[发明专利]一种氧化还原反应电化学电容器

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化还原反应电化学电容器，属于应用电化学和新能源技术领域。

背景技术

随着社会经济的发展，人们对绿色能源和生态环境越来越关注。电化学电容器(也叫做超级电容器)作为一种新型储能器件，日益受到重视。与目前广泛使用的各种储能器件相比，电化学电容器电荷存储能力远高于物理电容器，充放电速度和效率又优于一次或二次电池。此外，电化学电容器还具有对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等特点。电化学电容器与氢动力汽车、混合动力汽车和电动汽车的发展密切相关，与燃料电池、锂离子电池等能量供给器件相结合，能够满足启动、爬坡等条件下的瞬时高功率需求。

电化学电容器按照储能机制可分为两种：双电层电容器和氧化还原反应电化学电容器。双电层电容器依靠电极材料与电解质界面形成的电化学双电层来存储电荷，电极材料要求具有高比表面积，典型材料是多孔炭材料(例如，活性碳)，电解质为有机或水溶液体系，为了满足更高的能量密度要求实用中大多采用有机溶液体系；然而，双电层电容器的能量密度较低，很难满足电动汽车等对电化学电容器高能量/高功率密度的迫切需求。氧化还原反应电化学电容器(也叫法拉第准电容器、假电容器或赝电容器)，依赖电极材料在电解质中的快速氧化还原反应来存储电荷，电解质通常为水溶液体系；电极材料要求能够进行可逆的、快速氧化还原反应，典型材料是过渡族金属氧化物(例如，水合氧化钌)、导电聚合物(例如，聚苯胺)和表面含有活性官能团的炭材料(例如，电化学改性石墨)，它们在单位面积上可以存储更多的电荷；尽管如此，传统的氧化还原反应电化学电容器相对二次电池仍然存在能量密度低和容易自放电的缺点。

为了解决上述问题，人们做了很多尝试。首先，通过发明一些新的电极材料提高能量密度，例如美国专利(US 2010/0142123A1)提出的氧化钌和其它无机氧化物复合材料作电极的超级电容器；中国专利(CN 101710541A)提出的聚苯胺纳米纤维材料作电极的超级电容器；中国专利(申请号2009102294526)提出的可以用于超级电容器的一种电化学改性石墨电极；尽管通过上述电极材料可以起到一定的效果，但对提高超级电容器的能量密度非常有限，也没有解决其容易自放电问题。其次，发展混合超级电容器的方法，例如国际专利(WO2008/101190)提出的电化学超级电容器混合铅酸电池储能装置，其可以较大提高超级电容器的能量密度，但由于受到铅酸电池的负面影响，其相比完全的超级电容器在功率密度和循环寿命等性能上有很大的差距。最后，通过改变电解质溶液，例如中国专利(CN 1866427A)提出的基于液相中的电化学活性物质的超级电容器，这种新概念超级电容器的原理是利用薄液层中的氧化还原电对来储存电荷，其可以解决传统超级电容器的自放电问题，但由于采用薄液层来储存电荷和使用电化学惰性固体作为电极材料，因而对于提高超级电容器的能量密度和储能量是有限的，对此仍是需要解决的问题。

综合上述电化学电容器的优缺点，可以看出，开发一种同时具有高能量密度、高功率密度、低自放电速率和循环寿命长的电化学电容器是目前急需解决的一个关键问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种氧化还原反应电化学电容器，使其具有高能量密度、高功率密度、低自放电速率，并且循环寿命长。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是，一种氧化还原反应电化学电容器，其包括设置在电容器两端的负极和正极，负极和正极之间设置离子交换膜，在离子交换膜与负极、正极之间分别设置密封边框，在负极、离子交换膜和相应密封边框围成的空间中置有负极电解质溶液，在正极、离子交换膜和相应密封边框围成的空间中置有正极电解质溶液，所述的负极和正极均为具有氧化还原反应特性的电化学电容器电极材料；所述负极电解质溶液是含至少一种负极电活性物质的水性电解质溶液，所述正极电解质溶液是含至少一种正极电活性物质的水性电解质溶液；所述的氧化还原反应电化学电容器在充电时，在负极上同时发生电极材料自身的和负极电活性物质的还原反应，在正极上同时发生电极材料自身的和正极电活性物质的氧化反应；所述的氧化还原反应电化学电容器在放电时，其负极上同时发生电极材料自身的和负极电活性物质的氧化反应，其正极上同时发生电极材料自身的和正极电活性物质的还原反应；充放电过程中电荷的储存和释放同时发生于负极、正极、负极电活性物质和正极电活性物质；所述的氧化还原反应电化学电容器在充电后，负极的电极电位自动保持在负极电活性物质的氧化还原反应电位处，正极的电极电位自动保持在正极电活性物质的氧化还原反应电位处。