專利名稱：活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電容器及其制備方法，特別是涉及一種活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器及其制備方法。
背景技術(shù)：
超級(jí)電容器具有比普通電容器高10倍以上的能量密度，同時(shí)具有比普通蓄電池高近10倍的功率密度，是對(duì)這兩類器件的中間應(yīng)用領(lǐng)域補(bǔ)充或者對(duì)二者性能進(jìn)行增強(qiáng)的新型電子器件，主要包括雙電層電容器和偽電容型電容器，前者是利用材料表面的雙電層效應(yīng)，如圖1所示雙電層電容器原理圖，通過(guò)電荷在其表面的脫/吸附儲(chǔ)存/釋放電能的原理，制備的一種電子器件，本發(fā)明即為該類型電容器。
雙電層原理是電化學(xué)領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)非常基礎(chǔ)的理論，其在19世紀(jì)即開(kāi)始發(fā)展，但是利用這一原理制備電容器，在20世紀(jì)中后期才出現(xiàn)。特別在80年代該器件得到最多的發(fā)展，特別以日本NEC公司制備的“Gold”電容器為標(biāo)志。直到進(jìn)入90年代，雙電層電容器主要是制備小型法拉級(jí)器件，其壽命長(zhǎng)、自放電小并免維護(hù)，但其內(nèi)阻比較大，一般達(dá)幾十歐姆以上，主要在毫安及以下級(jí)小電流情況下工作，在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中替代電池是其典型的應(yīng)用場(chǎng)合。
從上世紀(jì)90年代以來(lái)，高功率型超級(jí)電容器的研究得到重視，在20世紀(jì)的末期，美國(guó)Maxwell公司、日本Panasonic公司、NEC公司以及俄羅斯ECOND公司等均研制生產(chǎn)出了基于雙電層的產(chǎn)品級(jí)超級(jí)電容器，這一器件的高能量高功率特性隨著這些產(chǎn)品的出現(xiàn)，應(yīng)用也得到不斷的開(kāi)拓，特別是近來(lái)電動(dòng)汽車研究的推進(jìn)，其起動(dòng)、加速、爬坡以及剎車等場(chǎng)合均可以使超級(jí)電容器得以應(yīng)用，因此高功率型超級(jí)電容器的需求越來(lái)越迫切。
較早的雙電層超級(jí)電容器多采用活性炭糊狀電極制備，如ECOND公司申請(qǐng)的美國(guó)專利U.S.5,557,497中采用活性炭為主要活性材料制備單元雙電層超級(jí)電容器，采用水性電解質(zhì)體系，并用單元內(nèi)部串聯(lián)的方式制作最終器件，采用加較高壓力的方式降低內(nèi)阻，提高其功率性能，其存在單元耐用低，能量密度小，組裝復(fù)雜等問(wèn)題。
美國(guó)專利U.S.4,562,511中建議采用噴涂熔融金屬的方法來(lái)提高電極與集電級(jí)之間的接觸性，達(dá)到減低內(nèi)阻，提高功率密度的目的，其專利中沒(méi)有作更詳細(xì)的闡述。另外還有奧本大學(xué)采用金屬纖維與活性炭纖維共織物制備電容器極板，減低電容器內(nèi)阻，這個(gè)工藝過(guò)于復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)低成本化。
Maxwell公司申請(qǐng)的美國(guó)專利U.S.6,430,031等專利文件詳細(xì)的闡述了其活性炭纖維超級(jí)電容器的制備方法，其采用了等離子噴涂等工藝在活性炭纖維一面復(fù)合鋁層，然后采用其文件中描述的方法組裝多極板單一有機(jī)電解液超級(jí)電容器。與本專利相比較，其復(fù)合鋁質(zhì)量占復(fù)合極板的42～53％，而本專利中僅為15～30％；本專利的極板組裝為單一疊層方式，其內(nèi)阻更低，制作更為簡(jiǎn)單；另外，本專利采用的活性炭纖維在寬比表面積范圍內(nèi)，特別是相對(duì)較低的比表面積上(Maxwell 2500M2，本專利1000M2)仍具有優(yōu)良的能量密度與功率密度，眾所周知，在本專利范圍內(nèi)的活性炭纖維很容易低成本獲取，而超高比表面積活性炭纖維布其工藝要求苛刻，價(jià)格高昂。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種具有高能量密度與功率密度的電化學(xué)雙電層電容器，更具體的是采用活性炭纖維布，以噴涂方式將熔融鋁復(fù)合于活性炭纖維布表面，以此作為極板制備的電化學(xué)雙電層電容器。
本發(fā)明的目的在于改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)之缺點(diǎn)，提供活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器及其制備方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下設(shè)計(jì)方案活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器的制備方法步驟1，以粘膠、丙腈等原料為基材，經(jīng)纖維拉絲之后，紡織成纖維布，將纖維布在400～600℃溫度下炭化之后成為炭纖維布，之后在催化劑作用下，在600～1000℃、水蒸氣氣氛中進(jìn)行活化得到活性炭纖維布；步驟2，對(duì)活性炭纖維布的邊緣進(jìn)行保護(hù)，在4～8Kg/cm2的壓縮空氣下，以電弧噴涂的方式將高純鋁絲熔融噴射到活性炭纖維布的表面，噴涂厚度達(dá)到表面剛好形成薄層連續(xù)鋁面，噴涂鋁復(fù)合之后，活性炭纖維內(nèi)部也滲入部分鋁，構(gòu)成一個(gè)導(dǎo)電骨架網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將活性炭纖維一部分容納于其內(nèi)，采用該方式的復(fù)合鋁質(zhì)量為復(fù)合極板的15～30％；步驟3，鋁箔采用超聲點(diǎn)焊極耳或自引出方式制作集流體，隔膜采用多孔PP膜等耐電解液材料，以集流體、極板、隔膜、極板、集流體順序疊層，集流體與極板尺寸匹配，隔膜大于極板；以卷繞或不斷反向折疊的方式制備電容器內(nèi)芯，折疊完成電容器內(nèi)芯之后，在其整體外表面包覆絕緣材料，用壓力將內(nèi)芯壓實(shí)。根據(jù)內(nèi)芯設(shè)計(jì)出殼體尺寸。
步驟4，將內(nèi)芯擠入電容器殼體內(nèi)，裝配上端蓋，采用激光、氬弧焊接或卷邊壓縮密封，僅留注液孔與外界相通；將上述裝配完成的干態(tài)雙電層電容器內(nèi)芯放入真空干燥箱內(nèi)進(jìn)行除水處理，溫度控制在30～80℃，時(shí)間2～12小時(shí)；之后在干燥氣體保護(hù)下取出，以減壓注液方式加入有機(jī)電解液，密封注液孔，成為雙電層電容器成品。
本發(fā)明活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器由極板、集流體、隔膜、有機(jī)電解液、殼體、極柱、極耳、端蓋組成，極板由在活性炭纖維布的一個(gè)表面復(fù)合有金屬鋁層組成，鋁含量為極板質(zhì)量的15～30％，所述的活性炭纖維布的比表面積大于500m2/g，優(yōu)選800～1600m2/g，厚度小于1mm，優(yōu)選小于0.5mm，面密度小于250g/m2，優(yōu)選小于150g/m2。所述的極板的噴涂面與集流體接觸，非噴涂面與隔膜接觸，集流體、極板、隔膜構(gòu)成雙電層電容器內(nèi)芯，所述的內(nèi)芯放入殼體內(nèi)，極耳與電極連接，端蓋與殼體連接，殼體內(nèi)有有機(jī)電解液。
與現(xiàn)有技術(shù)的復(fù)合鋁質(zhì)量占復(fù)合極板的42～53％相比較，本專利僅為15～30％；本專利的極板組裝為單一疊層方式，其內(nèi)阻更低，制作更為簡(jiǎn)單；另外，本專利采用的活性炭纖維在寬比表面積范圍內(nèi)，特別是相對(duì)較低的比表面積上(Maxwell 2500M2，本專利1000M2)仍具有優(yōu)良的能量密度與功率密度，在本專利范圍內(nèi)的活性炭纖維很容易低成本獲取，而超高比表面積活性炭纖維布其工藝要求苛刻，價(jià)格高昂。
本發(fā)明的活性炭纖維布，具有500m2/g以上的比表面積，比表面積更高可以達(dá)到更好的電容性能，但高比表面積的活性炭纖維布目前其制作難度較大，價(jià)格高昂。在本發(fā)明中，可以使普通活性炭纖維布達(dá)到較好的電容性能，使電容器成本得以最大的降低。圖16為雙電層電容器恒流充放電曲線圖，從該圖的曲線特性上，可看出本發(fā)明的電容性能優(yōu)越。


圖1，雙電層電容器原理2，折疊方形內(nèi)芯結(jié)構(gòu)3，扣式雙電層電容器結(jié)構(gòu)4，卷繞圓形內(nèi)芯結(jié)構(gòu)5，卷繞方形內(nèi)芯結(jié)構(gòu)6，活性炭纖維布/鋁復(fù)合極板結(jié)構(gòu)7，雙電層電容器隔膜結(jié)構(gòu)8，噴涂工藝示意9，集流體—極耳連接結(jié)構(gòu)9-1，集流體—極耳結(jié)構(gòu)10，極耳—極柱連接結(jié)構(gòu)10-1，雙電層電容器結(jié)構(gòu)11，防轉(zhuǎn)動(dòng)上端蓋結(jié)構(gòu)12，活性炭纖維布制作流程13，雙電層電容器制作流程14，單端極柱引出結(jié)構(gòu)15，雙端極柱引出結(jié)構(gòu)16，雙電層電容器恒流充放電曲線圖
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1如圖12活性炭纖維布制作流程圖、圖13雙電層電容器制作流程圖所示，本發(fā)明活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器的制備方法步驟1，以粘膠、丙腈等原料為基材，經(jīng)纖維拉絲之后，紡織成纖維布，將纖維布在400℃溫度下炭化之后成為炭纖維布，之后在KOH催化劑作用下，在600℃、水蒸氣氣氛中進(jìn)行活化得到活性炭纖維布；步驟2，對(duì)活性炭纖維布的邊緣進(jìn)行保護(hù)，在4Kg/cm2的壓縮空氣下，采用電弧噴涂或等離子噴涂進(jìn)行鋁復(fù)合，將高純鋁絲熔融噴射到活性炭纖維布的表面，噴涂厚度達(dá)到表面剛好形成薄層連續(xù)鋁面，噴涂鋁復(fù)合之后，活性炭纖維內(nèi)部也滲入部分鋁，構(gòu)成一個(gè)導(dǎo)電骨架網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將活性炭纖維一部分容納于其內(nèi)，同時(shí)活性炭纖維的非鋁面保持其本身的柔性，以便于最大限度的降低電容器中隔膜接觸面的內(nèi)阻；如圖6活性炭纖維布/鋁復(fù)合極板結(jié)構(gòu)圖，采用該方式的復(fù)合鋁質(zhì)量為復(fù)合極板的15％；步驟3，鋁箔采用超聲點(diǎn)焊極耳或自引出方式制作集流體，隔膜采用多孔PP膜等耐電解液材料，如圖7所示雙電層電容器隔膜結(jié)構(gòu)，以集流體2、極板1、隔膜3、極板1、集流體2順序疊層，集流體2與極板1尺寸匹配，隔膜3大于極板1；以卷繞或不斷反向折疊的方式制備電容器內(nèi)芯，折疊完成電容器內(nèi)芯之后，在其整體外表面包覆絕緣材料，如聚丙稀材料，用壓力將內(nèi)芯壓實(shí)。根據(jù)內(nèi)芯設(shè)計(jì)出殼體尺寸。
步驟4，將內(nèi)芯擠入電容器殼體5內(nèi)，裝配上端蓋8，采用激光、氬弧焊接或卷邊壓縮密封，僅留注液孔30與外界相通；將上述裝配完成的干態(tài)雙電層電容器內(nèi)芯放入真空干燥箱內(nèi)進(jìn)行除水處理，溫度控制在30℃，時(shí)間12小時(shí)；之后在干燥氣體(如干燥N2)保護(hù)下取出，以減壓注液方式加入有機(jī)電解液4，上述內(nèi)芯有機(jī)電解液4作為工作電解液，其工作電壓在2.3V以上，特別采用1.7MEt4NBF4/AN，有機(jī)電解液其水分含量不大于100PPM，優(yōu)選不大于20PPM。密封注液孔，成為雙電層電容器成品。
實(shí)施例2本發(fā)明活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器的制備方法步驟1，以粘膠、丙腈等原料為基材，經(jīng)纖維拉絲之后，紡織成纖維布或纖維氈，將纖維布或纖維氈在600℃溫度下炭化之后成為炭纖維布或炭纖維氈，之后在NaOH催化劑作用下，在1000℃、水蒸氣氣氛中進(jìn)行活化得到活性炭纖維布或活性炭纖維氈；
步驟2，對(duì)活性炭纖維布或活性炭纖維氈的邊緣進(jìn)行保護(hù)，在8Kg/cm2的壓縮空氣下，以電弧噴涂的方式將高純鋁絲或金屬鎳絲熔融噴射到活性炭纖維布或活性炭纖維氈的表面，噴涂厚度達(dá)到表面剛好形成薄層連續(xù)鋁面或金屬鎳面，噴涂之后，活性炭纖維或活性炭纖維氈內(nèi)部也滲入部分上述的金屬，構(gòu)成一個(gè)導(dǎo)電骨架網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將活性炭纖維一部分容納于其內(nèi)，同時(shí)活性炭纖維的非金屬面12保持其本身的柔性，以便于最大限度的降低電容器中隔膜接觸面的內(nèi)阻；采用該方式的復(fù)合鋁質(zhì)量為復(fù)合極板的30％；步驟3，鋁箔采用超聲點(diǎn)焊極耳7或自引出方式制作集流體2，隔膜3采用多孔PP膜等耐電解液材料，隔膜3也可為多孔PE膜，或聚丙稀/聚乙烯復(fù)合膜，以集流體2、極板1、隔膜3、極板1、集流體2順序疊層，集流體2與極1尺寸匹配，隔膜3比極板1稍大以避免兩極直接發(fā)生電子導(dǎo)通；以卷繞或不斷反向折疊的方式制備電容器內(nèi)芯60，折疊完成電容器內(nèi)芯60之后，在其整體外表面包覆絕緣材料，如聚四氟乙烯材料，以阻止內(nèi)芯在電容器殼體內(nèi)與殼體發(fā)生電子導(dǎo)通；用壓力將內(nèi)芯壓實(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)出殼體尺寸。
步驟4，將內(nèi)芯60擠入電容器殼體5內(nèi)，裝配上端蓋8，采用激光、氬弧焊接或卷邊壓縮密封，僅留注液孔30與外界相通；將上述裝配完成的干態(tài)雙電層電容器內(nèi)芯60放入真空干燥箱內(nèi)進(jìn)行除水處理，溫度控制在80℃，時(shí)間3小時(shí)；之后在干燥氣體(如干燥Ar2)保護(hù)下取出，以減壓注液方式加入相應(yīng)質(zhì)量的有機(jī)電解液4，上述內(nèi)芯60以有機(jī)電解液4作為工作電解液，其工作電壓在2.3V以上，特別采用1～1.7MEt4NBF4/AN，有機(jī)電解液其水分含量?jī)?yōu)選不大于10PPM。密封注液孔，成為雙電層電容器成品。
實(shí)施例3本發(fā)明活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器的制備方法步驟1，以粘膠、丙腈等原料為基材，經(jīng)纖維拉絲之后，紡織成纖維布，將纖維布在500℃溫度下炭化之后成為炭纖維布，之后在NH3PO4催化劑作用下，在800℃、水蒸氣氣氛中進(jìn)行活化得到活性炭纖維布；步驟2，對(duì)活性炭纖維布的邊緣進(jìn)行保護(hù)，在5Kg/cm2的壓縮空氣下，以電弧噴涂的方式將高純鋁絲熔融噴射到活性炭纖維布的表面，噴涂厚度達(dá)到表面剛好形成薄層連續(xù)鋁面，噴涂鋁復(fù)合之后，活性炭纖維內(nèi)部也滲入部分鋁，構(gòu)成一個(gè)導(dǎo)電骨架網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將活性炭纖維一部分容納于其內(nèi)，同時(shí)活性炭纖維的非鋁面保持其本身的柔性，以便于最大限度的降低電容器中隔膜接觸面的內(nèi)阻；采用該方式的復(fù)合鋁質(zhì)量為復(fù)合極板的20％；步驟3，鋁箔采用超聲點(diǎn)焊極耳7或自引出方式制作集流體2，集流體2也可為鎳箔，隔膜3采用多孔PP膜等耐電解液材料，其厚度小于0.2mm，最好小于0.05mm，以集流體2、極板1、隔膜3、極板1、集流體2順序疊層，集流體2與極板1尺寸匹配，隔膜3大于極板1；以卷繞或不斷反向折疊的方式制備電容器內(nèi)芯60，折疊完成電容器內(nèi)芯60之后，在其整體外表面包覆絕緣材料，如玻璃鋼材料，用壓力將內(nèi)芯壓實(shí)。
步驟4，將內(nèi)芯擠入電容器殼體5內(nèi)，裝配上端蓋8，采用激光、氬弧焊接或卷邊壓縮密封，僅留注液孔30與外界相通；將上述裝配完成的干態(tài)雙電層電容器內(nèi)芯放入真空干燥箱內(nèi)進(jìn)行除水處理，溫度控制在50℃，時(shí)間8小時(shí)；之后在干燥氣氛(如干燥空氣)保護(hù)下取出，以減壓注液方式加入相應(yīng)質(zhì)量的有機(jī)電解液4，有機(jī)電解液4其電解質(zhì)為高純干燥鋰鹽，如LiClO4、LiPF6、LiPF4等，季胺鹽，如Et4NBF4、Et(CH4)3NBF4等，或其混合物，有機(jī)溶劑采用無(wú)水PC、EC、DMC、DEC、EMC、AN、GBL、THF、NMF單體或其混合物等，以0.5～2M的配比制備電解液，密封注液孔，成為雙電層電容器成品。
實(shí)施例4如圖8噴涂工藝示意圖所示，在上述的實(shí)施例1或2或3中，有選擇活性炭纖維布83，要求完整無(wú)破損，其厚度為0.5mm或小于0.5mm，面密度120～250g/m2，優(yōu)選120～200g/m2的步驟，將活性炭纖維布83平整放置于強(qiáng)排風(fēng)的保護(hù)罩81內(nèi)(通風(fēng)柜)的固定傾斜平板80上，活性炭纖維布83各邊緣以寬5cm的平整壓條82固定于平板80上，本實(shí)施例采用電弧噴涂進(jìn)行鋁復(fù)合。
噴涂工作采用的壓縮空氣壓力為4～7MPa，優(yōu)選5.5～6.5MPa，從空氣壓縮機(jī)引出的壓縮空氣經(jīng)過(guò)干燥處理。噴涂材料采用高純鋁絲85，鋁絲85直徑為2mm，繞卷于噴涂設(shè)備送絲輪上。在距離活性炭纖維布83(30～60)cm距離遠(yuǎn)，優(yōu)選40～50cm，噴槍84送壓縮空氣，然后起弧朝向活性炭纖維布83噴射熔融或半熔融狀的鋁微粒。以活性炭纖維布83表面完全覆蓋鋁微粒并形成均勻連續(xù)結(jié)構(gòu)為限。
復(fù)合鋁量為整個(gè)復(fù)合極板的15～30％，優(yōu)選20～25％。
實(shí)施例5單體雙電層電容器的制備如圖10所示，本實(shí)用新型活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器由極板1、集流體2、隔膜3、有機(jī)電解液4、殼體5、極柱6、極耳7、端蓋8組成，集流體2采用鋁箔材料，也可采用鎳箔；有裁切的步驟，鋁箔集流體2裁切為10cm寬的長(zhǎng)條，邊緣平齊無(wú)毛刺，等距離以超聲點(diǎn)焊厚質(zhì)極耳7，其寬度為10mm，厚度大于0.1mm，單極集流體2引出極耳數(shù)量為20。另一類型為在15cm寬鋁箔集流體2上，在其一邊經(jīng)裁切保留40以上數(shù)量，寬度大于10mm的自引出極耳7。
電容器紙隔膜3為11cm寬長(zhǎng)條，長(zhǎng)度上比集流體2多10cm。檢查隔膜，要求無(wú)任何破損，無(wú)沙眼，無(wú)污染，邊緣整齊。將復(fù)合極板裁切為10cm寬的長(zhǎng)條，要求邊緣整齊，無(wú)任何飛邊，長(zhǎng)度與集流體2等長(zhǎng)。極板1由在活性炭纖維布83的一個(gè)表面復(fù)合有金屬鋁層組成，活性炭纖維內(nèi)部滲入部分鋁，構(gòu)成一個(gè)導(dǎo)電骨架網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將活性炭纖維一部分容納于其內(nèi)，采用該方式的復(fù)合鋁質(zhì)量為復(fù)合極板的15～30％；所述的活性炭纖維布83的比表面積大于500m2/g，優(yōu)選800～1600m2/g，厚度小于1mm，優(yōu)選小于0.5mm，面密度小于250g/m2，優(yōu)選小于150g/m2。所述的復(fù)合有金屬鋁層可代替為復(fù)合有金屬鎳層?；钚蕴坷w維布83可采用活性炭纖維氈；所述的極板1的噴涂面11與集流體2接觸，非噴涂面12與隔膜3接觸，順序疊加集流體2、極板1、隔膜3、極板1、集流體2，極板復(fù)合鋁面11與鋁箔2相接觸，光面與隔膜3相接觸，鋁箔引出極耳7的朝向一致，同時(shí)保證兩極之間的極耳7無(wú)任何接觸。以不斷反向折疊的結(jié)構(gòu)組成雙電層電容器的單對(duì)極板折疊型內(nèi)芯60，為雙電層電容器內(nèi)芯，如圖2所示，然后在油壓機(jī)上將內(nèi)芯壓實(shí)，制備雙電層電容器內(nèi)芯。之后以PTFE薄膜均勻纏繞內(nèi)芯，使內(nèi)芯60與殼體5絕緣。
所述的內(nèi)芯60放入殼體5內(nèi)，極耳7與極柱6連接，端蓋8與殼體5連接，殼體5內(nèi)有有機(jī)電解液4，殼體5連接有卸壓閥或防爆閥50。
制備雙電層電容器內(nèi)芯60。如圖9所示，各極引出極耳7分別超聲焊接27在兩極柱底面，如圖15所示，極柱6位置分別在殼體5兩端，兩極極耳之間留出空間避免直接接觸。
將內(nèi)芯60擠壓進(jìn)入不銹鋼殼體5內(nèi)。裝配頂端蓋8，極柱7以螺母32緊固在端蓋8上，然后以氬弧焊或激光焊焊接殼體5上緣與頂端蓋8。將上述電容器放入真空烘箱內(nèi)，在小于0.1MPa的真空下升溫至60℃，干燥6小時(shí)，在Ar2保護(hù)下轉(zhuǎn)移至干燥氣氛內(nèi)，以真空注液方式注入有機(jī)電解液4。有機(jī)電解液4采用1.7M的無(wú)水Et4NBF4/AN，密封注液孔30，得到完整大容量雙電層電容器。
實(shí)施例6如圖9-1所示，本發(fā)明活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器由極板1、集流體2、隔膜3、有機(jī)電解液4、殼體5、極柱6、極耳7、端蓋8組成，采用于上述電容器相同的復(fù)合極板材料作為該型電容器極板1，其極板1寬度4cm。集流體2鋁箔寬度為4cm，采用超聲焊接極耳7與集流體2，如圖9-1所示；極耳7采用從集流體2長(zhǎng)度1/2位置引出，極耳寬度為4mm，以集流體2、極板1、隔膜3、極板1、集流體2、極板1、隔膜3、極板1，如圖5所示；或集流體2、極板1、隔膜3、極板1、集流體2、隔離膜40順序疊層，如圖4；在卷繞機(jī)圓形卷針上以卷繞方式將該疊層緊實(shí)構(gòu)成圓形雙電層電容器內(nèi)芯，以卷繞方式制作雙電層電容器的另一卷繞型內(nèi)芯。絕緣隔離體為聚丙稀，聚乙烯或其復(fù)合物，內(nèi)芯放入圓形鋁殼體5內(nèi)，鋁殼底部刻有防爆槽，然后在鋁殼上端滾擠形成密封用凹槽，采用如上述的干燥方式使內(nèi)芯達(dá)到完全干燥狀態(tài)。殼體5有真空浸滯有機(jī)電解液4，有機(jī)電解液4與上述的電容器相同。超聲焊接或鉚接極耳7與復(fù)合蓋板上的鋁質(zhì)極柱。在壓力封口機(jī)上通過(guò)模壓使鋁殼上緣相內(nèi)扣緊在端蓋8上，達(dá)到完全密封狀態(tài)。得到中型容量的雙電層電容器。該型電容器由于其殼體質(zhì)量小，其能量密度高。同時(shí)其極板面積小，漏電流相應(yīng)得到降低。
實(shí)施例7本實(shí)用新型活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器由極板1、集流體2、隔膜3、有機(jī)電解液4、殼體5、極柱6、極耳7、端蓋8組成，極柱6也可采用鋁極柱或鎳極柱或不銹鋼極柱，或鋁或鎳與其他金屬的復(fù)合極柱，但其與電解液接觸端為鋁質(zhì)或鎳質(zhì)。采用于上述電容器相同的復(fù)合極板材料作為該型電容器極板1，其極板1寬度4cm。集流體2鋁箔寬度為4cm，采用超聲焊接極耳7與集流體2，極耳7采用從集流體2長(zhǎng)度1/2位置引出，極耳7寬度為4mm。
實(shí)施例8如圖11、14所示，小型卷繞型矩形雙電層電容器的制備；本發(fā)明活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器由極板1、集流體2、隔膜3、有機(jī)電解液4、殼體5、極柱6、極耳7、端蓋8、螺母32、卸壓閥或防爆閥50、注液孔30組成。殼體5連接有卸壓閥或防爆閥50和注液孔30。極柱6有內(nèi)孔螺扣；所述的殼體5為矩形或圓形，材料為鋁或不銹鋼，端蓋8為酚醛樹(shù)脂—橡膠復(fù)合材料。端蓋8有防止轉(zhuǎn)動(dòng)孔31，極柱6與端蓋8連接采用配合異型結(jié)構(gòu)—防止轉(zhuǎn)動(dòng)孔31防止轉(zhuǎn)動(dòng)，如矩形端面、圓弧與直線結(jié)合端面等，并不僅限于此。端蓋8為金屬時(shí)，極柱6與殼體5之間填充絕緣材料33，如聚四氟乙烯，PVC，陶瓷，橡膠等，并不僅限與此。
與單體雙電層電容器內(nèi)芯相同的方式卷繞，但采用矩形卷針，卷出之后的形狀為橢圓型。卷繞完成之后將內(nèi)芯放入相應(yīng)的矩形模具內(nèi)壓實(shí)，得到矩形的電容器內(nèi)芯。
將該內(nèi)芯擠入矩形殼體5內(nèi)，焊接極耳與引出電極(可以用殼體作為其中一極引出)，采用激光焊接頂部端蓋，僅留出注液孔與外界相通。經(jīng)干燥之后，真空注液，然后密封注液孔30，得到小型矩形雙電層電容器。
實(shí)施例9如圖9所示，鋁箔采用超聲點(diǎn)焊極耳或自引出方式作為本電容器的集流體2，為降低電容器的整體體積和質(zhì)量，鋁箔集流體應(yīng)盡可能薄，如0.02mm或更薄，極耳7的數(shù)量應(yīng)根據(jù)電容器承受最大電流的能力來(lái)決定。根據(jù)容量要求設(shè)計(jì)的殼體5，通常有矩形、圓形和扣式的形狀，圖2，3，4，5。殼體5上有卸壓閥或防爆閥/槽50，在內(nèi)部壓力達(dá)到一定情況下開(kāi)啟，保證在濫用情況下的安全性。內(nèi)芯引出的多個(gè)極耳7按正負(fù)并聯(lián)組合，以大功率超聲焊接60的方式大范圍的連接在引出極柱6上，如圖10所示。禁止兩極極耳、極柱之間相互發(fā)生電子導(dǎo)通。將內(nèi)芯擠入電容器殼體5內(nèi)，裝配上端蓋8，采用激光、氬弧焊接或卷邊壓縮密封，僅留注液孔30與外界相通，極柱6引出還可采用單極柱引出，以金屬殼體5為一極引出，極柱6引出采用殼體5的單端雙極柱引出，或殼體5的雙端極柱引出。
將上述裝配完成的干態(tài)雙電層電容器內(nèi)芯放入真空干燥箱內(nèi)進(jìn)行除水處理，溫度控制在30～80℃，時(shí)間2～12小時(shí)。之后在干燥氣氛(如干燥N2、Ar2、空氣等)空氣保護(hù)下取出，以減壓注液方式加入相應(yīng)質(zhì)量的有機(jī)電解液，密封注液孔，成為雙電層電容器成品本電容器的隔膜采用多孔PP膜等耐電解液材料，為了最大限度降低隔膜內(nèi)阻，該隔膜應(yīng)選擇高孔率薄型薄膜，另外，隔膜材料應(yīng)具有較好的強(qiáng)度，以保證在一定壓力下不發(fā)生極板對(duì)隔膜的刺穿而導(dǎo)致隔離的兩極發(fā)生電子導(dǎo)通。
剛折疊完成的內(nèi)芯非常蓬松，需要用一定壓力將內(nèi)芯壓實(shí)，內(nèi)芯壓實(shí)對(duì)提高電容器體積比能量和功率都是極為有利的。壓實(shí)之后的內(nèi)芯在相同活性炭纖維布原料和相同電解液情況下，電容器容量由給定極板的面積決定，根據(jù)內(nèi)芯可以方便的設(shè)計(jì)出殼體尺寸。
本雙電層電容器的殼體材料應(yīng)選用耐電解液的材料，同時(shí)其具有良好的氣和液隔離性，并防止?jié)B入，保證電容器內(nèi)部氣氛與外界環(huán)境的完全隔離，還應(yīng)具備較好的強(qiáng)度，鋁或不銹鋼是滿足上述要求的材料，在本發(fā)明中得到應(yīng)用。
有機(jī)電解液的電解質(zhì)采用干燥鋰鹽，如LiClO4、LiPF6、LiPF4等，季胺鹽，如Et4NBF4等，或其混合物，有機(jī)溶劑采用無(wú)水PC、EC、DMC、DEC、EMC、AN、GBL、THF、NMF單體或其混合物等，以0.5～2M的配比制備電解液，特別是采用1～1.7M Et4NBF4/AN，密封待用。
權(quán)利要求
1.一種活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器的制備方法，其特征在于步驟1，以粘膠、丙腈等原料為基材，經(jīng)纖維拉絲之后，紡織成纖維布，將纖維布在400～600℃溫度下炭化之后成為炭纖維布，之后在催化劑作用下，在600～1000℃、水蒸氣氣氛中進(jìn)行活化得到活性炭纖維布；步驟2，對(duì)活性炭纖維布的邊緣進(jìn)行保護(hù)，在4～8Kg/cm2的壓縮空氣下，以電弧噴涂的方式將高純鋁絲熔融噴射到活性炭纖維布的表面，噴涂厚度達(dá)到表面剛好形成薄層連續(xù)鋁面，噴涂鋁復(fù)合之后，活性炭纖維內(nèi)部也滲入部分鋁，構(gòu)成一個(gè)導(dǎo)電骨架網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將活性炭纖維一部分容納于其內(nèi)，采用該方式的復(fù)合鋁質(zhì)量為復(fù)合極板的15～30％；步驟3，鋁箔采用超聲點(diǎn)焊極耳或自引出方式制作集流體，隔膜采用多孔PP膜等耐電解液材料，以集流體、極板、隔膜、極板、集流體順序疊層，集流體與極板尺寸匹配，隔膜大于極板；以卷繞或不斷反向折疊的方式制備電容器內(nèi)芯，折疊完成電容器內(nèi)芯之后，在其整體外表面包覆絕緣材料，用一定壓力將內(nèi)芯壓實(shí)；步驟4，將內(nèi)芯擠入電容器殼體內(nèi)，裝配上端蓋，采用激光、氬弧焊接或卷邊壓縮密封，僅留注液孔與外界相通；將上述裝配完成的干態(tài)雙電層電容器內(nèi)芯放入真空干燥箱內(nèi)進(jìn)行除水處理，溫度控制在30～80℃，時(shí)間2～12小時(shí)；之后在干燥氣氛保護(hù)下取出，以減壓注液方式加入有機(jī)電解液，密封注液孔，成為雙電層電容器成品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器的制備方法，其特征在于采用電弧噴涂的方式或等離子噴涂進(jìn)行鋁復(fù)合，以集流體、極板、隔膜、極板、集流體、極板、隔膜、極板或集流體、極板、隔膜、極板、集流體、隔離膜順序疊層結(jié)構(gòu)，在卷繞機(jī)圓形卷針上以卷繞方式將該疊層緊實(shí)構(gòu)成圓形雙電層電容器內(nèi)芯。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器的制備方法，其特征在于有裁切的步驟，裁切鋁箔集流體為長(zhǎng)條，另一類型為在鋁箔集流體上，在其一邊經(jīng)裁切保留40以上數(shù)量自引出極耳，裁切電容器紙隔膜長(zhǎng)度大于集流體，裁切復(fù)合極板裁切為長(zhǎng)條，長(zhǎng)度與集流體等長(zhǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器的制備方法，其特征在于其特征在于所述的活性炭纖維布的比表面積優(yōu)選800～1600m2/g，厚度優(yōu)選小于0.5mm，面密度優(yōu)選小于150g/m2。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器的制備方法，其特征在于所述的復(fù)合有金屬鋁層可代替為復(fù)合有金屬鎳層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器的制備方法，其特征在于所述的集流體也可采用鎳箔。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器的制備方法，其特征在于所述的有機(jī)電解液作為工作電解液，其工作電壓在2.3V以上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器的制備方法，其特征在于所述的有機(jī)電解液采用1～1.7MEt4NBF4/AN，有機(jī)電解液其水分含量不大于100PPM。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器的制備方法，其特征在于有機(jī)電解液其水分含量?jī)?yōu)選不大于20PPM。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器的制備方法，其特征在于所述的活性炭纖維布也可采用薄活性炭纖維氈。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器的制備方法，其特征在于所述的活性炭纖維布也可采用薄活性炭纖維氈。
12.根據(jù)權(quán)利要求1或2或10所述的活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器的制備方法，其特征在于有機(jī)電解液其電解質(zhì)為高純干燥鋰鹽或其混合物，有機(jī)溶劑或其混合物，以0.5～2M的配比制備電解液。
13.根據(jù)權(quán)利要求1或2或10所述的活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器的制備方法，其特征在于極耳可采用超聲焊接厚型鋁、鎳箔，或采用集流體本身延伸引出，極耳與極柱連接采用大面積超聲焊接連接。
14.一種活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器由極板、集流體、隔膜、有機(jī)電解液、殼體、極柱、極耳、端蓋組成，其特征在于極板由在活性炭纖維布的一個(gè)表面復(fù)合有金屬鋁層組成，活性炭纖維內(nèi)部滲入部分鋁，構(gòu)成一個(gè)導(dǎo)電骨架網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將活性炭纖維一部分容納于其內(nèi)，復(fù)合鋁質(zhì)量為復(fù)合極板的15～30％；所述的活性炭纖維布的比表面積大于500m2/g，厚度小于1mm，面密度小于250g/m2，所述的極板的噴涂面與集流體接觸，非噴涂面與隔膜接觸，集流體、極板、隔膜構(gòu)成雙電層電容器內(nèi)芯，所述的內(nèi)芯放入殼體內(nèi)，極耳與電極連接，端蓋與殼體連接，殼體內(nèi)有有機(jī)電解液。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的一種活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器，其特征在于所述的活性炭纖維布的比表面積優(yōu)選800～1600m2/g，厚度優(yōu)選小于0.5mm，面密度優(yōu)選小于150g/m2。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的一種活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器，其特征在于順序疊加集流體、極板、隔膜、極板、集流體，以不斷反向折疊的結(jié)構(gòu)組成雙電層電容器的單對(duì)極板折疊型內(nèi)芯。
17.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的一種活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器，其特征在于以集流體、極板、隔膜、極板、集流體、極板、隔膜、極板或集流體、極板、隔膜、極板、集流體、隔離膜順序疊層結(jié)構(gòu)，在卷繞機(jī)圓形卷針上以卷繞方式將該疊層緊實(shí)構(gòu)成圓形雙電層電容器內(nèi)芯。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的一種活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器，其特征在于所述的復(fù)合有金屬鋁層可代替為復(fù)合有金屬鎳層。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的一種活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器，其特征在于所述的復(fù)合有金屬鋁層可代替為復(fù)合有金屬鎳層。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的一種活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器，其特征在于所述的集流體也可采用鎳箔。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的一種活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器，其特征在于所述的集流體也可采用鎳箔。
22.根據(jù)權(quán)利要求20或21所述的一種活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器，其特征在于所述的殼體為矩形或圓形，材料為鋁或不銹鋼，端蓋為酚醛樹(shù)脂-橡膠復(fù)合材料，極柱與端蓋連接采用配合異型結(jié)構(gòu)，極柱有內(nèi)孔螺扣。
23.根據(jù)權(quán)利要求20或21所述的一種活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器，其特征在于極柱也可采用鋁極柱或鎳極柱或不銹鋼極柱，或鋁或鎳與其他金屬的復(fù)合極柱，但其與電解液接觸端為鋁質(zhì)或鎳質(zhì)，極柱與端蓋連接采用配合異型結(jié)構(gòu)，端蓋有防止轉(zhuǎn)動(dòng)孔。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的一種活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器，其特征在于端蓋為金屬，極柱與殼體之間填充絕緣材料，極柱引出采用殼體的單端雙極柱引出，或殼體的雙端極柱引出，或殼體為一極單極柱為一極引出。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的一種活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器，其特征在于殼體連接有卸壓閥或防爆閥和注液孔。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器及其制備方法。步驟1，得到活性炭纖維布；步驟2，以電弧噴涂的方式將高純鋁絲熔融噴射到活性炭纖維布的表面，采用該方式的復(fù)合鋁質(zhì)量為復(fù)合極板的15～30％；步驟3，以集流體、極板、隔膜、極板、集流體順序疊層，以卷繞或不斷反向折疊的方式制備電容器內(nèi)芯；步驟4，裝配上端蓋，采用激光、氬弧焊接或卷邊壓縮密封，進(jìn)行除水處理，加入有機(jī)電解液，密封注液孔。本發(fā)明活性炭纖維布/噴涂鋁復(fù)合極板雙電層電容器由極板、集流體、隔膜、有機(jī)電解液、殼體、極柱、極耳、端蓋組成，與現(xiàn)有技術(shù)的復(fù)合鋁質(zhì)量占復(fù)合極板的42～53％相比較，本發(fā)明僅為15～30％。
文檔編號(hào)H01G9/155GK1549287SQ03124290
公開(kāi)日2004年11月24日 申請(qǐng)日期2003年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月8日
發(fā)明者王大志, 王曉峰, 阮殿波 申請(qǐng)人:北京集星世紀(jì)科技有限公司