CN107610941A - 柔性超级电容器主体结构的制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了柔性超级电容器主体结构的制备工艺，包括如下步骤：一、电流收集器制备；二、电极制备；三、水凝胶电解液的制作；四、超级电容器制备。电流收集器主要使用厚度小于0.2mm的金属膜，其中优选不锈钢、铜、镍，也可以选用金属网状结构的不锈钢网膜，网格大小1mm～5mm之间,也可以使用银墨水、银涂料涂布在碳导电布上制成。使用本发明所述柔性超级电容器主体结构的制备工艺生产的超级电容，所有部分均带有相对较高的柔性，且可以任意弯曲。其整体柔性，以及在弯折后的电化学性能与其他类型超级电容器相比得到了显著提高，在弯折100次后仍可保留90%以上的初始容量。
Description
技术领域
本发明涉及电极材料加工处理领域，具体涉及柔性超级电容器主体结构的制备工艺。
技术背景
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(0.1-100 nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。超级电容器（supercapacitor,ultracapacitor），又叫电化学电容器(Electrochemical Capacitor,EC)、黄金电容、法拉第电容；包括双电层电容器(Electrostatic double-layercapacitor)和赝电容器（Electrochemical pseudocapacitor）,通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件、储能过程是可逆的，可以反复充放电数十万次。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个电容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。电极材料作为超级电容器主要部分，其材料柔性化为一个柔性超级电容器产品所不可缺少的特性。柔性化的电极主要由高分子纳米纤维作为基体，纳米级碳材料作为活性材料附着在纳米基体上，形成柔性复合网状电极材料。目前还没有一种采用聚乳酸，聚对苯二甲酸乙二醇，聚丙烯腈作为原料的柔性超级电容器主体结构的制备工艺。柔性超级电容器是一个平面的五层的结构设计，含有电流收集器、电极、胶状电解液材料，所有使用的材料均为柔性材料。超级电容器三个柔性主要部分的合成，制备工艺也至关重要。目前还没有一种适用于超级电容器的主体结构的柔性超级电容器主体结构的制备工艺。
发明内容
针对上述问题，本发明公开了一种适用于超级电容器的主体结构的柔性超级电容器主体结构的制备工艺。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案。
柔性超级电容器主体结构的制备工艺，包括如下步骤：
一、电流收集器制备，根据最终产品特性选择电流收集器；
二、电极制备，分别称取重量百分比含量75%～90%活性材料，1%～10%导电剂，0～10%的添加剂，1%～10%粘结剂作为原料，再将原料溶解至5～20倍重量的N-甲基吡咯烷酮中，并进行高速搅拌分散处理10～120分钟，再进行粘稠度调节后作为电极合剂，然后将电流收集器加热至70˚C～100˚C，并将粘稠度调节完善的电极合剂通过刮刀涂抹方式在电流收集器上进行反复涂抹，制成5μm～300μm度的涂层，在70˚C烘箱内进行烘干处理；
三、水凝胶电解液的制作，选用不同分子量的聚乙烯醇作为粘合剂，在70˚C～90˚C温度的水中溶解，并高速搅匀成透明状后，加入等量不同浓度的酸性电解液或碱性电解液，并继续进行搅拌，待粘合剂与电解液融合后，降温至室温并且固化，然后将液态电解液覆盖在电极表面，或储存在培养皿中，并在一定湿度和温度的环境中储存，直至其成凝胶状；
四、超级电容器制备，在外压作用下将步骤三中的凝胶状电解液与步骤二中的电极贴合，施压0～7kg/cm²,1～10分钟，并储存在湿度5%R.H.～50%R.H.和温度10˚C～60˚C的环境中等待包装。
所述步骤一中所选择的电流收集器主要使用厚度小于0.2mm的金属膜，其中优选不锈钢、铜、镍，也可以选用金属网状结构的不锈钢网膜，网格大小1mm～5mm之间,也可以使用银墨水、银涂料涂布在碳导电布上制成。
所述步骤二中的活性材料优选活性碳，导电剂优选碳黑，添加剂优选碳纳米材料，所述碳纳米材料包括但不限于多壁碳纳米管、单壁碳纳米管、功能化碳纳米管、单层石墨烯、多层石墨烯、碳纳米纤维，所述粘结剂包括但不限于聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素、苯乙烯—丁二烯—苯乙烯聚合物。
所述步骤三中的酸性电解液优选硫酸或磷酸，碱性电解液优选氢氧化钾。
使用本发明所述柔性超级电容器主体结构的制备工艺生产的超级电容，所有部分均带有相对较高的柔性，且可以任意弯曲。其整体柔性，以及在弯折后的电化学性能与其他类型超级电容器相比得到了显著提高，在弯折100次后仍可保留90%以上的初始容量。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
具体实施例1
使用80%活性炭作为活性材料，11%炭黑作为导电剂，9%聚偏氟乙烯作为粘结剂，投入到10倍重量比的N-甲基吡咯烷酮中进行溶解处理，使用均质机或超声波处理仪进行高速搅拌分散处理30分钟，调节粘稠度后作为电极合剂，然后将0.1mm的铜膜加热至80˚C，并将粘稠度调节完善的电极合剂通过刮刀涂抹方式在铜膜上反复涂抹，之后放入80˚C烘箱内烘干处理，制成180μm厚度涂层的电极。选用100,000分子量的聚乙烯醇作为粘合剂，在75˚C温度的水中溶解，并搅匀成透明状后，加入等量1.5MoL浓度的硫酸电解液，粘合剂与电解液融合后，降温至室温固化，然后将液体覆盖在电极表面，并储存在湿度15%R.H.和温度40˚C的环境，直至其成凝胶状，在外压作用下与另一片电极贴合，施压5kg/cm²,计时5分钟后，储存在湿度20%R.H.和温度40˚C的环境中等待包装。
具体实例2
使用70%活性炭作为活性材料，15%炭黑作为导电剂，10%石墨烯薄片作为添加剂，5%聚偏氟乙烯作为粘结剂，投入到10倍重量比的N-甲基吡咯烷酮中进行溶解处理，使用均质机或超声波处理仪进行高速搅拌分散处理30分钟，调节粘稠度后作为电极合剂，然后将网格大小为2mm的不锈钢网膜加热至80˚C，并将粘稠度调节完善的电极合剂通过刮刀涂抹方式在不锈钢网膜上反复涂抹，之后放入80˚C烘箱内烘干处理，制成100μm厚度涂层的电极。选用200,000分子量的聚乙烯醇作为粘合剂，在80˚C温度的水中溶解，并搅匀成透明状后，加入等量0.5MoL浓度的硫酸电解液，粘合剂与电解液融合后，降温至室温固化，然后将液体覆盖在电极表面，并储存在湿度30%R.H.和温度50˚C的环境，直至其成凝胶状，在外压作用下与另一片电极贴合，施压7kg/cm²,计时5分钟后，储存在湿度30%R.H.和温度50˚C的环境中等待包装。
具体实施例3
使用80%活性炭作为活性材料，11%炭黑作为导电剂，10%碳纳米管作为添加剂，9%苯乙烯－丁二烯－苯乙烯聚合物作为粘结剂，投入到10倍重量比的N-甲基吡咯烷酮中进行溶解处理，使用均质机或超声波处理仪进行高速搅拌分散处理30分钟，调节粘稠度后作为电极合剂，然后将网格大小为2mm的不锈钢网膜加热至80˚C，并将粘稠度调节完善的电极合剂通过刮刀涂抹方式在不锈钢网膜上反复涂抹，之后放入80˚C烘箱内烘干处理，制成220μm厚度涂层的电极。选用200,000分子量的聚乙烯醇作为粘合剂，在80˚C温度的水中溶解，并搅匀成透明状后，加入等量6MoL浓度的氢氧化钾电解液，粘合剂与电解液融合后，降温至室温固化，然后将液体覆盖在电极表面，并储存在湿度15%R.H.和温度40˚C的环境，直至其成凝胶状，在外压作用下与另一片电极贴合，施压5kg/cm²,计时5分钟后，储存在湿度20%R.H.和温度40˚C的环境中等待包装。
实验表明，根据以上实施例制备的超级电容器其整体柔性，以及在弯折后的电化学性能与其他类型超级电容器相比得到了显著提高，在弯折100次后仍可保留90%以上的初始容量。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (4)
1.柔性超级电容器主体结构的制备工艺，包括如下步骤：
一、电流收集器制备，根据最终产品特性选择电流收集器；
二、电极制备，分别称取重量百分比含量75%～90%活性材料，1%～10%导电剂，0～10%的添加剂，1%～10%粘结剂作为原料，再将原料溶解至5～20倍重量的N-甲基吡咯烷酮中，并进行高速搅拌分散处理10～120分钟，再进行粘稠度调节后作为电极合剂，然后将电流收集器加热至70˚C～100˚C，并将粘稠度调节完善的电极合剂通过刮刀涂抹方式在电流收集器上进行反复涂抹，制成5μm～300μm度的涂层，在70˚C烘箱内进行烘干处理；
三、水凝胶电解液的制作，选用不同分子量的聚乙烯醇作为粘合剂，在70˚C～90˚C温度的水中溶解，并高速搅匀成透明状后，加入等量不同浓度的酸性电解液或碱性电解液，并继续进行搅拌，待粘合剂与电解液融合后，降温至室温并且固化，然后将液态电解液覆盖在电极表面，或储存在培养皿中，并在一定湿度和温度的环境中储存，直至其成凝胶状；
四、超级电容器制备，在外压作用下将步骤三中的凝胶状电解液与步骤二中的电极贴合，施压0～7kg/cm²,1～10分钟，并储存在湿度5%R.H.～50%R.H.和温度10˚C～60˚C的环境中等待包装。
2.根据权利要求1所述的柔性超级电容器主体结构的制备工艺，其特征在于所述步骤一中所选择的电流收集器主要使用厚度小于0.2mm的金属膜，其中优选不锈钢、铜、镍，也可以选用金属网状结构的不锈钢网膜，网格大小1mm～5mm之间,也可以使用银墨水、银涂料涂布在碳导电布上制成。
3.根据权利要求1所述的柔性超级电容器主体结构的制备工艺，其特征在于所述步骤二中的活性材料优选活性碳，导电剂优选碳黑，添加剂优选碳纳米材料，所述碳纳米材料包括但不限于多壁碳纳米管、单壁碳纳米管、功能化碳纳米管、单层石墨烯、多层石墨烯、碳纳米纤维，所述粘结剂包括但不限于聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素、苯乙烯—丁二烯—苯乙烯聚合物。
4.根据权利要求1所述的柔性超级电容器主体结构的制备工艺，其特征在于所述步骤三中的酸性电解液优选硫酸或磷酸，碱性电解液优选氢氧化钾。
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