CN107230557B - 一种扣式超级电容 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种扣式超级电容，包括壳体、正极集电极、负极集电极、复数个正极、负极、隔膜和电解液；所述正极集电极和负极集电极相对设置，并与所述壳体一起组成密闭空间；所述复数个正极、负极、隔膜和电解液均设置于密闭空间中；每一正极包括至少两个正极单体堆叠而成的堆叠体；复数个正极分布在所述正极集电极上且每一正极单体均与所述正极集电极电导通；所述负极与所述负极集电极电导通；正极和负极之间通过包裹在每一堆叠体之外的隔膜而隔离；所述正极采用共价有机框架材料，所述负极采用多孔碳材料。本申请的技术方案可以增加电极材料与电解液的有效接触面积，显著提高超级电容器的比容量。
Description
技术领域
本申请涉及电子设备领域，具体涉及一种扣式超级电容。
背景技术
超级电容器作为一种新型储能装置，是一种介于传统电容器和充电电池之间具有快速充放电的新型功率型能源存储设备。由于其具有较高的能量密度和功率密度、较宽的工作温度范围以及优异的循环性能等特点在航空航天、国防数字通信设备、电源供应、存储备份系统以及先进的汽车如混合动力汽车和燃料电池汽车等方面都有很广阔的应用前景。
由于储能机理的不同，人们将超级电容器分为：1、基于高比表面积电极材料与溶液间界面双电层原理的双电层电容器；2、基于电化学欠电位沉积或氧化还原法拉第过程的赝电容器。人们为了达到提高电容器的性能，降低成本的目的，经常将赝电容电极材料和双电层电容电极材料混合使用，制成所谓的混合电化学电容器。
电极材料是超级电容器的关键，提高超级电容器的能量密度、功率密度和循环寿命，主要通过提高电极材料的比表面积、热稳定性和化学稳定性来实现。
以活性碳为电极材料的扣式超级电容器由于电极材料简单易得，在实际生产中比较常见。
图1示出了作为对比技术的扣式超级电容器的结构示意图。如图1所示，所述扣式超级电容器包括负极盖01、负极集电极02、负极03、隔膜04、正极05、正极集电极06、密封胶圈07、壳体08。所述负极盖01、所述密封胶圈07和所述壳体08构成了所述扣式超级电容器的外壳体；在所述外壳体的内部，从负极盖01到所述壳体08的内部底面依次分布着负极集电极02、负极03、隔膜04、正极05、正极集电极06；所述负极集电极02与所述负极03电导通，所述正极05与所述正极集电极06电导通，所述负极03和所述正极05被所述隔膜04隔开；所述负极03和所述正极05采用活性碳材料；在所述负极03和所述正极05之间充满电解液。
这种结构的扣式超级电容器有一些缺陷：所述负极03与所述正极05与电解液的接触面积有限，而且，活性碳电极能吸附带电离子的部分只存在于与电解液接触的表面，在所述负极03与所述正极05材料的内部难以吸附足够的带电离子，造成所述超级电容的比容量小，储存能量低。
如何改变超级电容的结构，增加电极与电解液的接触面积，改变电极材料，增加所述超级电容的比容量是我们要解决的问题。
发明内容
本申请提供一种扣式超级电容，采用由复数个堆叠体组成的共价有机框架材质的正极以克服现有技术中电极与电解液接触面积小，超级电容比容量小的缺陷。
本申请提供的所述扣式超级电容，包括：壳体、正极集电极、负极集电极、复数个正极、负极、隔膜和电解液；
所述正极集电极和负极集电极相对设置，并与所述壳体一起组成密闭空间；
所述复数个正极、负极、隔膜和电解液均设置于密闭空间中；
每一正极包括至少两个正极单体堆叠而成的堆叠体；复数个正极分布在所述正极集电极上且每一正极单体均与所述正极集电极电导通；
所述负极和电解液充斥于所述密闭空间的除复数个正极之外的空间中，正极和负极之间通过包裹在每一堆叠体之外的隔膜而隔离；所述负极与所述负极集电极电导通。
可选的，组成所述正极的正极材料包括下述材料之一：共价有机框架材料、石墨烯。
可选的，所述共价有机框架材料由有机中间体2,6-二氨基蒽醌(DAAQ)和1,3,5-三甲酰基间苯三酚(TFP)组合而成。
可选的，所述负极采用多孔碳材料。
可选的，所述电解液的溶质为四氟硼酸四乙基铵和甲基三乙基四氟硼酸铵的混合物，溶剂使用乙腈。
可选的，所述正极单体是椭球状的；所述正极单体之间有金属板；不同堆叠体的所述金属板通过金属片相连，所述金属片与所述正极集电极电导通。
可选的，所述金属片在与所述电解液接触区域覆盖有电绝缘膜。
可选的，在所述正极集电极分布有所述堆叠体的平面上，未被所述堆叠体覆盖的其他区域覆盖有所述正极材料，所述正极材料的表面包裹着隔膜。
可选的，所述壳体由上壳体和下壳体组成。
可选的，所述扣式超级电容还包括所述第一密封圈；所述第一密封圈夹在所述上壳体与所述负极集电极之间。
可选的，所述扣式超级电容还包括所述第二密封圈；所述第二密封圈在所述正极集电极与所述下壳体之间。
与现有技术相比，本申请具有以下优点：
每一正极包括至少两个正极单体堆叠而成的堆叠体；复数个正极分布在所述正极集电极上且每一单体均与所述正极集电极电导通；所述负极和电解液充斥于所述密闭空间的除复数个正极之外的空间中。由于所述堆叠体的结构显著增加了所述正极的表面积；所述负极的布置也增加了与电解液的接触面积，有利于带电离子的吸附，加大所述超级电容的比容量。
另外，本申请的优选方案采用了共价有机框架材料的电极，所述共价有机框架材料具有高孔隙率、高比表面积的特点，单位体积储存带电离子的能力更强，可以显著提高所述超级电容的能量密度。
附图说明
图1示出了作为对比技术的扣式超级电容器的结构示意图；
图2示出了本申请的第一实施例提供的一种超级电容的结构简图；
图3示出了本申请的第一实施例所述正极堆叠体的分布示意图；
图4示出了本申请的第二实施例提供的超级电容结构示意图。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。
本申请的第一实施例提供了一种扣式超级电容；图2示出了本申请实施例提供的一种超级电容的结构简图，下面结合图2详细介绍一下所述扣式超级电容的结构特点。
如图2所示，所述扣式超级电容包括：壳体1、正极集电极2、负极集电极3、正极4、负极5、隔膜6、电解液7、第一密封圈8和第二密封圈9。
所述壳体1由上壳体1-1和下壳体1-2组成，所述上壳体1-1类似一个倒扣的碗状物，在上部平面中心位置开有轴向通孔，所述上壳体1-1最外边缘有翻边；所述下壳体1-2是一个剖面近似U形的回转薄壁件，底面是平面，中心部位开有通孔；所述下壳体1-2的侧壁的上部向内延伸与所述上壳体1-1的翻边相互咬合。
所述正极集电极2和负极集电极3相对设置，并与所述壳体1一起组成密闭空间。
所述正极集电极2是圆形的薄板，位于所述下壳体1-2底部平面的圆孔内。
所述负极集电极3是一块圆形板，下端穿入所述上壳体1-1的上部中心位置的圆孔内，所述集电极3的上部平面突出在所述上壳体1-1的上部平面之外。
所述正极4、所述负极5、所述隔膜6和所述电解液7均位于由所述正极集电极2、负极集电极3和所述壳体1所组成的密闭空间中。
在超级电容中，电极与电解液的接触面积越大，储存电荷的能力就越强。为了增加正极与电解液的接触面积，所述正极4不是一个单一的实体，而是由分布在所述正极集电板2上的确定数量的堆叠体组成，而且，每一个所述堆叠体由至少两个正极单体堆叠而成；为了增加电极与电解液的接触面积，所述正极单体做成椭球形；所述正极单体之间有金属板；所述金属板由金属片相连，所述金属片与所述正极集电极电导通。
图3示出了本申请的第一实施例所述正极堆叠体的分布示意图，下面结合图3和图2介绍所述堆叠体在所述正极集电极2上的分布。
图3是从所述负极集电极看向所述正极集电极方向的俯视图，为简化起见，图中有网状剖面图案的圆圈代表所述堆叠体，最外层的圆周代表所述正极集电极的外沿；所述堆叠体分布在以所述正极集电极中心为圆心的同心圆上，每个同心圆上分布着4-8个所述堆叠体，圆周周长越长，所述堆叠体分布越多。在本申请的第一实施例中，包括三个分布有所述堆叠体的同心圆，从内到外分别有4个、6个和8个所述堆叠体。
如图2所示，每个所述堆叠体包括层叠的三个所述正极单体，所述正极单体之间有金属板4-1，同层的所述金属板4-1由横向金属片4-2相连通，不同层之间的所述横向金属片4-2在垂直方向上通过纵向金属片4-3相连，所述纵向金属片4-2的底部焊接在所述正极集电极2上，这样，所述金属板4-1、所述横向金属片4-2就实现了与所述正极集电极2之间的电导通。
所述负极5和所述电解液7充斥于所述密闭空间内的除所述正极4之外的空间中，为了保证所述横向金属片4-2和所述纵向金属片4-3与所述负极5电绝缘，在所述横向金属片4-2和所述纵向金属片4-3暴露在所述电解液7的部位覆盖有电绝缘膜，所述电绝缘膜采用与所述隔膜6相同的材料。
本申请的第一实施例中，在所述正极集电极分布有所述堆叠体的平面上，未被所述堆叠体覆盖的其他区域覆盖有所述正极材料，所述正极材料的表面包裹着所述隔膜6。
在所述正极4的每一堆叠体之外有所述隔膜6将所述正极4与所述负极5隔开。
本申请优选实施例的所述负极5采用多孔碳纤维布，所述多孔碳纤维布与所述负极集电极3相连。
在所述上壳体1-1与所述负极集电极3之间夹有第一密封圈8，所述第一密封圈是截面为矩形的橡胶圆环；所述第一密封圈8套在所述负极集电极下端小径上；所述第一密封圈8的外圆柱面与所述上壳体1-1的中心孔内壁相配。
在所述下壳体1-2与所述正极集电极2之间夹有第二密封圈9，所述第二密封圈9是一个橡胶圆环；所述第二密封圈9外侧面与所述下壳体1-2底部中心孔相配，内侧面与所述正极集电极2的外圆柱面相配；所述第二密封圈9不仅起密封作用，防止电解液的外泄，而且，保证所述下壳体1-2与所述正极集电极2的电绝缘。
对于所述第一实施例的所述正极，本申请还提供了第二实施例对所述正极的电连接结构进行优化。图4示出了本申请的第二实施例提供的超级电容结构示意图。所述第二实施例与所述第一实施例相比，除了正极外，具有相同的结构，对于相同的结构，在所述第二实施例采用相同的编码。
所述第二实施例中，去除了所述第一实施例中的所述横向金属片4-2和所述纵向金属片4-3，增加了内部金属片4-4，所述内部金属片位于堆叠体内部，穿过所述金属板4-1且与所述金属板电导通。所述内部金属片4-4焊接在所述正极集电极上。
在本申请的第一实施例中，在所述正极的堆叠体之间以及所述堆叠体与所述正极集电极之间采用了增加金属片的结构来提高电荷转移的效率，在有些情况下，可以在所述正极4的电极材料中增加导电剂来提高所述正极4的导电性能，这样，可以去除所述金属板和所述金属片。
上文主要介绍了本申请优选实施例的结构特征，超级电容器关键部件如电极、隔膜、电解液的材质对超级电容器的性能也有重大影响，下文主要介绍本申请实施例中材料的选用。
电极材料是超级电容器的关键，提高超级电容器的能量密度、功率密度和循环寿命，主要通过提高电极材料的比表面积、热稳定性和化学稳定性来实现。
在实际生产和科学研究中，电极材料多采用多孔碳、活性碳、活性碳纤维、石墨烯等碳族材料，或者金属氧化物，如二氧化钌(RuO2)等，导电聚合物，如聚苯胺等在实验中也有应用。
本申请优选实施例的所述正极4采用共价有机框架材料，也就是COF；共价有机框架是一种新兴的电极材料，具有比表面积可控、电化学性质优异等特点，可以作为超级电容器的电极材料。
本申请优选实施例所用的所述共价有机框架材料由有机中间体2,6-二氨基蒽醌(DAAQ)和1,3,5-三甲酰基间苯三酚(TFP)组合而成。
作为可选项，所述正极4也可以选用活性碳、石墨烯、金属氧化物或者导电聚合物材料。
本申请优选实施例的所述负极5采用多孔碳纤维布，作为可选项，所述负极5也可以选用上述活性碳、石墨烯、金属氧化物、导电聚合物或者共价有机框架材料。
超级电容对隔膜的材料有特殊的要求，首先，隔膜所用材料对电子的隔离性能要好，可以防止电子的穿透，避免两极之间由于电子的穿透造成的内部短路，但是电解液以及电解液中的带电离子要能顺畅通过；其次，隔膜的厚度要均一，孔径大小均匀；其三，隔膜材料在电解液中化学性质稳定，尺寸稳定，有一定的机械强度和热稳定性。本申请的实施例所述隔膜6采用聚丙烯材料。
本申请的优选实施例中，所述电解液7采用有机电解液，采用有机电解液可以避免水基材料对所述金属壳体的腐蚀，同时，有机电解液的离子分解电压在2-4V，有利于电极获得宽的工作电压窗口，从而提高超级电容的能量密度；另外，有机电解液还有工作温度范围宽和耐高压的优点。
本申请实施例中，所述电解液7的溶质为四氟硼酸四乙基铵和甲基三乙基四氟硼酸铵的混合物，溶剂使用乙腈。
本申请虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本申请，任何本领域技术人员在不脱离本申请的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本申请的保护范围应当以本申请权利要求所界定的范围为准。
Claims (9)
1.一种扣式超级电容，其特征在于，包括:壳体、正极集电极、负极集电极、复数个正极、负极、隔膜和电解液；所述正极集电极和负极集电极相对设置，并与所述壳体一起组成密闭空间，所述壳体由上壳体和下壳体组成；
所述复数个正极、负极、隔膜和电解液均设置于密闭空间中；
每一正极包括至少两个正极单体堆叠而成的堆叠体；复数个正极分布在所述正极集电极上且每一正极单体均与所述正极集电极电导通；其中，所述正极单体之间有金属板；不同堆叠体的所述金属板通过金属片相连；
所述负极和电解液充斥于所述密闭空间的除复数个正极之外的空间中，正极和负极之间通过包裹在每一堆叠体之外的隔膜而隔离；所述负极与所述负极集电极电导通；
其中，在所述正极集电极分布有所述堆叠体的平面上，未被所述堆叠体覆盖的其他区域覆盖有所述正极材料，所述正极材料的表面包裹着隔膜。
2.根据权利要求1所述的扣式超级电容，其特征在于，组成所述正极的正极材料包括下述材料之一：共价有机框架材料、石墨烯。
3.根据权利要求2所述的扣式超级电容，其特征在于，所述共价有机框架材料由有机中间体2,6-二氨基蒽醌（DAAQ）和1,3,5-三甲酰基间苯三酚（TFP）组合而成。
4.根据权利要求1所述的扣式超级电容，其特征在于，所述负极采用多孔碳材料。
5.根据权利要求1所述的扣式超级电容，其特征在于，所述电解液的溶质为四氟硼酸四乙基铵和甲基三乙基四氟硼酸铵的混合物，溶剂使用乙腈。
6.根据权利要求1所述的扣式超级电容，其特征在于，所述正极单体是椭球状的；所述金属片与所述正极集电极电导通。
7.根据权利要求6所述的扣式超级电容，其特征在于，所述金属片在与所述电解液接触区域覆盖有电绝缘膜。
8.根据权利要求1所述的扣式超级电容，其特征在于，还包括第一密封圈；所述第一密封圈夹在所述上壳体与所述负极集电极之间。
9.根据权利要求1所述的扣式超级电容，其特征在于，还包括第二密封圈；所述第二密封圈在所述正极集电极与所述下壳体之间。
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