一种非对称型水系钠/钾离子电池电容器
专利汇可以提供一种非对称型水系钠/钾离子电池电容器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 属于 电池 和电容器技术领域，具体为一种非对称型 水 系钠/ 钾 离子电池电容器。本发明将钠离子或钾离子在 电极 材料中的嵌入－脱嵌机制和由离子 吸附 产生的双电层电容机制组合于一个储能器件中。该储能器中，正极采用钠离子或钾离子可以嵌入和脱嵌的电极材料，负极采用高 比表面积 的 活性炭 、 碳 纳米管 、碳 纤维 、介孔碳或碳气凝胶等多孔碳材料， 电解 液采用含钠或钾 离子化 合物的水溶液。本发明的电池电容器，材料来源广泛，制备容易，成本低，安全性好，无环境污染，具有非常长的 循环寿命 ， 能量 密度 和功率密度都比较高，可以用作各种电器的电源，特别适合作为 电动车 的动 力 电池。，下面是一种非对称型水系钠/钾离子电池电容器专利的具体信息内容。
1.一种非对称型水系钠/钾离子电池电容器，由正极、负极、隔膜和电解质组 成，其特征在于正极的活性材料采用钠离子或者钾离子可以嵌入和脱嵌的电极材料， 负极的活性材料采用活性炭、碳纳米管、碳纤维、介孔碳或碳气凝胶，电解质为含钠 离子或钾离子的水溶液。
2.根据权利要求1所述的非对称型水系钠/钾离子电池电容器，其特征在于其 正极的活性材料为过渡金属的氧化物、硫化物、磷化物、氯化物、碳化物或六氰化物， 或磷酸盐或硫酸盐，或者上述材料的金属或非金属元素的掺杂材料。
3.根据权利要求1或2所述的非对称型水系钠/钾离子电池电容器，其特征在 于其正极活性材料采用NaMn2O4、NaCoO2、NaNiO2、NaCo1/3Ni1/3Mn1/3O2、NaMnO2、NaFePO4、 NaV2O5、NaVPO4F、Na2VOPO4、NaV3O8、NaTiZr(PO4)3、VO2、V2O5、MnO2、Fe2O3、SnS、NaTiS2、 NaMoS2、NaMoO2、NaWO3、Mo2C、WC、KFe2(CN)6、K2VOPO4中的一种或几种的混合物， 或者上述嵌入化合物的金属元素掺杂的材料，其中的金属元素为K、Mg、Al、Zn、Mn 或Cu。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的非对称型水系钠/钾离子电池电容器， 其特征在于所述钠离子的原料化合物为硫酸钠、卤化钠、硝酸钠、氢氧化钠、磷酸钠、 磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、乙酸钠、草酸钠中的一种或几种混合物；所述钾离子的原 料化合物为硫酸钾、卤化钾、硝酸钾、氢氧化钾、磷酸钾、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、 乙酸钾、草酸钾，电解质的浓度为0.01mol/l-15mol/l。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的非对称型水系钠/钾离子电池电容器， 其特征在于所述电解质中，还加入适量的支持电解质，该支持电解质为硫酸盐、硝酸 盐、磷酸盐、醋酸盐、草酸盐、氯化物、氟化物或氢氧化物中的一种或几种的混合物； 其阳离子为碱金属、碱土金属、稀土金属、铝、镁或锌中的一种或几种离子的混合物。
技术领域
本发明属电池和电容器技术领域，具体涉及一种新型的高性能非对称型水系钠 /钾离子电池电容器。
背景技术
发展新的和可再生的能源如核能、风能、太阳能、水电能等是当今各个国家关注 的热点，但是后三者经常受到气候和天气的影响。这些新型的能源与传统的能源相比， 具有无可争议的优点。但是，他们也存在一些问题。这些新的能源的供应，强烈地依 靠自然条件，他们的峰值输出经常和能量的需求不匹配。他们在年、月、日的运行循 环中，能量的供应经常出现大的波动。因此，需要一个缓冲的储能系统，也就是说， 当产生的电能过多时，用系统把它储存起来，反之，则释放电能。只有这样，风能或 太阳能才能真正成为人类的主要能源。
到目前为止，人们已经开发了多种形式的储能方法。用电池进行储能的方法在日 常生活中得到了比较广泛的应用，其中有些也被用来作为大型的储能方法。但是该方 法受到反复充放电循环次数的限制，而且在快速响应方面也不能令人满意。近来，超 级电容器作为一种新型的储能器件因为其无可替代的优越性，受到人们的重视(参加 吴宇平等，《绿色电源材料》，化学工业出版社，2008年)。众所周知，化学电池是通 过电化学反应，产生法拉第电荷转移来储存电荷的，而超级电容器的电荷储存发生在 电极/电解质界面形成的双电层上以及在电极表面进行欠电位沉积、电化学吸附、脱附 和氧化还原产生的电荷的迁移。与传统的电容器和二次电池相比，超级电容器的比功 率是电池的10倍以上，储存电荷的能力比普通电容器高，并具有充放电速度快、对 环境无污染、循环寿命长、使用的温限范围宽等特点，但是电容器的储能密度比电池 低。为了结合两者的优点，我们发明了一种非对称型水系钠/钾离子电池电容器，经 过研究、探索，发现采用水溶液作为电解质，含钠或钾的嵌入化合物作为正极材料， 以电容器中常用的活性炭等多孔结构材料为负极，可以得到一种新的储能装置，即一 种非对称型水系钠/钾离子电池电容器。
发明内容
本发明描述的非对称型水系钠/钾离子电池电容器的工作原理为：充电时，钠/ 钾离子从正极脱出，然后通过电解液钠/钾离子吸附在活性炭等负极材料的表面。放 电时，钠/钾离子从负极脱附，通过电解液嵌入正极中，同时释放电能。在充放电过 程中，只涉及钠/钾离子在两电极间的转移。本发明综合了钠/钾离子电池中钠/钾 离子在电极材料中的嵌脱机制和电容器中由离子吸附产生的双电层电容机制，故称本 发明为非对称型水系钠/钾离子电池电容器。
本发明提供的非对称型水系钠/钾离子电池电容器，其结构与现有的有机体系锂 离子电池的结构类似，主要由正极、负极、隔膜和电解质组成。其中：
所述正极的活性物质材料采用钠离子或者钾离子可以嵌入和脱嵌的材料，如过 渡金属的氧化物、硫化物、磷化物、氯化物、碳化物或六氰化物，或者磷酸盐或硫酸 盐等化合物。优选的非限定性实例包括NaMn2O4、NaCoO2、NaNiO2、NaCo1/3Ni1/3Mn1/3O2、 NaMnO2、NaFePO4、NaV2O5、NaVPO4F、Na2VOPO4、NaV3O8、NaTiZr(PO4)3、VO2、V2O5、MnO2、 Fe2O3、SnS、NaTiS2、NaMoS2、NaMoO2、NaWO3、Mo2C、WC、KFe2(CN)6、K2VOPO4等中的 一种或几种的混合物，以及上述嵌入化合物的其它金属或非金属元素掺杂的材料，包 括K、Mg、Al、Zn、Mn、Cu、C等元素掺杂。正极中还可以加入适量的电子导电材料 (如石墨、碳黑、乙炔黑、金属粉末或其它导电的材料等)和粘结剂(如PVDF、聚四 氟乙烯、纤维素、水溶性橡胶等)。上述材料混合可以制成一定黏度的浆料。把该浆 料涂布在电极的集流体上，得到正极膜。
负极的活性物质材料采用具有多孔结构的离子可以吸附和脱附的材料，例如活性 炭、碳纳米管、碳纤维、介孔碳或碳气凝胶等，负极中还可以加入适量的电子导电材 料(如石墨、碳黑、乙炔黑、金属粉末或其它导电的材料等)和粘结剂(如PVDF、聚 四氟乙烯、纤维素、水溶性橡胶等)。上述材料混合可以制成一定黏度的浆料，把该浆 料涂布在电极的集流体上，得到负极膜。
电解质为含有钠离子或钾离子的水溶液。例如硫酸钠(钾)、卤化钠(钾)、硝酸 钠(钾)、氢氧化钠(钾)、磷酸钠(钾)、磷酸氢二钠(钾)、磷酸二氢钠(钾)、乙酸 钠(钾)、草酸钠(钾)等的水溶液或其中几种的混合水溶液。为提高离子电导率和离 子的迁移速度，还可以加入适量的支持电解质，如硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、醋酸盐、 草酸盐、氯化物，氟化物或氢氧化物中的一种或几种的混合物。其阳离子包括碱金属、 碱土金属、稀土金属、铝、镁或锌中的一种或几种离子的混合物。电解质溶液的浓度 为0.01mol/l-15mol/l。电解质中还可以加入适量的填充剂，例如分子筛、多孔 的无机或有机物制成凝胶状的电解质。
本发明提供的非对称型水系钠/钾离子电池电容器，克服了现有有机钠离子电池 的缺点，使用安全、适合于大电流充放电、功率大、循环寿命长、成本低、无环境污 染，比容量和比能量较高，是一种绿色的能源，具有广泛的用途，可用作大型的储能 系统；用于各种便携式的电子设备和家用设备；用做各种动力装置的电源，特别适合 作为电动汽车的动力电源。而且工艺流程大大简化，不需要无水无氧等苛刻的制备条 件。
本发明的这些目的和其它目的、特征和优点在结合附图阅读完整个说明书后将变 得更加清楚。
附图说明
图2是本发明实施例1中NaMnO2//活性炭电池电容器的循环性能图。
图3是本发明实施例2中NaCoO2//活性炭电池电容器电池的充放电曲线。
具体实施方式
实施例1
正极材料采用固相法合成的NaMnO2。正极片组成按NaMnO2∶碳黑∶粘结剂＝8∶1∶ 1的重量比例混合均匀，涂布于镍网集流体上，烘干后压成电极。负极材料采用商用 活性炭，负极浆料组成配比按照活性炭∶导电剂∶粘结剂＝8∶1∶1混合，然后均匀涂 布于镍网集流体上，烘干后压成电极。采用商用碱锰电池用的无纺布作为隔膜，用0.5M Na2SO4水溶液作为电解质，组装成电池。在0~2V间放电电流为30C，其充放电曲线如 附图1所示，电池的容量为240mAh，循环10000次后容量保持率可有89％(见附图2)。
实施例2
正极材料采用合成的NaCoO2。正极片组成按NaCoO2∶碳黑∶粘结剂＝8∶1∶1的 重量比例混合均匀，涂布于镍网集流体上，烘干后压成电极。负极材料采用商用活性 炭，负极浆料组成配比按照活性炭∶导电剂∶粘结剂＝8∶1∶1混合，然后均匀涂布于 镍网集流体上，烘干后压成电极。采用无纺布作为隔膜，用0.5M Na2SO4溶液作为电 解质，组装成电池。在0~2V间放电电流为30C，电池的放电容量为220mAh，充放电 曲线如附图3所示，循环10000次容量保持率可有91％。
实施例3
正极材料采用合成的NaV3O8。正极片组成按NaV3O8∶碳黑∶粘结剂＝8∶1∶1的 重量比例混合均匀，涂布于镍网集流体上，烘干后压成电极。负极材料采用商用活性 炭，负极浆料组成配比按照活性炭∶导电剂∶粘结剂＝8∶1∶1混合，然后均匀涂布于 镍网集流体上，烘干后压成电极。采用无纺布作为隔膜，用0.5M Na2SO4水溶液作为电 解质，组装成电池。在0~2V间放电电流为30C，电池的容量为200mAh，循环10000 次容量保持率可有83％。
实施例4
正极材料采用合成的NaVPO4F。正极片组成按NaVPO4F∶碳黑∶粘结剂＝8∶1∶1的 重量比例混合均匀，涂布于镍网集流体上，烘干后压成电极。负极材料采用商用活性 炭，负极浆料组成配比按照活性炭∶导电剂∶粘结剂＝8∶1∶1混合，然后均匀涂布于 镍网集流体上，烘干后压成电极。采用无纺布作为隔膜，用6M NaCl水溶液作为电解 质，组装成电池。在0~2V间放电电流为30C，电池的容量为240mAh，循环10000次容 量保持率可有90％。
实施例5
正极材料采用合成的Na2VOPO4。正极片组成按Na2VOPO4∶碳黑∶粘结剂＝8∶1∶1的 重量比例混合均匀，涂布于镍网集流体上，烘干后压成电极。负极材料采用商用活性 炭，负极浆料组成配比按照活性炭∶导电剂∶粘结剂＝8∶1∶1混合，然后均匀涂布于 镍网集流体上，烘干后压成电极。采用无纺布作为隔膜，用6M NaCl水溶液作为电解 质，组装成电池。在0~2V间放电电流为30C，电池的容量为200mAh，循环10000次容 量保持率可有85％。
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