[发明专利]一种混合型固态超级电容器

说明书

技术领域

一种混合型固态超级电容器，特别涉及一种基于定向碳纳米管阵列材料的混合型固态超级电容器。

背景技术

超级电容器是一种比普通电容器能量密度高上百倍，功率密度比二次电池高几十倍甚至几百倍的新型储能器件。其具有比功率高、充放电速度快、循环寿命长、工作温度范围宽、免维护、经济环保等优点，在电动玩具、信息产品、电动工具、武器装备、电动汽车、航空航天及电力储能等领域具有广泛的应用。

超级电容器按正、负极材料是否相同可以分为对称型和非对称型两种，后者正负极不同，又叫做混合型超级电容器。对称型超级电容器的两个电极具有相同的储能原理，其中包括电极和电解液界面以双电层方式存储电荷的双电层电容器，以及靠电极活性物质发生快速可逆的氧化还原反应来储存电荷的赝电容器。其中以多孔活性炭为电极材料的双电层电容器能提供较好的功率性能，但具有较低的比能量；以金属氧化物（如氧化钌）为电极材料的赝电容器虽然具有较高的比电容量，但是其原料成本较高；另一类以聚合物（如聚苯胺）为电极材料的赝电容器也具有较高的比电容量，但是其循环性能和导电性能较差。

混合型超级电容器两个电极储能机理不同，既存在双电层储能又含有赝电容储能，在保证有足够输出功率的同时，又能使电容器的能量密度较对称型有所提高。专利《一种聚苯胺/炭混合型超级电容器》（申请号：200710034504.5）中公开了一种以锂盐掺杂态聚苯胺纳米纤维材料或其与炭材料的复合材料作为正极，炭材料作为负极，1M LiPF₆的EC/DEC/DMC有机溶液为电解液，celgard2300微孔膜作为隔膜制备的混合型超级电容器。该电容器虽具有较高的能量密度，但是由于使用的活性炭颗粒间的接触电阻比较大，尤其是活性炭颗粒较小时，活性炭颗粒间的接触电阻会非常大，不利于提高超级电容器的比功率。因此，当活性炭材料换为导电性更高，更稳定的碳纳米管时，更有利于提高超级电容器的比功率。专利《聚苯胺/碳纳米管混杂型超级电容器》（申请号：200310100467.5）公开了一种聚苯胺或其与碳纳米管材料的复合材料作为正极材料、碳纳米管作为负极材料组装成的混杂型超级电容器。无论与碳纳米管超级电容器相比，还是与聚苯胺超级电容器相比，聚苯胺/碳纳米管混合型超级电容器的比能量和比功率均得到了提高。但由于所用碳纳米管碳原料为粉末状，极易发生团聚，制成的薄膜电极中碳纳米管分布不均匀且无序排列，聚苯胺粉末很难在碳纳米管中均匀分散。因此，受电极材料分散性能的限制，其能量密度最高只达到6.8 Wh/Kg，尚有较大提高空间。目前超级电容器正、负极制备过程普遍通过活性材料与粘接剂和导电剂混合后再涂覆到金属集流体上，该方法工艺繁多，操作复杂，而且需要制浆和涂覆设备，增加了电极的制备成本；同时粘接剂的使用也会降低材料的导电性，进而影响超级电容器的功率特性。因此进一步提高聚苯胺在碳纳米管材料中的分散性能，减少碳纳米管材料的团聚，简化超级电容器正负极片的制备工艺，不仅能够降低超级电容器的制造成本而且能大幅提高超级电容器的比能量和比功率。

超级电容器一般按电解质分类，主要包括液体电解质（水系和有机系）和固体电解质（凝胶聚合物和固体聚合物）。目前超级电容器主要使用的是液体电解质，液体电解质为液态溶液，存在电解液泄漏的问题，因此对器件的封装技术及材料要求较高。由于目前超级电容器的产品主要为卷绕型和纽扣型，因此受其外形结构的影响，其很难弯曲和缩小体积，无法满足在电子标签、电子卡片等轻薄型电子产品中应用。聚合物固体电解质为凝胶或固体状，具有安全、无泄漏的特点，便于超级电容器朝着微型、超薄型和可弯曲型方向发展，能够满足短、小、轻、薄型电子产品的应用。专利《一种混合型聚合物超级电容器》（申请号：200710094672.3）公开了一种混合型聚合物超级电容器，其正极为石墨材料，负极为活性炭材料或碳纳米管，通过粘接剂涂覆到集流体表面。本公开专利使用了含有锂盐的聚合物固体电解质，较好的解决了超级电容器漏液的问题，而且还获得了高达47 Wh/Kg的比能量。

发明内容

本发明的目的就是针对上述已有技术存在的不足，提供一种具有制备简单、低成本、高功率密度、高能量密度、循环寿命长、无污染、以及高安全优点的混合型固态超级电容器。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。