CN106098398B - 一种超级电容器多层极片及其制备方法 - Google Patents

一种超级电容器多层极片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种超级电容器多层极片，包括集流体、导电层、活性物质层及增塑层。制备方法依次包括：制备导电层、活性物质层及增塑层浆料或糊状料；在集流体表面涂覆导电层浆料，经干燥、辊压形成导电层；在导电层表面涂覆活性物质层浆料，经干燥、辊压形成活性物质层；在活性物质层表面通过喷涂或凹版印刷覆设一层增塑层糊状料，经辊压形成增塑层。本发明通过在集流体与活性物质层之间设置粘性导电层，既可以提高活性物质层的黏合度，又可以保证高导电性，且在活性物质层上压覆增塑层，可进一步提高极片的柔韧性，防止活性物质层在从集流体上脱落，提高超级电容器在高温负荷情况下的使用寿命，可获得更高比能量、比功率、高导电率的电极片。

Description

一种超级电容器多层极片及其制备方法
技术领域
本发明涉及超级电容器储能技术领域，特别是一种超级电容器多层极片及其制备方法。
背景技术
超级电容器，是一种介于传统静电电容器和二次电池之间的新型储能装置，兼具二次电池和传统电容器的优点。因此，超级电容器结合了传统电容器与蓄电池的优点，是一种良好的功率补偿和储能装置，它具有功率密度高、能量密度大、寿命长、工作温度范围宽、充放电效率高、无污染等特点，在新能源、通讯、数码电子、电力、汽车、工程机械、军事及航空航天等领域都有十分广泛的应用。
超级电容器目前的制备工艺有两种，一种是涂布式，一种是膜片式。涂布式的具体方法：将电极材料制成浆料，涂布在高纯铝箔或者腐蚀铝箔等集流体上，烘干制成电极片。但由于这种方法的极片与集流体间粘结强度小，在后续的辊压、卷绕等工艺过程中，电极活性材料层出现掉粉的现象，制成超级电容器成品后，产品在大电流高频率充放电过程中，涂层会与集流体逐渐分离剥落，导致内阻不断增加，性能下降。为此，通常在活性物质层中加入较多的粘结剂以提高涂层与集流体的结合力。但是，随着粘结剂用量的增加，超级电容器的能量密度减小。膜片式的具体方法：将电极材料混合呈现粉末状进行辊压，通过由半固态成型为固态膜片，最后将膜片通过粘结材料压覆在铝箔集流体上。而目前粘结材料主要采用聚四氟乙烯(PTFE)，PTFE具有高膨胀系数，特别是在产品使用后期在高分子电解液中会出现溶胀现象，从而导致电极材料与集流体之间的粘结性急剧下降的问题。在高低温充放电过程中，发生电极材料从集流体表面剥离的情况，导致超级电容器的稳定性下降、内阻增大、漏电流变大等问题。
发明内容
本发明的主要目的是克服现有技术的缺点，提供一种具有更高比能量、比功率、高导电率的超级电容器多层极片及其制备方法，可提高极片的柔韧性，防止活性物质层在从集流体上脱落，又可预防极片材料在高分子电解液中出现过度膨胀现象，提高超级电容器在高温负荷情况下的使用寿命，综合提高产品的稳定性能。
本发明采用如下技术方案：
一种超级电容器多层极片，包括有集流体、覆设于集流体表面的导电层、覆设于导电层表面的活性物质层及覆设于活性物质层表面的增塑层。
进一步地，所述导电层由石墨烯、导电剂、粘结剂和分散剂以质量比70～90：5～15：2.5～10:2.5～10混合制成，厚度为3～5μm；活性物质层由活性物质、导电剂、粘结剂、增塑剂以质量比70～90：5～15：2.5～10:1～5：0.5～3混合制成，厚度为50um～180μm；增塑层由超导电炭黑、纳米导电碳纤维、粘结剂和增塑剂以质量比20～60：5～20：2.5～10:2.5～10混合制成，厚度为5～10μm。
一种超级电容器多层极片的制备方法，包括以下步骤：
①原料制备；
导电层浆料：由石墨烯、导电剂、粘结剂和分散剂以质量比70～90：5～15：2.5～10:2.5～10加去离子水混合制成，固含量为10％～30％，涂覆粘度为500～2000mPa.s；
活性物质层浆料：由活性物质、导电剂、粘结剂、增塑剂以质量比70～90：5～15：2.5～10:1～5：0.5～3加去离子水混合制成，固含量为10％～30％，涂覆粘度为1500～8000mPa.s；
增塑层糊状料：由超导电炭黑、纳米导电碳纤维、粘结剂和增塑剂以质量比20～60：5～20：2.5～10:2.5～10混合制成；
②在集流体表面涂覆导电层浆料，并经过干燥、辊压形成导电层；
③在导电层表面涂覆活性物质层浆料，并经过干燥、辊压形成活性物质层；
④在活性物质层表面通过喷涂或凹版印刷覆设一层增塑层糊状料，并经过辊压形成增塑层。
进一步地，所述集流体为铝箔集流体。
进一步地，所述导电层的厚度为3～5μm；活性物质层的厚度为50um～180μm；增塑层的厚度为5～10μm。
进一步地，所述活性物质采用活性炭。
进一步地，所述导电剂为乙炔黑、导电炭黑或石墨粉中的至少一种，导电剂的粒径为0.1μm～3μm。
进一步地，所述粘结剂为丙烯腈多元共聚物、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素或聚乙烯醇中的至少一种。
进一步地，所述增塑剂为TNP、DOP、DBP、DEHP、DINP、DNOP、DMP、DEP、SEBS中的至少一种。
进一步地，所述干燥温度为60℃～100℃，所述辊压采用恒温热辊压的方式。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过在集流体与活性物质层之间设置粘性导电层，在活性物质层上压覆增塑层，既可以提高活性物质层的黏合度，又可以保证高导电性，且增塑层的压覆，可进一步提高极片的柔韧性，防止活性物质层在从集流体上脱落。采用本发明的超级电容器多层极片的制备方法，可获得更高比能量、比功率、高导电率的电极片，实现极片强度、粘性和延展性的有效提高，彻底改善超级电容器在分切、卷绕工艺中的极片掉粉现象，又可减少粘结剂的使用量，预防极片材料在高分子电解液中出现过度膨胀现象，提高超级电容器在高温负荷情况下的使用寿命，综合提高产品的稳定性能。
附图说明
图1是本发明具体实施方式的多层极片的结构示意图；
图2是本发明具体实施方式的多层极片的制备方法流程图；
图3是由本发明的多层极片制备超级电容器的工艺流程图。
图中：1.集流体，2.导电层，3.活性物质层，4.增塑层。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
参照图1和图2，本发明的一种超级电容器多层极片，包括有集流体1、覆设于集流体1表面的导电层2、覆设于导电层2表面的活性物质层3及覆设于活性物质层3表面的增塑层4。所述导电层2由石墨烯、导电剂、粘结剂和分散剂以质量比70～90：5～15：2.5～10:2.5～10混合制成，厚度为3～5μm；活性物质层3由活性物质、导电剂、粘结剂、增塑剂以质量比70～90：5～15：2.5～10:1～5：0.5～3混合制成，厚度为50um～180μm；增塑层4由超导电炭黑、纳米导电碳纤维、粘结剂和增塑剂以质量比20～60：5～20：2.5～10:2.5～10混合制成，厚度为5～10μm。
所述活性物质采用活性炭。所述导电剂为乙炔黑、导电炭黑或石墨粉中的至少一种，导电剂的粒径为0.1μm～3μm。所述粘结剂为丙烯腈多元共聚物、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素或聚乙烯醇中的至少一种。所述增塑剂为TNP、DOP、DBP、DEHP、DINP、DNOP、DMP、DEP、SEBS中的至少一种。
本发明的一种超级电容器多层极片的制备方法，包括以下步骤：
①原料制备；
导电层2浆料：由石墨烯、导电剂、粘结剂和分散剂以质量比70～90：5～15：2.5～10:2.5～10加去离子水混合制成，所述粘结剂采用羧甲基纤维素钠和聚四氟乙烯，导电层浆料固含量为10％～30％，涂覆粘度为500～2000mPa.s；
活性物质层3浆料：将粘结剂和增塑剂溶于去离子水充分搅拌后，加入活性炭和导电剂充分搅拌成浆料后进行真空搅拌脱泡处理制成，所述活性炭、导电剂、粘结剂、增塑剂的质量比70～90：5～15：2.5～10:1～5：0.5～3，所述粘结剂采用羧甲基纤维素，活性物质层浆料固含量为10％～30％，涂覆粘度为1500～8000mPa.s；
增塑层4糊状料：由超导电炭黑、纳米导电碳纤维、粘结剂和增塑剂以质量比20～60：5～20：2.5～10:2.5～10混合、搅拌制成；
②在铝箔集流体1表面涂覆导电层浆料，并经过干燥、辊压形成导电层2，导电层2的厚度为3～5μm；
③将活性物质层3浆料通过挤压式涂布均匀的涂覆到导电层2上，并经过干燥、辊压形成活性物质层3，活性物质层3的厚度为50um～180μm；
④通过喷涂或者凹版印刷在活性物质层3表面覆设一层塑形较好的增塑层4糊状料，并通过热辊压后形成增塑层4，同时热辊压使得导电层2和增塑层4软化，极片冷却后自然硬化，既增强了极片的粘附强度，又确保了极片良好的延展性，增塑层4的厚度为5～10μm。
上述步骤中，干燥温度为60℃～100℃，辊压均采用恒温热辊压的方式。
参照图3，由上述工艺制得的固体超级电容器多层极片，正极厚度约为220微米，负极厚度约为190微米。该多层极片经过热辊压后进行分切，分切为3000F超级电容器所对应的规格电极，宽度为110mm,引出端铝箔留白10～15mm，分切完的正、负极片同正、负隔膜依次卷绕成电芯，旋压电芯后进行集流体、上盖焊接，最后装入圆形外壳体进行辊槽卷边，真空干燥，注液后封住注液口进行老化，即制得3000F超级电容器。
采用本发明的方法制备的多层极片制成的3000F超级电容器在额定电流下(2.7V，65℃)高温负荷寿命测试2000小时，电容量衰减小于20％，内阻上升小于80％。其能量密度为8Wh/kg，功率密度为14kW/kg。
上述仅为本发明的一个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (7)

1.一种超级电容器多层极片，其特征在于：包括有集流体、覆设于集流体表面的导电层、覆设于导电层表面的活性物质层及覆设于活性物质层表面的增塑层，增塑层由超导电炭黑、纳米导电碳纤维、粘结剂和增塑剂以质量比20～60：5～20：2.5～10:2.5～10混合制成。
2.如权利要求1所述的一种超级电容器多层极片，其特征在于：所述集流体为铝箔集流体，超级电容器多层极片由如下方法制成：
①原料制备；
导电层浆料：由石墨烯、导电剂、粘结剂和分散剂以质量比70～90：5～15：2.5～10:2.5～10加去离子水混合制成，固含量为10％～30％，涂覆粘度为500～2000mPa.s；
制备活性物质层浆料；
增塑层糊状料：由超导电炭黑、纳米导电碳纤维、粘结剂和增塑剂以质量比20～60：5～20：2.5～10:2.5～10混合制成；
②在集流体表面涂覆导电层浆料，并经过干燥、辊压形成导电层；
③在导电层表面涂覆活性物质层浆料，并经过干燥、辊压形成活性物质层；
④在活性物质层表面通过喷涂或凹版印刷覆设一层增塑层糊状料，并经过辊压形成增塑层。
3.如权利要求1所述的一种超级电容器多层极片，其特征在于：所述导电层的厚度为3～5μm；活性物质层的厚度为50um～180μm；增塑层的厚度为5～10μm，所述导电层由石墨烯、导电剂、粘结剂和分散剂以质量比70～90：5～15：2.5～10:2.5～10混合制成。
4.如权利要求2所述的一种超级电容器多层极片，其特征在于：所述导电剂为乙炔黑、导电炭黑或石墨粉中的至少一种，导电剂的粒径为0.1μm～3μm。
5.如权利要求1所述的一种超级电容器多层极片，其特征在于：所述粘结剂为丙烯腈多元共聚物、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素或聚乙烯醇中的至少一种。
6.如权利要求1所述的一种超级电容器多层极片，其特征在于：所述增塑剂为TNP、DOP、DBP、DEHP、DINP、DNOP、DMP、DEP、SEBS中的至少一种。
7.如权利要求2所述的一种超级电容器多层极片，其特征在于：所述干燥温度为60℃～100℃，所述辊压采用恒温热辊压的方式。
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