CN1728306A - 一种卷绕式超级电容器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超级电容器及其制作方法技术领域，尤其涉及一种采用炭质活性材料电极的卷绕式超级电容器及其制作方法。其是将炭质活性材料，导电剂，粘结剂混合分散成均匀浆料，按照卷绕式超级电容器对电极尺寸的要求，采用流延机或涂覆模具将浆料间歇涂覆在金属集流体表面形成正、负极极片，再将两侧分别涂覆有炭质活性材料的正极极片、负极极片和离子可以渗透但对电子绝缘的隔离膜卷绕在一起，加入电解液，采用包装膜封装制得的超级电容器。本发明的制备方法具有生产工艺简单，生产效率高，其制备的超级电容器具有一致性好，适合于大规模工业生产的优点。同时，该超级电容器具有高功率密度，高能量密度，免维护和超长寿命的特点。

Description

一种卷绕式超级电容器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种超级电容器及其制作方法技术领域，尤其涉及一种采用炭质活性材料电极的卷绕式超级电容器及其制作方法。

背景技术

超级电容器是近年来出现的一种介于传统电容器和二次电池之间的新型环保储能器件，它在保留传统电容器功率密度大的特点的同时，其静电容量可达法拉级甚至数千法拉，因此还具有能量密度较高的特点。同时其还有充放电速度快，充放电效率高，寿命长，安全性好，环境友好等优点，是一种新型、实用、高效的储能器件。例如，李宝华等(中国专利，专利申请号：03134990.0)所提出了一种层叠式超级电容器及其制作方法，其采用流延机或涂覆模具将调制好的炭质活性材料、导电剂和粘结剂、溶剂的混合浆料均匀涂覆在金属集电流体表面，再在自动控温辊压机上进行轧制，烘干，裁切成形而获得电极，然后将内侧涂覆活性炭质材料的正电极，负电极，隔离膜叠加在一起后加入电解液封装成超级电容器单体，将多个超级电容器单体通过串联，并联叠层，加压封装成电压更高、电容量更大的超级电容器。

超级电容器在很多领域都有广阔的应用前景，首先是用作电源，主要包括：(1)、作后备电源；目前超级电容器应用最广的部分是电子产品领域，主要是充当CMOS(互补金属氧化物半导体)保护、计时器、钟表、录像机、移动电话等的后备电源。(2)、作替换电源；例如白昼~黑夜的转换。白天太阳能提供电源并对超级电容器充电，晚上则由超级电容器提供电源。典型的应用有：太阳能手表，太阳能灯，路标灯，公共汽车停车站时间表灯，汽车停放收费计灯，交通信号灯等。(3)、作主电源；通过一个或几个超级电容器释放持续几毫秒到几秒的大电流，放电之后，超级电容器再由低功率的电源充电。典型应用有玩具车等。其次是用作功率辅助设备，特别是在电动汽车上的应用，给超级电容器的发展提供了广阔的空间。例如在汽车启动，加速，爬坡时提供高功率，以保护蓄电池，在刹车时回收储存多余能量。

超级电容器电极的制作，电极的组装工艺和电解液的选择是超级电容器制作中最关键的步骤。炭质活性材料以其原料易得，成本相对较低，比表面积大，孔结构可控，环境友好，化学性质和电化学性质稳定等优点成为制作超级电容器的主要材料之一。

超级电容器单体的电极组装工艺主要有两种：(1)叠片法(Stacking)；(2)卷绕法(Winding)。由于叠片法采用连续涂布法，在其后的工序中，首先需要根据叠片工艺对电极尺寸的要求清洗集流体表面的活性物质，得到焊接区以便引出极耳，这样增加了工艺的复杂程度。同时叠片工艺操作复杂，工艺一致性差，因此大规模工业生产中，不仅导致生产效率低，而且制备的超级电容器单体一致性差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服目前产品之不足，提供一种卷绕式超级电容器及其制作方法，以简化大规模工业生产工艺，提高生产效率，改善产品一致性，并令所制作的超级电容器具有高功率密度，高能量密度，免维护和超长寿命的特点。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：该超级电容器包括由正极极片、负极极片、多孔隔离膜依次叠加并卷绕而成的芯体，并且于芯体外包裹有包装膜，电解液注于包装膜内，所述的正极极片和负极极片包括金属集流体和涂覆在金属集流体表面的涂覆层，该涂覆层由炭质活性材料、导电剂、粘接剂构成，且三者的重量比为：70～95∶2～10∶3～20。

所述的炭质活性材料采用平均颗粒度为3～20微米的活性炭材料，导电剂为乙炔碳黑、导电石墨或导电碳纤维，粘结剂为聚丙烯酸酯乳液或聚偏氟乙烯。

所述电容器正极集流体和负极集流体均为金属铝箔，且涂覆层间歇涂覆于正负极金属集流体上下表面。

所述的多孔隔离膜为聚乙烯膜，聚丙烯膜或它们的改性聚合物膜。

所述包装膜为铝塑包装膜，其包括三层复合材料，其中外层是尼龙或聚酯材料，中间层为铝箔，内层为酸改性聚乙烯或聚丙烯材料。

本发明制作方法所采用的技术方案为：

1、将选用的炭质活性材料进行预处理，使其三维尺寸在3～300微米，BET(平衡发射极晶体管)比表面在200～4000平方米/克；

2、将炭质活性材料，导电剂，粘结剂按照70～95∶2～10∶3～20的重量比混合、搅拌、分散，制成具有一定粘度，密度和固含量的均匀浆料；

3、按照制作卷绕式超级电容器对极片尺寸的要求，将步骤2制得的浆料采用流延机或涂覆模具将其均匀涂覆在金属集流体表面，烘干制得炭质活性材料电极。

4、将步骤3制得的炭质活性材料电极在平压机或冷压机上轧制至一定的厚度和密度，按照卷绕工艺的尺寸分切电极，分别得到制备超级电容器单体所需要的正极极片和负极极片；

5、按照卷绕尺寸的要求分切多孔隔离膜；

6、将步骤4和5分别制得的炭质活性材料的正极极片，炭质活性材料的负极极片和多孔隔离膜，干燥，在半自动卷绕机上进行卷绕，然后加入电解液，采用铝塑包装膜封装制得本发明的卷绕式超级电容器。

所述方法中所用的金属集流体为金属铝箔。

上述方法中炭质活性材料为活性炭，粘接剂可选择聚四氟乙烯(PTFE)、均聚或共聚偏氟乙烯(PVDF)、改性聚丙烯酸及其酯类，这些粘接剂既可以是粉末状也可以是乳液状；可选用的导电剂有乙炔炭黑，导电碳纤维，导电石墨。

上述所用多孔隔离膜可选用：聚乙烯膜，聚丙烯膜或它们的改性聚合物。

综上所述，采用本发明的制作工艺不仅可以简化大规模工业生产工艺，提高生产效率，改善产品一致性，并令所制作的超级电容器具有高功率密度，高能量密度，免维护和超长寿命的特点。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明一实施例的内部结构图；

图2是本发明一实施例的正极极片的侧视图；

图3是本发明一实施例的负极极片的侧视图；

图4是本发明一实施例的正(负)极极片的俯视图。

具体实施方式

见图1、2、3，本发明的超级电容器的芯体由正极极片1、负极极片2和多孔隔离膜3依次叠加并卷绕而成，该芯体外包裹有包装膜，电解液4注于包装膜内。所述的正极极片1或负极极片2包括金属集流体和涂覆在金属集流体表面的涂覆层，该涂覆层由炭质活性材料、导电剂、粘接剂构成，且三者的重量比为：70～95∶2～10∶3～20。

上述的炭质活性材料采用平均颗粒度为3～20微米、BET比表面积为100～4000平方米/克的活性炭材料，导电剂为乙炔碳黑、导电石墨或导电碳纤维，粘结剂为聚丙烯酸酯乳液或聚偏氟乙烯。本发明中正、负极集流体均为金属铝箔，涂覆层间歇涂覆于正、负极金属集流体上下表面。

所述的多孔隔离膜3为聚乙烯膜，聚丙烯膜或它们的改性聚合物膜。

所述包装膜为铝塑包装膜，其包括三层复合材料，其中外层是尼龙或聚酯材料，中间层为铝箔，内层为酸改性聚乙烯或聚丙烯材料。

本发明所用电解液4为有机体系：电解液溶剂有碳酸乙烯酯，碳酸丙烯酯，乙腈，γ-丁内酯或者它们的混合溶剂，电解液所用盐有四乙基四氟硼酸季铵盐，四乙基四氟硼酸季磷盐，四正丙基四氟硼酸季磷盐，四乙基六氟磷酸季磷盐，六氟磷酸锂，四氟硼酸锂。电解液浓度可为0.1～5摩尔/升。

以下是本发明的几个具体实施例：

实施例1：本实施例中导电剂采用乙炔碳黑，粘接剂采用均聚偏氟乙烯乳液。将活性炭，乙炔碳黑和均聚偏氟乙烯乳液按照80∶15∶5的重量比混合，然后加入适量氮-甲基吡咯烷酮，搅拌分散制得均匀浆料。见图2、3、4，按照卷绕对于电极尺寸的要求，采用流延机将浆料间歇均匀涂覆在金属铝箔表面，形成涂覆层。涂覆尺寸可以通过对流延机的控制来实现。然后在130℃温度下干燥5~60分钟，冷压后，依照同样的方法，在铝箔的另一面也均匀的涂覆浆料，在100℃温度干燥5～20分钟，制得两侧均有活性炭材料为活性物质的超级电容器的极片。接着将该具有活性炭材料的极片在冷压机上轧制至一定的厚度和密度，分切成实际需要的宽度，得到本发明的正、负极极片1、2。本发明所用多孔隔离膜3选用聚乙烯膜。将正极极片1、负极极片2以及多孔隔离膜3叠加后卷曲，如图1所示。然后向其中灌注电解液4，用包装膜封装后制备成方形卷绕式超级电容器。

采用上述实施例制作的长50毫米，宽34毫米，厚4.2毫米的方形卷绕式超级电容器，静电容量为41法拉，能量密度为6.9Wh/L，功率密度为5.6kW/L，额定电流下20,000次充放电循环，电容量衰减小于10％。

实施例2：与实施例1同，不同的是采用聚丙烯酸酯乳液作为粘接剂，按照84.5∶10∶5.5的重量比混合。相比较于实施例1，本实施例可以提高活性炭的负载量，因此能提高超级电容器的能量密度和功率密度。

采用此方法制备长50毫米，宽34毫米，厚3.8毫米的方形卷绕式超级电容器单体，静电容量为45法拉，能量密度为7.6Wh/L，功率密度为7.4kW/L，额定电流下20,000次充放电循环，电容量衰减小于10％，阻抗增加小于10％。本实施例中，粘结剂采用聚丙烯酸酯乳液，由于该乳液的溶剂为水，同时加入了去离子水来调节粘度，这样就避免了有机溶剂的使用，因此是一种更加环保的生产方式。

当然，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种卷绕式超级电容器，包括：由正极极片(1)、负极极片(2)和多孔隔离膜(3)依次叠加并卷绕而成的芯体，并且于芯体外包裹有包装膜，电解液(4)注于包装膜内，其特征在于：所述的正极极片(1)或负极极片(2)包括金属集流体和涂覆在金属集流体表面的涂覆层，该涂覆层由炭质活性材料、导电剂、粘接剂构成，且三者的重量比为：70～95∶2～10∶3～20。

2、根据权利要求1所述的一种卷绕式超级电容器，其特征在于：所述的炭质活性材料采用平均颗粒度为3～20微米、BET比表面积为100～4000平方米/克的活性炭材料，导电剂为乙炔碳黑、导电石墨或导电碳纤维，粘结剂为聚丙烯酸酯乳液或聚偏氟乙烯。

3、根据权利要求1所述的一种卷绕式超级电容器，其特征在于：所述电容器正、负极金属集流体均为金属铝箔，且涂覆层间歇涂覆于正、负极金属集流体上下表面。

4、根据权利要求1所述的一种卷绕式超级电容器，其特征在于：所述的多孔隔离膜(3)为聚乙烯膜，聚丙烯膜或它们的改性聚合物膜。

5、根据权利要求1所述的一种卷绕式超级电容器，其特征在于：所述包装膜为铝塑包装膜，其包括三层复合材料，其中外层是尼龙或聚酯材料，中间层为铝箔，内层为酸改性聚乙烯或聚丙烯材料。

6、一种卷绕式超级电容器的制作方法，该方法包括如下步骤：

第一步、选用的炭质活性材料，平均颗粒度为3～20微米，BET比表面积为100～4000平方米/克；

第二步、将炭质活性材料，导电剂，粘结剂按照70～95∶2～10∶3～20的重量比混合、搅拌、分散，制成具有一定粘度，密度和固含量的均匀浆料；

第三步、按照制作卷绕式超级电容器对极片尺寸的要求，将第二步制得的浆料采用流延机或涂覆模具将其均匀涂覆在金属集流体表面，干燥制得炭质活性材料电极；

第四步、将第三步制得的炭质活性材料电极在平压机或冷压机上轧制至一定的厚度和密度，按照卷绕工艺的尺寸分切电极，分别得到超级电容器单体的正极极片(1)和负极极片(2)；

第五步、按照卷绕尺寸的要求分切离子可以通过但对电子绝缘的多孔隔离膜(3)；

第六步、将上述制得的炭质活性材料的正极极片(1)、负极极片(2)和多孔隔离膜(3)卷绕在一起，干燥，然后加入电解液(4)，静置，采用铝塑包装膜，封装制得超级电容器。

7、根据权利要求6所述的一种卷绕式超级电容器的制作方法，其特征在于：所述第二步中采用的炭质活性材料为活性炭，导电剂为乙炔碳黑、导电石墨或导电碳纤维，粘结剂为聚丙烯酸酯乳液或聚偏氟乙烯。

8、根据权利要求6所述的一种卷绕式超级电容器的制作方法，其特征在于：所述电容器正、负极金属集流体均为金属铝箔。

9、根据权利要求6所述的一种卷绕式超级电容器的制作方法，其特征在于：所述第五步中使用的离子可以渗透但电子绝缘的多孔隔离膜(3)为聚乙烯膜、聚丙烯膜或它们的改性聚合物膜。

10、根据权利要求6所述的一种卷绕式超级电容器的制作方法，其特征在于：所述铝塑包装膜为三层复合材料，其中外层是尼龙或聚酯材料，中间层为铝箔，内层为酸改性聚乙烯或聚丙烯材料。

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