CN102509639B - 超级电容器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超级电容器，要解决的技术问题是提高超级电容器的功率密度。本发明采用以下技术方案：一种超级电容器，设有正极和负极，负极由负极集流体与涂布于集流体上的负极混合材料组成，负极混合材料由负极活性物质、导电剂和粘结剂组成，所述负极活性物质是石墨烯，负极混合材料由85-96wt％的石墨烯、2-10wt％的导电剂和2-10wt％的粘结剂组成。本发明与现有技术相比，采用具有高比表面积、高导电性的石墨烯材料作为电极活性物质，由此制得的超级电容器具有高能量、比容量≥150F g-1、大于30000次的长循环寿命的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种超级电容器，特别是一种含有石墨烯材料的超级电容器。
背景技术
超级电容器，也称为电化学电容器，是介于传统电容器与电池之间的一种电化学储能装置，与传统电容器相比，拥有更高的静电容量；与电池相比，具有更高的功率密度和超长循环寿命，结合了二者的优点，是一种应用前景广阔的储能器件。按储能机理可将其分为三类：第一类是采用活性炭等高比表面电极材料，其原理是基于电极/电解液界面电荷分离所产生的双电层电容；第二类是采用氧化钌等贵金属氧化物或导电聚合物做电极材料，其原理是基于在氧化物电极表面及体相中发生的氧化还原反应而产生的电容，即法拉第准电容，也叫做赝电容；第三类是采用的电极材料兼有以上两种材料之特点，所制备的电容器同时具有双电层电容和法拉第电容，即混合电容。
作为一种新型储能装置，超级电容器具有高放电性能、循环寿命长、环保的优点，可以用作小型后备电源应用于多种电器设备。同时，它也具有功率密度高的优点，可与电池共同组成混合动力为电动车提供动力，用来满足汽车在加速、启动、爬坡时的高功率要求，保护电池系统，并且在汽车紧急刹车瞬间可以回收能量，减少能源浪费，节省能源。
电极材料是电化学电容器的关键，决定着电容器的主要性能指标。电化学电容器发展的核心就是其电极材料的发展。现有技术的电极材料有多孔炭材料、贵金属氧化物、高分子导电聚合物和新型复合材料。多孔炭材料包括活性炭粉、活性炭纤维、炭气凝胶、碳纳米管。炭材料作为电化学电容器电极材料的储能机理是基于双电层储能。在不能提高电极间电压的情况下，电极材料的表面状况是决定电容器容量的关键因素，不仅要求电极材料的比表面积大，而且要有适当的孔径分布。贵金属氧化物材料一般导电性好，电导高，比容量较大，循环寿命长，充放电性能好，且在硫酸中很稳定。但贵金属氧化物电极的工作电压非常有限，而贵金属资源有限、价格昂贵，这些都是限制其大规模应用的主要原因。现有技术应用于超级电容器电极材料的导电聚合物材料主要有聚吡咯、聚噻吩、聚对苯和聚并苯。用导电聚合物作为电化学电容器电极材料，可以用有机电解质和水电解质作为电解液。聚合物电极材料的优点是能够在较高的电压3.0-3.2V下工作，可弥补其他电极材料作为工作电极时工作电压不高的缺点，但由于其相对较弱的导电性，在作为电极材料时往往出现电阻过大的情况。鉴于以上三种电极材料各自所具有的优缺点，寄希望于通过各种材料的复合进行取长补短的新型复合材料应运而生。如掺杂了碳纳米管的导电聚合物、负载了贵金属氧化物的碳纳米管材料，但也还都存在一定的缺陷待解决，如功率密度较低、寿命较短的问题就比较突出。
发明内容
本发明的目的是提供一种超级电容器，要解决的技术问题是提高超级电容器的功率密度。
本发明采用以下技术方案：一种超级电容器，设有正极和负极，负极由负极集流体与涂布于集流体上的负极混合材料组成，负极混合材料由负极活性物质、导电剂和粘结剂组成，所述负极活性物质是石墨烯，负极混合材料由85-96wt％的石墨烯、2-10wt％的导电剂和2-10wt％的粘结剂组成。
本发明的石墨烯是由1-100层单片石墨构成的二维石墨材料，片层厚度在0.3-5nm之间分布，其片层大小在1-75μm之间分布，其比表面积为50-2500m2/g，电导率为104-105s/m。
本发明的正极由正极集流体与涂布于集流体上的正极混合材料组成，正极混合材料由85-96wt％的正极活性物质、2-10wt％的导电剂和2-10wt％的粘结剂组成。
本发明的正极活性物质是石墨烯、多孔炭材料、金属氧化物、导电聚合物或新型复合材料。
本发明的导电剂采用电导率大于1000s/m的石墨粉、炭黑、碳纳米管和碳纳米纤维中的一种以上。
本发明的粘结剂采用聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠、羟丙基甲基纤维素和丁苯橡胶中的一种以上。
本发明的负极混合材料由85-96wt％的石墨烯、2-9wt％的导电剂和2-6wt％的粘结剂组成；正极混合材料由85-88wt％的正极活性物质、2-9wt％的导电剂和3-6wt％的粘结剂组成。
本发明的正极活性物质是石墨烯；所述正极混合材料、负极混合材料由石墨烯、炭黑、聚偏氟乙烯按质量比85∶9∶6组成。
本发明的正极活性物质是锰酸锂；所述负极混合材料由石墨烯、炭黑、聚偏氟乙烯按质量比96∶2∶2组成；所述正极混合材料由锰酸锂、导电石墨粉、聚偏氟乙烯按照质量比88∶9∶3组成。
本发明的正极活性物质是锰酸锂；所述负极混合材料由石墨烯、炭黑、聚偏氟乙烯按质量比90∶6∶4组成；所述正极混合材料由锰酸锂、导电石墨粉、聚偏氟乙烯按照质量比88∶9∶3组成。
本发明与现有技术相比，采用具有高比表面积、高导电性的石墨烯材料作为电极活性物质，由此制得的超级电容器具有高能量、比容量≥150F g-1、大于30000次的长循环寿命的特点。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。本发明的超级电容器，由正极、负极、电解液和隔膜组成。
正极由正极集流体与涂布于集流体上的正极混合材料组成，正极混合材料由85-96wt％的正极活性物质、2-10wt％的导电剂和2-10wt％的粘结剂组成。正极活性物质是石墨烯材料、多孔炭材料、金属氧化物、导电聚合物和新型复合材料中的一种以上所组成。
负极由负极集流体与涂布于集流体上的负极混合材料组成，负极混合材料由85-96wt％的负极活性物质、2-10wt％的导电剂和2-10wt％的粘结剂组成。负极活性物质采用石墨烯，石墨烯是由1-100层单片石墨构成的二维石墨材料，其片层厚度在0.3-50nm之间分布，其片层大小在1-75μm之间分布，其比表面积为50-2500m2/g，电导率为104-105s/m。
石墨烯可以采用中国专利公开号CN101997120A中公开的方法制备得到的石墨烯粉体，也可以采用其他现有技术的方法得到的石墨烯。
导电剂采用电导率大于1000s/m的高导电性石墨粉、炭黑、碳纳米管和碳纳米纤维中的一种以上。
粘结剂采用聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯PVDF、羧甲基纤维素钠、羟丙基甲基纤维素和丁苯橡胶中的一种以上。
水系电解液由体积浓度为5-30％的KOH电解液1-10mL、体积浓度为5-30％的H2SO4电解液1-10mL、含有碱金属离子的中性水溶液1-10mL和三氟甲基磺酰亚胺盐＞0至≤100g配制而成，三种溶液的体积比例为1∶1∶1。非水系的有机电解液体系由LiPF6溶解在有机溶剂中所组成，其浓度为1mol/L。有机溶剂为碳酸丙烯酯PC，碳酸乙烯酯EC，碳酸二甲酯DMC，碳酸二乙酯DEC，碳酸甲乙酯EMC中的一种以上。
隔膜采用亲水性多孔隔膜或绝缘多孔隔膜：聚乙烯多孔膜、聚丙烯多孔膜、聚乙烯与聚丙烯复合多孔膜或维尼纶无纺布。
集流体采用具有多空网状金属材料和金属合金板栅的泡沫镍、铜网、冲孔钢带或毛刺钢带。
正极的制作方法为：按质量比85-96％的石墨烯材料、2-10％的导电剂和2-5％的粘结剂，将石墨烯材料、导电剂、粘结剂，用N-甲基吡咯烷酮NMP或去离子水调制成膏状物，按厚度2μ-5μ，用手动涂布器涂布于集流体上，直接放置在100-150℃下烘干1-10h，自然冷却至室温，进行碾压，然后裁剪成1-20cm2的圆形极片。
负极的制作方法为：按质量比85-96％的石墨烯材料、2-10％的导电剂和2-5％的粘结剂，将石墨烯材料、导电剂、粘结剂，用NMP或去离子水进行混合后，搅拌至膏状，按厚度2μ-5μ，用手动涂布器涂布于集流体上，直接放置于100-150℃下烘干1-10h，自然冷却至室温，进行碾压，然后裁剪成1-20cm2的圆形极片。
超级电容器的组装：将质量相近的两片正、负极电极片面对面放置，中间以亲水性多孔隔膜隔离，滴加一定量的电解液润湿电极即可，封装至扣式电池壳内得到本发明的超级电容器。将此电容器正负极短路1h，完成化成。
将制得的超级电容器，进行容量测试，测试仪器为超级电容器容量测试仪，先将超级电容器测试仪预热30分钟，在50mA的电流下恒流充电至额定电压1.5V，再以同样电流恒流放电至0.1V，循环测试10次，记录5-9次的放电比容量，计算平均值即为电容器的放电比容量，最大允许容量偏差为-10％～20％，经过50000次循环后，测定此时电容量，与首次电容量相比计算出容量保持率，以此方法测试电性能。采用活性炭替代石墨烯材料为活性物质，电解液和隔膜与实施例材料一样，制作对比例，测试电性能。
实施例1采用对称型电极，正极、负极均以石墨烯材料为活性物质，制作成双电层型超级电容器。极片的制作：将石墨烯材料、炭黑、PVDF按质量比85∶9∶6进行混合，用NMP调制成膏状，涂布于泡沫镍集流体上，经130℃烘干处理、碾压、裁片后制成直径16mm的极片。超级电容器的组装：选用聚乙烯多孔膜为隔膜，将两极片相对放置，中间以隔膜进行隔离，滴加1mol/L LiPF6O4电解液后，封装于扣式电池壳内组装成超级电容器。在工作电压0.1-1.5V之间进行性能测试时，电容器的放电比容量为201Fg-1，经过50000次循环后，容量保持率为95％。
对比例1，采用对称型电极，正负极均以活性炭为活性物质，制作成双电层型超级电容器。极片的制作、超级电容器的组装和测试方法与实施例1一样，电容器的放电比容量为146Fg-1，经过50000次循环后，容量保持率为90％。
实施例2，采用非对称型电极，正极以锰酸锂LiMn2O4为活性物质，负极以石墨烯材料为活性物质，制作成混合型超级电容器。负极极片的制作：将石墨烯材料、炭黑、PVDF按质量比96∶2∶2进行混合，用NMP调制成膏状，涂布于泡沫镍集流体上，经130℃烘干处理、碾压、裁片后制成直径16mm的极片。正极极片的制作：将锰酸锂、导电石墨粉、PVDF按照质量比88∶9∶3进行混合，用NMP调制成膏状物，涂布于冲孔钢带集流体上，经130℃烘干处理、碾压、裁片后制成直径15-16mm的极片。超级电容器的组装：选用聚乙烯多孔膜为隔膜，将正极极片、负极极片相对放置，中间以隔膜进行隔离，滴加1mol/L LiPF6电解液后，封装于扣式电池壳内组装成超级电容器。在工作电压0.1-1.5V之间进行性能测试时，电容器的放电比容量为170Fg-1，经过40000次循环后，容量保持率为93％。
对比例2，采用非对称型电极，正极以锰酸锂LiMn2O4为活性物质，负极以活性炭材料为活性物质，制作成混合型超级电容器。负极极片的制作、正极极片的制作、超级电容器的组装和测试方法与实施例2一样，电容器的放电比容量为125Fg-1，经过40000次循环后，容量保持率为86％。
实施例3，采用非对称型电极，正极以锰酸锂LiMn2O4为活性物质，负极以石墨烯材料为活性物质，制作成混合型超级电容器。负极极片的制作：将石墨烯材料、炭黑、PVDF按质量比90∶6∶4进行混合，用NMP调制成膏状，涂布于泡沫镍集流体上，经130℃烘干处理、碾压、裁片后制成直径16mm的极片。正极极片的制作：将锰酸锂、导电石墨粉、PVDF按照质量比88∶9∶3进行混合，用NMP调制成膏状物，涂布于冲孔钢带集流体上，经130℃烘干处理、碾压、裁片后制成直径16mm的极片。超级电容器的组装：选用聚乙烯多孔膜为隔膜，将正极极片、负极极片相对放置，中间以隔膜进行隔离，滴加1mol/L LiPF6电解液后，封装于扣式电池壳内组装成超级电容器。在工作电压0.85-1.75V之间进行性能测试时，电容器的放电比容量为158Fg-1，经过40000次循环后，容量保持率为90％。
对比例3，采用非对称型电极，正极以锰酸锂LiMn2O4为活性物质，负极以活性炭材料为活性物质，制作成混合型超级电容器。负极极片的制作、正极极片的制作、超级电容器的组装和测试与实施例3一样，电容器的放电比容量为121Fg-1，经过40000次循环后，容量保持率为82％。
石墨烯是单层或多层石墨片。石墨烯具有较高的比表面积和优良的导电性能，使得其在作为超级电容器电极材料使用时，无需像多孔碳材料一样依赖于孔径数量和分布。当石墨烯形成宏观聚集体时，是片层的无规则搭接，因此，在形成双电层的过程中，非常利于溶液中离子的迁入迁出，使其成为超级电容器电极材料的理想候选，以石墨烯作为电极材料的超级电容器具有较好功率特性的潜质。
表1实施例1-3和对比例1-3的制备条件和测试结果。
Claims (3)
1.一种超级电容器，设有正极和负极，负极由负极集流体与涂布于集流体上的负极混合材料组成，负极混合材料由负极活性物质、导电剂和粘结剂组成，其特征在于：所述负极活性物质是石墨烯，负极混合材料由85wt％的石墨烯、9wt％的导电剂和6wt％的粘结剂组成；
所述石墨烯是由1-100层单片石墨构成的二维石墨材料，片层厚度在0.3-5nm之间分布，其片层大小在1-75μm之间分布，其比表面积为50-2500m2/g，电导率为104-105s/m；
所述正极由正极集流体与涂布于集流体上的正极混合材料组成，正极混合材料由85wt％的正极活性物质、9wt％的导电剂和6wt％的粘结剂组成；
所述正极活性物质是石墨烯；
所述负极混合材料和正极混合材料的导电剂采用电导率大于1000s/m的炭黑；
所述粘结剂采用聚偏氟乙烯；
所述超级电容器采用以下方法制备得到：负极的制作，将石墨烯材料、炭黑、PVDF按质量比85:9:6进行混合，用NMP调制成膏状，涂布于泡沫镍集流体上，经130℃烘干处理、碾压、裁片后制成直径16mm的极片；正极的制作，将石墨烯材料、炭黑、PVDF按质量比85:9:6进行混合，用NMP调制成膏状，涂布于泡沫镍集流体上，经130℃烘干处理、碾压、裁片后制成直径16mm的极片；超级电容器的组装：选用聚乙烯多孔膜为隔膜，将两极片相对放置，中间以隔膜进行隔离，滴加1mol/L LiPF6O4电解液后，封装于扣式电池壳内组装成超级电容器。
2.一种超级电容器，设有正极和负极，负极由负极集流体与涂布于集流体上的负极混合材料组成，负极混合材料由负极活性物质、导电剂和粘结剂组成，其特征在于：所述负极活性物质是石墨烯，负极混合材料由96wt％的石墨烯、2wt％的导电剂和2wt％的粘结剂组成；
所述石墨烯是由1-100层单片石墨构成的二维石墨材料，片层厚度在0.3-5nm之间分布，其片层大小在1-75μm之间分布，其比表面积为50-2500m2/g，电导率为104-105s/m；
所述正极由正极集流体与涂布于集流体上的正极混合材料组成，正极混合材料由88wt％的正极活性物质、9wt％的导电剂和3wt％的粘结剂组成；
所述正极活性物质是锰酸锂；
所述负极混合材料中的导电剂采用电导率大于1000s/m的炭黑，所述正极中混合材料中的导电剂采用电导率大于1000s/m的导电石墨粉；
所述粘结剂采用聚偏氟乙烯；
所述超级电容器采用以下方法制备得到：负极的制作，将石墨烯材料、炭黑、PVDF按质量比96:2:2进行混合，用NMP调制成膏状，涂布于泡沫镍集流体上，经130℃烘干处理、碾压、裁片后制成直径16mm的极片；正极的制作，将锰酸锂、导电石墨粉、PVDF按照质量比88:9:3进行混合，用NMP调制成膏状物，涂布于冲孔钢带集流体上，经130℃烘干处理、碾压、裁片后制成直径15-16mm的极片；超级电容器的组装：选用聚乙烯多孔膜为隔膜，将两极片相对放置，中间以隔膜进行隔离，滴加1mol/L LiPF6O4电解液后，封装于扣式电池壳内组装成超级电容器。
3.一种超级电容器，设有正极和负极，负极由负极集流体与涂布于集流体上的负极混合材料组成，负极混合材料由负极活性物质、导电剂和粘结剂组成，其特征在于：所述负极活性物质是石墨烯，负极混合材料由90wt％的石墨烯、6wt％的导电剂和4wt％的粘结剂组成；
所述石墨烯是由1-100层单片石墨构成的二维石墨材料，片层厚度在0.3-5nm之间分布，其片层大小在1-75μm之间分布，其比表面积为50-2500m2/g，电导率为104-105s/m；
所述正极由正极集流体与涂布于集流体上的正极混合材料组成，正极混合材料由88wt％的正极活性物质、9wt％的导电剂和3wt％的粘结剂组成；
所述正极活性物质是锰酸锂；
所述负极混合材料中的导电剂采用电导率大于1000s/m的炭黑，所述正极中混合材料中的导电剂采用电导率大于1000s/m的导电石墨粉；
所述粘结剂采用聚偏氟乙烯；
所述超级电容器采用以下方法制备得到：负极的制作，将石墨烯材料、炭黑、PVDF按质量比90:6:4进行混合，用NMP调制成膏状，涂布于泡沫镍集流体上，经130℃烘干处理、碾压、裁片后制成直径16mm的极片；正极的制作，将锰酸锂、导电石墨粉、PVDF按照质量比88:9:3进行混合，用NMP调制成膏状物，涂布于冲孔钢带集流体上，经130℃烘干处理、碾压、裁片后制成直径16mm的极片；选用聚乙烯多孔膜为隔膜，将正极极片、负极极片相对放置，中间以隔膜进行隔离，滴加1mol/L LiPF6电解液后，封装于扣式电池壳内组装成超级电容器。
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Non-Patent Citations (4)
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|---|
| Electrochemical properties of graphene nanosheet/carbon black composites as electrodes for supercapacitors;Jun Yan等;《2010ELSEVIER》;20100115;第1732页左栏第2段至右栏第1段、第1733页第1-2段及附图1 * |
| Jun Yan等.Electrochemical properties of graphene nanosheet/carbon black composites as electrodes for supercapacitors.《2010ELSEVIER》.2010, |
| 李洁等.锂离子混合超级电容器研究进展.《电子元件与材料》.2011, |
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Also Published As
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| CN102509639A (zh) | 2012-06-20 |
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