CN114613605A - 电容器极片及其制备方法、超级电容器 - Google Patents

电容器极片及其制备方法、超级电容器 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种电容器极片，包括：集流体，由金属箔构成；碳膜层，覆盖所述集流体的上下表面；所述电容器极片由分别通过活化处理的所述集流体和所述碳膜层再经热压复合获得。该电容器极片的碳膜层与集流体结合紧密，通过活化处理具有较小的内阻和较高的电容器容量。

Description

电容器极片及其制备方法、超级电容器
技术领域
本申请涉及新能源技术领域，具体地，本申请涉及电容器极片及其制备方法、超级电容器。
背景技术
超级电容器是一种介于传统电容器与电池之间的新型高效电化学储能装置，具有充放电速度快、工作温度范围宽、使用寿命长的优点而被广泛的应用于轨道交通、风力发电、港口机械、消费电子、军工等领域。
传统的超级电容器极片制备方法包括湿法工艺和干法工艺。湿法工艺由于活性炭的表面积大，做出来的极片容易脆裂，表面涂层容易剥落，对搅拌和涂布工艺的要求很高，且常规干燥方式很难彻底将水分完全去除，导致湿法工艺做出来的性能不佳。干法工艺做成的极片性能较好，但由于制程过程中对水分比较敏感，通常需要在配方中提高粘结剂的方法来改善极片的成品率。而粘结剂配方的提高会导致内阻增加。
背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不代表本领域的现有技术。
发明内容
本申请提供一种电容器极片，通过合理的配方设计和活化处理工艺，使得该电容器极片碳膜层和集流体之间具有更小的接触内阻，由此极片做成的超级电容器内阻更低。
根据本申请一个方面，所述电容器极片，包括：集流体，由金属箔构成；碳膜层，覆盖所述集流体的上下两表面；所述集流体与所述碳膜层分别经活化处理，再经热压复合形成所述电容器极片。
根据本申请一些实施例，所述碳膜层厚度为80～180微米。
根据本申请一些实施例，所述碳膜层包括：活性炭、粘结剂和导电剂中的至少一种。
根据本申请一些实施例，所述活性炭、粘结剂和导电剂的质量比为(70～94％)：(5～15％)：(1～15％)。
根据本申请一些实施例，所述粘结剂包括：聚四氟乙烯。
根据本申请一些实施例，所述导电剂包括：导电炭黑、乙炔黑、科琴黑、高纯石墨、纳米碳纤维、石墨烯中的一种或多种。
根据本申请一些实施例，所述电容器极片压实密度0.65～0.75g/cm3。
根据本申请另一方面，还提供一种电容器极片的制备方法，包括以下步骤：制备混合料，在混料机中均匀混合所述活性炭、粘结剂和导电剂；热压所述混合料，采用热压工艺将所述混合料压成一定尺寸的碳膜层；对集流体和所述碳膜层进行活化处理；热压复合所述碳膜层和集流体，形成所述电容器极片。
根据本申请一些实施例，所述制备混合料包括：所述活性炭占所述混合料的质量比为70～94％；所述粘结剂占所述混合料的质量比为5～15％；所述导电剂占所述混合料的质量比为1～15％。
根据本申请一些实施例，所述粘结剂包括聚四氟乙烯。
根据本申请一些实施例，所述导电剂包括导电炭黑、乙炔黑、科琴黑、高纯石墨、纳米碳纤维、石墨烯中的一种或多种。
根据本申请一些实施例，所述制备混合料还包括：将所述混合料加入气流粉碎机中，研磨所述混合料。利用超音速气流作用将混合料进行研磨处理。纤维化研磨时间为5～20分钟/千克。
根据本申请一些实施例，所述气流粉碎机研磨所述混合料时进气压力为0.5～2MPa，气源温度为30～60℃。
根据本申请一些实施例，所述气源包括干燥空气、氮气或氩气；其中，所述气源露点≤-30℃。
根据本申请一些实施例，所述热压所述混合料和/或所述热压复合所述碳膜层和集流体的热压温度为120～220℃。
根据本申请一些实施例，所述活化处理包括电晕活化处理。
根据本申请一些实施例，所述电晕活化处理所使用的电晕机功率为20～79kW。其中，电晕处理时间为0.01秒～5分钟。
根据本申请一些实施例，所述电晕机与所述碳膜层之间的距离为1～20毫米。
根据本申请又一方面，还提供一种超级电容器，包括如上所述的电容器极片。
根据本申请一些实施例，所述超级电容器的电容容量≥3000F、内阻≤0.2mΩ。
根据一些实施例，本申请所提供的采用固体粉料粉碎压膜工艺制作的电容器极片，通过对碳膜层和集流体进行活化处理，提高了碳膜层的比表面积，并可容纳更多电荷，改善碳膜层和集流体之间的粘结力，从而降低碳膜层和集流体之间的接触内阻。本申请所提供的电容器极片具有高压实密度和低内阻的优点，并将其应用于制作超级电容器。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为根据本申请示例性实施例的电容器极片剖面示意图；
图2为根据本申请示例性实施例的电容器极片制备流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本申请的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本申请的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本申请的限制。
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
超级电容器是通过电极与电解质之间形成的界面双层来存储能量的新型元器件。
超级电容器特点主要体现在功率密度高、循环寿命长、工作温限宽、免维护、绿色环保等方面。
由上可知，在超级电容器的脉冲充电技术里，电容内阻是重要因素。超级电容器的内阻增加，则容量降低，使用寿命也随之降低。因此，如果内阻控制在一定参数范围内，电容器使用寿命是可以延长的。
有鉴于此，本申请提供一种电容器极片，通过加强碳膜层与集流体之间的结合性，获得具有低内阻的电容器极片。
下面参考具体实施例，对本申请进行说明。
图1为根据本申请示例性实施例的电容器极片剖面示意图。
参加图1，根据示例性实施例，本申请提供的电容器极片包括集流体100、碳膜层102。其中集流体100由金属箔构成，碳膜层102覆盖集流体100的上下表面。
如图1所示，根据一些实施例，集流体100为汇集电流的结构零件，包括铜箔、铝箔。在一些实施例中，还包括极耳。集流体100主要是将电池活性物质产生的电流汇集起来以便形成较大的电流对外输出，因而其内阻应尽可能的小。
如图1所示，根据示例性实施例，碳膜层102的厚度在80～180微米之间。在一些实施例中，碳膜层包括活性炭、粘结剂和导电剂中的至少一种，其质量比包括(70～94％)：(5-15％)：(1-15％)。在本实施例中，粘结剂可以选用聚四氟乙烯，主要利用聚四氟乙烯的耐高温、耐腐蚀、以及优异的电绝缘性。
根据示例性实施例，碳膜层102中的导电剂包括导电炭黑、乙炔黑、科琴黑、高纯石墨、纳米碳纤维、石墨烯中的一种或多种。
根据一些实施例，电容器极片的压实密度为0.65～0.75g/cm3。
图2为根据本申请示例性实施例的电容器极片制备流程图。
参见图2，在S201中，根据示例性实施例，制备混合料，在混料机中均匀混合活性炭、粘结剂和导电剂。在一些实施例中，活性炭占混合料质量比为70～94％；粘结剂占混合料质量比的5～15％；导电剂占混合料质量比的1～15％。制备完成上述混合料之后，随后转入S203中。
在S203中，将混合料加入气流粉碎机中，研磨混合料。根据示例性实施例，气流粉碎机研磨混合料时的进气压力为0.5～2MPa，气源温度为30～60℃。气源包括干燥空气、氮气或氩气。气源露点≤-30℃，纤维化研磨时间为5～20分钟/千克。随后转入S205中。
在S205中，根据示例性实施例，热压混合料，采用热压工艺将混合料压成一定尺寸的碳膜层。热压温度为120～220℃，所形成的的碳膜层厚度在80～180微米。随后转入S207中。
在S207中，对集流体和碳膜层进行活化处理。根据示例性实施例，活化处理包括电晕活化处理，电晕机的功率在20～79KW，并且，电晕机与碳膜层之间的距离为1～20毫米。在一些实施例中，电晕活化处理的时间为0.01秒至5分钟。转入S209中。
在S209中，根据示例性实施例，热压复合碳膜层和集流体，形成电容器极片。根据一些实施例，热压复合的温度为120～220℃。
将上述制备好的电容器极片卷绕成超级电容器，并对其进行性能测试。
实施例1
在混料机中均匀混合活性炭、粘结剂和导电剂。在本实施例中，活性炭质量比为92％，粘结剂聚四氟乙烯的质量比为6％，导电剂炭黑包括占混合料质量1％的炭黑、1％的高纯石墨。
制备完成上述混合料之后，将混合料加入气流粉碎机中，研磨混合料。气流粉碎机利用超音速气流对粉料进行进一步研磨，其中气流粉碎机进气压力为0.9MPa，气源温度为55℃，气源选用干燥压缩空气，露点为-70℃，研磨时进料速度控制在20分钟/千克。
随后热压混合料，采用热压工艺将混合料压成一定尺寸的碳膜层。热压温度为160℃，形成碳膜层厚度为108微米。
进一步地，对集流体和碳膜层进行活化处理。活化处理所用电晕机的功率为40kW，电晕机与集流体和碳膜层之间的距离为6毫米，电晕处理时间为25秒。
在完成对集流体和碳膜层的活化处理之后，热压复合碳膜层和集流体，形成电容器极片，热压温度为150℃，热压后极片的厚度为240微米，压实密度为0.68g/cm3。
按照实施例1的方式制作正常电极片，原材料配比和碳膜制作流程保持一致，但正常极片不经过活化工艺处理。将上述制备好的电容器极片和正常极片进行面电阻对比测试。
然后将两者卷绕成超级电容器，具体方法流程包括：将上述制得的电极片分分切得到正极极片和负极极片；将正极极片和负极极片和多孔隔离膜装配、干燥，然后灌注电解液，封装制得高功率密度和高能量密度的超级电容器。对其进行性能对比测试，测试结果见表1和表2。
表1实施例1的极片面电阻测试对比
类型 内阻R[Ω] 电导率[S/cm] 电阻率[Ω*cm]
活化后极片面电阻 0.0117719 1.34669 0.7427
正常极片面电阻 0.0156414 1.08684 0.9261
表2实施例1的器件性能测试对比
Figure BDA0002818168760000071
实施例2
在混料机中混合活性炭、粘结剂PTFE、导电炭黑、碳纤维粉，其质量比为90:8:1:1。混合料加入气流粉碎机中，研磨混合料，利用超音速气流对粉料进行进一步研磨，其中气流粉碎机的进气压力为0.8MPa，气源温度为40℃，气源选用干燥压缩空气，露点为-50℃，研磨时进料速度控制在10分钟/千克。
热压研磨好的粉料，热压温度为160℃，形成碳膜层厚度为100微米。
活化处理集流体和碳膜层。本实施例活化处理所用电晕机功率为40KW，电晕机和集流体或碳膜层之间的距离为8毫米，电晕处理时间为10秒。
将电晕活化处理完成的集流体及碳膜层进行热压复合，热压温度为160℃，所获得的电容器极片厚度为230微米，极片的压实密度为0.66g/cm3。
同理于上述实施例中，正常极片的制备方法，制备与实施例2相应的正常极片。
同理于上述实施例，将上述制备好的电容器极片和正常极片进行面电阻对比测试，然后将两者卷绕成超级电容器，对其进行性能对比测试，测试结果见表3和表4。
表3实施例2的极片面电阻测试对比
类型 内阻R[Ω] 电导率[S/cm] 电阻率[Ω*cm]
活化后极片面电阻 0.0114158 1.38401 0.7232
正常极片面电阻 0.011883 1.28469 0.7784
表4实施例2的器件性能测试对比
Figure BDA0002818168760000081
实施例3
在混料机中混合活性炭、粘结剂PTFE、科琴黑、碳纤维粉，其质量比为85:10:4:1。混合料加入气流粉碎机中，研磨混合料，利用超音速气流对粉料进行进一步研磨，其中气流粉碎机的进气压力为1.2MPa，气源温度为40℃，气源选用干燥压缩空气，露点为-50℃，研磨时进料速度控制在10分钟/千克。
热压研磨好的粉料，热压温度为160℃，形成碳膜层厚度为100微米，。
活化处理集流体和碳膜层。本实施例活化处理所用电晕机功率为40KW，电晕机和集流体或碳膜层之间的距离为20毫米，电晕处理时间为2秒。
将电晕活化处理完成的集流体及碳膜层进行热压复合，热压温度为160℃，所获得的电容器极片厚度为230微米，极片的压实密度为0.66g/cm3。
同理于上述实施例中，正常极片的制备方法，制备与实施例3相应的正常极片。
同理于上述实施例，将上述制备好的电容器极片和正常极片进行面电阻对比测试，然后将两者卷绕成超级电容器，对其进行性能对比测试，测试结果见表5和表6。
表5实施例3的极片面电阻测试对比
类型 内阻R[Ω] 电导率[S/cm] 电阻率[Ω*cm]
活化后极片面电阻 0.019311 0.81542 1.2284
正常极片面电阻 0.0237639 0.65438 1.5306
表6实施例3的器件性能测试对比
Figure BDA0002818168760000091
实施例4
同理于实施例1的碳膜层制备方法，获得厚度为100微米。
活化处理集流体和碳膜层。本实施例活化处理所用电晕机功率为40KW，电晕机和集流体或碳膜层之间的距离为6毫米，电晕处理时间为5分钟。
将电晕活化处理完成的集流体及碳膜层进行热压复合，热压温度为160℃，所获得的电容器极片厚度为230微米，极片的压实密度为0.66g/cm3。
同理于上述实施例中，正常极片的制备方法，制备与实施例4相应的正常极片。
同理于上述实施例，将上述制备好的电容器极片和正常极片进行面电阻对比测试，然后将两者卷绕成超级电容器，对其进行性能对比测试，测试结果见表7和表8。
表7实施例4的极片面电阻测试对比
类型 内阻R[Ω] 电导率[S/cm] 电阻率[Ω*cm]
活化后极片面电阻 0.0126228 1.18896 0.8412
正常极片面电阻 0.0196638 0.90326 1.1088
表8实施例4的器件性能测试对比
Figure BDA0002818168760000101
根据一些实施例，通过采用固体粉料粉碎压膜工艺制备超级电容器极片，并通过在制备过程中，对碳膜层和集流体进行活化处理，可以改善碳膜层和集流体之间的致密结合力，降低碳膜层与集流体界面之间的接触内阻，最终获得高压实密度、低内阻的超级电容器极片。
根据一些实施例，本申请所提供的电容器极片压实密度达到0.69g/cm3，并将该电容器极片应用至超级电容器中，电容器的容量均可达到3000F甚至更高，内阻可低至0.2mΩ甚至更低。
显然，上述实施例仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种电容器极片，其特征在于，包括：
集流体，由金属箔构成；
碳膜层，覆盖所述集流体的上下表面；
其中，所述电容器极片由分别通过活化处理的所述集流体和所述碳膜层再经热压复合获得。
2.根据权利要求1所述的电容器极片，其特征在于，所述碳膜层厚度为80～180微米。
3.根据权利要求1所述的电容器极片，其特征在于，所述碳膜层包括：活性炭、粘结剂和导电剂。
4.根据权利要求3所述的电容器极片，其特征在于，所述活性炭、粘结剂和导电剂的质量比为70～94％：5～15％：1～15％。
5.根据权利要求1所述的电容器极片，其特征在于，所述电容器极片压实密度0.65～0.75g/cm3。
6.一种电容器极片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备混合料，在混料机中均匀混合活性炭、粘结剂和导电剂；
热压所述混合料，采用热压工艺将所述混合料压成一定尺寸的碳膜层；
对集流体和所述碳膜层进行活化处理；
热压复合所述碳膜层和集流体，形成所述电容器极片。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述制备混合料包括：
所述活性炭占所述混合料的质量比为70～94％；
所述粘结剂占所述混合料的质量比为5～15％；
所述导电剂占所述混合料的质量比为1～15％。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述活化处理包括电晕活化处理。
9.一种超级电容器，其特征在于，包括如权利要求1-5所述的电容器极片。
10.根据权利要求9所述的超级电容器，其特征在于，所述超级电容器的电容容量≥3000F、内阻≤0.2mΩ。
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