CN101009159A - 超级电容器和利用该超级电容器的电动车 - Google Patents

超级电容器和利用该超级电容器的电动车 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种超级电容器,其负极活性物质复合物的组成及配方为:组分一为贮氢合金(或导电性聚苯胺及其衍生物,导电性聚合物等):0.01~99%;组分二为活性炭:0.1~99.9%,以上为重量比。用物理和化学方法对A、B组份进行复合,物理方法包括球磨、振动磨等,化学方法包括加入表面活性剂或在贮氢合金表面包覆改性等方法。利用多个超级电容器串联,并联后装配在电动汽车上,成为电动车。该超级电容器既具有高能量密度,又具有超级电容器一般特性,如高安全性、高功率密度、环保无污染、充电快、寿命长,作为动力电源时,车辆可行驶较长的距离。

Description

超级电容器和利用该超级电容器的电动车
技术领域
本发明涉及一种混合型超级电容器,属于能源技术及电化学储能装置相关领域,并与利用该超级电容器的电动车有关。
背景技术
现已商品化的二次电池,如铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等,若作为动力电源,有着寿命短(约100至1000次)、充电时间长、功率密度低等不足,锂离子电池还有安全性差的缺点,二次电池的这些不足,限制了二次电池作为动力电源在电动车上的大量使用。但二次电池具有高能量密度的优点,作为动力电源在电动车上使用时车辆可行驶较长的距离。
近年来出现的新型储能装置超级电容器,具有功率密度高、充电快、寿命长、清洁无污染、高安全性等优点。但是其有极大的不足之处,即能量密度远远低于二次电池,只能作为车辆启动时的助力工具,或与其它动力源混合使用,若单独作为车辆的动力,由于能量密度低,车辆一次充电后的行驶距离十分有限,本发明的目的就是要改善超级电容器能量密度,使其在商业上实现更大的价值和更广泛的应用。
专利CN1431669A所发明的超级电容器,以烧结式氧化镍正极/活性碳为体系,其能量密度低的根本原因是普通活性碳的导电性差,密度低,所形成的双电层电容的能量密度不高。专利CN1567493A对活性碳进行改性,加入纳米碳纤维及纳米氧化物,利用纳米协同效应,增加法拉第准电容,但这些方法对能量密度的改善不显著,作为动力电源使用时,经济使用价值的太低。
现有的超级电容器,其能量密度在6Wh/kg~15Wh/kg之间,镍氢电池的能量密度为90Wh/kg,锂离子电池能量密度为150Wh/kg,聚合物锂电池能量密度为170Wh/kg,本发明超级电容器能量密度在55Wh/kg以上,达到实用的商业化要求,具有商用经济价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种超级电容器,其既具有高能量密度,又具有超级电容器一般特性,如高安全性、高功率密度、环保无污染、充电快、寿命长,作为动力电源时,车辆可行驶较长的距离。
为实现上述目的,本发明的解决方案是:
超级电容器,其负极活性物质复合物的组成及配方为:组分一为贮氢合金(或导电性聚苯胺及其衍生物,导电性聚合物等):0.01%~99%;组分二为活性炭:0.1%~99.9%,以上为重量比。用物理和化学方法对A、B组份进行复合,物理方法包括球磨、振动磨等,化学方法包括加入表面活性剂或在贮氢合金表面包覆改性等方法。
所述贮氢合金为AB5和AB2类金属氢化物,其中组分A易与氢反应形成稳定氢化物,如:镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钛(Ti)、锆(Zr)、镁(Mg)、铌(Nb)等稀土元素。组分B与氢的亲和力小,氢容易在其中移动,但不生成氢化物,如镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn)、铝(Al)等。AB5类金属氢化物通常又称MmB5合金,Mm是混合稀土合金的简写,B5主要为镍以及部分被钴、锰、铝等金属取代。贮氢合金通常合成方法是:由镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钛(Ti)、锆(Zr)、镁(Mg)、铌(Nb)、镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn)、铝(Al)等金属一定按比例混合后在真空炉(1700℃左右)进行高温融熔冶炼,再在惰性气体保护下机械粉碎,得到贮氢合金粉。
所述的导电聚合物,优选聚苯胺,聚吡咯,此类聚合物可进行氢(或氢离子)的脱除或掺杂反应。
所述活性碳比表面积100m2/g~3800m2/g,密度为0.6g/cm3~1.6kg/cm3
所述负极活性物质复合物制成负极极片的方法为:将活性物质复合物与聚四氟乙烯乳液,导电剂(镍粉、导电碳黑),水进行混合制浆,再涂敷在集电体(发泡镍,或铜网,或冲孔镀镍钢带)上,烘干后,辊压压实得到本发明的超极电容器的负极极片。
所述的负极极片,与金属氧化物或氢氧化物正极极片,聚丙烯微孔隔膜、电解液、塑料外壳体或金属外壳体装配成超级电容器。
所述的多个超级电容器先并联,后串联,或先串联,后并联组成超级电容器组,并装配在电动汽车上,成为电动车。
本发明的技术方案还包括下列工艺步骤及材料方案:
本发明的负极复合物在制备过程中选用聚丙烯及其盐类作为分极及表面活性剂,也可用硬脂的及其盐类或聚酯类超分散剂,表面活性剂有利于活性炭和贮氢合金粉的充分分散均匀,以及两者之间的较强的吸咐力,同时在充放电过程中有利于氢离子在活性物质中移动。
本发明的负极复合物在装备制造成超级电容器时,电解质的选用非常关键。水性电解质有较高电导性(>30s/cm),非水性有机电解液电导性则相比要小得多,只有约10s/cm.因本发明选用水性电解质,确保了超级电容器的高功率密度和能量密度。
本发明原理是:活性炭作为超级电容器的负极依赖其表面形成的双层电荷储存能量,若与氧化镍电极配对,氧化镍电极处于浅充放状态,即:氧化镍正极在充电时吸收氢氧根离子(OH-),放电时释放氢氧根离子(OH-)。活性炭形成的双层电荷储存容量远远低于氧化镍正极可发挥容量。使得氧化镍正极未充分发挥其容量,本发明将活性炭与贮氢合金粉(或聚苯胺等)进行复合,贮氢合金(或聚苯胺等)有较高氢离子和电子导电性,因此可改善活性碳的导电性,同时对活性碳有诱导协同效应(增加活性碳充电状态时的双电荷层密度),贮氢合金(或聚苯胺等)本身在充放电过程中处于浅充放电状态,充放时会吸收氢离子或释放氢离子,由此本发明的超级电容器复合负极粉的有较高的能量密度,达到55Wh/kg以上,远远高于活性碳负极粉的能量密度10Wh~15Wh/kg。本发明同时具有超级电容器一般特性,如高安全性、高功率密度、环保无污染、充电快、寿命长,作为动力电源时,车辆可行驶较长的距离。
具体实施方式
实施例1:取活性碳60份,导电碳粉1份,贮氢合金粉37.95份。贮氢合金粉的金属比例(质量比)优选为:镧20%,铈9%,镨1%,钕1%,镍51%,钴10%,锰5%,铝1.5%),聚丙烯酸钠0.05份,加入锥形搅拌式混合机中预混11小时后,再加入到高速搅拌式球磨机内球磨1.5小时后获得负极活性物质复合物,球磨珠为氧化锆球。
取上述负极复合物96份,聚四氟乙烯乳液4份(指固体质量份),去离子水100份进行强力高速搅拌制得浆料,以发泡镍为集电体,用拉浆机将所制的浆料涂敷在发泡镍上,烘干后辊压成型,得到本发明的超级电容器的负极极片。
实施例2:取实施例1的负极复合粉,以铜网为集电体,用干粉拉粉机将负极复合粉直接填充在铜网网孔中并辊压成型,得到负极极片。
实施例3:将实施例1中的发泡镍集电体更换为冲孔镀镍钢带,其余相同,并制得负极极片。
实施例4:以导电性聚苯胺取代实施例1中的贮氢合金粉,并由此制得负极复合粉,并相应获得实施例1至3的负极极片。
实施例5:取球形氧化镍粉,或氢氧化镍粉,或覆钴氢氧化镍粉96份,聚四氟乙烯乳液4份(固体份),去离子水80份加入高速搅拌混合机,进行制浆,将所得浆料涂覆在发泡镍带或镀镍冲孔钢带上,干燥后辊压成型,得到超级电容器的正极极片。
取上述正极片,以及实施例1,或实施例2,或实施例3,或实施例4的负极极片,聚丙烯微孔隔膜(或尼龙微孔隔膜),氢氧化钾水溶液(6mu/L),外壳壳体,汇流片等装配成本发明的超级电容器。
上述氢氧化钾水溶液也可改用氢氧化钾/氢氧化钠/氢氧化锂混合水溶液。
实施例6:取五氧化二钒(V2O5)粉末(或二氧化锰粉末,或三氧化二铝粉末)96份,聚四氟乙烯乳液5份(固体质量份),去离子水95份,加入高速搅拌混合机,进行制浆,将所得浆料涂覆在发泡镍带,或镀镍冲孔钢带上,干燥后辊压成型,得到超级电容器的正极极片。取此正极片,以及实施例1,或实施例2,或实施例3,或实施例4的负极极片,聚丙烯微孔隔膜(或尼龙微孔隔膜),硫酸水溶液作为电解质,外壳壳体,汇流片等装配成本发明的超级电容器。
实施例7:取实施例5(或实施例6)所制得超级电容器160只,进行每2个并联后再40个串联,成为超级电容器组,总电压60V,总功率为3KW,装在电动车上即为本发明的电容式电动车。

Claims (7)

1、超级电容器,其特征在于:其负极活性物质复合物的组成及配方为:组分一为贮氢合金或导电性聚苯胺及其衍生物、导电性聚合物等:0.01%~99%;组分二为活性炭:0.1%~99.9%,以上为重量比;用物理和化学方法对组份一和组份二进行复合,物理方法包括球磨、振动磨等,化学方法包括加入表面活性剂或在贮氢合金表面包覆改性等方法。
2、根据权利要求1所述的超级电容器,其特征在于:贮氢合金为AB5和AB2类金属氢化物,其中组分A易与氢反应形成稳定氢化物,主要包括稀土元素:镧La、铈Ce、镨Pr、钕Nd、钛Ti、锆Zr、镁Mg、铌Nb;组分B与氢的亲和力小,氢容易在其中移动,但不生成氢化物,主要包括镍Ni、钴Co、锰Mn、铝Al;AB5类金属氢化物即MmB5合金,Mm是混合稀土合金的简写,B5主要为镍以及部分被钴、锰、铝等金属取代;贮氢合金通常合成方法是:由镧La、铈Ce、镨Pr、钕Nd、钛Ti、锆Zr、镁Mg、铌Nb、镍Ni、钴Co、锰Mn、铝Al等金属按比例混合后在真空炉1700℃左右进行高温融熔冶炼,再在惰性气体保护下机械粉碎,得到贮氢合金粉。
3、根据权利要求1所述的超级电容器,其特征在于:导电聚合物为聚苯胺或聚吡咯,此类聚合物可进行氢或氢离子的脱除或掺杂反应。
4、根据权利要求1所述的超级电容器,其特征在于:活性碳比表面积100m2/g~3800m2/g,密度为0.6g/cm3~1.6kg/cm3
5、根据权利要求1所述的超级电容器,其特征在于:负极活性物质复合物制成负极极片的方法为:将活性物质复合物与聚四氟乙烯乳液,导电剂包括镍粉、导电碳黑,水进行混合制浆,再涂敷在集电体上,集电体为发泡镍或铜网或冲孔镀镍钢带,烘干后,辊压压实得到负极极片。
6、根据权利要求5所述的超级电容器,其特征在于:上述负极极片,与金属氧化物或氢氧化物正极极片,聚丙烯微孔隔膜、电解液、塑料外壳体或金属外壳体装配成超级电容器。
7、利用权利要求6所述超级电容器的电动车,其特征在于:多个超级电容器先并联,后串联,或先串联,后并联组成超级电容器组,并装配在电动汽车上,成为电动车。
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