CN110828195B - 一种具有Cu过渡层的超级电容器极片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有Cu过渡层的超级电容器极片，所述超级电容器极片包括基体、两层Cu过渡层和两层碳涂层，所述两层Cu过渡层分别涂覆于基体的双面，所述两层碳涂层分别涂覆于两层Cu过渡层的另一表面。本发明通过磁控溅射的方式进行集流体的改性，通过增加Cu过渡层，使碳涂层与集流体的接触内阻大为降低，从而实现整体内阻的降低，并且在循环后依然保持较低内阻，大为延长超级电容器产品的寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有Cu过渡层的超级电容器极片及其制备方法，属于超级电容器极片技术领域。
背景技术
超级电容器作为电容器家族的新贵，以其独特性能受到广大学者的青睐，它是一种功率密度和能量密度介于二次电池和普通电容器之间的致密能源，凭借其双电层结构，具有容量大、可大电流快速充放电以及循环寿命长等优势，有望成为性能高效、安全卓越的下一代储能装置。从所具有电容的数量级方面来说，超级电容器提供的电容能够达到法拉级别以上，实现了电容量由传统电容器的微法拉级别向法拉级别的一次质的飞跃，这是能源技术史上具有里程碑意义的革命性重大创举。
随着超级电容器的发展，它能够提供各项应用所要求的诸如高电压、高功率以及高可靠性等良好的性能指标，因而在电力系统、电动车、可携带设备甚至是军事等诸多领域都有着广泛的应用。超级电容器已广泛应用在汽车电子领域、智能工控领域、智能家居领域、5G基站领域乃至军事中的电磁炮领域等。针对上述领域的应用，超级电容器均以备用电源或启动电源的角色存在，要求超级电容器具有较长的使用寿命，较大的放电电流以及极端温度环境下仍能发挥性能。
针对上述要求，对超级电容器提出了一个关键指标技术，即较低的内阻。内阻直接影响到超级电容器的使用寿命、承载的最大电流等。而目前国内的超级电容器制备技术，关键核心技术在于极片的制备，主要是通过湿法涂布实现的，极片的制备技术水平，直接决定了超级电容器的内阻是否足够低。目前超级电容器的初始内阻水平与循环使用后的内阻水平，会因集流体与涂层的接触电阻变大而发生成倍(上涨率达250％)的增长，极大地影响到超级电容器的使用寿命以及其电性能。
传统方法改善内阻，一般是通过配方调整以及对辊压收缩率进行调整。若通过配方进行调整，会影响容量性能，使其储存的能量更少；若通过辊压收缩率进行调整，则会影响生产效率，因为需要进行多次(3次以上)辊压才能是内阻降低。而且，并不能改善在循环使用后内阻剧烈增加的问题。
因此，需提供一种方法，解决超级电容器循环使用后，内阻增长过高的问题，以使超级电容器在循环使用后，依然保持较低的内阻及较好的电性能继续工作。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种具有Cu过渡层的超级电容器极片及其制备方法，采用本发明超级电容器极片的超级电容器在循环使用后，依然保持较低的内阻及较好的电性能继续工作。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种具有Cu过渡层的超级电容器极片，所述超级电容器极片包括基体、两层Cu过渡层和两层碳涂层，所述两层Cu过渡层分别涂覆于基体的双面，所述两层碳涂层分别涂覆于两层Cu过渡层的另一表面。
作为本发明所述超级电容器极片的优选实施方式，所述Cu过渡层的厚度为100～200nm。
作为本发明所述超级电容器极片的优选实施方式，所述碳涂层的厚度为120～220nm。
作为本发明所述超级电容器极片的优选实施方式，所述基体的厚度为18～22μm。
作为本发明所述超级电容器极片的优选实施方式，所述基体为铝箔集流体或铜箔集流体。
第二方面，本发明提供了上述具有Cu过渡层的超级电容器极片的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用磁控溅射的方法，用氩气原子轰击Cu靶材，在基体的两侧表面分别形成Cu过渡层，得到改性后的基体；
(2)将碳浆均匀涂覆于步骤(1)得到的改性后的基体的两侧，即得具有Cu过渡层的超级电容器极片。
本发明首创采用磁控溅射与涂布工艺相结合的方式，通过磁控溅射的方式，用Ar气原子轰击Cu靶材，在超级电容器极片的基体上进行改性，通过溅射一层Cu过渡层；随后使用此改性后的基体进行涂布，将碳浆均匀涂覆在其上，并通过后续的烘烤、辊压、卷绕及封装，制备成超级电容器单体，实现超级电容器初始内阻与循环后内阻均处于较低的水平，以满足使用。本发明使极片制备过程中的碳涂层与基体的接触内阻大为降低，从而实现整体内阻的降低，并且在循环后依然保持较低的接触电阻，从而使得循环上万次后，超级电容器依然保持较低的内阻及较好的电性能继续工作，大为延长超级电容器产品的寿命。且采用Cu作为过渡层的成本较低。
作为本发明所述制备方法的优选实施方式，所述步骤(1)中，Cu靶材的纯度为5N，直径为60mm，厚度为3mm。
作为本发明所述制备方法的优选实施方式，所述步骤(1)中，磁控溅射过程中，背底真空为6.0～7.0×10-4Pa，腔压为0.4～0.6Pa，氩气流量为30sccm，靶基距为5～7cm，溅射功率为60～70W，溅射时间为5min。
作为本发明所述制备方法的优选实施方式，所述步骤(2)中，碳浆的制备方法为将活性炭、炭黑、羧甲基纤维素钠与丁苯橡胶混合，经行星搅拌均匀分散后，得到碳浆。活性炭、炭黑、羧甲基纤维素钠与丁苯橡胶的质量比为85:9:2:4。
第三方面，本发明提供了一种超级电容器，所述超级电容器包括上述具有Cu过渡层的超级电容器极片。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过磁控溅射的方式进行基体的改性，通过增加Cu过渡层，使碳涂层与基体的接触内阻大为降低，从而实现整体内阻的降低，并且在循环后依然保持较低内阻，大为延长超级电容器产品的寿命。
附图说明
图1为本发明具有Cu过渡层的超级电容器极片的结构示意图。
图2为实施例1得到的充放电曲线图。
图3为实施例1得到的循环性能曲线图。
图4为实施例1得到的初始内阻与循环后的内阻对比图。
图5为实施例2得到的充放电曲线图。
图6为实施例2得到的循环性能曲线图。
图7为实施例2得到的初始内阻与循环后的内阻对比图。
图8为实施例3得到的充放电曲线图。
图9为实施例3得到的循环性能曲线图。
图10为实施例3得到的初始内阻与循环后的内阻对比图。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种具有Cu过渡层的超级电容器极片，所述超级电容器极片包括基体、两层Cu过渡层和两层碳涂层，所述两层Cu过渡层分别涂覆于基体的双面，所述两层碳涂层分别涂覆于两层Cu过渡层的另一表面；所述Cu过渡层的厚度为100nm，所述碳涂层的厚度为120nm，所述基体的厚度为18μm，所述基体为腐蚀铝箔集流体。本实施例的具有Cu过渡层的超级电容器极片的结构示意图如图1所示。
本实施例具有Cu过渡层的超级电容器极片的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用磁控溅射的方法，用氩气原子轰击Cu靶材，在基体的两侧表面分别形成Cu过渡层，得到改性后的基体；Cu靶材的纯度为5N，直径为60mm，厚度为3mm，磁控溅射过程中，背底真空为6.0～7.0×10-4Pa，腔压为0.4～0.6Pa，氩气流量为30sccm，靶基距为5cm，溅射功率为60W，溅射时间为5min；
(2)将碳浆均匀涂覆于步骤(1)得到的改性后的基体的两侧，即得具有Cu过渡层的超级电容器极片；碳浆为活性炭、炭黑、羧甲基纤维素钠与丁苯橡胶的混合物，经行星搅拌均匀分散后，形成极片碳浆；活性炭、炭黑、羧甲基纤维素钠与丁苯橡胶的质量比为85:9:2:4。
将本实施例的极片通过滚压机，将正负极极片辊压至厚度为120μm，使用分切机将其分切成宽度为7mm的细条极片，通过计算，负极取效长度为63mm，正极取有效长度72mm，通过卷绕的方式增加其正对面积，并在内电极与外电极上引针，组成电芯，转移至氩气气氛中并进行烘烤处理。随后将电芯装入铝壳当中，加入电解液并封口，制备得到电压容量为2.7V1F的超级电容器。进行后续充放电测试(测试5组)、循环性能测试(测试5组)以及初始内阻与循环后的内阻比对，测试结果分别如图2～4所示。
从图2～4可以得出，集流体过渡层厚度为100nm，产品电压容量为2.7V 1F的超级电容器，其充放电性能较好，充电过程与放电过程曲线对称性佳，初始内阻为135～138mΩ，循环20000次后，容量保持率高达95％以上，内阻仅约为189～191mΩ，上涨率仅为42％。
实施例2
一种具有Cu过渡层的超级电容器极片，所述超级电容器极片包括基体、两层Cu过渡层和两层碳涂层，所述两层Cu过渡层分别涂覆于基体的双面，所述两层碳涂层分别涂覆于两层Cu过渡层的另一表面；所述Cu过渡层的厚度为150nm，所述碳涂层的厚度为180nm，所述基体的厚度为20μm，所述基体为腐蚀铝箔集流体。
本实施例具有Cu过渡层的超级电容器极片的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用磁控溅射的方法，用氩气原子轰击Cu靶材，在基体的两侧表面分别形成Cu过渡层，得到改性后的基体；Cu靶材的纯度为5N，直径为60mm，厚度为3mm，磁控溅射过程中，背底真空为6.0～7.0×10-4Pa，腔压为0.4～0.6Pa，氩气流量为30sccm，靶基距为5cm，溅射功率为65W，溅射时间为5min；
(2)将碳浆均匀涂覆于步骤(1)得到的改性后的基体的两侧，即得具有Cu过渡层的超级电容器极片；碳浆为活性炭、炭黑、羧甲基纤维素钠与丁苯橡胶的混合物，经行星搅拌均匀分散后，形成极片碳浆；活性炭、炭黑、羧甲基纤维素钠与丁苯橡胶的质量比为85:9:2:4。
将本实施例的极片通过滚压机，将正负极极片辊压至厚度为154μm，使用分切机将其分切成宽度为18mm的细条极片，通过计算，负极取效长度为77mm，正极取有效长度86mm，通过卷绕的方式增加其正对面积，并在内电极与外电极上引针，组成电芯，转移至氩气气氛中并进行烘烤处理，随后将电芯装入铝壳当中，加入电解液并封口，制备得到电压容量为2.7V 5F的超级电容器。进行后续充放电测试(测试5组)、循环性能测试(测试5组)以及初始内阻与循环后的内阻比对，测试结果分别如图5～7所示。
从图5～7可以得出，集流体过渡层厚度为150nm，产品电压容量为2.7V 5F的超级电容器，其充放电性能较好，充电过程与放电过程曲线对称性佳，初始内阻为44～47mΩ，循环20000次后，容量保持率高达95％以上，内阻仅约为61～64mΩ，上涨率仅为45％。
实施例3
一种具有Cu过渡层的超级电容器极片，所述超级电容器极片包括基体、两层Cu过渡层和两层碳涂层，所述两层Cu过渡层分别涂覆于基体的双面，所述两层碳涂层分别涂覆于两层Cu过渡层的另一表面；所述Cu过渡层的厚度为200nm，所述碳涂层的厚度为220nm，所述基体的厚度为22μm，所述基体为腐蚀铝箔集流体。
本实施例具有Cu过渡层的超级电容器极片的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用磁控溅射的方法，用氩气原子轰击Cu靶材，在基体的两侧表面分别形成Cu过渡层，得到改性后的基体；Cu靶材的纯度为5N，直径为60mm，厚度为3mm，磁控溅射过程中，背底真空为6.0～7.0×10-4Pa，腔压为0.4～0.6Pa，氩气流量为30sccm，靶基距为5cm，溅射功率为70W，溅射时间为5min；
(2)将碳浆均匀涂覆于步骤(1)得到的改性后的基体的两侧，即得具有Cu过渡层的超级电容器极片；碳浆为活性炭、炭黑、羧甲基纤维素钠与丁苯橡胶的混合物，经行星搅拌均匀分散后，形成极片碳浆；活性炭、炭黑、羧甲基纤维素钠与丁苯橡胶的质量比为85:9:2:4。
将本实施例的极片通过滚压机，将正负极极片辊压至厚度为220μm，使用分切机将其分切成宽度为30mm的细条极片，通过计算，负极取效长度为30mm，正极取有效长度33mm，通过卷绕的方式增加其正对面积，并在内电极与外电极上引针，组成电芯，转移至氩气气氛中并进行烘烤处理，随后将电芯装入铝壳当中，加入电解液并封口，制备得到电压容量为2.7V 50F的超级电容器。进行后续充放电测试(测试5组)、循环性能测试(测试5组)以及初始内阻与循环后的内阻比对，测试结果分别如图8～10所示。
从图8～10可以得出，集流体过渡层厚度为200nm，产品电压容量为2.7V 50F的超级电容器，其充放电性能较好，充电过程与放电过程曲线对称性佳，初始内阻为17～20mΩ，循环20000次后，容量保持率高达95％以上，内阻仅约为24～25mΩ，上涨率仅为47％。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种具有Cu过渡层的超级电容器极片，其特征在于，所述超级电容器极片包括基体、两层Cu过渡层和两层碳涂层，所述两层Cu过渡层分别涂覆于基体的双面，所述两层碳涂层分别涂覆于两层Cu过渡层的另一表面；
所述的具有Cu过渡层的超级电容器极片的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用磁控溅射的方法，用氩气原子轰击Cu靶材，在基体的两侧表面分别形成Cu过渡层，得到改性后的基体；
(2)将碳浆均匀涂覆于步骤(1)得到的改性后的基体的两侧，即得具有Cu过渡层的超级电容器极片。
2.如权利要求1所述的超级电容器极片，其特征在于，所述Cu过渡层的厚度为100～200nm。
3.如权利要求1所述的超级电容器极片，其特征在于，所述碳涂层的厚度为120～220nm。
4.如权利要求1所述的超级电容器极片，其特征在于，所述基体的厚度为18～22μm。
5.如权利要求1所述的超级电容器极片，其特征在于，所述基体为铝箔集流体或铜箔集流体。
6.如权利要求1～5任一项所述的具有Cu过渡层的超级电容器极片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用磁控溅射的方法，用氩气原子轰击Cu靶材，在基体的两侧表面分别形成Cu过渡层，得到改性后的基体；
(2)将碳浆均匀涂覆于步骤(1)得到的改性后的基体的两侧，即得具有Cu过渡层的超级电容器极片。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，Cu靶材的纯度为5N，直径为60mm，厚度为3mm。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，磁控溅射过程中，背底真空为6.0～7.0×10-4Pa，腔压为0.4～0.6Pa，氩气流量为30sccm，靶基距为5～7cm，溅射功率为60～70W，溅射时间为5min。
9.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，碳浆的制备方法为将活性炭、炭黑、羧甲基纤维素钠与丁苯橡胶混合，经行星搅拌均匀分散后，得到碳浆。
10.一种超级电容器，其特征在于，所述超级电容器包括如权利要求1～5任一项所述的具有Cu过渡层的超级电容器极片。
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