CN109659164A - 一种平面梳齿型超级电容器的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种平面梳齿型超级电容器的制作方法，属于储能设备技术领域。该方法通过丝网漏印将活性炭、导电剂和粘结剂混合浆料刮涂在柔性PCB板表面印制的梳齿型金属铜层上，有效的解决了活性电极材料在齿距微小的梳齿型集流体上的附着时容易发生两电极材料接触导致短路的问题，通过改变在丝网漏印过程中使用的金属筛网的厚度，可以精确控制活性材料的厚度，大大简化了平面梳齿型超级电容器的制作流程，显著提高了批量制作的平面梳齿型超级电容器的规格参数的一致性，具有制作工艺简单、可操作性强、成本低、安全性高、性能稳定、产品成品率高的特点，解决现有方法工艺流程复杂、可靠性差、成本高昂等问题，适用于工业化应用和市场化推广，尤其适用于微能源和柔性电子领域。

Description

一种平面梳齿型超级电容器的制作方法

技术领域

本发明属于储能设备技术领域，具体而言涉及一种以丝网表贴掩模漏印为核心的二维平面薄型梳齿结构超级电容器的制作工艺流程与用该工艺流程制作的二维平面薄型梳齿结构超级电容器。

背景技术

超级电容器(Supercapacitor)又称电化学超级电容器(ElectrochemicalSupercapacitor)是一种介于传统电容器和蓄电池之间的新型储能装置，它具有功率密度大、循环寿命长、充电时间短、放电速度快、温度特性好、绿色环保和安全性高等特点。

超级电容器根据电容的产生机理不同可以分为两类：双电层电容器(Electrochemical double layer capacitor)和赝电容器(Pseudo capacitor)。其中双电层电容器电容的产生主要是通过静电作用进行电荷存储，当电极材料表面聚集电荷时，电解液中属性相反的离子会被吸附到交界面附近，电荷发生分离的电极/电解液界面处形成双电层电容。另一种赝电容器则是通过电极表面快速的可逆氧化还原反应以及离子的掺杂/去掺杂过程来完成能量的存储和释放的。

通常，超级电容器是基于两个由绝缘多孔隔膜隔开的电极组成，且两电极浸润在某种电解液中，将其压成三明治一样的结构，电极底部和顶部是集流体，整体进行卷绕或堆叠，封装至刚性气密壳体中。基于上述三明治结构的超级电容器封装体一般呈方盒形、纽扣形和圆筒形，适用于一般电子设备、稳压网络和交通运输等领域。但是近年来，各种微型、柔性、可穿戴电子设备不断涌现，对其内部集成的供能部件的性能、尺寸和形态结构提出了新的要求。以往传统三明治结构的超级电容器由于其占用空间大，结构复杂，形态固化，难以集成到微型、柔性、可穿戴电子设备中。

用平面梳齿型超级电容器来代替三明治结构超级电容器，是一个解决超级电容器在微型、柔性、可穿戴电子设备中适用性的有效途径。目前已有的制作梳齿型超级电容器的方法主要有微加工法、喷涂法等，但是它们的物料与设备使用成本高昂，工艺流程复杂，可兼容的材料少，而且可能在加工过程中发生喷孔被活性电极材料堵塞或梳齿电极短接等直接导致加工设备和器件失效的情况。这些问题极大的限制了平面梳齿型超级电容器的大规模生产与推广应用。

发明内容

鉴于此，有必要提出一种新的以丝网表贴掩模漏印(以下简称丝网漏印)为核心的平面梳齿型超级电容器的制作方法，具有制作工艺简单、可操作性强、成本低、安全性高、性能稳定、产品成品率高的特点，解决现有方法工艺流程复杂、可靠性差、成本高昂，很难进行大规模推广的问题。

本发明是这样实现的，一种以丝网漏印为核心的平面梳齿型超级电容器的制作方法，包括如下步骤：

步骤一：活性炭和导电剂用球磨机进行研磨，按质量比70～90:5～15:5～15将研磨后的活性炭、导电剂和粘结剂混合，得到第一混合物，将该第一混合物通过丝网漏印法刮涂到柔性PCB板表面印制的梳齿型金属铜层上，将完成刮涂后的柔性PCB板放入烘箱干燥，得到平面梳齿电极；

步骤二：按照每1～2g PVA粉末对应10ml 0.8～1.2mol/L的酸性溶液的比例将PVA粉末与酸性溶液混合，得到第二混合物，对该第二混合物依次进行真空除气、超声分散操作，得到凝胶电解质；

步骤三：将与电极形状相对应的模具对准放置于完成刮涂后的平面梳齿电极之上，利用模具高出于电极的厚度把凝胶电解质刮涂上去，在真空釜中进行真空除气处理，将两电极间的空隙用凝胶电解质填满，在电极尾端铜集流体上焊接引出金属导线得到完整的平面梳齿型超级电容器。

以及，依据上述制作方法所制得的超级电容器。

本发明平面梳齿型超级电容器制作方法，通过丝网漏印将活性炭、导电剂和粘结剂混合浆料刮涂在柔性PCB板表面印制的梳齿型金属铜层上，有效的解决了活性电极材料在齿距微小的梳齿型集流体上的附着时容易发生两电极材料接触导致短路的问题，通过改变在丝网漏印过程中使用的金属筛网的厚度，可以精确控制活性材料的厚度，大大简化了平面梳齿型超级电容器的制作流程，显著提高了批量制作的平面梳齿型超级电容器的规格参数的一致性，具有制作工艺简单、可操作性强、成本低、安全性高、性能稳定、产品成品率高的特点，解决现有方法工艺流程复杂、可靠性差、成本高昂等问题，适用于工业化应用和市场化推广，尤其适用于微能源和柔性电子领域。本发明平面梳齿型超级电容器制作方法所制得的平面梳齿型超级电容器，梳齿齿距小，结构紧凑，体积小，具有高度柔性，活性电极材料在集流体上粘附牢固，两电极间隔均匀，不易发生短路，电学性能好，能量密度高，成本低廉。

附图说明

图1是本发明所述制作工艺流程示意图；

图2是用本发明制作的一种超级电容器实施例的整体结构示意图；

图3是用本发明制作的一种超级电容器实施例的侧面结构示意图；

图4是本发明制作工艺流程实施例中使用的一种金属不干胶示意图；

图5是本发明制作工艺流程实施例中使用的一种梳齿型模具示意图。

图中：1–柔性PCB板的聚酰亚胺基底；2–柔性PCB板上作为集流体的金属铜层；3–活性炭电极材料；4–凝胶电解质。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种以丝网漏印为核心的平面梳齿型超级电容器的制作方法，包括如下步骤：

步骤S01，制备活性炭电极浆料：

活性炭和碳黑用球磨机在300r/min的转速下研磨10h，按质量比8:1:1将研磨后的活性炭、碳黑导电剂和PVA粘结剂混合，用磁力搅拌器搅拌12h，得到活性炭电极浆料；

步骤S02，制备凝胶电解质：

按照每1g PVA粉末对应10ml 1mol/L的硫酸溶液的比例将PVA粉末与硫酸溶液混合，利用磁力搅拌器水浴加热搅拌2h，真空除气之后进行超声分散10min得PVA-H₂SO₄凝胶电解质。

步骤S03，制备平面梳齿型电极：

依照柔性PCB板上电极的形状在金属不干胶上刻制与之对应的镂空图形，利用3D打印制作梳齿型模具，用于后续凝胶电解质的刮涂。利用丝网漏印，在柔性PCB板上的梳齿型铜集流体上附着活性炭电极浆料，具体操作是：将刻制好镂空梳齿型图案的金属不干胶紧贴在金属筛网正面，将柔性PCB板贴在金属筛网背面并与金属不干胶对准，刮涂活性电极浆料，利用金属筛网的厚度保证电极材料具有一定的高度，同时利用金属筛网细密的空隙来保证电极形状完整。将刮涂好的样品放入烘箱中，在85℃的条件下干燥2h。

步骤S04，刮涂填充凝胶电解质：

将用3D打印制作的梳齿型模具对准扣在电极上，利用模具高出于电极的厚度把凝胶电解质刮涂上去，在真空釜中进行真空除气处理，将两电极间的空隙用凝胶电解质填满，在电极尾端铜集流体上焊接引出金属导线得到完整的平面梳齿型超级电容器。

步骤S01中：

该碳黑导电剂优选为属于碳黑的乙炔黑。该导电剂也可以选用本领域中常用的其它可以适用于本发明的导电剂。

该粘结剂优选为PVA粘结剂。该粘结剂也可以选用本领域中常用的其它可以适用于本发明的粘结剂。

步骤S02中：

该酸性溶液优选为稀硫酸溶液。该凝胶电解质的酸性溶液也可以选用本领域中常用的磷酸溶液。

步骤S03中：

该金属筛网的厚度与孔隙大小没有限制，刮涂在集流体上的电极材料的高度通过金属筛网的厚度决定。

本发明实施例平面梳齿型超级电容器制作方法，通过丝网漏印将活性炭、碳黑导电剂和PVA粘结剂混合浆料刮涂在柔性PCB板梳齿型铜集流体上，有效的解决了活性电极材料在齿距微小的梳齿型集流体上的附着时容易发生两电极材料接触导致短路的问题，通过改变在丝网漏印中使用的金属筛网的厚度，可以有效控制活性材料的厚度，大大简化了平面梳齿型超级电容器的制作流程，显著提高了批量制作的平面梳齿型超级电容器的规格参数的一致性，工艺流程简单、可操作性强、成本低廉，适用于工业化应用和市场化推广，尤其适用于微能源和柔性电子领域。

以下结合具体实施例对上述平面梳齿型超级电容器的制作方法进行详细阐述：

实施例一

(1)制备活性炭电极浆料：

将活性炭和碳黑的粉末用球磨机在300r/min的条件下研磨10小时，另称取PVA粉末2g置于试剂瓶中，倒入20mL的去离子水，用磁力搅拌器在90℃，1500r/min的条件下搅拌2h，得PVA溶液。称取活性炭2g，另取碳黑与PVA溶液，将活性炭、碳黑、PVA以80:10:10的比例混合，用磁力搅拌器搅拌12h，使活性炭与碳黑均匀分散，即得到活性炭电极浆料。

(2)制备凝胶电解质：

将1mol/L的H₂SO₄溶液20mL与PVA粉末2g混合，采用水浴加热的方式利用磁力搅拌器加热搅拌2h，直到PVA粉末完全溶解，溶液澄清透明，真空除气之后进行超声分散10min得PVA-H₂SO₄凝胶电解质。

(3)制备平面梳齿型电极：

依照柔性PCB板上电极的形状在金属不干胶上刻制与之对应的镂空图形，利用3D打印制作梳齿型模具，用于后续凝胶电解质的刮涂。利用丝网漏印，在柔性PCB板上的梳齿型铜集流体上附着活性炭电极浆料，具体操作是：将刻制好镂空梳齿型图案的金属不干胶紧贴在目数为80目的金属筛网正面，将柔性PCB板贴在同一金属筛网背面并与金属不干胶对准，刮涂活性电极浆料，利用金属筛网的厚度保证电极材料具有一定的高度，同时利用金属筛网细密的空隙来保证电极形状完整。将刮涂好的样品放入烘箱中，在85℃的条件下干燥2h，得平面梳齿型电极。

(4)刮涂填充凝胶电解质：

将用3D打印制作的梳齿型模具对准扣在电极上，利用模具高出于电极的厚度把凝胶电解质刮涂上去，在真空釜中进行真空除气处理10min，将两电极间的空隙用凝胶电解质填满，在电极尾端铜集流体上焊接引出金属导线得到完整的平面梳齿型超级电容器。

经测试，发明人利用上述具体实施例的平面梳齿型超级电容器的制作方法制备的平面梳齿型超级电容器有较好的电学性能，单电极电容量高达4.507F，总电容达2.253F，单电极比电容高达173.3F/g。

实施例二

(1)制备活性炭电极浆料：

将活性炭和碳黑的粉末用球磨机在300r/min的条件下研磨10小时，另称取PVA粉末2g置于试剂瓶中，倒入20mL的去离子水，用磁力搅拌器在90℃，1500r/min的条件下搅拌2h，得PVA溶液。称取活性炭2g，另取碳黑与PVA溶液，将活性炭、碳黑、PVA以90:5:5的比例混合，用磁力搅拌器搅拌12h，使活性炭与碳黑均匀分散，即得到活性炭电极浆料。

(2)制备凝胶电解质：

将1.2mol/L的H₂SO₄溶液20mL与PVA粉末2g混合，采用水浴加热的方式利用磁力搅拌器加热搅拌2h，直到PVA粉末完全溶解，溶液澄清透明，真空除气之后进行超声分散10min得PVA-H₂SO₄凝胶电解质。

(3)制备平面梳齿型电极：

依照柔性PCB板上电极的形状在金属不干胶上刻制与之对应的镂空图形，利用3D打印制作梳齿型模具，用于后续凝胶电解质的刮涂。利用丝网漏印，在柔性PCB板上的梳齿型铜集流体上附着活性炭电极浆料，具体操作是：将刻制好镂空梳齿型图案的金属不干胶紧贴在目数为80目的金属筛网正面，将柔性PCB板贴在同一金属筛网背面并与金属不干胶对准，刮涂活性电极浆料，利用金属筛网的厚度保证电极材料具有一定的高度，同时利用金属筛网细密的空隙来保证电极形状完整。将刮涂好的样品放入烘箱中，在85℃的条件下干燥2h，得平面梳齿型电极。

(4)刮涂填充凝胶电解质：

将用3D打印制作的梳齿型模具对准扣在电极上，利用模具高出于电极的厚度把凝胶电解质刮涂上去，在真空釜中进行真空除气处理10min，将两电极间的空隙用凝胶电解质填满，在电极尾端铜集流体上焊接引出金属导线得到完整的平面梳齿型超级电容器。

经测试，发明人利用上述具体实施例的平面梳齿型超级电容器的制作方法制备的平面梳齿型超级电容器有较好的电学性能，单电极电容量高达4.316F，总电容达2.158F，单电极比电容高达159.85F/g。

实施例三

(1)制备活性炭电极浆料：

将活性炭和碳黑的粉末用球磨机在300r/min的条件下研磨10小时，另称取PVA粉末2g置于试剂瓶中，倒入20mL的去离子水，用磁力搅拌器在90℃，1500r/min的条件下搅拌2h，得PVA溶液。称取活性炭2g，另取碳黑与PVA溶液，将活性炭、碳黑、PVA以70:15:15的比例混合，用磁力搅拌器搅拌12h，使活性炭与碳黑均匀分散，即得到活性炭电极浆料。

(2)制备凝胶电解质：

将0.8mol/L的H₂SO₄溶液20mL与PVA粉末2g混合，采用水浴加热的方式利用磁力搅拌器加热搅拌2h，直到PVA粉末完全溶解，溶液澄清透明，真空除气之后进行超声分散10min得PVA-H₂SO₄凝胶电解质。

(3)制备平面梳齿型电极：

依照柔性PCB板上电极的形状在金属不干胶上刻制与之对应的镂空图形，利用3D打印制作梳齿型模具，用于后续凝胶电解质的刮涂。利用丝网漏印，在柔性PCB板上的梳齿型铜集流体上附着活性炭电极浆料，具体操作是：将刻制好镂空梳齿型图案的金属不干胶紧贴在目数为80目的金属筛网正面，将柔性PCB板贴在同一金属筛网背面并与金属不干胶对准，刮涂活性电极浆料，利用金属筛网的厚度保证电极材料具有一定的高度，同时利用金属筛网细密的空隙来保证电极形状完整。将刮涂好的样品放入烘箱中，在85℃的条件下干燥2h，得平面梳齿型电极。

(4)刮涂填充凝胶电解质：

将用3D打印制作的梳齿型模具对准扣在电极上，利用模具高出于电极的厚度把凝胶电解质刮涂上去，在真空釜中进行真空除气处理10min，将两电极间的空隙用凝胶电解质填满，在电极尾端铜集流体上焊接引出金属导线得到完整的平面梳齿型超级电容器。

经测试，发明人利用上述具体实施例的平面梳齿型超级电容器的制作方法制备的平面梳齿型超级电容器有较好的电学性能，单电极电容量高达4.202F，总电容达2.101F，单电极比电容高达168.08F/g。

本发明实施例平面梳齿型超级电容器制作方法所制得的平面梳齿型超级电容器，电学性能好，能量密度高，成本低廉，梳齿齿距小，结构紧凑，体积小，具有高度柔性，活性电极材料在集流体上粘附牢固，两电极间隔均匀，不易发生短路，安全性高。

Claims (1)

1.一种以丝网漏印为核心的平面梳齿型超级电容器的制作方法，包括如下步骤：

步骤一：活性炭和导电剂用球磨机进行研磨，按质量比70～90:5～15:5～15将研磨后的活性炭、导电剂和粘结剂混合，得到第一混合物，将该第一混合物通过丝网漏印法刮涂到柔性PCB板表面印制的梳齿型金属铜层上，将完成刮涂后的柔性PCB板放入烘箱干燥，得到平面梳齿电极；

步骤二：按照每1～2g PVA粉末对应10ml 0.8～1.2mol/L的酸性溶液的比例将PVA粉末与酸性溶液混合，得到第二混合物，对该第二混合物依次进行真空除气、超声分散操作，得到凝胶电解质；

步骤三：将与电极形状相对应的模具对准放置于完成刮涂后的平面梳齿电极之上，利用模具高出于电极的厚度把凝胶电解质刮涂上去，在真空釜中进行真空除气处理，将两电极间的空隙用凝胶电解质填满，在电极尾端铜集流体上焊接引出金属导线得到完整的平面梳齿型超级电容器。