CN111029159B - 一种具备开关功能的超级电容器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备开关功能的超级电容器及其制备方法。本发明的超级电容器具有层叠结构，由下至上依次为第一金属片、第一混合电极浆料层、第一凝胶电解质层、第二混合电极浆料层、第二金属片、绝缘弹性圈、第三金属片、第三混合电极浆料层、第二凝胶电解质层、第四混合电极浆料层和第四金属片，其制备方法包括以下步骤：1)配制凝胶电解质和混合电极浆料；2)制备具有层叠结构的超级电容器电极；3)将超级电容器电极、绝缘弹性圈和超级电容器电极层叠粘合。本发明的超级电容器结构简单，将多个超级电容器堆叠便可以实现串联升压，不需要连接线，能量效率高，且通过挤压便可以实现开关功能，适应性强。

Description

一种具备开关功能的超级电容器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种具备开关功能的超级电容器及其制备方法。

背景技术

超级电容器具有功率密度高、循环寿命长、温度适应性好、安全性高等优势，适合进行瞬时大功率充放电。目前，超级电容器的应用领域主要集中于无线通讯、移动电脑、智能三表、汽车电子、消费电子、轨道交通、备用电源、风力/太阳能发电等领域。超级电容器产品一直存在单体使用电压低的缺陷，目前主要是通过以下两种方式来克服该缺陷：电路升压和串联升压。电路升压会造成巨大的能量损失，而串联升压的能量利用率高很多，因此串联升压更具可行性。然而，将超级电容器串联升压过程中，存在两个比较突出的问题：1)需要使用大量的连接线，这些连接线会发热造成能量利用效率降低；2)瞬间电流如果过大，会对超级电容器造成不同程度地损坏，如果超级电容器在电流过载时自身可以瞬间断开充电过程，则可以有效保护超级电容器。

因此，开发一种自身具备开关功能的新型超级电容器，并免去串联升压所需要的连接线，必将得到良好的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具备开关功能的超级电容器及其制备方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种具备开关功能的超级电容器，具有层叠结构，由下至上依次为第一金属片、第一混合电极浆料层、第一凝胶电解质层、第二混合电极浆料层、第二金属片、绝缘弹性圈、第三金属片、第三混合电极浆料层、第二凝胶电解质层、第四混合电极浆料层和第四金属片。

优选的，所述第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片中的金属元素均独立地为金、银、铜、铝中的至少一种。

进一步优选的，所述第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片均为铝片。

优选的，所述第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片的厚度均为150～200μm。注：第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片的厚度可以完全一样，也可以各不相同。

优选的，所述第一混合电极浆料层、第二混合电极浆料层、第三混合电极浆料层和第四混合电极浆料层均是由碳电极浆料和凝胶电解质组成。

进一步优选的，所述第一混合电极浆料层、第二混合电极浆料层、第三混合电极浆料层和第四混合电极浆料层均是由碳电极浆料和凝胶电解质按照质量比(1～3)：1组成。

优选的，所述第一凝胶电解质层和第二凝胶电解质层均由凝胶电解质组成。

优选的，所述碳电极浆料由活性碳、导电石墨、羧甲基纤维素和丁苯橡胶组成。

进一步优选的，所述碳电极浆料由活性碳、导电石墨、羧甲基纤维素和丁苯橡胶按照质量比(30～35)：(5～7)：(0.8～1.2)：1组成。

优选的，所述凝胶电解质由疏水琼脂糖、四氟硼酸螺环季铵盐和乙醇组成。

进一步优选的，所述凝胶电解质由疏水琼脂糖、四氟硼酸螺环季铵盐和无水乙醇按照质量体积比(1～2)g：(1～2)g：(25～35)mL组成。

优选的，所述绝缘弹性圈外圈的形状和大小与第二金属片匹配，内圈的大小要小于外圈。

上述具备开关功能的超级电容器的制备方法，包括以下步骤：

1)配制凝胶电解质和混合电极浆料；

2)将混合电极浆料涂覆在金属片一面，烘干，形成混合电极浆料层，再将凝胶电解质涂覆在混合电极浆料层上，烘烤至凝胶电解质不流动，再进行第二次涂覆和烘烤，如此往复，形成厚度超过100μm的凝胶电解质层，再在凝胶电解质层上涂覆一层混合电极浆料后覆盖上金属片，压紧、烘干，得到超级电容器电极；

3)将超级电容器电极、绝缘弹性圈和超级电容器电极层叠粘合，得到具备开关功能的超级电容器。

优选的，步骤2)所述烘烤在温度80～100℃下进行，烘烤时间为20～40min。

一种超级电容器模组，包含多个上述具备开关功能的超级电容器。

优选的，一种超级电容器模组，包含多个相互串联的上述具备开关功能的超级电容器。

本发明的具备开关功能的超级电容器的工作原理如下：施加外力对超级电容器的中部进行挤压，第二金属片、绝缘弹性圈和第三金属片均会发生形变，且第二金属片和第三金属片会相互接触，超级电容器呈导通状态；撤去外力，第二金属片、绝缘弹性圈和第三金属片发生的形变均会恢复，第二金属片和第三金属片会相互分离，超级电容器呈关闭状态。

本发明的有益效果是：本发明的超级电容器结构简单，将多个超级电容器堆叠便可以实现串联升压，不需要连接线，能量效率高，且通过挤压便可以实现开关功能，适应性强。

附图说明

图1为实施例中的具备开关功能的超级电容器的结构示意图。

图2为实施例中的具备开关功能的超级电容器的绝缘紫外胶圈的俯视图。

图3为实施例中的混合电极浆料层制备过程中进行梯度升温的升温曲线。

图4为实施例中的具备开关功能的超级电容器的容量保持率测试曲线。

附图标示说明：100、第一金属片；101、第一混合电极浆料层；102、第一凝胶电解质层；103、第二混合电极浆料层；104、第二金属片；105、绝缘弹性圈；106、第三金属片；107、第三混合电极浆料层；108、第二凝胶电解质层；109、第四混合电极浆料层；110、第四金属片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。

实施例：

一种具备开关功能的超级电容器，其制备方法包括以下步骤：

1)将5g的羧甲基纤维素分散在10mL的水中制成羧甲基纤维素溶液，将5g的丁苯橡胶分散在10mL的无水乙醇中制成丁苯橡胶乳液，将160g的活性炭加入200mL的无水乙醇中，搅拌30min，再加入30g的导电石墨，搅拌1h，再加入羧甲基纤维素溶液和丁苯橡胶乳液，加热至60℃，搅拌12h，得到碳电极浆料；

2)将50g的疏水琼脂糖和25g的螺环季铵四氟硼酸盐加入800mL的无水乙醇中，加热至60℃，搅拌6h，得到凝胶电解质；

3)取一部分碳电极浆料和一部分凝胶电解质，按照质量比2:1进行混合，60℃搅拌12h，得到混合电极浆料；

4)取一块大小规格为10cm×5cm×200μm的铝片，将铝片的一面均分为两个大小规格均为5cm×5cm的区域，一个区域涂满混合电极浆料，另一个区域留白，再将铝片放入烘箱中烘干(采用梯度升温，升温曲线如图3所示)，形成混合电极浆料层，再将凝胶电解质涂覆在混合电极浆料层上，并覆盖留白区3mm，再将铝片放入烘箱105℃烘烤30min至凝胶电解质不流动，再进行第二次涂覆和烘烤，如此往复，形成厚度超过100μm的凝胶电解质层，再在凝胶电解质层上涂覆一层混合电极浆料后覆盖上大小规格为5cm×5cm×200μm的铝片，压紧，再将铝片放入烘箱中烘干(采用梯度升温，升温曲线如图3所示)，得到超级电容器电极；

5)取一个超级电容器电极，沿着大小规格为5cm×5cm×200μm的铝片的边缘涂覆一圈绝缘紫外胶，并在一侧留5mm缺口，再在绝缘紫外胶的内部区域涂覆石蜡，石蜡厚度不大于绝缘紫外胶厚度，再取另一个超级电容器电极进行铝片对齐、反向贴合，轻微压紧，再进行4h紫外光照射，每1h调整一次照射角度，使绝缘紫外胶完全固化，再将产品放入鼓风烘箱中，加热至70℃，加热过程中让绝缘紫外胶设置缺口的那面朝下，加热2h使石蜡全部融化流出，形成绝缘弹性圈，得到具备开关功能的超级电容器(整体的结构示意图如图1所示，绝缘弹性圈的结构示意图如图2所示)。

性能测试：

具备开关功能的超级电容器的性能测试结果如表1和图4(1～24h和37～48h进行挤压，25～36h取消挤压)所示：

表1超级电容器的性能测试结果

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具备开关功能的超级电容器，其特征在于：具有层叠结构，由下至上依次为第一金属片、第一混合电极浆料层、第一凝胶电解质层、第二混合电极浆料层、第二金属片、绝缘弹性圈、第三金属片、第三混合电极浆料层、第二凝胶电解质层、第四混合电极浆料层和第四金属片；所述第一混合电极浆料层、第二混合电极浆料层、第三混合电极浆料层和第四混合电极浆料层均是由碳电极浆料和凝胶电解质组成；所述碳电极浆料由活性碳、导电石墨、羧甲基纤维素和丁苯橡胶组成；所述绝缘弹性圈外圈的形状和大小与第二金属片匹配，内圈的大小要小于外圈。

2.根据权利要求1所述的具备开关功能的超级电容器，其特征在于：所述第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片中的金属元素均独立地为金、银、铜、铝中的至少一种。

3.根据权利要求1或2所述的具备开关功能的超级电容器，其特征在于：所述第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片的厚度均为150～200μm。

4.根据权利要求1所述的具备开关功能的超级电容器，其特征在于：所述第一凝胶电解质层和第二凝胶电解质层均由凝胶电解质组成。

5.根据权利要求1或4所述的具备开关功能的超级电容器，其特征在于：所述凝胶电解质由疏水琼脂糖、四氟硼酸螺环季铵盐和乙醇组成。

6.权利要求1～5中任意一项所述具备开关功能的超级电容器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)配制凝胶电解质和混合电极浆料；

2)将混合电极浆料涂覆在金属片一面，烘干，形成混合电极浆料层，再将凝胶电解质涂覆在混合电极浆料层上，烘烤至凝胶电解质不流动，再进行第二次涂覆和烘烤，如此往复，形成厚度超过100μm的凝胶电解质层，再在凝胶电解质层上涂覆一层混合电极浆料后覆盖上金属片，压紧、烘干，得到超级电容器电极；

3)将超级电容器电极、绝缘弹性圈和超级电容器电极层叠粘合，得到具备开关功能的超级电容器。

7.一种超级电容器模组，其特征在于：包含多个权利要求1～5中任意一项所述的具备开关功能的超级电容器。

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