CN101281820A

CN101281820A - 一种层叠式超级电容器及其制造方法

Info

Publication number: CN101281820A
Application number: CNA2007100739117A
Authority: CN
Inventors: 吴曲勇; 蒋文科; 刘勇标
Original assignee: Shenzhen Zhengyu Energy Sources Technologies Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Zhengyu Energy Sources Technologies Co Ltd
Priority date: 2007-04-04
Filing date: 2007-04-04
Publication date: 2008-10-08

Abstract

本发明涉及一种层叠式超级电容器及其制造方法，所述层叠式超级电容器包括壳体、电解液、容纳于壳体内的电极层叠体、正极引出端子和负极引出端子，所述电极层叠体由多个正极片、多孔隔离膜和负极片依次相间叠加在一起组成，所述正极引出端子包括正极连接端和正极引出端，所述负极引出端子包括负极连接端和负极引出端，所述正极引出端子通过正极连接端连接在所述正极片上，所述负极引出端子通过负极连接端连接在所述正极片上，所述正极引出端和负极引出端分别位于电极层叠体相对的两侧。本发明的层叠式超级电容器一方面可以明显改善放电性能，另一方面也提高了超级电容器的安全性能。

Description

一种层叠式超级电容器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种超级电容器及其制造方法，尤其涉及一种层叠式超级电容器及其制造方法。

背景技术

超级电容器是近年来出现的一种介于传统电容器和二次电池之间的新型环保储能器件，它在保留传统电容器功率密度大的特点的同时，其静电容量可达法拉级甚至数千法拉，因此还有能量密度较高的特点，同时超级电容器还具有充放电速度快、充放电效率高、寿命长、安全性好、环境友好等优点，是一种新型、实用、高效的储能器件。

超级电容器在很多领域都有广阔的应用前景，一是用作电源：(1)后备电源：目前超级电容器应用最广的部分是电子产品领域，主要是充当CMOS(互补金属氧化物半导体)保护、计时器、钟表、录像机、移动电话等的后备电源。(2)替换电源：例如白昼-黑夜的转换电源，白天太阳能提供电源并对超级电容器充电，晚上则由超级电容器提供电源。典型的应用有：太阳能手表、太阳能灯、路标灯、公共汽车停车站时间表灯、汽车停放计费灯和交通信号灯等。(3)主电源：通过一个或几个超级电容器释放持续几毫秒到几分钟的大电流，放电之后，超级电容器再由低功率的电源充电。典型的应用包括电动玩具、航空模型等。二是与蓄电池并联使用，超级电容器提供功率辅助，平衡电源体系的脉冲功率，目前已应用于数码相机、数码摄像机、太阳能电池设备和燃料电池设备等，特别是在电动汽车上的应用，给超级电容器的发展提供了广阔的空间。例如在汽车启动、加速、爬坡时提供高功率，以保护蓄电池，在刹车时回收储存多余能量。

超级电容器的制作方法主要有两种：(1)层叠法，如李宝华等(中国专利，专利申请号：CN03134990.0)指出了一种层叠式超级电容器及其制造方法，其采用流延机或涂覆模具将调制好的炭质活性材料、导电剂和粘结剂、溶剂的混合浆料均匀涂覆在金属集流体表面，再在自动控温辊压机上进行轧制、烘干、裁切成型而获得电极，然后将内侧涂覆活性炭质材料的正电极、负电极、隔离膜叠加在一起形成电极层叠体后加入电解液封装成超级电容器单体；(2)卷绕法，如李宝华、吴曲勇等(中国专利，专利申请号：CN200510033986.3)指出了一种卷绕式超级电容器及其制造方法，其采用流延机或涂覆模具将调制好的炭质活性材料、导电剂和粘结剂、溶剂的混合浆料均匀涂覆在金属集流体表面，在辊压机上进行轧制、烘干而获得电极，然后将涂覆炭质活性材料的正电极、负电极和隔离膜裁切成卷绕所需要的尺寸，卷绕在一起后加入电解液封装成超级电容器单体。

但是，对于常规的卷绕式超级电容器来说，当大电流放电时，不但存在单体局部温度过高的现象，而且还存在由于电子电导慢而产生的极化现象，影响超级电容器的正常工作，而对于常规的层叠式超级电容器来说，其正极引出端子和负极引出端子一般位于电极层叠体的同侧，当大电流放电时，电极层叠体温度极不均匀，表现为正负极引出端子位置处温度高而电极层叠体尾部温度低，影响了超级电容器使用的安全性，这也是目前超级电容器急需要解决的一个问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有产品的不足，提供了一种大电流放电性能优异、使用安全的层叠式超级电容器。

本发明还提供了上述超级电容器的制造方法。

本发明的技术方案如下：一种层叠式超级电容器，包括壳体、电解液、容纳于壳体内的电极层叠体、正极引出端子和负极引出端子，所述电极层叠体由多个正极片、多孔隔离膜和负极片依次相间叠加在一起组成，所述正极片由正极活性材料涂覆在正极集流体上制成，所述负极片由负极活性材料涂覆在负极集流体上制成，所述正极引出端子包括正极连接端和正极引出端，所述负极引出端子包括负极连接端和负极引出端，所述正极引出端子通过正极连接端电连接在所述正极片上，所述负极引出端子通过负极连接端电连接在所述负极片上，所述正极引出端和负极引出端分别位于电极层叠体相对的两侧。

作为上述结构的改进，在所述正极集流体的一侧均预留有一未涂覆正极活性材料的正极空白区且所述正极空白区层叠在一起，所述正极引出端子电连接在层叠的正极空白区上，在所述负极集流体的一侧均预留有一未涂覆负极活性材料的负极空白区且所述负极空白区层叠在一起，所述负极引出端子连接在层叠的负极空白区上。优选地，所述正极空白区的宽度大于所述正极引出端子的宽度，所述负极空白区的宽度大于所述负极引出端子的宽度。

作为上述结构的进一步改进，所述正极引出端子和负极引出端子的厚度分别远远大于正极集流体和负极集流体的厚度，所述正极引出端子和负极引出端子能够承受超级电容器的最大放电电流且温度升高幅度小于45摄氏度。优选地，所述正极引出端子的厚度是正极集流体厚度的10～100倍，所述负极引出端子的厚度是负极集流体厚度的10～100倍。

作为上述电极层叠体较佳的结构设计，可以是：所述电极层叠体的最外层均为负极片，且所述最外层的负极片的暴露在外的一面未涂覆负极活性材料。

本发明还涉及到一种层叠式超级电容器的制造方法，包括如下步骤：

a.将超级电容器活性材料、导电剂、粘结剂按照一定的重量比混合、搅拌、分散成均匀浆料；

b.在金属集流体上等距预留多个空白区，将步骤a制得的均匀浆料均匀涂覆在金属集流体上除空白区以外的区域，得到电极；

c.将步骤b制得的涂覆活性材料的电极在平压机或冷压机上轧制至所需的厚度和压实密度；

d.将步骤c制得的电极进行分切，得到多个正极片和负极片，使每个正极片和负极片上均有位置和大小一致的空白区；

e.分切多孔隔离膜；

f.将干燥后的多个正极片、多孔隔离膜和负极片依次相间叠加得到电极层叠体，把正极片和负极片的空白区分别叠加在一起且位于电极层叠体相对的两侧；

g.将正极引出端子和负极引出端子分别电连接在最外层的正极片的空白区和最外层的负极片的空白区上且使正极引出端子和负极引出端子的引出端分别位于电极层叠体的两侧。

h.加入电解液，封装制得层叠式超级电容器。

在上述制造方法中，所述活性材料、导电剂、粘结剂的重量比为70-95∶2-10∶3-20，优选为87-92∶3-7∶5-10。

上述的超级电容器活性材料可选用：大比表面的炭质活性材料、金属氧化物或导电高分子聚合物中的一种或几种。

上述的超级电容器电极的导电剂可选用：乙炔炭黑、导电碳纤维、导电石墨中一种或几种。

上述超级电容的金属集流体可选用：铝箔、铝网、铜箔、铜网、泡沫镍、镍箔或镍网，正极集流体和负极集流体可选择同一种集流体，也可以选择不同的集流体。

上述的超级电容器电极的粘结剂可选用：聚四氟乙烯(PTFE)、均聚或共聚偏氟乙烯(PVDF)、改性聚丙烯酸及其酯类、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠等，所述粘结剂既可以是粉末状也可以是乳液状。

上述的超级电容器的电解液可选用：有机体系或无机体系。其中，有机体系的电解液溶剂可选用碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、乙腈、γ-丁内酯或者它们的混合溶剂，电解液盐可选用四乙基四氟硼酸季铵盐、四乙基四氟硼酸季磷盐、四正丙基四氟硼酸季磷盐、四乙基六氟磷酸季磷盐、六氟磷酸锂或四氟硼酸锂，所述电解液浓度为0.1-5摩尔/升；无机体系的电解液溶剂为水，电解液盐可选用硫酸、硫酸钠、氢氧化钾，所述电解液浓度为1-10摩尔/升。

上述的多孔隔离膜可选用：聚乙烯膜、聚丙烯膜或它们的改性聚合物，也可以使用无纺布或纤维素等。

上述的超级电容器的外包装方式可选用：采用铝塑膜软包装方式或利用铝壳、钢壳等壳体进行包装。

本发明的有益效果在于：(1)将正极引出端子的引出端和负极引出端子的引出端分别放置于层叠式超级电容器电极层叠体的两侧，这样当超级电容器大电流放电时，一方面可以减小由于电子电导慢而产生的极化，明显改善放电性能，另一方面使得层叠式超级电容器在放电过程中产生的热量能均匀分布于电容器内部，避免电容器局部过热而造成的危险，提高了超级电容器的安全性能；(2)正极引出端子和负极引出端子的厚度远远大于正极集流体和负极集流体的厚度，可使得正极引出端子和负极引出端子能够承受超级电容器的最大放电电流，提高了电容器的安全性能；(3)利用本发明的方法制造的超级电容器，不但安全性能大大改善，而且可观察到初始放电阶段的电压降明显降低，倍率放电性能得到显著改善。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明进行详细说明，其中：

图1为本发明的超级电容器的正极片、负极片及正极引出端子、负极引出端子的结构示意图；

图2为本发明的超级电容器只有一个层叠单元的电极层叠体的结构示意图；

图3为本发明的超级电容器的立体示意图；

图4为图3所示的超级电容器中电极层叠体的俯视分解示意图；

图5为利用实施例1中的方法制造的超级电容器与对比例中制造的普通结构的超级电容器在1000C放电时，容量保持率测试对比图；

图6为利用实施例1中的方法制造的超级电容器与对比例中制造的普通结构的超级电容器在1000C放电时，内部温度分布测试函数对比图。

具体实施方式

本发明的超级电容器30结构如图1～图4所示，包括壳体、电解液、容纳于壳体内的电极层叠体20、正极引出端子7和负极引出端子8，所述电极层叠体20由多个正极片1、多孔隔离膜10和负极片4依次相间叠加在一起组成，所述正极片1由正极活性材料2涂覆在正极集流体3上制成，所述负极片4由负极活性材料5涂覆在负极集流体6上制成，在正极集流体3上还预留一未涂覆正极活性材料2的正极空白区31，在负极集流体6上还预留一未涂覆负极活性材料5的负极空白区61，所述正极引出端子7一端电连接在所述正极空白区31上，另一端延伸到正极空白区31外，形成正极引出端71，同样所述负极引出端子8一端连接在所述负极空白区61上，另一端延伸到负极空白区61之外形成负极引出端81，所述正极引出端71和负极引出端81分别位于分别位于电极层叠体20相对的两侧。电极层叠体20的一个具体结构如图4所示，由多片正极片1、多孔隔离膜10和负极片4依次相间叠加在一起组成，其中正极片1、多孔隔离膜10和负极片4的片数由要制造的超级电容器的具体要求所决定。所述正极空白区31叠加在一起，将正极引出端子7电连接在叠加后的正极空白区31上，所述负极空白区61叠加在一起，将负极引出端子8电连接在叠加后的负极空白区61上，其中，正极引出端子7的正极引出端71和负极引出端子8的负极引出端81位于电极层叠体20的两侧，同时，由于正极引出端子7和负极引出端子8与正极空白区31和负极空白区61之间的接触面积较大，因此减小了本发明的超级电容器由于电子电导慢而产生的极化，明显改善放电性能，同时超级电容器在放电过程中产生的热量能均匀分布于电容器内部，避免超级电容器局部过热而造成的危险，提高了超级电容器的安全性能。在本发明的超级电容器的电极层叠体20中，正极引出端子7和负极引出端子8的厚度最好大于正极集流体3和负极集流体6的厚度，最好分别为正极集流体3和负极集流体6的厚度的10～100倍。

下面将通过几个具体实施例对本发明的层叠式超级电容器的制造方法及具体结构作进一步的描述。

实施例1：

通过如下步骤制造本发明的层叠式超级电容器。

(1)将均聚偏氟乙烯粉体完全溶解于适量氮-甲基吡咯烷酮后，将活性炭，乙炔碳黑与均聚偏氟乙烯粉体按照活性炭∶乙炔碳黑∶聚偏氟乙烯粉体＝85∶5∶10的重量比混合、搅拌、分散制得均匀浆料；

(2)按照所制造超级电容器的电极尺寸的要求采用流延机将其均匀涂覆在金属铝箔上除了预留的空白区以外的表面，涂布尺寸可以通过对流延机的控制来实现，130℃真空干燥5-60分钟，依照同样的方法，在金属铝箔的另一面也均匀的涂覆浆料，100℃真空干燥5-20分钟，由此制得两侧均匀涂覆炭质活性材料的超级电容器极片，接着将电极在冷压机上轧制至一定的厚度和密度；

(3)按照隔离膜尺寸的要求分切隔离膜；

(4)将2片单面涂覆浆料的负极片41，9片双面均涂覆浆料的负极片4，10片隔离膜10，10片双面涂覆浆料的正极片1按照图4所示的结构层叠在一起得到电极层叠体20；

(5)分别在电极层叠体20两侧反向以超声焊接的方式引出负极引出端子8和正极引出端子7，装入铝塑膜，灌注电解液，化成，封装后制得本发明结构的层叠式超级电容器。

对比例：

步骤(1)至(4)与实施例1相同，步骤(5)如下：分别在电极层叠体20两侧同向以超声焊接的方式引出负极引出端子8和正极引出端子7，装入铝塑膜，灌注电解液，化成，封装后制得普通结构的超级电容器。

图5是实施例1中制造的超级电容器与对比例中制造的超级电容器在1000C放电电流下的容量保持率测试对比图，可以明显看出，对比例1制造中的超级电容器容量保持率为80％，而实施例1制造的超级电容器容量保持率可提高到90％，并且可观察到初始放电阶段的电压降明显降低，倍率放电性能显著改善。

图6为利用实施例1中的方法制造的超级电容器与对比例中制造的普通结构的超级电容器在1000C放电时，内部温度分布测试函数对比图。从图6可以明显的看出，实施例1中的超级电容器内部的温度分布趋向于平均，局部最高温度显著降低，安全性能得到大大改善。

实施例2：

(1)采用聚丙烯酸酯乳液作为粘接剂，粉状二氧化锰为超级电容活性材料，按照二氧化锰∶乙炔碳黑∶聚丙烯酸酯＝90∶5∶5的重量比混合成均匀浆料，均匀涂覆于泡沫镍上；

步骤(2)至步骤(5)同实施例1。

进行大电流放电性能测试时，发现用实施例2制造的超级电容器在初始放电阶段的电压降明显降低，且其内部温度分布趋向于平均，安全性能得到改善。

实施例3：

采用聚四氟乙烯乳液作为粘接剂，聚苯胺粉末为超级电容活性材料，按照聚苯胺∶乙炔碳黑∶聚四氟乙烯＝90∶5∶5的重量比混合成均匀浆料，均匀涂覆于泡沫镍上。100℃真空干燥6小时后，将电极在冷压机上轧制至一定的厚度和密度。按照隔离膜尺寸的要求分切隔离膜，然后将2片单面负极片41，10片双面负极片4，10片隔离膜1，11片双面正极片1如图4所示方式层叠在一起得到电极层叠体20，分别在电极层叠体20两侧反向以超声焊接的方式引出正极引出端子7和负极引出端子8，装入方形铝壳容器中，灌注电解液、化成、封装后制得本发明结构的层叠式超级电容器。

进行大电流放电性能测试时，同样发现用实施例3制造的超级电容器在初始放电阶段的电压降明显降低和其内部温度分布趋向于平均，安全性能得到明显改善。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，本领域的技术人员在不脱离本发明的权利要求限定范围内进行的各种变化均在本发明的保护范围之内。

Claims

1. 一种层叠式超级电容器，包括壳体、电解液、容纳于壳体内的电极层叠体、正极引出端子和负极引出端子，所述电极层叠体由多个正极片、多孔隔离膜和负极片依次相间叠加在一起组成，所述正极片由正极活性材料涂覆在正极集流体上制成，所述负极片由负极活性材料涂覆在负极集流体上制成，所述正极引出端子包括正极连接端和正极引出端，所述负极引出端子包括负极连接端和负极引出端，所述正极引出端子通过正极连接端电连接在所述正极片上，所述负极引出端子通过负极连接端电连接在所述负极片上，其特征在于：所述正极引出端和负极引出端分别位于电极层叠体相对的两侧。

2. 如权利要求1所述的层叠式超级电容器，其特征在于：在所述正极集流体的一侧均预留有一未涂覆正极活性材料的正极空白区且所述正极空白区层叠在一起，所述正极引出端子电连接在层叠的正极空白区上，在所述负极集流体的一侧均预留有一未涂覆负极活性材料的负极空白区且所述负极空白区层叠在一起，所述负极引出端子电连接在层叠的负极空白区上。

3. 如权利要求2所述的层叠式超级电容器，其特征在于：所述正极空白区的宽度大于所述正极引出端子的宽度，所述负极空白区的宽度大于所述负极引出端子的宽度。

4. 如权利要求3所述的层叠式超级电容器，其特征在于：所述正极引出端子和负极引出端子的厚度分别远远大于正极集流体和负极集流体厚度，所述正极引出端子和负极引出端子能够承受超级电容器的最大放电电流且温度升高幅度小于45摄氏度。

5. 如权利要求4所述的层叠式超级电容器，其特征在于：所述正极引出端子的厚度是正极集流体厚度的10～100倍，所述负极引出端子的厚度是负极集流体厚度的10～100倍。

6. 如权利要求1～5任意一项所述的层叠式超级电容器，其特征在于：所述电极层叠体最外层均为负极片且所述最外层的负极片的暴露在外的一面未涂覆负极活性材料。

7. 一种层叠式超级电容器的制造方法，包括如下步骤：

e.分切多孔隔离膜；

h.加入电解液，封装制得层叠式超级电容器。

8. 如权利要求7所述的层叠式超级电容器的制造方法，其特征在于：所述活性材料、导电剂、粘结剂的重量比为70-95∶2-10∶3-20。

9. 如权利要求8所述的层叠式超级电容器的制造方法，其特征在于：所述活性材料、导电剂、粘结剂的重量比为87-92∶3-7∶5-10。