)部導(dǎo)電性及低溫特性，從而使鈉離子電池的放電較長時間地維持在較高電位水平。本發(fā)明提高了鈉離子電池技術(shù)，形成可控場效應(yīng)鈉離子電池，從而實現(xiàn)達到實際使用程度的鈉離子電池。
[0037]特別指出的是，中國發(fā)明專利200910032914.5，是對已經(jīng)達到實際使用程度的“鋰離子電池”進行技術(shù)創(chuàng)新，形成可控場效應(yīng)鋰離子電池，解決的是鋰離子電池的快速充放電；而本發(fā)明是在原有提出中國發(fā)明專利200910032914.5的基礎(chǔ)上，進一步針對還沒有達至IJ實際使用程度的“鈉離子電池”進行技術(shù)創(chuàng)新，解決的是鈉離子電池充放電循環(huán)次數(shù)低，提高鈉離子電池技術(shù)達到實際使用程度而提出的發(fā)明技術(shù)；也就是說，當(dāng)前國際上針對常溫下鈉離子電池還沒有達到實際使用程度的鈉離子電池，進而進行技術(shù)創(chuàng)新，使還沒有達到實際使用程度的鈉離子電池，形成可控場效應(yīng)鈉離子電池，來達到實際使用程度的鈉離子電池。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1為四端子可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池結(jié)構(gòu)原理圖；
[0039]圖2為三端子可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池結(jié)構(gòu)B原理圖；
[0040]圖3為三端子可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池結(jié)構(gòu)A原理圖；
[0041]圖4為四端子可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池電路原理圖；
[0042]圖5為三端子可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池B電路原理圖；
[0043]圖6為三端子可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池A電路原理圖；
[0044]圖7-8為本發(fā)明可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池充放電曲線圖；
[0045]圖9為本發(fā)明可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池循環(huán)次數(shù)與庫倫效率實驗曲線圖?！揪唧w實施方式】
[0046]實施例1，
[0047]一種內(nèi)置可控電場鈉離子電池，是在傳統(tǒng)的鈉離子電池結(jié)構(gòu)中內(nèi)置一個可控的內(nèi)電場E，參照圖1所示，從左至右設(shè)有電場電極A31、正極集電板10-1、正極材料10-2、微孔隔膜50、負極材料20-2、負極集電板20-1和電場電極B41，正極材料10_2和負極材料20_2設(shè)在電解質(zhì)60中。電場電極板膜30-1和外周的絕緣膜30-2構(gòu)成電場電極A31，電場電極板膜40-1和外周的絕緣膜40-2構(gòu)成電場電極B41。
[0048]可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池對外電氣連接共有四個電極端子，分別是正電極端子10與負電極端子20，以及電場電極A端子30與電場電極B端子40。電池正電極端子10與負電極端子20是連接負載與相對應(yīng)連接充電電路的電極端。而電場電極A端子30與電場電極B端子40是連接電場電源，形成可控電池內(nèi)部電場E的強弱與方向，進行快速充放電。
[0049]本實施例為四端子可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池電路，原理圖參照附圖4所示。電場電極A端子與電場電極B端子，通過雙聯(lián)切換開關(guān)Kl連接電場電源VI，電池正電極端子與電池負電極端子通過單聯(lián)切換開關(guān)K2連接負載與充電電流源V2。
[0050]當(dāng)開關(guān)Kl切換到充電位置，電場電極A端子接通電場電源Vl正極與電場電極B端子接通電場電源Vl負極，鈉離子電池內(nèi)部正極集電板與負極集電板之間有一個較強的電場E，電場E方向從正極集電板指向負極集電板。此時開關(guān)K2切換到充電位置，鈉離子電池在充電時，電場E加強了正極材料中的鈉離子Na+的排斥力，鈉離子Na+通過微孔隔膜，鈉離子Na+向負極材料吸引遷移，極大提高了導(dǎo)電率與加快鈉離子Na+擴散速度，形成快速恒壓充電。
[0051]當(dāng)開關(guān)Kl切換到放電位置，電場電極A端子接通電源Vl負極與電場電極B端子接通電源Vl正極,鈉離子電池正極集電板與負極集電板之間有一個較強的電場E,電場E方向從負極集電板指向正極集電板。此時開關(guān)K2切換到負載放電位置，鈉離子電池在放電時，電場E加強負極材料中的鈉離子Na+的脫插排斥力，鈉離子Na+通過微孔隔膜，鈉離子Na+向正極材料遷移嵌入，極大提高了導(dǎo)電率與加快鈉離子Na+擴散速度，形成快速放電。
[0052]實施例2
[0053]一種內(nèi)置可控電場鈉離子電池，是在傳統(tǒng)的鈉離子電池結(jié)構(gòu)中內(nèi)置一個可控的內(nèi)電場E，參照圖2所示，從左至右設(shè)有正極集電板10-1、正極材料10-2、微孔隔膜50、負極材料20-2、負極集電板20-1和電場電極B41，正極材料10_2和負極材料20_2設(shè)在電解質(zhì)60中。電場電極板膜40-1和絕緣膜40-2構(gòu)成電場電極B41。
[0054]可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池對外電氣連接共有三個電極端子，分別是正電極端子10與負電極端子20，以及電場電極B端子40。電池正電極端子10與負電極端子20是連接負載與相對應(yīng)連接充電電路的電極端。而電場電極B端子40與正電極端子10是連接電場電源，形成可控電池內(nèi)部電場E的強弱與方向，進行快速充放電。
[0055]本實施例共有三個電極端子，可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池B電路，原理圖參照附圖5所示。三端子可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池B外接電氣端子有電池正電極端子、電池負電極端子、電場電極B端子，共三個外接端子；其中電池正電極端子與電場電極B端子，通過雙聯(lián)切換開關(guān)Kl連接電場電源VI，電池正電極端子與電池負電極端子通過單聯(lián)切換開關(guān)K2連接負載與充電電流源V2。
[0056]當(dāng)開關(guān)Kl切換到充電位置，電池正電極端子接通電場電源Vl正極與電場電極B端子接通電場電源Vl負極，鈉離子電池內(nèi)部正極集電板與負極集電板之間有一個較強的電場E，電場E方向從正極集電板指向負極集電板。此時開關(guān)K2切換到充電位置，鈉離子電池在充電時，電場E加強了正極材料中的鈉離子Na+的排斥力，鈉離子Na+通過微孔隔膜，鈉離子Na+向負極材料吸引遷移，極大提高了導(dǎo)電率與加快鈉離子Na+擴散速度，形成快速恒壓充電。
[0057]當(dāng)開關(guān)Kl切換到放電位置，電池正電極端子接通電源Vl負極與電場電極B端子接通電源Vl正極，鈉離子電池正極集電板與負極集電板之間有一個較強的電場E，電場E方向從負極集電板指向正極集電板。此時開關(guān)K2切換到負載放電位置，鈉離子電池在放電時，電場E加強負極材料中的鈉離子Na+的脫插排斥力，鈉離子Na+通過微孔隔膜，鈉離子Na+向正極材料遷移嵌入，極大提高了導(dǎo)電率與加快鈉離子Na+擴散速度，形成快速放電。
[0058]實施例3
[0059]一種內(nèi)置可控電場鈉離子電池，是在傳統(tǒng)的鈉離子電池結(jié)構(gòu)中內(nèi)置一個可控的內(nèi)電場E，參照圖3所示，從左至右設(shè)有電場電極A31、正極集電板10-1、正極材料10-2、微孔隔膜50、負極材料20-2和負極集電板20-1，正極材料10-2和負極材料20_2設(shè)在電解質(zhì)60中。電場電極板膜30-1和周邊的絕緣膜30-2構(gòu)成電場電極A31。
[0060]實施例3的可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池，其快速充放電工作電路接線圖，參看附圖6所示。其快速充放電曲線圖，參看附圖7、圖8所示。附圖7是采用直流6V電場電源Vl與5A電流源V2，給鈉離子電池進行放電測試的曲線圖，圖8是進行充電測試的曲線圖。
[0061 ] 可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池對外電氣連接共有三個電極端子，分別是正電極端子10與負電極端子20，以及電場電極A端子30。電池正電極端子10與負電極端子20是連接負載與相對應(yīng)連接充電電路的電極端。而電場電極A端子30與負電極端子20是連接電場電源，形成可控電池內(nèi)部電場E的強弱與方向，進行快速充放電。本實施例為三端子可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池A電路，原理圖參照附圖6所示。三端子可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池A外接電氣端子有電池正電極端子、電池負電極端子、電場電極A端子，共三個外接端子；其中電池負電極端子與電場電極A端子，通過雙聯(lián)切換開關(guān)Kl連接電場電源VI，電池正電極端子與電池負電極端子通過單聯(lián)切換開關(guān)K2連接負載與充電電流源V2。
[0062]當(dāng)開關(guān)Kl切換到充電位置，電場電極A端子接通電場電源Vl正極與電池負電極端子接通電場電源Vl負極，鈉離子電池內(nèi)部正極集電板與負極集電板之間有一個較強的電場E，電場E方向從正極集電板指向負極集電板。此時開關(guān)K2切換到充電位置，鈉離子電池在充電時，電場E加強了正極材料中的鈉離子Na+的排斥力，鈉離子Na+通過微孔隔膜，鈉離子Na+向負極材料吸引遷移，極大提高了導(dǎo)電率與加快鈉離子Na+擴散速度，形成快速恒壓充電。
[0063]當(dāng)開關(guān)Kl切換到放電位置，電場電極A端子接通電源Vl負極與電池負電極端子接通電源Vl正極，鈉離子電池正極集電板與負極集電板之間有一個較強的電場E，電場E方向從負極集電板指向正極集電板。此時開關(guān)K2切換到負載放電位置，鈉離子電池在放電時，電場E加強負極材料中的鈉離子Na+的脫插排斥力，鈉離子Na+通過微孔隔膜，鈉離子Na+向正極材料遷移嵌入，極大提高了導(dǎo)電率與加快鈉離子Na+擴散速度，形成快速放電。
【權(quán)利要求】
1.一種可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池，包括正極集電板、正極材料、負極集電板、負極材料、微孔隔膜和電解質(zhì)，所述微孔隔膜的兩側(cè)分別設(shè)置有正極材料與負極材料，該正極材料與負極材料均設(shè)置在電解質(zhì)中，所述正極材料、負極材料分別通過正極集電板、負極集電板與電池的正極、負極連接，其特征在于:所述正極集電板和負極集電板中至少有一個集電板的外側(cè)設(shè)有電場極板，所述電場極板為外設(shè)絕緣膜的電場電極板膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池，其特征在于:所述“至少有一個集電板的外側(cè)設(shè)有電場極板”的結(jié)構(gòu)是以下三種結(jié)構(gòu)之一: 在該內(nèi)置可控電場的鈉離子電池中設(shè)置有一個內(nèi)置電隔離的電場極板對，該電場極板對中的A極板設(shè)置在所述電池正極集電板的外側(cè)，并與該電池正極集電板絕緣；該電場極板對中的B極板設(shè)置在所述電池負極集電板的外側(cè)，并與該電池負極集電板絕緣； 在該內(nèi)置可控電場的鈉離子電池中設(shè)置有一個內(nèi)置電隔離的電場極板B，該電場極板B設(shè)置在所述電池負極集電板的外側(cè)，并與該電池負極集電板與電解質(zhì)絕緣；并且電池的正極集電板連接正電極端子，負極集電板連接負電極端子，電場極板B連接電場電極B端子; 在該內(nèi)置可控電場的鈉離子電池中設(shè)置有一個內(nèi)置電隔離的電場極板A，該電場極板A設(shè)置在所述電池正極集電板的外側(cè)，并與該電池正極集電板與電解質(zhì)絕緣；并且電池的正極集電板連接正電極端子，負極集電板連接負電極端子，電場極板A連接電場電極A端子。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池，其特征在于:所述電池正電極、電池負電極、電場電極A和電場電極B分別設(shè)有外接端子，電場電極A端子與電場電極B端子，通過雙聯(lián)切換開關(guān)Kl連接電場電源VI，電池正電極端子與電池負電極端子通過單聯(lián)切換開關(guān)K2連接負載與充電電流源V2。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池，其特征在于:所述電池正電極、電池負電極和電場電極B設(shè)有外接電氣端子，外接電氣端子有電池正電極端子、電池負電極端子和電場電極B端子，共三個外接端子；其中電池正電極端子與電場電極B端子，通過雙聯(lián)切換開關(guān)Kl連接電場電源VI，電池正電極端子與電池負電極端子通過單聯(lián)切換開關(guān)K2連接負載與充電電流源V2。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池，其特征在于:所述電池正電極、電池負電極和電場電極A設(shè)有外接端子，分別為電池正電極端子、電池負電極端子、電場電極A端子；其中電池負電極端子與電場電極A端子，通過雙聯(lián)切換開關(guān)Kl連接電場電源VI，電池正電極端子與電池負電極端子通過單聯(lián)切換開關(guān)K2連接負載與充電電流源V2。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池，其特征在于: 所述電場極板是采用兩片塑料薄膜內(nèi)夾金屬箔壓合而成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池，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.根據(jù)權(quán)利要求1-7之一所述的內(nèi)置可控電場的鈉離子電池，其特征在于，所述可控電場效應(yīng)充放電鈉離子電池的正極材料選用NaFeO2、NaCrO2、Na2MnO3、NaFel72Nil72O2,NaNil72Mnl72O2氧化物材料，或復(fù)合氧化物材料Na3V2 (PO4) 3/C和過渡金屬氟磷酸鈉鹽；負極材料選用硬碳、Sn、Pb、TiO2、對二苯甲酸乙二醇酯、對二笨甲酸二鈉；電解質(zhì)選用碳酸乙烯酯、碳酸亞丙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯及碳酸二乙酯飽和環(huán)狀碳酸酯與鏈狀碳酸酯的混合溶劑，以及六氟化磷酸鈉，或高氯酸鈉。
9.一種權(quán)利要求1所述的內(nèi)置可控電場的鈉離子電池的快速充放電方法:其特征在于，所述內(nèi)置可控電場的鈉離子電池在使用時，在所述的內(nèi)置電隔離的電場極板或電場極板對上施加電場電壓:在放電狀態(tài)，該電場極板對中的電場極A端子與所述電池正極的極性相反；該電場極板對中的電場極B端子與所述電池負極的極性相反；在充電狀態(tài)，該電場極板對中的電場極A端子與所述電池正極的極性相同；該電場極板對中的電場極B端子與所述電池負極的極性相同。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的內(nèi)置可控電場的鈉離子電池的快速充放電方法:其特征在于，在放電狀態(tài)，所施加的外部電壓為V > 2倍電池正極、負極之間的標(biāo)準(zhǔn)電壓值；在充電狀態(tài)，所施加的電壓值> 2倍電 池正極、負極之間的標(biāo)準(zhǔn)電壓值。
【文檔編號】H01M10/054GK103427112SQ201310370853
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2013年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月22日
【發(fā)明者】郭建國, 毛星原 申請人:郭建國, 毛星原