專利名稱：高頻電化學(xué)電容器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電化學(xué)電容器，該電容器具有較高的容量，主要用于各種能 量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，在電子電路中也有潛在的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
電化學(xué)電容器是一種在電路中能體現(xiàn)出近似電容器行為的電化學(xué)器件，因為 能夠儲存的能量較傳統(tǒng)電容器多很多，故常被稱為超級電容器。超級電容器具有 比傳統(tǒng)電容器高的能量密度，以及比普通電池更大的功率密度，因此在某些應(yīng)用 上可以替代傳統(tǒng)的電容器和電池的作用。
電化學(xué)電容器的一個重要應(yīng)用是在一些對功率密度要求較高的場合，替代電 池或者與電池聯(lián)用來儲存能量。例如在電動汽車或者混合動力汽車中，儲存剎車 或者下坡時的能量，提供啟動以及上坡時的能量，從而降低車輛運行時功率的波 動幅度，提高能量利用效率。
電化學(xué)電容器的特點決定了它是一種需要頻繁地轉(zhuǎn)化充電、放電狀態(tài)的器件。 可以近似認(rèn)為在一種頻率不斷變化的交流負(fù)載下工作。由于負(fù)載性質(zhì)的不同，其 頻率變化的范圍也不相同。有一些應(yīng)用，比如用于照相機閃光燈，激光器電源等， 就可能會應(yīng)用在較高的頻率下。
從結(jié)構(gòu)上說，電化學(xué)電容器由正極、負(fù)極、隔離膜、電解液等部分以及外包 裝、引線、保護裝置等構(gòu)成。與鋰粒子二次電池相比，所用的電極材料不同，但
結(jié)構(gòu)上有相似性。按照與電池相似的工藝制造的電化學(xué)電容器，如市售的26650 型，直徑26mm,長65mm，在直流充放電中，可以達到170F的電容量，在0.1 Hz下，有130F的容量，在20Hz下，只有不足60F的電容，電容隨頻率升高而 迅速下降，嚴(yán)重地限制了超級電容器的應(yīng)用。由于電化學(xué)電容器電極的特點，以 及電容器制備工藝的限制，造成電容值會隨著頻率的變化而變化。 一般而言，頻 率越高，電容器的電容就越低
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是減小電化學(xué)電容器的電容隨頻率增加而降低的幅度，從而提 高其高頻應(yīng)用的性能。
對于電化學(xué)電容器來說，電容存在于電極材料與電解質(zhì)的界面。然而，電極 材料是比表面積^f艮大的多孔材料，其電子導(dǎo)電性不佳。電解液也總是有一定的電 阻，由于需要填充進孔的內(nèi)部，其電阻更大。電極材料需要涂布在集流體上，雖 然集流體的電阻率很低，但為得到較高的實際比電容，集流體材料往往較薄，造 成其電阻亦是不可忽略的。由于上述幾個因素，導(dǎo)致電化學(xué)電容器具有較大的內(nèi) 阻，當(dāng)電容器工作頻率較高時，會使一定量的電容不能發(fā)揮，表現(xiàn)出隨頻率的增 加電容下降的特點。因此本發(fā)明將通過對電極結(jié)構(gòu)設(shè)計以及優(yōu)化工藝參數(shù)，合理 地搭配上述幾個電阻的來源，從而使較高頻率下，電極材料的表面依然能夠有效 利用，達到比較高的電容量。
理論計算指出，降低電極到引線的電阻是改善高頻性能的主要方向，另一個 手段是平衡液相和固相的電阻。
集流體往往釆用高導(dǎo)電性的金屬箔制造，既能滿足電極導(dǎo)電的要求，又能盡 量減少整個器件中非活性材料的重量和體積。為了得到較小的內(nèi)阻，電極活性材 料不能涂布得太厚，因此集流體的面積依然很大。 一般的集流體展開后為長條形， 再接一條或多條引線在其上。本發(fā)明提出在集流體側(cè)面引出電流，以減小內(nèi)阻。 側(cè)面引出電流的方式有兩種，即正、負(fù)極.認(rèn)同側(cè)引出或,認(rèn)對側(cè)引出。本發(fā)明采用
對側(cè)引出方式， 一方面方便工藝過程，另一方面能有效平衡兩級內(nèi)阻，從而提高 高頻性能。本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案如下
一種電化學(xué)電容器，包括正電極，負(fù)電極，設(shè)置于正、負(fù)兩電極之間的隔 離膜，電解液，和以密閉狀態(tài)容納所述正、負(fù)電極、隔離膜和電解液的殼體，其 特征是每個電極的集流體的一個長邊的邊沿整體向外延伸形成該電極的電流引 出裝置，正電極的電流引出裝直和負(fù)電極的電流引出裝置分別位于電容器的兩端 面。
電極的電流引出裝置優(yōu)選為寬度2 8mm,長度與電極的長度相等。 可以將所有正電極的電流引出裝置連接為一體形成正極耳，將所有負(fù)電極的 電流引出裝置連接為一體形成負(fù)極耳。也可以另外設(shè)置正極耳和負(fù)極耳，正極耳 與所有正電極的電流引出裝置連接，負(fù)極耳與所有負(fù)電極的電流引出裝置連接， 連接方式可以采用焊接、壓接或粘接等。電解液可以采用電解質(zhì)的水溶液、或有機溶液、或離子液體。 還可通過平衡固相、液相的電阻來進一步提高電化學(xué)電容器的高頻性能，具
體是電化學(xué)電容器固相和液相的電阻比設(shè)計為0.8-1.2。可以采用調(diào)節(jié)固相的導(dǎo) 電性、調(diào)節(jié)粘結(jié)劑、以及通過加壓調(diào)節(jié)孔隙率等方法來平衡固相、液相的電阻。 本發(fā)明優(yōu)選在電極材料中添加導(dǎo)電添料，調(diào)節(jié)固相的導(dǎo)電性。本發(fā)明電化學(xué)電容 器的電極是在集流體上涂布含有電極活性材料、粘結(jié)劑和導(dǎo)電添料的電極材料， 經(jīng)烘干、滾壓后制得的，其中，導(dǎo)電添料的重量百分含量為2~10%。所述導(dǎo)電 添料優(yōu)選炭黑、炭納米纖維、炭納米管中的至少一種。電極材料可以采用有電化 學(xué)反應(yīng)的贗電容材料、無電化學(xué)反應(yīng)的雙電層材料以及這兩類材料的組合。對于 氧化物類的贗電容材料，由于其電子導(dǎo)電性比炭材料更低，因此更需要以改善及 平衡導(dǎo)電性方面為目的進行更細(xì)致的配方調(diào)整。
本發(fā)明還提供了 一種用于制造電化學(xué)電容器的電極，包括集流體和涂布于集 流體上的電極材料層，其特征是集流體的一個長邊的邊沿整體向外延伸出 2-8mm形成電流引出裝置。
本發(fā)明還提供了一種提高電化學(xué)電容器在較高頻率下的容量的方法，其特征 是將每個電極的集流體的一個長邊的邊沿整體向外延伸形成該電極的電流引出 裝置，電流從集流體的整個側(cè)面引出，并使正電極的電流引出裝置和負(fù)電極的電 流引出裝置分別位于電容器的兩端面，以平衡正負(fù)兩級的內(nèi)阻。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明將每個電極的集流體的一個長邊的邊沿整體向外延 伸形成該電極的電流引出裝置。用這種電極做成的層疊式電化學(xué)電容器，每一層 正電極的電流引出裝置都與正極耳連接，每一層負(fù)電極的電流引出裝置都與負(fù)極 耳連接，從而保證了整個電容器的電極都與極耳有一個較小的內(nèi)阻，因此能大大 提高電容器的高頻特性。對于用這種電極做成的巻繞式電化學(xué)電容器，正電極的 每一圏的端部均與正電極連接，負(fù)電極的每一圏的端部均與負(fù)電極連接， 一方面 保證了整個電容器的電極都與極耳有一個較小的內(nèi)阻，大大提高了電容器的高頻 特性，另一方面由于電流直接從側(cè)面引出，而不是按巻繞路徑流出，消除了環(huán)形 流動的電流，極大地降低了器件的電感。
另外，本發(fā)明電化學(xué)電容器的電極材料中添加了特定比例的導(dǎo)電添料，固相
5和液相的電阻比設(shè)計為0.8 ~ 1.2，進一步提高了電化學(xué)電容器的高頻性能。
圖la、 lb為本發(fā)明用于制造電化學(xué)電容器的電極片的結(jié)構(gòu)示意圖，其中， 圖la為正視圖，圖lb為側(cè)視圖2a、 2b為用圖1所示電極片制造巻繞式電化學(xué)電容器的巻繞方式示意圖； 圖3為按圖2所示方式巻繞好后的電極的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為另一種電化學(xué)電容器電極的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做進一步說明。 實施例l: 一種用于制造電化學(xué)電容器的電極。
參照圖la、 lb，本用于制造電化學(xué)電容器的電極1包括集流體13和涂布于 集流體13上的電極材料層12,集流體13的一個長邊的邊沿整體向外延伸出 3-8mm形成電流引出裝置11。
集流體13采用鋁箔，導(dǎo)電添料采用導(dǎo)電炭黑。 一種制造方法
1、 把活性炭5 kg、導(dǎo)電炭黑0.2 kg、聚偏氟乙烯(PVDF ) 0.6 kg加入到6 kg N-甲基吡咯烷酮(NMP )中，混合攪拌8小時，制成漿料。其中，PVDF為 粘結(jié)劑，NMP為溶劑。
2、 把混合好的漿料均勻的涂布在鋁箔上，涂布厚度為10~100微米，在100 ~ 130'C下烘干。然后在鋁箔另一面對稱地涂布相同的漿料，烘干。
3、 對電極片進行滾壓處理，使膜片上的電極更致密，有好的結(jié)合力。
4、 剪裁電極片。參照圖la、 lb，剪裁后的電極片長度為2.5m、鋁箔的寬度 為55mm，電極材料涂層的寬度為50mm，電流引出裝置11的寬度為5mm。
實施例2:另一種用于制造電化學(xué)電容器的電極。
實施例2的電極的結(jié)構(gòu)與實施例l相同，區(qū)別是實施例2中用炭納米管和炭
納米纖維做導(dǎo)電添料，導(dǎo)電劑的含量為3。/。。
實施例3: —種電化學(xué)電容器，其電極片被巻繞成截面類似跑道形的柱體。 參照圖2、 3,本電化學(xué)電容器包括正電極l,負(fù)電極3,設(shè)置于兩電極l、
3之間的隔離膜2，電解液，和以密閉狀態(tài)容納所述正電極l、負(fù)電極3、隔離膜2和電解液的殼體，每個電極的電流引出裝置是由該電極集流體的一個長邊的邊 沿整體向外延伸形成的，正電極l的電流引出裝置11和負(fù)電極3的電流引出裝 置31分別位于電容器的兩端面。 制造方法如下
正電極1和負(fù)電極3采用實施例l制成的電極片。將兩個電極片1、 3按圖2 所示方式疊起來，中間放置隔離膜2。
把疊好的電極片1、 3以及隔離膜2巻繞成截面類似跑道形的柱體，如圖3。 兩電極片1 、 3分別在柱體的兩端延伸出類似跑道形的鋁箔片(即電流引出裝置)。 為保證正、負(fù)極的隔離，隔離膜2在兩端都比電極的涂層寬出0.5~ lmm。
把柱體一端延伸出的類似跑道形的鋁箔(也就是電流引出裝置)的平直部分 壓在一起、焊接形成正極耳，同樣將柱體另一端伸出的類似跑道形的鋁箔的平直 部分壓在一起、焊接形成負(fù)極耳。類似跑道形的鋁箔的彎曲部分不能焊，可以通 過該部分把電解液灌裝進電容器中。
把焊接好的電極裝配在殼體內(nèi)，罐電解液，密封，即制得電化學(xué)電容器。
實施例4: 一種電化學(xué)電容器。
實施例4電化學(xué)電容器的結(jié)構(gòu)和制造方法與實施例3基本相同，其區(qū)別是在 電極材料中添加炭納米管和炭納米纖維以改善電極的導(dǎo)電性，同時使用乙腈作為 溶劑的電解液，提高電解液的電導(dǎo)。
實施例5: —種電化學(xué)電容器，其電極片被巻繞成圓柱體，如圖4所示。
參照圖4，實施例5的電化學(xué)電容器包括正電極l,負(fù)電極3，設(shè)置于正、 負(fù)兩電極之間的隔離膜2，電解液，和以密閉狀態(tài)容納所述正電極1、負(fù)電極3、 隔離膜2和電解液的殼體，每個電極的電流引出裝置是由該電極集流體的一個長 邊的邊沿整體向外延伸形成的，正電極l的電流引出裝置11和負(fù)電極3的電流 引出裝置31分別位于電容器的兩端面。
制造方法如下
正電極1和負(fù)電極3采用實施例1制成的電極片。將兩個電極片1、 3疊起 來，中間放隔離膜2。如圖4所示，把疊好的電極片1、 3以及隔離膜2巻繞成圓 柱體。兩電極片1、 3分別在圓柱體的兩端延伸出多層鋁箔片(即電流引出裝置)。 為保證正、負(fù)極的隔離，隔離膜2在兩端都比電極的涂層寬出0.5-lmm。
在圓柱體一端沿直徑方向放一根負(fù)極耳4,另一端i文一才艮正極耳，將負(fù)極耳
74與圓柱體一端延伸出的多層鋁箔(也就是負(fù)電極3的電流引出裝置31)焊接起 來，將正極耳與圓柱體另一端延伸出的多層鋁箔(也就是正電極l的電流引出裝 置ll)焊接起來，再分別焊在殼體上，罐電解液，密封，即制得電化學(xué)電容器。 實施例6: —種電化學(xué)電容器。
實施例6與實施例基本相同，區(qū)別是實施例6沒有另外設(shè)置正極耳和負(fù)極 耳，而是用電極片的電流引出裝置壓接后作為極耳。具體地講，是將電極片和隔 離膜巻繞成圓柱體后，在鋼制殼體兩端的內(nèi)表面涂銀導(dǎo)電膠，然后將巻繞好的圓 柱體放入鋼制殼體內(nèi)，通過裝配時的壓力把圓柱體兩端延伸出的多層鋁箔(也就 是電流引出裝置)壓在殼體的兩極上。
實施例7: —種提高電化學(xué)電容器在較高頻率下的容量的方法。 將每個電極的集流體的一個長邊的邊沿整體向外延伸形成該電極的電流引 出裝置，電流從集流體的整個側(cè)面引出，保證每個電極都與極耳有一個較小的內(nèi) 阻，從而降低電極到引線的電阻，同時使正電極的電流引出裝置和負(fù)電極的電流 引出裝置分別位于電容器的兩端面，以平衡正負(fù)兩級的內(nèi)阻。
8
權(quán)利要求
1、一種電化學(xué)電容器，包括正電極，負(fù)電極，設(shè)置于正、負(fù)兩電極之間的隔離膜，電解液，和以密閉狀態(tài)容納所述正、負(fù)電極、隔離膜和電解液的殼體，其特征是每個電極的集流體的一個長邊的邊沿整體向外延伸形成該電極的電流引出裝置，正電極的電流引出裝置和負(fù)電極的電流引出裝置分別位于電容器的兩端面。
2、 如權(quán)利要求1所述的電化學(xué)電容器，其特征是電極的電流引出裝置寬2 ~ 8mm，長度與電極的長度相等。
3、 如權(quán)利要求1所述的電化學(xué)電容器，其特征是所有正電極的電流引出 裝置連接為一體形成正極耳，所有負(fù)電極的電流引出裝置連接為一體形成負(fù)極 耳。
4、 如權(quán)利要求1所述的電化學(xué)電容器，其特征是還包括正極耳和負(fù)極耳， 正極耳與所有正電極的電流引出裝置連接，負(fù)極耳與所有負(fù)電極的電流引出裝置連接。
5、 如權(quán)利要求1-4任一項所述的電化學(xué)電容器，其特征是所述電化學(xué)電 容器固相和液相的電阻比為0.8 ~ 1.2。
6、 如權(quán)利要求1-4任一項所述的電化學(xué)電容器，其特征是所述電化學(xué)電 容器的電極是在集流體上涂布含有電極活性材料、粘結(jié)劑和導(dǎo)電添料的電極材 料，經(jīng)烘干、滾壓后制得的，其中，導(dǎo)電添料的重量百分含量為2~10%。
7、 如權(quán)利要求6所述的電化學(xué)電容器，其特征是所述導(dǎo)電添料為炭黑、 炭納米纖維、炭納米管中的至少一種。
8、 如權(quán)利要求1-4任一項所述的電化學(xué)電容器，其特征是電解液是電解 質(zhì)的水溶液、或有機溶液、或離子液體。
9、 一種用于制造電化學(xué)電容器的電極，包^集流體和涂布于集流體上的電 極材料層，其特征是集流體的一個長邊的邊沿整體向外延伸出2-8mm形成電 流引出裝置。
10、 一種提高電化學(xué)電容器在較高頻率下的容量的方法，其特征是將每個 電極的集流體的一個長邊的邊沿整體向外延伸形成該電極的電流引出裝置，電流 從集流體的整個側(cè)面引出，并使正電極的電流引出裝置和負(fù)電極的電流引出裝置 分別位于電容器的兩端面，以平衡正負(fù)兩級的內(nèi)阻。
全文摘要
一種高頻電化學(xué)電容器，包括正電極，負(fù)電極，設(shè)置于正、負(fù)兩電極之間的隔離膜，電解液，和以密閉狀態(tài)容納所述正、負(fù)電極、隔離膜和電解液的殼體，每個電極的集流體的一個長邊的邊沿整體向外延伸形成該電極的電流引出裝置，正電極的電流引出裝置和負(fù)電極的電流引出裝置分別位于電容器的兩端面。本電化學(xué)電容器在集流體側(cè)面引出電流，保證了整個電容器的電極都與極耳有一個較小的內(nèi)阻，從而能大大提高電容器的高頻特性。
文檔編號H01G9/00GK101465210SQ20081024177
公開日2009年6月24日 申請日期2008年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月31日
發(fā)明者關(guān)志成, 康飛宇, 徐成俊, 李寶華, 杜鴻達 申請人:清華大學(xué)深圳研究生院