專利名稱：一種全固態(tài)儲能器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全固態(tài)儲能器件。
背景技術(shù)：
能源問題是世界各國在發(fā)展過程中無法回避的問題。為了解決能源瓶頸，各國都制定了能源科技發(fā)展戰(zhàn)略，充分利用現(xiàn)有能源，大力開發(fā)新型儲能設(shè)備。傳統(tǒng)的儲能材料如電池和電容器在儲能領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用，但是電池的能量密度高而其功率密度較低，這主要是由于電池要通過電化學(xué)反應(yīng)才能產(chǎn)生電荷并進(jìn)行電能的存儲，因此，電池的充電或放電需要一定的時間，導(dǎo)致其功率密度較低。近年 來，鋰離子電池的研究十分廣泛并已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化階段。然而，鋰離子電池在充電過程中容易發(fā)生短路、過充等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致爆炸，并且容量會緩慢衰退，使其性能下降。另一方面，電容器具有較高的輸出功率密度，即放電過程能在很短的時間內(nèi)完成；但是其能量密度較低，導(dǎo)致放電持續(xù)時間短。超級電容器是近年來發(fā)展起來的一種介于傳統(tǒng)電容器和二次電池之間的新型儲能器件，它保留了傳統(tǒng)電容器功率密度大，充放電速度快，放電效率高，壽命長的特點，同時其能量密度也大幅提高，是一種新型、實用、高效的儲能器件。但是，超級電容的能量密度仍遠(yuǎn)小于鋰電池，這限制了超級電容器在儲能領(lǐng)域的應(yīng)用。同時，由于仍然使用液態(tài)電解質(zhì)，這種電容器同樣存在電解質(zhì)滲漏等安全隱患。因此，開發(fā)一種既有較高的能量密度，又具有大的功率密度的儲能器件對于儲能具有重要的意義，有助于提高能源的利用效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對儲能材料和器件在能量存儲方面存在的能量密度過低(如超級電容器)和功率密度過低(如電池)等問題，提供一種全固態(tài)儲能器件，拓展儲能器件在能源存儲方面的應(yīng)用。本發(fā)明的全固態(tài)儲能器件主要由電極、電荷存儲材料、絕緣材料組成，其中電荷存儲材料用絕緣材料隔開，形成電荷存儲材料/絕緣材料/電荷存儲材料的夾心結(jié)構(gòu)。所述的全固態(tài)儲能器件，其中電極為銅或其合金、鋁或其合金、導(dǎo)電性碳材料、導(dǎo)電高分子其中一種；所述的全固態(tài)儲能器件，其中電荷存儲材料包括正電荷存儲材料和電子存儲材料，正電荷存儲材料與正極接觸，電子存儲材料與負(fù)極接觸；所述的全固態(tài)儲能器件，正電荷存儲材料是聚對苯撐乙烯、聚乙烯咔唑、聚酚噻嗪中的一種或大于一種的混合物構(gòu)成；所述的全固態(tài)儲能器件，所使用的正電荷存儲材料的分子量為300 500000 ；所述的全固態(tài)儲能器件，電子存儲材料是聯(lián)苯醌類及其衍生物、噻咯及其衍生物中一種或大于一種的混合物，優(yōu)選為3，3’ - 二甲基_5，5’ - 二叔丁基聯(lián)苯醌、3，5_ 二甲基-3’，5’ - 二叔丁基聯(lián)苯醌的混合物和2，3，4，5-四苯基噻咯中的一種或大于一種的混合物；
所述的全固態(tài)儲能器件，絕緣材料是由無機(jī)類絕緣材料、有機(jī)絕緣聚合物中的一種或大于一種的混合物，優(yōu)選為二氧化硅(無機(jī))和聚酰亞胺(有機(jī)聚合物)中的一種或兩種的混合物。本發(fā)明的全固態(tài)儲能器件具有如下優(yōu)點(I)本發(fā)明的全固態(tài)儲能器件不涉及化學(xué)反應(yīng)，充/放電過程由電荷的遷移速率決定，因此功率密度高，充電時間短；(2)本發(fā)明的全固態(tài)儲能器件在儲能過程中沒有電解質(zhì)的損耗，充放電循環(huán)壽命長;(3)電荷存儲材料具有較強的電荷存儲能力，因此本發(fā)明的全固態(tài)儲能器件能量密度大； (4)由于整個器件中沒有化學(xué)反應(yīng)，沒有液態(tài)電解質(zhì)，因此，不存在電解質(zhì)滲漏等問題，安全可靠，并且對環(huán)境友好。


圖I是全固態(tài)儲能器件結(jié)構(gòu)示意圖；其中I是負(fù)極，2是電子存儲層，3是絕緣層，4是正電荷存儲層，5是正極；圖2是串聯(lián)全固態(tài)儲能器件結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式實施例I采用真空蒸鍍技術(shù)在金屬鋁表面制備一層面積為IOX 10cm2，厚度為Iym的3，3’ - 二甲基-5，5’ - 二叔丁基聯(lián)苯醌，然后在聯(lián)苯醌層表面旋涂一層厚度為5 μ m的聚酰亞胺。最后在聚酰亞胺表面旋涂一層厚度為750nm的聚乙烯咔唑聚合物(平均分子量為19325)。干燥固化后，在聚合物表面真空蒸鍍一層IOOnm后的金屬鋁，即得到本發(fā)明所述的全固態(tài)儲能器件。測試表明，該全固態(tài)儲能器件在I. 5min內(nèi)完成充電，能量密度為500Wh/kg，功率密度為8. 7kW/kg。實施例2采用真空蒸鍍技術(shù)在玻璃表面依次蒸鍍面積為IOX 10cm2，厚度為IOOnm的金屬銅，厚度為500nm的聯(lián)苯醌(3，3’ - 二甲基-5，5’ -二叔丁基聯(lián)苯醌和3，5-二甲基-3’，5’ - 二叔丁基聯(lián)苯醌的混合物，質(zhì)量比為I :1)，厚度為200nm的Si02。然后在表面旋涂一層厚度為380nm的聚對苯撐乙烯(平均分子量為8050)。干燥固化后，在聚合物表面真空蒸鍍一層厚度為IOOnm的金屬銅，即得到本發(fā)明所述的全固態(tài)儲能器件。測試表明，該全固態(tài)儲能器件在Imin內(nèi)完成充電，能量密度為536Wh/kg，功率密度為9. 4kW/kg。實施例3采用真空蒸鍍技術(shù)在金屬鋁表面制備一層面積為IOX 10cm2，厚度為2μπι的3，3’ - 二甲基-5，5’ - 二叔丁基聯(lián)苯醌，然后在聯(lián)苯醌層表面旋涂一層厚度為5 μ m的聚二甲基硅氧烷。最后在聚二甲基硅氧烷層表面旋涂一層厚度為I. 8 μ m的聚乙烯咔唑聚合物(平均分子量為1930)。干燥固化后，在聚合物表面真空蒸鍍一層IOOnm厚的金屬鋁，即得到本發(fā)明所述的全固態(tài)儲能器件。測試表明，該全固態(tài)儲能器件在3. 5min內(nèi)完成充電，能量密度為483Wh/kg，功率密度為8. 2kW/kg。實施例4采用真空蒸鍍技術(shù)在酚醛樹脂片表面依次蒸鍍面積為IOX 10cm2，厚度為IOOnm的金屬銅，厚度為4 μ m的2，3，4，5-四苯基噻咯，然后在聯(lián)苯醌層表面旋涂一層厚度為5 μ m的聚二甲基硅氧烷。最后在聚二甲基硅氧烷層表面旋涂一層厚度為4μπι的聚乙烯咔唑聚合物(平均分子量為1930)。干燥固化后，在聚合物表面真空蒸鍍一層IOOnm厚的金屬銅，即得到本發(fā)明所述的全固態(tài)儲能器件。測試表明，該全固態(tài)儲能器件在5min內(nèi)完成充電，能量密度為460Wh/kg，功率密度為7. 9kW/kg。實施例5采用真空蒸鍍技術(shù)酚醛樹脂片表面依次蒸鍍面積為IOX 10cm2，厚度為IOOnm的金屬銅，厚度為200nm的2，3，4，5-四苯基噻咯，然后在聯(lián)苯醌層表面旋涂一層厚度為5 μ m 的聚二甲基硅氧烷。最后在聚二甲基硅氧烷層表面旋涂一層厚度為ISOnm的聚對苯撐乙烯(平均分子量為8050)。干燥固化后，在聚合物表面真空蒸鍍一層IOOnm厚的金屬銅，即得到本發(fā)明所述的全固態(tài)儲能器件。測試表明，該全固態(tài)儲能器件在O. 5min內(nèi)完成充電，能量密度為624Wh/kg，功率密度為10. 8kW/kg。
權(quán)利要求
1.一種全固態(tài)儲能器件，其特征在于包括電極，電荷存儲材料、絕緣材料，其中電荷存儲材料用絕緣材料隔開，形成電極/正電荷存儲材料/絕緣材料/電子存儲材料/電極夾心結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種全固態(tài)儲能器件，其特征在于電極為銅或其合金、鋁或其合金、導(dǎo)電性碳材料、導(dǎo)電高分子中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種全固態(tài)儲能器件，其特征在于電荷存儲材料包括正電荷存儲材料和電子存儲材料，正電荷存儲材料與正極接觸 ，電子存儲材料與負(fù)極接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種全固態(tài)儲能器件，其特征在于絕緣材料是無機(jī)類絕緣材料、有機(jī)絕緣聚合物中的一種或大于一種的混合物，優(yōu)選為二氧化硅(無機(jī))和聚酰亞胺(有機(jī)聚合物)中的一種或兩種的混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或者3所述的一種全固態(tài)儲能器件，其特征在于正電荷存儲材料是聚酚噻嗪類、聚對苯撐乙烯類、聚乙烯咔唑類聚合物中的一種或大于一種的混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或者3或者5所述的一種全固態(tài)儲能器件，其特征在于正電荷存儲材料的分子量為300 100000。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或者3所述的一種全固態(tài)儲能器件，其特征在于電子存儲材料是聯(lián)苯醌類及其衍生物、噻咯及其衍生物中的一種或大于一種的混合物，優(yōu)選為3，3’ - 二甲基-5，5’- 二叔丁基聯(lián)苯醌、3，5- 二甲基-3’，5’- 二叔丁基聯(lián)苯醌的混合物和2，3，4，5-四苯基噻咯中的一種或大于一種的混合物。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種全固態(tài)儲能器件，主要包括電極、電荷存儲材料和絕緣材料。電荷存儲材料包括正電荷存儲材料和電子存儲材料，它們被絕緣材料隔開，形成電極/正電荷存儲材料/絕緣材料/電子存儲材料/電極的夾心結(jié)構(gòu)。正電荷存儲材料與正極接觸，電子存儲材料與負(fù)極接觸。本發(fā)明的這種全固態(tài)儲能器件具有高的能量密度和功率密度，而且對環(huán)境友好，安全性高。
文檔編號H01G4/002GK102881451SQ201210376840
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月8日
發(fā)明者劉必前, 何敏 申請人:中國科學(xué)院化學(xué)研究所, 劉必前