一种离子电子学电源及其制备方法和能源管理系统与流程

本申请涉及储能器件，尤其涉及一种离子电子学电源及其制备方法和能源管理系统。

背景技术：

1、传统的纸基能源基于离子型电池机理，大多将纸基作为储能器件的隔膜，使粒子在垂直纸基的通道中传输，并与柔性电极、封装材料等构成三明治结构，这无疑限制了其透气性能。离子电子学能源，利用离子在纸基平面纳米限域通道中的快速传输，实现了高效的离子渗透能量到电能的转化，是一种良好的储能单元。对于离子电子学能源，在纸基上构建稳定且透气的二维纳米限域通道是提高离子电子学能源的功率和能量密度的关键。然而，由于某些纸基表面的纤维素官能团(如滤纸表面的羟基和羧基)、纸基表面的增白剂(如a4纸和相纸表面的碳酸钙)和纸基复杂的表面形貌的影响，目前在纸基上构建透气的二维纳米限域离子通道并用于离子电子学能源系统仍然是一个挑战。

技术实现思路

1、本申请公开了一种离子电子学电源及其制备方法和能源管理系统，可在纸基上构建稳定透气的二维纳米通道，可以用于离子电子学电源，具有高功率密度和能量密度，工艺简单，成本较低。

2、为达到上述目的，本申请提供以下技术方案：

3、第一方面，本申请提供了一种离子电子学电源，包括纸基二维纳米通道；

4、所述纸基二维纳米通道包括纸基和设于所述纸基至少一侧表面的二维纳米通道层；

5、二维纳米通道层包括二维纳米材料，所述二维纳米材料的质量分数为33％-98％；

6、所述纸基二维纳米通道的湿度渗透率为500gm-2d-1-750gm-2d-1。

7、上述离子电子学电源通过构建湿度渗透率为500gm-2d-1-750gm-2d-1的纸基二维纳米通道，使得离子可以在二维纳米通道层中进行高效传输，有利于提高离子电子学电源的功率和能量密度。具体地，纸基二维纳米通道包括纸基和二维纳米通道层，其中，二维纳米通道层可以设置于纸基的一侧表面，也可以分别设置于纸基的两侧表面。二维纳米通道层中包括二维纳米材料，其质量占比为33％-98％。在制备二维纳米通道层的过程中，根据选用纸基的本身特性，调控二维纳米材料的占比，进而可以调控二维纳米通道层与纸基的匹配度，从而使构建的二维纳米通道层具有良好的透气性和稳定性。最终制得的纸基二维纳米通道的湿度渗透率(是指水分在单位时间内通过单位面积材料表面的质量)为500gm-2d-1-750gm-2d-1，表明本申请的纸基二维纳米通道具备良好的透气性。当将纸基二维纳米通道应用于离子电子学电源中时，离子可以顺利地在二维纳米通道层的平面纳米限域内传输，有利于提高离子传输能量到电能的转化效率，功率密度可达438.02mw·cm-3。

8、在一些实施例中，所述纸基包括硫酸纸、牛皮纸、a4纸、滤纸和相纸中的一种或多种。通过调控二维纳米通道层中二维纳米材料的占比，可以实现二维纳米通道层与选用纸基的良好匹配，提高二维纳米通道层的透气性以及在纸基上的稳定性。

9、在一些实施例中，所述二维纳米通道层的厚度为0.1μm-1000μm。

10、在一些实施例中，所述二维纳米通道层的长度为1μm-1m。本申请通过合理设置二维纳米通道层的厚度和长度，均可提高离子的传输效率，进而提高离子电子学电源的功率和能量密度。

11、在一些实施例中，所述离子电子学电源还包括正极片和负极片；

12、所述正极片设于所述二维纳米通道层的一端，所述负极片设于所述二维纳米通道层的另一端；

13、所述负极片包括负极活性材料层和负极集流体，所述负极活性材料层设于所述二维纳米通道层和所述负极集流体之间。

14、本申请通过在二维纳米通道层的两端设置正极片和负极片，制得离子电子学电源，使离子电子学电源中的离子可以通过二维纳米通道层进行传输，以实现离子传输能量到电能的高效转化。

15、第二方面，本申请提供了一种离子电子学电源的制备方法，包括：

16、提供一纸基；

17、将二维纳米通道浆料打印或涂覆至所述纸基上，干燥后得到纸基二维纳米通道；所述纸基二维纳米通道的湿度渗透率为500gm-2d-1-750gm-2d-1；所述二维纳米通道浆料包括二维纳米材料、表面活性剂和溶剂，所述二维纳米材料、所述表面活性剂和所述溶剂的质量比为5-50:1-10:50-95。

18、本申请将二维纳米材料和表面活性剂混合在溶剂中制得二维纳米通道浆料，再将二维纳米通道浆料打印或者涂覆于纸基上，干燥后制得纸基二维纳米通道。其中，根据选定纸基的本身特性，需要调节二维纳米材料、表面活性剂和溶剂的质量占比，以使二维纳米通道浆料精密打印或涂覆在纸基上，提高纸基二维纳米通道的稳定性和透气性。

19、在一些实施例中，所述二维纳米通道浆料中，所述二维纳米材料的浓度为0.5mg/ml-1000mg/ml。

20、在一些实施例中，所述二维纳米通道浆料中，所述表面活性剂的浓度为0.1mg/ml-100mg/ml。

21、在一些实施例中，所述制备方法还包括：

22、将正极片浆料打印或涂覆在所述纸基上，并与所述二维纳米通道层的一端接触，干燥后得到正极；

23、将负极活性物质打印或涂覆在所述纸基上，并与所述二维纳米通道层的另一端接触，干燥后得到负极活性材料层；

24、将负极集流体浆料打印或涂覆在所述纸基上，并与所述负极活性材料层背离所述二维纳米通道层的一端接触，干燥后得到所述离子电子学电源。

25、通过在二维纳米通道层的两端制备正极片、负极活性材料层和负极集流体，制得离子电子学电源，使负极活性材料层中的离子可以通过二维纳米通道层进行传输，以实现离子传输能量到电能的高效转化。

26、第三方面，本申请提供了一种能源管理系统，包括摩擦纳米发电机和至少一个如第一方面所述的离子电子学电源；

27、所述摩擦纳米发电机与所述离子电子学电源电连接。

28、本申请通过将摩擦纳米发电机与至少一个离子电子学电源进行集成，得到纸基能源管理系统，实现了捕能与储能的并行功能。

技术特征：

1.一种离子电子学电源，其特征在于，包括纸基二维纳米通道；

2.根据权利要求1所述的离子电子学电源，其特征在于，所述纸基包括硫酸纸、牛皮纸、a4纸、滤纸和相纸中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的离子电子学电源，其特征在于，所述二维纳米通道层的厚度为0.1μm-1000μm。

4.根据权利要求1所述的离子电子学电源，其特征在于，所述二维纳米通道层的长度为1μm-1m。

5.根据权利要求1所述的离子电子学电源，其特征在于，所述离子电子学电源还包括正极片和负极片；

6.一种离子电子学电源的制备方法，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述二维纳米通道层浆料中，所述二维纳米材料的浓度为0.5mg/ml-1000mg/ml。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述二维纳米通道层浆料中，所述表面活性剂的浓度为0.1mg/ml-100mg/ml。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：

10.一种能源管理系统，其特征在于，包括摩擦纳米发电机和至少一个如权利要求1-5任一项所述的离子电子学电源；

技术总结本申请公开了一种离子电子学电源及其制备方法和能源管理系统。该一种离子电子学电源，包括纸基二维纳米通道；纸基二维纳米通道包括纸基和设于纸基至少一侧表面的二维纳米通道层；二维纳米通道层包括二维纳米材料，二维纳米材料的质量分数为33％‑98％；纸基二维纳米通道的湿度渗透率为500‑750gm<supgt;‑2</supgt;d<supgt;‑1</supgt;。上述离子电子学电源通过构建湿度渗透率为500‑750gm<supgt;‑2</supgt;d<supgt;‑1</supgt;的纸基二维纳米通道，使得离子可以在二维纳米通道层中进行高效传输，有利于提高离子电子学电源的功率和能量密度。技术研发人员：魏迪,彭潽洸受保护的技术使用者：北京纳米能源与系统研究所技术研发日：技术公布日：2024/11/14