CN101271767A - 一种电化学超电容器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电化学超电容器，包括电极芯、集流体、顶盖、外壳和水性电解液；电极芯由阳极、隔膜、阴极按照阳极、隔膜、阴极和隔膜依次叠加后卷绕或折叠制成；其特征是阳极和阴极以钛箔、镍箔或多孔发泡镍为基体，在基体上均匀的涂覆有电极浆料，该电极浆料的组成成分为氧化钌75～90重量％、导电剂5～20重量％、粘合剂5～15重量％，导电剂为碳纳米管或乙炔碳黑，粘合剂为133水性粘合剂、聚四氟乙烯或羧甲基纤维素钠；阳极的厚度为200～800微米，阴极的厚度为200～800微米。本发明还涉及该电化学超电容器的制造方法。本发明具有储能密度极高、能实现瞬时间放电及长时间大电流放电的优点。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种电化学电容器，尤其涉及一种电化学超电容器及其制造方法。
二、背景技术
电子制作中需要用到各种各样的电容器，它们在电路中分别起着不同的作用。顾名思义，电容器就是“储存电荷的容器”。尽管电容器品种繁多，但它们的基本结构和原理是相同的。两片相距很近的金属中间被某物质(固体、气体或液体)所隔开，就构成了电容器。两片金属称为的极板，中间的物质叫做介质。电容器也分为容量固定的与容量可变的。但常见的是固定容量的电容，最多见的是电解电容和瓷片电容。不同的电容器储存电荷的能力也不相同。规定把电容器外加1伏特直流电压时所储存的电荷量称为该电容器的电容量。电容的基本单位为法拉(F)。但实际上，法拉是一个很不常用的单位，因为电容器的容量往往比1法拉小得多，常用微法(μF)、纳法(nF)、皮法(pF)等。正因为普通电容器的储电能力较差，普遍仅有微法级，因此其储能密度较低，不足0.1Wh/kg，放电时间仅有10-3～10-6秒，应用受到很多限制。在电路中电容器通常起滤波、旁路、耦合、去耦、转相等电气作用，作为储能元件因其储能密度极低，因此仅能够实现瞬时间放电，无法满足长时间大电流放电需求。
三、技术内容
针对上述缺点，本发明的目的在于提供一种储能密度极高、能实现瞬时间放电及长时间大电流放电的电化学超电容器。
本发明的技术内容为，一种电化学超电容器，包括电极芯、集流体、顶盖、外壳和水性电解液；电极芯由阳极、隔膜、阴极按照阳极、隔膜、阴极和隔膜依次叠加后卷绕或折叠制成；其特征是阳极和阴极以钛箔、镍箔或多孔发泡镍为基体，在基体上均匀的涂覆有电极浆料，该电极浆料的组成成分为氧化钌75～90重量％、导电剂5～20重量％、粘合剂5～15重量％，导电剂为碳纳米管或乙炔碳黑，粘合剂为133水性粘合剂、聚四氟乙烯或羧甲基纤维素钠；阳极的厚度为200～800微米，阴极的厚度为200～800微米。
在上述电化学超电容中，采用镍箔或多孔发泡镍基体时，基体上连接带状镍或不锈钢集流体；外壳采用不锈钢，水性电解液为KOH或NaOH溶液，浓度是2mol/L～6mol/L，最佳浓度为6mol/L；水性电解液也可为KOH或NaOH与LiOH的混合溶液，混合溶液中LiOH的摩尔比例为5％，电解液浓度是2mol/L～6mol/L，最佳浓度为6mol/L。
在上述电化学超电容中，采用钛箔基体时，基体上连接带状钛集流体，外壳采用工程塑料，水性电解液可为硫酸水溶液，浓度是10～40重量％，最佳浓度为38重量％；水性电解液可为KOH或NaOH溶液，浓度是2mol/L～6mol/L，最佳浓度为6mol/L；水性电解液可为KOH或NaOH与LiOH的混合溶液，混合溶液中LiOH的摩尔比例为5％；电解液浓度是2mol/L～6mol/L，最佳浓度为6mol/L。
本发明的另一目的在于提供以上所述的电化学超电容器的制造方法。
一种电化学超电容器的制造方法，其步骤为：
(1)、将氧化钌、导电剂、粘合剂按75～90重量％、5～20重量％、5～15重量％的比例混合后溶解于去离子水中并充分搅拌，制成电极浆料；
(2)、将上述电极浆料采用刮涂的方式均匀的涂覆在基体表面上，再将其在棍压使电极的厚度为200～800微米，制得电极；
(3)、将上述制得的电极裁切制得阳极和阴极后，将阳极、隔膜、阴极按照阳极、隔膜、阴极和隔膜依次叠加后卷绕或折叠制成电极芯；再将电极芯的阳极和阴极用焊接或刺铆的方式分别和集流体连接；将与阳极和阴极相连的集流体分别和外壳上的正、负极相连；
(4)、向外壳内灌注水性电解液；再通过焊接、压封或粘结完成密封，即制得电化学超电容器。
在上述电化学超电容器的生产方法中，导电剂为碳纳米管或乙炔碳黑，粘合剂为133水性粘合剂、聚四氟乙烯或羧甲基纤维素钠。
本发明与现有技术相比所具有的优点：与普通电解电容器相比，超电容具有较高的能量密度，普通电容器的比电容一般为1μF-0.1F/cm3，而电化学超电容器可达到大于30F/cm3。因此，超可以制成体积更小、容量更大的电容器。并且它放电时间长，可以完成电动汽车爬坡等动作对复合电源的能量和放电时间要求。超电容的工作电压在1-4V间，易于与化学电源相匹配，形成复合型的可移动电源系统。普通电容存储能量的提高要通过提高电容器的电压来实现，有时要高达上千伏特，对充电系统要求较高；而超电容具有高比功率、长循环寿命等特点，并且在储存大量能量的时候电压却很低，和蓄电池的电压也比较匹配。因此更适合便携式或移动式复合电源的应用。阳极和阴极都由具有法拉第准电容特性的氧化钌电极组成的超电容器发挥了法拉第准电容能量密度高的固有特点。超电容器工作电压范围为0V～1.2V，储能密度可以达到20Wh/kg，比电解电容器高三到四个数量级。另外，采用氧化钌作为电极的超电容器保持了电解电容器比功率高、响应时间短、设计简单的优点。上述优异的性能使超电容器在工业不间断电源、电动车辆、军用大功率电源、无线电通讯等领域具有十分广泛的应用
四、具体实施例
例1、将氧化钌、乙炔黑、聚四氟乙烯按80重量％、10重量％、10重量％的比例混合后溶解于去离子水中并充分搅拌，制成电极浆料；将制得的电极浆料均匀的刮涂在多孔泡沫镍基体上制备成厚度为1000um的电极，将电极反复辊压至厚度为500um；将上述电极裁切成长方形条状，在电极边缘处焊接镍带集流体，制成为完全相同的阴极和阳极；用日本NKK公司生产的4050隔膜裁切成为比电极略大的长方形，然后按照隔膜、阳极、隔膜、阴极的顺序将电极和隔膜叠加在一起并卷绕成为电极芯并放置在圆形不锈钢外壳中，将与阳极相连的集流体和不锈钢外壳上的正极相连、与阴极相连的集流体和不锈钢外壳相连；向不锈钢外壳中灌注6mol/L水性电解液，水性电解液为KOH和LiOH混合溶液，其中LiOH含量为5摩尔％；再采用压封方法将外壳和顶盖连接好，即制得电化学超电容器。
实施例2、将氧化钌、乙炔黑、聚四氟乙烯按75重量％、8重量％、17重量％的比例混合后溶解于去离子水中并充分搅拌，制成电极浆料；将制得的电极浆料均匀的刮涂在在钛箔基体上制备成为厚度为300um的电极，将电极反复辊压至厚度为200um；将上述电极裁切成长方形条状，在电极边缘处刺铆连接钛带集流体，制成为完全相同的阴极和阳极；用日本NKK公司生产的4050隔膜裁切成为比电极略大的长方形，然后按照隔膜、阳极、隔膜、阴极的顺序将电极和隔膜叠加在一起并卷绕成为电极芯并放置在圆形工程塑料外壳中，将与阳极、阴极相连的集流体分别和工程塑料外壳上的正极、阴极相连；向工程塑料外壳中灌注浓度为38重量％的H2SO4电解液，再采用压封方法将工程塑料外壳和顶盖连接好，即制得电化学超电容器。
Claims (7)
1、一种电化学超电容器，包括电极芯、集流体、顶盖、外壳和水性电解液；电极芯由阳极、隔膜、阴极按照阳极、隔膜、阴极和隔膜依次叠加后卷绕或折叠制成；其特征是阳极和阴极以钛箔、镍箔或多孔发泡镍为基体，在基体上均匀的涂覆有电极浆料，该电极浆料的组成成分为氧化钌75～90重量％、导电剂5～20重量％、粘合剂5～15重量％，导电剂为碳纳米管或乙炔碳黑，粘合剂为133水性粘合剂、聚四氟乙烯或羧甲基纤维素钠；阳极的厚度为200～800微米，阴极的厚度为200～800微米。
2、根据权利要求1所述的电化学超电容器，其特征是基体为镍箔或多孔发泡镍，基体上连接带状镍或不锈钢集流体，外壳采用不锈钢；水性电解液为KOH溶液、NaOH溶液或LiOH与KOH或NaOH混合溶液；水性电解液为KOH或NaOH溶液时，浓度是2mol/L～6mol/L；水性电解液为LiOH与KOH或NaOH溶液混合时，浓度为2mol/L～6mol/L，混合溶液中LiOH的摩尔比为5％。
3、根据权利要求2所述的电化学超电容器，其特征是KOH或NaOH溶液浓度是6mol/L；LiOH与KOH或NaOH溶液混浓度为6mol/L。
4、根据权利要求1所述的电化学超电容器，其特征是基体为钛箔，基体上连接带状钛集流体，外壳采用工程塑料；水性电解液为硫酸水溶液、KOH溶液、NaOH溶液或LiOH与KOH或NaOH溶液混合溶液；水性电解液可为硫酸水溶液时，浓度是10～40重量％；水性电解液为KOH或NaOH溶液时，浓度是2mol/L～6mol/L；水性电解液为LiOH与KOH或NaOH溶液混合时，浓度为2mol/L～6mol/L，混合溶液中LiOH的摩尔比为5％。
5、根据权利要求4所述的电化学超电容器，其特征是硫酸水溶液浓度为38重量％；KOH或NaOH溶液浓度是6mol/L；LiOH与KOH或NaOH溶液混浓度为6mol/L。
6、根据权利要求1所述的电化学超电容器的制造方法，其步骤为：
(1)、将氧化钌、导电剂、粘合剂按75～90重量％、5～20重量％、5～15重量％的比例混合后溶解于去离子水中并充分搅拌，制成电极浆料；
(2)、将上述电极浆料采用刮涂的方式均匀的涂覆在基体表面上，再将其在棍压使电极的厚度为200～800微米，制得电极；
(3)、将上述制得的电极裁切制得阳极和阴极后，将阳极、隔膜、阴极按照阳极、隔膜、阴极和隔膜依次叠加后卷绕或折叠制成电极芯；再将电极芯的阳极和阴极用焊接或刺铆的方式分别和集流体连接；将与阳极和阴极相连的集流体分别和外壳上的正、负极相连；
(4)、向外壳内灌注水性电解液；再通过焊接、压封或粘结完成密封，即制得电化学超电容器。
7、根据权利要求6所述的电化学超电容器的生产方法，其特征为导电剂为碳纳米管或乙炔碳黑，粘合剂为133水性粘合剂、聚四氟乙烯或羧甲基纤维素钠。
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| CN103887077A (zh) * | 2014-03-04 | 2014-06-25 | 成都达艾斯电子有限公司 | 一种超级电容器及其制备方法 |
| WO2023178606A1 (zh) * | 2022-03-24 | 2023-09-28 | 宁德新能源科技有限公司 | 电化学装置及用电设备 |
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2008
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