CN102867653A - 一种三电极超级电容器 - Google Patents

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Abstract

一种三电极超级电容器，包括壳体、封装于壳体内的电芯、参比电极、含浸于电芯和参比电极之中的有机电解液和电极极耳，其特征在于所述的电芯至少包括一个正极片和一个负极片，正极片的附有电化学活性材料的表面与负极片的附有电化学活性材料的表面相对设置，中间用隔膜隔开；所述的参比电极固定于电芯上，参比电极的附有电化学活性材料的表面与电芯的电极片之间用隔膜隔开；所述的电极极耳分别正极片、负极片和参比电极相连接，一端伸出壳体外；所述的壳体由铝塑复合膜制成。

Description

一种三电极超级电容器
技术领域
本发明涉及一种电化学电容器，尤其涉及一种三电极超级电容器。
背景技术
超级电容器也称电化学电容器，是一种新型的储能元件，它介于传统电容器和二次电池之间，其容量要远大于传统电容器，高倍率充放电性能则远远优于二次电池。在研究电极材料、电解液或正负极质量匹配等问题时，需要用到三电极的方法，即采用包含工作电极、对电极和参比电极的电化学原型器件。具体来说，在采用电解质的水溶液作为电解液时，一般采用标准氢电极、饱和甘汞电极、HgHgO电极、HgHgSO4电极等，但是在采用有机电解液时这些参比电极就都不适用了。有机电解液的锂离子电池通常采用金属锂作为参比电极，但是不适用于具有双电层电容特性的超级电容器，取而代之的是贵金属银或铂、并加入1000ppm浓度的Cl-离子（Yao Chen等，《Carbon》2011年，第49卷第570-580页）。因此，很有必要采用成本更低的参比电极。另外，采用有机电解液的三电极电化学器件一般都是采用内衬聚四氟乙烯的不锈钢模具，电极片裁制成直径约为15mm的圆片放入模具中，用弹簧控制装配压力，在手套箱中组装起来（A.B.Fuertes等，《Electrochimica Acta》2005年，第50卷第2799-2805页）。这种装置模具价格比较高、组装起来比较复杂。
发明内容
本发明的目的克服现有技术组装复杂、价格高的缺点，提出一种三电极超级电容器。本发明制作工艺更为简单，成本更低。
本发明采用了价格低廉、使用方便的碳基材料制成参比电极，并且采用了工艺操作上十分简单的铝塑复合膜软包装壳体和新的三电极结构，因而大大降低了工艺成本，使制备三电极超级电容器更为方便、快捷。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种三电极超级电容器，包括电极极耳、壳体、封装于壳体内的正极片、负极片、参比电极、隔膜和有机电解液，有机电解液含浸于正极片、负极片、参比电极、隔膜之中。所述的超级电容器至少包括一个正极片和一个负极片，正极片涂布有电化学活性材料的表面与负极片涂布有电化学活性材料的表面相对布置，中间用隔膜隔开。所述的参比电极与正极片或负极片相对布置，参比电极涂布有电化学活性材料的表面与正极片或负极片之间用隔膜隔开。所述的电极极耳的一端分别与正极片、负极片和参比电极相连接，电极极耳的另一端伸出壳体外。
所述的壳体由铝塑复合膜制成。
所述的正极片和负极片的电化学活性材料选自：活性炭、介孔炭、活性的炭纤维、碳气凝胶、纳米碳管、石墨烯中的一种或多种。
所述的参比电极的电化学活性材料选自：活性炭、介孔炭、活性的炭纤维、碳气凝胶、纳米碳管、石墨烯、炭黑、石墨中的一种或多种。
所述的有机电解液可以是四氟硼酸四乙基铵、四氟硼酸甲基三乙基铵的碳酸丙烯酯或乙腈的溶液，所述的有机电解液可以是阳离子为1-乙基-3-甲基咪唑、1-丁基-3-甲基咪唑、N-丁基-N-甲基吡咯烷，阴离子为四氟硼酸根离子、双三氟甲基磺酰亚胺根离子的离子液体，所述的有机电解液也可以是所述阳离子为1-乙基-3-甲基咪唑、1-丁基-3-甲基咪唑、N-丁基-N-甲基吡咯烷，阴离子为四氟硼酸根离子、双三氟甲基磺酰亚胺根离子的离子液体的碳酸丙烯酯或乙腈的溶液。
附图说明
图1所示为超级电容器的结构示意图；
图2所示为超级电容器一种实施例的横截面示意图；
图3所示为超级电容器另一种实施例的横截面示意图；
图4所示为超级电容器的充放电曲线。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
极片的制备
实施例1
取80质量份的活性炭、10质量份的导电炭黑和70质量份的固含量为15%的LA135，加入适量去离子水充分混合至粘度为1000~3000mPa·s，将制得的浆料涂布于铝箔上，干燥后得到极片。
实施例2
取40质量份的活性炭、30质量份的介孔炭、10质量份的活性的碳纤维、10质量份的导电炭黑和25质量份的固含量为40%的丁苯橡胶、5质量份的羧甲基纤维素，加入适量去离子水充分混合至粘度为1000~3000mPa·s，将制得的浆料涂布于铝箔上，干燥后得到极片。
实施例3
取60质量份的活性炭、10质量份的气凝胶、5质量份的纳米碳管、5质量份的石墨烯、10质量份的导电炭黑和12质量份的聚偏二氟乙烯，加入适量N-甲基吡咯烷酮充分混合至粘度为1000~3000mPa·s，将制得的浆料涂布于铝箔上，干燥后得到极片。
实施例4
取40质量份的炭黑、40质量份的石墨和140质量份的固含量为15%的LA133，加入适量去离子水充分混合至粘度为1000~3000mPa·s，将制得的浆料涂布于铝箔上，干燥后得到极片。
超级电容器的结构
实施例5
图1所示为本发明超级电容器的结构示意图。正极极耳141的一端与正极片14连接，参比电极极耳121的一端与参比电极12连接，负极极耳151的一端与负极片15连接，上述电极极耳与相应的电极的连接采用超声焊接。正极极耳141、参比电极极耳121和负极极耳151的另一端伸出铝塑复合膜壳体11外。
如图1和图2所示，本发明超级电容器包括铝塑复合膜壳体11、封装于壳体11内的参比电极12、隔膜13、正极片14、负极片15、有机电解液16、正极极耳141、参比电极极耳121和负极极耳151。有机电解液16含浸于参比电极12、隔膜13、正极片14、负极片15之中。正极片14的涂布有电化学活性材料的表面与负极片15的涂布有电化学活性材料的表面相对布置，正极片14和负极片15用隔膜13隔开；参比电极12固定于隔膜13上，参比电极12的涂布有电化学活性材料的表面与正极片14之间用隔膜13隔开。正极片14和负极片15均为单面涂布电化学活性物质。
实施例6
本实施例与实施例5的区别在于，超级电容器还含有一个双面涂布电化学活性材料的正极片和一个双面涂布电化学活性材料的负极片，此双面涂布电化学活性材料的正极片与双面涂布电化学活性材料的负极片之间用隔膜隔开。本实施例的超级电容器各层之间的叠放顺序为：参比电极-隔膜-正极片-隔膜-负极片-隔膜-正极片-隔膜-负极片。
实施例7
如图3所示，超级电容器包含两个参比电极12，两个参比电极12分别与正极片14和负极片15相对布置，其它结构与实施例5相同。
超级电容器的组装
实施例8
采用实施例5的结构，正极片、负极片、参比电极均采用实施例1制备的极片，组装后加入1摩尔/升的四氟硼酸四乙基铵的乙腈溶液，静置后封口。
实施例9
采用实施例6的结构，正极片采用实施例1制备的极片，负极片采用实施例2制备的极片，参比电极采用实施例1制备的极片，组装后加入1摩尔/升的四氟硼酸四乙基铵的碳酸丙烯酯溶液，静置后封口。
实施例10
采用实施例7的结构，正极片采用实施例1制备的极片，负极片采用实施例2制备的极片，参比电极采用实施例1制备的极片，组装后加入1摩尔/升的四氟硼酸甲基三乙基铵的碳酸丙烯酯溶液，静置后封口。
实施例11
采用实施例7的结构，正极片和负极片采用实施例2制备的极片，参比电极采用实施例4制备的极片，组装后加入1.5摩尔/升的四氟硼酸甲基三乙基铵的乙腈溶液，静置后封口。
实施例12~29
采用实施例5的结构，正极片和负极片采用实施例1制备的极片，参比电极采用实施例4制备的极片，组装后加入含有离子液体的有机电解液，静置后封口，如下表所示：
Figure BDA00002163236000041
Figure BDA00002163236000051
三电极超级电容器的应用
图4所示是实施例13制备的超级电容器的充放电曲线，曲线1为总的充放电曲线，曲线2和曲线3分别是正极片和负极片作为工作电极的充放电的电位-时间的曲线。这种结构的三电极超级电容器无论是在材料、电解液的研究中还是生产实践中都有非常重要的意义。

Claims (4)

1.一种三电极超级电容器，包括壳体（11）、电极极耳，以及封装于壳体（11）内的参比电极（12）、正极片（14）、负极片（15），以及有机电解液（16）；所述的有机电解液（16）含浸于参比电极（12）、隔膜（13）、正极片（14）、负极片(15)之中，其特征在于所述的超级电容器至少包括一个正极片和一个负极片，正极片(14)涂布有电化学活性材料的表面与负极片（15）涂布有电化学活性材料的表面相对布置，正极片（14）和负极片（15）之间用用隔膜（13）隔开；所述的参比电极（12）固定于隔膜(13)上，参比电极(12)涂布有电化学活性材料的表面与正极片(14)之间用隔膜（13）隔开；正极极耳(141)的一端与正极片(14)连接，参比电极极耳的一端（121）与参比电极(12)连接，负极极耳(151)的一端与负极片(15)连接；正极极耳（141）、参比电极极耳（121）和负极极耳(151)的另一端伸出壳体(11)外；所述的壳体（11）由铝塑复合膜制成。
2.根据权利要求1所述的三电极超级电容器，其特征在于所述的正极片（14）、负极片（15）的电化学活性材料为选自活性炭、介孔炭、活性的炭纤维、碳气凝胶、纳米碳管、石墨烯中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的三电极超级电容器，其特征在于所述的参比电极（12）的电化学活性材料为选自活性炭、介孔炭、活性的炭纤维、碳气凝胶、纳米碳管、石墨烯、炭黑、石墨中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的三电极超级电容器，其特征在于所述的有机电解液为四氟硼酸四乙基铵、四氟硼酸甲基三乙基铵的碳酸丙烯酯或乙腈的溶液，或者所述的有机电解液为阳离子为1-乙基-3-甲基咪唑或1-丁基-3-甲基咪唑或N-丁基-N-甲基吡咯烷，阴离子为四氟硼酸根离子或双三氟甲基磺酰亚胺根离子的离子液体，或者所述的有机电解液为所述离子液体的碳酸丙烯酯或乙腈的溶液。
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