CN109801791B - 电极活性物质及其电极、双电层超级电容器 - Google Patents

电极活性物质及其电极、双电层超级电容器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电极活性物质及其电极、双电层超级电容器，包括三种粒径的类球形活性炭颗粒，其中三种类球形活性炭颗粒D50比值满足1:0.37~0.41:0.085~0.097，三种类球形活性炭颗粒质量比满足10000:500~700:6~10。本发明公开的双电层电容器通过采用三种粒径的类球形活性碳颗粒和一维或二维导电剂分别作为正负极活性物质和导电剂，大大提升了极片的压实密度，进而提高了活性炭双电层电容器的质量比能量，压实密度可由传统的0.5‑0.6 g/cm3提高到0.90 g/cm3，质量比能量可达9 Wh/kg，体积比能量可达13Wh/L。

Description

电极活性物质及其电极、双电层超级电容器
技术领域
本发明涉及电极活性物质及其电极、双电层超级电容器。
背景技术
电化学双电层电容器(EDLC)是一种容量远远超过传统电容器、利用双电层储能理论快速充放电的装置，一般由碳基材料(如活性炭、炭纤维、炭布、炭气凝胶、炭纳米管、炭黑、石墨烯)作为电极，当施加电压时，由于电荷差的存在，电解液中的正负离子通过隔膜移动到相反电荷的电极附近形成了双电层，分别吸引电性相反的等量电荷。其特点是比电容大、比功率高、循环寿命长、使用温度范围宽和对环境友好，具有广阔的应用前景。因此电极材料是决定EDLC性能的关键因素之一。
双电层超级电容器中，比表面积较大的碳基活性材料由于在电解质/电极界面具有较高的集聚电荷的能力，因而会具有较大的容量。活性碳(比表面积一般大于1000m2/g)因具有较高的比表面积和较低的制造成本而被广泛用于双电层超级电容器电极的活性物质。
目前商用活性炭超级电容器极片压实密度为0.5-0.6g/cm3，比能量在6Wh/kg左右。有研究者提出对金属箔预处理来提高压实密度进而提高活性炭超级电容器的比能量；有些研究者从活性炭本身入手，开发新的活性炭制备工艺以提高活性炭的比表面积和孔隙率进而提高超级电容器的比能量；这些方式虽然都确实可以提高比能量，但是操作复杂，大大增加了成本。专利号为CN103956273B将活性炭胶化通过热压压实，最终成品极片的压实密度为0.62g/cm3～0.75g/cm3，进而提高了体积比能量。因此，为了满足轨道交通，电动汽车及电子器件等领域不断增长的需求，如何简单快捷，低成本提高活性炭的孔隙率，提高极片压实密度进而开发高比能量的活性炭超级电容器是亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种能够提高比能量的电极活性物质及其电极、双电层超级电容器。
为了实现上述目的，提供一种电极活性物质，包括三种粒径的类球形活性炭颗粒，其中，
三种类球形活性炭颗粒D50比值满足1:0.37～0.41:0.085～0.097，
三种类球形活性炭颗粒质量比满足10000:500～700:6～10。
上述电极活性物质还具有如下优化结构：
三种类球形活性炭颗粒D50依次为10μm，4μm和1μm，质量比相应为10000:500:7。
三种类球形活性炭颗粒D50依次为10μm，4μm和1μm，质量比相应为10000:700:9。
三种类球形活性炭颗粒D50依次为10μm，4μm和1μm，质量比相应为10000:800:10。
本发明还涉及了一种电极，包括上述的电极活性物质，以及一维或二维的导电剂。
所述一维或二维的导电剂优选采用碳晶须，碳纤维，碳纳米管或石墨烯中的一种或多种。
还进一步包括集电极。
本发明还涉及一种双电层超级电容器，包括正电极和负电极，所述的正电极由上述的电极制得，所述的负电极采用上述述的电极制得，所述的正电极中的三种粒径的类球形活性炭颗粒总质量：负电极中的三种粒径的类球形活性炭颗粒总质量为1.0～1.2：1.0。
还进一步包括隔膜、有机电解液、引出端子和外壳。
所述双电层电容器的结构优选为卷绕圆柱形、卷绕方型或叠片方型，其外壳为铝壳、钢壳，或软包装塑铝膜。
本发明公开的双电层电容器通过采用三种粒径的类球形活性碳颗粒和一维或二维导电剂分别作为正负极活性物质和导电剂，提升了双电层电容器的压实密度，进而大大提高了比能量，压实密度可由传统的0.5-0.6g/cm3提高到0.90g/cm3，质量比能量可达9Wh/kg，体积比能量可达13Wh/L。
附图说明
图1三种不同粒径的活性炭颗粒与导电剂结构示意图
图中：1.活性炭颗粒，2.活性炭颗粒，3.活性炭颗粒，4.导电剂。
具体实施方式
下面结合具体实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例中使用的主要原材料如下：
活性炭—滑县活性炭厂生产，比表面积2300m2/g，D50为10μm；
电解液－新宙邦科技股份有限公司生产，型号为DLC301；
碳纳米管(SWCNT)－TUBALL公司生产；
无纺布陶瓷隔膜—德国科德宝公司生产，型号为FS3000；
PVDF(聚偏氟乙烯)—法国法国阿科玛ARKEMA公司生产，型号为Kynar761；
NMP(1-甲基-2-吡咯烷酮)—上海实验试剂有限公司。
实施案例中对滑县活性炭公司生产的活性炭颗粒采用球磨法研磨以得到D50分别为4μm，1μm的活性炭颗粒。
实施例1：采用类球形活性炭颗粒作为两电极活性物质，碳纳米管(长度20～500nm)为导电剂制备极片，D50分别为10,4,1μm三种粒径的类球形活性炭颗粒质量比为：10000:500:7，活性炭颗粒与碳纳米管的质量比为91:4，两电极活性物质质量比为1.1:1，采用纸隔膜作为隔膜，电解液的溶剂为乙腈，溶质为1mol/L的四乙基四氟硼酸胺盐，制备成3000F卷绕圆柱形铝壳包装的双电层电容器单体。
实施例2：采用类球形活性炭颗粒作为两电极活性物质，碳纳米管(长度20～500nm)为导电剂制备极片，D50分别为10,4,1μm三种粒径的类球形活性炭颗粒质量比为：10000:700:9，活性炭颗粒与碳纳米管的质量比为91:4，两电极活性物质质量比为1.1:1，采用纸隔膜作为隔膜，电解液的溶剂为乙腈，溶质为1mol/L的四乙基四氟硼酸胺盐，制备成3000F卷绕圆柱形铝壳包装的双电层电容器单体。
实施例3：采用类球形活性炭颗粒作为两电极活性物质，碳纳米管(长度20～500nm)为导电剂制备极片，D50分别为10,4,1μm三种粒径的类球形活性炭颗粒质量比为：10000:600:8，活性炭颗粒与碳纳米管的质量比为91:4，两电极活性物质质量比为1.1:1，采用纸隔膜作为隔膜，电解液的溶剂为乙腈，溶质为1mol/L的四乙基四氟硼酸胺盐，制备成3000F卷绕圆柱形铝壳包装的双电层电容器单体。
实施例4：采用类球形活性炭颗粒作为两电极活性物质，碳纳米管(长度20～500nm)为导电剂制备极片，D50分别为10,4,1μm三种粒径的类球形活性炭颗粒质量比为：10000:800:10，活性炭颗粒与碳纳米管的质量比为91:4，两电极活性物质质量比为1.1:1，采用纸隔膜作为隔膜，电解液的溶剂为乙腈，溶质为1mol/L的四乙基四氟硼酸胺盐，制备成3000F卷绕圆柱形铝壳包装的双电层电容器单体。
实施例5：采用类球形活性炭颗粒作为两电极活性物质，碳纳米管(长度20～500nm)为导电剂制备极片，D50分别为10,4μm两种粒径的类球形活性炭颗粒质量比为：10000:700，活性炭颗粒与碳纳米管的质量比为91:4，两电极活性物质质量比为1.1:1，采用纸隔膜作为隔膜，电解液的溶剂为乙腈，溶质为1mol/L的四乙基四氟硼酸胺盐，制备成3000F卷绕圆柱形铝壳包装的双电层电容器单体。
实施例6：采用均一活性炭颗粒作为两电极活性物质，碳纳米管(长度20～500nm)为导电剂制备极片，D50分别为10,1μm两种粒径的类球形活性炭颗粒质量比为：10000:9，活性炭颗粒与碳纳米管的质量比为91:4，两电极活性物质质量比为1.1:1，采用纸隔膜作为隔膜，电解液的溶剂为乙腈，溶质为1mol/L的四乙基四氟硼酸胺盐，制备成3000F卷绕圆柱形铝壳包装的双电层电容器单体。
实施例7：采用均一活性炭颗粒作为两电极活性物质，碳纳米管(长度20～500nm)为导电剂制备极片，D50分别为4,1μm两种粒径的类球形活性炭颗粒质量比为：10000:9，活性炭颗粒与碳纳米管的质量比为91:4，两电极活性物质质量比为1.1:1，采用纸隔膜作为隔膜，电解液的溶剂为乙腈，溶质为1mol/L的四乙基四氟硼酸胺盐，制备成3000F卷绕圆柱形铝壳包装的双电层电容器单体。
实施例8：采用均一活性炭颗粒作为两电极活性物质，碳纳米管(长度20～500nm)为导电剂制备极片，D50为10μm的类球形活性炭颗粒与碳纳米管的质量比为91:4，两电极活性物质质量比为1.1:1，采用纸隔膜作为隔膜，电解液的溶剂为乙腈，溶质为1mol/L的四乙基四氟硼酸胺盐，制备成3000F卷绕圆柱形铝壳包装的双电层电容器单体。
上述实施案例的性能参数如表1，从中可以看出，本发明中的双电层超级电容器两电极采用不同粒径的类球形活性炭颗粒作为活性物质，碳纳米管作为导电剂，使用乙腈(CH3CN)作为溶剂，1mol/L的四乙基四氟硼酸胺盐为溶质，与使用单一活性炭颗粒作为活性物质相比，压实密度和比能量大大增加；混合三种粒径的类球形活性炭颗粒，且三种粒径的活性炭颗粒质量比为10000:700:9时，压实最高，比能量最大，质量比能量达到8.8Wh/kg，体积比能量达到14.1Wh/L。当三种粒径的活性炭颗粒质量比大于或小于10000:700:9时，压实密度及比能量都有所降低，但依然比单一粒径活性炭颗粒作为活性物质高很多。
表1本发明制作的双电层电容器的性能测试
Figure BDA0001934602280000061
本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (9)

1.一种电极活性物质，其特征在于包括三种粒径的类球形活性炭颗粒，其中，
三种类球形活性炭颗粒D50比值满足1:0.37~0.41:0.085~0.097，
三种类球形活性炭颗粒质量比满足10000:500~700:6~10。
2.如权利要求1所述的电极活性物质，其特征在于三种类球形活性炭颗粒D50依次为10μm，4μm和0.97μm，质量比相应为10000:500:7。
3.如权利要求1所述的电极活性物质，其特征在于三种类球形活性炭颗粒D50依次为10μm，4μm和0.97μm，质量比相应为10000:700:9。
4.一种电极，其特征在于包括权利要求1~3任一所述的电极活性物质，以及一维或二维的导电剂。
5.如权利要求4所述的电极，其特征在于所述一维或二维的导电剂采用碳晶须，碳纤维，碳纳米管或石墨烯中的一种或多种。
6.如权利要求4所述的电极，其特征在于还包括集电极。
7.一种双电层超级电容器，包括正电极和负电极，其特征在于所述的正电极由权利要求4~6任一所述的电极制得，所述的负电极采用权利要求4~6任一所述的电极制得，所述的正电极中的三种粒径的类球形活性炭颗粒总质量：负电极中的三种粒径的类球形活性炭颗粒总质量为1.0~1.2：1.0。
8.如权利要求7所述双电层超级电容器，其特征在于还包括隔膜、有机电解液、引出端子和外壳。
9.如权利要求7所述双电层超级电容器，其特征在于所述双电层电容器的结构为卷绕圆柱形、卷绕方型或叠片方型，其外壳为铝壳、钢壳，或软包装塑铝膜。
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