專利名稱：超級(jí)電容器及其制備方法
超級(jí)電容器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及儲(chǔ)能器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種超級(jí)電容器及其制備方法。背景技術(shù)：
超級(jí)電容器是近年來發(fā)展起來的一種基于電極/溶液界面電化學(xué)過程、專門 用于儲(chǔ)能的特種電容器。超級(jí)電容器有著法拉級(jí)甚至千法拉級(jí)的超大電容量， 其能量密度比傳統(tǒng)的電解電容器高上百倍，漏電流小近千倍，功率密度比二次
電池高近百倍，不需要任何維護(hù)和保養(yǎng)，充放電循環(huán)壽命長達(dá)50萬次以上，是 一種理想的高穩(wěn)定性、大功率、綠色無污染的物理二次電源。
作為一種新型的儲(chǔ)能器件，超級(jí)電容器在功率密度、壽命、穩(wěn)定性等方面 有著顯著的優(yōu)越性，而在能量密度方面也有著巨大的提升潛力。當(dāng)今社會(huì)對(duì)高 性能、綠色無污染的新型二次能源的需求日益強(qiáng)烈，在此背景下，超級(jí)電容器 的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景十分廣闊。
與二次電池相比，儲(chǔ)能式超級(jí)電容器具有兩方面的顯著優(yōu)勢(shì) 一是瞬間大 電流、大功率輸出能力強(qiáng)。功率密度(單位體積或單位重量所能輸出的功率) 比二次電池高一百倍以上；二是循環(huán)壽命及穩(wěn)定性高。二次電池的循環(huán)壽命為 500 ~ 1000次，而超級(jí)電容器的循環(huán)壽命為50萬次左右。
超級(jí)電容器的應(yīng)用領(lǐng)域主要由上述兩方面的性能特點(diǎn)所決定。小型超級(jí)電 容器通常應(yīng)用于智能儀表、電子產(chǎn)品后備電源、手電筒、電動(dòng)玩具、相機(jī)閃光 燈等；大中型超級(jí)電容器則可用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電源、太陽能-LED路燈系 統(tǒng)、電脈沖技術(shù)設(shè)備(如儲(chǔ)能焊機(jī))、電動(dòng)車的起步、加速、爬坡電源(提高加 速度，保護(hù)蓄電池，延長蓄電池使用壽命)；高壓開關(guān)的分合閘操作電源，短距 離交通工具(如電動(dòng)公交車)等等；在軍事方面，超級(jí)電容器可用在坦克車、 裝曱車等戰(zhàn)車上作為輔助動(dòng)力、解決其低溫啟動(dòng)問題，也可用作激光武器所需
的大功率脈沖電源。
總之，由于超級(jí)電容器所具有高功率密度的特點(diǎn)，使其適用于需要瞬間大
5功率輸出的場(chǎng)合；而長達(dá)50萬次循環(huán)/十年以上的壽命和綠色無污染的特性，使 其可以滿足長期使用、免維護(hù)的要求。在國家政府大力提倡發(fā)展新能源，建設(shè) 節(jié)約型社會(huì)等政策背景下，儲(chǔ)能用超級(jí)電容器的研發(fā)及應(yīng)用必然大有可為。
超級(jí)電容器的核心技術(shù)在于電極材料和極片的制作工藝。目前超級(jí)電容器 的極片制作工藝通常釆用單層涂覆式，即在集電極上涂覆直接活性物質(zhì)漿料。 在單層涂覆式工藝中，活性物質(zhì)層中需加入較多的粘結(jié)劑才可實(shí)現(xiàn)與集電極的 牢固結(jié)合，然而，粘結(jié)劑用量的增加，將導(dǎo)致能量密度的下降。

發(fā)明內(nèi)容
基于此，有必要提供一種提高能量密度的超級(jí)電容器。
一種超級(jí)電容器，所述超級(jí)電容器包括電極片，所述電極片包括依次疊加 的作為集電極的金屬箔層、導(dǎo)電粘結(jié)劑層和活性材料層。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述的集電極為以下材料的一種鋁箔、經(jīng)腐蝕處 理的鋁箔、銅箔或鎳箔。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述導(dǎo)電粘結(jié)劑層為導(dǎo)電劑與粘結(jié)劑混合而成。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述的導(dǎo)電劑為以下材料的一種或一種以上的混合 乙炔黑、碳黑、人造石墨、天然石墨。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述的粘結(jié)劑為聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羧曱基 纖維素、聚乙烯醇、丙烯酸樹脂中的至少一種。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述活性材料層的活性材料為活性炭粉、活性炭纖 維、碳?xì)饽z、碳納米管或金屬氧化物中的至少一種。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述超級(jí)電容器還包括引線、隔膜、電解液、殼體 和端蓋，所述電極片的數(shù)量為兩條并分別與所述引線電連接，所述兩條電極片 之間夾入所述隔膜并巻繞成電容芯子，所述電容芯子收容于所述殼體中，所述 電解液注入在所述殼體中，所述端蓋連接于所述殼體的端部。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述的隔膜為以下材料的一種尼龍布，玻璃纖維 紙，PP、 PE微孔膜，聚乙烯醇膜，石棉紙。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述的電解液為堿液或有才幾電解液。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述堿液濃度為1.0~6,0M。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，有機(jī)電解液的溶質(zhì)為Et3MeNBF4或Et4NBF4;溶劑 為PC或AN;濃度為0.5 ~ 2.0 M。
此外，還有必要提供一種提高能量密度的超級(jí)電容器的制備方法。 一種超級(jí)電容器的制備方法，所述超級(jí)電容器包括電極片，包括如下步驟: 步驟一在作為集電極的金屬箔層涂覆導(dǎo)電粘結(jié)劑層； 步驟二在步驟一制成的極片半成品的表面涂覆活性材料層； 步驟三將所述步驟二制成的電極片巻繞注入電解液制成所述超級(jí)電容。 在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述步驟一包括在溶劑中溶解粘結(jié)劑，分散導(dǎo)電 劑，制成固體物重量含量為5 ~ 25%的漿料，將該漿料涂覆于集電極表面，涂 覆厚度為5 30ium;在80~ 14(TC溫度下通風(fēng)干燥；或所述步驟二包括在溶 劑中溶解粘結(jié)劑，分散活性材料、導(dǎo)電劑，制成固體物重量含量為10~35%的 漿料，將該漿料涂于步驟一制成的極片半成品的表面，在80 140'C溫度下通風(fēng) 干燥，輥壓至厚度為60~200|um,形成三層結(jié)構(gòu)的電才及片；或所述步驟三包括 將步驟二制成的極片裁切成兩條帶狀電極，铘接引線后，夾入隔膜，巻繞或折 疊成電容芯子，在80 ~ 140。C溫度下真空千燥6 24h，在干燥氣氛保護(hù)下，將 電容芯子放入電容器殼體內(nèi)，配上端蓋，注入電解液，密封注液孔，制成超級(jí) 電容器產(chǎn)品。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述的集電極為以下材料的一種鋁箔、經(jīng)腐蝕處 理的鋁箔、銅箔或鎳箔。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述導(dǎo)電粘結(jié)劑層為導(dǎo)電劑與粘結(jié)劑混合而成。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述的導(dǎo)電劑為以下材料的一種或一種以上的混合 乙炔黑、碳黑、人造石墨、天然石墨。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述的粘結(jié)劑為聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羧甲基 纖維素、聚乙烯醇、丙烯酸樹脂中的至少一種。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述的活性材料層中的活性材料為活性炭粉、活性 炭纖維、碳?xì)饽z、碳納米管或金屬氧化物中的至少一種。通過在活性物質(zhì)層和集電極之間引入一層導(dǎo)電粘結(jié)劑層。 一方面提高了活
性物質(zhì)與集電極之間的導(dǎo)電性和結(jié)合力；另 一方面可以減少活性物質(zhì)層中的粘 結(jié)劑用量。從而在不降低產(chǎn)品能量密度的前提下，大幅提高了產(chǎn)品功率密度和 多次充放電循環(huán)后的容量保持率。使得超級(jí)電容器產(chǎn)品的綜合性能比現(xiàn)有單層 涂覆式工藝制得的產(chǎn)品有了大幅度的提高。
具體實(shí)施方式
在以下實(shí)施方式中，通過在活性物質(zhì)層和集電極之間引入一層導(dǎo)電粘結(jié)劑 層。 一方面提高了活性物質(zhì)與集電極之間的導(dǎo)電性和結(jié)合力；另一方面可以減 少活性物質(zhì)層中的粘結(jié)劑用量。從而在不P爭(zhēng)低產(chǎn)品能量密度的前提下，大幅提 高了產(chǎn)品功率密度和多次充放電循環(huán)后的容量保持率。使得超級(jí)電容器產(chǎn)品的
綜合性能比現(xiàn)有單層涂覆式工藝制得的產(chǎn)品有了大幅度的提高。
一種超級(jí)電容器，包括電極片、引線、隔膜、電解液、殼體和端蓋。電極 片的數(shù)量為兩條并分別與引線電連接，兩條電極片之間夾入隔膜并巻繞成電容 芯子，電容芯子收容于殼體中，電解液注入在殼體中，端蓋連接于殼體的端部。 電極片包括依次疊加的作為集電極的金屬箔層、導(dǎo)電粘結(jié)劑層和活性材料層。
集電極可以為以下材料的一種鋁箔、經(jīng)腐蝕處理的鋁箔、銅箔或鎳箔。
導(dǎo)電粘結(jié)劑層為導(dǎo)電劑與粘結(jié)劑混合而成。導(dǎo)電劑為以下材料的一種或一 種以上的混合乙炔黑、碳黑、人造石墨、天然石墨。粘結(jié)劑為聚四氟乙烯、 聚偏氟乙烯、羧曱基纖維素、聚乙烯醇、丙烯酸樹脂中的至少一種。
活性材料層的活性材料為活性炭粉、活性炭纖維、碳?xì)饽z、碳納米管或 金屬氧化物中的至少一種。
隔膜可以為以下材料的一種尼龍布，玻璃纖維紙，PP、 PE微孔膜，聚乙 烯醇膜，石棉紙。
電解液為堿液或有機(jī)電解液。堿液濃度為1.0 6.0 M。有機(jī)電解液的溶質(zhì)為 Et3MeNBF4或Et4NBF4;溶劑為PC或AN;濃度為0.5 2.0 M。
8一種超級(jí)電容器的制備方法，包括如下步驟
步驟一在作為集電極的金屬箔層涂覆導(dǎo)電粘結(jié)劑層；
步驟二在步驟一制成的極片半成品的表面涂覆活性材料層；
步驟三將所述步驟二制成的電極片巻繞注入電解液制成所述超級(jí)電容。
步驟一包括在溶劑中溶解粘結(jié)劑，分散導(dǎo)電劑，制成固體物重量含量為
5 ~ 25%的漿料，將該漿料涂覆于集電極表面，涂覆厚度為5 30mhi;在80~
14(TC溫度下通風(fēng)干燥；
步驟二包括在溶劑中溶解粘結(jié)劑，分散活性材料、導(dǎo)電劑，制成固體物
重量含量為10~35%的漿料，將該漿料涂于步驟一制成的極片半成品的表面，
在80~ 140。C溫度下通風(fēng)千燥，輥壓至厚度為60~200|im,形成三層結(jié)構(gòu)的電
極片；
步驟三包括將步驟二制成的極片裁切成兩條帶狀電極，鉚接引線后，夾 入隔膜，巻繞或折疊成電容芯子，在80 ~ 14(TC溫度下真空千燥6 24h，在干 燥氣氛保護(hù)下，將電容芯子放入電容器殼體內(nèi)，配上端蓋，注入電解液，密封 注液孔，制成超級(jí)電容器產(chǎn)品。
其中，集電極可以為以下材料的一種鋁箔、經(jīng)腐蝕處理的鋁箔、銅箔或 鎳箔。
其中，導(dǎo)電粘結(jié)劑層為導(dǎo)電劑與粘結(jié)劑混合而成。導(dǎo)電劑可以為以下材料 中的一種或一種以上的混合乙炔黑、碳黑、人造石墨、天然石墨。粘結(jié)劑可 以為聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羧曱基纖維素、聚乙烯醇、丙烯酸樹脂中的至 少一種。
活性材料層中的活性材料為活性炭粉、活性炭纖維、碳?xì)饽z、碳納米管 或金屬氧化物中的至少 一種。
隔膜可以為以下材料的一種尼龍布，玻璃纖維紙，PP、 PE微孔膜，聚乙 烯醇膜，石棉紙。
電解液為堿液或有機(jī)電解液。堿液濃度為1.0 ~ 6.0 M。有 電解液的溶質(zhì)為 Et3MeNBF4或Et4NBF4;溶劑為PC或AN;濃度為0.5 2.0 M。下面舉出實(shí)施例對(duì)上述超級(jí)電容器及其制備方法的內(nèi)容及特點(diǎn)進(jìn)行具體說 明。但本發(fā)明不僅僅局限于以下所述實(shí)施例。 實(shí)施例1
采用商業(yè)化石墨粉和PVDF (聚偏氟乙烯)。先將PVDF (作為粘結(jié)劑)加 入適量的NMP (N-曱基吡咯烷酮，作為溶劑)，攪拌溶解得到粘結(jié)劑漿液。再 將石墨粉末(作為導(dǎo)電劑)緩慢加入粘結(jié)劑漿液中繼續(xù)攪拌，制成漿料，利用 涂布機(jī)均勻涂覆在厚度為20|um的鋁箔上，涂層厚度10pm。在120。C的溫度 下通風(fēng)干燥得到中間極片，在此基礎(chǔ)上涂覆第二層。第二層采用商業(yè)化活性炭 粉(作為活性材料)、乙炔黑(作為導(dǎo)電劑)和PVDF，質(zhì)量百分比依次為85: 8: 7。先將活性炭粉和乙炔黑粉末在舉刀式攪拌機(jī)或球磨機(jī)中混合均勻。同時(shí) 將粘結(jié)劑加入適量的NMP中攪拌溶解。將混合好的粉末緩慢加入粘結(jié)劑漿液中 繼續(xù)攪拌，制成活性物質(zhì)漿料。將混合好的物料利用涂布機(jī)均勻涂覆在上述中 間極片上，涂覆厚度為150nm。在120。C的溫度下通風(fēng)干燥得到電極片。將極 片按所需規(guī)格裁切成條，并鉚接引線。在正極、負(fù)極間夾入隔膜，疊加對(duì)齊， 在巻繞機(jī)上巻繞成電容器芯子。在12(TC溫度下真空干燥6 24小時(shí)。在干燥氣 氛保護(hù)下，將電容器芯子置于殼體中，灌注適量電解液，電解液為1M的 Et4NBF4/PC，然后加以密封，得到巻繞式超級(jí)電容器單體。
實(shí)施例2
正、負(fù)極片制作方法同實(shí)施例1，不同之處在于以活性炭和比表面積為 200m2/g碳納米管的混合材料取代實(shí)施例中的活性炭，得到的超級(jí)電容器的能量 密度比實(shí)施例1高5%左右。
實(shí)施例3
其他條件同實(shí)施例l,不同之處在于以石墨和乙炔黑按重量比1: 1混合作 為活性材料層的導(dǎo)電劑取代實(shí)施例1中的單一乙炔黑導(dǎo)電劑，得到的超級(jí)電容 器的內(nèi)阻比實(shí)施例1低3%左右。
實(shí)施例4
其他條件同實(shí)施例1，不同之處在電解液溶劑采用AN取代實(shí)施例1中的 PC，得到的超級(jí)電容器的內(nèi)阻比實(shí)施例1低10%左右，能量密度比實(shí)施例1高3%左右。
實(shí)施例5
其他條件同實(shí)施例l，不同之處在集流體采用腐蝕箔(經(jīng)腐蝕處理的鋁蕩) 取代實(shí)施例1中的鋁箔，得到的超級(jí)電容器的內(nèi)阻比實(shí)施例1低5%左右。
以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)， 但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域 的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和 改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附 權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種超級(jí)電容器，所述超級(jí)電容器包括電極片，其特征在于，所述電極片包括依次疊加的作為集電極的金屬箔層、導(dǎo)電粘結(jié)劑層和活性材料層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超級(jí)電容器，其特征在于所述的集電極為以下 材津牛的一種鋁箔、經(jīng)腐蝕處理的鋁箔、銅箔或鎳箔。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超級(jí)電容器，其特征在于所述導(dǎo)電粘結(jié)劑層為 導(dǎo)電劑與粘結(jié)劑混合而成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的超級(jí)電容器，其特征在于所述的導(dǎo)電劑為以下 材料的一種或一種以上的混合乙炔黑、碳黑、人造石墨、天然石墨。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的超級(jí)電容器，其特征在于所述的粘結(jié)劑為聚四 氟乙烯、聚偏氟乙烯、羧曱基纖維素、聚乙烯醇、丙烯酸樹脂中的至少一種。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超級(jí)電容器，其特征在于所述活性材料層的活 性材料為活性炭粉、活性炭纖維、碳?xì)饽z、碳納米管或金屬氧化物中的至少 一種。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一所述的超級(jí)電容器，其特征在于所述超級(jí) 電容器還包括引線、隔膜、電解液、殼體和端蓋，所述電極片的數(shù)量為兩條并 分別與所述引線電連接，所述兩條電極片之間夾入所迷隔膜并巻繞成電容芯子， 所述電容芯子收容于所述殼體中，所述電解液注入在所述殼體中，所述端蓋連 接于所述殼體的端部。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的超級(jí)電容器，其特征在于所述的隔膜為以下材 料的一種尼龍布，玻璃纖維紙，PP、 PE微孔膜，聚乙烯醇膜，石棉紙。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的超級(jí)電容器，其特征在于所述的電解液為堿液 或有機(jī)電解液。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的超級(jí)電容器，其特征在于所述堿液濃度為1.0 ~6.0 M。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的超級(jí)電容器，其特征在于有機(jī)電解液的溶質(zhì) 為Et3MeNBF4或Et4NBF4;溶劑為PC或AN;濃度為0.5 ~ 2.0 M。
12. —種超級(jí)電容器的制備方法，所述超級(jí)電容器包括電極片，其特征在于，包括如下步驟步驟一在作為集電極的金屬箔層涂覆導(dǎo)電粘結(jié)劑層；步驟二在步驟一制成的極片半成品的表面涂覆活性材料層；步驟三將所述步驟二制成的電極片巻繞注入電解液制成所述超級(jí)電容。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的超級(jí)電容器的制備方法，其特征在于 所述步驟一包括在溶劑中溶解粘結(jié)劑，分散導(dǎo)電劑，制成固體物重量含量為5 ~ 25%的漿料，將該漿料涂覆于集電極表面，涂覆厚度為5~30|um; 在80 140。C溫度下通風(fēng)干燥；或所述步驟二包括在溶劑中溶解粘結(jié)劑，分散活性材料、導(dǎo)電劑，制成固 體物重量含量為10~35%的漿料，將該漿料涂于步驟一制成的極片半成品的表 面，在80~ 140。C溫度下通風(fēng)干燥，輥壓至厚度為60-200 Mm，形成三層結(jié)構(gòu) 的電才及片；或所述步驟三包括將步驟二制成的極片裁切成兩條帶狀電極，鉚接引線后， 夾入隔膜，巻繞或折疊成電容芯子，在80 140。C溫度下真空干燥6 24h，在 干燥氣氛保護(hù)下，將電容芯子放入電容器殼體內(nèi)，配上端蓋，注入電解液，密 封注液孔，制成超級(jí)電容器產(chǎn)品。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所迷的超級(jí)電容器的制備方法，其特征在于所述 的集電極為以下材料的一種鋁箔、經(jīng)腐蝕處理的鋁箔、銅箔或鎳箔。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的超級(jí)電容器的制備方法，其特征在于所述 導(dǎo)電粘結(jié)劑層為導(dǎo)電劑與粘結(jié)劑混合而成。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13或15所述的超級(jí)電容器的制備方法，其特征在于 所述的導(dǎo)電劑為以下材料的一種或一種以上的混合乙炔黑、碳黑、人造石墨、 天然石墨。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13或15所述的超級(jí)電容器的制備方法，其特征在于 所述的粘結(jié)劑為聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羧甲基纖維素、聚乙烯醇、丙烯酸 樹脂中的至少一種。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超級(jí)電容器的制備方法，其特征在于所述的 活性材料層中的活性材料為活性炭粉、活性炭纖維、碳?xì)饽z、碳納米管或金屬氧化物中的至少一種。
全文摘要
一種超級(jí)電容器，所述超級(jí)電容器包括電極片，所述電極片包括依次疊加的作為集電極的金屬箔層、導(dǎo)電粘結(jié)劑層和活性材料層。通過在活性物質(zhì)層和集電極之間引入一層導(dǎo)電粘結(jié)劑層。一方面提高了活性物質(zhì)與集電極之間的導(dǎo)電性和結(jié)合力；另一方面可以減少活性物質(zhì)層中的粘結(jié)劑用量。從而在不降低產(chǎn)品能量密度的前提下，大幅提高了產(chǎn)品功率密度和多次充放電循環(huán)后的容量保持率。使得超級(jí)電容器產(chǎn)品的綜合性能比現(xiàn)有單層涂覆式工藝制得的產(chǎn)品有了大幅度的提高。
文檔編號(hào)H01G9/02GK101562078SQ20091010731
公開日2009年10月21日 申請(qǐng)日期2009年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月15日
發(fā)明者銳 李, 趙方輝, 陳建軍 申請(qǐng)人:深圳清華大學(xué)研究院