CN111640582A - 一种高电压电化学电容器、制备方法及其储能模组 - Google Patents

一种高电压电化学电容器、制备方法及其储能模组 Download PDF

Info

Publication number
CN111640582A
CN111640582A CN202010547196.1A CN202010547196A CN111640582A CN 111640582 A CN111640582 A CN 111640582A CN 202010547196 A CN202010547196 A CN 202010547196A CN 111640582 A CN111640582 A CN 111640582A
Authority
CN
China
Prior art keywords
face
electrochemical capacitor
current collector
film
bipolar
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010547196.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111640582B (zh
Inventor
张晓虎
马衍伟
孙现众
张熊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Electrical Engineering of CAS
Original Assignee
Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Electrical Engineering of CAS filed Critical Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority to CN202010547196.1A priority Critical patent/CN111640582B/zh
Publication of CN111640582A publication Critical patent/CN111640582A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111640582B publication Critical patent/CN111640582B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/04—Hybrid capacitors
    • H01G11/06—Hybrid capacitors with one of the electrodes allowing ions to be reversibly doped thereinto, e.g. lithium ion capacitors [LIC]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/10—Multiple hybrid or EDL capacitors, e.g. arrays or modules
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/26—Electrodes characterised by their structure, e.g. multi-layered, porosity or surface features
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/84—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13—Energy storage using capacitors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

本发明涉及一种高电压电化学电容器、制备方法及其储能模组。该高电压电化学电容器包括：端面正极、端面负极、位于所述端面正极和所述端面负极之间的若干个双极性电极、所述双极性电极之间的隔离层、以及电解质；所述双极性电极包括正极膜、负极膜以及双极性集流体；所述双极性集流体设于所述正极膜以及所述负极膜之间；所述电解质设于所述端面电极和所述双极性电极之间以及相邻的两个所述双极性电极之间，所述双极性电极两侧的电解质不连通；所述端面电极包括端面正极以及端面负极，所述端面正极包括端面正极集流体，所述端面负极包括端面负极集流体。采用本发明所提供的高电压电化学电容器、制备方法及其储能模组能够提高电化学电容器的性能。

Description

一种高电压电化学电容器、制备方法及其储能模组
技术领域
本发明涉及高电压电化学电容器制备领域，特别是涉及一种高电压电化学电容器、制备方法及其储能模组。
背景技术
电化学电容器作为一种新型功率型器件，具有高功率密度、长寿命、高安全和宽工作温度范围等优点，不仅是对现有的储能器件锂离子电池、传统电容器产业的有益补充，还将在汽车启停系统、新能源汽车、轨道交通、智能电网、电网调频、瞬时电压补偿、AGV(自动引导式运输车)、节能电梯、军工等众多领域得到了广泛的应用。
电化学电容器包括：(a)双电层电容器：双电层电容器采用高比表面积材料作为电极主要材料，通过极化电解液形成双电层来储能的一类超级电容器；(b)锂离子电容器：一极是双电层电容性材料(如活性炭等)、另一极是电池型可储锂材料(如石墨、软碳、硬碳、钛酸锂等)；(c)电池型电容器：正极为电池性材料(如磷酸铁锂、镍钴锰三元、镍钴铝三元、锰酸锂等)和双电层电容性材料组成的复合电极，负极为电池型可储锂材料。
电化学电容器单体电压一般仅2～4V，而在实际应用时通常需要数百到上千只电化学电容器串联使用，外部串联单体的方式对于电化学电容器的一致性有很高的要求，而且外部电气连接会使串联系统连接电阻增大、制作成本增加、结构复杂、安全性和可靠性降低。另外，传统电化学电容器结构通常为方形硬壳、方形软包、或者为圆筒形、圆柱形，电化学电容器的结构均采用电极片内部并联然后通过极耳引出的方式进行集流，其电流传输方式均为电极片通过极耳与外部汇流结构交互传输，这种电流传输方式会导致电化学电容器内部极片在靠近极耳位置和远离极耳位置的电流密度存在差异，作为高功率储能器件，电化学电容器在长时间大倍率工作时上述差异会有明显的加剧，单体内部不同区域的电化学反应已经开始不均匀，严重影响电化学电容器的性能(如容量、倍率、寿命、安全性以及可靠性等)。
发明内容
本发明的目的是提供一种高电压电化学电容器、制备方法及其储能模组，以解决现有的高电压电化学电容器结构采用极耳与外部汇流结构这一连接方式，导致电化学电容器内部极片在靠近极耳位置和远离极耳位置的电流密度和温度分布差异大、传统电极结构电子不能垂直流动，严重影响电化学电容器的性能的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种高电压电化学电容器，包括：端面正极、端面负极、位于所述端面正极和所述端面负极之间的若干个双极性电极以及所述双极性电极之间的电解质；
所述双极性电极包括正极膜、负极膜以及双极性集流体；所述双极性集流体设于所述正极膜以及所述负极膜之间；
所述电解质设于所述端面电极和所述双极性电极之间以及相邻的两个所述双极性电极之间，所述双极性电极两侧的电解质不连通；所述端面电极包括端面正极以及端面负极，所述端面正极包括端面正极集流体和正极膜，所述端面负极包括端面负极集流体和负极膜。
可选的，所述双极性电极的正极侧和所述端面正极上设有一层预锂化膜；
所述预锂化膜层叠复合在所述正极膜上，所述正极膜的另一侧层叠复合在所述双极性集流体以及所述端面正极集流体上；
或者，所述预锂化膜夹杂在两层所述正极膜中间，组成三明治结构，所述预锂化膜层叠复合在所述双极性集流体以及所述端面正极集流体上；
或者，所述预锂化膜层叠复合在所述正极膜上，所述预锂化膜的另一侧层叠复合在双极性集流体以及端面正极集流体上。
可选的，所述预锂化膜包括预锂化剂、导电剂以及粘接剂；所述预锂化剂至少包括氧化锂、过氧化锂、氮化锂、碳化锂、碳酸锂和硫化锂中的一种；
所述预锂化剂的质量为负极活性材料质量的1％～1000％；所述锂化剂、所述导电剂以及所述粘接剂的比例为(20～90％):(5～50％):(5～30％)。
可选的，所述双极性电极的负极侧和所述端面负极上设有一层锂箔层，所述锂箔层叠复合在所述双极性集流体的负极侧和所述端面负极集流体上，所述负极膜层叠复合在所述锂箔上；所述锂箔厚度为0.001～1mm。
可选的，所述正极膜厚度为10μm～1000μm，密度为0.1g/cm3～2.0g/cm3；
所述负极膜厚度为20μm～2000μm，密度为0.1g/cm3～2.0g/cm3。
可选的，所述双极性集流体材料是电子导电良好，离子不会渗透的材料，包括铜铝合金、锂铝合金、锂镍合金、锂锡合金、铝镍合金、铝、镍、不锈钢、银、金、碳塑复合材料、碳纤维、聚合物基、金属基复合导电薄膜中的至少一种，厚度为5～2000μm。
可选的，所述双极性集流体的边沿处设有绝缘密封框；
所述绝缘密封框上设置第一线性槽和第二线性槽；所述第一线性槽用于向电化学电容器单元注液以及排气；所述电化学电容器单元为两个相邻的双极性集流体以及所述两个相邻的双极性集流体之间的正极膜、隔离层以及负极膜；
所述第二线性槽用于布置电导线，所述电导线的一端分别与所述双极性集流体和所述端面集流体导电连接，所述导电线用于采集和均衡电化学电容器单元的电压。
一种高电压电化学电容器的制备方法，所述制备方法包括：
干粉配料：将干燥的A材料、导电剂、粘接剂按照预设比例进行称重配料；所述A材料为正极活性材料、负极活性材料、预锂化剂、或者正极活性材料与预锂化剂组成的混合物；
均匀混料：将所述A材料、所述导电剂和所述粘结剂依次或者同时进行均匀混料，混合时间1～8h，使得A材料、导电剂和粘接剂混合均匀；
剪切形变混料：将混合均匀后的A材料、导电剂和粘接剂在60～200℃温度下进行加热剪切形变混料；
压延成膜：将加热剪切形变混料后的混合材料迅速进行垂直和/或水平碾压，形成电极膜、预锂化膜；碾压的压力为100～500Mpa，碾压环境为干燥环境，环境湿度≤40％；所述电极膜包括正极膜以及负极膜；
双极性电极制备：将所述正极膜和/或预锂化膜层叠复合双极性集流体的正极侧，负极膜层叠复合在双极性集流体的负极侧；
端面电极制备：将所述正极膜和/或预锂化膜与端面正极集流体复合形成端面正极，将所述负极膜与端面负极集流体复合形成端面负极；
高电压电化学电容器组装：所述端面正极与所述端面负极之间设有若干个依次层叠组装的双极性电极；所述双极性电极之间、所述双极性电极与所述端面电极之间设有呈液态、胶态、固态或聚合物的电解质；所述固态电解质厚度为0.1～0.8mm，组装成高电压电化学电容器。
一种高电压电化学电容器的储能模组，所述储能模组包括：若干个高电压电化学电容器和若干个导电汇流板；
所述导电汇流板的一侧至少与一个所述高电压电化学电容器的端面正极的端面正极集流体导电连接；所述导电汇流板的另一侧与所述端面正极对应数量的所述高电压电化学电容器的端面负极的端面负极集流体导电连接；
或者，
所述导电汇流板的一侧至少与一个所述高电压电化学电容器的端面负极的端面负极集流体导电连接；所述导电汇流板的另一侧与所述端面负极对应数量的所述高电压电化学电容器的端面正极的端面正极集流体导电连接。
一种高电压电化学电容器的储能模组，所述储能模组包括：若干个高电压电化学电容器和若干个导电汇流板；
所述导电汇流板的一侧至多与一个所述高电压电化学电容器的端面正极的端面正极集流体导电连接；所述导电汇流板的另一侧与所述端面正极对应数量的所述高电压电化学电容器的端面负极的端面负极集流体导电连接；
或者，
所述导电汇流板的一侧至多与一个所述高电压电化学电容器的端面负极的端面负极集流体导电连接；所述导电汇流板的另一侧与所述端面负极对应数量的所述高电压电化学电容器的端面正极的端面正极集流体导电连接。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种高电压电化学电容器、制备方法及其储能模组，在组装高电压电化学电容器过程中，隔离层两侧电极膜的极性不同，端面电极和双极性电极之间、双极性电极与双极性电极之间设有电解质，双极性电极两侧的电解质不连通，因此，相邻单极性电极和双极性电极或者两个相邻双极性电极和它们之间的隔离层和/或电解质共同构成一个电化学电容器单元，每个电化学电容器单元都具有独立的电化学结构，进而可以通过增加双极性电极、隔膜的层叠数量来增加电化学电容器单元的个数，提高高电压电化学电容器的总体电压，通过调节电极膜厚度和电极膜面积提升其荷电容量。由于避免采用极耳、汇流结构等连接方式，减少结构件重量和应用空间，有助于提升电化学电容器体积能量密度(Wh/L)和质量能量密度(Wh/kg)，同时电化学电容器单元之间的内阻小，电极表面电流和电位分布均匀，热分布均匀，非常适合其高倍率充放电应用需求。
采用传统混料、涂布制备双极性电极，同时水平涂覆正、负极浆料，由于在重力的作用下会导致下侧浆料的滴落甚至脱离双极性集流体，很难满足制备双极性电极的要求；或者采用先涂布、烘干正极或负极，然后再涂布烘干负极或正极，这样会导致涂布好的电极材料层，在经过双极性集流体另一侧电极材料涂覆的流程时，会导致机械摩擦、二次加热等工艺破坏。本发明采用干法制备电极膜直接粘接后者压延在双极性集流体的两侧，有效解决了双极性电极制备工艺，并提升了制备双极性电极自动化水平和生产效率；采用干法制备正、负极膜，能够实现厚电极膜的有效制备，有有助于提高电化学电容器的能量密度和功率密度；另外，干法制备正、负极膜使得正、负电极压实密度更高，不仅可以进一步提高电化学电容器的能量密度，同时有利于负极补锂。
本发明采用预锂化剂制备成预锂化膜，与正极膜复合，有效提高电化学电容器的预锂化效率和自动化水平。
同时，基于双极性结构的大容量高电压电化学电容器，结构形状可以灵活设计，可以广泛应用于诸多储能领域，在结构、容量和电压上具有较强的兼容性。
本发明采用干法电极制备双极性电极，解决了传统涂覆工艺电极不能涂厚、压实密度低等系列工艺难题，有效提高了电化学电容器的能量密度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的不含预锂化膜的双极性电极结构示意图；图1a为为本发明所提供的不含预锂化膜的双极性电极三维结构示意图，图1b为本发明所提供的不含预锂化膜的双极性电极截面结构示意图；
图2为本发明所提供的不含预锂化膜的高电压电化学电容器截面结构示意图；
图3为本发明所提供的预锂化膜分布图；图3a为预锂化膜层叠复合在正极膜上的预锂化膜分布图；图3b为预锂化膜层叠复合在两层正极膜之间的预锂化膜分布图；图3c为预锂化膜层叠复合在双极性集流体的预锂化膜分布图；
图4为本发明所提供的设有锂箔的双极性集流体结构图；
图5为本发明所提供的不含预锂化膜制备工艺的高电压电化学电容器电极制备方法流程图；
图6为本发明所提供的含有预锂化膜制备工艺的高电压电化学电容器电极制备方法流程图；
图7为本发明所提供的先并后串高电压电化学电容器储能模组结构图；图7a为本发明所提供的先并后串高电压电化学电容器储能模组截面结构示意图；图7b为本发明所提供的先并后串高电压电化学电容器储能模组电气原理图；
图8为本发明所提供的先串后并高电压电化学电容器储能模组结构图；图8a为本发明所提供的先串后并高电压电化学电容器储能模组截面结构示意图；图8b为本发明所提供的先串后并高电压电化学电容器储能模组电气原理图。
符号说明：100——双极性电极；101——双极性集流体；102——正极膜；103——负极膜；104——绝缘密封框；105——预锂化膜；106——锂箔；
200——端面正极；201——端面正极集流体；
300——端面负极；301——端面负极集流体；
400——高电压电化学电容器单元；401——隔离层；402——密封胶；
500——高电压电化学电容器；
600——储能模组。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种高电压电化学电容器、制备方法及其储能模组，能够降低电化学电容器内部极片在靠近极耳位置和远离极耳位置的电流密度差异，提高电化学电容器的性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-图2所示，一种高电压电化学电容器，包括：端面正极200、端面负极300、位于所述端面正极200和所述端面负极300之间的若干个双极性电极100、所述双极性电极100之间的隔离层401、以及电解质；所述双极性电极100包括正极膜102、负极膜103以及双极性集流体101；所述双极性集流体101设于所述正极膜102以及所述负极膜103之间；所述电解质设于所述端面电极和所述双极性电极100之间以及相邻的两个所述双极性电极100之间，所述双极性电极100两侧的电解质不连通；所述端面电极包括端面正极200以及端面负极300，所述端面正极200包括端面正极集流体201，所述端面负极300包括端面负极集流体301。
所述电解质包括呈液态、胶态、固态以及聚合物的电解质中的一种或多种，所述双极性电极100包括双极性集流体101、以及位于双极性集流体101正极侧的至少一层正极膜102和位于双极性集流体101负极侧的至少一层负极膜103；所述端面正/负电极包括端面正/负集流体、和设置在端面正/负集流体一侧的至少一层正极膜102/至少一层负极膜103；本发明为了给高电压电化学电容器500补锂，所述双极性电极100正极侧和端面正极200设有预锂化膜105、或者所述双极性电极100负极侧和端面负极300设有锂箔106；所述正极膜102平面面积≤负极膜103平面面积≤双极性集流体101平面面积≤端面集流体平面面积；所述高电压电化学电容器500电极面呈圆形、长方形、正方形、圆环形、多边形、或者不规则形状；所述正极膜102厚度为10～1000μm，密度为0.1g/cm3～2.0g/cm3；所述负极膜103厚度为20～2000μm，密度为0.1g/cm3～2.0g/cm3；
如图3所示，所述双极性电极100和端面正极200包括一层预锂化膜105，所述预锂化膜105层叠复合在正极膜102上，所述正极膜102的另一侧层叠复合在双极性集流体101、或者端面正极集流体201上(图3a)；或者所述预锂化膜105夹杂在两层正极膜102中间，组成三明治结构，然后层叠复合在双极性集流体101、或者端面正极集流体201上(图3b)；或者所述预锂化膜105层叠复合在正极膜102上，所述预锂化膜105的另一侧层叠复合在双极性集流体101、或者端面正极集流体201上(图3c)；所述预锂化膜105包括预锂化剂、导电剂、粘接剂，所述预锂化剂包括氧化锂、过氧化锂、氮化锂、碳化锂、碳酸锂和硫化锂中的至少一种，所述预锂化剂质量是负极活性材料质量的1％～1000％，所述锂化剂、导电剂、以及粘接剂的比例为(20～90％):(5～50％):(5～30％)；正极预嵌锂方法包括恒流预嵌锂和恒压预嵌锂：恒流预嵌锂，充电电流为[(0.01～10000)×m]mA，充电截止电压为[(0.1～5.0)×n]V，完成对高电压电化学电容器500的预锂化；恒压预嵌锂，充电电压为[(0.1～5.0)×n]V，充电截止电流为0.001～10mA，完成对高电压电化学电容器500的预锂化；所述m为预锂化剂的质量，所述n为高电压电化学电容器500单元400数量。
所述预锂化膜105与正极膜102层叠复合方式包括机械压合、导电胶粘接中的至少一种方式。预锂化膜105与双极性集流体101层叠复合方式包括机械压合、导电胶粘接中的至少一种方式。
如图4所示，本发明提供的高电压电化学电容器负极预嵌锂结构：所述双极性电极100和端面负极300包括一层锂箔106，所述锂箔106层叠复合在双极性集流体101的负极侧和端面负极集流体301上，所述负极膜103层叠复合在所述锂箔106上；所述锂箔106厚度为0.001～1mm；静置预嵌锂法：将设有锂箔106的高电压电化学电容器500组装好后，在30～50℃环境温度搁置0.1～10h，通过正极膜102、负极膜103与锂箔106直接短路发生氧化还原反应的方式，将锂箔106中的锂转移至负极膜103内，完成对电化学电容器对锂箔106的吸收，完成对高电压电化学电容器500的预锂化。
在双极性集流体101的负极侧和端面负极集流体301上层叠复合锂箔106，所述层叠复合锂箔106方式包括机械压合、导电胶粘接、电镀中的至少一种方式。
本发明预嵌锂作用是为高电压电化学电容器500负极补锂，通过对负极材料进行预嵌锂能够显著降低高电压电化学电容器500负极的电位，补偿首周负极不可逆容量的损失，提高高电压电化学电容器500单体的电压窗口，从而大大提高高电压电化学电容器500的能量密度和循环寿命。
本发明预嵌锂过程中会产生气体，而本发明层叠结构的高电压电化学电容器500正、负极端面施加有一定的压应力，优选的压应力为0.2～20MPa，将高电压电化学电容器500负极嵌锂反应产生的气体通过加压的方式排出，其中排出通道为注液排气通道，避免高电压电化学电容器500内部电压增大而发生变形而内阻增大，特别是电极面受力不均匀而导致高电压电化学电容器500性能降低。
如图5-图6所示，一种高电压电化学电容器500的制备方法，所述制备方法应用于权利要求1-6任一项所述的高电压电化学电容器500，所述制备方法包括：
干粉配料：将干燥的A材料、导电剂、粘接剂按照预设比例进行称重配料；所述A材料为正极活性材料、负极活性材料、预锂化剂、或者正极活性材料与预锂化剂组成的混合物。
集流体包括双极性集流体101和端面集流体；电极活性材料包括正极活性材料和负极活性材料；电极膜包括正极膜102和负极膜103。
所述导电剂包括石墨烯、导电炭黑、科琴黑、乙炔黑、碳纳米管、KS-6石墨、KS-15石墨、S-O石墨、碳纤维、导电聚合物中的至少一种，其中导电聚合物包括聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚吡啶、聚苯及其衍生物中的至少一种。
所述粘接剂包括聚四氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、聚烯烃类(聚乙烯、聚丙烯以及其它共聚物)、聚偏氟乙烯、聚环氧丙烷、丁苯橡胶、氟化橡胶、丁二烯橡胶、丁腈橡胶、聚异丁烯、聚乙烯酯、聚乙酸乙烯酯、聚丙烯酸酯、氟碳聚合物，聚氨酯中的至少一种。
所述正极活性材料包括活性炭、石墨烯、炭气凝胶、炭纳米管、活性炭纤维、网络结构活性炭、有机聚合物、酚醛类的炭化产物、金属氧化物材料、导电聚合物材料、镍钴铝酸锂、镍钴锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、磷酸钒锂、镍酸锂、高锰酸锂、磷酸锰锂、硅酸锂、硅酸铁锂、富锂锰基固溶体、硫酸盐化合物、钛硫化合物、钼硫化合物、铁硫化合物、掺杂锂锰氧化物、锂钴氧化物、锂钛氧化物、锂钒氧化物、锂镍锰氧化物、锂镍钴氧化物、锂镍铝氧化物、锂镍钴锰氧化物、锂铁镍锰氧化物中的至少一种，所述正极活性材料、导电剂、粘接剂质量配比为(10～98％):(1～45％):(1～45％)构成正极膜102。
所述正极活性材料与预锂化剂混合物、导电剂、粘接剂质量配比为(20～95％):(2.5～40％):(2.5～40％)构成正极膜102。
所述负极活性材料为软碳、硬碳、中间相碳微球、石墨、石油焦、碳纤维、热解树脂碳、硅碳复合材料、氧化亚硅复合材料、纳米晶硅、锂钛氧化物、锂硅氧化物、钛酸锂、金属锂、锡的氧化物、锡基复合氧化物、含锂过渡金属氮化物、锡基合金、硅基合金、锗基合金、铝基合金、锑基合金、镁基合金、纳米碳管、纳米合金材料、纳米氧化物材料中的至少一种，所述负极活性材料、导电剂、粘接剂质量配比为(10～98％):(1～45％):(1～45％)。
均匀混料：将所述A材料、所述导电剂和所述粘结剂依次或者同时进行均匀混料，混合时间1～8h，使得A材料、导电剂和粘接剂混合均匀。
所述均匀混料方式为搅拌、球磨、喷射研磨、棒研磨、撞击粉碎和锤击研磨一种或多种；所述活性材料、粘结剂和导电剂依次混料方式为：首先活性材料和导电剂混料0.1～2h，然后加入粘接剂混料1～8h；或者，首先活性材料和粘结剂混料0.1～2h，然后加入导电剂混料1～8h；或者，首先导电剂和粘接剂混料0.1～2h，然后加入活性材料混料1～8h。
剪切形变混料：将混合均匀后的A材料、导电剂和粘接剂在60～200℃温度下进行加热剪切形变混料。
所述剪切形变混料包括施加充分的高剪切力、或者在喷射研磨机中施加高剪切力；所述高剪切力来至高压氮气、氧气、氩气、氦气一种或多种，压力≥0.1Mpa，工作环境露点≤-20℃。
压延成膜：将加热剪切形变混料后的混合材料迅速进行垂直和/或水平碾压，形成电极膜、预锂化膜105；碾压的压力为100～500Mpa，碾压环境为干燥环境，环境湿度≤40％；所述电极膜包括正极膜102以及负极膜103。
在压延成膜过程中，进一步加入经均匀混料后的导电剂和粘接剂。
双极性电极制备：将所述正极膜102和/或预锂化膜105层叠复合双极性集流体101的正极侧，负极膜103层叠复合在双极性集流体101的负极侧。
所述电极膜与双极性集流体101复合方法包括机械压合、导电胶粘接中一种或多种；所述机械压合方式为平压、辊压、高温平压、高温辊压中一种或多种，其中高温温度范围40～180℃；或者，预先在集流体上喷涂一层导电胶粘剂，形成导电涂层，然后将电极膜均匀粘贴在导电涂层上，在80～200℃的环境中进行加热固化，加热固化的时间为5～60min，所述导电涂层厚度为1～10μm。
所述双极性集流体101材料是电子导电良好，离子不会渗透的材料，为铜铝合金、锂铝合金、锂镍合金、锂锡合金、铝镍合金、铝、镍、不锈钢、银、金、碳塑复合材料、碳纤维、聚合物基、金属基复合导电薄膜中的至少一种，厚度为5～2000μm，优选的双极性集流体101表面经蚀刻或粗糙化处理。
双极性集流体101边沿设有绝缘密封框104，所述绝缘密封框104的两端设有密封胶402，所述绝缘密封框104起到绝缘密封作用，一方面避免相邻双极性集流体101之间、双极性集流体101与端面集流体之间因导电接触而导致电化学电容器单元短路；另一方面阻隔电化学电容器单元内电解液外漏。所述绝缘密封框104上设置第一线性槽和第二线性槽，第一线性槽用于向电化学电容器单元注液、排气，第二线性槽用于布置电导线，电导线的一端与双极性集流体101和/或端面集流体导电连接，另一端与均衡电路板数据采集端导电连接。
端面电极制备：将所述正极膜102和/或预锂化膜105与端面正极集流体201复合形成端面正极200，将所述负极膜103与端面负极集流体301复合形成端面负极300。
高电压电化学电容器500组装：按照端面正极、隔离层、双极性电极、隔离层、双极性电极、隔离层、端面负极依次层叠组装，双极性电极之间、双极性电极与端面电极之间设有呈液态、胶态、固态或聚合物的电解质，所述固态电解质厚度为0.1～0.8mm，组装成高电压电化学电容器；所述高电压电化学电容器两端面电极之间过机械压合、螺栓紧固、壳体固定、真空压缩、焊接、粘接一种或者多种方式向电极面提供一种持久均匀的压应力。
所述端面集流体厚度≥双极性集流体101厚度，端面集流体对高电压电化学电容器500具有支撑作用
如图7所示，一种高电压电化学电容器的储能模组，所述储能模组包括：若干个高电压电化学电容器500和若干个导电汇流板；所述导电汇流板内置有流道，用于风冷、液冷；
所述导电汇流板的一侧至少与一个所述高电压电化学电容器500的端面正极200的端面正极集流体201导电连接；所述导电汇流板的另一侧与所述端面正极200对应数量的所述高电压电化学电容器500的端面负极300的端面负极集流体301导电连接；
或者，
所述导电汇流板的一侧至少与一个所述高电压电化学电容器500的端面负极300的端面负极集流体301导电连接；所述导电汇流板的另一侧与所述端面负极300对应数量的所述高电压电化学电容器500的端面正极200的端面正极集流体201导电连接。
也就是说先将至少一个高电压电化学电容器500并联，然后再串联连接，以此方式组成大规模储能模组。本发明可以通过增加导电汇流板同侧高电压电化学电容器500的数量来增加储能模组600的荷电容量，通过增加导电汇流板层数及高电压电化学电容器500串联数量来增加储能模组600的工作电压。
如图8所示，一种高电压电化学电容器的储能模组，所述储能模组包括：若干个高电压电化学电容器500和若干个导电汇流板；所述导电汇流板内置有流道，用于风冷、液冷；
所述导电汇流板的一侧至多与一个所述高电压电化学电容器500的端面正极200的端面正极集流体201导电连接；所述导电汇流板的另一侧与所述端面正极200对应数量的所述高电压电化学电容器500的端面负极300的端面负极集流体301导电连接；
或者，
所述导电汇流板的一侧至多与一个所述高电压电化学电容器500的端面负极300的端面负极集流体301导电连接；所述导电汇流板的另一侧与所述端面负极300对应数量的所述高电压电化学电容器500的端面正极200的端面正极集流体201导电连接。
也就是说将若干个高电压电化学电容器500通过导电汇流板串联连接构成串联模块，然后若干个串联模块通过大尺寸导电汇流板并联连接。本发明可以通过增加导电汇流板同侧高电压电化学电容器500的数量来增加储能模组600的荷电容量，通过增加导电汇流板层数及高电压电化学电容器500串联数量来增加储能模组600的工作电压。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种高电压电化学电容器，其特征在于，包括：端面正极、端面负极、位于所述端面正极和所述端面负极之间的若干个双极性电极以及所述双极性电极之间的电解质；
所述双极性电极包括正极膜、负极膜以及双极性集流体；所述双极性集流体设于所述正极膜以及所述负极膜之间；
所述电解质设于所述端面电极和所述双极性电极之间以及相邻的两个所述双极性电极之间，所述双极性电极两侧的电解质不连通；所述端面电极包括端面正极以及端面负极，所述端面正极包括端面正极集流体和正极膜，所述端面负极包括端面负极集流体和负极膜。
2.根据权利要求1所述的高电压电化学电容器，其特征在于，所述双极性电极的正极侧和所述端面正极上设有一层预锂化膜；
所述预锂化膜层叠复合在所述正极膜上，所述正极膜的另一侧层叠复合在所述双极性集流体以及所述端面正极集流体上；
或者，所述预锂化膜夹杂在两层所述正极膜中间，组成三明治结构，所述预锂化膜层叠复合在所述双极性集流体以及所述端面正极集流体上；
或者，所述预锂化膜层叠复合在所述正极膜上，所述预锂化膜的另一侧层叠复合在双极性集流体以及端面正极集流体上。
3.根据权利要求2所述的高电压电化学电容器，其特征在于，所述预锂化膜包括预锂化剂、导电剂以及粘接剂；所述预锂化剂至少包括氧化锂、过氧化锂、氮化锂、碳化锂、碳酸锂和硫化锂中的一种；
所述预锂化剂的质量为负极活性材料质量的1％～1000％；所述锂化剂、所述导电剂以及所述粘接剂的比例为(20～90％):(5～50％):(5～30％)。
4.根据权利要求1所述的高电压电化学电容器，其特征在于，所述双极性电极的负极侧和所述端面负极上设有一层锂箔层，所述锂箔层叠复合在所述双极性集流体的负极侧和所述端面负极集流体上，所述负极膜层叠复合在所述锂箔上；所述锂箔厚度为0.001～1mm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的高电压电化学电容器，其特征在于，所述正极膜厚度为10μm～1000μm，密度为0.1g/cm3～2.0g/cm3；
所述负极膜厚度为20μm～2000μm，密度为0.1g/cm3～2.0g/cm3。
6.根据权利要求1-4任一项所述的高电压电化学电容器，其特征在于，所述双极性集流体材料是电子导电良好，离子不会渗透的材料，包括铜铝合金、锂铝合金、锂镍合金、锂锡合金、铝镍合金、铝、镍、不锈钢、银、金、碳塑复合材料、碳纤维、聚合物基、金属基复合导电薄膜中的至少一种，厚度为5～2000μm。
7.根据权利要求1-4任一项所述的高电压电化学电容器，其特征在于，所述双极性集流体的边沿处设有绝缘密封框；
所述绝缘密封框上设置第一线性槽和第二线性槽；所述第一线性槽用于向电化学电容器单元注液以及排气；所述电化学电容器单元为两个相邻的双极性集流体以及所述两个相邻的双极性集流体之间的正极膜、隔离层以及负极膜；
所述第二线性槽用于布置电导线，所述电导线的一端分别与所述双极性集流体和所述端面集流体导电连接，所述导电线用于采集和均衡电化学电容器单元的电压。
8.一种高电压电化学电容器的制备方法，其特征在于，所述制备方法应用于权利要求1-7任一项所述的高电压电化学电容器，所述制备方法包括：
干粉配料：将干燥的A材料、导电剂、粘接剂按照预设比例进行称重配料；所述A材料为正极活性材料、负极活性材料、预锂化剂、或者正极活性材料与预锂化剂组成的混合物；
均匀混料：将所述A材料、所述导电剂和所述粘结剂依次或者同时进行均匀混料，混合时间1～8h，使得A材料、导电剂和粘接剂混合均匀；
剪切形变混料：将混合均匀后的A材料、导电剂和粘接剂在60～200℃温度下进行加热剪切形变混料；
压延成膜：将加热剪切形变混料后的混合材料迅速进行垂直和/或水平碾压，形成电极膜、预锂化膜；碾压的压力为100～500Mpa，碾压环境为干燥环境，环境湿度≤40％；所述电极膜包括正极膜以及负极膜；
双极性电极制备：将所述正极膜和/或预锂化膜层叠复合双极性集流体的正极侧，负极膜层叠复合在双极性集流体的负极侧；
端面电极制备：将所述正极膜和/或预锂化膜与端面正极集流体复合形成端面正极，将所述负极膜与端面负极集流体复合形成端面负极；
高电压电化学电容器组装：所述端面正极与所述端面负极之间设有若干个依次层叠组装的双极性电极；所述双极性电极之间、所述双极性电极与所述端面电极之间设有呈液态、胶态、固态或聚合物的电解质；所述固态电解质厚度为0.1～0.8mm，组装成高电压电化学电容器。
9.一种高电压电化学电容器的储能模组，其特征在于，所述储能模组用于权利要求7所制备的高电压电化学电容器，所述储能模组包括：若干个高电压电化学电容器和若干个导电汇流板；
所述导电汇流板的一侧至少与一个所述高电压电化学电容器的端面正极的端面正极集流体导电连接；所述导电汇流板的另一侧与所述端面正极对应数量的所述高电压电化学电容器的端面负极的端面负极集流体导电连接；
或者，
所述导电汇流板的一侧至少与一个所述高电压电化学电容器的端面负极的端面负极集流体导电连接；所述导电汇流板的另一侧与所述端面负极对应数量的所述高电压电化学电容器的端面正极的端面正极集流体导电连接。
10.一种高电压电化学电容器的储能模组，其特征在于，所述储能模组用于权利要求7所制备的高电压电化学电容器，所述储能模组包括：若干个高电压电化学电容器和若干个导电汇流板；
所述导电汇流板的一侧至多与一个所述高电压电化学电容器的端面正极的端面正极集流体导电连接；所述导电汇流板的另一侧与所述端面正极对应数量的所述高电压电化学电容器的端面负极的端面负极集流体导电连接；
或者，
所述导电汇流板的一侧至多与一个所述高电压电化学电容器的端面负极的端面负极集流体导电连接；所述导电汇流板的另一侧与所述端面负极对应数量的所述高电压电化学电容器的端面正极的端面正极集流体导电连接。
CN202010547196.1A 2020-06-16 2020-06-16 一种高电压电化学电容器、制备方法及其储能模组 Active CN111640582B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010547196.1A CN111640582B (zh) 2020-06-16 2020-06-16 一种高电压电化学电容器、制备方法及其储能模组

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010547196.1A CN111640582B (zh) 2020-06-16 2020-06-16 一种高电压电化学电容器、制备方法及其储能模组

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111640582A true CN111640582A (zh) 2020-09-08
CN111640582B CN111640582B (zh) 2022-11-15

Family

ID=72331689

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010547196.1A Active CN111640582B (zh) 2020-06-16 2020-06-16 一种高电压电化学电容器、制备方法及其储能模组

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111640582B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112289969A (zh) * 2020-10-19 2021-01-29 中国电子科技集团公司第十八研究所 一种双极性集流体及双极性固态锂二次电池的制备方法
CN112736222A (zh) * 2020-12-25 2021-04-30 合肥国轩高科动力能源有限公司 一种双极性电极制备方法
CN113937247A (zh) * 2021-10-20 2022-01-14 武汉船用电力推进装置研究所（中国船舶重工集团公司第七一二研究所） 一种一体化双极性电极和电池堆

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2614388Y (zh) * 2003-04-11 2004-05-05 江苏双登电源有限公司 双极性超级电容器
CN102201605A (zh) * 2010-03-22 2011-09-28 中国电子科技集团公司第十八研究所 具有双极性结构的电化学储能与能量转换装置
CN102574708A (zh) * 2009-07-29 2012-07-11 通用电气公司 双极性电极和超级电容器脱盐装置以及制造方法
CN105225847A (zh) * 2015-08-14 2016-01-06 宁波南车新能源科技有限公司 一种超级电容器电极制备工艺
US20170169961A1 (en) * 2015-12-09 2017-06-15 Foundation Of Soongsil University Industry Cooperation Electric/electronic device and manufacturing method thereof
CN107680819A (zh) * 2017-09-13 2018-02-09 中国科学院电工研究所 一种锂离子电容器
CN110246699A (zh) * 2019-05-17 2019-09-17 中国科学院电工研究所 一种锂离子电容器的正极电极片、锂离子电容器及其负极预嵌锂方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2614388Y (zh) * 2003-04-11 2004-05-05 江苏双登电源有限公司 双极性超级电容器
CN102574708A (zh) * 2009-07-29 2012-07-11 通用电气公司 双极性电极和超级电容器脱盐装置以及制造方法
CN102201605A (zh) * 2010-03-22 2011-09-28 中国电子科技集团公司第十八研究所 具有双极性结构的电化学储能与能量转换装置
CN105225847A (zh) * 2015-08-14 2016-01-06 宁波南车新能源科技有限公司 一种超级电容器电极制备工艺
US20170169961A1 (en) * 2015-12-09 2017-06-15 Foundation Of Soongsil University Industry Cooperation Electric/electronic device and manufacturing method thereof
CN107680819A (zh) * 2017-09-13 2018-02-09 中国科学院电工研究所 一种锂离子电容器
CN110246699A (zh) * 2019-05-17 2019-09-17 中国科学院电工研究所 一种锂离子电容器的正极电极片、锂离子电容器及其负极预嵌锂方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112289969A (zh) * 2020-10-19 2021-01-29 中国电子科技集团公司第十八研究所 一种双极性集流体及双极性固态锂二次电池的制备方法
CN112736222A (zh) * 2020-12-25 2021-04-30 合肥国轩高科动力能源有限公司 一种双极性电极制备方法
CN113937247A (zh) * 2021-10-20 2022-01-14 武汉船用电力推进装置研究所（中国船舶重工集团公司第七一二研究所） 一种一体化双极性电极和电池堆

Also Published As

Publication number Publication date
CN111640582B (zh) 2022-11-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111640582B (zh) 一种高电压电化学电容器、制备方法及其储能模组
WO2022088610A1 (zh) 一种锂离子电容器及其制备方法和用途
US20070212611A1 (en) Lithium secondary battery
KR101214727B1 (ko) 전극, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 전기 화학 캐패시터
CN110970668A (zh) 一种全固态电池复合结构、其制备方法和用途
CN112825354B (zh) 锂负极及其制备方法、锂二次电池
MX2013000832A (es) Electrodo bipolar, bateria secundaria bipolar que utiliza el mismo y metodo para fabricar electrodo bipolar.
CN101626099A (zh) 一种聚合物磷酸钒锂动力电池及其制备方法
CN104795559A (zh) 一种高能量密度的锂离子动力电池
CN103545544A (zh) 一种层叠式快速充电锂单体电池及制备方法
CN113036148A (zh) 一种基于电导率可控聚合物集流体的储能系统及其制备工艺
CN112290080A (zh) 一种可低温充电的锂离子电池
CN103268928B (zh) 双极性电池和双极性储能装置
CN113555541A (zh) 一种高能量密度的锂离子电池
CN114024037A (zh) 一种固态电芯及其制备方法和储能装置
CN104466236A (zh) 一种能量功率兼顾型锂离子蓄电池及其制备方法
CN110380057A (zh) 一种耐过充锂离子电池
CN113659108A (zh) 一种电池正极复合极片及其制备方法以及包含其的固态电池
CN112670548A (zh) 双极型电池及其制造方法和应用
CN217035901U (zh) 一种内部串联型固态电池及固态电池组
CN107452918B (zh) 稀土新电源及其制备方法
CN108448110A (zh) 正极活性材料、正极材料、锂离子电池及其制备方法和应用
CN212365998U (zh) 一种锂固态电池的电极构造
CN115172649A (zh) 负极片、电池和制备电池的方法
CN102956886A (zh) 一种磷酸铁锂电池及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant