CN101383226A - 一种太阳能储能用超级电容器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能储能用超级电容器，包括正极、负极和集流体，正极采用氢氧化镍的镀镍冲孔钢带拉浆式正极，负极采用活性炭的镀镍冲孔钢带拉浆式负极。本发明还公开了该太阳能储能用超级电容器的制备方法。本发明得到的超级电容器不仅性能优异，而且成本低，易于推广应用。
Description
技术领域
本发明属于太阳能储能器件领域，具体涉及一种太阳能储能用超级电容器及其制备方法。
背景技术
超级电容器作为一种新型储能元件已经引起人们的广泛关注，并进行了广泛的研究。其能量密度比传统的电解电容器高上百倍，漏电流小近千倍，它的放电比功率较蓄电池高近十倍，不需要任何维护和保养，寿命长达十年以上，是一种理想的大功率二次电源。已成功的应用于电动车辆、激光微波武器、移动通信装置、计算机以及作为燃料电池的启动电源等，超大容量电容器与蓄电池联用作为绿色环保型交通工具电动汽车的动力系统被认为是解决电动汽车推动问题的较好途径。电化学电容器作为高脉冲电流发生器也将在航空航天、国防等方面发挥重要作用。
目前光伏电池的储能装置还是以超级铅酸蓄电池为主，主要是因为铅酸蓄电池价格低廉。而超级电容器高昂的价格限制了其在太阳能储能方面的应用。所以针对超级电容器大电流放电性能要求不高的前提下，开发低成本的太阳能储能用超级电容器破在眉睫。
中国专利200510028383.4涉及到一种电容器，以毛刺金属带作为活性炭集流体，将炭膏碾压到毛刺金属集流体上。该法制备活性炭电极工艺相对复杂，活性炭电极厚度不均匀，电极的均一性得不到保障。中国专利200610148798.X涉及到一种混合型超级电容器，正极活性物质为氢氧化镍与二氧化锰混合粉体，和膏后涂覆在泡沫镍上。氢氧化镍与二氧化锰放电平台电压不一致，导致正极性能不稳定，用泡沫镍作为集流体，成本高，应用推广较为困难。
发明内容
本发明的目的是针对目前超级电容器成本偏高、市场应用较为困难的缺点，从而提供一种高性能、低成本的太阳能储能用超级电容器。目前，只有降低超级电容器的成本，市场推广才能实现。
本发明的目的可以通过以下措施达到：
一种太阳能储能用超级电容器，包括正极、负极和集流体，正极采用氢氧化镍的镀镍冲孔钢带拉浆式正极，负极采用活性炭的镀镍冲孔钢带拉浆式负极。
其中正极的浆料组成及重量百分比为：氢氧化镍70～95％，导电剂3～15％，粘结剂1～10％，羧甲基纤维素钠1～5％(各组分用量之和满足100％)；优选为氢氧化镍83％，乙炔黑7％，石墨3％，粘结剂5％，羧甲基纤维素钠2％；负极的浆料组成及重量百分比为：活性炭70～95％，导电剂2～20％，粘结剂2～10％，羧甲基纤维素钠1～5％(各组分用量之和满足100％)；优选为活性炭82.5％，石墨10％，粘结剂6％，羧甲基纤维素钠2.5％。粘结剂通常选用聚四氟乙烯(PTFE)，导电剂有很多种，如石墨、乙炔黑、导电炭等。正极浆料中还可加入正极浆料质量2～8％的钴和1～5％的锌以提高性能，但钴的价格较高。
本发明超级电容器的一个特点是正极容量为负极容量1.2～1.8倍。超级电容正极采用镍电极，属于电池型正极，其寿命要比活性炭电极寿命短，为了保证电容器的使用寿命，本发明降低电容器活性炭的用量，将正极容量设计为负极容量的1.2～1.8倍。
本发明超级电容器的一个特点是正极极片单独化成。正极单独化成解决了正极组成电容器化成时负极析氢过程中对电极活性物质影响，从而避免了活性炭利用率下降和电极内阻升高的问题。正极单独化成也使正极在制作过程中引入的杂质离子溶入电解液，降低电容器的漏电流。
以上的措施可以提高电容器的性能，同时降低电容器的成本。
一种超级电容器的制备方法，将正、负极浆料用水和好后，涂覆在集流体镀镍冲孔钢带上，干燥并压片制成正极片或负极片；将正极片化成，包上隔膜，按正、负极容量比为1.2～1.8：1的比例组装成电容器芯子，入壳，注入电解液，制得太阳能储能用超级电容器。
和膏时，先将正极浆料中的氢氧化镍、乙炔黑和石墨混匀，再加入粘结剂、羧甲基纤维素钠溶液和水进行和膏，至固液比1.2～1.6：1；负极为先活性炭和石墨混匀，再加入水、粘结剂和羧甲基纤维素钠溶液进行和膏，至固液比1.2～1.6：1。
拉浆时将和好的浆料涂覆在镀镍冲孔钢带上，其中集流体镀镍冲孔钢带上镀镍层的厚度为5～20μm。
涂覆过浆料的正、负极集流体采用循环风干燥，其中正极的干燥温度为120～160℃，负极干燥温度为80～120℃。
正极片化成时，正极采用氢氧化镍，负极采用镍、铜或不锈钢金属板，电解液采用5～10mol/L的KOH或NaOH溶液，还可以添加少量LiOH，含量在5～20g/L。一般可采用1C充电、2C放电的化成制度。
电解液可采用常规超级电容器的电解液，一般为5～10mol/L的KOH或NaOH溶液。
本发明的超级电容器用作太阳能储能用，所以对电容器的容量，能量密度要求比较高。而目前市面的超级电容器大部分都是利用超级电容器高功率输出这一特性，所以对电容器的容量较低，基本上是6000F以下的产品，功率密度为0.8～3kw/kg，能量密度为3～10wh/kg。要作为太阳能储能用，最小单元为80000F。电容器的寿命也视电容器类型而定，对称型超级电容器寿命为50万次以上，但是比能量低，不适合作储能用，而不对称的超级电容器寿命只有8万次以上，比能量高。本发明的超级电容器为水系不对称型超级电容器，寿命一般都在10次左右。本发明的超级电容器功率密度为1000w/kg，其能量密度为14wh/kg，在同类产品中处于领先地位。目前市场上的超级电容器价格高，容量低，无法用作太阳能储能用。本发明的超级电容器针对太阳能储能用对电流要求不高的前提，通过使用廉价的替代材料，使得超级电容器成本降低40％。本发明得到的超级电容器不仅性能优异，而且成本低，易于推广应用。
具体实施方式
实施例1
1、和膏：正极和膏，浆料的各成分配比为氢氧化镍83％，乙炔黑7％，石墨30％，粘结剂(PTFE)5％，羧甲基纤维素钠2％。氢氧化镍、石墨、乙炔黑按上述比例混合均匀后，加入PTFE、3wt％羧甲基纤维素钠溶液、水，固液比保持在1.4：1，搅拌2h。
负极和膏，浆料的各成分配比为活性炭82.5％，石墨10％，粘结剂(PTFE)6％，羧甲基纤维素钠2.5％。活性炭、石墨按上述比例混合均匀后，加入PTFE、3％羧甲基纤维素钠溶液、水，固液比保持在2.1:1。
2、拉浆：将上述和好的正负浆料涂覆在镀镍冲孔钢带上，冲孔钢带镀镍层厚度为10μm。正极走带速度为20m/h，负极走带速度为30m/h。
3、干燥：采用循环风干燥，正极干燥温度140℃，负极干燥温度为100℃。
4、压片：干燥后的极片20MPa滚压。
5、正极化成：化成正极用氢氧化镍正极，负极采用镍金属板做负极，电解液为7mol/L的KOH溶液。采用1C充电，2C放电的化成制度。
6、组装：正负极套PP/PE复合隔膜后，按容量1.2:1的比例组装成电容器芯子，入壳后，制成80000F电容器。
7、注液：注7mol/L的KOH溶液。
超级电容器10A充电至1.5V，10A放电至0.8V，循环寿命达9万次以上。该超级电容器功率密度为1000w/kg，其能量密度为14wh/kg。
根据各种原材料的价格和超级电容器实际用量，将本发明超级电容器与传统的超级电容器做材料成本比，结果如表1所示。
表1 1.5V，80000F超级电容器的成本比较
| 传统超级电容器 | 费用(元) | 实施例1超级电容器 | 费用(元) | |
| 正极 | 烧结镍 | 180 | 氢氧化镍镀镍冲孔钢带拉浆 | 80 |
| 负极 | 活性炭泡沫镍拉浆 | 270 | 活性炭镀镍冲孔钢带拉浆 | 160 |
| 其他配件 | 50 | 50 | ||
| 合计 | 500 | 290 |
实施例2
1、和膏:正极和膏，浆料的各成分配比为氢氧化镍83％，乙炔黑7％，石墨3％，粘结剂(PTFE)5％，羧甲基纤维素钠2％。氢氧化镍、石墨、乙炔黑按上述比例混合均匀后，加入PTFF、3wt％羧甲基纤维素钠溶液、适量的水，固液比保持在1.4：1，搅拌2h。
负极和膏，浆料的各成分配比为活性炭82.5％，石墨10％，粘结剂(PTFE)6％，羧甲基纤维素钠2.5％。活性炭、石墨按上述比例混合均匀后，加入PTFE、3wt％羧甲基纤维素钠溶液、适量的水，固液比保持在2.1:1。
2、拉浆：将上述和好的正负浆料涂覆在镀镍冲孔钢带上，冲孔钢带镀镍层的厚度为10μm。正极走带速度为20m/h，负极走带速度为30m/h。
3、干燥：采用循环风干燥，正极干燥温度140℃，负极干燥温度为100℃。
4、压片：干燥后的极片20MPa滚压。
5、正极化成：化成正极用氢氧化镍正极，负极采用镍金属板做负极，电解液为7mol/L的KOH溶液。采用1C充电，2C放电的化成制度。
6、组装：正负极容量按1.4:1的比例组装成电容器芯子，入壳后，制成80000F电容器。
7、注液：注7mol/L的KOH溶液。
超级电容器10A充电至1.8V，10A放电至0.8V，循环寿命达11万次以上。
根据各种原材料的价格和超级电容器实际用量，将本发明超级电容器与传统的超级电容器做材料成本比较，，结果如表2所示。
表2 1.8V，80000F超级电容器的成本比较
| 传统超级电容器 | 费用(元) | 实施例1超级电容器 | 费用(元) | |
| 正极 | 烧结镍 | 210 | 氢氧化镍镀镍冲孔钢带拉浆 | 95 |
| 负极 | 活性炭泡沫镍拉浆 | 270 | 活性炭镀镍冲孔钢带拉浆 | 160 |
| 其他配件 | 50 | 50 | ||
| 合计 | 530 | 305 |
Claims (10)
1、一种太阳能储能用超级电容器，包括正极、负极和集流体，其特征在于正极采用氢氧化镍的镀镍冲孔钢带拉浆式正极，负极采用活性炭的镀镍冲孔钢带拉浆式负极。
2、根据权利要求1所述的超级电容器，其特征在于正极的浆料组成及重量百分比为：氢氧化镍70～95％，导电剂3～15％，粘结剂1～10％，羧甲基纤维素钠1～5％。
3、根据权利要求1所述的超级电容器，其特征在于负极的浆料组成及重量百分比为：活性炭70～95％，导电剂2～20％，粘结剂2～10％，羧甲基纤维素钠1～5％。
4、根据权利要求1所述的超级电容器，其特征在于正极容量为负极容量1.2～1.8倍。
5、一种权利要求1所述的超级电容器的制备方法，其特征在于将正、负极浆料用水和好后，涂覆在集流体镀镍冲孔钢带上，干燥并压片制成正极片或负极片；将正极片化成，包上隔膜，按正、负极容量比为1.2～1.8：1的比例组装成电容器芯子，入壳，注入电解液，制得太阳能储能用超级电容器。
6、根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于正极浆料用水和至固液比1.2～1.6：1，负极浆料用水和至固液比1.2～1.6：1。
7、根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于所述的集流体镀镍冲孔钢带上镀镍层的厚度为5～20μm。
8、根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于涂覆过浆料的正、负极集流体采用循环风干燥，其中正极的干燥温度为120～160℃，负极干燥温度为80～120℃。
9、根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于正极片化成时，正极采用氢氧化镍，负极采用镍、铜或不锈钢金属板，电解液采用5～10mol/L的KOH或NaOH溶液。
10、根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于所述的电解液为5～10mol/L的KOH或NaOH溶液。
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| CN106471649A (zh) * | 2014-07-09 | 2017-03-01 | 瓦尔达微电池有限责任公司 | 二次电化学电池和充电方法 |
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