專利名稱：一種超級電容器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電容器領(lǐng)域，其涉及一種超級電容器。本發(fā)明還涉及一種該超級電容器的制備方法。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)90年代，對電動汽車的開發(fā)以及對功率脈沖電源的需求，更刺激了人們對電化學(xué)電容器的研究。目前電化學(xué)電容器的比能量仍舊比較低，而電池的比功率較低，人們正試圖從兩個方面解決這個問題(I)將電池和超級電容器聯(lián)合使用，正常工作時，由電池提供所需的動力；啟動或者需要大電流放電時，則由電容器來提供，一方面可以改善電池的低溫性能不好的缺點(diǎn)；可以解決用于功率要求較高的脈沖電流的應(yīng)用場合，如GSM、GPRS等。電容器和電池聯(lián)合使用可以延長電池的壽命，但這將增加電池的附件，與目前能源設(shè)備 的短小輕薄等發(fā)展方向相違背。(2)利用電化學(xué)電容器和電池的原理，開發(fā)電容器作為新的貯能元件。1990年Giner公司推出了貴金屬氧化物為電極材料的所謂贗電容器或稱準(zhǔn)電容器(Pseudo-capacitor)。為進(jìn)一步提高電化學(xué)電容器的比能量，1995年，D. A. Evans等提出了把理想極化電極和法拉第反應(yīng)電極結(jié)合起來構(gòu)成電容器的概念(ElectrochemicalHybrid Capacitor, EHC 或稱為 Hybrid capacitor)。1997 年，ESMA 公司公開了 NiOOH/AC 電容器的概念，揭示了蓄電池材料和電化學(xué)電容器材料組合的新技術(shù)。2001年，G. G. Amatucci報告了有機(jī)體系鋰離子電池材料和活性炭組合的Li4Ti5O12AC電化學(xué)電容器，是電化學(xué)電容器發(fā)展的又一個里程碑。對于石墨做負(fù)極的混合電容器來說，正極材料的容量決定了整體系的容量。但是目前采用的高比表面積活性炭大部分的微孔比表面積無法形成有效電容，同時活性炭材料本身的電導(dǎo)率不高，影響了電容器內(nèi)阻，使得電容器能量密度低，導(dǎo)致電容器的比電容低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能量密度和比電容都較高的超級電容器。一種超級電容器，包括正極、負(fù)極、介于所述正極和負(fù)極之間的隔膜以及電解液；所述正極、負(fù)極及隔膜浸泡在所述電解液中；其中，所述正極的材料包括鋁箔以及涂覆在所述鋁箔上的質(zhì)量比分別為80 93 2 10 5 10的石墨烯混合物、第一導(dǎo)電劑以及第一粘結(jié)劑組成的正極活性材料，且所述石墨烯混合物包括質(zhì)量比為I : 0.1 I的石墨烯和磷酸鐵鋰；所述負(fù)極的材料包括銅箔以及涂覆在所述銅箔上的質(zhì)量比分別為80 93 : 2 10 : 5 10的石墨、第二導(dǎo)電劑以及第二粘結(jié)劑組成的負(fù)極活性材料。上述超級電容器中，所述正極活性材料與負(fù)極活性材料的質(zhì)量比為I : I I 5。上述超級電容器中，電極材料或電解液材料如下所述石墨稀為比表面積為400 1000m2/g的石墨??；
所述第一導(dǎo)電劑和第二導(dǎo)電劑為乙炔黑、導(dǎo)電炭黑或碳納米管，這些導(dǎo)電劑均可以通過市面購買獲得；所述第一粘結(jié)劑和第二粘結(jié)劑為聚偏氟乙烯(PVDF)或聚四氟乙烯(PTFE)；所述電解液為鋰離子電解質(zhì)鹽與非水性有機(jī)溶劑配制而成的電解液；所述隔膜采用電容器常用的pp隔膜。本發(fā)明的另一目的在于提供上述超級電容器的制備方法，其步驟如下SI、將質(zhì)量比為I : O. I I的石墨烯和磷酸鐵鋰混合組成石墨烯混合物；S2、將質(zhì)量比分別為80 93 : 2 10 : 5 10的所述石墨烯混合物、第一導(dǎo)電劑以及第一粘結(jié)劑配置成正極活性材料，以及將質(zhì)量比分別為80 93 2 10 5 10·的石墨、第二導(dǎo)電劑以及第二粘結(jié)劑配置成負(fù)極活性材料；S3、將所述正極活性材料涂覆在鋁箔上，經(jīng)干燥處理后，制得正極；將所述負(fù)極活性材料涂覆在銅箔上，經(jīng)干燥處理后，制得負(fù)極；S4、將所述正極、負(fù)極以及隔膜按照正極/隔膜/負(fù)極的順序組裝后置入裝有電解液的容器中，獲得所述超級電容器。上述制備方法中，步驟S3中，所述正極活性材料與負(fù)極活性材料的質(zhì)量比為I : I I : 5。本發(fā)明提供超級電容器，采用鋰離子電容器的離子嵌入-脫嵌機(jī)制與超電容器的雙電層機(jī)制協(xié)調(diào)組合于一個儲能器件；負(fù)極材料具有低的電位平臺，使得混合電容器的平均工作電壓高于傳統(tǒng)的雙電層混合電容器，從而使體系的能量密度上升；而正極采用了比表面積較高、電導(dǎo)率優(yōu)良的石墨烯，其能夠有效的降低整體混合電容器的內(nèi)阻，又能使混合電容器的形成較高的比電容；正極的磷酸鐵鋰材料由離子嵌入-脫嵌機(jī)制產(chǎn)生容量，石墨烯由雙電層產(chǎn)生容量，正極由兩種不同機(jī)制協(xié)調(diào)產(chǎn)生容量。


圖I為本發(fā)明的超級電容器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的超級電容器的制備工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式一種超級電容器，如圖I所示，包括正極6、負(fù)極7、介于所述正極6和負(fù)極7之間的隔膜3以及電解液8，所述正極6、負(fù)極7、隔膜3按照正極6/隔膜3/負(fù)極7順序組裝后置入盛有電解液8的容器9中；正極6的材料包括鋁箔I以及涂覆在所述鋁箔I上的質(zhì)量比分別為80 93 2 10 5 10的石墨烯混合物、第一導(dǎo)電劑以及第一粘結(jié)劑組成的正極活性材料2，且所述石墨烯混合物包括質(zhì)量比為I : O. I I的石墨烯和磷酸鐵鋰；負(fù)極7的材料包括銅箔5以及涂覆在所述銅箔5上的質(zhì)量比分別為80 93 : 2 10 : 5 10的石墨、第二導(dǎo)電劑以及第二粘結(jié)劑組成的負(fù)極活性材料4 ;其中，正極6的材料中，石墨烯用于表面形成雙電層，磷酸鐵鋰用于嵌鋰-脫嵌鋰離子存儲容量。上述超級電容器中，所述正極活性材料與負(fù)極活性材料的質(zhì)量比為I : I I 5。上述超級電容器中，電極材料或電解液材料如下
石墨烯為比表面積為400 1000m2/g的石墨烯，也可以選用進(jìn)行表面改性的石墨稀，如，進(jìn)彳了慘雜B、N、O、F等兀素的表面改性石墨?。坏谝粚?dǎo)電劑和第二導(dǎo)電劑為乙炔黑、導(dǎo)電炭黑(如，導(dǎo)電炭黑super P)或碳納米管，這些導(dǎo)電劑均可以通過市面購買獲得；第一粘結(jié)劑和第二粘結(jié)劑為聚偏氟乙烯(PVDF)或聚四氟乙烯(PTFE)；所述電解液為鋰離子電解質(zhì)鹽與非水性有機(jī)溶劑配制而成的電解液；電解液中的鋰離子電解質(zhì)鹽為LiPF6、LiBF4、LiB0B、LiCF3S03、LiN(S02CF3)或LiAsF6中的一種或兩種以上；電解液中的非水性有機(jī)溶劑，如，碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、亞硫酸乙烯酯、亞硫酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、r-丁內(nèi)酯、碳酸甲乙烯酯、碳酸甲丙酯、乙酸乙酯或乙腈中的一種或兩種以上；所述隔膜可采用pp隔膜。
本發(fā)明的另一目的在于提供上述超級電容器的制備方法，如圖2所示，包括步驟如下SI、將質(zhì)量比為I : O. I I的石墨烯和磷酸鐵鋰混合組成石墨烯混合物；S2、將質(zhì)量比分別為80 93 2 10 5 10的所述石墨烯混合物、第一導(dǎo)電劑以及第一粘結(jié)劑配置成正極活性材料，以及將質(zhì)量比分別為80 93 2 10 5 10的石墨、第二導(dǎo)電劑以及第二粘結(jié)劑配置成負(fù)極活性材料；S3、將所述正極活性材料涂覆在鋁箔上，經(jīng)干燥處理后，制得正極；將所述負(fù)極活性材料涂覆在銅箔上，經(jīng)干燥處理后，制得負(fù)極；S4、將所述正極、負(fù)極以及隔膜根據(jù)所需規(guī)格且按照正極/隔膜/負(fù)極的順序組裝后置入裝有電解液的容器中，獲得所述超級電容器。上述制備方法中，步驟S3中，所述正極活性材料與負(fù)極活性材料的質(zhì)量比為I : I I : 5。上述超級電容器的制備方法中，電極材料、電解液材料如下石墨稀為比表面積為400 1000m2/g的石墨稀，也可以選用進(jìn)彳丁表面改性的石墨稀，如，進(jìn)彳了慘雜B、N、O、F等兀素的表面改性石墨稀；第一導(dǎo)電劑和第二導(dǎo)電劑為乙炔黑、導(dǎo)電炭黑或碳納米管，這些導(dǎo)電劑均可以通過市面購買獲得；第一粘結(jié)劑和第二粘結(jié)劑為聚偏氟乙烯(PVDF)或聚四氟乙烯(PTFE)；所述電解液為鋰離子電解質(zhì)鹽與非水性有機(jī)溶劑配制而成的電解液；電解液中的鋰離子電解質(zhì)鹽為LiPF6、LiBF4、LiB0B、LiCF3S03、LiN(S02CF3)或LiAsF6中的一種或兩種以上；電解液中的非水性有機(jī)溶劑為碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、亞硫酸乙烯酯、亞硫酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、r-丁內(nèi)酯、碳酸甲乙烯酯、碳酸甲丙酯、乙酸乙酯或乙腈中的一種或兩種以上；隔膜可采用pp隔膜。本發(fā)明提供超級電容器，采用鋰離子電容器的離子嵌入-脫嵌機(jī)制與超電容器的雙電層機(jī)制協(xié)調(diào)組合于一個儲能器件；負(fù)極材料具有低的電位平臺，使得混合電容器的平均工作電壓高于傳統(tǒng)的雙電層混合電容器，從而使體系的能量密度上升；而正極采用了比表面積較高、電導(dǎo)率優(yōu)良的石墨烯，其能夠有效的降低整體混合電容器的內(nèi)阻，又能使混合電容器的形成較高的比電容；正極的磷酸鐵鋰材料由離子嵌入-脫嵌機(jī)制產(chǎn)生容量，石墨烯由雙電層產(chǎn)生容量，正極由兩種不同機(jī)制協(xié)調(diào)產(chǎn)生容量。下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的較佳實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)說明。實(shí)施例II、超級電容器電極制備正極。將石墨烯(比表面積為400m2/g)與磷酸鐵鋰按照質(zhì)量比I : I的比例混合后攪拌30分鐘，獲得石墨烯混合物；接著將質(zhì)量比為85 10 5的石墨烯混合物、乙炔黑導(dǎo)電劑、PVDF粘結(jié)劑混合后制成正極活性材料，將正極活性材料涂布在鋁箔上，于真空中80°C烘烤12h，獲得正極；負(fù)極。將質(zhì)量比為85 10 5的石墨、乙炔黑導(dǎo)電劑、PVDF粘結(jié)劑混合后制成·負(fù)極活性材料，將負(fù)極活性材料涂布在銅箔上，于真空中80°C烘烤12h，獲得負(fù)極。其中，正極上的正極活性材料與負(fù)極上的負(fù)極活性材料的質(zhì)量比為I : I。2、組裝超級電容器將上述制得的正極和附件裁剪成所需規(guī)格，并在手套箱中，按照正極/pp隔膜/負(fù)極的順序組裝，注入LiPF6、碳酸丙烯酯及亞硫酸乙烯酯的混合電解液，得到超級電容器。實(shí)施例2I、超級電容器電極制備正極。將石墨烯(比表面積為700m2/g)與磷酸鐵鋰按照質(zhì)量比I : O. 2的比例混合后攪拌30分鐘，獲得石墨烯混合物；接著將質(zhì)量比為80 10 10的石墨烯混合物、碳納米管導(dǎo)電劑、PVDF粘結(jié)劑混合后制成正極活性材料，將正極活性材料涂布在鋁箔上，于真空中80°C烘烤12h，獲得正極；負(fù)極。將質(zhì)量比為80 10 10的石墨、碳納米管導(dǎo)電劑、PVDF粘結(jié)劑混合后制成負(fù)極活性材料，將負(fù)極活性材料涂布在銅箔上，于真空中80°C烘烤12h，獲得負(fù)極。其中，正極上的正極活性材料與負(fù)極上的負(fù)極活性材料的質(zhì)量比為I : 2。2、組裝超級電容器將上述制得的正極和附件裁剪成所需規(guī)格，并在手套箱中，按照正極/pp隔膜/負(fù)極的順序組裝，注入LiAsF6及乙腈的混合電解液，得到超級電容器。實(shí)施例3I、超級電容器電極制備正極。將石墨烯(比表面積為1000m2/g)與磷酸鐵鋰按照質(zhì)量比I : O. 5的比例混合后攪拌30分鐘，獲得石墨烯混合物；接著將質(zhì)量比為93 2 5的石墨烯混合物、導(dǎo)電炭黑導(dǎo)電劑、PTFE粘結(jié)劑混合后制成正極活性材料，將正極活性材料涂布在鋁箔上，于真空中80°C烘烤12h，獲得正極；負(fù)極。將質(zhì)量比為93 2 5的石墨、導(dǎo)電炭黑super P導(dǎo)電劑、PTFE粘結(jié)劑混合后制成負(fù)極活性材料，將負(fù)極活性材料涂布在銅箔上，于真空中80°C烘烤12h，獲得負(fù)極。其中，正極上的正極活性材料與負(fù)極上的負(fù)極活性材料的質(zhì)量比為I : 5。2、組裝超級電容器將正極和附件裁剪成所需規(guī)格，并在手套箱中，按照正極/pp隔膜/負(fù)極的順序組裝，注入LiBF4、碳酸二甲酯及r-丁內(nèi)酯的混合電解液，得到超級電容器。將以上實(shí)施例組裝成的超級電容器進(jìn)行恒電流充放電測試，得到的不同的能量密度和循環(huán)壽命，如表I ;目前商用maxwell超級電容器BCAP0350E270T09的能量密度為
5.62Wh/kg，其他的型號的能量密度為I. 38 5. 62ffh/kg ;因此，超級電容器能量密度較現(xiàn)有的商用超級電容器有較大提聞。表I
權(quán)利要求
1.一種超級電容器，包括正極、負(fù)極、介于所述正極和負(fù)極之間的隔膜以及電解液；所述正極、負(fù)極及隔膜浸泡在所述電解液中；其特征在于，所述正極的材料包括鋁箔以及涂覆在所述鋁箔上的質(zhì)量比分別為80 93 2 10 5 10的石墨烯混合物、第一導(dǎo)電劑以及第一粘結(jié)劑組成的正極活性材料，且所述石墨烯混合物包括質(zhì)量比為I : O. I I的石墨烯和磷酸鐵鋰；所述負(fù)極的材料包括銅箔以及涂覆在所述銅箔上的質(zhì)量比分別為80 93 : 2 10 : 5 10的石墨、第二導(dǎo)電劑以及第二粘結(jié)劑組成的負(fù)極活性材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超級電容器，其特征在于，所述石墨烯為比表面積為400 1000m2/g的石墨烯。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超級電容器，其特征在于，所述第一導(dǎo)電劑和第二導(dǎo)電劑為乙炔黑、導(dǎo)電炭黑或碳納米管。
4.根據(jù)權(quán)利要求I述的超級電容器，其特征在于，所述第一粘結(jié)劑和第二粘結(jié)劑為聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4任一所述的超級電容器，其特征在于，所述電解液為鋰離子電解質(zhì)鹽與非水性有機(jī)溶劑配制而成的電解液。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超級電容器，其特征在于，所述正極活性材料與負(fù)極活性材料的質(zhì)量比為I : I I : 5。
7.一種超級電容器的制備方法，其特征在于，包括如下步驟 51、將質(zhì)量比為I: O. I I的石墨烯和磷酸鐵鋰混合組成石墨烯混合物； 52、將質(zhì)量比分別為80 93 2 10 5 10的所述石墨烯混合物、第一導(dǎo)電劑以及第一粘結(jié)劑配置成正極活性材料，以及將質(zhì)量比分別為80 93 2 10 5 10的石墨、第二導(dǎo)電劑以及第二粘結(jié)劑配置成負(fù)極活性材料； 53、將所述正極活性材料涂覆在鋁箔上，經(jīng)干燥處理后，制得正極；將所述負(fù)極活性材料涂覆在銅箔上，經(jīng)干燥處理后，制得負(fù)極； 54、將所述正極、負(fù)極以及隔膜按照正極/隔膜/負(fù)極的順序組轉(zhuǎn)后置入裝有電解液的容器中，獲得所述超級電容器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超級電容器的制備方法，其特征在于，所述石墨烯為比表面積為400 IOOOmVg的石墨烯；所述第一導(dǎo)電劑和第二導(dǎo)電劑為乙炔黑、導(dǎo)電炭黑或碳納米管；所述第一粘結(jié)劑和第二粘結(jié)劑為聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超級電容器，其特征在于，步驟S3中，所述正極活性材料與負(fù)極活性材料的質(zhì)量比為I : I I : 5。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超級電容器，其特征在于，步驟S4中，所述電解液為鋰離子電解質(zhì)鹽與非水性有機(jī)溶劑配制而成的電解液。
全文摘要
本發(fā)明屬于電容器領(lǐng)域，其公開了一種超級電容器電極及電容器；該超級電容器電極包括正極和負(fù)極；正極的材料包括鋁箔以及涂覆在鋁箔上的由石墨烯混合物、第一導(dǎo)電劑以及第一粘結(jié)劑組成的正極活性材料，且石墨烯混合物包括質(zhì)量比為1∶0.1～1的石墨烯和磷酸鐵鋰；負(fù)極的材料包括鋁箔以及涂覆在鋁箔上的由石墨、第二導(dǎo)電劑以及第二粘結(jié)劑組成的負(fù)極活性材料。本發(fā)明提供超級電容器，其負(fù)極材料具有低的電位平臺，使得電容器的平均工作電壓高于傳統(tǒng)的雙電層電容器，從而使體系的能量密度上升；而正極采用了比表面積較高、電導(dǎo)率優(yōu)良的石墨烯，其能夠有效的降低整體電容器的內(nèi)阻，又能使電容器的形成較高的比電容。
文檔編號H01G9/042GK102945755SQ20111023331
公開日2013年2月27日 申請日期2011年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月15日
發(fā)明者周明杰, 鐘玲瓏, 王要兵 申請人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技術(shù)有限公司