CN108735527A - 一种用于超级电容器的金属箔集流体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于超级电容器的金属箔集流体，包括金属箔集流体本体，所述金属箔集流体本体表面通过磁控溅射沉积有纳米碳膜，所述纳米碳膜的比表面积为2000～4000m2/g。本发明的用于超级电容器的金属箔集流体通过在金属箔集流体本体表面采用磁控溅射沉积纳米碳膜，该纳米碳膜具有优良的本征导电性和分散性，在电容的组装和运行过程中，本发明的金属箔集流体表面的纳米碳膜能够有效地提高集流体与纳米碳材料颗粒直接的结合，使纳米碳材料与金属箔集流体表面完全接触，从而降低阻抗，减少内热，提升机械稳定性，提高超级电容器的综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及电容器材料技术领域，具体而言，涉及一种用于超级电容器的金属箔集流体。
背景技术
超级电容器是一种新型的能量储存装置，具有高功率密度、高循环寿命等优点。超级电容器的性能与极片的制作工艺有着很大的关系，超级电容器的集流体材料作为核心组件之一，承担活性颗粒材料的力学载体、并作为电子迁移的介质。目前超级电容器制备中，多采用铝箔作为集流体，并在其表面进行电极材料(活性材料)的涂覆形成电极片。目前极片制备中仍有一些技术问题：
第一、如刚性的活性材料颗粒与刚性的铝箔或铜箔集流体之间是点点接触，因此活性材料颗粒不能完全与集流体接触，界面电阻较大，在使用过程中产生内热，并且由于活性材料形变，长时间会使集流体与活性材料剥离，影响电容的性能。
第二、大量用于集流体表面涂覆层的活性材料本征导电性不足，在形成涂覆层后难以作为高效电子导通网络降低阻抗。
第三、在集流体表面涂覆过程中活性材料易发生层叠或聚集，导致机械稳定性不足。
发明内容
有鉴于此，本发明提供的一种用于超级电容器的金属箔集流体，更好地克服了上述现有技术存在的问题和缺陷，该用于超级电容器的金属箔集流体通过在金属箔集流体本体表面采用磁控溅射沉积纳米碳膜，该纳米碳膜具有优良的本征导电性和分散性，在电容的组装和运行过程中，本发明的金属箔集流体表面的纳米碳膜能够有效地提高集流体与纳米碳材料颗粒直接的结合，使纳米碳材料与金属箔集流体表面完全接触，从而降低阻抗，减少内热，提升机械稳定性，提高超级电容器的综合性能。
一种用于超级电容器的金属箔集流体，包括金属箔集流体本体，所述金属箔集流体本体表面通过磁控溅射沉积有纳米碳膜，所述纳米碳膜的比表面积为2000～4000m2/g。
进一步地，所述金属箔集流体本体为铜箔集流体或铝箔集流体。
进一步地，所述纳米碳膜的厚度为0.1～200um。
进一步地，所述磁控溅射所采用的电源包括并联设置的直流电源和射频电源。
进一步地，所述磁控溅射所采用的靶材为人造石墨、天然石墨、活性炭、中间相碳微球、碳纳米管、石墨烯和炭黑中的一种。
进一步地，所述磁控溅射所采用的靶材为天然石墨。
进一步地，所述磁控溅射所采用的背底真空度为5*10-4～5*10-3Pa，氩气偏压为0.2～2Pa。
进一步地，所述磁控溅射所采用的靶基距离为2～20cm。
进一步地，所述磁控溅射所采用的溅射功率为50～500W。
进一步地，所述磁控溅射的溅射镀膜时间为10～200min。
与现有技术相比，本发明的一种用于超级电容器的金属箔集流体的有益效果是：
(1)本发明的用于超级电容器的金属箔集流体通过在金属箔集流体本体表面采用磁控溅射沉积纳米碳膜，该纳米碳膜具有优良的本征导电性和分散性，在电容的组装和运行过程中，本发明的金属箔集流体表面的纳米碳膜能够有效地提高集流体与纳米碳材料颗粒直接的结合，使纳米碳材料与金属箔集流体表面完全接触，从而降低阻抗，减少内热，提升机械稳定性，提高超级电容器的综合性能。
(2)本发明的金属箔集流体结构简单，易工业化，能够更好的应用于超级电容器中。
综上所述，本发明特殊的结构，其具有上述诸多的优点及实用价值，并在同类产品中未见有类似的方法公开发表或使用而确属创新，产生了好用且实用的效果，较现有的技术具有增进的多项功效，从而较为适于实用，并具有广泛的产业价值。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，作详细说明如下。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对用于超级电容器的金属箔集流体进行更全面的描述。
在下文中，将更全面地描述本发明的各种实施例。本发明可具有各种实施例，并且可在其中做出调整和改变。然而，应理解：不存在将本发明的各种实施例限于在此公开的特定实施例的意图，而是应将本发明理解为涵盖落入本发明的各种实施例的精神和范围内的所有调整、等同物和/或可选方案。
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所公开的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“A或/和B”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合，例如，可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：在本发明中，除非另有明确的规定和定义，“安装”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接、也可以是可拆卸连接、或者一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也是可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，本领域的普通技术人员需要理解的是，文中指示方位或者位置关系的术语，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
本发明提供了一种用于超级电容器的金属箔集流体，包括金属箔集流体本体，所述金属箔集流体本体表面通过磁控溅射沉积有纳米碳膜，所述纳米碳膜的比表面积为2000～4000m2/g如2000m2/g、2500m2/g、3000m2/g、 3500m2/g或4000m2/g等。
需要说明的是，本发明利用磁控溅射技术在金属箔集流体本体上形成纳米碳膜时，以碳纳米材料作为磁控溅射靶材安装在磁控溅射靶上，金属箔集流体本体和磁控溅射靶分别安装在磁控溅射设备的溅射室内，磁控溅射靶位于金属箔集流体本体的下方，磁控溅射靶材的溅射面与金属箔集流体本体相对，利用荷能粒子(例如氩离子)轰击磁控溅射靶材的溅射面，使靶材粒子(如离子、原子、分子等)从磁控溅射靶材的溅射面逸出，逸出的靶材粒子在金属箔集流体本体表面沉积，形成纳米碳膜。
本发明的用于超级电容器的金属箔集流体通过在金属箔集流体本体表面采用磁控溅射沉积纳米碳膜，该纳米碳膜具有优良的本征导电性和分散性，在电容的组装和运行过程中，本发明的金属箔集流体表面的纳米碳膜能够有效地提高集流体与纳米碳材料颗粒直接的结合，使纳米碳材料与金属箔集流体表面完全接触，从而降低阻抗，减少内热，提升机械稳定性，提高超级电容器的综合性能。
优选地，所述磁控溅射所采用的靶材为人造石墨、天然石墨、活性炭、中间相碳微球、碳纳米管、石墨烯和炭黑中的一种。当然，该靶材还可以为其它碳材料，如富勒烯、改性碳纳米管、改性石墨烯或石墨烯和碳纳米管的杂化物等。
优选地，所述磁控溅射所采用的靶材为天然石墨。
优选地，所述金属箔集流体本体为铜箔集流体或铝箔集流体。
优选地，所述纳米碳膜的厚度为0.1～200um如0.1um、1um、5um、10um、 20um、50um、80um、100um、120um、150um、180um或200um等。
优选地，所述磁控溅射所采用的电源为直流电源，即本发明采用直流磁控溅射在金属箔集流体本体上溅射沉积纳米碳膜。
优选地，所述磁控溅射所采用的背底真空度为5*10-4～5*10-3Pa如 5*10-4Pa、8*10-4Pa、1*10-3Pa、3*10-4Pa或5*10-3Pa等；氩气偏压为0.2～ 2Pa如0.2Pa、0.5Pa、0.8Pa、1Pa、1.2Pa、1.5Pa、1.8Pa或2Pa等。
优选地，所述磁控溅射所采用的靶基距离为1～20cm如1cm、3cm、 5cm、8cm、10cm、12cm、15cm、18cm或20cm等。更优地，所述磁控溅射所采用的靶基距离为2～10cm。
优选地，所述磁控溅射所采用的溅射功率为50～500W如50W、100 W、150W、200W、250W、300W、350W、400W、450W或500W等。更优地，所述磁控溅射所采用的溅射功率为100～300W。
优选地，所述磁控溅射的溅射镀膜时间为10～200min如10min、 20min、40min、60min、80min、100min、120min、150min、180min或200min 等。更优地，所述磁控溅射的溅射镀膜时间为20～100min。
本发明还提供了该用于超级电容器的金属箔集流体的制备方法，包括以下制备步骤：
(1)提供金属箔集流体本体作为基材，将金属箔集流体本体置于磁控溅射真空室内；
(2)提供碳纳米材料作为靶材，将靶材置于磁控溅射真空室内；
(3)在直流电源的作用下，采用直流磁控溅射在金属箔集流体本体上磁控溅射沉积纳米碳膜；其中，磁控溅射的工艺参数如下所示：
背底真空度为5*10-4～5*10-3Pa；
氩气偏压为0.2～2Pa；
灯丝预热5～20min；
固定靶基距离1～20cm；
溅射功率为50～500W；
溅射镀膜时间为10～200min。
为了便于理解本发明，下面结合实施例来进一步说明本发明的技术方案。申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明应依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
实施例1
(1)提供铝箔集流体作为基材，将铝箔集流体置于磁控溅射真空室内；
(2)提供天然石墨作为靶材，将靶材置于磁控溅射真空室内；
(3)在直流电源的作用下，采用直流磁控溅射在金属箔集流体本体上磁控溅射沉积纳米碳膜；其中，磁控溅射的工艺参数设置如下：
背底真空度为1*10-3Pa；
氩气偏压为1Pa；
灯丝预热10min；
靶基距离2cm；
溅射功率为300W；
溅射镀膜时间为60min。
实施例2
与实施例1的区别在于：将靶基距离设置为4cm，其它同实施例1。
实施例3
与实施例1的区别在于：将靶基距离设置为6cm，其它同实施例1。
实施例4
与实施例1的区别在于：将靶基距离设置为8cm，其它同实施例1。
实施例5
与实施例1的区别在于：将靶基距离设置为10cm，其它同实施例1。
实施例6
与实施例2的区别在于：将溅射功率设置为100W，其它同实施例2。
实施例7
与实施例2的区别在于：将溅射功率设置为200W，其它同实施例2。
实施例8
与实施例2的区别在于：将溅射功率设置为400W，其它同实施例2。
实施例9
与实施例2的区别在于：将溅射功率设置为500W，其它同实施例2
实施例10
与实施例2的区别在于：将溅射镀膜时间设置为20min，其它同实施例 2。
实施例11
与实施例2的区别在于：将溅射镀膜时间设置为40min，其它同实施例 2。
实施例12
与实施例2的区别在于：将溅射镀膜时间设置为80min，其它同实施例 2。
实施例13
与实施例2的区别在于：将溅射镀膜时间设置为100min，其它同实施例2。
对实施例1～12制备得到的金属箔集流体表面的碳膜厚度及碳膜表面积进行检测，结果如下表1所示。
表1
(1)对比上表1中实施例1～5的结果得出：随着靶基距离的增大，碳膜厚度变小，当距离大于6cm时，碳膜厚度急剧下降。
(2)对比上表1中实施例1与6～9的结果得出：溅射功率与碳膜厚度成正比，随着溅射功率增大，碳膜的比表面积先变大再变小，由此可见，溅射功率在300W左右最佳。
(3)溅射镀膜时间与碳膜厚度成正比关系，但镀膜时间过长，会导致比表面积值降低。
对实施例2、实施例5及实施例9制备的表面溅射沉积有纳米碳膜的金属箔集流体进行电极片制备，活性材料为活性炭，以纯集流体作为对比例，测试实际电容的性能。数据如表4所示：
表2电容的性能参数表
由上表2可知，表面溅射沉积有纳米碳膜的金属箔集流体对于电容的性能有不同程度的提升，其中纳米碳膜厚度越高同时比表面积越大，对提高电容的综合性能效果更好。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于超级电容器的金属箔集流体，其特征在于：包括金属箔集流体本体，所述金属箔集流体本体表面通过磁控溅射沉积有纳米碳膜，所述纳米碳膜的比表面积为2000～4000m2/g。
2.根据权利要求1所述的用于超级电容器的金属箔集流体，其特征在于：所述金属箔集流体本体为铜箔集流体或铝箔集流体。
3.根据权利要求1所述的用于超级电容器的金属箔集流体，其特征在于：所述纳米碳膜的厚度为0.1～200um。
4.根据权利要求1所述的用于超级电容器的金属箔集流体，其特征在于：所述磁控溅射所采用的电源包括并联设置的直流电源和射频电源。
5.根据权利要求4所述的用于超级电容器的金属箔集流体，其特征在于：所述磁控溅射所采用的靶材为人造石墨、天然石墨、活性炭、中间相碳微球、碳纳米管、石墨烯和炭黑中的一种。
6.根据权利要求5所述的用于超级电容器的金属箔集流体，其特征在于：所述磁控溅射所采用的靶材为天然石墨。
7.根据权利要求5所述的用于超级电容器的金属箔集流体，其特征在于：所述磁控溅射所采用的背底真空度为5*10-4～5*10-3Pa，氩气偏压为0.2～2Pa。
8.根据权利要求1所述的用于超级电容器的金属箔集流体，其特征在于：所述磁控溅射所采用的靶基距离为2～20cm。
9.根据权利要求1所述的用于超级电容器的金属箔集流体，其特征在于：所述磁控溅射所采用的溅射功率为50～500W。
10.根据权利要求1所述的用于超级电容器的金属箔集流体，其特征在于：所述磁控溅射的溅射镀膜时间为10～200min。
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