CN104992837A

CN104992837A - 应用于准法拉第超级电容器的复合基材及其制法与应用

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Publication number: CN104992837A
Application number: CN201510431582.3A
Authority: CN
Inventors: 吴永德; 左知辰; 孙明; 李子华
Original assignee: SUZHOU POWER CAPACITOR Co Ltd
Current assignee: SUZHOU POWER CAPACITOR Co Ltd
Priority date: 2015-07-21
Filing date: 2015-07-21
Publication date: 2015-10-21

Abstract

本发明公开了一种应用于准法拉第超级电容器的复合基材，包括导电载体以及固定结合于导电载体表面的复合介质层，所述复合介质层主要由巨介电常数陶瓷粉体材料、包覆于巨介电常数陶瓷粉体材料表面的绝缘包覆层、粘结剂组成，所述巨介电常数陶瓷粉体材料的相对介电常数在10000以上本发明还提供了制作所述复合基材的方法复合基材本发明的复合基材在应用于制备超级电容时，具有易于加工的优点，并且制成的准法拉第超级电容器具有容量大，储能密度、比特性高，无正负极性，可快充快放，充放电循环寿命长，且基本无容量衰减，安全环保等优点，应用前景广阔。

Description

应用于准法拉第超级电容器的复合基材及其制法与应用

技术领域

本发明涉及一种储能装置，特别涉及一种应用于准法拉第超级电容器的复合基材及其制备方法，属于能源科学及材料科学技术领域。

背景技术

一般来说，电容器主要是由两个平行电极中间插有复合介质层所形成的电器元件。因此电容器的容量与电极面积成正比，与电极间绝缘距离成反比，与电极间复合介质层的介电常数成正比。为了使电容器容量的提升，人们一直在通过不断致力于提高电极的表面积、减小两电极间绝缘介质的厚度和提高绝缘介质的介电常数来实现电容量的提高。

超级电容，作为电容器中的一种，又称超大容量电容、黄金电容、法拉电容、双层电容、储能电容，是依靠极化电解质来储能的一种新型的电化学装置。超级电容器作为一种新型储能装置，具有显著的特点和优势，在某些领域正在逐步替代传统蓄电池，在高度重视节能环保的今天，正在被全世界所高度重视。

现有超级电容都是在电解电容的基础上发展起来的。传统电解电容以两个铝箔作为极板，铝箔表面经过特殊处理，形成多微孔和表面凹凸使极板表面积最大化，中间有隔膜作为绝缘介质，同时在隔膜内吸附有电解液以提高介电常数。超级电容的基本结构也与电解电容有相似之处，也有两个极板，中间有隔膜和电解液，只是极板主要是用微颗粒碳粉制作，籍以实现极板的表面积最大化，它的电容主要由碳粉固相与电解液液相界面上形成的双电层上实现，因此具有理论上最大的表面积和最小的电极距离来实现超大容量电容目的。

现有超级电容按内部结构分主要有碳、碳电极的双电层电容；金属氧化物电极的赝电容；一极采用碳电极，另一极采用金属氧化物的混合电容。按电解液来分：主要有水性电解液、有机电解液和胶体电解液。按形式分主要有：扣式、卷绕式、叠层式。

但是前述的现有超级电容均属于电化学范畴，在生产使用过程中均有不同程度的环境影响，并且它的容量尽管达到了法拉级，但是其储能仅为传统蓄电池的1/20-1/10，因此还难以取代传统蓄电池，尤其是锂电池。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种应用于准法拉第超级电容器的复合基材，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明的一实施例中提供了一种应用于准法拉第超级电容器的复合基材，其包括导电载体以及固定结合于导电载体表面的复合介质层，所述复合介质层主要由巨介电常数陶瓷粉体材料、包覆于巨介电常数陶瓷粉体材料表面的绝缘包覆层、粘结剂组成，所述巨介电常数陶瓷粉体材料的相对介电常数在10000以上。

作为较为优选的实施方案之一，所述导电载体包括薄片状导电材料，例如铝箔等金属箔，其厚度可以为3μm～16μm。

作为较为优选的实施方案之一，所述巨介电常数陶瓷粉体材料的粒径小于300nm，尤其优选为100nm以上。

作为较为优选的实施方案之一，所述绝缘包覆层的厚度小于10nm，尤其优选为1nm～10nm，例如10nm。

作为较为优选的实施方案之一，所述绝缘包覆层的耐电强度在100V/μm以上。

作为较为优选的实施方案之一，所述复合介质层的厚度为3μm～20μm，尤其优选为3μm～10μm。

作为较为优选的实施方案之一，所述复合基材的厚度为3μm～26μm，尤其优选为6μm～16μm。

进一步的，所述粘结剂可优选自但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯。

本发明的另一实施例中提供了一种制作所述应用于准法拉第超级电容器的复合基材的方法，其包括：

提供相对介电常数在10000以上的巨介电常数陶瓷粉体材料，并在所述巨介电常数陶瓷粉体材料包覆绝缘包覆层；

以及，至少将表面包覆有绝缘包覆层的巨介电常数陶瓷粉体材料与粘结剂均匀混合并涂布到载体表面形成复合介质层，并通过辊轧使所述复合介质层与载体结合形成所述复合基材。

本发明还提供了一种准法拉第超级电容器，其包含前述的任一种复合基材。

与现有技术相比，本发明的优点包括：该应用于准法拉第超级电容器的复合基材在应用于制备超级电容时，具有易于加工的优点，并且所制成的准法拉第超级电容器既具有传统簿膜电容器的特性，又具有超大容量电容(超级电容)的特性，且没有电解液，在生产和使用、废弃过程中不存在污染排放；容量是现有电化学超级电容器的至少三倍以上；储能密度，比特性相当于甚至优于现有高储能锂电池；无正负极极性；可快充快放；充放电循环寿命长(可达到100万次左右)；基本没有容量衰减现象。

附图说明

图1a是本发明一典型实施例中一种应用于准法拉第超级电容器的复合基材的结构示意图；

图1b是图1a中表面包覆有绝缘包覆层的巨介电常数陶瓷粉体材料的放大示意图；

图2是图1所示应用于准法拉第超级电容器的复合基材的制备工艺流程图；

图3是本发明一典型实施例之中一种准法拉第超级电容器的结构示意图；

附图标记说明：巨介电常数陶瓷粉体材料1，绝缘包覆层2、粘结剂3、导电载体4、复合介质层10、引出电极20、外壳30。

具体实施方式

为使本发明的技术方案更易于理解，如下结合附图及实施实例对本发明进行更具体的解释说明。

请参阅图1a-图1b所示，本发明的一典型实施实例所提供的一种应用于准法拉第超级电容器的复合基材包括导电载体4以及固定结合于导电载体表面的复合介质层10，所述复合介质层主要由巨介电常数陶瓷粉体材料1、包覆于巨介电常数陶瓷粉体材料表面的绝缘包覆层2、粘结剂3组成。

优选的，所述巨介电常数陶瓷粉体材料的相对介电常数在10000以上，尤其优选在30000以上。

其中，所述导电载体可采用铝箔，其厚度可以优选为3μm～10μm。

较为优选的，所述巨介电常数陶瓷粉体材料的粒径小于30nm。

较为优选的，所述绝缘包覆层的厚度小于10nm。

较为优选的，所述绝缘包覆层的耐电强度在100V/μm以上。

进一步的，所述复合介质层的厚度为3μm～20μm，尤其优选为3μm～10μm。

进一步的，所述复合基材的厚度为6μm～36μm，尤其优选为6μm～16μm。

进一步的，所述粘结剂可优选但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯等聚合物。

请参阅图2，本实施例的该复合材料的制备工艺可以包括：

提供相对介电常数在10000的巨介电常数陶瓷粉体，并在所述陶瓷材料表面包覆绝缘包覆层，从而形成纳米级绝缘材料；

以及，至少将所述纳米级绝缘材料与粘结剂均匀混合并涂布到载体表面形成复合介质层，并通过辊轧使所述复合介质层与载体结合形成所述复合基材。

当然，也可对所获复合基材进行进一步的脱气、烘干、成型处理。

在本发明中，所述巨介电常数陶瓷粉体材料可以通过市售途径获取，亦可以自制，例如可参考CN103539446A、CN102219508A、CN104058740A等文献获取。

在本发明中，对所述巨介电常数陶瓷粉体材料的绝缘包裹可以参考CN1472024A、CN101007892A、CN103865496A等文献。其中采用的绝缘包覆层的材质可以为无机或有机绝缘材料，例如SiO₂，环氧树脂等，其厚度在10nm以下。

本发明复合材料在应用时，可以依据实际需求而分切、裁剪、卷绕或叠层而形成一种准法拉第超级电容器。

例如，其中的一种准法拉第超级电容器可以包括至少两层前述的复合基材，而且任意两个导电载体之间均分布有至少一绝缘复合介质层。

进一步的，所述的准法拉第超级电容器可以包括串联和/或并联设置的复数个单元，其中每一单元包括至少两层复合基材，且每一单元中的任意两个导电载体之间均分布有至少一绝缘复合介质层。

进一步的，所述的准法拉第超级电容器还可以包括：

外壳，至少用以提供一封闭空间而容纳所述电容器包含的所有复合基材；

以及至少两个引出电极，每一引出电极一端与对应的至少一电极板电连接，另一端从所述外壳中露出。

进一步的，该至少两层复合基材可采用平行堆叠方式或卷绕堆叠方式组合。

请参阅图3，在本发明的一更为具体的实施实例之中提供了一种准法拉第电容器(叠片式)，其中导电载体选用厚度为10μm的铝箔，，纳米级绝缘材料主要由巨介电常数陶瓷粉体材料[改性BaTiO₃和或CaCu₃Ti₄O₁₂(简称CCTO)、粒径＜100nm]和包裹在陶瓷粉体材料上的绝缘包覆层(双层包覆氧化铝与钙镁硅酸盐，总厚度约10nm)组成，所述绝缘包覆层耐压约DC800V/3μm。所形成的复合基材尺寸约105mm×105mm×厚度13μm(绝缘留边约5mm)，相对介电常数在30000以上，粘结剂采用PET(外购)，引出电极采用铜带，且引出电极与铝箔激光焊接固定，外壳采用业界习用材质，这些组件共同组成包含5000片上述复合基材叠的成外形尺寸约105mm×105mm×93mm(含夹紧板总厚约20mm)的电容器单元。经测试发现，该超级电容器单元的容量约2.98[F]，储能约1.2736[MJ]，重量比特性约100W.h/kg，体积比特性约148W.h/L，充放电时间在10S以内，且经循环充放电约10万次后，容量衰减率为-0.26％。

综上，利用本发明复合材料形成的准法拉第超级电容器无需电解液即能实现超大电容量(现有电化学超级电容器容量的三倍以上)，储能密度、比特性可以与现有高储能锂电池相当，且无正负极极性，可快充快放，充放电循环寿命长(可达到100万次左右)，基本没有容量衰减现象，并且易于制作，安全环保，可以广泛用于新能源汽车电池、光伏发电储能、风电储能、潮汐发电储能等领域以及手机、电脑等小家电的电源等产品中，具有广阔的应用前景。

需要说明的是，本发明所揭示的乃较佳实施实例的多种，凡是局部的变更或修饰而源于本发明的技术思想而为熟悉该项技术的人所易于推知的，俱不脱离本发明的专利权范围。

Claims

1.一种应用于准法拉第超级电容器的复合基材，其特征在于包括导电载体以及固定结合于导电载体表面的复合介质层，所述复合介质层主要由巨介电常数陶瓷粉体材料、包覆于巨介电常数陶瓷粉体材料表面的绝缘包覆层、粘结剂组成，所述巨介电常数陶瓷粉体材料的相对介电常数在10000以上。

2.根据权利要求1所述的应用于准法拉第超级电容器的复合基材，其特征在于所述导电载体包括薄片状导电材料，所述薄片状导电材料包括厚度为3μm～16μm的金属箔。

3.根据权利要求1所述的应用于准法拉第超级电容器的复合基材，其特征在于所述巨介电常数陶瓷粉体材料的粒径小于300nm。

4.根据权利要求1所述的应用于准法拉第超级电容器的复合基材，其特征在于所述绝缘包覆层的厚度小于20nm。

5.根据权利要求1或4所述的应用于准法拉第超级电容器的复合基材，其特征在于所述绝缘包覆层的耐电强度在100V/μm以上。

6.根据权利要求1所述的应用于准法拉第超级电容器的复合基材，其特征在于所述复合介质层的厚度为3μm～30μm。

7.根据权利要求1和或6所述的应用于准法拉第超级电容器的复合基材，其特征在于所述复合基材的厚度为3μm～46μm。

8.根据权利要求1所述的应用于准法拉第超级电容器的复合基材，其特征在于所述粘结剂选自聚合物，所述聚合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯。

9.权利要求1-8中任一项所述应用于准法拉第超级电容器的复合基材的制法，其特征在于包括：

提供相对介电常数在10000以上的巨介电常数陶瓷粉体材料，并在所述巨介电常数陶瓷粉体材料表面包覆绝缘包覆层；

以及，至少将表面包覆有绝缘包覆层的巨介电常数陶瓷粉体材料与粘结剂均匀混合并涂布到导电载体表面形成复合介质层，并通过辊轧使所述复合介质层与导电载体结合形成所述复合基材。

10.一种准法拉第超级电容器，其特征在于包含权利要求1-8中任一项所述的复合基材。