CN103050292A - 一种高功率双电层电容器 - Google Patents

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安仲勋
吴明霞
杨恩东
黄廷立
曹小卫
颜亮亮
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Abstract

本发明提出一种工作电压为3.2V的高功率双电层电容器，由正极、负极、隔膜、有机电解液、引出端子和外壳组成，其特征在于正极活性物质为石墨烯，负极活性物质为活性炭。本发明公开的双电层电容器通过采用正负极不同的活性物质和电化学性能很稳定的溶质双环哌咯基四氟硼酸季铵盐，提高双电层电容器的工作电压，工作电压可由传统的2.7V提高到3.2V，由此提高电容器的比能量和比功率。其比能量可到达8Wh/kg，比功率可达10000W/kg，循环寿命可达到100万次。

Description

一种高功率双电层电容器
技术领域
本发明涉及化学电源领域，特别地涉及一种工作电压为3.2V的高功率双电层电容器。
背景技术
电化学双电层电容器( EDLC) 是指具有远远超过传统电容器容量、利用双电层充放电原理的装置，一般正负极都采用同样的活性物质（如活性炭、炭纤维、炭布、炭气凝胶、炭纳米管、炭黑、石墨烯）作为电极活性物质，各自形成一个双电层，分别吸引电性相反的等量电荷。其特点是比电容大、比功率高、循环寿命长、使用温度范围宽和对环境友好，具有广阔的应用前景。因此电极材料是决定EDLC 性能的关键之一，其制备工艺和电化学性能已有大量的相关研究，而有关EDLC 体系的研究相对较少。
现有的EDLC 一般正、负极活性物质的种类相等，而事实上可用于双电层的活性物质，在各自的极化区表现出不同的电化学行为，有的适合做正极材料，有的适合做负极材料，例如，双电层电容器最常用的活性炭作为负极时可表现出更大的区间和更高的容量，而双电层电容器导电性能最好，功率特性最好的石墨烯，用作正极时表现出更大的区间，当正负极都用石墨烯做双电层电容器的活性物质时，采用有机电解液，由于负极的点端效应当电压高于2.3V时会出现严重出气。因此双电层电容器正负两极采用不同种类的活性物质可提高使不同种类的双电层超级电容器的活性物质材料优势互补，改善相同种类活性物质受某一极区间的影响而降低工作电压的现状。
同时，虽然EDLC的容量相对于传统电容器大很多，循环寿命长、库仑效率高，但相对于锂离子电池，其比能量小、工作电压低。与水系电解液体系相比，有机电解液体系的工作电压与比能量较高，是EDLC 的发展趋势，如能进一步提高其工作电压，则可以使其比能量也大幅度增加。同时由于有机电解液的电导率小（约比水系电解液低两个数量级），影响了有机系EDLC的功率特性，因此如何在提高有机系EDLC的能量特性的同时保证其功率特性则是一个难点。
目前常用的电解液一般选用分解电压较高、介电常数较高和低温特性较好的乙腈作为溶剂，同时采用四乙基四氟硼酸胺盐或者三乙基一甲基四氟硼酸胺盐作为溶质，这种配方的电解液能取得良好的导电效果，目前采用上述常用有机电解液体系的对称型EDLC的功率密度一般能达到5000-6000W/Kg，但由于工作电压最高只有2.7V，当工作电压高于2.7V时，溶质四乙基四氟硼酸胺盐（Et4NBF4）会发生分解，因此能量密度偏低，只能达到3-5.5Wh/Kg。本发明提供的技术方案正是为了解决这两大问题。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明提出一种工作电压为3.2V的高功率双电层电容器，由正极、负极、隔膜、有机电解液、引出端子和外壳组成，其特征在于正极活性物质为石墨烯，负极活性物质为活性炭。
其中，所述正负极活性物质的容量之比为1:1。
其中，所述有机电解液的溶剂为乙腈（CH3CN），溶质为双环哌咯基四氟硼酸季铵盐（结构式为                                               
Figure 201210557292X100002DEST_PATH_IMAGE002
）。所述有机电解液的浓度为1.0~1.8M。
其中，所述隔膜为聚乙烯微孔膜、或聚丙烯微孔膜、或复合膜、或无机陶瓷膜、或纸隔膜、或无纺布隔膜。
其中，所述双电层电容器的结构为卷绕圆柱形、卷绕方型或叠片方型，其外壳为铝壳、钢壳，或软包装塑铝膜。
本发明公开的双电层电容器通过采用正负极不同的活性物质和电化学性能很稳定的溶质双环哌咯基四氟硼酸季铵盐，提高双电层电容器的工作电压，工作电压可由传统的2.7V提高到3.2V，由此提高电容器的比能量和比功率。其比能量可到达8Wh/kg，比功率可达10000W/kg，循环寿命可达到100万次。
具体实施方式
下面结合具体实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例1 
采用石墨烯为正极活性物质，采用活性炭作为负极活性物质制备极片，正负极的容量配比为1：1，采用纸隔膜作为隔膜，电解液的溶剂为乙腈，溶质为1mol/L的双环哌咯基四氟硼酸季铵盐，制备成200F叠片方形铝塑膜软包装的双电层电容器单体。
实施例2
采用石墨烯为正极活性物质，采用活性炭作为负极活性物质制备极片，正负极的容量配比为1.05：1，采用纸隔膜作为隔膜，电解液的溶剂为乙腈，溶质为1mol/L的双环哌咯基四氟硼酸季铵盐，制备成200F叠片方形铝塑膜软包装的双电层电容器单体。
实施例3 
采用石墨烯为正极活性物质，采用活性炭作为负极活性物质制备极片，正负极的容量配比为1.1：1，采用纸隔膜作为隔膜，电解液的溶剂为乙腈，溶质为1mol/L的双环哌咯基四氟硼酸季铵盐，制备成200F叠片方形铝塑膜软包装的双电层电容器单体。
实施例4
采用石墨烯为正极活性物质，采用活性炭作为负极活性物质制备极片，正负极的容量配比为1：1.05，采用纸隔膜作为隔膜，电解液的溶剂为乙腈，溶质为1mol/L的双环哌咯基四氟硼酸季铵盐，制备成200F叠片方形铝塑膜软包装的双电层电容器单体。
实施例5
采用石墨烯为正极活性物质，采用活性炭作为负极活性物质制备极片，正负极的容量配比为1：1.1，采用纸隔膜作为隔膜，电解液的溶剂为乙腈，溶质为1mol/L的双环哌咯基四氟硼酸季铵盐，制备成200F叠片方形铝塑膜软包装的双电层电容器单体。
实施例6
采用石墨烯为正极活性物质，采用石墨烯作为负极活性物质制备极片，正负极的容量配比为1.：1，采用纸隔膜作为隔膜，电解液的溶剂为乙腈，溶质为1mol/L的双环哌咯基四氟硼酸季铵盐，制备成200F叠片方形铝塑膜软包装的双电层电容器单体。
实施例7
采用活性炭为正极活性物质，采用活性炭作为负极活性物质制备极片，正负极的容量配比为1：1，采用纸隔膜作为隔膜，电解液的溶剂为乙腈，溶质为1mol/L的双环哌咯基四氟硼酸季铵盐，制备成200F叠片方形铝塑膜软包装的双电层电容器单体。
实施例8
采用活性炭为正极活性物质，采用石墨烯作为负极活性物质制备极片，正负极的容量配比为1：1，采用纸隔膜作为隔膜，电解液的溶剂为乙腈，溶质为1mol/L的四乙基四氟硼酸季铵盐，制备成200F叠片方形铝塑膜软包装的双电层电容器单体。
实施例9
采用石墨烯为正极活性物质，采用活性炭作为负极活性物质制备极片，正负极的容量配比为1：1，采用纸隔膜作为隔膜，电解液的溶剂为乙腈，溶质为1.2mol/L的双环哌咯基四氟硼酸季铵盐，制备成200F叠片方形铝塑膜软包装的双电层电容器单体。
实施例10
采用石墨烯为正极活性物质，采用活性炭作为负极活性物质制备极片，正负极的容量配比为1：1，采用纸隔膜作为隔膜，电解液的溶剂为乙腈，溶质为1.5mol/L的双环哌咯基四氟硼酸季铵盐，制备成200F叠片方形铝塑膜软包装的双电层电容器单体。
实施例11
采用石墨烯为正极活性物质，采用活性炭作为负极活性物质制备极片，正负极的容量配比为1：1，采用纸隔膜作为隔膜，电解液的溶剂为乙腈，溶质为1.8mol/L的双环哌咯基四氟硼酸季铵盐，制备成200F叠片方形铝塑膜软包装的双电层电容器单体。
实施例12
采用石墨烯为正极活性物质，采用活性炭作为负极活性物质制备极片，正负极的容量配比为1：1，采用纸隔膜作为隔膜，电解液的溶剂为乙腈，溶质为1.9mol/L的双环哌咯基四氟硼酸季铵盐，制备成200F叠片方形铝塑膜软包装的双电层电容器单体。
实施例13
采用石墨烯为正极活性物质，采用活性炭作为负极活性物质制备极片，正负极的容量配比为1：1，采用纸隔膜作为隔膜，电解液的溶剂为乙腈，溶质为2.0mol/L的双环哌咯基四氟硼酸季铵盐，制备成200F叠片方形铝塑膜软包装的双电层电容器单体。
实施例14
采用石墨烯为正极活性物质，采用活性炭作为负极活性物质制备极片，正负极的容量配比为1：1，采用纸隔膜作为隔膜，电解液的溶剂为乙腈，溶质为0.9mol/L的双环哌咯基四氟硼酸季铵盐，制备成200F叠片方形铝塑膜软包装的双电层电容器单体。
根据本发明制作的双电层电容器的性能测试：
循环寿命采用的测试制度为常温下（25-30℃），100%DOD，20A充放，当容量衰减为初始的80%时结束。
高温负荷寿命的方法制度为在高温65℃条件下，100%SOC，恒压一定时间后以20A充放电、100%DOD测试电容器的充放电容量，容量衰减为初始的80%时高温负荷寿命结束。
根据本发明制备得到的样品测得的电化学性能分别如表1所示。
表1本发明制作的双电层电容器的性能测试
  工作电压（V） 循环寿命寿命(次) 高温负荷寿命(小时) 功率密度(W/kg) 能量密度(Wh/kg)
实施例1 3.2 1050000 1500 11000 8.5
实施例2 3.2 900000 1200 11000 8.3
实施例3 3.2 700000 900 11000 8.1
实施例4 3.2 850000 1100 11000 8.2
实施例5 3.2 700000 900 11000 8.1
实施例6 3.2 100000 300 12000 8.3
实施例7 3.2 120000 400 10500 8.1
实施例8 3.2 80000 300 9500 8.2
实施例9 3.2 1100000 1600 12000 8.6
实施例10 3.2 1100000 1600 125000 8.6
实施例11 3.2 1100000 1600 13000 8.6
实施例12 3.2 900000 1200 9500 8.5
实施例13 3.2 800000 1100 8700 8.5
实施例14 3.2 1100000 1600 8700 8.6
从表1可以看出，本发明中正极采用石墨烯为活性物质，负极采用活性炭为活性物质，使用乙腈（CH3CN）作为溶剂，使用电化学稳定性极佳的双环哌咯基四氟硼酸季铵盐为溶质，与使用常规的四乙基四氟硼酸铵（Et4NBF4）为溶质，同一配比下，循环寿命大大增加；正极活性物质为石墨烯，负极活性物质为活性炭，且容量配比为1:1时寿命最佳，当正负极活性物质相同时，以及正极活性物质为活性炭，负极活性物质为石墨烯时循环寿命都有所降低，不能获得实际意义上3.2V的高功率双电层电容器。电解液浓度对本发明影响很大，当电解液浓度低于1.0M时，功率降低，当电解液浓度高于1.8M时，寿命降低，功率降低，电解液的浓度在1~1.8M之间合适。
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 (6)

1.一种高功率双电层电容器，由正极、负极、隔膜、有机电解液、引出端子和外壳组成，其特征在于正极活性物质为石墨烯，负极活性物质为活性炭。
2.如权利要求1所述的高功率双电层电容器，其特征在于所述正负极活性物质的容量之比为1:1。
3.如权利要求1所述的高功率双电层电容器，其特征在于所述有机电解液的溶剂为乙腈（CH3CN），溶质为双环哌咯基四氟硼酸季铵盐[SBPP-BF4]。
4.如权利要求3所述的高功率双电层电容器，其特征在于所述有机电解液的浓度为1.0~1.8M。
5.如权利要求1所述的高功率双电层电容器，其特征在于所述隔膜为聚乙烯微孔膜、或聚丙烯微孔膜、或复合膜、或无机陶瓷膜、或纸隔膜、或无纺布隔膜。
6.如权利要求1所述的高功率双电层电容器，其特征在于所述双电层电容器的结构为卷绕圆柱形、卷绕方型或叠片方型，其外壳为铝壳、钢壳，或软包装塑铝膜。
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