CN108183040A - 一种低内阻超级电容器电芯及制备工艺 - Google Patents
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Abstract
一种低内阻超级电容器电芯的制备工艺由电极、隔膜卷绕而成，每层的电极都通过空白铝箔集流体作为电流引线与极耳相连，各层电极之间为并联结构。同时，该低内阻超级电容器通过卷绕工艺来得到类似叠片式超级电容器的电芯结构，以克服目前传统卷绕工艺制造出的超级电容器内阻高、叠片工艺虽然能得到低内阻电芯但工艺复杂的缺点，能够利用卷绕工艺的快速、容易控制的优点制造出低内阻、叠片结构的超级电容器电芯。
Description
技术领域
本实发明属于超级电容器领域，具体涉及一种低内阻超级电容器电芯及制备工艺。
背景技术
超级电容器具有高功率性能，可以实现瞬时的充放电，被广泛用于瞬时动力启动、能量回收以及智能电网、新能源发电等领域。同时，与常用的电池相比，超级电容器还具有长寿命、高安全性和耐低温等优点，具有非常广阔的应用前景。
超级电容器的快速充放电性能与其内阻密切相关，很低的内阻才能保证超级电容器在不会产生很多热量的前提下实现对电能的快速吸纳和释放。除了电极材料、电解液等因素之外，超级电容器的内部结构也同样影响着内阻。目前，超级电容器的制作主要通过卷绕工艺来实现。即首先将电容炭、粘结剂、导电剂等与集流体制作成电极片，电极片上焊接上极耳后与隔膜卷绕在一起形成超级电容器的电芯，置入壳体并加注电解液后得到最终的超级电容器。极耳与电容器的正负极端子连接，从而实现内部电极的充放电。在这种电芯结构中，电极片与极耳的仅有一处连接点。当电容器容量较小时，由于电极片长度较小，整个电极片在充放电时极耳连接处上通过的电流较小，使用中不会有太大问题。但是对于大容量超级电容器，这种结构会导致很大的内阻，从而产生大量的焦耳热，影响超级电容器的使用效率和寿命，甚至带来安全隐患。
为了解决以上问题，往往采用多个极耳的内部电芯结构设计。文献Wei Zhao等，Effect of tab design on large-format Li-ion cell performance，Journal of PowerSources，257(2014)70-79，Ahmadou Samba等，Impact of Tab Location on Large FormatLithium-Ion Pouch Cell Based on Fully Coupled Tree-DimensionalElectrochemical-Thermal Modeling，Electrochimica Acta，147(2014)319–329。通过模拟设计，从理论上证明了采用多极耳的结构设计确实可以提高电极材料的利用率，并降低内阻减小产热。但是多极耳的结构在实际器件组装过程中往往难以实现，并且容易导致器件一致性差。并且极耳个数仍然难以满足实际的使用需要。申请号为201420009612.2(一种圆形全极耳超级电容器)的中国发明专利中提到采用多极耳的超级电容器，电芯的两端分别设有多个正极极耳和多个负极极耳，正极极耳均与底板相固定，负极极耳均与引出端子相固定。但是专利中并没有给出这种结构的具体制作以及连接方法，并且由于还额外需要引流体，制作工艺非常复杂。
超级电容器的除了卷绕工艺之外，还具有叠片工艺。即在电芯制作过程中提前将分成小片的电极片与隔膜层层折叠，按照电极与隔膜相间的方式叠放，直到容量达到最终要求。在这种结构中每个小电极片都与电容器正极或者负极端子连接，每个电极片之间都是并联的方式。故所得超级电容器内阻可以大幅度降低。但是与卷绕工艺相比，叠片式工艺由于操作复杂、生产控制繁琐、对操作人员要求高，往往产品合格率低下。
发明内容
本本发明的目的是提供一种内阻小、充放电速度快，制备简单、易操作，产品合格率高的超级电容器电芯的制造方法。
本发明超级电容器由电极、隔膜卷绕而成，每层的电极都通过空白铝箔集流体作为电流引线与极耳相连，各层电极之间为并联结构。同时，该低内阻超级电容器通过卷绕工艺来得到类似叠片式超级电容器的电芯结构，以克服目前传统卷绕工艺制造出的超级电容器内阻高、叠片工艺虽然能得到低内阻电芯但工艺复杂的缺点，能够利用卷绕工艺的快速、容易控制的优点制造出低内阻、叠片结构的超级电容器电芯。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种低内阻超级电容器电芯，其特征如下：
低内阻超级电容器电芯由电极与隔膜相间的方式叠放在一起进行卷绕而成，卷芯两侧每层的电极全部通过空白铝箔集流体作为电流引线与极耳相连，各层电极之间为并联结构。
一种低内阻超级电容器电芯的制备工艺，包括如下步骤：
(1)制备电极片
方法一：通过湿法或者干法工艺将电容炭、导电剂和粘结剂与铝箔结合到一起制造电极片，电极片宽度为10-500mm，同时在铝箔的两侧各留出没有活性材料(电容炭、导电剂和粘结剂)的空白区域，每边空白区的宽度在5-30mm之间，将制作完成的电极片放入辊压机进行压制，得到压制后的电极片，电极密度为0.3-0.8g/cm3，将压制好的电极片从中间纵向切开，分为两部分，作为超级电容器两个电极片使用；
方法二
通过湿法或者干法工艺将电容炭、导电剂和粘结剂与铝箔结合到一起制造电极片，电极片宽度10-500mm，同时在铝箔的一侧留出没有活性材料(电容炭、导电剂和粘结剂)的空白区域，空白区的宽度在5-30mm之间，放入辊压机进行压制，得到压制后的电极片，电极密度为0.3-0.8g/cm3；
(2)将电极片裁成长度为20-5000mm，得到用于卷绕工艺的电极片；
(3)提前将隔膜根据电极片的宽度和长度进行裁切。将电极与隔膜相间叠放，同时相邻电极片的空白区位于两侧，之后放入卷绕机进行卷绕，卷绕后在外面贴上胶带固定，得到卷芯；
所述隔膜是纤维素隔膜、聚乙烯、聚丙烯或者其它聚烯烃隔膜。
(4)将上述卷芯置于模切的模具中，此时卷芯两侧边缘均为没有活性材料的空白铝箔区域，对此区域的铝箔进行裁切，裁切刀垂直于卷芯的卷绕轴，在垂直卷绕轴方向留下5-100mm的空白铝箔区域作为引导电极片上电流的引线；
(5)焊接极耳：将极侧的多个引线各自叠加焊接到极耳上，得到最后的电芯。
如上所述的电极片可以通过湿法或干法工艺得到，常见的湿法工艺为将电容炭、导电剂和粘结剂分散在水中得到电极浆料，进而将浆料涂布到铝箔上面烘干处理，可参考申请号为201510589107.9(一种电池电容电极浆料的制备方法)的发明专利。干法工艺为先将电容炭、导电剂预先混合，加入粘结剂后辊压得到碳膜，进而与铝箔直接结合到一起得到电极，可参考申请号为201110450262.4(超级电容器的制作方法)的发明专利。
本发明的优点效果在于：
1.本发明提出一种新型的超级电容器电芯结构，由于电极片与极耳有多个连接点，其内阻减小，快速充放电时电容器表面温度进而大幅度降低。
2.本发明提出了一种制作该种内阻超级电容器的工艺方法，该制造过程综合了现有的卷绕和叠片的优点，操作方便、对操作人员要求低，品质易控制、产品合格率高，极大提高了超级电容器的性能、一致性和稳定性。
附图说明
图1方法一制作的电极片；
图2方法二制作的电极片；
图3完成卷绕的卷芯；
图4部分空白区裁切后的卷芯；
图5部分空白区裁切后，卷绕轴AA′截面图；
图6焊接极耳后的卷芯；
图7焊接极耳后电芯横向截面图。
如图所示，1—隔膜，2─空白铝箔区域，3─涂有电极材料的铝箔区域，4—电极片，5—电极引流线，6—极耳。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于下述实施实例。
实施例1：
(1)取90kg电容炭、7kg导电碳黑和3kgPTFE均匀混合，多次捏合后将上述混合和压制成碳膜；进而将碳膜压制在提前涂有导电胶的铝箔集流体上，整个电极片宽度为200mm，并且在铝箔的边缘各留10mm的空白区域(无电容炭，导电碳黑和PTFE物质)；
(2)将制作完成的电极片放入辊压机，在50MPa压力下进行压制，得到压制后的电极片，电极密度为0.7g/cm3；
(3)将压制好的电极片从中间纵向切开，分为两部分，作为超级电容器的两个极片使用(如图1)；
(4)将电极片裁成长度为500mm，得到用于卷绕工艺的电极片；
(5)提前将聚乙烯隔膜根据电极片的宽度和长度进行裁切。将电极与隔膜相间叠放，同时相邻电极片的空白区位于两侧，之后放入卷绕机进行卷绕，卷绕后在外面贴上胶带固定，得到卷芯(如图3)；
(6)将上述卷芯置于模切的模具中，对没有活性材料(电容炭，导电碳黑和PTFE物质)的空白铝箔区垂直于卷绕轴裁切，留下20mm空白铝箔区域作为引导电极片上电流的引线(如图4、图5)；
(7)焊接极耳：将卷芯两侧的多个引线各自叠加焊接到极耳上，得到最后的电芯(如图6、图7)。
对上述电容器电芯置入壳体中，加入电解液并封口后进行测试，在150C倍率的充放电条件下，电容器表面的温度比未充放电时升高6.5℃。
实施例2：
(1)取90kg电容炭、7kg导电碳黑和3kgPTFE均匀混合，多次捏合后将上述混合和压制成碳膜；进而将碳膜压制在提前涂有导电胶的铝箔集流体上，整个电极片宽度为150mm，并且在铝箔的边缘各留15mm的空白区域(无电容炭，导电碳黑和PTFE物质)；
(2)将制作完成的电极片放入辊压机，在30MPa压力下进行压制，得到压制后的电极片，电极密度为0.5g/cm3；
(3)将压制好的电极片从中间纵向切开，分为两部分，作为超级电容器的两个极片使用(如图1)；
(4)将电极片裁成长度为1000mm，得到用于卷绕工艺的电极片；；
(5)提前将聚丙烯隔膜根据电极片的宽度和长度进行裁切，将电极与隔膜相间叠放，同时相邻电极片的空白区位于两侧，之后放入卷绕机进行卷绕，卷绕后在外面贴上胶带固定，得到卷芯(如图3)；
(6)将上述卷芯置于模切的模具中，对没有活性材料(电容炭，导电碳黑和PTFE物质)的空白铝箔区垂直于卷绕轴裁切，留下30mm空白铝箔区域作为引导电极片上电流的引线(如图4、图5)；
(7)焊接极耳：将卷芯两侧的多个引线各自叠加焊接到极耳上，得到最后的电芯(如图6、图7)。
对上述电容器电芯置入壳体中，加入电解液并封口后进行测试，在150C倍率的充放电条件下，电容器表面的温度比未充放电时升高5℃。
实施例3：
(1)取90kg电容炭、7kg导电碳黑和3kgPTFE均匀混合，多次捏合后将上述混合和压制成碳膜；进而将碳膜压制在提前涂有导电胶的铝箔集流体上，整个电极片宽度为300mm，并且在铝箔的边缘各留23mm的空白区域(无电容炭，导电碳黑和PTFE物质)；
(2)将制作完成的电极片放入辊压机，在50MPa压力下进行压制，得到压制后的电极片，电极密度为0.6g/cm3；
(3)将压制好的电极片从中间纵向切开，分为两部分，作为超级电容器的两个极片使用(如图1)；
(4)将电极片裁成长度为2000mm，得到用于卷绕工艺的电极片；；
(5)提前将聚乙烯隔膜根据电极片的宽度和长度进行裁切。将电极与隔膜相间叠放，同时相邻电极片的空白区位于两侧，之后放入卷绕机进行卷绕，卷绕后在外面贴上胶带固定，得到卷芯(如图3)；
(6)将上述卷芯置于模切的模具中，对没有活性材料(电容炭，导电碳黑和PTFE物质)的空白铝箔区垂直于卷绕轴裁切，留下50mm空白铝箔区域作为引导电极片上电流的引线(如图4、图5)；
(7)焊接极耳：将卷芯两侧的多个引线各自叠加焊接到极耳上，得到最后的电芯(如图6、图7)。
对上述电容器电芯置入壳体中，加入电解液并封口后进行测试，在150C倍率的充放电条件下，电容器表面的温度比未充放电时升高7℃。
实施例4：
(1)取90kg电容炭、7kg导电碳黑和3kgPTFE均匀混合，多次捏合后将上述混合和压制成碳膜；进而将碳膜压制在提前涂有导电胶的铝箔集流体上，整个电极片宽度为420mm，并且在铝箔的边缘各留26mm的空白区域(无电容炭，导电碳黑和PTFE物质)；
(2)将制作完成的电极片放入辊压机，在20MPa压力下进行压制，得到压制后的电极片，电极密度为0.35g/cm3；
(3)将压制好的电极片从中间纵向切开，分为两部分，作为超级电容器的两个极片使用(如图1)；
(4)将电极片裁成长度为3200mm，得到用于卷绕工艺的电极片；；
(5)提前将聚乙烯隔膜根据电极片的宽度和长度进行裁切。将电极与隔膜相间叠放，同时相邻电极片的空白区位于两侧，之后放入卷绕机进行卷绕，卷绕后在外面贴上胶带固定，得到卷芯(如图3)；
(6)将上述卷芯置于模切的模具中，对没有活性材料(电容炭，导电碳黑和PTFE物质)的空白铝箔区垂直于卷绕轴裁切，留下80mm空白铝箔区域作为引导电极片上电流的引线(如图4、图5)；
(7)焊接极耳：将卷芯两侧的多个引线各自叠加焊接到极耳上，得到最后的电芯(如图6、图7)。
对上述电容器电芯置入壳体中，加入电解液并封口后进行测试，在150C倍率的充放电条件下，电容器表面的温度比未充放电时升高9℃。
实施例5：
(1)取5kg导电碳黑加入到3kg丁苯橡胶粘结剂中，以25转/分的速度搅拌45分钟，随后加入92kg电容炭继续在该转速下均匀混合55分钟，进而在5000转/分条件下高速搅拌3小时；随后将完全分散的浆料涂布在铝箔集流体上，整个电极宽度100mm，并且在铝箔的两边缘各留8mm的空白区域(无电容炭，导电碳黑和丁苯橡胶物质)；
(2)将制作完成的电极片放入辊压机，在30MPa压力下进行压制，得到压制后的电极片，电极密度为0.43g/cm3；
(3)将压制好的电极片从中间纵向切开，分为两部分，作为超级电容器的两个极片使用(如图1)；
(4)将电极片裁成长度为200mm，得到用于卷绕工艺的电极片；；
(5)提前将聚乙烯隔膜根据电极片的宽度和长度进行裁切。将电极与隔膜相间叠放，同时相邻电极片的空白区位于两侧，之后放入卷绕机进行卷绕，卷绕后在外面贴上胶带固定，得到卷芯(如图3)；
(6)将上述卷芯置于模切的模具中，对没有活性材料(电容炭，导电碳黑和PTFE物质)的空白铝箔区垂直于卷绕轴裁切，留下40mm空白铝箔区域作为引导电极片上电流的引线(如图4、图5)；
(7)焊接极耳：将卷芯两侧的多个引线各自叠加焊接到极耳上，得到最后的电芯(如图6、图7)。
对上述电容器电芯置入壳体中，加入电解液并封口后进行测试，在150C倍率的充放电条件下，电容器表面的温度比未充放电时升高4℃。
实施例6：
(1)取90kg电容炭、7kg导电碳黑和3kgPTFE均匀混合，多次捏合后将上述混合和压制成碳膜；进而将碳膜压制在提前涂有导电胶的铝箔集流体上，整个电极片宽度为30mm，并且在铝箔的一侧边缘各留3mm的空白区域(无电容炭，导电碳黑和PTFE物质)；
(2)将制作完成的电极片放入辊压机，在50MPa压力下进行压制，得到压制后的电极片，电极密度为0.55g/cm3(如图2)；
(3)将电极片裁成长度为100mm，得到用于卷绕工艺的电极片；；
(4)提前将纤维素隔膜根据电极片的宽度和长度进行裁切。将电极与隔膜相间叠放，同时相邻电极片的空白区位于两侧，之后放入卷绕机进行卷绕，卷绕后在外面贴上胶带固定，得到卷芯(如图3)；
(5)将上述卷芯置于模切的模具中，对没有活性材料(电容炭，导电碳黑和PTFE物质)的空白铝箔区垂直于卷绕轴裁切，留下10mm空白铝箔区域作为引导电极片上电流的引线(如图4、图5)；
(6)焊接极耳：将卷芯两侧的多个引线各自叠加焊接到极耳上，得到最后的电芯(如图6、图7)。
对上述电容器电芯置入壳体中，加入电解液并封口后进行测试，在150C倍率的充放电条件下，电容器表面的温度比未充放电时升高2℃。
实施例7：
(1)取5kg导电碳黑加入到含有3kg丁苯橡胶粘结剂中，以25转/分的速度搅拌45分钟，随后加入92kg电容炭继续在该转速下均匀混合55分钟，进而在5000转/分条件下高速搅拌3小时；随后将完全分散的浆料涂布在铝箔集流体上，整个电极宽度50mm，并且在铝箔的一侧边缘留5mm的空白区域(无电容炭，导电碳黑和丁苯橡胶物质)；
(2)将制作完成的电极片放入辊压机，在50MPa压力下进行压制，得到压制后的电极片，电极密度为0.65g/cm3(如图2)；
(3)将电极片裁成长度为50mm，得到用于卷绕工艺的电极片；
(4)提前将聚乙烯隔膜根据电极片的宽度和长度进行裁切。将电极与隔膜相间叠放，同时相邻电极片的空白区位于两侧，之后放入卷绕机进行卷绕，卷绕后在外面贴上胶带固定，得到卷芯(如图3)；
(5)将上述卷芯置于模切的模具中，对没有活性材料(电容炭，导电碳黑和PTFE物质)的空白铝箔区垂直于卷绕轴裁切，留下8mm空白铝箔区域作为引导电极片上电流的引线(如图4、图5)；
(6)焊接极耳：将卷芯两侧的多个引线各自叠加焊接到极耳上，得到最后的电芯(如图6、图7)。
对上述电容器电芯置入壳体中，加入电解液并封口后进行测试，在150C倍率的充放电条件下，电容器表面的温度比未充放电时升高3℃。
对比例1：
(1)取90kg电容炭、7kg导电碳黑和3kgPTFE均匀混合，多次捏合后将上述混合和压制成碳膜；进而将碳膜压制在提前涂有导电胶的铝箔集流体上，整个电极片宽度为200mm；
(2)将制作完成的电极片放入辊压机，压力50MPa下进行压制，得到压制后的电极片，电极密度为0.7g/cm3；
(3)将压制好的电极片从中间纵向切开，分为两部分，作为超级电容器的两个极片使用；
(4)将电极片裁成长度为500mm，并且在每个电极片上都焊接上一个极耳，得到用于卷绕工艺的电极片；
(5)提前将聚乙烯隔膜根据电极片的宽度和长度进行裁切。将电极与隔膜相间叠放，放入卷绕机进行卷绕，卷绕后在外面贴上胶带固定，得到电芯；
对上述电容器电芯置入壳体中，加入电解液并封口后进行测试，在150C倍率的充放电条件下，电容器表面的温度比未充放电时升高13℃。
Claims (4)
1.一种低内阻超级电容器电芯的制备工艺，其特征在于包括如下步骤：一种低内阻超级电容器电芯，其特征如下：
低内阻超级电容器电芯由电极与隔膜相间的方式叠放在一起进行卷绕而成，卷芯两侧每层的电极全部通过空白铝箔集流体作为电流引线与极耳相连，各层电极之间为并联结构。
2.如权利要求1所述的一种低内阻超级电容器电芯的制备工艺，其特征在于包括如下步骤：
(1)制备电极片
方法一：通过湿法工艺或者干法工艺将电容炭、导电剂和粘结剂与铝箔结合到一起制造电极片，电极片宽度为10-500 mm，同时在铝箔的两侧各留出没有活性材料(电容炭、导电剂和粘结剂)的空白区域，每边空白区的宽度在5-30 mm之间，将制作完成的电极片放入辊压机进行压制，得到压制后的电极片，电极密度为0.3-0.8 g/cm3，将压制好的电极片从中间纵向切开，分为两部分，作为超级电容器两个电极片使用；
方法二
通过湿法工艺或者干法工艺将电容炭、导电剂和粘结剂与铝箔结合到一起制造电极片，电极片宽度10-500 mm，同时在铝箔的一侧留出没有活性材料的空白区域，空白区的宽度在5-30 mm之间，放入辊压机进行压制，得到压制后的电极片，电极密度为0.3-0.8 g/cm3；
(2)将电极片裁成长度为20-5000 mm，得到用于卷绕工艺的电极片；
(3) 提前将隔膜根据电极片的宽度和长度进行裁切，将电极片与隔膜相间叠放，同时相邻电极片的空白区位于两侧，放入卷绕机进行卷绕，卷绕后在外面贴上胶带固定，得到卷芯；
所述隔膜是纤维素隔膜、聚乙烯、聚丙烯或者其它聚烯烃隔膜；
(4)将上述卷芯置于模切的模具中，此时卷芯两侧边缘均为没有活性材料的空白铝箔区域，对此区域的铝箔进行裁切，裁切刀垂直于卷芯的卷绕轴，在垂直卷绕轴方向留下5-100 mm的空白铝箔区域作为引导电极片上电流的引线；
(5)焊接极耳：将两侧的多个引线各自叠加焊接到极耳上，得到最后的电芯。
3.如权利要求2所述的一种低内阻超级电容器电芯的制备工艺，其特征在于湿法工艺是将电容炭、导电剂和粘结剂分散在水中得到电极浆料，进而将浆料涂布到铝箔上面烘干处理。
4.如权利要求2所述的一种低内阻超级电容器电芯的制备工艺，其特征在于干法工艺是先将电容炭、导电剂预先混合，加入粘结剂后辊压得到碳膜，进而与铝箔直接结合到一起得到电极。
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