一種無機疊片軟包超級電容器單體及其製備方法與流程
2023-10-24 09:25:06 2
本發明涉及一種超級電容器單體，屬儲能器件新型設計及其製作方法領域，尤其涉及一種無機疊片軟包超級電容器單體及其製備方法，具體適用於在不注入電解液的基礎上，簡化結構，降低成本。
背景技術：
超級電容器是一種儲能器件，有高功率性能，在新能源汽車、風力發電、軌道交通等領域有眾多應用。超級電容器按照其儲能機制不同可分為雙電層超級電容和贗電容兩類，其中，雙電層超級電容器主要是物理吸附離子產生電勢差儲存能量，而贗電容是以氧化還原反應儲能，兩者相比較，雙電層有更大的放電倍率，贗電容有更高的能量密度。
雙電層超級電容器根據其所用電解液不同可分為無機雙電層超級電容器和有機雙電層超級電容器。目前，國際上主要的超級電容器產品是有機雙電層超級電容器，但有機雙電層超級的製作成本過高，應用範圍較窄。
授權公告號為CN201514861U，授權公告日為2010年6月23日的發明專利公開了一種超級電容器，包括軟包裝薄膜、電解液、電容器芯、正極極耳和負極極耳；電容器芯由正極片、多孔隔離膜和負極片依次相間疊加在一起組成；每片正極片的一端的端部有空白正極集流體，每片負極片的一端的端部有空白負極集流體；正極極耳與負極極耳位於電容器芯的兩端；所述正極片、負極片為2至10組，各組空白正極集流體的位置相互錯開，各組空白負極集流體的位置相互錯開且位於電容器芯的另一端的端部。雖然該發明通過增加極耳厚度、總面積的方式，減小了發熱量，避免了正、負極極耳間的短路，但其仍舊具有以下缺陷：
首先，該設計為有機電容，在封裝正極極片、負極極片前，需要專門注入電解液，即對正極極片、負極極片進行浸泡；
其次，該設計中的正極極片、負極極片上都包裹有隔離膜，不僅結構複雜，加工成本較高，而且隔離膜會對正極極片、負極極片之間的通路形成阻礙，降低電容器質量。
技術實現要素：
本發明的目的是克服現有技術中存在的需要專門注入電解液、結構複雜、成本較高的缺陷與問題，提供一種不用注入電解液、結構簡單、成本較低的無機疊片軟包超級電容器單體及其製備方法。
為實現以上目的，本發明的技術解決方案是：一種無機疊片軟包超級電容器單體，包括鋁塑膜及封裝於其內部的電極極片、隔膜，且電極極片雙面塗布；
所述電極極片的數量為等於二或大於二，相鄰的電極極片之間設置有一個隔膜，電極極片、隔膜的疊加方式為一一層疊，相鄰的電極極片的極性相反，極性相同的電極極片的極耳連接為一體以構成並聯結構；
所述超級電容器單體還包括一個電解液層，該電解液層位於相鄰的電極極片之間，電解液層包括隔膜與電解液，隔膜位於電解液層的中部，隔膜的內、外部均設置有電解液，且電極極片上與電解液層相接觸的一面內設置有電解液。
所述電解液為無機電解液，溶質為KOH、NaOH、LiOH、K2SO4或Li2SO4的任意組合，溶劑為去離子水。
所述電解液層內的電解液為與電解液層相接觸的電極極片經加壓後滲透所得。
所述電解液層內的電解液還包括加壓前在隔膜內注入的電解液。
所述超級電容器單體中，最上方一個電極極片的頂面、最下方一個電極極片的底面均為無電解液的乾燥面。
所述超級電容器單體的電壓小於0.1V。
一種上述無機疊片軟包超級電容器單體的製造方法，該製造方法依次包括混料、塗布、裁剪、裝袋、焊接、抽真空、一封、老化、抽真空、二封，其特徵在於：
所述製造方法在塗布、裁剪之間設置有乾燥，在裁剪、裝袋之間依次設置有疊片、壓成；
所述乾燥是指：對塗布後的產物進行乾燥，乾燥的溫度為25－40 度，時間為0－2小時；
所述疊片是指：將裁剪後的電極極片與隔膜進行層疊組裝以形成層疊體，層疊組裝依照電極極片、隔膜相互間隔的方式進行，相鄰的電極極片1之間為一個隔膜，相鄰的電極極片的極性相反，相鄰的電極極片的極耳的方向相對，且層疊體的頂面、底面各為一個電極極片；
所述壓成是指：用1－10 Mpa的壓力預壓上述層疊體，保壓1－30分鐘。
所述混料是指先配製電解液，再在電解液中添加活性物質、添加劑、粘結劑，經攪拌均勻後獲得粘度為4000－12000 Pa.s，固含量為20－40 %的電容器漿料；
所述電容器漿料的組成成分及其重量份比為：活性物質70－95，添加劑0－20，粘結劑0－10%，其餘為電解液，且活性物質為活性炭、石墨烯、碳納米管或MOF的任意組合；
所述無機電解液的溶質為KOH、NaOH、LiOH、K2SO4或Li2SO4的任意組合，溶劑為去離子水，濃度為3－6 mol/L。
所述壓成中，在加壓前，在隔膜的內部注入電解液。
所述塗布是指對集流體的正反兩面塗抹電容器漿料；
所述裝袋、焊接、抽真空、一封分別是指：先將壓成後的層疊體裝入鋁塑膜袋中，再將電極極片上的極耳按正負極進行對應焊接，然後用銅片轉換極耳，再抽真空，最後密封；
所述老化、抽真空、二封分別是指：先對一封后的所得物進行老化實驗，再抽真空，最後密封以得到所述的超級電容器單體。
與現有技術相比，本發明的有益效果為：
1、本發明一種無機疊片軟包超級電容器單體及其製備方法中，以在相鄰極片之間設置電解液層的方式節省了注入電解液這一操作，不僅節省了人力成本，而且降低了材料成本，此外，電解液層通過乾燥、疊片、壓成操作實現，不僅簡化了本設計的結構，而且操作難度較低，易於實現。因此，本發明不僅不用注入電解液，而且結構簡單、成本較低。
2、本發明一種無機疊片軟包超級電容器單體及其製備方法中，對電容器漿料的性質，從組成成分、粘度、固含量上都進行了限定，其目的在於配合乾燥、壓成操作的實現，確保電解液層的實現，以確保壓成時，電極極片上的電解液能滲透到隔膜中，正負極片、隔膜之間形成通路，提高電容器質量。因此，本發明不僅不用注入電解液，而且電容器質量較高。
3、本發明一種無機疊片軟包超級電容器單體及其製備方法中，對電解液的性質，從組成成分、濃度上都進行了限定，其目的在於配合乾燥、壓成操作的實現，確保電解液層的實現，以確保壓成時，電解液具備一定的滲透能力，既能滲透到隔膜中，又能確保電極極片上含有電解液，從而在正負極片、隔膜之間形成通路，確保電容器質量。因此，本發明不僅不用注入電解液，而且電容器質量較高。
4、本發明一種無機疊片軟包超級電容器單體及其製備方法中，電極極片、隔膜的組裝方式為間隔的、一一層疊，電極極片的數量為等於二或大於二，相鄰的電極極片的極性相反，極性相同的電極極片的極耳連接為一體以構成並聯結構，該設計不僅結構簡單，而且相對於卷繞結構而言，其設備成本（疊片設備只要10萬左右，而卷繞設備則需要上百萬）、操作難度都大為降低，從而在整體上降低了本設計的製造成本。因此，本發明的成本較低。
附圖說明
圖1是本發明的結構示意圖。
圖2是本發明中電極極片為二片時的爆炸視圖。
圖3是本發明中電極極片為三片時的爆炸視圖。
圖4是本發明中電極極片為四片時的爆炸視圖。
圖中：電極極片1、隔膜2、電解液層3、極耳4。
具體實施方式
以下結合附圖說明和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。
參見圖1至圖4，一種無機疊片軟包超級電容器單體，包括鋁塑膜及封裝於其內部的電極極片1、隔膜2，且電極極片1雙面塗布；
所述電極極片1的數量為等於二或大於二，相鄰的電極極片1之間設置有一個隔膜2，電極極片1、隔膜2的疊加方式為一一層疊，相鄰的電極極片1的極性相反，極性相同的電極極片1的極耳4連接為一體以構成並聯結構；
所述超級電容器單體還包括一個電解液層3，該電解液層3位於相鄰的電極極片1之間，電解液層3包括隔膜2與電解液，隔膜2位於電解液層3的中部，隔膜2的內、外部均設置有電解液，且電極極片1上與電解液層3相接觸的一面內設置有電解液。
所述電解液為無機電解液，溶質為KOH、NaOH、LiOH、K2SO4或Li2SO4的任意組合，溶劑為去離子水。
所述電解液層3內的電解液為與電解液層3相接觸的電極極片1經加壓後滲透所得。
所述電解液層3內的電解液還包括加壓前在隔膜2內注入的電解液。
所述超級電容器單體中，最上方一個電極極片1的頂面、最下方一個電極極片1的底面均為無電解液的乾燥面。
所述超級電容器單體的電壓小於0.1V。
一種上述無機疊片軟包超級電容器單體的製造方法，該製造方法依次包括混料、塗布、裁剪、裝袋、焊接、抽真空、一封、老化、抽真空、二封；
所述製造方法在塗布、裁剪之間設置有乾燥，在裁剪、裝袋之間依次設置有疊片、壓成；
所述乾燥是指：對塗布後的產物進行乾燥，乾燥的溫度為25－40 度，時間為0－2小時；
所述疊片是指：將裁剪後的電極極片1與隔膜2進行層疊組裝以形成層疊體，層疊組裝依照電極極片1、隔膜2相互間隔的方式進行，相鄰的電極極片1之間為一個隔膜2，相鄰的電極極片1的極性相反，相鄰的電極極片1的極耳4的方向相對，且層疊體的頂面、底面各為一個電極極片1；
所述壓成是指：用1－10 Mpa的壓力預壓上述層疊體，保壓1－30分鐘。
所述混料是指先配製電解液，再在電解液中添加活性物質、添加劑、粘結劑，經攪拌均勻後獲得粘度為4000－12000 Pa.s，固含量為20－40 %的電容器漿料；
所述電容器漿料的組成成分及其重量份比為：活性物質70－95，添加劑0－20，粘結劑0－10%，其餘為電解液，且活性物質為活性炭、石墨烯、碳納米管或MOF的任意組合；
所述無機電解液的溶質為KOH、NaOH、LiOH、K2SO4或Li2SO4的任意組合，溶劑為去離子水，濃度為3－6 mol/L。
所述壓成中，在加壓前，在隔膜2的內部注入電解液。
所述塗布是指對集流體的正反兩面塗抹電容器漿料；
所述裝袋、焊接、抽真空、一封分別是指：先將壓成後的層疊體裝入鋁塑膜袋中，再將電極極片1上的極耳4按正負極進行對應焊接，然後用銅片轉換極耳4，再抽真空，最後密封；
所述老化、抽真空、二封分別是指：先對一封后的所得物進行老化實驗，再抽真空，最後密封以得到所述的超級電容器單體。
本發明的原理說明如下：
本發明的核心在於以電極極片（不專門區分正極極片、負極極片，最後以極耳而定）、隔膜一一層疊為基礎，然後在相鄰的電極極片之間設置有電解液層，該電解液層將隔膜包含於其內，隔膜的外部、內部都含有電解液（隔膜外部的電解液並不限定於頂部、底部或側部，只要保證能在正負極片、隔膜之間形成通路即可，在這個基礎上，外部電解液的覆蓋範圍越大，效果自然越好，越利於提高電容器質量），該電解液來自於電解液層上、下相鄰的電極極片，電極極片在乾燥時並不需要幹透（乾燥的目的是防止極片吸水，故乾燥的溫度要求25－40 度，時間0－2 h即可，時間如果超過這個範圍，水失去太多，會造成內阻大，而當溫度、塗布後的質量合適時，不用乾燥，即乾燥時間為0，也可以直接使用），而是蘊含有電解液，然後在壓成時，電極極片蘊含的電解液就會滲透入隔膜中，從而潤溼隔膜，進而在正負極片、隔膜之間形成通路，壓成的壓力大小與極片厚度、電解液的多少相關，其核心目的是要讓電解液滲透隔膜。
電極極片的數量為二時：參見圖2，頂部的正極極片、底部的負極極片之間設置有隔膜，隔膜的周邊包裹有電解液層，隔膜的外部有電解液。
電極極片的數量為三時：參見圖3， 頂部、底部的都為正極極片，中間的為負極極片，相鄰極片之間為隔膜。
電極極片的數量為四時：參見圖4， 正極極片、負極極片的數量都為兩片。
活性物質70－95：在保證極片質量的前提下，活性物質越多越好，活性物質中的MOF為一種電容器活性炭物質材料名稱簡寫，全稱為金屬有機框架化合物。
添加劑0－20：主要是導電劑，添加一定量的導電劑可以降低電容器內阻，提高電容器性能，但不能加太多，否則影響電容器容量。
粘結劑0－10：粘結劑作為粘結活性物質的材料，其用量不能超過此範圍，否則影響容量。
實施例1：
參見圖1至圖4，一種無機疊片軟包超級電容器單體，包括鋁塑膜及封裝於其內部的電極極片1、隔膜2，且電極極片1雙面塗布；所述電極極片1的數量為等於二或大於二，相鄰的電極極片1之間設置有一個隔膜2，電極極片1、隔膜2的疊加方式為一一層疊，相鄰的電極極片1的極性相反，極性相同的電極極片1的極耳4連接為一體以構成並聯結構；所述超級電容器單體還包括一個電解液層3，該電解液層3位於相鄰的電極極片1之間，電解液層3包括隔膜2與電解液，隔膜2位於電解液層3的中部，隔膜2的內、外部均設置有電解液，且電極極片1上與電解液層3相接觸的一面內設置有電解液。
一種上述無機疊片軟包超級電容器單體的製造方法，該製造方法依次包括混料、塗布、裁剪、裝袋、焊接、抽真空、一封、老化、抽真空、二封；所述製造方法在塗布、裁剪之間設置有乾燥，在裁剪、裝袋之間依次設置有疊片、壓成；
所述乾燥是指：對塗布後的產物進行乾燥，乾燥的溫度為25－40 度，時間為0－2小時；
所述疊片是指：將裁剪後的電極極片1與隔膜2進行層疊組裝以形成層疊體，層疊組裝依照電極極片1、隔膜2相互間隔的方式進行，相鄰的電極極片1之間為一個隔膜2，相鄰的電極極片1的極性相反，相鄰的電極極片1的極耳4的方向相對，且層疊體的頂面、底面各為一個電極極片1；
所述壓成是指：用1－10 Mpa的壓力預壓上述層疊體，保壓1－30分鐘。
實施例2：
基本內容同實施例1，不同之處在於：
所述電解液層3內的電解液為與電解液層3相接觸的電極極片1經加壓後滲透所得。優選方案，所述電解液層3內的電解液還包括加壓前在隔膜2內注入的電解液，其在製造時，就需要在壓成步驟中，在加壓前，在隔膜2的內部先注入電解液。
實施例3：
基本內容同實施例1，不同之處在於：
所述混料是指先配製電解液，再在電解液中添加活性物質、添加劑、粘結劑，經攪拌均勻後獲得粘度為4000－12000 Pa.s，固含量為20－40 %的電容器漿料；
所述電容器漿料的組成成分及其重量份比為：活性物質70－95，添加劑0－20，粘結劑0－10%，其餘為電解液，且活性物質為活性炭、石墨烯、碳納米管或MOF的任意組合；
所述無機電解液的溶質為KOH、NaOH、LiOH、K2SO4或Li2SO4的任意組合，溶劑為去離子水，濃度為3－6 mol/L。
實施例4：
基本內容同實施例1，不同之處在於：
所述塗布是指對集流體的正反兩面塗抹電容器漿料；
所述裝袋、焊接、抽真空、一封分別是指：先將壓成後的層疊體裝入鋁塑膜袋中，再將電極極片1上的極耳4按正負極進行對應焊接，然後用銅片轉換極耳4，再抽真空，最後密封；
所述老化、抽真空、二封分別是指：先對一封后的所得物進行老化實驗，再抽真空，最後密封以得到所述的超級電容器單體。
實施例5：
基本內容同實施例1，不同之處在於：乾燥的溫度為0度。
實施例6：
基本內容同實施例1，不同之處在於：壓成的時間為5分鐘。
實施例7：
基本內容同實施例1，不同之處在於：乾燥、壓成的操作要求分別是以下幾組資料：
乾燥的溫度為25度，時間為2小時，壓成為用1Mpa的壓力預壓上述層疊體，保壓30分鐘；
乾燥的溫度為40度，時間為5分鐘，壓成為用10Mpa的壓力預壓上述層疊體，保壓1分鐘；
乾燥的溫度為30度，時間為65分鐘，壓成為用5Mpa的壓力預壓上述層疊體，保壓15分鐘。