CN106409521B - 一种混合串联结构的石墨烯基超级电容器模组 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种混合串联结构的石墨烯基超级电容器模组,所述模组包括同一水平面上依次串联的石墨烯基超级电容器,所述石墨烯基超级电容器由竖直方向依次层叠的双层电容器串联组成,所述双层电容器包括两对电极和设于两对电极之间的隔膜,每对电极包括金属电极和位于所述金属电极与所述隔膜之间的石墨烯活性电极。本发明提供的技术方案在提高超级电容器工作电压的同时,可保证其能量体积比不低于8wh/L,有效降低模组的等效内阻。

Description

一种混合串联结构的石墨烯基超级电容器模组
技术领域
本发明涉及一种超级电容器模组,具体讲涉及一种混合串联结构的石墨烯基超级电容器模组。
背景技术
超级电容器是一种间于传统电容器与二次电池之间的电化学储能器件。超级电容器以其高功率大电流特性以及上百万次的循环稳定性而广泛应用在电子器件,电动汽车及起重机,航空航天,新能源以及不间断供电UPS设备上。
由于超级电容器单体的工作电压比较低(一般以水溶液为电解液的超级电容器单体工作电压在1V左右,以有机溶剂为电解液的超级电容器单体工作电压在3V左右),因此,在电力系统中往往需要串联几十甚至数百个超级电容器单体才能达到需要的高压;
在提高超级电容器工作电压方向,国内外现有专利主要包括两方面,一方面是寻找更高分解电压的电解液,属于电化学范畴,进展较慢,目前单体电容在300F以上的超级电容器单体电压一般为2.7~3V;另一方面是串联使用,现有串联而成的超级电容器模组一般是将多个2.7V~3V卷绕型超级电容器单体在外部串联后整体封装,串联方式简单,但因为有多个外壳,模组的体积较大、能量体积比低,且由于目前采用的主要为活性碳电极,由于材料本身性质,个体单元的电容值差异较大,串联电路中电压分布不均,一般必须配备外部均压电路,控制较复杂;由于单体之间为导线连接,整体模组的等效内阻较高。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的上述问题,本发明提供一种混合串联结构的石墨烯基超级电容器模组,在提高超级电容器工作电压的同时保持高储能密度且有效降低模组内阻。
本发明提供的技术方案是:一种混合串联结构的石墨烯基超级电容器模组,其改进之处在于:所述模组包括同一水平面上依次串联的石墨烯基超级电容器,所述石墨烯基超级电容器由竖直方向依次层叠的双层电容器串联组成,所述双层电容器包括两对电极和设于两对电极之间的隔膜,每对电极包括金属电极和位于所述金属电极与所述隔膜之间的石墨烯活性电极。
优选的,每个双层电容器通过上下两个金属电极分别与其上下两侧双层电容器的金属电极连接;所述石墨烯基超级电容器上、下两端的金属电极为分别串联同一水平面上另外两个石墨烯基超级电容器的正电极和负电极。
进一步,连接相邻两个双层电容器的金属电极为矩形的双面多孔金属集流体,所述双面多孔金属集流体的一面为相邻两个双层电容器中一个双层电容器的正极,另一面为相邻两个双层电容器中另一个双层电容器的负极,所述双面多孔金属集流体的上、下两面分别涂覆基于石墨烯的活性炭物质以分别作为所述相邻两个双层电容器的石墨烯活性电极。
优选的,所述隔膜和所述石墨烯活性电极之间充分浸润有电解液,所述电解液为浓度为1mol/L的Et4NBF4溶液,所述溶液的溶剂为AN液或PC液。
进一步,所述石墨烯基超级电容器上、下两端的金属电极的内侧涂覆有基于石墨烯的活性炭物质以作为所述石墨烯基超级电容器上、下两端双层电容器的石墨烯活性电极;
所述上、下两端金属电极为矩形金属板,上、下两个矩形金属板的侧部中间均设有突出的出线片,所述两个矩形金属板的出线片朝向相反,分别作为所述石墨烯基超级电容器的正极出线片和负极出线片,所述石墨烯基超级电容器的正极出线片和负极出线片分别通过焊接方式与其两侧石墨烯基超级电容器的负极出线片和正极出线片对应相连。
进一步,所述双面多孔金属集流体表面为泡沫状多孔结构,表面孔隙率高于98%,孔径为0.1-1mm;所述双面多孔金属集流体用铝、铝合金、镍、镍铬合金中的任意一种金属制作。
进一步,每块双面多孔金属集流体由其上、下两侧同中心的矩形框状弹性垫圈夹紧,所述矩形框状弹性垫圈的竖直纵断面为齿形结构,其边框内侧厚度大于边框外侧厚度;相邻两块上下两面涂覆有基于石墨烯的活性炭物质的双面多孔金属集流体之间夹有同中心的矩形隔膜。
进一步,从所述石墨烯基超级电容器的轴线方向上看,所述石墨烯基超级电容器上下两端金属电极的面积A0等于所述矩形框状弹性垫圈的外围面积A1,所述矩形框状弹性垫圈的外围面积A1大于所述双面多孔金属集流体的上表面或下表面面积A2,所述双面多孔金属集流体的上表面或下表面面积A2大于所述矩形框状弹性垫圈的中空面积A3,所述矩形框状弹性垫圈的中空面积A3大于所述隔膜面积A4;所述隔膜面积A4大于石墨烯活性电极面积A5。
进一步,所述矩形框状弹性垫圈的边框外侧对应设有纵向贯穿的通孔,石墨烯基超级电容器上、下两端的金属电极四周对应设有纵向贯穿的孔径与所述通孔孔径对应相等的安装孔,两端留有外螺纹的螺杆纵向贯穿所述通孔和所述安装孔并通过两端螺母配合,将双层电容器在竖直方向上夹紧固定。
与最接近的技术方案相比,本发明具有如下显著进步:
1、本发明提供的石墨烯基超级电容器由竖直方向依次层叠的双层电容器串联组成,使得整个超级电容器的结构更加紧凑;在实际运用时,可根据具体应用场合的体积形状要求,在竖直方向上设置不同数量的双层电容器,然后在水平面上以焊接方式串联不同数量的石墨烯基超级电容器以形成模组,形式更加灵活;
2、每个双层电容器包括两对电极,两对电极均由双面多孔金属集流体和石墨烯活性电极混合串联组成,其中石墨烯活动电极是由涂覆在双面多孔金属流体体上、下两面的基于石墨烯的活性炭物质组成,提高了超级电容器的整体能量体积比;
3、每个石墨烯基超级电容器由多个双层电容器在竖直方向层叠串联组成,这种双层电容器内部串联的方式,相较于在外部串联多个等效的卷绕型超级电容器单体,可有效降低石墨烯基超级电容器的等效内阻。
附图说明:
图1为石墨烯基超级电容器的竖直纵断面结构示意图;
图2为矩形框状弹性垫圈的俯视图;
图3为上下两面涂覆有基于石墨烯的活性炭物质的双面多孔金属集流体的俯视图;
图4为隔膜的俯视图;
图5为石墨烯基超级电容器上下两端金属电极的俯视图,其中(A)为上端金属电极的俯视图;(B)为下端金属电极的俯视图;
图6为双面多孔金属集流体的表面放大图;
图7为石墨烯基超级电容器模组的串联结构图视图。
其中:1-上端金属电极;2-上端金属电极的出线片;3-隔膜;4-石墨烯活性电极;5-双面多孔金属集流体;6-弹性垫圈;7-下端金属电极;8-下端金属电极的出线片;9-螺杆;10-螺母;11-双层电容器A;12-双层电容器B;13-双层电容器C;14-双层电容器D;15-双层电容器E;16-石墨烯基超级电容器。
具体实施方式
为了更好地理解本发明,下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
本发明提供混合串联结构的石墨烯基超级电容器模组;如图7所示:所述模组包括同一水平面上依次串联的石墨烯基超级电容器16,所述石墨烯基超级电容器16为长方体形。
如图1所示:所述石墨烯基超级电容器16由竖直方向依次层叠的双层电容器串联组成;每个双层电容器包括两对电极,两对电极通过隔膜3物理分离,每对电极由金属电极和位于金属电极与隔膜3之间的石墨烯活性电极4组成;隔膜3与石墨烯活性电极4之间充分浸润电解液,电解液可以是水系电解液或有机电解液。为了提高工作电压,本发明采用有机电解液,其主要成分为浓度为1mol/L的Et4NBF4溶液,溶剂为AN或PC液。
连接相邻两个双层电容器的金属电极为同一双面多孔金属集流体5,其上下两面分别涂覆了基于石墨烯的活性碳物质分别作为相邻两个双层电容器的石墨烯活性电极4,双面多孔金属集流体5分别和本双层电容器的一个石墨烯活性电极4以及相邻下一个串联双层电容器的第一个石墨烯活性电极4组成两对电极。同时作为本双层电容器的负极和相邻下一个串联双层电容器的正极。
如图6所示:双面多孔金属集流体5的金属种类可以为铝、铝合金、镍、镍铬合金等其它金属。具体结构为表面泡沫状多孔结构,表面孔隙率一般在98%以上,孔径一般在0.1-1mm之间;双面多孔金属集流体5主要用于降低超级电容器的等效内阻。
如图1和图2所示,各双层电容器内部层叠单元之间的紧固及绝缘是通过矩形框状的弹性垫圈6、螺杆9和螺母10的组合来实现的,弹性垫圈6用复合橡胶等弹性高分子聚合物制成,根据双面多孔金属集流体5和隔膜3的尺寸设置为内侧边缘较厚的齿形结构,上下两个弹性垫圈6钳住各串联双层电容器的双面多孔金属集流体5,并实现串联单元之间的电气隔离,以免短路,相邻两个双面多孔金属集流体5之间同中心设置一块隔膜3。
在弹性垫圈6的框架外侧设有纵向贯穿的通孔,弹性垫圈6的通孔在竖直方向的投影相重合,另外在石墨烯基超级电容器上下两端的金属电极四周对应设有与弹性垫圈6上的通孔相适应的安装孔,以便使用两端留有外螺纹的螺杆9贯穿弹性垫圈6和上、下两端金属电极,并配合两端螺母10将各双层电容器紧密压接。
一个石墨烯基超级电容器内部由若干个双层电容器组成,本实施例有五个,每个双层电容器的电压为2.7V,则一个石墨烯基超级电容器的电压为2.7V*5=13.5V。
如图2-5所示,墨烯基超级电容器两端矩形金属板(1和7)的面积均为A0,弹性垫圈6外围面积为A1,中空面积为A3,双面多孔金属集流体5面积为A2,上下两面涂覆的基于石墨烯的活性炭物质面积均为A5,隔膜3面积为A4,则其大小关系依次为A0=A1>A2>A3>A4>A5。
在安装石墨烯基超级电容器时,布置顺序依次为下端矩形金属板7(下端矩形金属板作7为石墨烯基超级电容器的正极出线端板,其内侧涂覆基于石墨烯的活性碳物质)-弹性垫圈6-隔膜3-双面涂覆基于石墨烯的活性炭物质的多空金属集流体5-弹性垫圈6-隔膜3-双面涂覆基于石墨烯的活性炭物质的多空金属集流体5……隔膜3—上端矩形金属板1(上端矩形金属板1作为石墨烯基超级电容器的负极出线端板,其内侧涂覆基于石墨烯的活性碳物质)。
基于石墨烯的活性碳物质,是通过在现有的活性炭电极材料中掺杂石墨烯粉末制成。
如图7所示,石墨烯基超级电容器模组的各串联单元之间通过焊接方式连接,是否需要采用此连接主要取决于石墨烯基超级电容器模组应用场合的体积形状要求。如需要扁平形模组,则可以适量减少图1所示的内部层叠小单体,通过外部串联;如对体积形状并无要求,可不采用此外部连接,全部在图1所示内部层叠。
为了方便各石墨烯基超级电容器16之间的焊接,在石墨烯基超级电容器单元的上下两个矩形金属板的侧部中间设置一个突出的出线片(2和8)分别作为石墨烯基超级电容器的正极出线端和负极出线端,上、下两端的出线片朝向相反,在焊接时,将石墨烯超级电容器的正极出线片与一侧的石墨烯超级电容器的负极出线片焊接,将石墨烯超级电容器的负极出线片与另一侧的石墨烯超级电容器的正极出线片焊接。
以上仅为本发明的实施例,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均在本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种混合串联结构的石墨烯基超级电容器模组,其特征在于:所述模组包括同一水平面上依次串联的石墨烯基超级电容器,所述石墨烯基超级电容器由竖直方向依次层叠的双层电容器串联组成,所述双层电容器包括两对电极和设于两对电极之间的隔膜,每对电极包括金属电极和位于所述金属电极与所述隔膜之间的石墨烯活性电极;
连接相邻两个双层电容器的金属电极为矩形的双面多孔金属集流体,所述双面多孔金属集流体的一面为相邻两个双层电容器中一个双层电容器的正极,另一面为相邻两个双层电容器中另一个双层电容器的负极,所述双面多孔金属集流体的上、下两面分别涂覆基于石墨烯的活性炭物质以分别作为所述相邻两个双层电容器的石墨烯活性电极;
每块双面多孔金属集流体由其上、下两侧同中心的矩形框状弹性垫圈夹紧,所述矩形框状弹性垫圈的竖直纵断面为齿形结构,其边框内侧厚度大于边框外侧厚度;相邻两块上下两面涂覆有基于石墨烯的活性炭物质的双面多孔金属集流体之间夹有同中心的矩形隔膜;
从所述石墨烯基超级电容器的轴线方向上看,所述石墨烯基超级电容器上下两端金属电极的面积A0等于所述矩形框状弹性垫圈的外围面积A1,所述矩形框状弹性垫圈的外围面积A1大于所述双面多孔金属集流体的上表面或下表面面积A2,所述双面多孔金属集流体的上表面或下表面面积A2大于所述矩形框状弹性垫圈的中空面积A3,所述矩形框状弹性垫圈的中空面积A3大于所述隔膜面积A4;所述隔膜面积A4大于石墨烯活性电极面积A5。
2.如权利要求1所述的石墨烯基超级电容器模组,其特征在于:
每个双层电容器通过上下两个金属电极分别与其上下两侧双层电容器的金属电极连接;石墨烯基超级电容器上、下两端的金属电极为分别串联同一水平面上另外两个石墨烯基超级电容器的正电极和负电极。
3.如权利要求1所述的石墨烯基超级电容器模组,其特征在于:
所述隔膜和所述石墨烯活性电极之间充分浸润有电解液,所述电解液为浓度为1mol/L的四氟硼酸四乙基铵溶液,所述溶液的溶剂为乙腈液或碳酸丙烯酯液。
4.如权利要求2所述的石墨烯基超级电容器模组,其特征在于:
所述石墨烯基超级电容器上、下两端的金属电极的内侧涂覆有基于石墨烯的活性炭物质以作为所述石墨烯基超级电容器上、下两端双层电容器的石墨烯活性电极;
所述上、下两端金属电极为矩形金属板,上、下两个矩形金属板的侧部中间均设有突出的出线片,所述两个矩形金属板的出线片朝向相反,分别作为所述石墨烯基超级电容器的正极出线片和负极出线片,所述石墨烯基超级电容器的正极出线片和负极出线片分别通过焊接方式与其两侧石墨烯基超级电容器的负极出线片和正极出线片对应相连。
5.如权利要求1所述的石墨烯基超级电容器模组,其特征在于:
所述双面多孔金属集流体表面为泡沫状多孔结构,表面孔隙率高于98%,孔径为0.1-1mm;所述双面多孔金属集流体用铝、铝合金、镍、镍铬合金中的任意一种金属制作。
6.如权利要求1所述的石墨烯基超级电容器模组,其特征在于:
所述矩形框状弹性垫圈的边框外侧对应设有纵向贯穿的通孔,石墨烯基超级电容器上、下两端的金属电极四周对应设有纵向贯穿的孔径与所述通孔孔径对应相等的安装孔,两端留有外螺纹的螺杆纵向贯穿所述通孔和所述安装孔并通过两端螺母配合,将双层电容器在竖直方向上夹紧固定。
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