專利名稱：真空電池及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種化學(xué)與物理相結(jié)合的新型電池，屬于新能源技術(shù)。
二、技術(shù)背景電子顯像管，離子電鍍，為了利于電子離子的產(chǎn)生，為了利于電子離子的行動(dòng)，將它們活動(dòng)的環(huán)境做成真空。在我研究的動(dòng)力電池中，我也在苦思瞑索地尋找利于離子產(chǎn)生的環(huán)境；尋找利于離子運(yùn)行的環(huán)境。除了上述的顯像管、離子電鍍外，質(zhì)子對撞機(jī)也是用真空作為正電粒子的通道。他們?yōu)槭裁床挥靡后w電解質(zhì)，不用固體電解質(zhì)作為正電粒子的通道呢？為什么要用真空呢？基于這一疑問，我就萌發(fā)了真空電池的概念。真空鍍膜、離子電鍍中離子不用電解質(zhì)傳導(dǎo)，而在真空中飛行，這證明離子在真 空中飛行比在電解質(zhì)中飛行更優(yōu)越。那么電池鋰離子也一定能在真空中飛行。在真空中的自由正離子，只要有一點(diǎn)點(diǎn)外力就會移動(dòng)。現(xiàn)在有負(fù)電極的負(fù)電場吸引；有正電極正電場的排斥，鋰離子一定會有力地飛向負(fù)電極，這是沒有問題的。現(xiàn)在需要考慮的是離子怎樣脫出電極，這是本發(fā)明的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要?jiǎng)?chuàng)立電池離子產(chǎn)生的新環(huán)境，創(chuàng)立電池離子通行的新環(huán)境；創(chuàng)立全新的真空電池。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，首先，我們要使電極產(chǎn)生離子，有了離子才能移動(dòng)到另一極去儲存電能。以鋰離子電池為例，它的正離子脫出是依靠三種環(huán)境條件一是依靠以鋰原子自身的活性，即鋰原子自身的動(dòng)能大，相互間的束縛能力差，離子容易脫出，所以電極物質(zhì)都是活性物質(zhì)。二是依靠電極和電解質(zhì)的界面，這是一種原子能級差的界面，電極材料中原子能級一定大于電解質(zhì)原子的能級，兩種物質(zhì)接觸時(shí)，接觸界面大動(dòng)能的原子必定會向低動(dòng)能原子區(qū)域擴(kuò)散。擴(kuò)散使得原子變?yōu)殡娮印㈦x子松散型的原子停留在界面，為電池創(chuàng)造了離子脫出的環(huán)境。三是最關(guān)鍵的環(huán)境條件，充電時(shí)，因?yàn)橥怆娫刺峁┱妱?，外電源線路接通，正電極被吸去大量鋰電子，迫使鋰原子快速電離，產(chǎn)生大量的鋰離子進(jìn)入電解質(zhì)。這三個(gè)環(huán)境條件保證了鋰離子的產(chǎn)生。但是現(xiàn)在變?yōu)檎婵针姵亓?，以上三種環(huán)境中，第I第3種沒有變，只是第2個(gè)環(huán)境改變了，即電解質(zhì)變?yōu)檎婵?。分析認(rèn)為這種改變不會影響鋰離子的產(chǎn)生，只會更加有利。原來電解質(zhì)能夠提供一種原子能級低的界面環(huán)境，吸引鋰原子擴(kuò)散成離子?，F(xiàn)在真空界面同樣能減小鋰電子遷移阻力，還能減小鋰離子脫出晶格時(shí)外環(huán)境的阻力，所以真空能替代電解質(zhì)促進(jìn)離子的脫出產(chǎn)生。真空電池中鋰離子脫出后，飛向負(fù)極的動(dòng)力，一是來源于離子脫出晶格后剩余的動(dòng)能，二是來源于正電極電場的排斥力，三是來源于負(fù)電極電場的吸引力。在這三種力的作用下鋰離子一定能嵌入負(fù)電極。
原來電解質(zhì)除了促進(jìn)離子脫出，作為離子通道外，還有一個(gè)重要的作用是，在放電時(shí)阻止電子走近路(短路)，從電解質(zhì)回到正極，而讓它從外線負(fù)載經(jīng)過到正極?，F(xiàn)在電解質(zhì)不用了，用真空了，真空電池怎樣處理這一情況呢？我在真空電池的正負(fù)兩極間設(shè)置了一道金屬電隔網(wǎng)，電隔網(wǎng)上帶有負(fù)電壓，它產(chǎn)生的負(fù)電場力，可以禁止電子通過，離子因?yàn)閹в袠O性相反的電荷，不但允許通過，還要吸引它通過。這種阻攔電子的方法，在早期的電子真空三極管中被大量應(yīng)用，很可靠實(shí)用。下面請看真空電池的工作過程，請看圖1，圖I中(5)是真空包，真空包內(nèi)有電池正極⑴例錳酸鋰，電池負(fù)極⑷，例如碳，正負(fù)電極之間有電隔網(wǎng)⑵和絕緣隔板，絕緣隔板可以包在電隔網(wǎng)的外表。
充電時(shí)，正極鋰電子被外電勢從外線路轉(zhuǎn)移到負(fù)極，使正極產(chǎn)生鋰離子，同時(shí)正極產(chǎn)生排斥鋰正離子的電場力，負(fù)極得到電子則同時(shí)產(chǎn)生吸引正離子的電場力，再加上真空阻力的減小，鋰離子大量快速地脫出正極，奔向負(fù)極，嵌入負(fù)極晶格，與正極過來的電子，與負(fù)極晶格重建臨時(shí)家園，將電能儲存在負(fù)極(包括正極晶格建立了空位勢能)。充電停止后電隔網(wǎng)(2)上的負(fù)電壓繼續(xù)存在，這時(shí)正極晶格空位雖有吸引電子的力量，但負(fù)極鋰電子被電隔網(wǎng)阻擋，再加負(fù)極材料原子核和晶格的束縛力，使得充滿電后儲存在負(fù)極的鋰電子只能蠢蠢欲動(dòng)，而不能跨出步閥。只有等到放電時(shí)，外線路開通，負(fù)極電子才能踴向外線路飛奔正極。失去了電子維系的穩(wěn)定性，負(fù)極立即電離瓦解，放出大量儲存的鋰正離子，奔向正在出現(xiàn)負(fù)電場的正電極。本發(fā)明就是如此實(shí)現(xiàn)的，利用真空取代電解質(zhì)，完成離子的遷移，利用電隔網(wǎng)阻擋電子在電池內(nèi)遷移。以此創(chuàng)造出效果更佳的真空電池。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1、因?yàn)槿∠穗娊赓|(zhì)，可以避免電解質(zhì)產(chǎn)生的一系列缺陷，例如燃燒、爆炸、枝晶沉積、濃差極化，還可以對現(xiàn)有創(chuàng)新研究電池中出現(xiàn)的一些難題一舉攻克。
2、因?yàn)槿∠娊赓|(zhì)可以用200V高電壓充電，加快充電時(shí)間，可以大電流放電，適應(yīng)汽車路況需要，其電極放電可達(dá)200A/。
四

圖I是真空電池示意2是全真空電池示意3是氣體解質(zhì)真空電池示意4是粉體解質(zhì)真空電池示意5是加熱真空電池示意6是助動(dòng)真空電池不意中數(shù)碼注釋為1-正極,2-電隔網(wǎng)，3-真空，4-負(fù)極，5-真空包，6-氣體，7-超聲波振動(dòng)器，8-電解質(zhì)粉粒，9-加熱電源，10-電熱絲，11-助動(dòng)電源，12-整流二極管，13-負(fù)載。五、具體實(shí)施方法現(xiàn)實(shí)中的真空鍍膜，電光源管都證明正離子在真空中會飛向負(fù)極。但嵌在晶格中的鋰離子，不用電解質(zhì)，改用真空倒底能不能使離子脫出呢？這是前人沒有做過的事，我不得不采用多種方案進(jìn)行探索，以確保一種方案能首先投入應(yīng)用。方案一，見圖2，這是全真空方案，真空包內(nèi)只有電池正極和電池負(fù)極，因?yàn)檎婵帐墙^緣的，電子在負(fù)極晶格和鋰原子核的束縛下，沒有外力激發(fā)，不會飛到正極去的。因此本方案不需要電隔網(wǎng)阻擋電子。方案二、按圖I所示，有電隔網(wǎng)(2)，電隔網(wǎng)上經(jīng)常帶有負(fù)電壓，但沒有電流，以一個(gè)恒定的負(fù)電場力來阻擋電子短路飛向正極。電隔網(wǎng)可以設(shè)在負(fù)電極表面或表層內(nèi)。電隔網(wǎng)的外表可以包上絕緣的材料作絕緣隔板，也可以左右分開設(shè)置，一邊是電隔網(wǎng)，一邊是絕緣隔板，但電隔網(wǎng)和絕緣板表面都具有穿透的網(wǎng)孔。考慮到真空電池中鋰離子可能難以脫出電極，可采用如下的促進(jìn)方案。方案三，請看圖3，與方案1、2比真空包內(nèi)增加了電解質(zhì)氣體(6)但真空包保持負(fù)壓狀態(tài)。制造時(shí)，在電池中加入少量電解液，抽氣時(shí)，電解液全部變?yōu)闅怏w。也可加入其他氣體，例如氬氣。這些氣體分子會在正極、負(fù)極表面頻繁地、快速地撞擊，每次撞擊就會觸動(dòng) 鋰離子脫出，形成一種釣魚的方式，誘發(fā)鋰離子脫出。方案四、請看圖4，真空包內(nèi)有超聲波振動(dòng)器(7)，該方案在正負(fù)電極間設(shè)有一層疏松的電解質(zhì)粉粒(8)，電解質(zhì)粉粒的一端與超聲振動(dòng)器相連，工作時(shí)，電解粉粒在電極表面作超聲振動(dòng)，粉粒位置快速變化，產(chǎn)生與氣體分子撞擊時(shí)類似的效果，誘使整個(gè)電極表層的離子脫出。它的優(yōu)點(diǎn)是不會減小真空壓力。方案五、見圖5，在正負(fù)極的集流體中加入電阻絲(10)，工作時(shí)，給電阻絲通電加熱，對正在產(chǎn)生離子和電子的電極進(jìn)行加熱，增加鋰原子、鋰電子的動(dòng)能。這種加熱一般只需在起動(dòng)時(shí)，在低氣溫時(shí)米用。耗電不大。方案六、在離子濺射滲鍍工藝中，只要真空中兩極電壓足夠高，大量的正離子會飛濺到負(fù)極工件上。工件上很快會長出一層涂質(zhì)材料。為了確保離子脫出正極，進(jìn)入負(fù)極，為了有理想的離子流量進(jìn)入負(fù)極，我在正負(fù)極間加上一個(gè)助動(dòng)電源(11)。助動(dòng)電源的電壓較高，電流較小。助動(dòng)電源的加入是并聯(lián)的，并通過整流二極管將助動(dòng)電源與放電做功電源分成兩個(gè)回路。請看圖6所示。由于助動(dòng)電路與放電電路分成兩個(gè)回路，它的電流不會參與放電做功，又因助動(dòng)電流較小，所以它的耗電很小，但電壓卻起到了吸引離子的助動(dòng)作用。因?yàn)檎婵针姵夭慌赂唠妷?，為了加快充電速度，可用高電壓充電。真空電池可大可小，小到手機(jī)電池，大到汽車電池，但具體裝配時(shí)，不管單體的還是組合的，都必須在正負(fù)電極間加入絕緣隔板，一可絕緣，二可作支撐。為了不影響離子通行，絕緣隔板做成網(wǎng)格形狀，這種隔板的制造比原來的隔膜簡易得多，只需用普通的塑料制作，價(jià)格很低。一般是將塑粉噴涂在電隔網(wǎng)上。該真空電池，還可把體積很大的可移動(dòng)的正負(fù)電極裝在真空包內(nèi)，做成真空式的動(dòng)極電池。(動(dòng)極電池是我以前的發(fā)明)。因?yàn)檎婵栈旧喜惶峁﹨⑴c電化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)，所以目前來講本發(fā)明只適宜于離子不參與電化學(xué)反應(yīng)的電池，例鋰離子電池。其實(shí)，只要正負(fù)極間的距離足夠小，鋰離子就會自行脫出，走入負(fù)極。只要電極加熱有足夠的溫度，鋰離子也會自行脫出走入負(fù)極。總之，本發(fā)明是一個(gè)困難不多，很有前途的發(fā)明，實(shí)用的曙光不久就會出現(xiàn)！
權(quán)利要求
1.真空電池，具有正電極、負(fù)電極，其特征為真空包內(nèi)有電池正極和電池負(fù)極，正負(fù)極之間有電隔網(wǎng)和絕緣隔板，并且用真空取代電解質(zhì)，完成離子的遷移，用電隔網(wǎng)阻檔電池內(nèi)電子的遷移。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的真空電池,其特征為電池外殼就是一個(gè)真空包,正電極、負(fù)電極、電隔網(wǎng)、絕緣隔板，超聲波振動(dòng)器、可以移動(dòng)的電池正極和電池負(fù)極，都可以安裝在這個(gè)真空包內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的真空電池，其特征為真空包在保持負(fù)壓狀態(tài)下，真空包內(nèi)可以有氣體存在。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的真空電池,其特征為真空包內(nèi)正負(fù)電極間有一層電解質(zhì)粉粒，并且電解質(zhì)粉粒受超聲傳動(dòng)，作超聲振動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的真空電池，其特征為電隔網(wǎng)上經(jīng)常帶有負(fù)電壓，電隔網(wǎng)可以設(shè)置在電極表面或表層內(nèi)，電隔網(wǎng)的外表可以包上絕緣物。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的真空電池，其特征為對正在產(chǎn)生離子和電子的電極進(jìn)行加熱。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的真空電池，其特征為電隔網(wǎng)和絕緣隔板都具有穿透的網(wǎng)孔。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的真空電池，其特征為真空包內(nèi)只有電池正極和電池負(fù)極，沒有電隔網(wǎng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的真空電池，其特征為在正負(fù)上加入一個(gè)助動(dòng)電源，助動(dòng)電源是并聯(lián)加入的，并通過整流二極管將助動(dòng)電源與放電做功電源分成兩個(gè)回路。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的真空電池，其特征為可以用高電壓電源充電。
全文摘要
一種全新的真空電池，所有化學(xué)電源都離不開電解質(zhì)，現(xiàn)在可以拋棄電解質(zhì)。依靠真空來完成離子的遷移，依靠電隔網(wǎng)來完成電子向外輸送。本發(fā)明可明顯提高電池的質(zhì)量比能量，可大幅降低電池成本，有利于電動(dòng)汽車的推廣。
文檔編號H01M10/04GK102723521SQ201210122299
公開日2012年10月10日 申請日期2012年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月17日
發(fā)明者胡小華 申請人:胡小華