[发明专利]一种兼具锌离子电池和超级电容器的混合储能器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种兼具锌离子电池和超级电容器的混合储能器件，属于电池和超级电容器技术领域。

背景技术

节能及新能源汽车的不断发展，促进了锂离子电池、燃料电池、超级电容器、金属空气电池等动力电源技术的不断提升。然而，目前所用的动力电源能量密度较低，汽车续驶里程短；功率密度较小，汽车启动、爬坡及加速性能差；重量体积大，安装不便；使用寿命短，不能与整车相同；成本较高，整车综合成本居高不下；工作温度范围窄，适应差；充电时间长，配套设施投入大。这些原因阻碍了动力电源在节能及新能源汽车上的大规模应用。

近年来，人们一方面开发新体系电池，提升原有电池性能；另一方面，将功率特性、能量特性明显的动力电池内/外匹配组合起来使用，满足节能及新能源汽车的使用要求。例如，将锂离子电池与超级电容器通过外部管理系统组成复合电源，作为汽车的动力源，超级电容器可以在启动、加速、爬坡等大功率输出工况工作，锂离子电池提供汽车的续驶里程所需动力，二者的组合，提高了汽车的动力性能，延长了电池的使用寿命；而内部结合，是将某一种动力电池的特征元素与另外一种动力电池的特征元素，通过体系的优化设计，在同一单体内融合，使其兼具两种动力电池的特征，实现功率密度、能量密度的提高，例如，将具有锂离子嵌脱的石墨材料与形成双电层的活性炭融合在一起，制成锂离子电容器，通过锂离子的“扶摇椅”传输进行储能。

与锂离子电池类似，新近出现的锌离子电池，作为一种新型的可充电二次电池，也具有“扶摇椅”式储能特点。充电时，锌离子从正极脱出，经过电解液，在负极沉积；放电时，负极锌溶解为锌离子，经过电解液，嵌入到氧化锰正极材料中（Angew.Chem.Int.Ed.2012,51,933–935），其反应机理如下：

xZn²⁺ + 2xe^－ + MnO₂ 1 Zn _xMnO₂

Zn 1 Zn²⁺ + 2e^－

申请号200910106650.3，申请号200910036704.3，申请号200910179722.7，申请号200910205640.5，申请号200910188791.4，申请号200910188792.9，申请号200910238912.1的中国专利报道了锌离子电池及其制备方法。锌离子电池的发展，为超级电容器的发展提供了新的结合点。

超级电容器是一种介于电池与普通电容之间的储能器件，按照储能机理可以分为双电层电容器和电化学电容器，双电层电容器依靠正负极的碳材料可逆吸附离子进行储能，电化学电容器除了具有双电层储能外，还存在氧化还原反应，产生部分赝电容，比能量大幅提高。将目前已有的电池材料与活性炭组合，开发混合型电化学电容器是超级电容器发展的一个重要方向。

1997年俄罗斯的ESMA公司将水系AC/Ni(OH)₂超级电容器成功用于汽车动力系统，为电池与超级电容器混合储能器件的快速发展奠定了基础。日本的JM Energy、旭化成、NEC-TOKIN、ACT、帝客、FDK、太阳诱电、日立化成等研究开发锂离子电容器，部分已经实现商品化，日本富士重工业株式会社（公开号US2009/0197171 A1，US2010/0142121 A1，US2010/0128415 A1，US7,733,629 B2，申请号200580004509.2，申请号200580001498.2，申请号200680032109.7，申请号200680038604.9，申请号200680042376.2，申请号200680046167.5，申请号200680049541.7，申请号200710145884.X）有计划将锂离子电容器应用于斯巴鲁汽车。

中国在混合电化学电容器方面也取得了很大进展，部分城市出现了超级电容器电动公交车，依靠站点乘客上下车间隙，完成充电，实现了综合运营成本最低的模式。