CN102509614B - 一种高能镍碳超级电容器的制备方法 - Google Patents

一种高能镍碳超级电容器的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高能镍碳超级电容器的制备方法，是由氢氧化镍为主要活性物质的正极板，碱金属氢氧化物水性电解液和储氢合金粉与活性碳材料为主要活性物质组成的混合负极板，以及隔膜密封在不锈钢或工程塑料外壳内构成，具有储能密度大、放电功率高等特点。本超级电容器工作电压可达1.3V，最大储能密度达到65Wh/kg，可广泛应用于电动公交车的动力电源、车辆低温启动用动力电源、军用装备的动力电源，如航空航天、歼击机、潜艇、舰艇等装备用电容器，也可应用在便携式设备用高容量动力电源，如笔记本电脑、手机、电动工具用电容器等。应用领域涉及到车辆、交通、工业、航空、军事、消费电子、绿色能源等，具有非常广泛的应用前景。

Description

一种高能镍碳超级电容器的制备方法
技术领域
本发明属于超级电容器领域，尤其是一种高能镍碳超级电容器的制备方法。
背景技术
随着国家新能源建设的逐步推进，新能源的研究步入一个快速发展的轨道，尤其超级电容器的研究引起各国的重视。通过检索，发现如下有关超级电容器的公开专利文献：
1、一种氢氧化亚镍混和式超级电容器及其制备方法(CN200810111891.2)，该电容器包括圆柱型和方型结构，由氢氧化亚镍阳极，碱金属氢氧化物水性电解液和活性碳纤维阴极密封在不锈钢或工程塑料外壳内构成，具有储能密度大、放电功率高等特点的混和式超级电容器。氢氧化亚镍阳极采用化学反应法和电化学反应方法制备，在其中掺加适量碳纳米管及羰基镍作为添加剂，发泡镍为基体制造出阳极。活性碳阴极采用电镀镍处理过的活性碳纤维作为原材料，采用镍箔作为集流体。所组装电容器工作电压达到1.6V，最大储能密度达到20Wh/kg，峰值放电功率达到8KW/kg。在工业、交通、电子、军事等领域广泛应用。
2、一种车用启动超级电容器(CN03114837.9)，超级电容器芯子由包裹隔膜的烧结式氧化镍正极片，连续化活性碳纤维布负极和集流支撑的薄镍片构成，电容芯子通过制作、焊接电流端子后置于塑料壳体内，注入电解液，封口便得超级电容器成品。该超级电容器具有较高的功率密度和能量密度，且重量轻，成本低，寿命长，适合做各种类型车辆的启动能源，推广应用具有很好价值。
3、一种用于超级电容器的碳基多孔电极薄膜及其制备方法(CN200410009580.7)，薄膜各组分含量为：活性炭含量为72mass％～99mass％，导电碳黑或石墨含量为0.1mass％～20mass％，氧化锆纳米粉体的含量为0.1mass％～5mass％，纳米金属镍粉体含量为0.1mass％～3mass％；空隙率为45％～75％，进一步的优选空隙率为55％～65％。制备本发明薄膜首先将去离子水、有机单体和交联剂混合均匀；然后将分散剂加入溶液搅拌均匀得到预混溶液；再将原料粉体加入，球磨混合，制成浆料；将所得浆料加入除泡剂并进行真空除泡；将引发剂和催化剂加入除泡后的浆料，搅拌均匀后，在流延机上经成型、固化和脱膜后得到生坯，再经弱氧化气氛热处理，得到目标多孔电极薄膜。本发明成型工艺简单、成型时间短、易操作，薄膜厚度可控性好、中孔发达。
4、一种大倍率充放电性能超级电容器的多孔炭电极的制备方法(CN200810053475.1)，该方法包括以下过程，以微孔型沸石分子筛为模板，以气体乙炔、甲烷或乙烯为碳源，在石英管反应器中，利用高周波加热装置进行气相沉积得到富含微孔的多孔炭；多孔炭再经1000-1600℃高温热处理调节表面性质制得大比表面积多孔炭；大比表面积多孔炭与聚四氟乙烯混合分散到乙醇中，并调制为浆状，均匀地涂敷在泡沫镍片上，再经烘干压制制成多孔炭电极。本发明的优点在于：所制得的大比表面积炭具有均一的孔隙结构；多孔炭的表面亲水性低，氧含量低，所制得的多孔炭电极特别适用于大倍率充放电性能的超级电容器。
5、一种氢氧化亚镍混和式超级电容器及其制备方法(CN200810111891.2)，该电容器包括圆柱型和方型结构，由氢氧化亚镍阳极，碱金属氢氧化物水性电解液和活性碳纤维阴极密封在不锈钢或工程塑料外壳内构成具有储能密度大、放电功率高等特点的混和式超级电容器。氢氧化亚镍阳极采用化学反应法和电化学反应方法制备，在其中掺加适量碳纳米管及羰基镍作为添加剂，发泡镍为基体制造出阳极。活性碳阴极采用电镀镍处理过的活性碳纤维作为原材料，采用镍箔作为集流体。所组装电容器工作电压达到1.6V，最大储能密度达到20Wh/kg，峰值放电功率达到8KW/kg。在工业、交通、电子、军事等领域广泛应用。
6、一种混合型超级电容器及其制备方法(CN200910079669.3)，混合型超级电容器的负极活性材料为纳米TiO2或TiO2的同质异像体TiO2-B中的一种或几种，正极活性材料为碳纳米管、碳纳米纤维、石墨、导电炭黑、氢氧化镍、氢氧化锰或氢氧化钼中的一种或几种。混合型超级电容器以正负极活性材料、粘结剂和导电剂为原料制成电极，在手套箱中装配成模拟电池制成超级电容器。本发明提供的制备方法具有可调控，制备流程简单，操作容易，组装的混合超级电容器模型具有比容量高、电位低、性能稳定、可大电流充放电、循环寿命长、成本低廉、机械化大规模生产容易实现等特点。
7、一种超级电容器的制备方法(CN200910063288.6)，它包括如下步骤：1)将泡沫镍基板放入化学气相沉积反应炉中，通入氩气10-60分钟，排尽炉内空气，然后，加热升温至450-750℃，在氩气氛围中以25-40ml/min的流量通入烃类气体，450-750℃下反应30秒至50分钟，反应完成后，得到生长有碳纳米管的泡沫镍；2)除去表面疏松层产物后，直接以生长有碳纳米管的泡沫镍基体直接用作超级电容器电极；3)将步骤2所得的两片厚度、大小相同的电极干燥，用电解液充分浸泡1-36小时，再用同样浸满电解液的隔膜隔开，组装得到超级电容器；所述烃类气体是乙炔、甲烷、乙烯、或丙烯。本发明碳纳米管是直接生长在泡沫镍基板上，无需使用粘合剂；泡沫镍为基板，电极物质体积密度更高，孔分布合理。
经过对比，上述各项专利技术与本专利申请有较大不同。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种储能密度大、放电功率高的高能镍碳超级电容器的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用下列技术方案：
一种高能镍碳超级电容器的制备方法，包括由正、负极浆料的制备、正、负极板的制备、极耳焊接、极组叠片、极柱集流体焊接、装壳、电容器注液、活化分类工序，各步骤的内容是：
(1)制备正、负极浆料；
(2)制备正、负极板，通过极板连续生产线将正、负极板的浆料填充到泡沫镍基体上，并连续烘干、滚压、切片；
(3)极耳焊接：通过先点焊再滚焊的方法将极板泡沫镍基体部分与导电极耳焊接在一起，并在焊接处粘贴耐高温胶带绝缘；
(4)极组叠片：将正负极板用自动叠片机叠片，其中采用分组点焊的方式分别将正负极耳分组点焊在一起；
(5)极柱集流体焊接：将正负极极柱集流体与分组点焊好的极板组装在一起，并通过氩弧焊焊接牢固；
(6)装壳：用绝缘套包裹上述固定好的极组，装入电容器外壳中，并用氩弧焊机焊接密封壳体；
(7)电容器注液、分类：将电解液注入电容器中，安装安全阀，在真空条件下在保存箱中搁置，然后进行充放电活化分类，即完成成品分选配组。
而且，所述正、负极浆料的制备方法是：
A、正极浆料的构成及制备：正极浆料由正极用粘合剂和主料构成，正极用粘合剂为正极粘合剂和主料所形成的总重量的20％-35％；其中：
正极用粘合剂的原料构成及其重量配比范围分别为：
羧甲基纤维素钠    2％～4％
去离子水          96％～98％；
配制方法为：
(1)按重量配比，分别称好羧甲基纤维素钠及去离子水的重量；
(2)将称好的去离子水加热到80℃，将水倒入配料桶中，慢慢加入羧甲基纤维素钠，边加入边搅拌，搅拌均匀即可，然后放置24小时，至常温。
正极浆料的原材料构成及其重量百分比范围分别为：
Figure BDA0000095158030000041
所述高温添加剂为氧化锆、氧化锌、氧化钇的其中至少一种。
正极浆料制备方法的步骤是：
(1)重量配比准备好正极用粘合剂，放在搅拌机上搅拌均匀；
(2)按照重量配比将氧化亚钴、亚氧化钛用去离子水溶解，去离子水要慢慢加入，边加入边搅拌以免粉料结块，形成混合浆液；
(3)将去离子水与氧化亚钴、亚氧化钛形成的混合浆液加到配料桶里，搅拌均匀；
(4)按照重量配比向配料桶中添加高温添加剂；
(5)然后按照重量配比加入球形氢氧化镍，先加入五分之一，搅拌均匀后继续分批加入氢氧化镍，放到搅拌机内搅拌；
(6)加完后再均匀搅拌半小时；
(7)之后按照重量配比加入聚四氟乙烯乳液，搅拌均匀即可形成正极浆料。
B、负极浆料的构成及制备：负极板用浆料由负极用粘合剂和主料构成，负极用粘合剂为负极粘合剂和主料所形成的总重量的20％-38％；其中：
负极用粘合剂的原料构成及其重量配比范围分别为：
HPMC        2％～4％
去离子水    96％～98％；
其配制方法是：
(1)加热去离子水，温度控制在60℃-80℃；
(2)缓慢加入HPMC，边加入边搅拌；
(3)完全加入后，放在搅拌机内搅拌，搅拌至无结块、浆液均匀为止，降至室温备用。
负极浆料的原材料构成及重量百分比范围如下：
储氢合金粉    70％～85％；
活性碳材料    5％～15％；
亚氧化钛      0.5％～5％；
PTFE乳液      2％～8％；
负极浆料制备方法的步骤是：
(1)将负极用粘合剂，放在搅拌机上搅拌均匀；
(2)按照重量配比将活性碳材料、亚氧化钛用去离子水溶解，去离子水慢慢加入，边加入边搅拌，以免粉料结块，形成混合浆液；
(3)将去离子水与活性碳材料、亚氧化钛形成的混合浆液加到配料桶里，搅拌均匀；
(4)按照重量配比加入储氢合金粉，先少量加入十分之一，搅拌均匀后，继续分批加入到搅拌机内搅拌；
(5)加完后再均匀搅拌半小时；
(6)半小时后按照重量配比加入PTFE乳液，搅拌均匀即成为负极浆料。
而且，所述正、负极板的制备方法如下：
A、正极板制备方法的步骤是：
(1)使用极板自动生产线将泡沫镍预压至所需厚度后，在其一侧边的正反面上对称粘贴一层胶带，以保证在制作出的极板一侧留出8～10mm的空白基体以便与极耳连接；
(2)将正极浆料导入浆槽中，贴好胶带的泡沫镍通过浆槽，使浆料均匀的填充至泡沫镍极板的孔隙中，并将泡沫镍极板表面刮平；
(3)将浸有正极浆料的泡沫镍极板采用烘干炉五段控温法进行烘干，五段控温法的温度控制区域分别为80-100℃、90-130℃、100-140℃、110-150℃、120-150℃，速度控制在1-2米/分钟，每段的温度控制均不超过150度，由此烘干已填充浆料的泡沫镍极板；
(4)将烘干的泡沫镍极板除去胶带，用对辊机滚压至所需厚度；
(5)将压好的泡沫镍极板按照一定的尺寸裁片，制成正极板。
B、负极板的制备方法的步骤是：
(1)使用极板自动生产线将泡沫镍预压至所需厚度后，在其一侧边的正反面上对称粘贴一层胶带，以保证在制作出的极板一侧留出8～10mm的空白基体以便与极耳连接；
(2)将配好的负极浆料导入浆槽中，贴好胶带的泡沫镍极板通过浆槽，使浆料均匀的填充至泡沫镍极板的孔隙中，并将泡沫镍极板表面刮平；
(3)将浸有负极浆料的泡沫镍极板采用烘干炉五段控温法进行烘干，五段控温法的温度控制区域分别为80-100℃、90-130℃、100-140℃、110-150℃、120-150℃，速度控制在1-2米/分钟，每段的温度控制均不超过150度，由此烘干已填充浆料的泡沫镍极板；
(4)在第三段烘干与第四段烘干中间，在半干的极板涂上一层常规修饰液，然后继续进行下一阶段烘干；
(5)将烘干的泡沫镍极板除去胶带，用对辊机滚压至所需厚度；
(6)将压好的泡沫镍极板按照一定的尺寸裁片，制成负极板。
而且，所述导电极耳焊接包括点焊、滚焊、贴胶带三个步骤，是将正负极片与极耳之间通过先点焊定位，再滚焊固定的方式连接，之后用高温胶带进行绝缘处理，具体步骤是：
正、负极板的点焊：
(1)打开点焊机，将电压调至脉冲电压100-500V的数值；
(2)将极耳与修整好的正极板片右侧对齐、负极板左侧对齐，在极耳与极板的重叠处均匀的点焊6～10个点，从而周正地固定极耳与极片的位置；
正、负极板的滚焊：
(1)打开滚焊机，设置预热电流80A、焊接电流170A、预压时间2s、递增时间0.5s、焊接时间12s、维持时间23s；
(2)极板的准备：用毛刷清扫已点焊固定好的极板，保证极板与极耳的连接处清洁；
(3)将清洁好的正、负极片依次放入滚焊机的上、下滚轮之间，极耳与极片的连接部分要对准滚轮，使极耳与极片紧密焊接在一起；
正、负极板的绝缘保护：
(1)把滚焊好的正、负极板毛刺清理干净；
(1)使用自动贴胶带机把焊在极板上的极耳用高温胶带贴上。
经过极耳焊接固装的正负极板，进行下一步定位叠片。
而且，所述极组叠片的方法是：将正、负极板、隔膜按工艺铺好隔膜，机械装置自动吸入一片负极板，叠一层隔膜，机械装置自动吸入一片正极板，再叠一层隔膜，如此按工艺要求进行叠片；然后对极板采用自动点焊机对正、负极板分组自动点焊，如此叠片和焊接制作成电池或电容器要求的极组，设备自动包装极组，切断连续隔膜，胶带自动粘贴极组进行固定。
而且，所述极柱集流体焊接工艺的步骤是：
(1)将正极板及负极板采用隔膜间隔相叠形成的极组安装在组装卡具的卡具盒内，正、负极板的极耳分别设置在极组的上端两侧；
(2)使用扁口钳将点焊在一起的两侧正、负极耳压扁，使之嵌装到正、负极极柱的集流体下端所制的安装槽内；
(3)使用定位板将所制导向柱通孔套装入导向柱上，极柱通孔套装入极柱上，校正正、负极极柱的位置，并锁紧极柱；
(4)在正、负极的极耳根部与集流体之间水平嵌装防护板，使防护板上所制的开口槽嵌装入极耳、两个定位半圆槽嵌装到导向柱上，两个相向的防护板镜像相对将极组封闭，只露出极耳；
(5)采用氩弧焊技术焊接极耳与极柱；
(6)焊接后，倒过卡具盒，用橡皮锤敲打，倒出碳渣；
(7)焊接冷却后，用万用表检查电容器是否短路。
而且，所述组装卡具由卡具盒、防护板及定位板构成，卡具盒为上端开口的抽屉式结构，一侧面为活动安装，并通过旋紧螺钉安装在卡具盒上，在卡具盒内嵌装正、负极板所叠加而成的极组，正、负极板的极耳分别设置在极组的上端两侧，在卡具盒的上端两侧对称竖直安装有两根导向柱；防护板上制有多个嵌装极耳的开口槽，在开口槽一侧的防护板上制有卡装导向柱的定位半圆槽，在防护板上安装极柱的集流体，集流体下端所制的槽也嵌装在极耳上，在集流体上竖直固装极柱；定位板为十字结构，其上制有套装极柱的极柱通孔以及套装导向柱的导向柱通孔。
而且，所述电容器注液、分类中，电解液的原料构成及重量份数比为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、去离子水＝10-30∶60-80∶10-20∶200，所述真空度-0.08兆帕。
本发明的优点及积极效果是：
1、本超级电容器为方型结构，由氢氧化镍为主要活性物质的正极板，碱金属氢氧化物水性电解液和储氢合金粉与活性碳材料为主要活性物质组成的混合负极板，以及隔膜密封在不锈钢或工程塑料外壳内构成，具有储能密度大、放电功率高等特点。
2、本发明所发明的超级电容器工作电压达到1.3V，最大储能密度达到65Wh/kg，可广泛应用于电动公交车的动力电源、车辆低温启动用动力电源、军用装备的动力电源，如航空航天、歼击机、潜艇、舰艇等装备用电容器，也可应用在便携式设备用高容量动力电源，如笔记本电脑、手机、电动工具用电容器等。应用领域涉及到车辆、交通、工业、航空、军事、消费电子、绿色能源等，具有非常广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为本发明集流体焊接的组装卡具主视图；
图3为图2的俯视图；
图4为图2的定位板的结构示意图；
图5为图2的防护板的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式对本发明进行进一步阐述，但本发明要求保护的范围并不局限于下列实施方式。
一种高能镍碳超级电容器的制备方法，主要包括由正、负极浆料的制备、正、负极板的制备、极耳焊接、极组叠片、极柱集流体焊接、装壳、电容器注液、活化分类工序。各工序步骤的内容是：
(1)制备正、负极浆料；
(2)制备正、负极板，通过极板连续生产线将正、负极板的浆料填充到泡沫镍极板上，并连续烘干、滚压、切片；
(3)极耳焊接：通过先点焊再滚焊的方法将泡沫镍极板与导电极耳焊接在一起，并在连接处粘贴耐高温胶带绝缘；
(4)极组叠片：将正负极板用自动叠片机叠片，其中采用分组点焊的方式分别将正负极耳分组点焊在一起；
(5)极柱集流体焊接：将极柱集流体与分组点焊好的极板组装在一起，并通过氩弧焊焊接牢固；
(7)装壳：用绝缘套包裹上述固定好的极组，装入电容器外壳中，并用焊机焊接密封壳体；
(8)电容器注液、分类：按比例配制的电解液，该电解液的原料构成及重量份数比为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、去离子水＝20∶70∶15∶200；将电解液注入电容器中，安装安全阀，在真空度-0.08兆帕的真空条件下在保存箱中搁置12小时左右，然后进行充放电活化分类，即完成成品分选配组。
下面分别叙述各个步骤的具体内容：
一、正、负极板的制备：
所述正、负极板均采用泡沫镍做基体，通过极板自动生产线将浆料填充进去，烘干、裁片后制成正、负极板。
(一)、正极浆料的构成及制备：
由正极用粘合剂和主料构成，其中正极用粘合剂为正极粘合剂和主料所形成的总重量的20％-35％；其中：
1、正极用粘合剂的原料构成及其重量配比范围分别为：
羧甲基纤维素钠    2％～4％
去离子水          96％～98％。
配制方法为：
(2)按重量配比，分别称好羧甲基纤维素钠及去离子水的重量；
(2)将称好的去离子水加热到80℃，将水倒入配料桶中，慢慢加入羧甲基纤维素钠，边加入边搅拌，搅拌均匀即可，然后放置24小时，至常温。
2、正极主料的原料构成及其重量百分比范围分别为：
所述高温添加剂为氧化锆、氧化锌、氧化钇的其中之一。
3、正极浆料制备方法的步骤是：
(1)按重量配比准备好正极用粘合剂，放在搅拌机上搅拌均匀；
(2)按照重量配比将氧化亚钴、亚氧化钛用去离子水溶解，去离子水要慢慢加入，边加入边搅拌以免粉料结块，形成混合浆液；
(3)将去离子水与氧化亚钴、亚氧化钛形成的混合浆液加到配料桶里，搅拌均匀；
(4)按照重量配比向配料桶中添加高温添加剂；
(5)然后按照重量配比加入球形氢氧化镍，先加入五分之一，搅拌均匀后继续分批加入氢氧化镍，放到搅拌机内搅拌；
(6)加完后再均匀搅拌半小时；
(7)之后按照重量配比加入聚四氟乙烯乳液，搅拌均匀即可形成正极浆料。
4、正极板的制备方法：
(1)使用极板自动生产线将泡沫镍预压至所需厚度后，在其一侧边的正反面上对称粘贴一层胶带，以保证制作出的极板在一侧留出8～10mm的空白基体以便与极耳连接；
(2)将正极浆料导入浆槽中，贴好胶带的泡沫镍极板通过浆槽，使浆料均匀的填充至泡沫镍极板的孔隙中，并将泡沫镍极板表面刮平；
(3)浸有正极浆料的泡沫镍极板采用烘干炉五段控温法进行烘干，五段控温法的温度控制区域分别为80-100℃、90-130℃、100-140℃、110-150℃、120-150℃，速度控制在1-2米/分钟，每段的温度控制均不超过150度，由此烘干已填充浆料的泡沫镍极板；
(4)将烘干的泡沫镍极板除去胶带，用对辊机滚压至所需厚度；
(5)将压好的泡沫镍极板按照一定的尺寸裁片，制成正极板。
(二)负极板的构成及制备：
负极板浆液由负极用粘合剂和主料构成，其中负极用粘合剂为负极粘合剂和主料所形成的总重量的20％-38％；其中：
1、负极用粘合剂的原料构成及其重量配比范围分别为：
HPMC        2％～4％
去离子水    96％～98％；
其配制方法是：
(1)加热去离子水，温度控制在60℃-80℃；
(2)缓慢加入HPMC，边加入边搅拌；
(3)完全加入后，放在搅拌机内搅拌搅拌至无结块、溶液均匀为止，降至室温备用。
2、负极浆料的原材料构成及重量百分比范围如下：
储氢合金粉    70％～85％；
活性碳材料    5％～15％；
亚氧化钛      0.5％～5％；
PTFE乳液      2％～8％。
3、负极浆料制备方法的步骤是：
(1)将负极用粘合剂，放在搅拌机上搅拌均匀；
(2)按照重量配比将活性碳材料、亚氧化钛用去离子水溶解，去离子水慢慢加入，边加入边搅拌，以免粉料结块；
(3)按照重量配比加入储氢合金粉，先少量加入十分之一，搅拌均匀后，继续分批加入到搅拌机内搅拌；
(4)加完后再均匀搅拌半小时；
(5)半小时后按照重量配比加入PTFE乳液，搅拌均匀即成为负极浆料。
4、负极板的制作方法是：
(1)使用极板自动生产线将泡沫镍预压至所需厚度后，在其一侧边的正反面上对称粘贴一层胶带，以保证在制作的极板上能在一侧留出8～10mm的空白基体以便与极耳连接；
(2)将配好的负极浆料导入浆槽中，贴好胶带的泡沫镍极板通过浆槽，使浆料均匀的填充至泡沫镍极板的孔隙中，并将泡沫镍极板表面刮平；
(3)浸有负极浆料的泡沫镍极板采用烘干炉五段控温法进行烘干，五段控温法的温度控制区域分别为80-100℃、90-130℃、100-140℃、110-150℃、120-150℃，速度控制在1-2米/分钟，每段的温度控制均不超过150度，由此烘干已填充浆料的泡沫镍极板；
(4)在第三段烘干与第四段烘干中间，在半干的极板涂上一层常规修饰液，然后继续进行下一阶段烘干；
(5)将烘干的泡沫镍极板除去胶带，用对辊机滚压至所需厚度；
(6)将压好的泡沫镍极板按照一定的尺寸裁片，制成负极板。
将负极板及正极板制备后，进行下一步的极耳焊接。
二、正、负极板的极耳焊接
极耳即导电片，其制作方法包括点焊、滚焊、贴胶带三个步骤，是将正、负极片与极耳之间通过先点焊定位，再滚焊固定的方式连接，之后用高温胶带进行绝缘处理，具体步骤是：
1、正极板的点焊：
(1)打开点焊机，将电压调至脉冲电压100-500V的数值；
(2)将极耳与修整好的极板片右侧对齐，在极耳与极板的重叠处均匀的点焊6～10个点，从而周正地固定极耳与极片的位置。
2、负极板的点焊：
(1)打开点焊机，将电压调至脉冲电压100-500V的数值；
(2)将极耳与修整好的极板片左侧对齐，在极耳与极板的重叠处均匀的点焊6～10个点，从而周正地固定极耳与极片的位置。
3、正、负极板的滚焊：
(1)打开滚焊机，设置预热电流80A、焊接电流170A、预压时间2s、递增时间0.5s、焊接时间12s、维持时间23s；
(2)极板的准备：用毛刷清扫已点焊固定好的极板，保证极板与极耳的连接处清洁；
(3)将清洁好的正、负极片依次放入滚焊机的上、下滚轮之间，极耳与极片的连接部分要对准滚轮，使极耳与极片紧密焊接在一起。
4、正、负极板的绝缘保护：
(1)把滚焊好的正、负极板毛刺清理干净；
(3)使用自动贴胶带机把焊在极板上的极耳用高温胶带贴上。
经过极耳焊接固装的正负极板，进行下一步定位叠片。
三、自动叠片机进行叠片：
准备好待叠片的一定数量的正、负极板、隔膜，按工艺需要铺好隔膜，自动机械装置自动吸入一片负极板，叠一层隔膜，自动吸入一片正极板，再叠一层隔膜，如此按工艺要求进行叠片。在其中，达到工艺要求一定数量的极板采用自动点焊机对正负极板分组自动点焊，如此按工艺要求继续叠片和焊接制作成电池或电容器要求的极组，设备会自动包装极组，切断连续隔膜，胶带自动粘贴极组进行固定，并自动转入下一道极柱集流体的固装工序。
四、极柱集流体的焊接工艺的步骤是：
1、将正极板及负极板采用隔膜间隔相叠形成的极组安装在组装卡具的卡具盒内，正、负极板的极耳分别设置在极组的上端两侧；
2、使用扁口钳将点焊在一起的两侧正、负极耳压扁，使之能够嵌装到正、负极极柱的集流体下端所制的安装槽内；
3、使用定位板将所制导向柱通孔套装入导向柱上，极柱通孔套装入极柱上，校正正、负极极柱的位置，以保证两个极柱不能歪斜；
4、在正、负极的极耳根部与集流体之间水平分别相向嵌装防护板，使防护板上所制的开口槽嵌装入极耳，两个定位半圆槽嵌装到导向柱上，由此，两个相向的防护板镜像相对将极组封闭，只露出极耳，以避免焊接时使极组短路；
5、采用氩弧焊技术焊接极耳与极柱，焊接时需注意用棉布沾去离子水围在防护板下以免焊接时温度过热将隔膜烫伤；
6、焊接后，倒过卡具盒，用橡皮锤敲打，倒出碳渣；
7、焊接冷却后，用万用表检查电容器是否短路。
所述组装卡具的结构参见图2、3、4、5，由卡具盒8、防护板7及定位板4构成，卡具盒为上端开口的抽屉式结构，一侧面为活动安装，并通过旋紧螺钉9安装在卡具盒上，在卡具盒内嵌装正、负极板所叠加而成的极组，正、负极板的极耳6分别设置在极组的上端两侧，在卡具盒的上端两侧对称竖直安装有两根导向柱3；防护板上制有多个嵌装极耳的开口槽12，在开口槽一侧的防护板上制有卡装导向柱的定位半圆槽13，在防护板上安装极柱的集流体5，集流体下端所制的安装槽嵌装在极耳上，在集流体上竖直固装极柱1；定位板为十字结构，其上制有套装极柱1的极柱通孔11以及套装导向柱的导向柱通孔10，定位板采用螺母2将极柱定位锁紧。
五、将固定好的极组用绝缘套包裹，装入电容器外壳中，并用方形氩弧焊机焊接密封壳体，此工步为常规工步，因此没有叙述具体内容。
六、电容器注液、分类：按比例配制的电解液，该电解液的原料构成及重量份数比为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、去离子水＝10-30∶60-80∶10-20∶200；将电解液注入电容器中，安装安全阀，在真空度-0.08兆帕的真空条件下在保存箱中搁置0.5小时，然后进行充放电活化分类，即完成成品分选配组。
本超级电容器的检测结果如下：
检测单位：信息产业部化学物理电源产品质量监督检验中心
表1电容器检测主要设备，检测环境和结论
Figure BDA0000095158030000131
表2循环耐久能力检测数据和判定
Figure BDA0000095158030000132
Figure BDA0000095158030000141

Claims (7)

1.一种高能镍碳超级电容器的制备方法，包括正、负极浆料的制备、正、负极板的制备、极耳焊接、极组叠片、极柱集流体焊接、装壳、电容器注液、活化分类工序，其特征在于：各步骤的内容是：
⑴制备正、负极浆料；
⑵制备正、负极板，通过极板连续生产线将正、负极浆料填充到泡沫镍基体上，并连续烘干、滚压、切片；
⑶极耳焊接：通过先点焊再滚焊的方法将极板泡沫镍基体部分与导电极耳焊接在一起，并在焊接处粘贴耐高温胶带绝缘；
⑷极组叠片：将正负极板用自动叠片机叠片，其中采用分组点焊的方式分别将正负极耳分组点焊在一起；
⑸极柱集流体焊接：将正负极极柱集流体与分组点焊好的极板组装在一起，并通过氩弧焊焊接牢固；
(6)装壳：用绝缘套包裹固定好的极组，装入电容器外壳中，并用氩弧焊机焊接密封壳体；
(7)电容器注液、分类：将电解液注入电容器中，安装安全阀，在真空条件下在保存箱中搁置，然后进行充放电活化分类，即完成成品分选配组；
所述正、负极浆料的制备方法是：
A、正极浆料的构成及制备：正极浆料由正极用粘合剂和主料构成，正极用粘合剂为正极用粘合剂和主料所形成的总重量的20%-35%；其中：
正极用粘合剂的原料构成及其重量配比范围分别为：
羧甲基纤维素钠    2%～4%
去离子水         96%～98%；
配制方法为：
(1)按重量配比，分别称好羧甲基纤维素钠及去离子水的重量；
⑵将称好的去离子水加热到80℃，将水倒入配料桶中，慢慢加入羧甲基纤维素钠 ，边加入边搅拌，搅拌均匀即可，然后放置24小时，至常温；
正极浆料的原材料构成及其重量百分比范围分别为：
Figure FDA0000294706821
所述高温添加剂为氧化锆、氧化锌、氧化钇的其中至少一种；
正极浆料制备方法的步骤是：
(1)按照重量配比准备好正极用粘合剂，放在搅拌机上搅拌均匀；
⑵按照重量配比将氧化亚钴、亚氧化钛用去离子水溶解，去离子水要慢慢加入，边加入边搅拌以免粉料结块，形成混合浆液；
⑶将去离子水与氧化亚钴、亚氧化钛形成的混合浆液加到配料桶里，搅拌均匀；
⑷按照重量配比向配料桶中添加高温添加剂；
⑸然后按照重量配比加入球形氢氧化镍，先加入五分之一，搅拌均匀后继续分批加入氢氧化镍，放到搅拌机内搅拌；
⑹加完后再均匀搅拌半小时；
⑺之后按照重量配比加入聚四氟乙烯乳液，搅拌均匀即可形成正极浆料；
B、负极浆料的构成及制备：负极浆料由负极用粘合剂和主料构成，负极用粘合剂为负极用粘合剂和主料所形成的总重量的20%-38%；其中：
负极用粘合剂的原料构成及其重量配比范围分别为：
HPMC       2 %～4%
去离子水    96%～98%；
其配制方法是：
⑴加热去离子水，温度控制在60℃-80℃；
⑵缓慢加入HPMC，边加入边搅拌；
⑶完全加入后，放在搅拌机内搅拌，搅拌至无结块、浆液均匀为止，降至室温备用；
负极浆料的原材料构成及重量百分比范围如下：
Figure FDA0000294706822
Figure FDA0000294706823
负极浆料制备方法的步骤是：
⑴将负极用粘合剂，放在搅拌机上搅拌均匀；
⑵ 按照重量配比将活性碳材料、亚氧化钛用去离子水溶解，去离子水慢慢加入，边 加入边搅拌，以免粉料结块，形成混合浆液；
⑶将去离子水与活性碳材料、亚氧化钛形成的混合浆液加到配料桶里，搅拌均匀；
⑷按照重量配比加入储氢合金粉，先少量加入十分之一，搅拌均匀后，继续分批加入到搅拌机内搅拌；
⑸加完后再均匀搅拌半小时；
⑹ 半小时后按照重量配比加入PTFE乳液，搅拌均匀即成为负极浆料。
2.根据权利要求1所述的高能镍碳超级电容器的制备方法，其特征在于：所述正、负极板的制备方法如下：
A、正极板制备方法的步骤是：
⑴使用极板自动生产线将泡沫镍预压至所需厚度后，在其一侧边的正反面上对称粘贴一层胶带，以保证在制作出的极板一侧留出8～10mm的空白基体以便与极耳连接；
⑵将正极浆料导入浆槽中，贴好胶带的泡沫镍通过浆槽，使浆料均匀的填充至泡沫镍极板的孔隙中，并将泡沫镍极板表面刮平；
⑶将浸有正极浆料的泡沫镍极板采用烘干炉五段控温法进行烘干，五段控温法的温度控制区域分别为80-100℃、90-130℃、100-140℃、110-150℃、120-150℃，速度控制在1-2米/分钟，每段的温度控制均不超过150度，由此烘干已填充浆料的泡沫镍极板；
(4)将烘干的泡沫镍极板除去胶带，用对辊机滚压至所需厚度；
⑸将压好的泡沫镍极板按照一定的尺寸裁片，制成正极板；
B、负极板的制备方法的步骤是：
⑴使用极板自动生产线将泡沫镍极板预压至所需厚度后，在其一侧边的正反面上对称粘贴一层胶带，以保证在制作出的极板一侧留出8～10mm的空白基体以便与极耳连接；
⑵将配好的负极浆料导入浆槽中，贴好胶带的泡沫镍极板通过浆槽，使浆料均匀的填充至泡沫镍极板的孔隙中，并将泡沫镍极板表面刮平；
⑶将浸有负极浆料的泡沫镍极板采用烘干炉五段控温法进行烘干，五段控温法的温度控制区域分别为80-100℃、90-130℃、100-140℃、110-150℃、120-150℃，速度控制在1-2米/分钟，每段的温度控制均不超过150度，由此烘干已填充浆料的泡沫镍极板；
⑷在第三段烘干与第四段烘干中间，在半干的极板涂上一层常规修饰液，然后继续进行下一阶段烘干；
⑸将烘干的泡沫镍极板除去胶带，用对辊机滚压至所需厚度；
⑹将压好的泡沫镍极板按照一定的尺寸裁片，制成负极板。
3.根据权利要求1所述的高能镍碳超级电容器的制备方法，其特征在于：所述导电极耳焊接包括点焊、滚焊、贴胶带三个步骤，是将正、负极板与极耳之间通过先点焊定位，再滚焊固定的方式连接，之后用高温胶带进行绝缘处理，具体步骤是：
正、负极板的点焊：
⑴打开点焊机，将电压调至脉冲电压100-500V的数值；
⑵将极耳与修整好的正极板右侧对齐、负极板左侧对齐，在极耳与极板的重叠处均匀的点焊6～10个点，从而周正地固定极耳与极板的位置；
正、负极板的滚焊：
⑴打开滚焊机，设置预热电流80A、焊接电流170A、预压时间2s、递增时间0.5s、焊接时间12s、维持时间23s；
⑵极板的准备：用毛刷清扫已点焊固定好的极板，保证极板与极耳的连接处清洁；
⑶将清洁好的正、负极板依次放入滚焊机的上、下滚轮之间，极耳与极板的连接部分要对准滚轮，使极耳与极板紧密焊接在一起；
正、负极板的绝缘保护：
⑴把滚焊好的正、负极板毛刺清理干净；
⑵使用自动贴胶带机把焊在极板上的极耳用高温绝缘胶带贴上；
经过极耳焊接固装的正负极板，进行下一步定位叠片。
4.根据权利要求1所述的高能镍碳超级电容器的制备方法，其特征在于：所述极组叠片的方法是：将正、负极板、隔膜按工艺铺好隔膜，机械装置自动吸入一片负极板，叠一层隔膜，机械装置自动吸入一片正极板，再叠一层隔膜，如此按工艺要求进行叠片，然后对极板采用自动点焊机对正、负极板分组自动点焊，如此叠片和焊接制作成电池或电容器要求的极组，设备自动包装极组，切断连续隔膜，胶带自动粘贴极组进行固定。
5.根据权利要求1所述的高能镍碳超级电容器的制备方法，其特征在于：所述极柱集流体焊接工艺的步骤是：
⑴将正极板及负极板采用隔膜间隔相叠形成的极组安装在组装卡具的卡具盒内，正、负极板的极耳分别设置在极组的上端两侧；
⑵使用扁口钳将点焊在一起的两侧正、负极耳压扁，使之嵌装到正、负极极柱的集流体下端所制的安装槽内；
⑶使用定位板将所制导向柱通孔套装入导向柱上，极柱通孔套装入极柱上，校正正、负极极柱的位置，并锁紧极柱；
⑷在正、负极的极耳根部与集流体之间水平嵌装防护板，使防护板上所制的开口槽嵌装入极耳、两个定位板半圆槽嵌装到导向柱上，两个相向的防护板镜像相对将极组封闭，只露出极耳；
(5)采用氩弧焊技术焊接极耳与极柱；
(6)焊接后，倒过卡具盒，用橡皮锤敲打，倒出碳渣；
(7)焊接冷却后，用万用表检查电容器是否短路。
6.根据权利要求5所述的高能镍碳超级电容器的制备方法，其特征在于：所述组装卡具由卡具盒、防护板及定位板构成，卡具盒为上端开口的抽屉式结构，一侧面为活动安装，并通过旋紧螺钉安装在卡具盒上，在卡具盒内嵌装正、负极板所叠加而成的极组，正、负极板的极耳分别设置在极组的上端两侧，在卡具盒的上端两侧对称竖直安装有两根导向柱；防护板上制有多个嵌装极耳的开口槽，在开口槽一侧的防护板上制有卡装导向柱的定位半圆槽，在防护板上安装极柱的集流体，集流体下端所制的槽也嵌装在极耳上，在集流体上竖直固装极柱；定位板为十字结构，其上制有套装极柱的极柱通孔以及套装导向柱的导向柱通孔。
7.根据权利要求1所述的高能镍碳超级电容器的制备方法，其特征在于：所述电容器注液、分类中，电解液的原料构成及重量份数比为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、去离子水=10-30：60-80：10-20：200，真空度-0.08兆帕。
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