CN101763950B - 胶体铅碳超级电容器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种胶体铅碳超级电容器，该超级电容器的负极采用活性炭负极，正极采用铅正极，隔板采用PVC-SiO2，电解质采用胶体电解质。本发明的胶体铅碳超级电容器，显著提高了放电容量和高低温性能，常温100％DOD循环寿命可以达到3000次以上，55℃100％DOD循环寿命可以达到1600次以上，5C放电容量可以达到额定容量的70％以上，-40℃放电容量可以达到常温放电容量的50％以上。

Description

胶体铅碳超级电容器
技术领域
本发明属于超级电容器技术领域，具体涉及一种胶体铅碳超级电容器。
背景技术
随着全球经济和社会的快速发展，资源和能源日渐短缺，生态环境日益恶化，人类将更加依赖于太阳能、风能、生物质能或氢能等可再生能源。其中，在太阳能和风能等储能系统中应用的铅蓄电池存在寿命短(约300～500次)、工作温度范围窄等缺陷，严重影响了配套产品的正常使用，所以需要开发新型储能技术来满足这些应用领域的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种胶体铅碳超级电容器技术，可以大大拓宽工作温度范围，与采用AGM隔膜的酸性超级电容器比较，深循环使用寿命可以延长一倍以上，且便于制造、可靠性高。
本发明的目的可以通过以下措施达到：
一种胶体铅碳超级电容器，该超级电容器的负极采用活性炭负极(以活性炭作为活性物质)，正极采用铅正极(以PbO2作为活性物质)，隔板采用PVC-SiO2，电解质采用胶体电解质。
胶体电解质的成分包括气相二氧化硅2～8wt.％、聚丙烯酰胺1～3.5wt.％、磷酸0.5～2wt.％、硫酸81～92wt.％和去离子水2～11wt.％，各组分之和为100％。
活性炭负极物料由导电炭黑、活性炭、CMC、粘结剂和水混合而成。活性炭负极物料中各组分的具体组成可以为：导电炭黑0.1～5wt.％、活性炭80～90wt.％、CMC0.1～5wt.％、粘结剂(如LA132)0.1～5wt.％，其余为水。
正极物料由铅粉、短纤维、导电炭黑、稀硫酸和水混合而成。正极物料铅膏中各组分的组成可以为：铅粉80～90wt.％、短纤维0.01～0.5wt.％、导电炭黑0.1～5wt.％、稀硫酸(1.1～1.4g/cm3)1～5wt.％，余量为水。
本发明中活性炭负极容量略大于正极容量，如活性炭负极容量为正极容量的101～120％。
胶体铅碳超级电容器的制备方法为：将正极物料配好后涂覆在铅合金板栅上制成铅正极；将活性炭负极物料配好后涂覆在铅带或铅合金电极基体上，烘干制得活性炭负极；将正负极片用PVC-SiO2隔板按照正负相间的方式排列，放入铅碳超级电容器壳体中，采用真空注液法注入均匀混合后的胶体电解质，制得胶体铅碳超级电容器。
铅碳超级电容器的充放电制度是：按0.01～0.2C倍率在1.85V～2.35V电压范围内恒压限流充放电。
将铅粉、短纤维、导电炭黑、木素磺酸钠和硫酸钡按照一定的比例进行均匀干混，接着加入适量调节水进行湿混，随后加入适量的稀硫酸和去离子水，搅拌一定时间后即制成铅膏，用双面涂板机涂覆在铅合金板栅上，即可制成铅正极。
将导电炭黑与活性炭按照一定的比例进行均匀干混，加入以水为溶剂的CMC和粘结剂充分混合后的混合物；然后，分别将混合后的铅膏和活性炭混合物涂敷在铅带或铅合金电极基体的不同区域上，在50～80℃的温度下烘干，即可制成活性炭负极。
将所述正负极片用PVC-SiO2隔板按照正负相间的方式排列，放入铅碳超级电容器壳体中，采用真空注液法注入均匀混合后的由气相二氧化硅、聚丙烯酰胺、磷酸、硫酸和去离子水按照一定比例组成的胶体电解质，这样即可制成胶体铅碳超级电容器；其中活性炭负极容量略大于正极容量。
本发明在铅碳超级电容器中采用胶体电解质，其与铅碳超级电容器的负极(特别是以活性炭作为活性物质的炭负极)之间以及与铅碳超级电容器的其他构件之间协同作用，带来了显著的效果。如胶体电解质与活性炭的相互作用时，气相二氧化硅与活性炭颗粒之间的致密接触使得纳米级活性炭不会在充放电过程中发生团聚，相同涂覆量的极片容量可以增加10％以上；纳米级气相二氧化硅还使电解液在活性炭表面的浓度分布相对均匀，避免电解液分层现象；活性炭在充放电过程中不会发生体积上的变化，使得与活性炭接触的胶态二氧化硅能够保持固定的形态和电解液数量，具体实验证实本发明比采用AGM隔板制作的铅碳超电容的使用寿命延长1倍以上。
本发明通过在铅碳超级电容器中引入胶体电解质，可以大大缓解电解液分层及正极活性物质软化脱落现象，有效提高铅碳超级电容器的放电容量和高低温性能(-30～65℃)，显著延长循环寿命，常温100％DOD循环寿命可以达到3000次以上，55℃100％DOD循环寿命可以达到1600次以上，5C放电容量可以达到额定容量的70％以上，-40℃放电容量可以达到常温放电容量的50％以上。
附图说明
图1是本发明胶体铅碳超级电容器结构示意图。
图2是本发明胶体铅碳超级电容器侧面结构示意图。
图中，1-铅正极；2-活性炭负极；3-PVC-SiO2隔板。
具体实施方式
下面通过实施例，进一步阐明本发明的突出特点和显著进步，仅在于说明本发明的实施内容而不限于本发明。
实施例1
将82wt.％铅粉、0.08wt.％短纤维、0.5wt.％导电炭黑进行均匀干混，接着加入原料重量比为8wt.％的去离子水进行湿混，随后加入8.6wt.％密度为1.4g/cm3的硫酸溶液，补水至100％；然后将这些铅膏用双面涂板机涂覆在铅合金板栅上，高温高湿固化、干燥后，即可制成铅正极。
将88wt.％活性炭与1.6wt.％导电炭黑进行均匀干混，加入1.5wt.％CMC、3.5wt.％LA132与5wt.％去离子水的混合物，补水至100％，再将混合后的膏状物双面涂敷在0.5mm厚的铅带基体上，在50～80℃的温度下烘干，即可制成活性炭负极。
将所述正负极片用PVC-SiO2隔板按照正负相间的方式排列，放入铅碳超级电容器壳体中，设定活性炭负极容量为正极容量的103％，采用真空注液法注入均匀混合后的由气相二氧化硅(5.4wt.％)、聚丙烯酰胺(1.8wt.％)、磷酸(2.1wt.％)、稀硫酸(85.6wt.％)和去离子水(5.1wt.％)组成的胶体电解质，这样即可制成胶体铅碳超级电容器，具体结构如图1所示。
按0.2C倍率在1.85V～2.35V电压范围内恒压限流充电，0.2C倍率恒流放电，常温100％DOD循环寿命可以达到3000次以上，55℃100％DOD循环寿命可以达到1600次以上，5C放电容量可以达到额定容量的70％以上，-40℃放电容量可以达到常温放电容量的45％以上。
实施例2
将83wt.％铅粉、0.08wt.％短纤维、0.6wt.％导电炭黑进行均匀干混，接着加入原料重量比为8wt.％的去离子水进行湿混，随后加入8.5wt.％密度为1.4g/cm3的硫酸溶液，补水至100％；然后将这些铅膏用双面涂板机涂覆在铅合金板栅上，高温高湿固化、干燥后，即可制成铅正极。
将87wt.％活性炭与1.8wt.％导电炭黑进行均匀干混，加入1.5wt.％CMC、3.5wt.％LA132与6wt.％去离子水的混合物，补水至100％，再将混合后的膏状物双面涂敷在0.5mm厚的铅带基体上，在50～80℃的温度下烘干，即可制成活性炭负极。
将所述正负极片用PVC-SiO2隔板按照正负相间的方式排列，放入铅碳超级电容器壳体中，设定活性炭负极容量为正极容量的106％，采用真空注液法注入均匀混合后的由气相二氧化硅(6.0wt.％)、聚丙烯酰胺(1.8wt.％)、磷酸(2.1wt.％)、稀硫酸(85.0wt.％)和去离子水(5.1wt.％)组成的胶体电解质，这样即可制成胶体铅碳超级电容器。
按0.2C倍率在1.85V～2.35V电压范围内恒压限流充电，0.2C倍率恒流放电，循环寿命和5C放电容量同实施例1，-40℃放电容量可以达到常温放电容量的50％以上。
实施例3
将84wt.％铅粉、0.08wt.％短纤维、0.4wt.％导电炭黑进行均匀干混，接着加入原料重量比为7wt.％的去离子水进行湿混，随后加入7.7wt.％密度为1.4g/cm3的硫酸溶液，补水至100％；然后将这些铅膏用双面涂板机涂覆在铅合金板栅上，高温高湿固化、干燥后，即可制成铅正极。
将88wt.％活性炭与1.6wt.％导电炭黑进行均匀干混，加入1.5wt.％CMC、3.5wt.％LA132与5wt.％去离子水的混合物，补水至100％，再将混合后的膏状物双面涂敷在0.5mm厚的铅带基体上，在50～80℃的温度下烘干，即可制成活性炭负极。
将所述正负极片用PVC-SiO2隔板按照正负相间的方式排列，放入铅碳超级电容器壳体中，设定活性炭负极容量为正极容量的110％，采用真空注液法注入均匀混合后的由气相二氧化硅(6.8wt.％)、聚丙烯酰胺(1.8wt.％)、磷酸(2.1wt.％)、稀硫酸(84.2wt.％)和去离子水(5.1wt.％)组成的胶体电解质，这样即可制成胶体铅碳超级电容器。
按0.2C倍率在1.85V～2.35V电压范围内恒压限流充电，0.2C倍率恒流放电，循环寿命和5C放电容量同实施例1，-40℃放电容量可以达到常温放电容量的56％以上。

Claims (5)

1.一种胶体铅碳超级电容器，其特征在于该超级电容器的负极采用活性炭负极，正极采用铅正极，隔板采用PVC-SiO2，电解质采用胶体电解质；其中所述的胶体电解质的成分包括气相二氧化硅2～8wt.％、聚丙烯酰胺1～3.5wt.％、磷酸0.5～2wt.％、硫酸81～92wt.％和去离子水2～11wt.％。
2.根据权利要求1所述的胶体铅碳超级电容器，其特征在于所述的活性炭负极物料由导电炭黑、活性炭、CMC、粘结剂和水混合而成。
3.根据权利要求2所述的胶体铅碳超级电容器，其特征在于铅正极物料由铅粉、短纤维、导电炭黑、稀硫酸和水混合而成。
4.权利要求1所述的胶体铅碳超级电容器的制备方法，其特征在于将正极物料配好后涂覆在铅合金板栅上制成铅正极；将活性炭负极物料配好后涂覆在铅带或铅合金电极基体上，烘干制得活性炭负极；将正负极片用PVC-SiO2隔板按照正负相间的方式排列，放入铅碳超级电容器壳体中，采用真空注液法注入均匀混合后的胶体电解质，制得胶体铅碳超级电容器。
5.根据权利要求4所述的胶体铅碳超级电容器的制备方法，其特征在于铅碳超级电容器的充放电制度是：按0.01～0.2C倍率在1.85V～2.35V电压范围内恒压限流充放电。
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