CN101950673A - 高倍率超级电容器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种极片活性物质基于活性炭的高倍率超级电容器，其正极片浆料中活性材料为活性炭和金属氧化物，负极片浆料中活性材料为活性炭，正极片浆料各组分的质量配比为：活性炭100，金属氧化物1～50，导电炭材料0.2～20，粘结剂1～20，负极片浆料各组分的质量配比为：活性炭100，导电炭材料0.2～20，粘结剂1～20。本发明与传统超电容相比，可明显提高充电接受能力，能在瞬间或短时间大电流甚至超大电流充电，而使用时正常电流放电，从而更具实用性，在工业电器、消费电子、交通运输、绿色能源等领域应用广泛，经济、社会效益显著。

Description

高倍率超级电容器
技术领域
本发明涉及一种极片活性物质基于活性炭的高倍率超级电容器，属于超级电容器技术领域。
背景技术
超级电容器是一种新型储能装置，具有功率密度大，能量密度大，充放电速度快、使用寿命长、工作温度范围宽、免维护、经济环保等优点，符合时下低炭经济的要求，是一种兼备电容和电池特性的新型电子元件。根据储能机理的不同其主要分为建立在界面双电导基础上的“双电层型”超级电容器以及建立在法拉第准电容基础上的“准电容型”超级电容器。“双电层型”超级电容器性能是由碳材料的性质决定的，其中包括碳材料的比表面积、孔径分布、电化学稳定性和电导率等，满足要求的有活性炭、纳米碳纤维、纳米碳管等；“准电容型”超级电容器的原理是电极材料利用锂离子或质子在材料的三维或二维晶格立体结构中的储留来达到储存能的目的，该类电极材料包括金属氧化物、氮化物、高分子聚合物等。
“双电层型”超级电容器一般是以活性炭作为活性材料，石墨、乙炔黑作为导电材料，聚偏氟乙烯作为粘结剂。由于活性炭导电性能比较差，主要依靠添加导电材料，提高导电性能，提高炭材料的利用率，而通常导电材料不是活性材料，提高导电材料的量，则炭材料的量相应降低，超级电容器的容量则减小，因此此类型超级电容器倍率充放电性能受到严重的限制。在实际使用中，现有超级电容器充电时间比较长，需花费几分钟甚至几个小时，然而能使用的时间却很短，只有几分钟甚至几秒钟。人们更希望能够在较短的时间内充电完成，放电时间不变甚至更长，从而更方便使用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处，提供一种以新的组分和配比制备极片浆料，进而有效提高倍率充放电性能，提高容量，更具实用性的高倍率超级电容器。
本发明的技术方案是：高倍率超级电容器，包括正极片、负极片、隔离膜、非水电解液、外壳，正极片和负极片浆料由活性材料、导电材料、粘结剂组成，其改进之处是正极片浆料中活性材料为活性炭和金属氧化物，负极片浆料中活性材料为活性炭，正、负极片浆料中导电材料均为导电炭材料，正极片浆料各组分的质量配比为：活性炭100，金属氧化物1～50，导电炭材料0.2～20，粘结剂1～20；负极片浆料各组分的质量配比为：活性炭100，导电炭材料0.2～20，粘结剂1～20。
进一步的方案是：所述金属氧化物为氧化锰、氧化镍、氧化钴、氧化钌、氧化铱、氧化锡、氧化铋、氧化铈中的一种或几种任意比例的组合；所述导电炭材料为纳米炭管、石墨、乙炔黑、炭纤维、超导炭中的一种或几种任意比例的组合；所述粘结剂为聚偏氟乙烯、水系粘结剂LA132、水系粘结剂LA133、水系粘结剂LA135中的一种或几种任意比例的组合。
本发明中正、负极片的集流体为铝箔，厚10～50μm，正、负极片厚度为50～250μm，隔离膜厚度为20～60μm，孔隙率为40％～85％，非水电解液的盐浓度为1.0～2.0M。
本发明的有益效果是：由于在正极片浆料的活性材料中增加了金属氧化物，金属氧化物在作为活性材料的同时也可作为导电材料，其优秀的导电能力使得超级电容器具有良好的倍率性能，同时也可降低超级电容器中导电材料的添加量，活性材料比例相对得到提高，超级电容器的容量相对提高。本发明通过理论分析和试验对比，在不增加或较少增加电容器制造成本的同时，确定了极片浆料中组分和配比的优选方案，与传统超级电容器相比，可显著提高电容器的充电接受能力，能在瞬间或短时间大电流甚至超大电流充电，而使用时正常电流放电，从而更具实用性，使得超级电容器在工业电器、消费电子、交通运输、绿色能源等领域应用前景广阔，具有显著的经济、社会和环保效益。
具体实施方式
下面通过实施例和比较例及其性能检测对比，进一步说明本发明。
实施例1：
将正极活性材料活性炭、氧化锰，导电炭材料纳米碳管、乙炔黑、石墨，粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按62∶27∶1∶1∶1∶8的质量比混合均匀并加入300份(质量份，下同)N-甲基吡咯烷酮溶剂(NMP)调匀成糊状，均匀涂在20μm厚的铝箔上并烘干除去溶剂和水分，最后碾压成150μm，裁剪成177×99mm的长方条形，得到正极片。
将负极活性材料活性炭，导电炭材料纳米碳管、乙炔黑、石墨，粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按86∶2∶2∶2∶8的质量比混合均匀并加入300份N-甲基吡咯烷酮溶剂(NMP)调匀成糊状，均匀涂在20μm厚的铝箔上并烘干除去溶剂和水分，最后碾压成150μm，裁剪成177×99mm的长方条形，得到负极片。
然后采用25μm厚的隔膜，按隔膜、正极片、隔膜、负极片的顺序叠成13185128型电芯，焊接电芯，贴上高温胶带。
将上述电芯放入金属壳中、焊盖、注入非水电解液、封口，最终装配成13185128型超级电容器。
比较例：
与实施例1类似，不同之处在于正负极活性材料均采用活性炭，导电材料为乙炔黑、石墨，粘结剂为PVDF，各组分按常规质量配比。
实施例2
将正极活性材料活性炭、氧化钌、氧化锡，导电炭材料炭纤维(VGCF)、乙炔黑、超导炭，粘结剂LA135、LA133按60∶15∶15∶1∶1∶1∶6∶1的质量比混合均匀并加入300份N-甲基吡咯烷酮溶剂(NMP)调成糊状，均匀涂在20μm厚的铝箔上并烘干除去溶剂及水分，最后碾压成150μm，裁剪成177×99mm的长方条形，得到正极片。
将负极活性材料活性炭，导电炭材料炭纤维(VGCF)、乙炔黑、超导炭，粘结剂LA135、LA133按86∶2∶2∶3∶6∶1的质量比混合均匀并加入300份N-甲基吡咯烷酮溶剂(NMP)调均成糊状，均匀涂在20μm厚的铝箔上并烘干除去溶剂和水分，最后碾压成150μm，裁剪成177×99mm的长方条形，得到负极片。
然后采用25μm厚的隔膜，按隔膜、正极片、隔膜、负极片的顺序叠成13185128型电芯，焊接电芯，贴上高温胶带。
将上述电芯放入金属壳中、焊盖、注入非水电解液、封口，最终装配成13185128型超级电容器。
超级电容器性能检测
对上述方法制作的各种电容器进行化成和后处理，以10C电流(即该电流在数值上10倍于超级电容器容量，电流单位为A，容量单位为Ah)放电到1.35V，随后按下面方法进行倍率充放电检测。
测试方法如下：
10C电流恒压2.7V充电，截止电流10mA，静置2分钟，然后用10C电流放电到1.35V。用同样方法充电，然后用100C电流放电到1.35V。
20C电流恒压2.7V充电，截止电流20mA，静置2分钟，然后用10C电流放电到1.35V。用同样方法充电，然后用100C电流放电到1.35V。
40C电流恒压2.7V充电，截止电流40mA，静置2分钟，然后用10C电流放电到1.35V。用同样方法充电，然后用100C电流放电到1.35V。
80C电流恒压2.7V充电，截止电流80mA，静置2分钟，然后用10C电流放电到1.35V。用同样方法充电，然后用100C电流放电到1.35V。160C电流恒压2.7V充电，截止电流160mA，静置2分钟，然后用10C电流放电到1.35V。用同样方法充电，然后用100C电流放电到1.35V。
对于10C电流放电结果如表1：
Figure BSA00000208834900051
对于100C电流放电结果如表2：
表1、表2是本发明实施例和比较例经不同倍率充电后，分别以10C和100C电流放电性能比较，表中：
Figure BSA00000208834900053
表示超级电容器10C电流充电后10C电流放电容量，
Figure BSA00000208834900054
表示超级电容器20C电流充电后10C电流放电容量，
Figure BSA00000208834900055
表示超级电容器40C电流充电后10C电流放电容量，余类推。
Figure BSA00000208834900056
表示超级电容器10C电流充电后100C电流放电容量，
Figure BSA00000208834900057
表示超级电容器20C电流充电后100C电流放电容量，
Figure BSA00000208834900058
表示超级电容器40C电流充电后100C电流放电容量，余类推。表中容量单位均为Ah。可以看出充放电倍率越大，实施例和比较例的性能差异越大，很明显本发明的超级电容器具有良好的倍率充放电性能，可以达到快速充电的效果。
上述参照实施例对该高倍率超电容器进行的描述，是说明性而不是限定性的，本发明所提出的设计思路亦可应用在各种类型的超级电容器上，并且不受电容型号大小的限制，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高倍率超级电容器，正极片和负极片浆料由活性材料、导电材料、粘结剂组成，其特征是正极片浆料中活性材料为活性炭和金属氧化物，负极片浆料中活性材料为活性炭，正、负极片浆料中导电材料均为导电炭材料，正极片浆料各组分的质量配比为：活性炭100，金属氧化物1～50，导电炭材料0.2～20，粘结剂1～20；负极片浆料各组分的质量配比为：活性炭100，导电炭材料0.2～20，粘结剂1～20。
2.按权利要求1所述高倍率超级电容器，其特征是所述金属氧化物为氧化锰、氧化镍、氧化钴、氧化钌、氧化铱、氧化锡、氧化铋、氧化铈中的一种或几种任意比例的组合。
3.按权利要求1所述高倍率超级电容器，其特征是所述导电炭材料为纳米炭管、石墨、乙炔黑、炭纤维、超导炭中的一种或几种任意比例的组合。
4.按权利要求1所述高倍率超级电容器，其特征是所述粘结剂为聚偏氟乙烯、水系粘结剂LA132、水系粘结剂LA133、水系粘结剂LA135中的一种或几种任意比例的组合。
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