CN2615840Y - 电化学超级电容器 - Google Patents
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Abstract
一种高能量密度的电化学超级电容器，利用理想极化电极和理想不极化电极的理论，把双电层电容和法拉第电容应用到了超级电容器中。该实用新型由壳体、正负电极、电解液、隔膜、负极集流体、极耳、引出端子、安全阀等组成。正极采用镍电极，负极为高比表面积的炭活性材料，以发泡镍、或不锈钢箔网、或镍箔网作为集流体，采用碱性电解液。该种电化学超级电容器的比能量是普通的炭基双电层电容器的4～6倍，有大容量、高功率、快充电、长寿命等优良性能，广泛用于航天、军事、交通、电力、通信等重要领域，有重要现实意义和广阔的应用前景。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种高能量的电化学超级电容器，属于化学电源技术领域。
背景技术
超级电容器是位于电池和传统电容器之间的一种性能卓越的致密能源，具有质量轻、比容量大、比功率大、大电流放电性能好、能快速充电、循环寿命长、使用温度范围宽、免维护、低污染等突出优点，可以作为独立电源或复式电源使用，广泛地应用在启动、牵引动力、脉冲放电和备用电源等领域。
人们环境意识的增强，使得电动汽车或低污染性混合动力汽车作为清洁交通工具逐步进入人类的生活；电动车辆在起步，加速过程中对高功率动力的要求使得对电池的要求提高。现有电池难以满足高功率、大容量，快充电的要求。将电化学超级电容器与蓄电池或其它电池配合使用组成复合电池，可以降低对蓄电池相关指标的要求和起到节能的作用。以碳材料为基础的超级电容器由于其较低的成本和比较优异的性能在汽车、铁路、电力和通信有卓越的表现。
超级电容器作为一种性能卓越的致密能源，成为国际上发达国家材料、电子、化学、物理多学科研究的最活跃的研究领域之一，其目标是制备高比功率、高比容量的致密能源所需的电极材料，宽电化学窗的、导电率高的电解质，进而制备超大功率、超高容量可用于动力用途的大型超级电容器。用纯活性炭作为活性物质的超级电容器，其比容量是较低的，而且工作电位窗也小，该种类型的超级电容器很难满足其在很多领域的使用，因而提高超级电容器的能量密度和工作电压成为人们研究的焦点。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足之处，对超级电容器的正负极的构成进行有效改进，提供一种高能量密度的电化学超级电容器。
本实用新型的技术方案是：电化学超级电容器由壳体、正负电极、电解液、隔膜、负极集流体、引出端子、极耳、安全阀等组成。其特征是正极为镍电极，负极为炭电极。镍电极主要活性材料为镍的氧化物或氢氧化合物，采用在镍箔或不锈钢箔上烧结镍电极，或在发泡镍基体上填覆镍材料粉末或镍材料膏体，电极的厚度在0.3mm～1.2mm。负极由炭活性材料和负极集流体构成，主要活性材料为高比表面积的炭材料，包括活性炭粉、活性炭布、纳米碳纤维、碳纳米管、碳气凝胶、网络结构活性炭以及某些有机物如酚醛类的炭化产物，并在炭活性材料的微孔中沉积了纳米级的磷酸铅或硫酸铅修饰层，负极集流体为发泡镍、镀银钢箔或网、镀银镍箔或网、铜箔或网。发泡镍、发泡铜、箔、网上填涂了炭膏体，或在箔、网的两侧放置了炭布、或炭薄块。正负极间的隔膜为石棉隔膜、聚丙烯隔膜、尼龙隔膜，电解液为KOH、NaOH等碱金属氢氧化物的水溶液。
这里，利用理想极化电极和理想不极化电极的经典理论，把双电层电容和法拉第电容分别应用到超级电容器正负两极。
电化学超级电容器的负极采用的是高比表面积的活性炭材料，所有积聚的电荷都用来形成导体/溶液间的双层。电能的储存是以横跨电极/溶液界面的电解质双层内的充电为基础的。当把直流电压施加到电极的界面时，电双层就建立起来储存电能。储存在双层中的电能与电极的表面积成正比，和双层的厚度成反比。
电化学超级电容器的正极是镍电极，类似于镉镍和镍氢电池中的正极，利用法拉第准电容为超级电容器提高电容，它在电极界面上发生的二维和准二维的法拉第反应，这部分反应使得电能转变为化学能储存在界面。
电化学超级电容器的比能量是普通的炭基双电层电容器的4～6倍。但是发泡镍电极的电阻较大，不适合大电流快速充放电，难以发挥超级电容器比功率大的优点，烧结镍电极还具有活性材料致密不易脱落、基体导电性和机械性能好、基体与活性材料接触比表面积大等特点，具有循环寿命长、大电流充放能力强的优点，可以充分发挥电化学超级电容器高比能量和高比功率的优势。
采用本实用新型制得的超级容器，或与其它电池配合组成复合电池，解决现有现有电池不能满足高功率、大容量、快充电、长寿命要求的难题，广泛用于航天、军事、交通、电力、通信等重要部门，有重要现实意义和广阔的应用前景。
附图说明
附图为本实用新型结构示意图。
具体实施方式
如图，负极炭活性物质3包覆在负极集流体4两侧作为负极，正极1与负极中间有隔膜2隔离，正负极板都有极耳9与端子6、7连接，壳体8上部有一个安全阀5。
实施例一：正极采用0.3mm厚的烧结镍电极，负极采用活性炭纤维布，炭布厚0.20mm，负极集流体为镀银镍箔，厚度为0.05mm，隔膜采用石棉隔膜，厚0.12mm。把隔膜采用“C”型的形式包覆正极烧结镍电极，把活性炭纤维布包覆在负极集流体镍箔的两面，形成负极，再把包好隔膜的正极和负极进行叠加，形成极群，焊接引出端子，装入壳体，注入1.29g/cm3的KOH水溶液。
该实例单体容量可以达到8000F，电压范围在1.5V～0.3V，其比能量是炭基双电层电容器的6倍。
实施例二：正极采用0.3mm厚的烧结镍电极，负极采用活性炭纤维布，炭布厚0.20mm，负极集流体为镀银镍箔，厚度为0.05mm，隔膜采用石棉隔膜，厚0.12mm。把隔膜采用“C”型的形式包覆正极烧结镍电极，把活性炭、导电剂和粘结剂加去离子水混合成膏状，涂覆在发泡镍的基体上，干燥碾压形成负极，正极和负极进行叠加，中间放置石棉隔膜，形成极群，焊接引出端子，装入壳体，注入1.29g/cm3的KOH水溶液。
该实例单体容量可以达到6000F，电压范围在1.5V～0.3V，其比能量是炭基双电层电容器的5倍。
Claims (9)
1、一种电化学超级电容器，由壳体、正负电极、电解液、隔膜、负极集流体、极耳、引出端子、安全阀等组成，其特征是正极为镍电极，负极为炭电极，炭活性材料包覆在负极集流体的两侧，正负极分别通过极耳与引出端子连接。
2、按权利要求1所述的电化学超级电容器，其特征是所述的镍电极主要活性材料是镍的氢氧化物或氧化物。
3、按权利要求2所述的电化学超级电容器，其特征是所述镍电极是以镍箔或钢箔为基体的烧结镍电极。
4、按权利要求2所述的电化学超级电容器，其特征是所述镍电极是在发泡镍基体上填覆镍材料粉末或镍材料膏体。
5、按权利要求1所述的电化学超级电容器，其特征是负极集流体为发泡镍、发泡铜、钢箔或网、镀银钢箔或网、镍箔或网、镀银镍箔或网、铜箔或网、镀镍铜箔或网等中的一种。
6、按权利要求1所述的电化学超级电容器，其特征是炭活性材料是高比表面积的材料，为以下材料中的一种：活性炭粉、活性炭布、纳米碳纤维、碳纳米管、碳气凝胶、网络结构活性炭以及某些有机物如酚醛类的炭化产物。
7、按权利要求6所述的电化学超级电容器，其特征是炭活性材料的微孔中沉积了纳米级的磷酸铅或硫酸铅修饰层。
8、按权利要求1所述的电化学超级电容器，其特征是炭电极是发泡镍、发泡铜、箔、网上填涂了炭膏体。
9、按权利要求1所述的电化学超级电容器，其特征是炭电极是箔、网的两侧放置了炭布、或炭薄块。
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