CN102306549A - 一种聚酰亚胺超级电容器及其制备方法 - Google Patents

一种聚酰亚胺超级电容器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明具体涉及一种聚酰亚胺超级电容器。本发明的聚酰亚胺超级电容器，包括容器壳体，电解液和电芯，所述电芯按照聚酰亚胺隔膜、正极片、聚酰亚胺隔膜、负极片的顺序依次卷绕或叠放封装在容器壳体内，正极片和负极片通过正、负极浆料附着在集流体上制成，正、负极片分别连有导针，导针从容器壳体内穿出，所述正、负极浆料由按质量百分比计的以下组分组成：多孔炭材料15%-45%，导电剂0.5%-10%，胶黏剂1%-15%，溶剂30%-70%。本发明聚酰亚胺超级电容器其能量密度>5.6wh/kg，功率密度>6500w/kg；并且其电化学稳定性及热稳定性好，使用温度范围广，可用在电动工具、混合动力汽车、太阳能储能等领域。

Description

一种聚酰亚胺超级电容器及其制备方法
 
技术领域
本发明涉及电容器领域，具体涉及一种聚酰亚胺超级电容器。
 
背景技术
超级电容器是介于传统电容器与电池之间的一种新型电化学储能器件，它相比传统电容器有着更高的能量密度，静电容量能达千法拉至万法拉级；相比电池有着更高的功率密度和超长的循环寿命，因此它结合了传统电容器与电池的优点，是一种应用前景广阔的化学电源。它具有比容量高、功率大、寿命长、工作温限宽、免维护等特点。
按照储能原理的不同，超级电容器可以分为三类：双电层电容器（EDLC），法拉第准电容超级电容器和混合型超级电容器，其中双电层电容器主要是利用电极/电解质界面电荷分离所形成的双电层来实现电荷和能量的储存；法拉第准电容超级电容器主要是借助电极表面快速的氧化还原反应所产生的法拉第“准电容”来实现电荷和能量的储存；而混合型超级电容器是一极采用电池的非极化电极（如氢氧化镍），另一极采用双电层电容器的极化电极（如活性炭），这种混合型的设计可以大幅度提高超级电容器的能量密度。
超级电容器按电解质分可分为无机电解质、有机电解质、聚合物电解质三种超级电容器，其中无机电解质应用较多的为高浓度的酸性（如H2SO4）或碱性（如KOH）的水溶液，中性水溶液电解质应用的较少；有机电解质则一般采用季胺盐或锂盐与高电导率的有机溶剂（如乙腈）组成混合电解液，而聚合物电解质如今只停留在实验室阶段，尚无商业化产品的出现。
在申请号为200510110461.5的专利中，正极采用LiMn2-XMXO4，负极采用活性炭，该超级电容器的比能量最高可达50Wh/Kg（基于正、负极活性物质总质量计算的）。但是，此类有机混合型超级电容器的能量密度与功率密度都不理想，电化学稳定性差、热稳定性差以及使用温度范围小，电容电池循环寿命短，不能满足目前人们对于电容电池有要求。
 
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种聚酰亚胺超级电容器，采用多孔炭材料，制备大容量、高功率、循环寿命长、无污染、高安全性、免维护的超级电容器。
本发明的另一目的是配合本发明的聚酰亚胺超级电容器提供一种聚酰亚胺超级电容器的制备方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种聚酰亚胺超级电容器，包括容器壳体，电解液和电芯，所述电芯按照聚酰亚胺隔膜、正极片、聚酰亚胺隔膜、负极片的顺序依次卷绕或叠放封装在容器壳体内，其中正极片和负极片通过将正、负极浆料附着在集流体上制成，正、负极片分别连接导针，导针从容器壳体内穿出，所述正、负极浆料由按质量百分比计的以下组分组成：多孔炭材料15%-45%，导电剂0.5%-10%，胶黏剂1%-15%，溶剂30%-70%。
所述正、负极浆料粘度范围为1500cps-8500cps，固含量范围为20%-60%，PH值为6-10。
所述多孔材料为多孔碳材料乙炔黑，活性炭，导电炭黑，天然石墨，人工石墨，活性碳纤维，碳布，碳纳米管，硬碳，碳气凝胶，石墨烯中的一种或两种以上混合。
本发明中所采用的导电剂为导电炭黑、导电石墨、SP-Li、科琴黑、碳纳米管中的一种或两种以上混合。
本发明中所述聚酰亚胺隔膜的厚度为5-70μm，优选的为20-40μm；其孔隙率为50-95%，优选的为90-95%。
所述的溶剂可以是去离子水或有机溶液，根据上述组分的相溶性进行选择。
所述电解液为有机电解液，其中的电解质为为四氟硼酸锂、四氟硼酸四乙基胺、四甲基四氟硼酸胺、四丙基四氟硼酸胺、四丁基四氟硼酸胺、三甲基乙基四氟硼酸胺、二乙基二甲基四氟硼酸胺、N-乙基-N-甲基吡咯烷四氟硼酸胺、六氟磷酸锂、四乙基六氟磷酸胺、四甲基六氟磷酸胺、四丙基六氟磷酸胺、四丁基六氟磷酸胺、三甲基乙基六氟磷酸胺、三乙基甲基六氟磷酸胺、二乙基二甲基六氟磷酸胺中的一种或多种任意结合；其中有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、γ-丁内酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸丁烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯、乙酸乙酯、乙腈中的一种或两种以上混合，电解质的浓度为0.3mol/L-4mol/L。
一种聚酰亚胺超级电容器的制备方法，其包括以下步骤：
（1）极片的制备：将多孔碳材料、导电剂、胶黏剂、溶剂按比例混合均匀，制备成粘度为的1500cps-8500cps电极浆料后，涂覆在导集流体上，经烘干、碾压、分切、制片，得到正、负极片；
（2）电芯的制备：将正、负极片用聚酰亚胺隔膜按照卷绕或叠加的方式制备成电芯，聚酰亚胺隔膜绝缘隔开极片；
（3）注液封装：将电芯中的正、负极片入壳，并分别连接导针，导针从容器壳体穿出，然后注入电解液，密封，得到聚酰亚胺超级电容器。
本发明中所述的集流体为不锈钢箔、不锈钢网、铝箔、铝网、镍箔和泡沫镍中的一种。
本发明的聚酰亚胺超级电容器可以制成铝壳包装的电容器也可以制成塑膜软包装的电容器。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：本发明所制备的聚酰亚胺超级电容器其能量密度>5.6wh/kg，功率密度>6500w/kg，其耐热性能大大提高，循环性能优良；并且本发明的聚酰亚胺超级电容器电化学稳定性及热稳定性好，使用温度范围广，可应用在电动汽车、电动工具、混合动力汽车、太阳能储能等领域。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
 
附图说明
图1 为本发明的聚酰亚胺超级电容器机构示意图。
 
具体实施方式
如图1所示，本发明的聚酰亚胺超级电容器，包括容器壳体1，电解液和电芯，所述电芯按照聚酰亚胺隔膜5、正极片2、聚酰亚胺隔膜4、负极片3的顺序卷绕或叠放封装在容器壳体1内，其中正极片2和负极片3通过将正、负极浆料附着在集流体上制成，正、负极片分别连接导针6和导针7，导针6和导针7从容器壳体内穿出，所述正、负极浆料由按质量百分比计的以下组分组成：多孔炭材料15%-45%，导电剂0.5%-10%，胶黏剂1%-15%，溶剂30%-70%。
一种聚酰亚胺超级电容器的制备方法，其包括以下步骤：
（1）极片的制备：将多孔碳材料、导电剂、胶黏剂、溶剂按比例混合均匀，制备成具粘度为的1500cps-8500cps电极浆料后，涂覆在导集流体上，经烘干、碾压、分切、制片，得到正、负极片；
（2）电芯的制备：将正、负极片用聚酰亚胺隔膜按照卷绕或叠加的方式制备成电芯，聚酰亚胺隔膜绝缘隔开极片；
（3）注液封装：将电芯中的正、负极片入壳，并分别连接导针，导针从容器壳体穿出，然后注入电解液，密封，得到聚酰亚胺超级电容器。
实施例1：
（1）极片的制作：将总质量为1000g的活性炭、导电炭黑、胶黏剂、去离子水按质量比为45：10：15：30的比例混合，在真空搅拌机中调成均匀的的浆料，浆料的粘度为8500cps,将该浆料均匀地涂覆在铝箔上，然后在90-100℃下烘干、碾压、冷却后裁切，正极裁切为98mm长、12.5mm宽，负极裁切为115mm长、12.5mm宽，其面密度为90m2/g。
（2）电芯的制备：选用厚度为20um的聚酰亚胺隔膜，按照聚酰亚胺隔膜、正极片、聚酰亚胺隔膜、负极片的顺序依次叠加卷绕成卷。
（3）注液封装：将上述电芯放入直径为10mm、高度为20mm的铝制容器壳体内，并注入电解液，电解液中溶质为四氟硼酸四乙基胺，溶剂为乙腈，电解液的浓度为0.3mol/L，密封后按照常规方式化成，得到铝包装聚酰亚胺超级电容器。
超级电容器性能检测：化成后进行性能检测，150mA充电至2.7V，再以150mA恒流放电至0.1V，循环10次，10次后得到的放电容量为3.3F,比能量为2.0wh/kg，比功率为4600w/kg。电容器置于高温冲击箱中，以5℃/min升温至185℃，并且恒温2小时，产品外观无任何变化，其容量和ESR值的变化不超过5%，说明产品具有良好的耐高温性能。电容器经过150mA充放循环10000次后，其放电容量下降8%。
实施例2：
（1） 极片的制作：将总质量为1000g的活性炭、导电炭黑、导电剂、去离子水按质量比为15：10：15：60的比例混合，在真空搅拌机中调成均匀的的浆料，浆料的粘度为1500cps,将该浆料均匀地涂覆在铝箔上，然后在90-100℃下烘干、碾压、冷却后裁切，正极裁切为190mm长、17.5mm宽，负极裁切为210mm长、17.5mm宽，其面密度为92m2/g。
（2） 电芯的制备：选用厚度为25μm的聚酰亚胺隔膜，按照聚酰亚胺隔膜、正极片、聚酰亚胺隔膜、负极片的顺序依次叠加卷绕成卷。
（3） 注液封装：将上述电芯放入直径为12.5mm、高度为25mm铝制容器壳体内，并注入电解液，电解液中溶质为四氟硼酸四乙基胺，溶剂为乙腈，电解液的浓度为2mol/L，密封后按照常规方式化成，得到铝包装聚酰亚胺超级电容器。
超级电容器性能检测：化成后进行性能检测，500mA充电至2.7V，再以500mA恒流放电至0.1V，循环10次，10次后得到的放电容量为10.0F,比能量为2.4wh/kg，比功率为6000w/kg。电容器置于高温冲击箱中，以5℃/min升温至185℃，并且恒温2小时，产品外观无任何变化，其容量和ESR值的变化不超过3%，说明产品具有良好的耐高温性能。电容器经过500mA充放循环10000次后，其放电容量下降7%。
实施例3：
（1） 极片的制作：将总质量为1000g的活性炭、导电石墨、胶黏剂、去离子水按质量比为30：5：10：55的比例混合，在真空搅拌机中调成均匀的的浆料，浆料的粘度为5500cps,将该浆料均匀地涂覆在铝箔上，然后在90-100℃下烘干、碾压、冷却后裁切，正极裁切为625mm长、44mm宽，负极裁切为660mm长、44mm宽，其面密度为100m2/g。
（2） 电芯的制备：选用厚度为35μm的聚酰亚胺隔膜，按照将聚酰亚胺隔膜、正极片、聚酰亚胺隔膜、负极片的顺序依次叠加卷绕成卷。
（3） 注液封装：将上述电芯放入直径为22mm、高度为56mm的铝制容器壳体内，并注入电解液，电解液中溶质为四氟硼酸四乙基胺，溶剂为乙腈，电解液的浓度为4mol/L，密封后按照常规方式化成，得到聚酰亚胺超级电容器。
超级电容器性能检测：化成后进行性能检测，5000mA充电至2.7V，再以5000mA恒流放电至0.1V，循环10次，10次后得到的放电容量为100F,比能量为3.9wh/kg，比功率为6108w/kg。电容器置于高温冲击箱中，以5℃/min升温至185℃，并且恒温2小时，产品外观无任何变化，其容量和ESR值的变化不超过5%，说明产品具有良好的耐高温性能。电容器经过5000mA充放循环10000次后，其放电容量下降8.5%。
实施例4：
（1） 极片的制作：将总质量为2000g的活性炭、科琴黑、胶黏剂、去离子水按质量比为15：5：10：70的比例混合，在真空搅拌机中调成均匀的的浆料，浆料的粘度为1500cps,将该浆料均匀地涂覆在铝箔上，然后在90-100℃下烘干、碾压、冷却后裁切，正极裁切为1700mm长、48mm宽，负极裁切为1750mm长、48mm宽，其面密度为90m2/g。
（2） 电芯的制备：选用厚度为35μm的聚酰亚胺隔膜，按照聚酰亚胺隔膜、正极片、聚酰亚胺隔膜、负极片的顺序依次叠加卷绕成卷。
（3） 注液封装：将上述电芯放入直径为35mm、高度为61mm的铝制容器壳体内，并注入电解液，电解液中溶质为四氟硼酸四乙基胺，溶剂为乙腈，电解液的浓度为3mol/L，密封后按照常规方式化成，得到铝包装聚酰亚胺超级电容器。
超级电容器性能检测：化成后进行性能检测，20A充电至2.7V，再以20A恒流放电至0.1V，循环10次，10次后得到的放电容量为350F，比能量为3.45wh/kg，比功率为5600w/kg。电容器置于高温冲击箱中，以5℃/min升温至185℃，并且恒温2小时，产品外观无任何变化，其容量和ESR值的变化不超过5%，说明产品具有良好的耐高温性能。电容器经过20A充放循环10000次后，其放电容量下降不超过8%。
实施例5：
（1） 极片的制作：将总质量为2000g的活性炭、科琴黑、胶黏剂、去离子水按质量比为45：5：10：40的比例混合，在真空搅拌机中调成均匀的的浆料，浆料的粘度为7500cps,将该浆料均匀地涂覆在铝箔上，然后在90-100℃下烘干、碾压、冷却后裁切，正极裁切为100*154*0.130mm，负极裁切为100*154*0.0130mm，其面密度为90m2/g。
（2） 电芯的制备：选用厚度为35μm的聚酰亚胺隔膜，按照聚酰亚胺隔膜、正极片、聚酰亚胺隔膜、负极片的顺序依次叠加正极18片、聚酰亚胺隔膜、负极19片。
（3） 注液封装：将上述电芯放入封装在铝塑膜容器壳体内，并注入电解液，电解液中溶质为四氟硼酸四乙基胺，溶剂为乙腈，电解液的浓度为3mol/L，密封后按照常规方式化成，得到塑膜软包装聚酰亚胺超级电容器。
超级电容器性能检测：化成后进行性能检测，60A充电至2.7V，再以60A恒流放电至0.1V，循环10次，10次后得到的放电容量为1200F,比能量为5.2wh/kg，比功率为5800w/kg。电容器置于高温冲击箱中，以5℃/min升温至185℃，并且恒温2小时，产品外观无任何变化，其容量和ESR值的变化不超过5%，说明产品具有良好的耐高温性能。电容器经过60A充放循环10000次后，其放电容量下降不超过10%。
实施例6：
（1） 极片的制作：将总质量为2000g的活性炭、导电石墨、胶黏剂PVDF、NMP（N-甲基吡咯烷酮）、质量比为15：10：15：60的比例混合，在真空搅拌机中调成均匀的浆料，浆料的粘度为2000cps，将该浆料均匀地涂覆在铝箔上，然后在130-140℃下烘干、碾压、冷却后裁切。正极裁切为1700mm长、48mm宽，负极裁切为1750mm长、48mm宽，其面密度为90m2/g。
（2） 电芯的制备：选用厚度为35μm的聚酰亚胺隔膜，按照聚酰亚胺隔膜、正极片、聚酰亚胺隔膜、负极片的顺序依次叠加卷绕成卷。
（3） 注液封装：将上述电芯放入直径为35mm、高度为61mm的铝制容器壳体内，并注入电解液，电解液中溶质为四氟硼酸四乙基胺，溶剂为乙腈，电解液的浓度为3mol/L，密封后按照常规方式化成，得到铝包装聚酰亚胺超级电容器。
超级电容器性能检测：化成后进行性能检测，20A充电至2.7V，再以20A恒流放电至0.1V，循环10次，10次后得到的放电容量为400F,比能量为3.75wh/kg，比功率为6600w/kg。电容器置于高温冲击箱中，以5℃/min升温至185℃，并且恒温2小时，产品外观无任何变化，其容量和ESR值的变化不超过5%，说明产品具有良好的耐高温性能。电容器经过20A充放循环10000次后，其放电容量下降8%。
实施例7：
（1） 极片的制作：将总质量为2000g的活性炭，碳纳米管、胶黏剂PVDF、NMP按照质量比为45：5：10：40的比例混合，在真空搅拌机中调成均匀的浆料，浆料粘度为8500cps。将该浆料均匀地涂覆在铝箔上，然后在130-140℃下烘干、碾压、裁切。正极裁切为100*154*0.130mm，负极裁切为100*154*0.0130mm，其面密度为90m2/g。
（2） 电芯的制备：选用厚度为35μm的聚酰亚胺隔膜，按照聚酰亚胺隔膜、正极片、聚酰亚胺隔膜、负极片的顺序依次叠加正极18片、聚酰亚胺隔膜、负极19片。
（3） 注液封装：将上述电芯放入封装在铝塑膜容器壳体内，并注入电解液，电解液中溶质为四氟硼酸四乙基胺，溶剂为乙腈，电解液的浓度为3mol/L，密封后按照常规方式化成，得到塑膜软包装聚酰亚胺超级电容器。
超级电容器性能检测：化成后进行性能检测，60A充电至2.7V，再以60A恒流放电至0.1V，循环10次，10次后得到的放电容量为1300F,比能量为5.6wh/kg，比功率为6500w/kg。电容器置于高温冲击箱中，以5℃/min升温至185℃，并且恒温2小时，产品外观无任何变化，其容量和ESR值的变化不超过5%，说明产品具有良好的耐高温性能。电容器经过60A充放循环10000次后，其放电容量下降8%。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明的保护范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种聚酰亚胺超级电容器，包括容器壳体，电解液和电芯，其特征在于：所述电芯按照聚酰亚胺隔膜、正极片、聚酰亚胺隔膜、负极片的顺序依次卷绕或叠放封装在容器壳体内，其中正极片和负极片通过将正、负极浆料附着在集流体上制成，正、负极片分别连接导针，导针从容器壳体内穿出，所述正、负极浆料由按质量百分比计的以下组分组成：多孔炭材料15%-45%，导电剂0.5%-10%，胶黏剂1%-15%，溶剂30%-70%。
2.  根据权利要求1所述的聚酰亚胺超级电容器，其特征在于：所述正、负极浆料粘度范围为1500cps-8500cps，固含量范围为20%-60%，PH值为6-10。
3.根据权利要求1所述的聚酰亚胺超级电容器，其特征在于：所述多孔材料为多孔碳材料乙炔黑，活性炭，导电炭黑，天然石墨，人工石墨，活性碳纤维，碳布，碳纳米管，硬碳，碳气凝胶，石墨烯中的一种或两种以上混合。
4.根据权利要求1所述的聚酰亚胺超级电容器，其特征在于：所述导电剂为导电炭黑、导电石墨、科琴黑、碳纳米管中的一种或两种以上混合。
5.根据权利要求1所述的聚酰亚胺超级电容器，其特征在于：所述聚酰亚胺隔膜的厚度为5-70μm，孔隙率为50-95%。
6.根据权利要求1所述的聚酰亚胺超级电容器，其特征在于：所述电解液为有机电解液，其中电解质为四氟硼酸锂、四氟硼酸四乙基胺、四甲基四氟硼酸胺、四丙基四氟硼酸胺、四丁基四氟硼酸胺、三甲基乙基四氟硼酸胺、二乙基二甲基四氟硼酸胺、N-乙基-N-甲基吡咯烷四氟硼酸胺、六氟磷酸锂、四乙基六氟磷酸胺、四甲基六氟磷酸胺、四丙基六氟磷酸胺、四丁基六氟磷酸胺、三甲基乙基六氟磷酸胺、三乙基甲基六氟磷酸胺、二乙基二甲基六氟磷酸胺中的一种或两种以上混合；其中溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、γ-丁内酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸丁烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯、乙酸乙酯、乙腈中的一种或两种以上混合，电解质的浓度为0.3mol/L-4mol/L。
7. 如权利要求1所述的聚酰亚胺超级电容器的制备方法，其特征在于：其包括以下步骤：
（1）极片的制备：将多孔碳材料、导电剂、胶黏剂、溶剂按比例混合均匀，制备成粘度为的1500cps-8500cps电极浆料之后，涂覆在集流体上，经烘干、碾压、分切、制片，得到正、负极片；
（2）电芯的制备：将正、负极片用聚酰亚胺隔膜按照卷绕或叠加的方式制备成电芯，聚酰亚胺隔膜绝缘隔开极片；
（3）注液封装：将电芯中的正、负极片入壳，并分别连接导针，导针从容器壳体穿出，然后注入有机电解液，密封，得到聚酰亚胺超级电容器。
8.根据权利要求7所述的聚酰亚胺超级电容器的制备方法，其特征在于：所述集流体为不锈钢箔、不锈钢网、铝箔、铝网、镍箔和泡沫镍中的一种。
9.根据权利要求7所述的聚酰亚胺超级电容器的制备方法，其特征在于：所述聚酰亚胺超级电容器为铝包装电容器或塑膜软包装电容器。
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