CN103500665A - 具核-壳型电极的超级电容器 - Google Patents

Abstract

一种超级电容器，含有一对电极及一电解质。每一电极具有一石墨纤维核心以及一原子级包覆于核心的外表面的活性碳壳体。电解质为配置于此对电极之间，并接触每一电极的壳体，用以电性连接此对电极。

Description

具核-壳型电极的超级电容器

技术领域

本发明攸关于一种超级电容器，而特别关于一种具核-壳型电极的超级电容器。

背景技术

超级电容器，亦称电化学电容器（electrochemical capacitor，EC）或电双层电容器（electric double layer capacitor，EDLC），其工作原理为：充电时，超级电容器的二电极表面分别带有正电荷与负电荷，而正电荷会吸引超级电容器的电解质中的阴离子，负电荷会吸引电解质中的阳离子，如此阴、阳离子于二电极与电解质之间的接口获得一电位差；放电时，带走二电极表面的正电荷与负电荷，而阴离子及阳离子会流返至电解质中，如此释放获致的电位差。超级电容器具备有较传统电池高的功率密度（power density）、多的充放电次数、短的充电时间、及长的储电时间，以及较传统电容器高的能量密度（energy density）、及长的放电时间，于是逐渐取代这些传统储电装置，而作为电子组件的供电来源。

本发明人于中国台湾发明专利公开号第201316362号，已揭示一种超级电容器，其至少有一固态高分子电解质与一改良式碳质电极。电极是一活性物质涂布于一导电性碳质基材而制得的，而活性物质除了一主成分及一导电助剂外，还有一可协助主成分及导电助剂黏附于碳质基材的黏结剂。然而，电极因添加有黏结剂而存在着高阻抗的问题，从而造成超极电容器的电性效能仍有改善空间。此外，电极更因添加有黏结剂而导致电极的制造过程过于繁琐。

职是之故，设计一种超级电容器，此可降低其电极的阻抗，并简单化电极的制造过程，乃为本技术领域人士积极解决的议题之一。

发明内容

本发明旨在提出一种超级电容器，其含有一对电极以及一电解质。每一电极具有一石墨纤维核心以及一原子级包覆于核心的外表面的活性碳壳体。电解质为配置于此对电极之间，并接触每一电极的壳体，用以电性连接此对电极。

依据本发明，活性碳壳体为原子级包覆于石墨纤维核心的外表面，不须一黏结剂协助壳体附着于核心的外表面。如此一来，可降低超级电容器的电极的阻抗，并提升超级电容器的电性效能。另一方面，基于未添加有黏结剂，可简单化超级电容器的电极的制造过程。

附图说明

图1为一剖面图，说明着本发明一实施方式的超级电容器。

图2为一剖面图，说明着本发明另一实施方式的超级电容器。

图3为一扫描式电子显微镜照片图，显示着制备例中使用的石墨纤维原料的外观。

图4为一扫描式电子显微镜照片图，显示着制备例得到的电极的外观。

图5显示着制备例的超级电容器以及先前技术的超级电容器的自放电效能。

图6显示着制备例的超级电容器以及先前技术的锂离子电池多次充放电循环后的重量比容量。

图7显示着制备例的超级电容器以及先前技术的锂离子电池多次充放电循环后的体积比容量。

【符号说明】

（1）上电极

（11）活性碳壳体

（12）石墨纤维核心

（2）下电极

（3）电解质

（4）包装外壳

（5）隔离膜。

具体实施方式

为让本发明上述及/或其它目的、功效、特征更能明显易懂，下文特举较佳实施方式，作详细说明。

如图1所示，系绘示着本发明的一实施方式的超级电容器，而此实施方式的超级电容器含有一上电极（1）、一下电极（2）、一电解质（3）及一包装外壳（4）。

上电极（1）具有一石墨纤维核心（12）以及一活性碳壳体（11），而活性碳壳体（11）为原子级包覆于石墨纤维核心（12）的外表面。本文中使用的词组「原子级包覆」是指活性碳壳体（11）的碳原子与石墨纤维核心（12）的碳原子间形成一碳-碳化学键，而活性碳壳体（11）透过此化学键包覆于石墨纤维核心（12）的外表面。于本实施方式中，石墨纤维核心（12）的直径约为100μm至500μm，活性碳壳体（11）的厚度约为1nm至50nm。

上电极（1）可以为利用高温酸洗法（acid cleaning at a high temperature）或电浆诱发法（plasma induction）而形成的。就高温酸洗法而言，是将一石墨纤维原料经过一高温酸类（如硝酸）处理其外表面，让石墨纤维原料外表面反应成活性碳，以得到上电极（1）。就电浆诱发法而言，是先将二电浆电极夹住一石墨纤维原料，再于特殊气体氛围下，通入高频脉波电压至其中一电浆电极，将另一电浆电极接地，使得石墨纤维原料的孔隙充满有电浆，而使用电浆将石墨纤维原料的外表面转化为活性碳，以得到上电极（1）。于本实施方式中，电压的大小约为±200V至400V，电压的频率约为1kHz至50kHz，而特殊气体氛围可以为但不限于，氮气、惰性气体或干燥空气，气体氛围的压力约为0.05torr至0.5torr。

相较于高温酸洗法，电浆诱发法更适宜用来制造上电极（1），其原因在于：电浆诱发法可藉助上述及/或其它制程参数来调控活性碳壳体（11）的厚度。

下电极（2）具有与上电极（1）相同的结构，且可以为利用与上电极（1）相同的制造方法而形成的。

电解质（3）是配置于上电极（1）及下电极（2）之间，并接触于上电极（1）及下电极（2）的活性碳壳体（11）。这样一来，电解质（3）可电性连接此上电极（1）及下电极（2）。于本实施方式中，电解质（3）为一固态电解质，固态电解质的组成可以为但不限于，导电性高分子，或含导电性高分子与离子化合物的混合物，而导电性高分子的例子如，聚乙炔（polyethene）、聚苯胺（polyaniline）、聚吡咯（polypyrrole）、聚噻吩（polythiophene）、或聚对苯乙烯（poly(p-phenylenevinylene)）。

包装外壳（4）为设置来供此二电极（1、2）及电解质（3）容置，包装外壳（4）的材质可以为但不限于，铝、铝合金、或耐热树脂（如环氧树脂（epoxy resin）、酚树脂（phenol resin）、或聚酰亚胺树脂（polyimide resin））。

如图2所示，系绘示着本发明的另一实施方式的超级电容器，而此实施方式的超级电容器具备有与上述实施方式的超级电容器相同的结构特征，除了以下差异外：

此实施方式的超级电容器的电解质（3）为一液态电解质，液态电解质的组成可以为但不限于，IA族金属盐类的溶液、或熔融态IA族金属盐类。

为避免上电极（1）及下电极（2）短路，此实施方式的超级电容器尚配置有一隔离膜（5），而隔离膜（5）为设置于电解质（3）内，并隔离上电极（1）及下电极（2）。隔离膜（5）的例子可以为但不限于，聚烯烃无纺布、聚氯乙烯微孔隔膜、微孔硬橡胶隔膜、或玻璃纤维隔膜。

此实施方式的超级电容器的包装外壳（4）为设置来供此二电极（1、2）、电解质（3）及隔离膜（5）容置。

兹以下文实施例，以进一步例示说明本发明。

＜制备例＞

首先，将二电浆电极夹住一石墨纤维原料（请参照图3）。于气压0.05torr至0.5torr的氮气、惰性气体或干燥空气下，通入高频脉波电压（大小约为±200V至400V，频率约为1kHz至50kHz）至其中一电浆电极，将另一电浆电极接地，使得石墨纤维原料的孔隙充满着电浆。利用电浆将石墨纤维原料的外表面转变为活性碳，以得到一电极（请参照图4）。也就是说，形成的电极具有一石墨纤维核心及一活性碳壳体，而石墨纤维核心是对应于石墨纤维原料内部，活性碳壳体是对应于石墨纤维原料外表面并原子级包覆于石墨纤维核心的外表面。

接着，取二个如上所述的电极与一电解质，并装置于一包装外壳内，而得到一超级电容器，其中电解质是设置于此二电极之间，并接触每一电极的活性碳壳体。

＜分析例＞

为了解制备例得到的超级电容器的自放电（self-discharge）效能，各自将此超级电容器及先前技术的超级电容器（作为对照例）充电至1V的电位，接着于静置一段时间后，测量它们剩余的电位。如图5所示，制备例得到的超级电容器于静置80小时后，剩余的电位为0.6V，而先前技术的超级电容器于静置80小时后，剩余的电位为0.25V。此结果意谓着制备例得到的超级电容器具有相对低的自放电效能。换言之，制备例得到的超级电容器具有相对长的储电时间。

为更进一步了解制备例得到的超级电容器的充放电循环效能，各别将此超级电容器及先前技术的锂离子电池（作为对照例）充电至满后，完全放电，并重复上述充放电动作多次。如图6和7所示，每次的充放电动作代表着一次的充放电循环。依据这些图式，可以推知：此超级电容器于每次充放电循环测得的充电能量密度及放电能量密度均保持一致。又依据这些图式，可以推知：此超级电容器于每次充放电循环测得的充电能量密度及放电能量密度均优于先前技术的锂离子电池于每次充放电循环测得的充电能量密度及放电能量密度。这些结果意谓着制备例得到的超级电容器具有相对高的电容量及相对优异的充放电循环效能。

综合上述实施例，证实了本发明的实施方式的超级电容器具有优异于及/或等效于先前技术的超级电容器及电池的电性效能。而本发明人臆测此电性效能乃因电极未添加有黏结剂而降低其阻抗所造成的。

惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例，但不能以此限定本发明实施的范围；故，凡依本发明申请专利范围及发明说明书内容所作的简单的等效改善与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (12)

1.一种超级电容器，系包括：

一对电极，系各自具有一石墨纤维核心以及一原子级包覆于该核心的外表面的活性碳壳体；以及

一电解质，系配置于该对电极之间，并接触该每一电极的壳体，用以电性连接该对电极。

2.如权利要求1所述的超级电容器，其中该电解质系为一固态电解质。

3.如权利要求1所述的超级电容器，其中该电解质系为一液态电解质。

4.如权利要求3所述的超级电容器，尚包括：

一隔离膜，系设置于该电解质内，并隔离该对电极，用以避免该对电极短路。

5.如权利要求2所述的超级电容器，更包括：

一包装外壳，系供该对电极及该电解质容置。

6.如权利要求4所述的超级电容器，另包括：

一包装外壳，系供该对电极、该电解质及该隔离膜容置。

7.如权利要求1所述的超级电容器，其中该每一电极系利用高温酸洗法、或电浆诱发法而形成的。

8.如权利要求1所述的超级电容器，其中该核心的直径系为100μm至500μm。

9.如权利要求1所述的超级电容器，其中该壳体的厚度系为1nm至50nm。

10.如权利要求4所述的超级电容器，其中该隔离膜系为聚烷烃无纺布、聚氯乙烯微孔隔膜、微孔硬橡胶隔膜、或玻璃纤维隔膜。

11.如权利要求2所述的超级电容器，其中该固态电解质的组成系为导电性高分子、或含导电性高分子与离子化合物的混合物。

12.如权利要求3所述的超级电容器，其中该液态电解质的组成系为IA族金属盐类的溶液、或熔融态IA族金属盐类。

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