[发明专利]具有纳米复合材料的电子电池

说明书

发明背景

世界已知的油储量由于发展中国家的工业化和需求的增加而以更快的速度减少。2008年油价超过$100每桶并且可能将来变得更昂贵。对于发电，有许多选择可代替燃油发电站：在美国和其它工业化国家已经广泛开展天然气、煤、核能和水力发电站。然而，燃烧天然气和煤导致空气二氧化碳水平的增加以及全球变暖加速而且政府寻求解决该日益严重的问题的办法，最近越来越关注诸如太阳能、风能和潮汐能的可再生能源。值得提及的是尽管将来可能增加核能发电的比例，但这不是万能的。公众记得切尔诺贝利和三里岛事件，并且非常担忧将数百年甚至数千年仍有危险的放射性废弃物。此外，虽然为了和平目的使用核能，但这也提高了可裂变燃料的供应并且伴随其所有伴随问题而增加了核扩散的可能。

多方面问题使得这需要结合几种解决方案的策略。上述增加可再生能源的使用是一个好的开始，但世界还必须学习减少其人均能耗并更有效地使用其能源。实现这些目标所需的关键是高效储能。这又有许多解决方案：仅列举一些，在高处抽水、在地下洞穴储存压缩气体、将过量电能转化为诸如氢、惯性轮、电池和电容器的燃料。各个解决方案具有其优选的应用并且目前电池和电容器是储存电能的小型和中型便携式电器的优选方法。然而，越来越关注使用较大的电池和电容器用于车辆推进并负荷水平或功率调节应用。提议将电池和电容器用于储存来自风力和光伏发电机的能量以分别在平静或黑暗时提供电能。

伴随大多数工业操作，需要能量以制造电池和电容器。此外，这些装置本身不产生能量但它们能导致更有效地使用能量。因此，考虑给定应用中特定电池或电容器的净能量平衡是重要的。如果能量储存装置在其使用寿命内比制造其的能量节省更多的能量，那么其导致有价值的能量节约并可能减少总的CO₂排放。然而，如果发生相反的情况，那么认为所研究的技术是“绿色”节能技术是不实际的。充电电池制造是相对能量密集型操作：高能量密度的锂离子电池特别需要高纯度的材料，其一些必须在高温度下进行制造。一些早期的锂离子电池仅具有几百次循环的有限循环寿命并且它们在许多典型便携式电子设备中的净能量平衡是负的。在充分重视全球变暖和能量储量逐渐减少的严重性之前，它们确实提供了给定尺寸和重量的更好性能，因此降低了装置的总尺寸和重量，这是主要的考虑因素。对于车辆推进剂和发电站应用，关键的是电池的净能量平衡是正的并且它们的寿命足以证明它们的用途。由于其本身性质，电化学电池中的电极在充电和放电过程中经历化学变化。这些能够为相变化、结构变化和/或体积变化的形式，其所有均能随时间显著降低电极的完整性并降低电池的容量。实际上，必须小心控制最近产生的锂离子电池中的充电和放电过程——过度充电或过度放电能限制性能并导致电池过早失效。

相比之下，电容器以电极上的电荷形式储存其能量。大多数电容器不包括化学变化并且具有百万次或更多至100%放电深度的循环的循环寿命。电容器还能以比电化学电池快数量级的速度进行充电和放电使得它们特别利于捕捉例如下降的电梯和汽车再生制动应用中快速释放的能量。传统静电和电解质电容器广泛用于电路应用中，但每单位重量或体积仅能储存相对少量的能量。现在，电化学双层(EDL)电容器的出现提供了传统电化学电池的可行替代，其中功率密度和循环寿命比能量密度更重要。实际上，最近产生的EDL超级电容器具有约25Wh/kg的比能，与铅酸电化学电池接近相同。

现有技术