CN106128778A - 一种全固态超级电容器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种全固态超级电容器及其制备方法。一种全固态超级电容器，包括壳体，壳体顶部设有矩形盲孔，矩形盲孔相对距离近的两侧壁各挂设有一个L型铜片电极，底电极、顶电极与电介质/电解质复合粉体相连成储能元件，其插设于矩形盲孔内，电介质/电解质复合粉体由任意摩尔比BaTiO3粉体和β″‑Al2O3粉体混合而成。一种全固态超级电容器的制备方法，包括1制备电介质/电解质复合粉体；2制备底电极和顶电极；3将底电极放液压机模具底部，称量电介质/电解质复合粉体分散在底电极上，将顶电极放置其上；4将模具放在液压机下压制成储能元件；5将储能元件插于矩形盲孔，6在L型铜片电极上焊设一引线即得到全固态超级电容器。
Description
技术领域
本发明涉及一种超级电容器及其制备方法，具体涉及一种全固态超级电容器及其制备方法。
背景技术
环境污染和石化类能源的紧缺，迫使人们开发使用新型能源。由于空气中含碳排放60％来自于燃油汽车尾气，因此开发新型电动车是解决问题的有效途径之一。
电池类动力能源由于充放电速度慢(小时量级)、功率密度小，使其难于独立完成汽车启动、变速(包括上、下坡)、刹车等快速能量变换及强续航能力等功能。超级电容器具有充放电速度快(分钟或秒量级)、功率密度大等特点，有望实现电动车快速变速(大功率密度)及快速续航功能。但目前的超级电容器由于能量密度不足，还不能单独作为动力能源。
超级电容器的能量密度为E0＝(1/2)C0V2。目前市场上成熟的超级电容器产品主要为碳类双电层液态电解质超级电容器。主要缺陷：(a)工作电压窗口低，水剂工作电压为1V左右，非水剂的熔融态电解液分解电压为2.7V，严重制约了超级电容器的能量密度的提高，体积偏大。(b)工作温度范围窄，基本上在100度以内，制约了超级电容器的使用环境和应用领域。(c)寿命短、易泄漏。
以上的液态电解质超级电容器的电压窗口小和使用温度低制约了超级电器在动力能源方面应用，开发全固态超级电容器成为解决以上问题的关键。目前固态材料的电导率偏低，如Li4Ti5O12的电导率小于10-9Scm-1,使得固态材料的串联等效电阻偏高制约了固态超级电容器的发展。
发明内容
发明目的：本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明的第一个目的在于公开一种全固态超级电容器。本发明的第二个目的在于公开一种全固态超级电容器组。本发明的第三个目的在于公开一种全固态超级电容器的制备方法。
技术方案：一种全固态超级电容器，包括底电极、电介质/电解质复合粉体、顶电极、L型铜片电极和壳体，
所述壳体的顶部设有矩形盲孔，所述矩形盲孔相对距离近的的两侧壁各挂设有一个L型铜片电极，
所述电介质/电解质复合粉体位于所述底电极、所述顶电极之间，所述底电极、所述顶电极通过干压成型的方式与所述电介质/电解质复合粉体相连形成储能元件，该储能元件插设于所述壳体的矩形盲孔内，一L型铜片电极与所述底电极相接触，另一L型铜片电极与所述顶电极相接触，
所述电介质/电解质复合粉体由任意摩尔比的BaTiO3粉体和β″-Al2O3粉体的混合而成，BaTiO3粉体的粒径为30～50nm，β″-Al2O3粉体的粒径为30～50nm。
进一步地，所述壳体为塑料壳体或陶瓷壳体。
进一步地，所述L型铜片电极焊接一引线。
进一步地，所述L型铜片电极位于矩形盲孔内的相对距离近的两侧向矩形盲孔中部呈拱形。
一种全固态超级电容器组，包括壳体，在该壳体的上表面设有多个矩形盲孔，该多个矩形盲孔呈矩阵排布，矩形盲孔相对距离近的两侧各棱沿表面纵向涂覆导电涂层,每个矩形盲孔的相对距离近的两侧壁各挂设有一个L型铜片电极，同一行的相邻的L型铜片电极通过该导电涂层串联相连，同一列的相邻的L型铜片电极通过该导电涂层并联相连,
每个矩形盲孔内均设有一个储能元件，该储能元件与两个L型铜片电极插接，电介质/电解质复合粉体位于底电极、顶电极之间，所述底电极、所述顶电极通过干压成型的方式与所述电介质/电解质复合粉体相连形成储能元件，
所述电介质/电解质复合粉体由任意摩尔比的BaTiO3粉体和β″-Al2O3粉体的混合而成，BaTiO3粉体的粒径为30～50nm，β″-Al2O3粉体的粒径为30～50nm。
一种全固态超级电容器的制备方法，包括以下步骤：
(1)、将BaTiO3粉体和β″-Al2O3粉体按任意摩尔比混合后，研磨至少半小时，过200目筛后得到电介质/电解质复合粉体；
(2)、将金属箔裁制成底电极和顶电极，所述底电极的尺寸、所述顶电极尺寸均与液压机的模具的尺寸相匹配；
(3)、将底电极放液压机的模具底部，称量适量的步骤(1)得到的电介质/电解质复合粉体均匀分散在底电极上，再将顶电极平衡放置在电介质/电解质复合粉体上，在顶电极加盖模具盖；
(4)将步骤(3)得到的模具放在液压机下，在20MPa的压力下保压10分钟，然后释放液压机压力，拆开模具即得到储能元件；
(5)在壳体的矩形盲孔的相对两侧各挂设一个L型铜片电极，该L型铜片电极位于矩形盲孔内的相对距离近的两侧向矩形盲孔中部呈拱形，然后将步骤(4)得到的储能元件插于两个L型铜片电极之间，
(6)在L型铜片电极上焊设一引线，即得到全固态超级电容器。
有益效果：本发明公开的一种全固态超级电容器及其制备方法具有以下有益效果：
1.将传统的电容器(电介质)及超级电容器(电解质)复合在一起，其电性能参数(比电容、比能量、比功率、工作电压、电导率)比相应单独的同材料电容器(电介质)或超级电容器(电解质)提高数倍。
2、工作电压达6V,远大于传统超级电容器的最大2.7V；
3、工作温度高达320℃，远大于传统的100℃以内，拓展了电容器的使用范围，特别是在较高动力体系环境温度使用(300～500℃)；克服了液态超级电容器寿命短、易泄漏等缺点。
附图说明
图1a为底电极、电介质/电解质复合粉体、顶电极压接的过程示意图；
图1b为壳体与L型铜片电极的安装示意图；
图1c为L型铜片电极的立体示意图；
图1d为一种全固态超级电容器组的示意图；
图2a为单体样品A、样品B、样品AB在室温下的循环伏安特性的变化示意图；
图2b为单体样品A、样品B、样品AB在室温下的恒流充放电特性的变化示意图；
图2c为单体样品A、样品B、样品AB在室温下的阻抗频率特性的变化示意图；
图3a为样品AB在不同温度条件下的循环伏安特性的变化示意图，样品AB为在室温测试；样品ABT(320)为在320℃测试；
图3b为样品AB在不同温度条件下的恒流充放电特性的变化示意图，样品AB为在室温测试；样品ABT(320)为在320℃测试；
图3c为样品AB在不同温度条件下的阻抗频率特性的变化示意图，样品AB为在室温测试；样品ABT(320)为在320℃测试；
图4a为样品A、样品B、样品AB、样品ABT(320)的电压窗口V、双电层电容Cdl、电导率σ的性能对比示意图；
图4b为样品A、样品B、样品AB、样品ABT(320)的比电容C0、比能量E0、比功率P0的性能对比示意图；
图5为样品A、样品B、样品AB、样品ABT(320)的能量密度与功率密度的关系图；
其中：
1-顶电极 2-电介质/电解质复合粉体
3-底电极 4-壳体
5-L型铜片电极 6-引线
7-导电涂层
具体实施方式：
下面对本发明的具体实施方式详细说明。
具体实施例1
如图1a、图1b和图1c所示，一种全固态超级电容器，包括底电极3、电介质/电解质复合粉体2、顶电极1、L型铜片电极5和壳体4，
壳体4的顶部设有矩形盲孔，矩形盲孔相对的两侧壁各挂设有一个L型铜片电极5，
电介质/电解质复合粉体2位于底电极3、顶电极1之间，底电极3、顶电极1通过干压成型的方式与电介质/电解质复合粉体2相连形成储能元件，该储能元件插设于壳体4的矩形盲孔内，一L型铜片电极5与底电极3相接触，另一L型铜片电极5与顶电极1相接触，
电介质/电解质复合粉体2由任意摩尔比的BaTiO3粉体和β″-Al2O3粉体的混合而成，BaTiO3粉体的粒径30nm，β″-Al2O3粉体的粒径为30nm。
进一步地，壳体4为塑料壳体。
进一步地，L型铜片电极5焊接一引线6。
进一步地，L型铜片电极5位于矩形盲孔内的相对距离近的两侧向矩形盲孔中部呈拱形。
如图1d所示(行列数可扩充不限于本图)，一种全固态超级电容器组，包括壳体，在该壳体的上表面设有多个矩形盲孔，该多个矩形盲孔呈矩阵排布，矩形盲孔相对距离近的两侧各棱沿表面纵向涂覆导电涂层7,每个矩形盲孔的相对距离近的两侧壁各挂设有一个L型铜片电极5，同一行的相邻的L型铜片电极5通过该导电涂层7串联相连，同一列的相邻的L型铜片电极5通过该导电涂层7并联相连,
每个矩形盲孔内均设有一个储能元件，该储能元件与两个L型铜片电极5插接，电介质/电解质复合粉体位于底电极、顶电极之间，底电极、顶电极通过干压成型的方式与电介质/电解质复合粉体相连形成储能元件，
电介质/电解质复合粉体由任意摩尔比的BaTiO3粉体和β″-Al2O3粉体的混合而成，BaTiO3粉体的粒径30nm，β″-Al2O3粉体的粒径为30nm。
一种全固态超级电容器的制备方法，包括以下步骤：
(1)、将BaTiO3粉体和β″-Al2O3粉体按任意摩尔比混合后，研磨至少半小时，过200目筛后得到电介质/电解质复合粉体；
(2)、将金属箔裁制成底电极和顶电极，底电极的尺寸、顶电极尺寸均与液压机的模具的尺寸相匹配；
(3)、将底电极放液压机的模具底部，称量适量的步骤(1)得到的电介质/电解质复合粉体均匀分散在底电极上，再将顶电极平衡放置在电介质/电解质复合粉体上，在顶电极加盖模具盖；
(4)将步骤(3)得到的模具放在液压机下，在20MPa的压力下保压10分钟，然后释放液压机压力，拆开模具即得到储能元件；
(5)在壳体的矩形盲孔的相对两侧各挂设一个L型铜片电极，该L型铜片电极位于矩形盲孔内的相对距离近的两侧向矩形盲孔中部呈拱形，然后将步骤(4)得到的储能元件插于两个L型铜片电极之间，
(6)在L型铜片电极上焊设一引线，即得到全固态超级电容器AB。
采用上述方法，分别制备试样A和是试样B，制备条件完全相同，区别仅仅是：
试样A的底电极和顶电极之间只含有β″-Al2O3，该β″-Al2O3粉体的质量与试样AB中BaTiO3粉体和β″-Al2O3粉体质量相等；
试样B的底电极和顶电极之间只含有BaTiO3，该BaTiO3粉体的质量与试样AB中BaTiO3粉体和β″-Al2O3粉体质量相等；
在室温下分别对样品A、B、AB进行性能测试，另外在320度下对样品AB样品进行性能测试，以下测试结果分别以A、B、AB、ABT表示。
如图2a所示，循环伏安特性表明，由于复合机制作用，样品AB矩形化程度、包容面积、窗口电压均优于同条件单独机制的样品A和样品B；
如图2b所示，恒流充放电特性表明，由于复合机制作用，样品AB储存能量大于同条件单独机制的样品A和样品B；样品AB内阻压降远小于同条件单独机制的样品A和样品B；
如图2c所示，阻抗频率特性表明，由于复合机制作用，样品AB的等效串联内阻远小于单独机制的样品A和样品B；
如图3a所示，由于温度加速固态电解质离子迁移率，样品ABT(320)在320℃测试的循环伏安特性表明所包容的面积大于样品AB在室温下的值；
如图3b所示，由于温度加速固态电解质离子迁移率，样品ABT(320)在320℃测试的恒流充放电特性表明其充放电速率高于样品AB在室温下的值；
如图3c所示，由于温度加速固态电解质离子迁移率，样品ABT(320)在320℃测试的阻抗频率特性表明其等效串联内阻远小于样品AB在室温下的值；
如图4a所示，由于复合机制作用，样品AB、样品ABT(320)的电压窗口V、双电层电容Cdl、电导率σ均优于单独机制的样品A和样品B的值；由于温度加速固态电解质离子迁移率，样品ABT(320)的双电层电容Cdl、电导率σ优于样品AB的值；
如图4b所示，样品AB、样品ABT(320)的比电容C0、比能量E0、比功率P0均大于样品A和样品B的值；的性能对比示意图；样品ABT(320)的比功率P0大于样品AB的值；
如图5所示，由于复合机制作用，样品AB、样品ABT(320)同时拥有能量密度与功率密度优于单独机制的样品A和样品B；由于温度加速固态电解质离子迁移率，样品ABT(320)比功率P0大于样品AB的值。
具体实施例2
与具体实施例1大致相同，区别仅仅在于：
1、一种全固态超级电容器中，BaTiO3粉体的粒径50nm，β″-Al2O3粉体的粒径为50nm；
2、一种全固态超级电容器中，壳体4为陶瓷壳体；
3、一种全固态超级电容器组中，BaTiO3粉体的粒径50nm，β″-Al2O3粉体的粒径为50nm。
具体实施例3
与具体实施例1大致相同，区别仅仅在于：
1、一种全固态超级电容器中，BaTiO3粉体的粒径50nm，β″-Al2O3粉体的粒径为40nm；
2、一种全固态超级电容器组中，BaTiO3粉体的粒径50nm，β″-Al2O3粉体的粒径为40nm。
上面对本发明的实施方式做了详细说明。但是本发明并不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (6)
1.一种全固态超级电容器，其特征在于，包括底电极、电介质/电解质复合粉体、顶电极、L型铜片电极和壳体，
所述壳体的顶部设有矩形盲孔，所述矩形盲孔相对距离近的的两侧壁各挂设有一个L型铜片电极，
所述电介质/电解质复合粉体位于所述底电极、所述顶电极之间，所述底电极、所述顶电极通过干压成型的方式与所述电介质/电解质复合粉体相连形成储能元件，该储能元件插设于所述壳体的矩形盲孔内，一L型铜片电极与所述底电极相接触，另一L型铜片电极与所述顶电极相接触，
所述电介质/电解质复合粉体由任意摩尔比的BaTiO3粉体和β″-Al2O3粉体的混合而成，BaTiO3粉体的粒径为30～50nm，β″-Al2O3粉体的粒径为30～50nm。
2.根据权利要求1所述的一种全固态超级电容器，其特征在于，所述壳体为塑料壳体或陶瓷壳体。
3.根据权利要求1所述的一种全固态超级电容器，其特征在于，所述L型铜片电极焊接一引线。
4.根据权利要求1所述的一种全固态超级电容器，其特征在于，所述L型铜片电极位于矩形盲孔内的相对距离近的两侧向矩形盲孔中部呈拱形。
5.一种全固态超级电容器组，其特征在于，包括壳体，在该壳体的上表面设有多个矩形盲孔，该多个矩形盲孔呈矩阵排布，矩形盲孔相对距离近的两侧各棱沿表面纵向涂覆导电涂层,每个矩形盲孔的相对距离近的两侧壁各挂设有一个L型铜片电极，同一行的相邻的L型铜片电极通过该导电涂层串联相连，同一列的相邻的L型铜片电极通过该导电涂层并联相连,
每个矩形盲孔内均设有一个储能元件，该储能元件与两个L型铜片电极插接，电介质/电解质复合粉体位于底电极、顶电极之间，所述底电极、所述顶电极通过干压成型的方式与所述电介质/电解质复合粉体相连形成储能元件，
所述电介质/电解质复合粉体由任意摩尔比的BaTiO3粉体和β″-Al2O3粉体的混合而成，BaTiO3粉体的粒径为30～50nm，β″-Al2O3粉体的粒径为30～50nm。
6.一种全固态超级电容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、将BaTiO3粉体和β″-Al2O3粉体按任意摩尔比混合后，研磨至少半小时，过200目筛后得到电介质/电解质复合粉体；
(2)、将金属箔裁制成底电极和顶电极，所述底电极的尺寸、所述顶电极尺寸均与液压机的模具的尺寸相匹配；
(3)、将底电极放液压机的模具底部，称量适量的步骤(1)得到的电介质/电解质复合粉体均匀分散在底电极上，再将顶电极平衡放置在电介质/电解质复合粉体上，在顶电极加盖模具盖；
(4)、将步骤(3)得到的模具放在液压机下，在20MPa的压力下保压10分钟，然后释放液压机压力，拆开模具即得到储能元件；
(5)、在壳体的矩形盲孔的相对两侧各挂设一个L型铜片电极，该L型铜片电极位于矩形盲孔内的相对距离近的两侧向矩形盲孔中部呈拱形，然后将步骤(4)得到的储能元件插于两个L型铜片电极之间，
(6)、在L型铜片电极上焊设一引线，即得到全固态超级电容器。
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