CN104021945B - 一种高功率密度和高能量密度超级电容器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高功率密度和高能量密度超级电容器，包括正极极片和负极极片，正极极片和负极极片卷绕在一起，正极极片和负极极片之间设计有隔离膜，隔离膜与正极极片相对应，正极极片和负极极片之间填充有电解液，其制作步骤如下：活性炭质活性材料，石墨烯基活性材料，导电剂，粘结剂按照重量比混合、搅拌、分散成均匀浆料；将所述浆料采用流延机或涂覆模具均匀涂覆金属集流体表面成1‑10um厚度的导电层，烘干制得活性材料电极；将所述活性材料电极在平压机或冷压机上轧制、分切得到正极极片和负极极片；将所述正极极片和所述负极极片和多孔隔离膜装配、干燥，然后灌注电解液，封装制得高功率密度和高能量密度超级电容器。

Description

一种高功率密度和高能量密度超级电容器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种电容器及其制备方法，尤其涉及一种高功率密度和高能量密度超级电容器及其制备方法。

背景技术

超级电容器是近年来出现的一种介于传统电容器和二次电池之间的新型环保储能器件，它在保留传统电容器功率密度大的特点的同时，其静电容量可达法拉级甚至数千法拉，因此还具有能量密度较高的特点。同时有充放电速度快，充放电效率高，寿命长，安全性好，环境友好等优点，是成为一种新型、实用、高效的储能器件。

李宝华等（中国专利，专利申请号：03134990.0）指出了一种层叠式超级电容器及其制造方法，其采用流延机或涂覆模具将调制好的炭质活性材料、导电剂和粘结剂、溶剂的混合浆料均匀涂覆在金属集电流体表面，再在自动控温辊压机上进行轧制，烘干，裁切成形而获得电极，然后将内侧涂覆活性炭质材料的正电极，负电极，隔离膜叠加在一起后加入电解液封装成超级电容器单体，将多个超级电容器单体通过串联，并联叠层，加压封装成电压更高、电容量更大的超级电容器。

超级电容器在很多领域都有广阔的应用前景，一是用作电源，(1)作后备电源；目前超级电容器应用最广的部分是电子产品领域，主要是充当CMOS保护、计时器、钟表、录像机、移动电话等的后备电源。(2)作替换电源；例如白昼-黑夜的转换。白天太阳能提供电源并对超级电容器充电，晚上则由超级电容器提供电源。典型的应用有：太阳能手表，太阳能灯，路标灯，公共汽车停车站时间表灯，汽车停放收费计灯，交通信号灯等。(3)作主电源；通过一个或几个超级电容器释放持续几毫秒到几秒的大电流，放电之后，超级电容器再由低功率的电源充电。典型应用有玩具车等。二是用作功率辅助设备，特别是在电动汽车上的应用，给超级电容器的发展提供了广阔的空间。例如在汽车启动，加速，爬坡时提供高功率，以保护蓄电池，在刹车时回收储存多余能量。

超级电容器具有功率密度高，循环寿命长，安全环保等优点，在电动汽车领域具有广泛地应用前景。高比表面活性炭质活性材料以其原料易得，成本相对较低，比表面积大，孔结构可控，环境友好，化学性质和电化学性质稳定等优点成为制造超级电容器的主要材料之一。但其制备的超级电容器能量密度一般在10Wh/kg左右，不能满足某些应用领域的需求。因此，继续提高超级电容器能量密度和功率密度，缩短充放电时间成为该领域研究的热点。而寻找一种比容量高、性能稳定的超级电容电极材料是解决这些问题的关键。石墨烯具有高的电子传导速率、比表面积和机械强度，在超级电容器电极材料领域显示出了巨大的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够简化大规模工业生产工艺、寿命长的一种高功率密度和高能量密度超级电容器及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种高功率密度和高能量密度超级电容器，包括正极极片和负极极片，正极极片和负极极片卷绕在一起，其特征是：正极极片和负极极片之间设计有隔离膜，隔离膜与正极极片相对应，正极极片和负极极片之间填充有电解液。

一种高功率密度和高能量密度超级电容器的制作方法，其特征在于：制作步骤如下：

第一步：活性炭质活性材料，石墨烯基活性材料，导电剂，粘结剂按照10-95 : 5-80：2-10 : 3-20的重量比混合、搅拌、分散成均匀浆料；

第二步：按照电极尺寸的要求，将所述浆料采用流延机或涂覆模具均匀涂覆金属集流体表面成1-10um厚度的导电层，烘干制得活性材料电极；

第三步：将所述活性材料电极在平压机或冷压机上轧制、分切得到正极极片和负极极片；

第四步：将所述正极极片和所述负极极片和多孔隔离膜装配、干燥，然后灌注电解液，封装制得高功率密度和高能量密度超级电容器。

本制作方法中，所述活性炭质活性材料平均颗粒度为3-20微米，BET比表面积为100-4000平方米/克，石墨烯基活性材料的平均颗粒度为100纳米-10微米，BET比表面积为100-4000平方米/克。

本制作方法中，将所述活性炭质活性材料，石墨烯-四氧化三锰活性材料，乙炔碳黑和均聚偏氟乙烯乳液按照60 :20: 15 : 5的重量比混合，然后加入氮－甲基吡咯烷酮，搅拌分散制得均匀浆料，按照电极尺寸的要求，采用流延机将其间歇均匀涂覆在金属铝箔表面，涂布尺寸通过对流延机的控制来实现，130℃干燥5-60分钟，冷压后，依照同样的方法，在金属铝箔的另一面也均匀的涂覆浆料，100℃干燥5-20分钟，制得两侧均有活性物质的超级电容器极片，接着将上述超级电容器电极在冷压机上轧制，然后分切成实际需要的宽度，灌注电解液，封装制备方形高功率密度和高能量密度超级电容器。

本制作方法中，所述导电剂为乙炔碳黑、导电石墨、导电碳纤维或碳纳米管。

本制作方法中，所述粘结剂为聚丙烯酸酯乳液、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠或聚乙二醇，溶剂为水或氮-甲基吡咯烷酮，所述电解液为碳酸乙烯酯，碳酸丙烯酯，乙腈，γ-丁内酯或者它们的混合溶剂，电解液所用盐有四乙基四氟硼酸季铵盐，四乙基四氟硼酸季磷盐，四正丙基四氟硼酸季磷盐，四乙基六氟磷酸季磷盐，六氟磷酸锂，四氟硼酸锂，所述电解液浓度为0.1-5摩尔/升。

本制作方法中，所述石墨烯基活性材料为氧化石墨烯活性材料、石墨烯-过渡金属氧化物活性材料或石墨烯-高分子聚合物活性材料。

本制作方法中，所述石墨烯-过渡金属氧化物活性材料为石墨烯-四氧化三锰，所述石墨烯-高分子聚合物活性材料为石墨烯-聚吡咯。

本制作方法中，所述装配采用叠片式或卷绕式。

本制作方法中，所述多孔隔离膜为离子能够渗透但电子绝缘的多孔隔离膜，所述多孔隔离膜为聚乙烯膜，聚丙烯膜或它们的改性聚合物膜。

本发明的优点效果在于：由于本发明的这种结构和制备方法，所以使用本方法生产工艺简单，生产效率高，制备的超级电容器一致性好，适合于大规模工业生产的优点，制备的超级电容器具有高功率密度和高能量密度，免维护和超长寿命的特点。

附图说明

图1为一种高功率密度和高能量密度超级电容器的结构示意图。

附图中：1、正极极片；2、负极极片；3、隔离膜；4、电解液。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

本发明如图1所示，一种高功率密度和高能量密度超级电容器，包括正极极片1和负极极片2，正极极片1和负极极片2卷绕在一起，其特征是：正极极片1和负极极片2之间设计有隔离膜3，隔离膜3与正极极片1相对应，正极极片1和负极极片2之间填充有电解液4。

一种高功率密度和高能量密度超级电容器的制作方法，其特征在于：制作步骤如下：

第一步：活性炭质活性材料，石墨烯基活性材料，导电剂，粘结剂按照10-95 : 5-80：2-10 : 3-20的重量比混合、搅拌、分散成均匀浆料；

第二步：按照电极尺寸的要求，将所述浆料采用流延机或涂覆模具均匀涂覆金属集流体表面成1-10um厚度的导电层，烘干制得活性材料电极；

第三步：将所述活性材料电极在平压机或冷压机上轧制、分切得到正极极片和负极极片；

第四步：将所述正极极片和所述负极极片和多孔隔离膜装配、干燥，然后灌注电解液，封装制得高功率密度和高能量密度超级电容器。

在本实施例中，所述活性炭质活性材料平均颗粒度为3-20微米，BET比表面积为100-4000平方米/克，石墨烯基活性材料的平均颗粒度为100纳米-10微米，BET比表面积为100-4000平方米/克。在本实施例中，将所述活性炭质活性材料，石墨烯-四氧化三锰活性材料，乙炔碳黑和均聚偏氟乙烯乳液按照60 :20: 15 : 5的重量比混合，然后加入氮－甲基吡咯烷酮，搅拌分散制得均匀浆料，按照电极尺寸的要求，采用流延机将其间歇均匀涂覆在金属铝箔表面，涂布尺寸通过对流延机的控制来实现，130℃干燥5-60分钟，冷压后，依照同样的方法，在金属铝箔的另一面也均匀的涂覆浆料，100℃干燥5-20分钟，制得两侧均有活性物质的超级电容器极片，接着将上述超级电容器电极在冷压机上轧制，然后分切成实际需要的宽度，灌注电解液，封装制备方形高功率密度和高能量密度超级电容器。在本实施例中，所述导电剂为乙炔碳黑、导电石墨、导电碳纤维或碳纳米管。在本实施例中，所述粘结剂为聚丙烯酸酯乳液、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠或聚乙二醇，溶剂为水或氮-甲基吡咯烷酮，所述电解液为碳酸乙烯酯，碳酸丙烯酯，乙腈，γ-丁内酯或者它们的混合溶剂，电解液所用盐有四乙基四氟硼酸季铵盐，四乙基四氟硼酸季磷盐，四正丙基四氟硼酸季磷盐，四乙基六氟磷酸季磷盐，六氟磷酸锂，四氟硼酸锂，所述电解液浓度为0.1-5摩尔/升。在本实施例中，所述石墨烯基活性材料为氧化石墨烯活性材料、石墨烯-过渡金属氧化物活性材料或石墨烯-高分子聚合物活性材料。在本实施例中，所述石墨烯-过渡金属氧化物活性材料为石墨烯-四氧化三锰，所述石墨烯-高分子聚合物活性材料为石墨烯-聚吡咯。在本实施例中，所述装配采用叠片式或卷绕式。在本实施例中，所述多孔隔离膜为离子能够渗透但电子绝缘的多孔隔离膜，所述多孔隔离膜为聚乙烯膜，聚丙烯膜或它们的改性聚合物膜。

所述粘结剂既可以使粉末状也可以是乳液状。

实施例1、将所述活性炭质活性材料，石墨烯-四氧化三锰活性材料，乙炔碳黑和均聚偏氟乙烯乳液按照60 :20: 15 : 5的重量比混合，然后加入氮－甲基吡咯烷酮，搅拌分散制得均匀浆料，按照电极尺寸的要求，采用流延机将其间歇均匀涂覆在金属铝箔表面，涂布尺寸通过对流延机的控制来实现，130℃干燥5-60分钟，冷压后，依照同样的方法，在金属铝箔的另一面也均匀的涂覆浆料，100℃干燥5-20分钟，制得两侧均有活性物质的超级电容器极片，接着将上述超级电容器电极在冷压机上轧制，然后分切成实际需要的宽度，灌注电解液，封装制备方形高功率密度和高能量密度超级电容器。

采用此方法制备长260毫米，宽100毫米，厚10毫米的方形高功率密度和高能量密度超级电容器，静电容量为9000法拉，能量密度为35 Wh/kg，功率密度为10 kW/kg，额定电流下100,000次充放电循环，电容量衰减小于20％。

将多个超级电容器进行串联，并联可以得到更高工作电压，更大静电容量的超级电容器模组。本发明的制备方法具有生产工艺简单，生产效率高，制备的超级电容器一致性好，适合于大规模工业生产的优点。制备的超级电容器具有高功率密度和高能量密度，免维护和超长寿命的特点。

Claims (1)

1.一种高功率密度和高能量密度超级电容器的制作方法，包括正极极片（1）和负极极片（2），正极极片（1）和负极极片（2）卷绕在一起，其特征是：正极极片（1）和负极极片（2）之间设计有隔离膜（3），隔离膜（3）与正极极片（1）相对应，正极极片（1）和负极极片（2）之间填充有电解液（4），第一步：活性炭质活性材料，石墨烯基活性材料，导电剂，粘结剂按照10-95: 5-80：2-10 : 3-20的重量比混合、搅拌、分散成均匀浆料；第二步：按照电极尺寸的要求，将所述浆料采用流延机或涂覆模具均匀涂覆金属集流体表面成1-10um厚度的导电层，烘干制得活性材料电极；第三步：将所述活性材料电极在平压机或冷压机上轧制、分切得到正极极片和负极极片；第四步：将所述正极极片和所述负极极片和多孔隔离膜装配、干燥，然后灌注电解液，封装制得高功率密度和高能量密度超级电容器，所述活性炭质活性材料平均颗粒度为3-20微米，BET比表面积为100-4000平方米/克，石墨烯基活性材料的平均颗粒度为100纳米-10微米，BET比表面积为100-4000平方米/克；

将所述活性炭质活性材料，石墨烯-四氧化三锰活性材料，乙炔碳黑和均聚偏氟乙烯乳液按照60 :20: 15 : 5的重量比混合，然后加入氮－甲基吡咯烷酮，搅拌分散制得均匀浆料，按照电极尺寸的要求，采用流延机将其间歇均匀涂覆在金属铝箔表面，涂布尺寸通过对流延机的控制来实现，130℃干燥5-60分钟，冷压后，依照同样的方法，在金属铝箔的另一面也均匀的涂覆浆料，100℃干燥5-20分钟，制得两侧均有活性物质的超级电容器极片，接着将上述超级电容器电极在冷压机上轧制，然后分切成实际需要的宽度，灌注电解液，封装制备方形高功率密度和高能量密度超级电容器；

所述导电剂为乙炔碳黑、导电石墨、导电碳纤维或碳纳米管，所述粘结剂为聚丙烯酸酯乳液、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠或聚乙二醇，溶剂为水或氮-甲基吡咯烷酮，所述电解液为碳酸乙烯酯，碳酸丙烯酯，乙腈，γ-丁内酯或者它们的混合溶剂，电解液所用盐有四乙基四氟硼酸季铵盐，四乙基四氟硼酸季磷盐，四正丙基四氟硼酸季磷盐，四乙基六氟磷酸季磷盐，六氟磷酸锂，四氟硼酸锂，所述电解液浓度为0.1-5摩尔/升，所述石墨烯基活性材料为氧化石墨烯活性材料、石墨烯-过渡金属氧化物活性材料或石墨烯-高分子聚合物活性材料，所述石墨烯-过渡金属氧化物活性材料为石墨烯-四氧化三锰，所述石墨烯-高分子聚合物活性材料为石墨烯-聚吡咯，所述装配采用叠片式或卷绕式，所述多孔隔离膜为离子能够渗透但电子绝缘的多孔隔离膜，所述多孔隔离膜为聚乙烯膜，聚丙烯膜或它们的改性聚合物膜。