[发明专利]一种规模化生产的超级电容器

说明书

技术领域

本发明涉及超级电容器，具体地说是一种规模化生产的超级电容器。

背景技术

研究开发新型能源，实施节能降耗，提高环境质量是全球能源发展战略的重要内容。超级电容器是近年来出现的一种能快速充/放电，超强的储能器件。它兼具电容和电池的双重功能，其功能密度远高于普通电池，且比普通电池充放电速度快很多，能量密度远高于普通电解电容器，即其储能量大于普通电容器。与普通电容器和电池相比较，超级电容器具有体积小，容量大，充电速度快，循环寿命长，放电功率高，工作温度宽(-40℃-85℃)，可靠性好及成本低廉等优点。因此，超级电容器正在发展成为一种新型、高效、实用的储能和快速充放电设备。在能源、通讯、数码、电子、医疗、卫生、网络、汽车等领域都有十分广泛的应用前景。

一个完整的超级电容器包含电极、电解质、集流体、隔膜四个部件。目前研究的超级电容器的电极材料主要有四个方面：碳电极材料，金属氧化物及其水合物电极材料，导电聚合物电极材料，以及复合电极材料。碳电极材料比表面极大，原料低廉，有利于实现工业化大生产，但是比容量相对比较低。金属氧化物及其水合物电极材料的比容量较高，但是其昂贵的成本以及对环境存在的安全隐患限制了它们的工业化规模。导电聚合物电极材料的工作电压高，从而可以提高能量存储的能力。但是，这一类材料在有机电解质中浸泡后容易发生膨胀，造成稳定性差。复合电极材料，对电极采用不同的材料体系组成，可以提高其存储的能量密度，但是其循环的稳定性比较差。

电解质需要具有很高的导电性和足够的电化学稳定性，以便超级电容器可以在尽可能高的电压下工作。现有的电解质材料主要由固体电解质、有机物电解质和水溶液电解质。有机物电解质的分解电压高，一般都高于2.5V，但导电性比较差；水溶液电解质主要是KOH和H2SO4，它们的分解电压受到水的分解电位的限制，只有1.23V，但是其导电性是有机电解质的4倍以上。

隔膜的适当使用也是十分关键的。有机电解质通常使用聚合物(特别是PP)或者纸作为隔膜，水溶液电解质，可以采用玻璃纤维或者陶瓷隔膜。

集流体则通常是选用导电性能良好的金属和石墨等来充当。

一个性能良好的超级电容器，需要以上的四个部件达到最佳优化。电解质和隔膜的离子电导高、隔膜具有高的电子隔离阻力，电极电子电导高、比表面积大，隔膜和电极尽量薄。其中，电极材料和电解质的选择对电容量影响最大。

超级电容器的电极材料是决定电容器性能的关键因素，电极材料的制备技术直接影响电极材料的性能。因此，研究开发比容量大、电阻率小的电极材料是当务之急。目前，大多数电极材料的粘合强度、热稳定性、耐腐蚀性、电惰性等方面均不很理想，且采用一次成型制作，其内阻大及比电容小，且不能满足大规模生产要求。

为了使超级电容器电极材料的规模化生产成为现实，电极材料的制备和工艺应有所突破和创新。超级电容器电极材料制作技术应朝热稳定性好、粘合强度高、耐腐蚀性强、工艺简单并适于规模化生产的方向发展。

涉及超级电容器电极材料制作国外部分专利如下：

Mitchell等人在专利7227737中介绍了双电压电容器的电极设计方法。电极由集流体和活性电极层，即活性碳层组成。两个电极之间有隔离膜，将此结构浸渍在电解液中形成超级电容器。活性电极层的厚度不同，导致不对称结构从而有不同的电容量。当超级电容外加电压时，电压就不均匀地分配在次级单电容器上。适当选择电极层厚度可让电压在次级单电容器上均匀分布，从而提高超级电容器的极限电压。

zhong等人在7147674中介绍了浸渍处理多孔电极及其制备方法。多性电极材料，包括活性碳、聚合物和导电碳被密封液浸渍处理，在活性电极干燥以后，密封涂料便封住了活性碳和其他多孔材料中的微孔，从而阻止了水分子和其他杂质分子移出。但是密封涂料并不密封孔径较大的孔隙。此预处理的活性电极材料可用于生产超级电容的电极，被密封住的水分子不会与电解液反应，因此可以提高超级电容的极限电压。

Mitchell等人在专利7102877中介绍了电极浸渍和粘合的方法。多孔基膜的两个侧面被导电液体浸渍后由支撑膜双面支撑，然后与集流体相结合而制备电极。该电极可用于能量储存设备。

Mitchell等人在专利7090946中介绍了复合电极及其制备方法。该复合电极由压力压制而制备，不是用粘合剂结合制备。集流体是经过表面活化或其他表面粘合力处理的铝箔制备。由活性碳作为活性电极材料成膜后，经过双辊塑炼，在加热下压在集流体上，从而形成电极材料。经过剪切成电极形状，该电极可以用于制备双层电容器等储能设备。