CN107818874A - 一种超级电容器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超级电容器及其制备方法，一种超级电容器包括壳体及位于壳体内部的电极板，电极板包括正极板和负极板，正极板和负极板之间设有纸膜，电极板包括集流板和无机活性材料，无机活性材料涂覆在集流板的两侧，集流板为钢带。制备方法包括制浆、酸洗、涂覆、烘干、裁切和封装。本发明的无机系超级电容器，活性材料的分散性较高，大大降低了超级电容器的电阻，具有较高的电容总量；克服了有机系超级电容高压成组不均衡问题；不含有有机物，更加安全环保。本发明的超级电容器具有可靠、安全、成本低，绿色环保等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电容器领域，特别涉及一种无机系超级电容器及其制备方法。
背景技术
超级电容器又叫双电层电容器(Electrical Double-Layer Capacitor)是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。超级电容器用途广泛。超级电容器 (supercapacitor，ultracapacitor)，又叫双电层电容器(Electrical Double-Layer Capacitor)、电化学电容器(Electrochemcial Capacitor，EC)，黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。
国内外主要是在有机系围绕Li+为主导进行生产和研究，虽然有机系的能量密度高于无机系4倍左右，但是有机系几乎都是单体制造(以2.5v-2.7v 为主)，然后分容成组满足高压应用，电池、电容的一致性问题是一个世界性难题，只有批次产能超过千只、万只单元的企业才有分容成组应用的余地，超过48V可靠性就大打折扣。
另外，由于以Li+为主导，超级电容不可避免要使用有机溶剂，因此，在安全性要求极高的领域就不能放心使用。如果封装有任何一点泄漏，锂析出与水剧烈反应，有机溶剂泄漏会引发火灾，而封堵严密如果没有好的阀控设计又可能引发***。例如，汽车应用就非常谨慎，车载激光武器、电磁炮等需要高压、高功率密度的领域就不敢冒然使用等等。
发明内容
本发明提供了一种超级电容器及其制备方法，能够解决上述现有技术问题中的一种或几种。
根据本发明的一个方面，提供了一种超级电容器，包括壳体及位于壳体内部的电极板，电极板包括正极板和负极板，正极板和负极板之间设有纸膜，电极板包括集流板和无机活性材料，无机活性材料涂覆在集流板的两侧，集流板为钢带。
本发明的有益效果是，本发明的无机系超级电容器，活性材料的分散性较高，大大降低了超级电容器的电阻，具有较高的电容总量；克服了有机系超级电容高压成组不均衡问题；不含有有机物，更加安全环保。本发明的超级电容器具有可靠、安全、成本低，绿色环保等优点。该无机系超级电容器单体可完成600v-1F应用于军队，320v-2F应用风力发电机变桨电源，120v-4F用于弱混合动力轿车。
在一些实施方式中，无机活性材料包括硫酸锂和氢氧化钾。其有益效果是，该电解质电子迁移率较高，且具有较高的安全性，大大该改善了超级电容器的性能。
在一些实施方式中，无机活性材料还包括碳材料。其有益效果是，碳材料特别是多孔碳材料具有较大的比表面积，而且内阻较小，能够大大提高超级电容器的比容量。
在一些实施方式中，碳材料为活性炭、碳纤维或石墨烯。其有益效果是，活性炭制备原料丰富，价格便宜，活化后能够提高双层电容器的容量，改善电容器的综合性能；碳纤维性能较优，具有较高的活性而且环保，具有较广阔的应用前景；石墨烯是由sp2杂化的碳原子密排成蜂窝状的二维晶体结构，具有高比表面积、优异的电学性能和稳定的化学性能，动态变形性较优异，将会大大提高超级电容器的综合性能。
在一些实施方式中，正极板和负极板均为多个，正极板的集流板的一端折弯形成正极束，负极板的集流板的一端折弯形成负极束，正极束与正极极耳通过铆钉进行固定，负极束与负极极耳通过铆钉进行固定。其有益效果是，集流板折弯形成正极束和负极束，大大提高了集流面积和电容器的稳定性、安全性，电能最终由正极束和负极束引出。
在一些实施方式中，还包括负极极柱和正极极柱，壳体上设有孔道，正极极柱和负极极柱通过孔道伸出壳体，正极极耳与正极极柱相连接，负极极耳与负极极柱相连接。其有益效果是，正极束通过正极极耳与正极极柱相连接，负极束通过负极极耳与负极极柱相连接，通过正极极柱和负极极柱与外界用电器相连，超级电容器内部绝缘密封，保证充放电的安全。
在一些实施方式中，还包括硅胶垫，硅胶垫嵌于孔道中，正极极柱和负极极柱通过硅胶垫中的通孔伸出壳体。其有益效果是，超级电容器内部设有铆件，将硅胶垫与电极极柱能行固定，通过硅胶垫进行绝缘密封，保证电极极柱的用电安全稳定。
根据本发明的另一方面，提供了一种如上述超级电容器的制备方法，包括以下步骤：
S001、制浆，将10-20kg氢氧化钾加入100kg蒸馏水中，边加边搅拌将氢氧化钾进行溶解形成溶液A，向溶液A中边加边搅拌加入80kg石墨烯材料，混合均匀形成无机活性电解浆液；
S002、酸洗，配制60-90％的硫酸溶液对集流板进行腐蚀，然后采用蒸馏水洗去集流板表面的酸液并进行烘干；
S003、涂覆，采用双面涂布机将步骤S001中的无机活性电解浆液均匀涂覆在集流板的两面；
S004、烘干，将步骤S003中涂覆浆液后的集流板在烘箱中进行烘干收卷得到电极板，烘干温度为三个阶段，依次为60-70℃下5min、90-110℃下10分钟、60-70℃下5min。。从而，可以根据容量的大小来调节温度，以控制涂覆材料的厚薄。
S005、裁切，将电极板进行裁切；
S006、封装，取若干裁切过后的电极板，每相邻两电极板之间设有纸膜，进行压实，放入壳体中进行封装加固，形成超级电容器。
其有益效果是，本方法中，同时进行电极板双面涂覆，涂覆、烘干以及收卷一体化，涂覆效率高，保证超级电容器整体规整性；涂覆前对集流板进行超声波洗，保证板材的涂覆质量，提高超级电容器性能。
在一些实施方式中，在电极板涂覆之前以及收卷之前均采用自动纠偏装置进行纠偏，并对涂覆后的电极板进行涂覆质量检测。其有益效果是，及时调整电极板的位置和角度，保证活性物质涂覆的均匀性和厚度，提高涂覆质量，减少次品，满足超级电容器的需求。
在一些实施方式中，在步骤S006中，从若干电极板中不相邻的电极板的一端进行折弯固定形成正极束，剩余不相邻的电极板的一端进行折弯固定形成负极束。
附图说明
图1为本发明一实施方式的超级电容器的结构示意图；
图2为图1所示超级电容器的另一角度示意图；
图3为图1所示超级电容器的电极板的示意图；
图4为本发明超级电容器的电极板涂覆烘干装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
图1-3示意性地显示了根据本发明的一种实施方式的超级电容器。如图所示，该装置包括壳体1及位于壳体1内部的电极板2，电极板2包括正极板21和负极板22，正极板21和负极板22之间设有纸膜3，电极板2 包括集流板23和无机活性材料24，无机活性材料24涂覆在集流板23的两侧，集流板23为钢带。无机活性材料24包括碳材料和氢氧化钾，无机电解质电子迁移率较高，且具有较高的安全性，大大该改善了超级电容器的性能。碳材料为石墨烯，具有高比表面积、优异的电学性能和稳定的化学性能，动态变形性较优异，将会大大提高超级电容器的综合性能。
正极板21和负极板22均为多个，中间设有纸膜3压实而成。正极板 21的集流板23的一端设有留白折弯形成正极束25，负极板22的集流板23 的一端的留白折弯形成负极束26，正极束25与正极极耳4通过铆钉10进行固定，负极束26与负极极耳5通过铆钉10进行固定。正极极耳4与正极极柱7相连接，负极极耳5与负极极柱8相连接，壳体1上设有孔道，正极极柱7和负极极柱8通过孔道伸出壳体1。从而，集流板23折弯形成正极束25和负极束26，大大提高了集流面积和电容器的稳定性、安全性，电能最终由正极束25和负极束26引出；通过正极极柱7和负极极柱8与外界用电器相连，超级电容器内部绝缘密封，保证充放电的安全。
为了进一步保证超级电容器的稳固安全性，还设有硅胶垫6，硅胶垫6 嵌于孔道中，超级电容器内部设有铆件9，将硅胶垫6与电极极柱能行固定，正极极柱7和负极极柱8通过硅胶垫6中的通孔伸出壳体1。从而，通过硅胶垫6进行绝缘密封，保证电极极柱的用电安全稳定。
本发明还提供了一种上述超级电容器的制备方法，包括以下步骤：
S001、制浆，将10-20kg氢氧化钾加入100kg蒸馏水中，边加边搅拌将氢氧化钾进行溶解形成溶液A，向溶液A中边加边搅拌加入80kg石墨烯材料，混合均匀形成无机活性电解浆液；
S002、超声波洗，配制60-90％的硫酸溶液对集流板23进行腐蚀，然后采用超声波洗去集流板23表面的酸液并进行烘干；
S003、涂覆，采用双面涂布机将步骤S001中的无机活性电解浆液均匀涂覆在集流板23的两面；
S004、烘干，将步骤S003中涂覆浆液后的集流板23在烘箱17中进行烘干收卷得到电极板2，烘干温度为三个阶段，依次为60-70℃下5min、 90-110℃下10分钟、60-70℃下5min。。
S005、裁切，将电极板2进行裁切；
S006、封装，取若干裁切过后的电极板2，每相邻两电极板2之间设有纸膜3，进行压实，放入壳体1中进行封装加固，从若干电极板2中不相邻的电极板2的一端进行折弯固定形成正极束25，剩余不相邻的电极板2的一端进行折弯固定形成负极束26，通过连接极耳、极柱，封装，形成超级电容器。
本方法中，采用图4所示装置进行电极板2的涂覆和烘干。如图所示，酸洗后的集流板23置于放卷机11上，集流板23放卷后进入纠偏辊12调整位置，然后进入涂覆辊13进行无机活性电解浆液的涂覆工作。无机活性电解浆液置于料盒14中，能够同时进行双棍双面涂覆。涂覆辊13至少一端设有卡件，以在涂覆过程中对集流板23进行卡位留边。涂覆后的电极板 2经过引导辊15引导，进入烘箱17中进行梯度烘干，烘干温度为70℃-110℃ -70℃，优选为60℃-90℃-60℃。此处在进入烘箱17前，还设有探测器16 检测电极板2的涂覆厚度，以及时调整涂覆工艺，保证涂覆质量。经烘箱 17烘干后的电极板2由引导滚引出，一次通过纠偏传感器18、纠偏辊12 后，及时调整电极板2的位置和角度，最后通过收卷辊19进行收卷。
本发明的超级电容器的制备方法，同时进行电极板2双面涂覆，涂覆、烘干以及收卷一体化，涂覆效率高，保证超级电容器整体规整性；涂覆前对集流板23进行酸洗，保证板材的涂覆质量，提高超级电容器性能。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种超级电容器，其特征在于，包括壳体(1)及位于壳体(1)内部的电极板(2)，所述电极板(2)包括正极板(21)和负极板(22)，所述正极板(21)和负极板(22)之间设有纸膜(3)，所述电极板(2)包括集流板(23)和无机活性材料(24)，所述无机活性材料(24)涂覆在集流板(23)的两侧，所述集流板(23)为钢带。
2.根据权利要求1所述的超级电容器，其特征在于，所述无机活性材料(24)包括硫酸锂和氢氧化钾。
3.根据权利要求2所述的超级电容器，其特征在于，所述无机活性材料(24)还包括碳材料。
4.根据权利要求1所述的超级电容器，其特征在于，所述碳材料为活性炭、碳纤维或石墨烯。
5.根据权利要求1所述的超级电容器，其特征在于，所述正极板(21)和负极板(22)均为多个，所述正极板(21)的集流板(23)的一端折弯形成正极束(25)，所述负极板(22)的集流板(23)的一端折弯形成负极束(26)，所述正极束(25)与正极极耳(4)通过铆钉(10)进行固定，所述负极束(26)与负极极耳(5)通过铆钉(10)进行固定。
6.根据权利要求1所述的超级电容器，其特征在于，还包括负极极柱(8)和正极极柱(7)，所述壳体(1)上设有孔道，所述正极极柱(7)和负极极柱(8)通过所述孔道伸出所述壳体(1)，所述正极极耳(4)与正极极柱(7)相连接，所述负极极耳(5)与负极极柱(8)相连接。
7.根据权利要求6所述的超级电容器，其特征在于，还包括硅胶垫(6)，所述硅胶垫(6)嵌于所述孔道中，所述正极极柱(7)和负极极柱(8)通过硅胶垫(6)中的通孔伸出所述壳体(1)。
8.一种如权1至7所述超级电容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S001、制浆，将10-20kg氢氧化钾加入100kg蒸馏水中，边加边搅拌将氢氧化钾进行溶解形成溶液A，向溶液A中边加边搅拌加入80kg石墨烯材料，混合均匀形成无机活性电解浆液；
S002、超声波洗，配制60-90％的硫酸溶液对集流板(23)进行腐蚀，然后采用超声波洗去集流板(23)表面的酸液并进行烘干；
S003、涂覆，采用双面涂布机将步骤S001中的无机活性电解浆液均匀涂覆在集流板(23)的两面；
S004、烘干，将步骤S003中涂覆浆液后的集流板(23)在烘箱(17)中进行烘干收卷得到电极板(2)，烘干温度为三个阶段，依次为60-70℃下5min、90-110℃下10分钟、60-70℃下5min。
S005、裁切，将电极板(2)进行裁切；
S006、封装，取若干裁切过后的电极板(2)，每相邻两电极板(2)之间设有纸膜(3)，进行压实，放入壳体(1)中进行封装加固，形成超级电容器。
9.根据权利要求1所述的超级电容器，其特征在于，在电极板(2)涂覆之前以及收卷之前均采用自动纠偏装置进行纠偏，并对涂覆后的电极板(2)进行涂覆质量检测。
10.根据权利要求1所述的超级电容器，其特征在于，在步骤S006中，从若干电极板(2)中不相邻的电极板(2)的一端进行折弯固定形成正极束(25)，剩余不相邻的电极板(2)的一端进行折弯固定形成负极束(26)。
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