CN101071886A - 三电极电化学电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三电极电化学电池，它包括至少一个电对，电对是由正极、负极、辅助电极、隔膜和电解液组成，辅助电极为多孔炭辅助电极，并与负极相连，分别置于正极的两侧，辅助电极和负极与正极间设置有可透气性隔膜，正极、负极、辅助电极和隔膜内浸有电解液，电对装在一个带有安全阀装置的密封容器内，内有多个电对时电对并联。本发明制作的电化学电池与传统碱性二次电池相比，具有快速充放电能力，在高功率放电条件下，寿命比隔镍电池、金属氢化物镍电池提高2倍以上。

Description

三电极电化学电池
(一)技术领域
本发明属于能源技术，具体涉及一种化学电池。
(二)背景技术
进入21世纪以来，减少化石能源的消耗以保护人类生存的环境越来越受到人们的重视。太阳能、风能以及化学电源已逐渐成为主要的清洁能源，电池是化学电源的表现方式，随着社会的进步，工业技术对电池性能提出了越来越高的要求，具有高能量、高功率、长寿命特性的电池成为迫切需要。例如：受到国际能源与交通领域重视的纯电动汽车、混合动力汽车甚至氢动力汽车等的技术进步，无不与电池有着密切的关系，电池技术已成为电动汽车和混合动力汽车技术发展的瓶颈，成为清洁能源车辆发展的关键；再如：近几年受到普通百姓和各地方政府普遍支持的电动助力车，虽然电池方面作了很大改进，但是仍然在使用过程中存在容量衰减过快的问题，给使用者带来诸多烦恼。
化学电源科学是一门古老的科学，如今的二次电池技术有了突飞猛进的发展，如镉镍电池、金属氢化物镍电池、锂离子电池等，特别是金属氢化物镍电池和锂离子电池，比能量已分别达到了60wh/kg和100wh/kg以上。然而，此前所开发的二次电池都存在共同的缺点，首先是不能高倍率充电放电，其次是充放电循环寿命短，主要原因是电池电能储存和释放原理决定的，其电荷的储存和释放是通过电化学反应来完成的，在电化学反应过程中存在欧姆极化、电化学极化等诸多限制电荷存储和释放的因素，同时存在一定的活性物质不可逆反应因素，因此，电池的高倍率充放电能力和使用寿命受到一定的限制。
为了解决电池在应用中存在的问题，人们开发出了具有长寿命、高功率充放电能力的超级电容器，如中国专利申请号为95195510.1的专利技术，采用了一对对称的活性炭电极，形成了无化学反应的双电层电容器；再如中国专利申请号为00231293.X的专利技术，采用了一个极化电极(活性炭电极)和一个非极化电极(氧化镍电极)的结构形式，形成了混合型超级电容器，比能量达到近10wh/kg。但是，无论是双电层电容器还是混合型超级电容器，所具有的比能量都比较低，只能够提供短时间的能量供给，例如，现在受到广泛关注的超级电容公交车采用了混合型超级电容器，由于受到比能量的限制，在运行时必须几站一充电或一站一充电，给实际运行带来诸多不便，同时也带来了大量基础设施建设问题，增加了运营成本。因此，超级电容器只适用于短时间大功率充放电应用。
为了解决电池和超级电容器在应用中存在的缺点，人们在应用中提出了电池与超级电容器联合使用的应用方案，技术上虽然可行，但***成本和***体积却大大提高，在实际应用中也存在一定的问题。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的高比功率、高比能量、长寿命的三电极电化学电池。
本发明的目的是通过下述的方案实现的：它包括至少一个电对，电对是由正极、负极、辅助电极、隔膜和电解液组成，辅助电极为多孔炭辅助电极，并与负极相连，分别置于正极的两侧，辅助电极和负极与正极间设置有可透气性隔膜，正极、负极、辅助电极和隔膜内浸有电解液，电对装在一个带有安全阀装置的密封容器内，内有多个电对时电对并联。
本发明还有这样一些技术特征：
1、所述的电对中正极、负极、辅助电极、隔膜是按照负极-隔膜-正极-隔膜-辅助电极叠加组合而成；
2、所述的电对中正极、负极、辅助电极、隔膜是按照辅助电极-隔膜-正极-隔膜-负极叠加组合而成；
3、所述的电对中负极和辅助电极的集流体相连；
4、所述的辅助电极是由多孔炭制成，多孔炭为活性炭粉、活性炭纤维布或纳米炭；
5、所述的正极是氧化镍电极；
6、所述的负极是储氢合金电极或氧化镉电极；
7、所述的隔膜为透气性碱性电池隔膜，材料为聚丙烯、聚乙稀或玻璃纤维；
8、所述的电解液是30％KOH溶液。
已有技术的电池在工作时，当遇到短时间大电流输入或输出时，由于电化学极化严重，电化学反应速度相对较慢，大电流的输入或输出很难实现，同时对电池造成严重损害，大大缩短了电池寿命。本发明涉及的三电极电池在工作时，当有大电流输入或输出时，由于辅助电极电荷存储是通过超大比表面积活性炭电极表面吸附和脱附实现的，不存在电化学反应，且电化学极化很小，因此，可实现电荷快速输入和释放在实际应用中，短时间的大电流输入和输出经常存在，如电动车起步、加速、制动能量回收等，对电池造成了很大冲击，本发明技术中采用了辅助电极技术，有效缓解了瞬时大电流对负极板的冲击，从而延长了电池的使用寿命，通过本发明制造的三电极电池寿命将大大提高。
(四)附图说明
图1是充放电时负极、辅助电极及三电极电池总电流关系图；
图2是三电极电池电极组合排列及连接示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
结合附图，在图1中，I1为负极电流，I2为辅助电极电流，I为总电流。三电极电池在大电流输入和输出时，I1随时间逐渐增大，I2随时间逐渐减小，I等于I1与I2之和。
在图2中，正极1可由市售氢氧化镍加粘合剂、导电剂、添加剂等混合并附着在集流体上制成；辅助电极2可由市售活性炭粉加粘合剂、导电剂等混合并附着在集流体上制成，也可由活性炭纤维布附着在集流体上制成；负极3可由市售储氢合金或氧化镉加粘合剂、导电剂、添加剂等混合并附着在集流体上制成；隔膜4为市售碱性电池隔膜，通常材料为聚丙烯、聚乙稀等。
本实施例电极与隔膜的组合方式如图2所示，依次顺序为：辅助电极2-隔膜4-正极1-隔膜4-负极3-隔膜4-正极1-隔膜4-辅助电极2......，依次进行。亦可从正极或负极开始组合。每个三电极电池至少存在一个氧化镍正极1、一个储氢合金负极或氧化镉负极3、一个活性炭辅助电极2和两个隔膜4，根据三电极电池应用的实际情况，在一个三电极电池内可存在多个电极对。该三电极电池在设计制造中通过对正极1、负极3和辅助电极2之间容量匹配的合理选择，可制作出不同比能量、比功率和寿命的电池。
按照本发明的设计思想和实施方案制作的三电极电池，比能量可达到40wh/kg以上，比功率达到1000w/kg以上，充放电循环寿命可达到2000次以上，可以完全满足用电***的要求。

Claims (9)

1、一种三电极电化学电池，它包括至少一个电对，其特征在于：电对是由正极、负极、辅助电极、隔膜和电解液组成，辅助电极为多孔炭辅助电极，并与负极相连，分别置于正极的两侧，辅助电极和负极与正极间设置有可透气性隔膜，正极、负极、辅助电极和隔膜内浸有电解液，电对装在一个带有安全阀装置的密封容器内，内有多个电对时电对并联。
2、根据权利要求1所述的三电极电化学电池，其特征在于，所述的电对中正极、负极、辅助电极、隔膜是按照负极-隔膜-正极-隔膜-辅助电极叠加组合而成。
3、根据权利要求1所述的三电极电化学电池，其特征在于，所述的电对中正极、负极、辅助电极、隔膜是按照辅助电极-隔膜-正极-隔膜-负极叠加组合而成。
4、根据权利要求1所述的三电极电化学电池，其特征在于，所述的电对中负极和辅助电极的集流体相连。
5、根据权利要求1所述的三电极电化学电池，其特征在于，所述的辅助电极是由多孔炭制成，多孔炭为活性炭粉、活性炭纤维布或纳米炭。
6、根据权利要求1所述的三电极电化学电池，其特征在于，所述的正极是氧化镍电极。
7、根据权利要求1所述的三电极电化学电池，其特征在于，所述的负极是储氢合金电极或氧化镉电极。
8、根据权利要求1所述的三电极电化学电池，其特征在于，所述的隔膜为透气性碱性电池隔膜，材料为聚丙烯、聚乙稀或玻璃纤维。
9、根据权利要求1所述的三电极电化学电池，其特征在于，所述的电解液是30％KOH溶液。
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