混合電化學電容器的製作方法

2023-04-23 14:15:36 1

專利名稱：混合電化學電容器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於電化學儲能器件領域，具體涉及一種新型的混合電化學電容器。
背景技術：
隨著經濟的不斷發展，能源、資源與環境等成為社會的焦點問題，尋找清潔、可再 生及資源節約型的能源是人類社會十分迫切而非常艱巨的任務。 目前，在能源領域主要有三種類型的儲能器件電池、物理電容器以及電化學電容 器(也稱超級電容器)。電化學電容器是近些年來發展起來的介於傳統物理電容器和電池 特性之間的一種新型綠色儲能器件，具有快速充放電特性，功率密度大(為普通電池的幾 十倍以上)，循環壽命長(循環次數可達10萬次以上)，使用溫度範圍寬(在_40°C 75°C 之間)。基於這些獨特性能，電化學電容器有非常好的應用前景。 根據儲能機理的不同，電化學電容器可分為雙電層電容器和法拉第準電容器兩大 類。雙電層電容器是利用電極和電解質之間形成的界面雙電層電容來存儲能量，其電極通 常採用具有高比表面積的多孔炭材料。法拉第準電容電容器是指在電極表面或體相中的二 維或準二維空間上，電極活性物質進行欠電位沉積，使其發生快速、可逆的化學吸附/脫附 或氧化/還原反應，從而產生比雙電層電容器更高的比容量，其電極材料主要是金屬氧化 物和導電聚合物。 為了同時獲得較高的能量密度和功率密度，近年來發展起來一種新型非對稱型電 化學電容器(也稱混合電化學電容器)，即電容器的一極是雙電層電極，另一極為法拉第準 電容電極。非對稱型電化學超級電容器綜合了兩類電化學電容器的優點，可更好地滿足實 際應用中負載對電源系統的能量密度和功率密度的整體要求。 在各類金屬氧化物/碳非對稱型電化學電容器中，Pb02/C體系，由於材料價格低及 Pb02電極製造技術成熟，非常適合製造大容量型儲能器件。 以往文獻中提到的PbOyC非對稱型電化學電容器，其正極採用薄型鉛酸電池的正 極材料，利用PbS04/Pb02電對的氧化還原反應，負極採用塗膜活性炭或活性炭纖維布，H2S04 水溶液作電解液。由於碳電極的等效串聯電阻與電解質離子移動路徑等問題，一般認為碳 電極的厚度最好不超過0.3mm，即使是薄型正電極，也很難與之匹配。其結果是活性炭負極 的電容量遠小於氧化鉛正極，在充放電過程中，大多數正極材料未被利用，電容器的能量密 度低，無法超過20Wh/kg，還不到電池的三分之一。另外，薄型正電極也不適合製造大尺寸極 板。 以往文獻中提到的Pb02/C非對稱型電化學電容器，其正極為厚度僅60 ii m的電沉 積Pb02電極(其集流體為有摻雜5% Sb的Sn02鍍層的Ti箔)，負極採用塗膜活性炭，H2S04 水溶液作電解液。這是典型的超級電容器設計模式，採用薄型電極時，功率密度大但能量密 度小，這是由於構成電容器的非活性組分(集流體、匯流排、極柱、隔板和外殼等)將佔總質 量的更大部分，因此，其能量密度僅為電池的十分之一左右。 現有的PbOyC非對稱型電化學電容器，功率密度高，循環壽命長，但其能量密度顯
3著低於蓄電池，達不到電動車與混合動力汽車動力電池的要求、達不到太陽能與風能發電 站儲能電池的要求，大大地限制了該電容器的應用範圍。

發明內容本實用新型目的是提供一種不僅功率密度高，循環壽命長，而且能量密度也顯著 提高的混合電化學電容器，以便滿足電動車與混合動力汽車動力電池的要求以及太陽能與 風能發電站儲能器件的要求。 本實用新型的技術方案是一種混合電化學電容器，包括正極、負極、介於正極和 負極之間的隔板及電解液；其特徵在於所述負極由兩層以上的薄型碳粉末電極和介於相鄰 兩層薄型碳粉末電極之間的負極隔板一 同組合而成。 本實用新型中所述薄型碳粉末電極之間以平疊的方式與負極隔板進行組合。 或者本實用新型中所述薄型碳粉末電極以摺疊的方式形成多層結構，並與負極隔 板進行組合。 或者本實用新型中所述薄型碳粉末電極以巻疊的方式形成多層結構，並與負極隔 板進行組合。 本實用新型中所述薄型碳粉末電極的層數優選2 12。 本實用新型中所述正極為普通鉛蓄電池Pb02正極。 所述普通鉛蓄電池Pb(^正極由正極集流體和塗布於正極集流體上的正極鉛膏 構成；而所述薄型碳粉末電極由負極集流體和塗布於負極集流體上的電容電極材料構成， 所述的電容電極材料由碳材料、導電劑和粘合劑組成，它們各自的重量百分比為碳材料 30 90%，導電劑3 50%，粘合劑5 25% ;其中所述碳材料為活性炭、碳納米管、碳 納米纖維、碳/炭複合物、石墨化活性炭及碳氣溶膠中的一種或二種以上的混合物；所述導 電劑是炭黑、乙炔黑、石墨、膨脹石墨碳纖維中的一種或二種以上的混合物；所述粘合劑是 PTFE、 PVDF、氟橡膠、CMC及氯丁橡膠中的一種或兩種以上的混合物。 當然本實用新型中如上述普通鉛蓄電池Pb(^正極的正極鉛膏配方為公知技術，本 實用新型對其組分及配比均參照現有技術，而不作任何限定。並且本實用新型中所述正極 可以同現有技術一樣任意製成平板式或者管式兩種型式，本實用新型中對此也不作限制。 本實用新型中所述正極集流體是普通澆鑄板柵，或者鉛及鉛合金箔衝孔拉網板 柵，或者鉛及鉛合金箔衝切拉網板柵，或者鉛網板柵；而所述負極集流體則是普通澆鑄板 柵、或者鉛及鉛合金箔平板，或者鉛及鉛合金箔衝孔平板，或者鉛及鉛合金衝切拉網板柵、 或者鉛網板柵。 本實用新型中所述隔板是由微孔橡膠、PE、PVC、PP、AGM中的一種或二種以上材料 複合製成；所述負極隔板也是由微孔橡膠、PE、 PVC、 PP、 AGM中的一種或二種以上材料複合 製成；而所述的電解液為液狀或膠體狀稀硫酸。 本實用新型中同現有技術一樣，所述正極底部通過正極匯流條相連，而負極底部 通過負極匯流條相連。 本實用新型所述的這種混合電化學電容器同現有技術一樣，其整體可以設計成普
通富液型式，或者也可以設計成閥控密封型式。 本實用新型的優點是[0024] 1、本實用新型所提供的這種混合電化學電容器，由於負極採用多層薄型碳粉末電 極與負極隔板交替排布組合的形式，使得負極的等效串聯電阻減小，電解質離子移動路徑 縮短，而比電容增高，功率密度變大。故與傳統設計的混合電化學電容器相比，本實用新型 除了具有功率密度高，循環壽命長這些混合電化學電容器的傳統優點外，能量密度也得到 了顯著提高，超過20Wh/kg，完全可以滿足電動車與混合動力汽車動力電池的要求以及太陽 能與風能發電站儲能器件的要求。 2、本實用新型中所述正極採用傳統的、具有較長循環壽命的鉛蓄電池Pb(^正極的 設計，在壽命指標方面能夠與薄型碳粉末電極相匹配，而所述薄型碳粉末電極經過多層平 疊、摺疊或者巻疊後，總電容量可達到較高的數值，方便與鉛蓄電池Pb02正極在容量方面相 匹配。
以下結合附圖及實施例對本實用新型作進一步描述

圖1為本實用新型混合電化學電容器的主剖面圖； 圖2為本實用新型混合電化學電容器的正負極連接結構示意圖； 圖3為本實用新型混合電化學電容器的局部放大剖面圖； 圖4為本實用新型中薄型碳粉末電極平疊組合結構示意圖； 圖5為本實用新型中薄型碳粉末電極摺疊組合結構示意圖； 圖6為本實用新型中薄型碳粉末電極巻疊組合結構示意圖。 其中1、正極；11、正極集流體；2、負極；3、隔板；4、薄型碳粉末電極；41、負極集 流體；5、負極隔板；6、正極匯流條；7、負極匯流條；8、外殼。
具體實施方式實施例1 :結合圖1、圖2所示，本實施例提供的這種混合電化學電容器，其外殼8 內封裝有間隔排布的二塊正極板1和三塊負極板2，相鄰正極板1和負極板2之間的隔板3 採用的是商用AGM隔板(厚度0. 6mm lOKPa)進行連續包膜；而灌注的電解液為稀硫酸(密 度1. 28g/cm3)。所述正極1的底部通過正極匯流條6相連，而負極2的底部則通過負極匯 流條7相連。 進一步如圖3所示，本實施例中所述正極1為普通鉛蓄電池Pb02正極，由正極集 流體11和塗布於正極集流體11上的正極鉛膏構成。 所述的正極鉛膏配比為鉛粉100Kg，短纖維0. 07Kg，硫酸(1. 40g/cm3)9. 8Kg，去 離子水11-12Kg。正極鉛膏的和制方法為先將鉛粉和短纖維幹混2 5分鐘，再加入佔去 離子水總量4/5的去離子水溼和10-15分鐘，在開啟和膏裝置冷卻系統的前提下，將硫酸緩 緩加入，加完後連續和15-20分鐘，添加適量的餘下的去離子水，正極鉛膏的視密度控制在 4. 0_4. lg/cm3。 所述正極集流體11 :採用銻含量1. 6%，鎘含量1. 2%的鉛銻鎘合金澆注板柵。將 上述制好的正極鉛膏塗布於鉛銻鎘合金澆注板柵上，在6(TC、溼度85_95%條件下，持續固 化24小時；然後在6(TC、溼度小於50%條件下，持續乾燥24小時製成所述正極1。 再結合圖3、圖4所示，本實施例中所述負極2由四層薄型碳粉末電極4和介於相鄰兩層薄型碳粉末電極4之間的負極隔板5平疊而成。所述的薄型碳粉末電極4由負極集 流體41和塗布於負極集流體41上的電容電極材料構成。 所述電容電極材料組分重量比如下活性炭70%、石墨粉15%、乙炔黑5%、 PVDF10% ，其中活性炭採用比表面積1500m7g、中孔率大於40% 、粒度5_10 y m的商業化活 性炭。先將活性炭、石墨粉和乙炔黑幹混5分鐘，加？￥0 的^甲基吡硌烷酮(NMP)的溶液， 然後用適量的N-甲基吡硌烷酮調成稀漿狀，攪拌1-2小時，充分混勻。 所述負極集流體41 :採用鈣含量0. 09%，錫含量0. 3%的鉛鈣錫合金碾壓後製成 合金薄板，厚度為5mm左右，然後裁剪成四塊單片極板。在每塊單片極板的雙面塗布上述電 容電極材料，經過滾壓、乾燥後，每側電容電極材料厚度控制在3mm左右，從而製成薄型碳 粉末電極4。將四片薄型碳粉末電極4與三片負極隔板5對齊平疊製成負極2，且本實施例 中所述負極隔板5採用的是商用薄型AGM隔板。 實施例2: 如圖5所示，本實施例與實施例1的不同之處是所述負極集流體41採用鈣含量
0. 09 % ，錫含量0. 3%的鉛鈣錫合金碾壓製成合金薄板後，裁剪成側面相連的四聯片極板形
狀，然後在該四聯片極板的雙面塗布電容電極材料經過滾壓、乾燥後，將其對齊摺疊成四層
結構，層與層之間設置負極隔板5，從而製成負極2。 本實施例其餘同實施例1 。 實施例3 : 如圖6所示，本實施例與實施例1的不同之處是所述負極集流體41採用鈣含量 0. 09 % ，錫含量0. 3%的鉛鈣錫合金碾壓製成合金薄板後，裁剪成側面相連的四聯片極板形 狀，然後在該四聯片極板的雙面塗布電容電極材料經過滾壓、乾燥後，將其對齊巻疊成四層 結構，層與層之間設置負極隔板5，從而製成負極2。 本實施例其餘同實施例l。 以上所述僅為本實用新型較佳的實施例，本領域的技術人員在不脫離本實用新型 的權利要求限定範圍內進行的各種變化均應在本實用新型的保護範圍內。
權利要求一種混合電化學電容器，包括正極(1)、負極(2)、介於正極(1)和負極(2)之間的隔板(3)及電解液；其特徵在於所述負極(2)由兩層以上的薄型碳粉末電極(4)和介於相鄰兩層薄型碳粉末電極(4)之間的負極隔板(5)一同組合而成。
2. 根據權利要求l所述的混合電化學電容器，其特徵在於所述薄型碳粉末電極(4)之 間以平疊的方式與負極隔板(5)進行組合。
3. 根據權利要求l所述的混合電化學電容器，其特徵在於所述薄型碳粉末電極(4)以 摺疊的方式形成多層結構，並與負極隔板(5)進行組合。
4. 根據權利要求l所述的混合電化學電容器，其特徵在於所述薄型碳粉末電極(4)以 巻疊的方式形成多層結構，並與負極隔板(5)進行組合。
5. 根據權利要求l所述的混合電化學電容器，其特徵在於所述薄型碳粉末電極(4)的 層數優選2 12。
6. 根據權利要求l所述的混合電化學電容器，其特徵在於所述正極(1)為普通鉛蓄電 池Pb(^正極。
7. 根據權利要求6所述的混合電化學電容器，其特徵在於所述普通鉛蓄電池Pb(^正極 由正極集流體(11)和塗布於正極集流體(11)上的正極鉛膏構成；而所述薄型碳粉末電極 (4)由負極集流體(41)和塗布於負極集流體(41)上的電容電極材料構成。
8. 根據權利要求7所述的混合電化學電容器，其特徵在於所述正極集流體(11)是普通 澆鑄板柵，或者鉛及鉛合金箔衝孔拉網板柵，或者鉛及鉛合金箔衝切拉網板柵，或者鉛網板 柵；而所述負極集流體(41)則是普通澆鑄板柵、或者鉛及鉛合金箔平板，或者鉛及鉛合金 箔衝孔平板，或者鉛及鉛合金衝切拉網板柵、或者鉛網板柵。
9. 根據權利要求l所述的混合電化學電容器，其特徵在於正極(1)底部通過正極匯流 條(6)相連，而負極(2)底部通過負極匯流條(7)相連。
專利摘要本實用新型公開了一種混合電化學電容器，包括正極、負極、介於正極和負極之間的隔板及電解液；其特徵在於所述負極由兩層以上的薄型碳粉末電極和介於相鄰兩層薄型碳粉末電極之間的負極隔板一同組合而成。本實用新型由於負極採用多層薄型碳粉末電極與負極隔板交替排布組合的形式，使得負極的等效串聯電阻減小，電解質離子移動路徑縮短，而比電容增高，功率密度變大。故與傳統設計的混合電化學電容器相比，本實用新型除了具有功率密度高，循環壽命長這些混合電化學電容器的傳統優點外，能量密度也得到了顯著提高，超過20Wh/kg，完全可以滿足電動車與混合動力汽車動力電池的要求以及太陽能與風能發電站儲能器件的要求。
文檔編號H01G9/04GK201518282SQ200920269298
公開日2010年6月30日 申請日期2009年11月10日 優先權日2009年11月10日
發明者孟波, 張娟, 柳穎, 鄭軍偉, 高建峰 申請人:蘇州大學