[发明专利]一种半固态或全固态水系超级电容器

说明书

技术领域

本发明属电容器技术领域，具体涉及一种新型的高性能半固态或全固态水系超级电容器。

背景技术

随着经济不断发展，必然引起石油、煤炭等自然资源枯竭、环境污染及地球温室效应的加重。人类必须把握经济增长、环境保护和能源供给这三位一体的“三E”之间的平衡关系。现在世界上能源每年的消费量折算成石油约为80亿吨，其中90％为化石燃料。按现在的消费速度，大约在100年至200年后便会枯竭。新能源、节能技术及环保技术的综合高效开发和利用，已成为十分紧迫的课题。发展电动汽车势在必行，世界各国积极开发电动汽车，现在作为电动汽车的动力电源主要有二次电池、电化学超电容器和燃料电池等，其中二次电池包括铅酸蓄电池、镍氢电池和锂离子电池。但从成本、安全性、电池性能及环境影响等综合面来衡量，上述电源中没有一种电源能满足电动汽车动力电源的要求。铅酸蓄电池、镍氢、锂离子等二次电池虽有较大的能量密度，但循环寿命较短，大电流充放电性能较差；并且铅酸电池比能量低，铅有毒性；现有锂离子电池由于使用有机电解液存在安全性问题。现有电化学双层电容器虽有长寿命，高输出功率，但能量密度偏小。燃料电池成本高而且输出功率(W/Kg)较小，不能满足起动、加速和爬坡的要求等问题。为解决现有电源的上述问题，加拿大Moli Energy公司(国际专利号WO95/21470)提出了水系锂离子电池，基本概念与现有的有机体系锂离子电池相似，规定正负极均采用锂离子嵌入化合物，如LiMn₂O₄、VO₂，LiV₃O₈，FeOOH等。但在水溶液中，当锂离子嵌入脱嵌过程中达到一定电位时会发生析氢、析氧反应，很难找到只发生锂离子嵌入脱嵌而不发生析氢、析氧的电极对材料。而且专利中提到的负极材料循环性能较差，即水系锂离子电池的循环性很差，往往不能超过几十次。本实验室提出的新型混合形水系电容器，正极采用含有锂离子的嵌入化合物材料，负极采用高比表面的活性炭，电解液采用含锂离子、或者其他碱金属、碱土金属、稀土金属、铝或锌的一种或几种离子的混合物的水溶液。其充放电过程只涉及一种离子在两电极间的转移，工作原理类如于锂离子电池，因此也叫“摇椅式电容器”。充放电过程不同于现有电化学双层电容器和报道的混合型电化学超电容器在充电过程中涉及到电解质溶液的消耗，因此具有较高的比能量。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有大功率、安全、低成本和无环境污染等特点的半固态/全固态水系超级电容器。

本发明提出的半固态/全固态水系超级电容器，由正极膜、负极膜、介于正极膜和负极膜之间的隔膜以及含有阴阳离子并具有离子电导性的聚合物电解质组成。其中，所述正极膜采用离子可以嵌入、脱嵌的材料，例如可采用过渡金属的氧化物、硫化物、磷化物或氯化物等嵌入化合物。所述负极膜采用含有离子可以嵌入、脱嵌的材料，例如可采用具有大比表面的活性炭、介孔碳及碳纳米管等多孔结构材料，也可采用上述具有多孔结构的材料和其它有准电容性能的材料的混合材料，其它有准电容性能的材料包括金属氧化物、锂离子的嵌入化合物、有机导电高分子材料或含有自由基的材料等。所述聚合物电解质的溶质为为硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、醋酸盐、氯化物或氢氧化物的一种或几种的混合水溶液，其为浓度为2摩尔/升-10摩尔/升，所述聚合物为聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸钾、聚丙烯酰胺、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸钠或聚乙二醇等高分子聚合物，聚合物的含量为2％-30％。

本发明中，正极膜、负极膜的集电体材料可以是金属镍、铝、不锈钢、钛等的多孔、网状或薄膜材料。

本发明中，电解质形态是凝胶状或全固态。溶质为硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、醋酸盐、氯化物或氢氧化物的一种或几种的混合水溶液，其为浓度为2摩尔/升-10摩尔/升。聚合物为聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸钾、聚丙烯酰胺、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸钠、聚乙二醇等高分子聚合物，加入的含量为2％-30％。