專利名稱：新型綠色復合雙電層電化學電容器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新型綠色復合電化學電容器領(lǐng)域。
電化學電容器根據(jù)儲能機理的不同，可分為雙電層電容器和法拉第準電容電容器。雙電層電化學電容器的作用原理是采用高比表面積活性材料作為電極，在強電場作用下，活性電極的正負電荷與電解液中的正負離子在界面上分離產(chǎn)生雙電層，從而儲存電荷。其水溶液電解液因具有使用溫度范圍較寬，價格低廉，導電率高，對電極活性物質(zhì)(如活性炭材料)的浸潤性好，離子近似有效半徑小，可以進入活性炭顆粒上較小的孔隙，且應用安全性好，電容器生產(chǎn)工藝較為簡單等特點，是制備大容量、高功率雙電層電容器較理想的電解液之一。但因為水的分解電壓較低(約1.23V)，故普通水溶液電解液雙電層電容器的工作電壓大多低于1V，而存儲在電容器中的電能W可表示為W=qV=12CV2,]]>即電容器儲存能量的多少與工作電壓的平方以及電容容量成正比，因而工作電壓的偏低將會導致水溶液雙電層電容器能量密度偏低。
為提高水溶液電解液雙電層電容器的能量密度，人們從開發(fā)非對稱電化學電容器進行技術(shù)改革，如中國發(fā)明專利(公開號CN1334956A)及中國實用新型專利(公開號CN2412285Y)，所采用的非對稱電容器的一極為碳電極，而另一極為利用法拉第原理存儲能量高容量材料構(gòu)成，如Ni(OH)2等，由這兩電極構(gòu)成的非對稱電化學電容器僅在碳電極一方形成一雙電層，另一極通過高能量活性物質(zhì)的氧化還原反應儲存能量，從而可使電容器的能量密度得以改善。但因為通過氧化還原反應進行能量存儲的速率遠不如通過雙電層進行能量存儲的速率快，所以非對稱電化學電容器能量密度的提高，是以犧牲其功率密度為代價的，受電極活性物質(zhì)氧化還原反應速率的影響，非對稱電化學電容器難以具備超大功率性能。再者，高容量活性物質(zhì)經(jīng)多次較深程度的氧化還原反應，會逐漸失效，從而直接影響非對稱電容器的循環(huán)壽命，這與普通碳電極雙電層電容器高達十萬次以上的循環(huán)壽命相比有較大距離。受其儲能機理的影響，非對稱電容器的充放電效率較低，一般都低于85％，這對能源的利用不夠經(jīng)濟。此外，Ni(OH)2等高能量活性物質(zhì)其價格高于活性炭，大量使用會增加電化學電容器的生產(chǎn)成本。
本發(fā)明旨在單體電化學雙電層電容器的兩極中分別添加少量的高容量活性物質(zhì)，經(jīng)活化后它們可在一定電位區(qū)間少量存儲能量，使得水溶液電解液雙電層電容器可以在較高的電壓范圍內(nèi)進行安全穩(wěn)定的工作，單電極比容量也有所增加，從而改善單體電容器能量密度和安全性能。通過添加納米級導電材料，使電極導電性能更佳，可賦予電化學電容器更好的持續(xù)大電流充放電能力。
選擇具有較好的機械強度、浸潤性好、吸液量大、保濕性優(yōu)良的隔膜材料，于電解液中浸漬。選擇堿性水溶液為電解液，正負極片分別在電解液中真空浸漬后，加壓封裝，組裝成單體電容器。
可將多個單體電容器進行串并聯(lián)，構(gòu)成高容量高電壓電容器組；也可制成疊成式雙電極高壓電化學電容器。
本發(fā)明利用高容量活性物質(zhì)特性，將水溶液電化學電容器的穩(wěn)定工作電壓上限由1V提升至1.2V以上，復合電容器能量密度的增幅可達45％以上，同時可改善電容器的安全性與穩(wěn)定性，對雙電層電容器較高的自放電電現(xiàn)象有抑制作用。
本發(fā)明在雙電層電容器的兩極分別添加少量高容量活性物質(zhì)，工藝較為簡單，無須更改現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備。
本發(fā)明還采用納米碳材料作為電極導電劑，可顯著增加復合電容器電極的導電性能。
本發(fā)明的優(yōu)點在于1、通過在單體電化學雙電層電容器的碳電極中分別添加少量的高容量活性物質(zhì)，經(jīng)活化后可在一定電位區(qū)間少量存儲能量，有效提升水溶液電解液雙電層電容器的穩(wěn)定工作電壓，單電極比容量也有所增加，從而顯著改善單體電容器能量密度和安全性能。工藝簡單，易操作。
2、通過添加納米級導電碳材料，使電極導電性能更為優(yōu)越，賦予電化學電容器更好的充放電性能。
3、因高容量活性材料本身的電化學性能，經(jīng)活化后的正負極活性物質(zhì)有一平衡電位差，這種電位差的平衡趨勢可以在一定程度上抑制雙電層電容較高的自放電現(xiàn)象。
4、該新型復合雙電層電容器所用原材料均對環(huán)境友好，是一種安全綠色的新型儲能器件。
權(quán)利要求
1.一種新型綠色復合電化學雙電層電容器，其特征在于在單體水溶液電解液碳電極雙電層電化學電容器兩極分別添加一定比例具有高容量性質(zhì)的活性物質(zhì)，活性物質(zhì)經(jīng)激活后即而在電化學電容器內(nèi)部存儲電能，與原雙電層電容器相比，電池活性物質(zhì)的加入可提升其穩(wěn)定工作電壓以及單電極比容量，改善電化學電容器的比能量性質(zhì)和安全性能，根據(jù)添加電池活性物質(zhì)比例及所選工作電壓之不同，能量密度可增加45％～70％。還可通過在電極中添加納米級電子導體，增加電極導電性，賦予電化學電容器更好的充放電性能。復合電極的制備工藝如下將高比表面多孔活性材料、儲氫材料、導電劑、粘結(jié)劑按重量百分比A∶B∶C∶D的比例混合，通過調(diào)漿、涂片、真空干燥、壓片、等工藝制備復合電化學電容器負極；將高比表面多孔活性材料、Ni(OH)2、導電劑、粘結(jié)劑按重量百分比X∶Y∶Z∶W的比例混合，通過調(diào)漿、涂片、真空干燥、壓片等工藝制備電化學電容器正極。
2.按照權(quán)利要求1中所述的儲氫材料包括稀土類如LaNi5、LaNi5-xAx(A＝Al，Mn，Co，Cu等)、MmNi5(Mm為混合稀土)等，鈦系類如TiNi、Ti2Ni等，鎂系類如Mg2Ni、Mg2Cu等，鋯系類如ZrMn2等以及上述各類的表面修飾和改性物和碳納米管等。
3.按照權(quán)利要求1中所述的導電劑包括新型納米碳材料、導電石墨、電池乙炔黑、金屬粉末(如鎳粉、鈷粉等)、中間相碳微球等以及它們的各種比例組合。
4.按照權(quán)利要求1中所述的高比表面多孔活性材料包括活性炭、活性炭纖維、納米碳材料、石墨、乙炔黑、中間相碳微球等以及它們的各種組合。
5.按照權(quán)利要求1中所述的重量百分比范圍A、X為50～90％；B、Y為1～50％；C、Z為0～20％；D、W為1～10％。
6.經(jīng)堿性電解液浸漬后的正負電極與隔膜經(jīng)加壓封裝后構(gòu)成單體復合電化學電容器，根據(jù)所需工作電壓的和所需容量的不同，可將單體電容器進行串并聯(lián)組合，或直接制成雙電極高壓電容器。
7.按照權(quán)利要求6中所述的堿性電解液為不同濃度的KOH、NaOH、LiOH溶液或它們的不同組合；隔膜為聚丙烯無紡布、多孔玻璃纖維、聚乙烯微孔膜等。
全文摘要
本發(fā)明通過在單體雙電層電化學電容器的兩極分別添加一定比例具有高容量性質(zhì)的活性物質(zhì)，可顯著提升堿性水溶液電化學電容器的穩(wěn)定工作電壓，同時還可獲得較高的單電極比容量，從而有效改善單體雙電層電化學電容器的比能量性質(zhì)和安全性能，根據(jù)所加活性物質(zhì)比例及所選工作電壓之不同，能量密度可增加45％～70％，并可較好地抑制雙電層電容器的高自放電現(xiàn)象。本發(fā)明還可應用新型納米級導電材料，使電極具有優(yōu)越的導電性能，從而賦予電化學電容器更好的充放電性能。
文檔編號H01G9/02GK1426077SQ0310058
公開日2003年6月25日 申請日期2003年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月20日
發(fā)明者吳鋒, 蘇岳鋒, 趙淑紅, 陳實, 王國慶, 單忠強, 毛立彩 申請人:北京理工大學, 國家高技術(shù)綠色材料發(fā)展中心