CN103021670A - 基于钽正极和活性炭负极的混合型超级电容器 - Google Patents

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黄廷立
杨恩东
安仲勋
曹小卫
吴明霞
颜亮亮
张熙贵
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Abstract

本发明提供了一种基于钽正极和活性炭负极的混合型超级电容器，包括负极和正极，其特征在于，所述负极材料为活性炭，所述正极材料为钽。本发明能够有效的提高超级电容器的工作电压，相比于传统的超级电容器，本发明的工作电压是其的3到10倍，解决了一般超级电容器不能用于高压脉冲功率系统的问题，同时也明显减少了高压电容器模块的串联数目，有利于提高模块的安全性和工作稳定性。该种混合型超级电容器在工业、交通、电子、军事等领域可以有广泛应用。且本混合型超级电容器结构简单，易于实现工业化生产。

Description

基于钽正极和活性炭负极的混合型超级电容器
技术领域
本发明涉及基于钽正极和活性炭负极的混合型超级电容器。
背景技术
电化学电容器是一种新型的储能装置，其具有高能量密度、高功率密度、长寿命的特点。根据储能机理的不同其主要分为建立在界面双电层基础上的双电层电容器以及建立在法拉第准电容基础上的超级电容器。同时由于电解液的击穿电压的限制，一般超级电容器的单体电压都在4.0V以下，无法满足一些电子和电气设备的使用要求。为了提高工作电压，就必须对超级电容器进行串联，这不但会提高超级电容器组件的体积，同时还会提高生产和使用成本。同时，电解电容器具有高单体电压，高比功率以及良好的交流电特性。如果能通过合理的设计，将两种电容器结合在一起，制备出混合型超级电容器，其将具有高能量密度、高工作电压、高功率密度的特点。
典型专利有US5369547，Evens公司的混合型超级电容器以Ta为正极RuO2为负极，其具有高单体电压、高能量密度等优异性能。但是Ru是一种贵金属价格昂贵且储量很少，制作该种混合型电容器需要很大的成本，大规模的推广应用受到了限制。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于钽正极和活性炭负极的混合型超级电容器，以克服现有技术存在的缺陷，满足相关领域应用的需要。
本发明所述的基于钽正极和活性炭负极的混合型超级电容器，包括负极和正极，其特征在于，所述负极材料为活性炭，所述正极材料为钽。
本发明采用廉价的活性炭为负极材料，利用其优异的双电层电容的特点，在保证其电性能的同时制造和使用成本将大大低于现有的Evens公司的同类产品。因此基于Ta正极和活性炭为负极制备成的超级电容器将具有很大的市场前景和应用价值。
本发明能够有效的提高超级电容器的工作电压，相比于传统的超级电容器，本发明的工作电压是其的3到10倍，解决了一般超级电容器不能用于高压脉冲功率系统的问题，同时也明显减少了高压电容器模块的串联数目，有利于提高模块的安全性和工作稳定性。该种混合型超级电容器在工业、交通、电子、军事等领域可以有广泛应用。且本混合型超级电容器结构简单，易于实现工业化生产。
附图说明
图1为混合型超级电容器原理图。
具体实施方式
参见图1，所述的基于钽正极和活性炭负极的混合型超级电容器，包括负极和正极，其特征在于，所述负极材料为活性炭，所述正极材料为钽。
进一步参见图1，所述基于钽正极和活性炭负极的混合型超级电容器，包括负极引线1、负极集流体2、负极、电解液4、正极、Ta2O5膜6、隔膜7、正极引线8和外壳9；
负极材料为活性炭，简称活性炭负极3，所述正极材料为钽，简称钽正极5；
所述钽正极5设置在所述外壳9内的一侧，并与金属如钽外壳9的内壁相连，所述Ta2O5膜6附着在所述钽正极5表面，所述负极集流体2设置在所述外壳9内的另一侧，所述活性炭负极3附着在所述负极集流体2的一面或者两面上，所述隔膜7设置在所述钽正极5和所述活性炭负极3之间，并卷绕包裹负极集流体2、活性炭负极3、钽正极5和Ta2O5膜6，使负极集流体2、活性炭负极3、电解液4、钽正极5、Ta2O5膜6、隔膜7组成的整个电芯同外壳9绝缘，所述电解液4设置在所述外壳9的腔体内，并使负极集流体2、活性炭负极3、钽正极5、Ta2O5膜6、隔膜7浸泡其中，负极引线1的一端与所述所述负极集流体2相连接，另一端穿过壳体9外，通过耐腐蚀的绝缘粘结剂同外壳相连；
所述正极引线8的一端与钽正极5相连接，另一端穿过壳体9外；通过耐腐蚀的绝缘粘结剂同外壳相连；
所述钽正极5为采用烧结方法制备而成的多孔钽，其表面具有Ta2O5氧化膜6，所述烧结方法为本领域公知的方法，如文献《氧化膜强化技术在钽电容器种的应用》中样品制备部分报道的钽正极的制备方法，钽电极密度为3~8g/cm3；
电解液为浓度为1~5mol/L的硫酸溶液，浓度越大电解液电导率越高；
所述的负极集流体2为钛箔或钽箔，所述活性炭负极3可采用文献《一步法腐蚀铝箔对超级电容器性能影响》实验部分报道的方法，将其所述负极集流体2的一面或者两面上，且涂覆单面面容量为700F/m2~1000F/m2；
所述的隔膜为无纺布隔膜或者纤维素隔膜；
所述外壳为圆柱形或方形。
实施例1
利用烧结工艺制备出密度为5g/cm3直径为35mm高度为3mm的扁平多孔钽正极并在其表面形成Ta2O5膜，制备好的单面的且单面面容量为700F/m2的活性炭负极冲压成直径为35mm的极片，两电极通过无纺布隔膜隔开然后装入金属钛外壳，注入电解液，电解液为浓度为3mol/L的硫酸溶液，两极最终通过引线引出，本实例最终制得的混合型超级电容器工作电压为32V，测得容量为8mF内阻为0.08mΩ。  
实施例2
利用烧结工艺制备出密度为3g/cm3直径为35mm高度为3mm的扁平多孔钽正极并在其表面形成Ta2O5膜，制备好的单面的且单面面容量为700F/m2的活性炭负极冲压成直径为35mm的极片，两电极通过无纺布隔膜隔开然后装入金属钛外壳，注入电解液，电解液为浓度为1mol/L的硫酸溶液，两极最终通过引线引出，本实例最终制得的混合型超级电容器工作电压为30V，测得容量为8mF内阻为0.08mΩ。
实施例3
利用烧结工艺制备出密度为8g/cm3直径为35mm高度为3mm的扁平多孔钽正极并在其表面形成Ta2O5膜，制备好的单面的且单面面容量为1000F/m2的活性炭负极冲压成直径为35mm的极片，两电极通过纤维素隔膜隔开然后装入金属钽外壳，注入电解液，电解液为浓度为5mol/L的硫酸溶液，两极最终通过引线引出，本实例最终制得的混合型超级电容器工作电压为36V，测得容量为10mF内阻为0.09mΩ。
实施例4
利用烧结工艺制备出密度为5g/cm3直径为35mm高度为3mm的扁平多孔钽正极并在其表面形成Ta2O5膜，制备好的双面的且单面面容量为700F/m2的活性炭负极冲压成直径为35mm的极片，两电极通过无纺布隔膜隔开在活性炭负极后叠加隔膜再叠加上述钽正极无纺布隔膜以及双面的且单面面容量为700F/m2的活性炭负极，将该组电极装入金属钛外壳，注入电解液，电解液为浓度为3mol/L的硫酸溶液，将该组极片两两端的电极最终通过引线引出，本实例最终制得的混合型超级电容器工作电压为50V，测得容量为5mF内阻为0.15mΩ。
实施例5
利用烧结工艺制备出密度为8g/cm3直径为35mm高度为3mm的扁平多孔钽正极并在其表面形成Ta2O5膜，制备好的双面的且单面面容量为700F/m2的活性炭负极冲压成直径为35mm的极片，两电极通过无纺布隔膜隔开在活性炭负极后叠加隔膜再叠加上述钽正极无纺布隔膜以及双面的且单面面容量为700F/m2的活性炭负极，将该组电极装入金属钽外壳，注入电解液，电解液为浓度为3mol/L的硫酸溶液，利用引线分别将钽正极和活性炭负极短路后引出，本实例最终制得的混合型超级电容器工作电压为36V，测得容量为12mF内阻为0.04mΩ。
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 (10)

1.基于钽正极和活性炭负极的混合型超级电容器，包括负极和正极，其特征在于，所述负极材料为活性炭，所述正极材料为钽。
2.基于钽正极和活性炭负极的混合型超级电容器，包括负极引线（1）、负极集流体（2）、电解液（4）、Ta2O5膜（6）、隔膜（7）、正极引线（8）和外壳（9）；其特征在于，还包括活性炭负极（3）和钽正极（5），
所述钽正极（5）设置在所述外壳（9）内的一侧，并与金属如钽外壳（9）的内壁相连，所述Ta2O5膜（6）附着在所述钽正极（5）表面，所述负极集流体（2）设置在所述外壳（9）内的另一侧，所述活性炭负极（3）附着在所述负极集流体（2）的一面或者两面上，所述隔膜（7）设置在所述钽正极（5）和所述活性炭负极（3）之间，并卷绕包裹负极集流体（2）、活性炭负极（3）、钽正极（5）和Ta2O5膜（6），使负极集流体（2）、活性炭负极（3）、电解液（4）、钽正极（5）、Ta2O5膜（6）、隔膜（7）组成的整个电芯同外壳（9）绝缘，所述电解液（4）设置在所述外壳（9）的腔体内，并使负极集流体2、活性炭负极3、钽正极5、Ta2O5膜6、隔膜7浸泡其中，负极引线（1）的一端与所述所述负极集流体（2）相连接，另一端穿过壳体（9）外，通过耐腐蚀的绝缘粘结剂同外壳相连；
所述正极引线（8）的一端与钽正极（5）相连接，另一端穿过壳体（9）外；通过耐腐蚀的绝缘粘结剂同外壳相连。
3.根据权利要求1所述的基于钽正极和活性炭负极的混合型超级电容器，其特征在于，正极为采用烧结方法制备而成的多孔钽，其表面具有Ta2O5氧化膜6，电极密度为3~8g/cm3。
4.根据权利要求2所述的基于钽正极和活性炭负极的混合型超级电容器，其特征在于，正极为采用烧结方法制备而成的多孔钽，其表面具有Ta2O5氧化膜6，电极密度为3~8g/cm3。
5.根据权利要求2所述的基于钽正极和活性炭负极的混合型超级电容器，其特征在于，电解液为浓度为1~5mol/L的硫酸溶液。
6.根据权利要求2所述的基于钽正极和活性炭负极的混合型超级电容器，其特征在于，所述的负极集流体（2）为钛箔或钽箔。
7.根据权利要求2所述的基于钽正极和活性炭负极的混合型超级电容器，其特征在于，所述的隔膜为无纺布隔膜或者纤维素隔膜。
8.根据权利要求2～7任一项所述的基于钽正极和活性炭负极的混合型超级电容器，其特征在于，所述活性炭负极（3）涂覆单面面容量为700F/m2~1000F/m2。
9.根据权利要求2～7任一项所述的基于钽正极和活性炭负极的混合型超级电容器，其特征在于，所述外壳为圆柱形或方形的钽外壳或钛外壳。
10.根据权利要求8所述的基于钽正极和活性炭负极的混合型超级电容器，其特征在于，所述外壳为圆柱形或方形的钽外壳或钛外壳。
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