一種高功率密度和高能量密度超級(jí)電容器及其制備方法
【專利摘要】一種高功率密度和高能量密度超級(jí)電容器，包括正極極片和負(fù)極極片，正極極片和負(fù)極極片卷繞在一起，正極極片和負(fù)極極片之間設(shè)計(jì)有隔離膜，隔離膜與正極極片相對(duì)應(yīng)，正極極片和負(fù)極極片之間填充有電解液，其制作步驟如下：活性炭質(zhì)活性材料，石墨烯基活性材料，導(dǎo)電劑，粘結(jié)劑按照重量比混合、攪拌、分散成均勻漿料；將所述漿料采用流延機(jī)或涂覆模具均勻涂覆金屬集流體表面成1-10um厚度的導(dǎo)電層，烘干制得活性材料電極；將所述活性材料電極在平壓機(jī)或冷壓機(jī)上軋制、分切得到正極極片和負(fù)極極片；將所述正極極片和所述負(fù)極極片和多孔隔離膜裝配、干燥，然后灌注電解液，封裝制得高功率密度和高能量密度超級(jí)電容器。
【專利說明】一種高功率密度和高能量密度超級(jí)電容器及其制備方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電容器及其制備方法，尤其涉及一種高功率密度和高能量密度超級(jí)電容器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超級(jí)電容器是近年來出現(xiàn)的一種介于傳統(tǒng)電容器和二次電池之間的新型環(huán)保儲(chǔ)能器件，它在保留傳統(tǒng)電容器功率密度大的特點(diǎn)的同時(shí)，其靜電容量可達(dá)法拉級(jí)甚至數(shù)千法拉，因此還具有能量密度較高的特點(diǎn)。同時(shí)有充放電速度快，充放電效率高，壽命長，安全性好，環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，是成為一種新型、實(shí)用、高效的儲(chǔ)能器件。
[0003]李寶華等(中國專利，專利申請(qǐng)?zhí)?03134990.0)指出了一種層疊式超級(jí)電容器及其制造方法，其采用流延機(jī)或涂覆模具將調(diào)制好的炭質(zhì)活性材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑、溶劑的混合漿料均勻涂覆在金屬集電流體表面，再在自動(dòng)控溫輥壓機(jī)上進(jìn)行軋制，烘干，裁切成形而獲得電極，然后將內(nèi)側(cè)涂覆活性炭質(zhì)材料的正電極，負(fù)電極，隔離膜疊加在一起后加入電解液封裝成超級(jí)電容器單體，將多個(gè)超級(jí)電容器單體通過串聯(lián)，并聯(lián)疊層，加壓封裝成電壓更高、電容量更大的超級(jí)電容器。
[0004]超級(jí)電容器在很多領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景，一是用作電源，(I)作后備電源；目前超級(jí)電容器應(yīng)用最廣的部分是電子產(chǎn)品領(lǐng)域，主要是充當(dāng)CMOS保護(hù)、計(jì)時(shí)器、鐘表、錄像機(jī)、移動(dòng)電話等的后備電源。(2)作替換電源；例如白晝-黑夜的轉(zhuǎn)換。白天太陽能提供電源并對(duì)超級(jí)電容器充電，晚上則由超級(jí)電容器提供電源。典型的應(yīng)用有:太陽能手表，太陽能燈，路標(biāo)燈，公共汽車停車站時(shí)間表燈，汽車停放收費(fèi)計(jì)燈，交通信號(hào)燈等。(3)作主電源；通過一個(gè)或幾個(gè)超級(jí)電容器釋放持續(xù)幾毫秒到幾秒的大電流，放電之后，超級(jí)電容器再由低功率的電源充電。典型應(yīng)用有玩具車等。二是用作功率輔助設(shè)備，特別是在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用，給超級(jí)電容器的發(fā)展提供了廣闊的空間。例如在汽車啟動(dòng)，加速，爬坡時(shí)提供高功率，以保護(hù)蓄電池，在剎車時(shí)回收儲(chǔ)存多余能量。
[0005]超級(jí)電容器具有功率密度高，循環(huán)壽命長，安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車領(lǐng)域具有廣泛地應(yīng)用前景。高比表面活性炭質(zhì)活性材料以其原料易得，成本相對(duì)較低，比表面積大，孔結(jié)構(gòu)可控，環(huán)境友好，化學(xué)性質(zhì)和電化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)成為制造超級(jí)電容器的主要材料之一。但其制備的超級(jí)電容器能量密度一般在10Wh/kg左右，不能滿足某些應(yīng)用領(lǐng)域的需求。因此，繼續(xù)提高超級(jí)電容器能量密度和功率密度，縮短充放電時(shí)間成為該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。而尋找一種比容量高、性能穩(wěn)定的超級(jí)電容電極材料是解決這些問題的關(guān)鍵。石墨烯具有高的電子傳導(dǎo)速率、比表面積和機(jī)械強(qiáng)度，在超級(jí)電容器電極材料領(lǐng)域顯示出了巨大的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種能夠簡(jiǎn)化大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)工藝、壽命長的一種高功率密度和高能量密度超級(jí)電容器及其制備方法。[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種高功率密度和高能量密度超級(jí)電容器，包括正極極片和負(fù)極極片，正極極片和負(fù)極極片卷繞在一起，其特征是:正極極片和負(fù)極極片之間設(shè)計(jì)有隔離膜，隔離膜與正極極片相對(duì)應(yīng)，正極極片和負(fù)極極片之間填充有電解液。
[0008]一種高功率密度和高能量密度超級(jí)電容器的制造方法，其特征在于:制作步驟如下:
第一步:活性炭質(zhì)活性材料，石墨烯基活性材料，導(dǎo)電劑，粘結(jié)劑按照10-95: 5-80:
2-10: 3-20的重量比混合、攪拌、分散成均勻漿料；
第二步:按照電極尺寸的要求，將所述漿料采用流延機(jī)或涂覆模具均勻涂覆金屬集流體表面成1-1Oum厚度的導(dǎo)電層，烘干制得活性材料電極；
第三步:將所述活性材料電極在平壓機(jī)或冷壓機(jī)上軋制、分切得到正極極片和負(fù)極極
片;
第四步:將所述正極極片和所述負(fù)極極片和多孔隔離膜裝配、干燥，然后灌注電解液，封裝制得高功率密度和高能量密度超級(jí)電容器。
[0009]本制作方法中，所述活性炭質(zhì)活性材料平均顆粒度為3-20微米，BET比表面積為100-4000平方米/克，石墨烯基活性材料的平均顆粒度為100納米-10微米，BET比表面積為100-4000平方米/克。
[0010]本制作方法中，將所述活性炭質(zhì)活性材料，石墨烯-四氧化三錳活性材料，乙炔碳黑和均聚偏氟乙烯乳液按照60:20: 15: 5的重量比混合，然后加入氮一甲基吡咯烷酮，攪拌分散制得均勻漿料，按照電極尺寸的要求，采用流延機(jī)將其間歇均勻涂覆在金屬鋁箔表面，涂布尺寸通過對(duì)流延機(jī)的控制來實(shí)現(xiàn)，130°C干燥5-60分鐘，冷壓后，依照同樣的方法，在金屬鋁箔的另一面也均勻的涂覆漿料，100°C干燥5-20分鐘，制得兩側(cè)均有活性物質(zhì)的超級(jí)電容器極片，接著將上述超級(jí)電容器電極在冷壓機(jī)上軋制，然后分切成實(shí)際需要的寬度，灌注電解液，封裝制備方形高功率密度和高能量密度超級(jí)電容器。
[0011 ] 本制作方法中，所述導(dǎo)電劑為乙炔碳黑、導(dǎo)電石墨、導(dǎo)電碳纖維或碳納米管。
[0012]本制作方法中，所述粘結(jié)劑為聚丙烯酸酯乳液、聚偏氟乙烯、羧甲基纖維素鈉或聚乙二醇，溶劑為水或氮-甲基吡咯烷酮，所述電解液為碳酸乙烯酯，碳酸丙烯酯，乙腈，Y-丁內(nèi)酯或者它們的混合溶劑，電解液所用鹽有四乙基四氟硼酸季銨鹽，四乙基四氟硼酸季磷鹽，四正丙基四氟硼酸季磷鹽，四乙基六氟磷酸季磷鹽，六氟磷酸鋰，四氟硼酸鋰，所述電解液濃度為0.1-5摩爾/升。
[0013]本制作方法中，所述石墨烯基活性材料為氧化石墨烯活性材料、石墨烯-過渡金屬氧化物活性材料或石墨烯-高分子聚合物活性材料。
[0014]本制作方法中，所述石墨烯-過渡金屬氧化物活性材料為石墨烯-四氧化三錳，所述石墨烯-高分子聚合物活性材料為石墨烯-聚吡咯。
[0015]本制作方法中，所述裝配采用疊片式或卷繞式。
[0016]本制作方法中，所述多孔隔離膜為離子能夠滲透但電子絕緣的多孔隔離膜，所述多孔隔離膜為聚乙烯膜，聚丙烯膜或它們的改性聚合物膜。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)效果在于:由于本發(fā)明的這種結(jié)構(gòu)和制備方法，所以使用本方法生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，制備的超級(jí)電容器一致性好，適合于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，制備的超級(jí)電容器具有高功率密度和高能量密度，免維護(hù)和超長壽命的特點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為一種高功率密度和高能量密度超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]附圖中:1、正極極片；2、負(fù)極極片；3、隔離膜；4、電解液。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
本發(fā)明如圖1所示，一種高功率密度和高能量密度超級(jí)電容器，包括正極極片I和負(fù)極極片2，正極極片I和負(fù)極極片2卷繞在一起，其特征是:正極極片I和負(fù)極極片2之間設(shè)計(jì)有隔離膜3，隔離膜3與正極極片I相對(duì)應(yīng)，正極極片I和負(fù)極極片2之間填充有電解液4。
[0021]一種高功率密度和高能量密度超級(jí)電容器的制造方法，其特征在于:制作步驟如下:
第一步:活性炭質(zhì)活性材料，石墨烯基活性材料，導(dǎo)電劑，粘結(jié)劑按照10-95: 5-80:
2-10: 3-20的重量比混合、攪拌、分散成均勻漿料；
第二步:按照電極尺寸的要求，將所述漿料采用流延機(jī)或涂覆模具均勻涂覆金屬集流體表面成1-1Oum厚度的導(dǎo)電層，烘干制得活性材料電極；
第三步:將所述活性材料電極在平壓機(jī)或冷壓機(jī)上軋制、分切得到正極極片和負(fù)極極
片;
第四步:將所述正極極片和所述負(fù)極極片和多孔隔離膜裝配、干燥，然后灌注電解液，封裝制得高功率密度和高能量密度超級(jí)電容器。
[0022]在本實(shí)施例中，所述活性炭質(zhì)活性材料平均顆粒度為3-20微米，BET比表面積為100-4000平方米/克，石墨烯基活性材料的平均顆粒度為100納米-10微米，BET比表面積為100-4000平方米/克。在本實(shí)施例中，將所述活性炭質(zhì)活性材料，石墨烯-四氧化三錳活性材料，乙炔碳黑和均聚偏氟乙烯乳液按照60:20: 15: 5的重量比混合，然后加入氮一甲基吡咯烷酮，攪拌分散制得均勻漿料，按照電極尺寸的要求，采用流延機(jī)將其間歇均勻涂覆在金屬鋁箔表面，涂布尺寸通過對(duì)流延機(jī)的控制來實(shí)現(xiàn)，130°C干燥5-60分鐘，冷壓后，依照同樣的方法，在金屬鋁箔的另一面也均勻的涂覆漿料，100°C干燥5-20分鐘，制得兩側(cè)均有活性物質(zhì)的超級(jí)電容器極片，接著將上述超級(jí)電容器電極在冷壓機(jī)上軋制，然后分切成實(shí)際需要的寬度，灌注電解液，封裝制備方形高功率密度和高能量密度超級(jí)電容器。在本實(shí)施例中，所述導(dǎo)電劑為乙炔碳黑、導(dǎo)電石墨、導(dǎo)電碳纖維或碳納米管。在本實(shí)施例中，所述粘結(jié)劑為聚丙烯酸酯乳液、聚偏氟乙烯、羧甲基纖維素鈉或聚乙二醇，溶劑為水或氮-甲基吡咯烷酮，所述電解液為碳酸乙烯酯，碳酸丙烯酯，乙腈，Y - 丁內(nèi)酯或者它們的混合溶劑，電解液所用鹽有四乙基四氟硼酸季銨鹽，四乙基四氟硼酸季磷鹽，四正丙基四氟硼酸季磷鹽，四乙基六氟磷酸季磷鹽，六氟磷酸鋰，四氟硼酸鋰，所述電解液濃度為0.1-5摩爾/升。在本實(shí)施例中，所述石墨烯基活性材料為氧化石墨烯活性材料、石墨烯-過渡金屬氧化物活性材料或石墨烯-高分子聚合物活性材料。在本實(shí)施例中，所述石墨烯-過渡金屬氧化物活性材料為石墨烯-四氧化三錳，所述石墨烯-高分子聚合物活性材料為石墨烯-聚吡咯。在本實(shí)施例中，所述裝配采用疊片式或卷繞式。在本實(shí)施例中，所述多孔隔離膜為離子能夠滲透但電子絕緣的多孔隔離膜，所述多孔隔離膜為聚乙烯膜，聚丙烯膜或它們的改性聚合物膜。
[0023]所述粘結(jié)劑既可以使粉末狀也可以是乳液狀。
[0024]實(shí)施例1、將所述活性炭質(zhì)活性材料，石墨烯-四氧化三錳活性材料，乙炔碳黑和均聚偏氟乙烯乳液按照60:20: 15: 5的重量比混合，然后加入氮一甲基吡咯烷酮，攪拌分散制得均勻漿料，按照電極尺寸的要求，采用流延機(jī)將其間歇均勻涂覆在金屬鋁箔表面，涂布尺寸通過對(duì)流延機(jī)的控制來實(shí)現(xiàn)，130°C干燥5-60分鐘，冷壓后，依照同樣的方法，在金屬鋁箔的另一面也均勻的涂覆漿料，100°C干燥5-20分鐘，制得兩側(cè)均有活性物質(zhì)的超級(jí)電容器極片，接著將上述超級(jí)電容器電極在冷壓機(jī)上軋制，然后分切成實(shí)際需要的寬度，灌注電解液，封裝制備方形高功率密度和高能量密度超級(jí)電容器。
[0025]采用此方法制備長260毫米，寬100毫米，厚10毫米的方形高功率密度和高能量密度超級(jí)電容器，靜電容量為9000法拉，能量密度為35 Wh/kg，功率密度為10 kW/kg，額定電流下100，000次充放電循環(huán)，電容量衰減小于20%。
[0026]將多個(gè)超級(jí)電容器進(jìn)行串聯(lián)，并聯(lián)可以得到更高工作電壓，更大靜電容量的超級(jí)電容器模組。本發(fā)明的制備方法具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，制備的超級(jí)電容器一致性好，適合于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。制備的超級(jí)電容器具有高功率密度和高能量密度，免維護(hù)和超長壽命的特點(diǎn)。
【權(quán)利要求】
1.一種高功率密度和高能量密度超級(jí)電容器，包括正極極片(I)和負(fù)極極片(2)，正極極片(I)和負(fù)極極片(2)卷繞在一起，其特征是:正極極片(I)和負(fù)極極片(2)之間設(shè)計(jì)有隔離膜(3)，隔離膜(3)與正極極片(I)相對(duì)應(yīng)，正極極片(I)和負(fù)極極片(2)之間填充有電解液(4)。
2.一種高功率密度和高能量密度超級(jí)電容器的制造方法，其特征在于:制作步驟如下: 第一步:活性炭質(zhì)活性材料，石墨烯基活性材料，導(dǎo)電劑，粘結(jié)劑按照10-95: 5-80:2-10: 3-20的重量比混合、攪拌、分散成均勻漿料； 第二步:按照電極尺寸的要求，將所述漿料采用流延機(jī)或涂覆模具均勻涂覆金屬集流體表面成1-1Oum厚度的導(dǎo)電層，烘干制得活性材料電極； 第三步:將所述活性材料電極在平壓機(jī)或冷壓機(jī)上軋制、分切得到正極極片和負(fù)極極片; 第四步:將所述正極極片和所述負(fù)極極片和多孔隔離膜裝配、干燥，然后灌注電解液，封裝制得高功率密度和高能量密度超級(jí)電容器。
3.根據(jù)權(quán)利 要求2所述的一種高功率密度和高能量密度超級(jí)電容器的制造方法，其特征在于:所述活性炭質(zhì)活性材料平均顆粒度為3-20微米，BET比表面積為100-4000平方米/克，石墨烯基活性材料的平均顆粒度為100納米-10微米，BET比表面積為100-4000平方米/克。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高功率密度和高能量密度超級(jí)電容器的制造方法，其特征在于:將所述活性炭質(zhì)活性材料，石墨烯-四氧化三錳活性材料，乙炔碳黑和均聚偏氟乙烯乳液按照60:20: 15: 5的重量比混合，然后加入氮一甲基吡咯烷酮，攪拌分散制得均勻漿料，按照電極尺寸的要求，采用流延機(jī)將其間歇均勻涂覆在金屬鋁箔表面，涂布尺寸通過對(duì)流延機(jī)的控制來實(shí)現(xiàn)，130°C干燥5-60分鐘，冷壓后，依照同樣的方法，在金屬鋁箔的另一面也均勻的涂覆漿料，100°C干燥5-20分鐘，制得兩側(cè)均有活性物質(zhì)的超級(jí)電容器極片，接著將上述超級(jí)電容器電極在冷壓機(jī)上軋制，然后分切成實(shí)際需要的寬度，灌注電解液，封裝制備方形高功率密度和高能量密度超級(jí)電容器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高功率密度和高能量密度超級(jí)電容器的制造方法，其特征在于:所述導(dǎo)電劑為乙炔碳黑、導(dǎo)電石墨、導(dǎo)電碳纖維或碳納米管。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種高功率密度和高能量密度超級(jí)電容器的制造方法，其特征在于:所述粘結(jié)劑為聚丙烯酸酯乳液、聚偏氟乙烯、羧甲基纖維素鈉或聚乙二醇，溶劑為水或氮-甲基吡咯烷酮，所述電解液為碳酸乙烯酯，碳酸丙烯酯，乙腈，Y-丁內(nèi)酯或者它們的混合溶劑，電解液所用鹽有四乙基四氟硼酸季銨鹽，四乙基四氟硼酸季磷鹽，四正丙基四氟硼酸季磷鹽，四乙基六氟磷酸季磷鹽，六氟磷酸鋰，四氟硼酸鋰，所述電解液濃度為0.1-5摩爾/升。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種高功率密度和高能量密度超級(jí)電容器的制造方法，其特征在于:所述石墨烯基活性材料為氧化石墨烯活性材料、石墨烯-過渡金屬氧化物活性材料或石墨烯-高分子聚合物活性材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種高功率密度和高能量密度超級(jí)電容器的制造方法，其特征在于:所述石墨烯-過渡金屬氧化物活性材料為石墨烯-四氧化三錳，所述石墨烯-高分子聚合物活性材料為石墨烯-聚吡咯。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種高功率密度和高能量密度超級(jí)電容器的制造方法，其特征在于:所述裝配采用疊片式或卷繞式。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種高功率密度和高能量密度超級(jí)電容器的制造方法，其特征在于:所述多孔隔離膜為離子能夠滲透但電子絕緣的多孔隔離膜，所述多孔隔離膜為聚乙烯膜，聚丙烯膜或它們的改性聚合物膜。
【文檔編號(hào)】H01G11/86GK104021945SQ201410248638
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月6日
【發(fā)明者】鞠群, 李青海, 唐廎 申請(qǐng)人:山東潤昇電源科技有限公司