[发明专利]一种大功率的超级电容动力电池

说明书

技术领域：

本发明涉及一种全固体的超级电容器，能够存储巨大的电能而能有效成为车用动力电池，是属于一种新型电力储能装置。

背景技术：

由于石油资源的逐步枯竭，石油危机导致石油价格始终在大幅上涨，内燃机汽车在消耗大量昂贵的石油资源时，又产生大量的尾气污染。由于电能来源广泛，又清洁环保，2008年的金融危机使替代石油资源的电动汽车面临大发展的机遇。

汽车新能源技术是高科技发展方向之一，由于现有的电能储能技术非常的薄弱，主要表现在电能储量低，电池储能设备昂贵，大电流放电的安全可靠性较差，导致电动汽车行驶距离短，需要油电混合动力来补充电能驱动行驶里程短的缺陷，理论上很便宜的电动汽车，由于电池技术的限制，使电动汽车价格昂贵而难以迅速普及。

现有的电能储存电池大多采用铅酸电池、镍氢电池和磷酸铁锂电池，也有专利报道采用电解超级电容作为动力电池。铅酸电池能量密度在0.04-0.06kWh/kg，能量密度太低，也会带来重金属污染，无法应用在汽车动力电池。镍氢电池能量密度不高，一般在0.08-0.1kWh/kg，一次充电的行驶里程较短，需要汽油机辅助启动来延长行驶里程，导致混合动力车结构复杂造价昂贵。而且地球上镍金属含量很少，价格昂贵，一旦大规模实用，导致镍金属紧张而价格猛涨，最终使汽车价格昂贵而难以普及。

中国专利200710124145介绍磷酸铁锂电池，尽管理论能量密度能达到170AH/kg，但磷酸铁锂材料导电性能很差，大电流充放电的安全可靠性难以保障。由于磷酸铁锂储能是一个化学反应，需要在充放电时不断电能和化学能的转换，锂离子在反复充放电时会从电极上流失，使用寿命有限，公开的资料充电循环寿命大概在2000～3000次。

上述几种动力电池由于多种缺陷，使电动汽车的性能难以达到价廉物美的要求。随着电容技术的技术进步，超级电容器具有了存储电能大和能迅速大电流充放电的动力电池性能，显示出比上述三种电池更优异的性能。主要表现如下：

(1)充电速度快：由于不存在电能转化化学能的化学反应，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95％以上；和加汽油一样迅速。

(2)循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达10万次～50万次，正常数用下，在车辆报废前，电池不会失效。

(3)大电流放电能力超强，充放电能量转换过程损失很小，大电流能量循环效率≥90％；

(4)功率密度高，存储电量可达0.6kWh/kg～3kWh/kg，相当于磷酸铁锂电池的1～5倍；

(5)产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源；使用的原料都是廉价金属。

(6)免维护：充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高。

(7)超低温特性好，温度范围宽-50℃～+100℃；

(8)检测方便，剩余电量可直接读出；

(9)只要稳定电压，没有过充电损害电池。

超级电容器已经发展分为电化学超级电容器和超级平板电解电容器。电化学超级电容器包括双电层电容和法拉第准电容，电化学超级电容器尽管可以做到≥5000F/个的超大电容量，但因为必须采用水溶液电解质，夏季高温漏电流大，冬季严寒结冰凝固损坏电极，可靠性不高，难以在北方冬季严寒中安全使用。

中国专利CN03114836报道一种镍基电解超级电容器作为动力电池，属于电化学超级电容器，具有充电迅速，电容量大。但由于是采用水溶液电解质的超级电容器，单节超过3V时水溶液就会电化学分解为氧气，耐压很低，只有0.9V～2.7V，储存能量很有限；同时因为夏季高温时漏电流很大，电能储存时自放电严重，冬季低温下容易结冰凝固而无法使用。在上海11路电容公交车的实用化实验上，暴露出故障多，可靠性差，储存电量低，整个电池组太庞大而导致价格昂贵。

由于电解质的腐蚀，电解超级电容的金属电极会逐渐损耗，老化速度很快。

中国专利CN200710133296也介绍一种高能量密度的水系钌基超级电容器，由于金属钌是稀有贵金属，所制备的超级电容非常昂贵，难以被大量使用

中国专利CN200710165636介绍一种复合电极的超级电容器，采用铝、铜、不锈钢或镍作为电极，需要使用液体电解质，尽管容量很大，但也存在电解质腐蚀和电容器等效串联电阻较大的问题。

由于水溶液电解质和有机电解质的电导率很低，导致电容器的等效串联电阻(ESR)很大，在大电流放电时就会明显发热，影响使用寿命。