CN102592845A - 一种低时间常数的超级电容器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种双电层超级电容器极片，其特征在于由集流体，导电涂层，活性涂层以及绝缘涂层组成；导电涂层涂覆在集流体上，活性涂层涂覆在导电涂层上，绝缘涂层喷涂在活性涂层上。本发明还提出一种使用如上极片的双电层超级电容器，该超级电容器由极耳、壳体、极片和电解液组装而成。由于该超级电容器极片的绝缘涂层是通过喷涂工艺制得，和极片融为一体，同时又可以通过电解液的离子，这样就减少常用的超级电容器中由隔膜和极片之间的接触而导致的内阻，从而使得该超级电容器的时间常数更低，功率特性更好，使得双电层超级电容器具有更宽的应用领域。

Description

一种低时间常数的超级电容器
技术领域
本发明涉及一种超级电容器，特别涉及一种低时间常数的超级电容器。
背景技术
双电层超级电容器(Electrical Double-Layer Capacitor)又叫超级电容器，是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。双电层电容器用途广泛。用作起重装置的电力平衡电源，可提供超大电流的电力；用作车辆启动电源，可以全部或部分替代传统的蓄电池；用作车辆的牵引能源可以生产电动汽车、替代传统的内燃机；用在军事上可保证坦克车、装甲车等战车的顺利启动（尤其是在寒冷的冬季）、作为激光武器的脉冲能源。此外还可用于其他机电设备的储能能源。
图1是现有双电层超级电容器结构示意图，双电层超级电容器由极耳1、壳体2、极片3、隔膜5和电解液4五大部分组成，这种结构的双电层电容器由于隔膜的存在，使得超级电容器的内阻受到影响，因此不仅仅会影响到能量密度和循环寿命这两个基本的参数，还会影响到双电层超级电容器的时间常数RC值。时间常数是表征电容器瞬态过程中响应变化快慢的物理量。时间常数越小其响应变化就越快，反之就越慢。由于现有双电层超级电容器结构的限制，使得市场上的双电层超级电容器的时间常数以τ=1为主，这样使得双电层超级电容器在功率特性要求高的电网或航空航天领域的应用受到限制。
发明内容
本发明的目的在于提出一种双电层超级电容器极片，以及使用该极片的低时间常数的双电层超级电容器，降低双电层电容器的时间常数，改善双电层电容器的能量密度和循环寿命。
本发明提出一种双电层超级电容器极片，其特征在于由集流体，导电涂层，活性涂层以及绝缘涂层组成；导电涂层涂覆在集流体上，活性涂层涂覆在导电涂层上，绝缘涂层喷涂在活性涂层上。
其中，所述导电涂层是由导电剂、粘结剂和去离子水调配成一定粘度的浆料。所述导电剂为超级导电炭黑、科琴黑、乙炔黑和气相生长碳纤维中的任一种或几种，所述粘结剂为羧甲基纤维素钠(CMC)，聚乙烯醇(PVA)的任一种。所述粘结剂的重量为导电剂的重量的1~10%所述导电涂层的面密度为1~20g/m2。
其中，所述活性涂层是由活性物质，导电剂，粘结剂三种物质按照一定的比例混合。所述活性涂层的面密度≤90g/m2。所述活性物质为活性碳，碳纤维，碳气凝胶，碳纳米管，炭黑的任一种或几种。所述导电剂为电导率较高的科琴黑、气相生长碳纤维、纳米钛粉的任一种或几种。所述粘结剂为羧甲基纤维素钠(CMC)，丁苯橡胶(SBR)，聚乙烯醇(PVA)，聚四氟乙烯(PTFE)的一种或几种。所述活性涂层中的导电剂的质量为活性物质质量的2~10%；粘结剂的质量为活性物质质量的2~10%。
其中，所述绝缘涂层是由氧化钙和二氧化硅按照一定的比例混合而成。所述绝缘涂层通过喷涂工艺制得，喷涂的厚度为2~30μm。
本发明还提出一种使用如上极片的双电层超级电容器，该超级电容器由极耳、壳体、极片和电解液组装而成。
其中，所述超级电容器的时间常数（RC）为0.1~0.3s。
其中，所述电解液的溶剂为乙腈或γ-丁内酯（GBL）的一种或两种混合，溶质为四乙基四氟硼酸铵(Et4NBF4)和三乙基甲基四氟硼酸铵(Et3MeNBF4)中的至少一种或两种。
本发明提出的低时间常数的双电层超级电容器，通过在超级电容器用的极片中加入绝缘涂层而解决时间常数高的问题。由于该超级电容器极片的绝缘涂层是通过喷涂工艺制得，和极片融为一体，同时又可以通过电解液的离子，这样就减少常用的超级电容器中由隔膜和极片之间的接触而导致的内阻，从而使得该超级电容器的时间常数更低，功率特性更好，使得双电层超级电容器具有更宽的应用领域。
附图说明
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
图1是现有双电层超级电容器结构示意图；
图2是本发明双电层超级电容器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。
图2是本发明双电层超级电容器结构示意图，双电层超级电容器由极耳1、壳体2、极片3和电解液4四部分组成。
所述的极片由集流体，导电涂层，活性涂层以及绝缘涂层组成，极片采用制备双电层电容器的常用方法制备，集流体为铝箔，极片的制作方法是：1）将导电涂层即导电剂、粘结剂和去离子水调配成一定粘度的浆料涂覆在集流体上，2）然后将活性涂层即活性物质，导电剂，粘结剂三种物质按照一定的比例混合后涂布或其他工艺和已经涂覆导电涂层的集流体结合在一起，3）最后将绝缘涂层喷涂在已有导电涂层和活性涂层的集流体上。超级电容器是将制得电极片交替叠置后，放入壳体中，最后注入电解液而成。可根据需要制备成卷绕式、叠片式铝塑膜软包装等各种规格的超级电容器。
为了更方便的说明本发明的优势，下面对本发明的实施例进行说明，超级电容器为容量均200F的软包超级电容器，主要测试超级电容器的最大功率以及时间常数。
实施例1
活性涂层：将100g活性炭、5g导电剂Super-P、2g增稠剂CMC以及3g粘结剂SBR加入去离子水调整粘度，涂覆在集流体上，使得极片的面密度为90g/㎡，然后采用常用的纸隔膜，经过烘干，辊压，冲压或者剪切成具有预定形状和尺寸的电极片，然后做成电芯，最后注入1M Et4 NBF4/CH3CN的电解液做成容量为200F的超级电容器。通过测试，超级电容器的最大功率为3000W/Kg，时间常数是2.0 s。
该实施例为现有技术的极片得到的超级电容器，该超级电容器的时间常数较大，最大功率也不能满足市场需求。
实施例2
导电涂层：100g导电剂Super-P、3g CMC以及3g SBR加入去离子水调整粘度，涂覆在集流体上，导电涂层的面密度为10g/㎡。
活性涂层：将100g活性炭、5g导电剂Super-P、2g CMC以及3g SBR加入去离子水调整粘度，涂覆在集流体上，使得极片的面密度为90g/㎡，然后采用常用的纸隔膜，经过烘干，辊压，冲压或者剪切成具有预定形状和尺寸的电极片，然后做成电芯，最后注入1M Et4 NBF4/CH3CN的电解液做成容量为200F的超级电容器。通过测试，超级电容器的最大功率为6000W/Kg，时间常数是1 s。
该实施例是对现有极片进行改进，即在极片中加入导电涂层后得到的超级电容器，该超级电容器的时间常数明显变小，最大功率也得到提高，但还不能满足市场需求。
实施例3
导电涂层：100g导电剂Super-P、3g CMC以及3g SBR加入去离子水调整粘度，涂覆在集流体上，导电涂层的面密度为10g/㎡。
活性涂层：将100g活性炭、5g导电剂Super-P、2g CMC以及3g SBR加入去离子水调整粘度，涂覆在集流体上，使得极片的面密度为90g/㎡。
绝缘涂层：喷涂上由氧化钙和二氧化硅按照质量比为1:1混合的浆料，喷涂厚度为35μm。
经过烘干，辊压，冲压或者剪切成具有预定形状和尺寸的电极片，然后做成电芯，最后注入1M Et4 NBF4/CH3CN的电解液做成容量为200F的超级电容器。通过测试，超级电容器的最大功率为8000W/Kg，时间常数是0.45 s。
该实施例是本发明的极片得到的超级电容器，该超级电容器的时间常数和最大功率均得到显著改善，说明绝缘涂层既可以替代普通的隔膜的作用，又减少了超级电容器的内阻，从而降低了超级电容器的时间常数。
实施例4
导电涂层：100g导电剂Super-P、3g CMC以及3g SBR加入去离子水调整粘度，涂覆在集流体上，导电涂层的面密度为10g/㎡。
活性涂层：100g活性炭、5g导电剂Super-P、2g CMC以及3g SBR加入去离子水调整粘度，涂覆在集流体上，使得极片的面密度为90g/㎡。
绝缘涂层：喷涂上由氧化钙和二氧化硅按照质量比为1:1混合的浆料，喷涂厚度为30μm。
经过烘干，辊压，冲压或者剪切成具有预定形状和尺寸的电极片，然后做成电芯，最后注入1M Et4 NBF4/CH3CN的电解液做成容量为200F的超级电容器。通过测试，超级电容器的最大功率为9800W/Kg，时间常数是0.29s。
实施例5
导电涂层：100g导电剂Super-P、3g CMC以及3g SBR加入去离子水调整粘度，涂覆在集流体上，导电涂层的面密度为10g/㎡。
活性涂层：100g活性炭、5g导电剂Super-P、2g CMC以及3g SBR加入去离子水调整粘度，涂覆在集流体上，使得极片的面密度为90g/㎡。
绝缘涂层：喷涂上由氧化钙和二氧化硅按照质量比为1:1混合的浆料，并且使得喷涂厚度为15μm。
经过烘干，辊压，冲压或者剪切成具有预定形状和尺寸的电极片，然后做成电芯，最后注入1M Et4 NBF4/CH3CN的电解液做成容量为200F的超级电容器。通过测试，超级电容器的最大功率为18000W/Kg，时间常数是0.2s。
实施例6
导电涂层：100g导电剂Super-P、3g CMC以及3g SBR加入去离子水调整粘度，涂覆在集流体上，导电涂层的面密度为10g/㎡。
活性涂层：100g活性炭、5g导电剂Super-P、2g CMC以及3g SBR加入去离子水调整粘度，涂覆在集流体上，使得极片的面密度为90g/㎡。
绝缘涂层：喷涂上由氧化钙和二氧化硅按照质量比为1:1混合的浆料，喷涂厚度为2μm。
经过烘干，辊压，冲压或者剪切成具有预定形状和尺寸的电极片，然后做成电芯，最后注入1M Et4 NBF4/CH3CN的电解液做成容量为200F的超级电容器。通过测试，超级电容器的最大功率为16000W/Kg，时间常数是0.18 s。
实施例3~6是绝缘涂层厚度对本发明中极片得到的超级电容器，由时间常数和最大功率的结果来看，绝缘涂层的厚度应该在2~30μm才能达到降低超级电容器时间常数的效果。而绝缘涂层的厚度在15μm时，各项指标最佳。
实施例7
导电涂层：100g导电剂Super-P、3g CMC以及3g SBR加入去离子水调整粘度，涂覆在集流体上，导电涂层的面密度为10g/㎡。
活性涂层：100g活性炭、5g导电剂Super-P、2g CMC以及3g SBR加入去离子水调整粘度，涂覆在集流体上，使得极片的面密度为60g/㎡。
绝缘涂层：喷涂上由氧化钙和二氧化硅按照质量比为1:1混合的浆料，并且使得喷涂厚度在15μm。
经过烘干，辊压，冲压或者剪切成具有预定形状和尺寸的电极片，然后做成电芯，最后注入1M Et4 NBF4/CH3CN的电解液做成容量为200F的超级电容器。通过测试，超级电容器的最大功率为24000W/Kg，时间常数是0.15。
实施例8
导电涂层：100g导电剂Super-P、3g CMC以及3g SBR加入去离子水调整粘度，涂覆在集流体上，导电涂层的面密度为10g/㎡。
导电涂层：100g活性炭、5g导电剂Super-P、2g CMC以及3g SBR加入去离子水调整粘度，涂覆在集流体上，使得极片的面密度为40g/㎡。
绝缘涂层：喷涂上由氧化钙和二氧化硅按照质量比为1:1混合的浆料，并且使得喷涂厚度在15μm。
经过烘干，辊压，冲压或者剪切成具有预定形状和尺寸的电极片，然后做成电芯，最后注入1M Et4 NBF4/CH3CN的电解液做成容量为200F的超级电容器。通过测试，超级电容器的最大功率为20000W/Kg，时间常数是0.14s。
实施例9
导电涂层：100g导电剂Super-P、3g CMC以及3g SBR加入去离子水调整粘度，涂覆在集流体上，导电涂层的面密度为10g/㎡。
活性涂层：100g活性炭、5g导电剂Super-P、2g CMC以及3g SBR加入去离子水调整粘度，涂覆在集流体上，使得极片的面密度为100g/㎡。
绝缘涂层：喷涂上由氧化钙和二氧化硅按照质量比为1:1混合的浆料，并且使得喷涂厚度在15μm。
经过烘干，辊压，冲压或者剪切成具有预定形状和尺寸的电极片，然后做成电芯，最后注入1M Et4 NBF4/CH3CN的电解液做成容量为200F的超级电容器。通过测试，超级电容器的最大功率为24000W/Kg，时间常数是0.33。
实施例7~9结合实施例6是极片面密度对本发明中极片得到的超级电容器，由时间常数和最大功率的结果来看，极片的面密度在≤90g/m2均能达到降低超级电容器时间常数的效果。而极片的面密度在60g/㎡时，各项指标最佳。
实施例10
导电涂层：100g导电剂Super-P、3g CMC以及3g SBR加入去离子水调整粘度，涂覆在集流体上，导电涂层的面密度为10g/㎡。
活性涂层：将100g活性炭、5g导电剂Super-P、2g CMC以及3g SBR加入去离子水调整粘度，涂覆在集流体上，使得极片的面密度为60g/㎡。
绝缘涂层：喷涂上由氧化钙和二氧化硅按照质量比为1:2混合的浆料，并且使得喷涂厚度在15μm。
经过烘干，辊压，冲压或者剪切成具有预定形状和尺寸的电极片，然后做成电芯，最后注入1M Et4 NBF4/CH3CN的电解液做成容量为200F的超级电容器。通过测试，超级电容器的最大功率为18000W/Kg，时间常数是0.24s。
实施例11
导电涂层：100g导电剂Super-P、3g CMC以及3g SBR加入去离子水调整粘度，涂覆在集流体上，导电涂层的面密度为10g/㎡。
活性涂层：100g活性炭、5g导电剂Super-P、2g CMC以及3g SBR加入去离子水调整粘度，涂覆在集流体上，使得极片的面密度为60g/㎡。
绝缘涂层：喷涂上由氧化钙和二氧化硅按照质量比为2:1混合的浆料，并且使得喷涂厚度在15μm。
经过烘干，辊压，冲压或者剪切成具有预定形状和尺寸的电极片，然后做成电芯，最后注入1M Et4 NBF4/CH3CN的电解液做成容量为200F的超级电容器。通过测试，超级电容器的最大功率为18000W/Kg，时间常数是0.29s。
实施例12
导电涂层：100g导电剂Super-P、3g CMC以及3g SBR加入去离子水调整粘度，涂覆在集流体上，导电涂层的面密度为10g/㎡。
活性涂层：100g活性炭、5g导电剂Super-P、2g CMC以及3g SBR加入去离子水调整粘度，涂覆在集流体上，使得极片的面密度为60g/㎡。
绝缘涂层：喷涂上由氧化钙和二氧化硅按照质量比为1:3混合的浆料，并且使得喷涂厚度为15μm。
经过烘干，辊压，冲压或者剪切成具有预定形状和尺寸的电极片，然后做成电芯，最后注入1M Et4 NBF4/CH3CN的电解液做成容量为200F的超级电容器。通过测试，超级电容器的最大功率为17000W/Kg，时间常数是0.29s。
实施例13
导电涂层：100g导电剂Super-P、3g CMC以及3g SBR加入去离子水调整粘度，涂覆在集流体上，导电涂层的面密度为10g/㎡。
活性涂层：将100g活性炭、5g导电剂Super-P、2g CMC以及3g SBR加入去离子水调整粘度，涂覆在集流体上，使得极片的面密度为60g/㎡。
绝缘涂层：喷涂上由氧化钙和二氧化硅按照质量比为3:1混合的浆料，并且使得喷涂厚度为15μm。
经过烘干，辊压，冲压或者剪切成具有预定形状和尺寸的电极片，然后做成电芯，最后注入1M Et4 NBF4/CH3CN的电解液做成容量为200F的超级电容器。通过测试，超级电容器的最大功率为14000W/Kg，时间常数是0.27s。
实施例14
导电涂层：100g导电剂Super-P、3g CMC以及3g SBR加入去离子水调整粘度，涂覆在集流体上，导电涂层的面密度为10g/㎡。
活性涂层：100g活性炭、5g导电剂Super-P、2g CMC以及3g SBR加入去离子水调整粘度，涂覆在集流体上，使得极片的面密度为60g/㎡。
绝缘涂层：喷涂上由氧化钙和二氧化硅按照质量比为1:4混合的浆料，并且使得喷涂厚度为15μm。
经过烘干，辊压，冲压或者剪切成具有预定形状和尺寸的电极片，然后做成电芯，最后注入1M Et4 NBF4/CH3CN的电解液做成容量为200F的超级电容器。通过测试，超级电容器的最大功率为18000W/Kg，时间常数是0.25s。
实施例15
导电涂层：100g导电剂Super-P、3g CMC以及3g SBR加入去离子水调整粘度，涂覆在集流体上，导电涂层的面密度为10g/㎡。
活性涂层：100g活性炭、5g导电剂Super-P、2g CMC以及3g SBR加入去离子水调整粘度，涂覆在集流体上，使得极片的面密度为60g/㎡。
绝缘涂层：喷涂上由氧化钙和二氧化硅按照质量比为1:4混合的浆料，并且使得喷涂厚度为15μm。
经过烘干，辊压，冲压或者剪切成具有预定形状和尺寸的电极片，然后做成电芯，最后注入1M Et4 NBF4/CH3CN的电解液做成容量为200F的超级电容器。通过测试，超级电容器的最大功率为13000W/Kg，时间常数是0.19s。
实施例10~15结合实施例7是绝缘涂层的两种材料的配比对本发明中的极片得到的超级电容器，由时间常数和最大功率的结果来看，绝缘涂层的两种材料的配比对超级电容器性能影响不大，说明只要采取这种绝缘涂层均可得到低时间常数的超级电容器。而氧化钙和二氧化硅按照质量比为1:1时，各项指标最优。
实施例16
导电涂层：100g导电剂Super-P、3g CMC以及3g SBR加入去离子水调整粘度，涂覆在集流体上，导电涂层的面密度为10g/㎡。
活性涂层：100g活性炭、5g导电剂Super-P、2g CMC以及3g SBR加入去离子水调整粘度，涂覆在集流体上，使得极片的面密度为60g/㎡。
绝缘涂层：喷涂上由氧化钙和二氧化硅按照质量比为1:1混合的浆料，并且使得喷涂厚度为15μm。
经过烘干，辊压，冲压或者剪切成具有预定形状和尺寸的电极片，然后做成电芯，最后注入1M 溶质为Et4 NBF4，溶剂为CH3CN：GBL（体积比）=1:1的电解液做成容量为200F的超级电容器。通过测试，超级电容器的最大功率为20000W/Kg，时间常数是0.14s。
上述实施例说明了，本发明的极片得到的超级电容器有降低时间常数和提高最大功率的作用，但是同时要满足绝缘涂层的厚度应该在2~30μm，极片的面密度在≤90g/m2才能有明显降低超级电容器时间常数的效果，同时绝缘涂层的材料的配比对超级电容器性能影响不大，说明只要采取这种绝缘涂层均可得到低时间常数的超级电容器。
本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (15)

1.一种双电层超级电容器极片，其特征在于由集流体，导电涂层，活性涂层以及绝缘涂层组成；导电涂层涂覆在集流体上，活性涂层涂覆在导电涂层上，绝缘涂层喷涂在活性涂层上。
2.如权利要求1所述的双电层超级电容器极片，其特征在于所述导电涂层是由导电剂、粘结剂和去离子水调配成一定粘度的浆料。
3.如权利要求2所述的双电层超级电容器极片，其特征在于所述导电剂为超级导电炭黑、科琴黑、乙炔黑和气相生长碳纤维中的任一种或几种，所述粘结剂为羧甲基纤维素钠(CMC)，聚乙烯醇(PVA)的任一种。
4.如权利要求2所述的双电层超级电容器极片，其特征在于所述粘结剂的重量为导电剂的重量的1~10%。
5.如权利要求2所述的双电层超级电容器极片，其特征在于所述导电涂层的面密度为1~20g/m2。
6.如权利要求1所述的双电层超级电容器极片，其特征在于所述活性涂层是由活性物质，导电剂，粘结剂三种物质按照一定的比例混合。
7.如权利要求6所述的双电层超级电容器极片，其特征在于所述活性涂层的面密度≤90g/m2。
8.如权利要求6所述的双电层超级电容器极片，其特征在于所述活性物质为活性碳，碳纤维，碳气凝胶，碳纳米管，炭黑的任一种或几种。
9.如权利要求6所述的双电层超级电容器极片，其特征在于所述导电剂为电导率较高的科琴黑、气相生长碳纤维、纳米钛粉的任一种或几种。
10.如权利要求6所述的双电层超级电容器极片，其特征在于所述粘结剂为羧甲基纤维素钠(CMC)，丁苯橡胶(SBR)，聚乙烯醇(PVA)，聚四氟乙烯(PTFE)的一种或几种。
11.如权利要求6所述的双电层超级电容器极片，其特征在于所述活性涂层中的导电剂的质量为活性物质质量的2~10%；粘结剂的质量为活性物质质量的2~10%。
12.如权利要求1所述的双电层超级电容器极片，其特征在于所述绝缘涂层是由氧化钙和二氧化硅按照一定的比例混合而成。
13.如权利要求12所述的双电层超级电容器极片，其特征在于所述绝缘涂层通过喷涂工艺制得，喷涂的厚度为2~30μm。
14.使用如权利要求1-13之一所述的极片的双电层超级电容器，其特征在于超级电容器由极耳、壳体、极片和电解液组装而成。
15.如权利要求14所述的双电层超级电容器，其特征在于超级电容器的时间常数（RC）为0.1~0.3s。
CN201210057790.8A 2012-03-07 2012-03-07 一种低时间常数的超级电容器 Active CN102592845B (zh)

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