專利名稱：一種基于活性碳電極的超級電容器及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明屬于基于超級電容器制造技術范圍，特別涉及具有高放電功率特性的 .一種基于活性碳電極的超級電容器及其制造方法。
背景技術：
超級電容器是一種新型儲能裝置，集高能量密度、高功率密度、長壽命等特 性于一身，此外它還具有免維護、高可靠性等優(yōu)點，是一種兼?zhèn)潆娙莺碗姵靥匦?的新型電子元件。根據儲能機理的不同其主要分為建立在界面雙電層基礎上的 "雙電層型"超級電容器以及建立在法拉第準電容基礎上的"準電容型"超級電 容器。碳材料的性質是決定"雙電層型"超級電容器性能的決定因素。其中包括 碳材料的比表面積、孔徑分布、電化學穩(wěn)定性和電導率等。經過研究滿足要求的 碳材料有活性炭，納米碳纖維，納米碳管等等，這方面比較典型的專利如美國
MAX呢LL公司的專利《具有密封電解封口的多電極雙層電容器》(CA1408121A)以 及北京集星聯(lián)合電子科技有限公司的專利《活性炭纖維布/噴涂鋁復合極板雙電 層電容器及其制備方法》(ZL03124290. 1)。"準電容"的原理是電極材料利用鋰 離子或質子在材料的三維或準二維晶格立體結構中的儲留來達到儲存能量的目 的，雖然其充放電特性與雙電層電容極其相似，但其儲能機理與碳材料表面的二 維吸附有較大的差別，該類電極材料包括金屬氧化物、氮化物、高分子聚合物等 等，目前該領域的專利主要集中在混合型超級電容器領域，如上海奧威科技開發(fā) 有限公司的《一種車用動力電源超級電容器》(CN1431669)。超級電容器的關鍵 指標包括能量密度以及放電功率等，其中制約放電功率的關鍵因素是電容器的內 阻，而電極本身的內阻和超級電容器的組裝結構又在很大程度上決定著電容器內 阻的高低。因此通過制備性能優(yōu)良的新型活性碳電極以及設計合理的電容器結構 可以有效的降低電容器內阻并提高電容器放電功率，基于上述新型電極和外殼結 構組裝的超級電容器在交通、能源、航天和軍用領域中具有重要的應用。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提出一種基于活性碳電極的超級電容器及其制造方法，所述 超級電容器的結構為活性碳阻極和活性碳陰極依次迭加巻繞為電極芯后，密封在
不銹鋼或鋁外殼內構成圓柱型結構，灌注有機電解液組裝成為全密封免維護型超 級電容器。
所述活性碳陽極結構是將粉末狀活性碳以及纖維狀活性碳的混合成多孔電 極物質粘附在連續(xù)帶狀鋁箔基體正反兩面上形成，在活性碳陽極的一側邊緣處沒 有粘附多孔電極物質，鋁箔暴露在外。所述活性碳陰極結構是將粉末狀活性碳以 及纖維狀活性碳的混合成多孔電極物質粘附在連續(xù)帶狀鋁箔基體正反兩面上形 成，在活性碳陰極的一側邊緣處沒有粘附多孔電極物質，鋁箔暴露在外。
所述活性碳陽極及活性碳陰極的制造工藝采用漿料涂覆法制備。將粉末狀活 性碳以及纖維狀活性碳混合成多孔電極物質粘附在連續(xù)帶狀鋁箔基體正反兩面 上形成，并將電極材料與粘合劑混合，溶解在水性溶劑中制成電極漿料，活性碳 纖維在此處可以增強電極的結構強度并降低電極內阻；以鋁箔作為基體進行連續(xù) 化涂覆，將電極漿料充分剪切攪拌，再將其均勻的刮涂在鋁箔上，烘干后連續(xù)輥 壓，由此得到活性碳陽極及活性碳陰極。
所述有機電解液由溶質和溶劑組成；其中溶質為四乙基四氟硼酸銨，或三乙 基一甲基四氟硼酸銨；溶劑為碳酸丙烯脂，環(huán)丁砜，或碳酸丙烯脂與5—40wt%d環(huán) 丁砜的混合物；電解液中溶質的濃度為0. 5mol/L l. 6mol/L。
一種基于活性碳電極的超級電容器制造方法，其特征在于，超級電容器的外 形結構為圓柱型，電容器的正負兩極的端子居于圓柱體的兩端，正負極端子與電 容器外殼都保持絕緣，電容器的外殼本身不帶電。
所述圓柱型電容器的制作方法為將活性碳陽極、隔膜、活性碳陰極、隔膜依 次疊加并巻繞成為圓柱狀電極芯，活性碳陽極、活性碳陰極、隔膜之間在正負電 極方向上有一定錯位，將上述電極芯陽極集流體、陰極集流體分別與頂蓋正極、 頂蓋負極通過焊接方式連接后放置在不銹鋼外殼內，通過壓延旋封方式完成電容 器組裝，正負電極端子通過楔形結構對電極芯兩端的引流片產生一個應力，可有
5效降低接觸電阻。將上述結構在真空條件下干燥處理后灌注有機電解液后完成電 容器密封。
本發(fā)明的有益效果是通過提出新型活性碳電極制備方法和超級電容器組裝 新工藝有效的降低了電容器的內阻，改善了電容器的大功率放電特性。通過提出 有機電解液新配方改善了電容器的高溫工作性能。本超級電容器工作電壓范圍為
0V 2.5V，儲能密度可以達到5Wh/kg，峰值放電功率可以達到6kW/kg。基于新型 活性碳電極和有機電解液的超級電容器具有單元電壓高、比功率高、放電功率大 等優(yōu)點，上述優(yōu)異的性能使本發(fā)明中描述的超級電容器在工業(yè)不間斷電源、電動 車輛、風力發(fā)電，軍用大功率電源、無線電通訊等領域具有十分廣泛的應用。


圖1A為活性碳顆粒掃描電子纖維鏡照片 圖1B為活性碳纖維掃描電子顯微鏡照片 圖1C為活性碳纖維片段掃描電子顯微鏡照片 圖2A為活性碳電極平面特征及錯位疊放示意圖 圖2B為活性碳電極巻繞后電極芯截面示意圖 圖3A為超級電容器結構示意圖 圖3B為圓柱形超級電容器外觀示意圖
具體實施例方式
本發(fā)明提出一種基于活性碳電極的超級電容器及其制造方法，所述超級電容 器的結構為活性碳陽極和活性碳陰極依次迭加巻繞為電極芯后，密封在不銹鋼或 鋁外殼內構成圓柱型結構，灌注有機電解液組裝成為全密封免維護型超級電容 器?；诒景l(fā)明制造的超級電容器有望在電子、汽車、航天、軍事等多種領域獲 得廣泛應用。
超級電容器的電極、電極芯以及電容器結構如圖所示
圖1A為活性碳粉末掃描電鏡照片，圖1B為活性碳纖維掃描電鏡照片，圖1C 為破碎后的活性碳纖維段掃描電鏡照片
圖2A為活性碳電極平面特征及錯位疊放示意圖，圖2B為活性碳電極巻繞后電極芯縱向截面示意圖。上述兩圖中1為陽極基體鋁箔，2為陽極電極活性物質，
3為隔膜，4為陰極基體鋁箔，5為陰極電極活性物質。
圖3A為超級電容器結構示意圖，圖中6為電容器正極端子，7為正極應力楔 子，8為陽極引流片，9為陽極鋁箔集流體，IO為電容器殼體，ll為電極芯，12 為陰極鋁箔集流體，13為陰極引流片，14為負極緊固螺母，15為負極端子，16 為負極彈性墊片，17為負極絕緣密封外墊片，18為負極絕緣密封內墊片，19為注 液口及封口螺栓，20為正極-外殼旋封接口。
圖3B為電容器外觀示意圖，圖中6為電容器正極端子，15為電容器負極端 子，19為注液口及封口螺栓.
超級電容器的制備和組裝詳細工藝為
1.活性碳材料的選取和電極漿料的配制選取活性碳材料比表面積應大于 1800mVg， 80%以上微孔的孔徑應分布在9 11納米，雜質含量應小于2%，顆粒 粒徑應小于20微米(如圖1A所示)的活性碳及活性碳纖維作為電極原料，日本 可樂力公司生產的YP15, YP17等型號的活性碳產品都可以滿足上述要求。所選 擇的活性碳纖維材料的比表面積應大于1600m7g，表面80%以上微孔的孔徑分 布在0. 9 1. 1納米，氧雜質含量應低于5%，磷雜質含量應低于1%，纖維直徑應 小于20微米(如圖1B所示)，可選擇滿足上述要求的活性碳纖維布破碎后制備 成為活性碳纖維段(如圖1C所示)，采用北京華昌新材料科技有限公司生產的活 性碳纖維布處理后得到的纖維段可以滿足上述要求。
所述活性碳電極(活性碳陽極和活性碳陰極)漿料的具體制造工藝為稱取 各自成分為10 90%的活性碳粉末和活性碳纖維段粉末，由于二者都具有很高電 化學容量，具體比例與電極用途有關，活性碳纖維的含量越高，電極結構強度越 好，電極內阻越低，但是電極的厚度較大，韌性較差，比較適合用于大功率超級 電容器的制備和組裝。將電極材料與水性粘合劑充分混合，水性粘合劑為鋰電池 電極水性粘合劑(例如成都茵地樂電源科技有限公司生產的133水性粘合劑)， 粘合劑的比例最高不超過10%，最低不低于3%，比例過高會導致電極電阻偏大， 比例過低會影響電極材料與鋁箔之間的粘附強度。將電極材料和粘合劑于水性溶劑中充分混合、攪拌、剪切、球磨后得到電極漿料，該漿料應在真空狀態(tài)下脫泡
12小時以上。
2. 新型活性碳電極(活性碳陽極和活性碳陰極)及其電極芯的制備將漿料
采用刮涂方法連續(xù)涂于鋁箔基體(如圖2A中的3)上下兩面，單側涂覆厚度不超 過200微米，漿料層過厚容易導致電極板結。涂覆過程中鋁箔幅面并未完全覆蓋， 在其中一側的邊緣處留有空白，而且上下兩面的空白都留在同一側(如圖2A所 示)?？瞻椎膶挾扰c電極的幅寬有關，最大不超過電極幅寬的10%，最小不低于電 極幅寬的5%。涂覆完成后先行將電極自然晾干，然后在8(TC真空條件下烘干48 小時。完成烘干后將電極反復輥壓，輥壓程度與電極厚度有關，輥壓后的厚度不 低于原厚度的50%，不高于原厚度的80%，過低容易導致活性碳層的脫落和電解 液難以滲透，過高則容易導致電極內阻偏大。
將活性碳陽極、隔膜、活性碳陰極、隔膜依次疊加并巻繞成為圓柱狀電極芯 11，在保證兩電極間不發(fā)生短路的前提下，活性碳陽極、活性碳陰極、隔膜之間 在正負電極方向上有一定錯位，陰陽兩極錯位方向相反，將上述電極芯陽極集流 體、陰極集流體分別與頂蓋正極、頂蓋負極通過焊接方式連接后放置在不銹鋼外 殼內，電極上的鋁箔暴露部分伸出隔膜兩端(如圖2A所示)。電極芯橫向截面和 縱向截面結構示意圖分別如圖2B以及圖2C所示。
3. 超級電容器外殼結構及組裝工藝將電容器外殼10，負極緊固螺母14， 負極端子15，負極彈性墊片16，負極絕緣密封外墊片17，負極絕緣密封內墊片 18等部件按照圖3A中所示結構先行組裝并確保外殼與端子關聯(lián)等部位的絕緣和 密封；將電極芯兩端的陽極和陰極集流體與鋁質陽極引流片8和鋁質陰極引流片 13采用焊接工藝連接并按照圖3A所述的結構置于鋁質或不銹鋼外殼結構中，確 保負極端子15的尖端塞入電極芯的中心；將正極應力楔子7和正極端子6按照 圖3A所示的結構與電極芯以及外殼組裝在一起，正極應力楔子也插入到電極芯 的中部空腔，外部施加一個外力以保證正極端子6及負極端子15與電極芯之間 緊密接觸以最大程度的降低部件之間的接觸電阻。按照圖3A中所示的封口結構 20以及圖3B為電容器外觀示意圖，圖中6為電容器正極端子，15為電容器負極端子，19為注液口及封口螺栓。
本發(fā)明所描述的電容器結構及組裝工藝能夠最大程度的降低電極芯機外殼 和正負極端子之間的接觸電阻，并有效改善電容器的大功率放電特性。
4.超級電容器的注液與密封將封裝好但尚未注液的電容器于120攝氏度 真空條件下烘干72小時以上，然后從注液口注入有機電解液并擰緊注液口螺栓 完成密封。所述有機電解液由溶質和溶劑組成，溶質為四乙基四氟硼酸銨，或三
乙基一甲基四氟硼酸銨；溶劑為碳酸丙烯脂，環(huán)丁砜，或碳酸丙烯脂與5—40wt% 的環(huán)丁砜的混合物，環(huán)丁砜具有比其他溶劑更好的穩(wěn)定性，但是電阻偏高；電解 液中溶質的濃度為0. 5mol/L 1. 6mol/L，溶質濃度越高電解液的電阻越低，當電 解質完全由三乙基一甲基四氟硼酸銨構成時，溶質濃度可以達到1. 6mol/L。
上述采用新型活性碳電極和有機電解液的超級電容器工作電壓達到2. 5V，儲 能密度可以達到5Wh/kg，峰值放電功率可以達到6kW/kg。基于新型活性碳電極和 有機電解液的超級電容器具有單元電壓高達2.8V、內阻低至0.2mQ、放電功率 達到6kW/kg等優(yōu)點。上述優(yōu)異的性能使本發(fā)明提出的超級電容器在工業(yè)不間斷 電源、電動車輛、風力發(fā)電，軍用大功率電源、無線電通訊等領鎮(zhèn)具有十分廣泛 的應用。
權利要求
1.一種基于活性碳電極的超級電容器，其特征在于，所述超級電容器的結構為活性碳陽極和活性碳陰極依次迭加卷繞為電極芯后，密封在不銹鋼或鋁外殼內構成圓柱型結構，灌注有機電解液組裝成為全密封免維護型超級電容器。
2. 根據權利要求1所述基于活性碳電極的超級電容器，其特征在于，所述活性碳陽極和所述活性碳陰極的結構是將粉末狀活性碳以及活性碳纖維混合成的 多孔電極物質，粘附在連續(xù)帶狀鋁箔基體正反兩面上形成，在活性碳陽極或活性 碳陰極的一側邊緣處沒有粘附多孔電極物質，鋁箔暴露在外b
3. 根據權利要求1或2所述基于活性碳電極的超級電容器，其特征在于，所 述活性碳陽極及活性碳陰極的制造是采用漿料涂覆法制備，將粉末狀活性碳以及 纖維狀活性碳混合成的多孔電極物質，并將多孔電極物質與粘合劑混合溶解在水 性溶劑中制成電極漿料，活性碳纖維在此處具有增強電極的結構強度并降低電極 內阻的作用，將電極漿料充分剪切攪拌；以鋁箔作為基體進行連續(xù)化涂覆，將電 極漿料均勻的刮涂在鋁箔上，烘干后連續(xù)輥壓，由此得到活性碳陽極及活性碳陰 極；其中活性碳粉末和活性碳纖維段粉末各自成分為10 90wt%，選用成都茵地 樂電源科技有限公司生產的133水性粘合劑為鋰電池電極水性粘合劑，粘合劑的 比例為3 10wt。/。，將電極材料和粘合劑于水性溶劑中充分混合、攪拌、剪切后得 到電極漿料，該漿料應在真空狀態(tài)下脫泡12小時以上，其單側涂覆厚度不超過 200微米，而且上下兩面的空白都留在同一側，空白的寬度最大不超過電極幅寬 的10%，最小不低于電極幅寬的5%;涂覆完成后先行將電極自然晾干，然后在80 'C真空條件下烘干48小時，完成烘干后將電極反復輥壓，輥壓后的厚度不低于 原厚度的50%，不高于原厚度的80%。
4. 根據權利要求1所述基于活性碳電極的超級電容器，其特征在于，所述活 性碳材料比表面積應大于1800mVg， 80%以上微孔的孔徑應分布在9 11納米， 雜質貪量應小于2%，顆粒粒徑應小于20微米，所選擇的活性碳纖維材料的比表 面積應大于1600m7g，表面80%以上微孔的孔徑分布在0. 9 1. 1納米，氧雜質 含量應低于5%，磷雜質含量應低于1%，纖維段直徑應小于20微米。
5. 根據權利要求1所述基于活性碳電極的超級電容器，其特征在于，所述有機電解液由溶質和溶劑組成；其中溶質為四乙基四氟硼酸銨，或三乙基一甲基四 氟硼酸銨；溶劑為碳酸丙烯脂，環(huán)丁砜，或碳酸丙烯脂與5 — 40wt。/。的環(huán)丁砜的混 合物；電解液中溶質的濃度為0. 5mol/L L 6mol/L。
6. 根據權利要求1所述基于活性碳電極的超級電容器，其特征在于，所述的 有機電解液，電解液由溶質和溶劑組成，溶質為四乙基四氟硼酸銨，或三乙基一 甲基四氟硼酸銨，或上述兩種鹽的混合物；溶劑為碳酸丙烯脂，環(huán)丁砜，或上述 溶劑的混合物；電解液中溶質的濃度為0. 5mol/L 1. 6mol/L。
7. —種基于活性碳電極的超級電容器制造方法，其特征在于，超級電容器的 外形結構為圓柱型，電容器的正負兩極的端子居于圓柱體的兩端，正負極端子與 電容器外殼都保持絕緣，電容器的外殼本身不帶電。
8. 根據權利要求7所述基于活性碳電極的超級電容器制境方法，其特征在于， 所述圓柱型電容器的制作方法為將活性碳陽極、隔膜、活性碳陰極、隔膜依次疊 加并巻繞成為圓柱狀電極芯，活性碳陽極、活性碳陰極、隔膜之間在正負電極方 向上有一定錯位，，將上述電極芯陽極集流體、陰極集流體分別與頂蓋正極、頂 蓋負極通過焊接方式連接后放置在不銹鋼外殼內，通過壓延旋封方式完成電容器 組裝，正負電極端子通過楔形結構對電極芯兩端的引流片產生一個應力，可有效 降低接觸電阻，將上述結構在真空條件下干燥處理后灌注有機電解液后完成電容 器密封。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于電容器的制造技術范圍的一種基于活性碳電極的超級電容器及其制造方法。該電容器為圓柱形結構，由活性碳陽極和活性碳陰極依次迭加卷繞為電極芯后，密封在不銹鋼或鋁外殼內構成圓柱型結構，活性碳電極材料由活性碳粉末和活性碳纖維混合而成。采用涂覆方法制備活性碳陽極和活性碳陰極，灌注有機電解液組裝成為全密封免維護型超級電容器。由溶劑和溶質構成活性碳電極有機電解液，正負電極從兩端引出，電極集流體和引流片結構可顯著降低電容器內阻，電容器殼體與正負極端子分別絕緣，殼體本身不帶電，具有更高的安全性。所組裝電容器具有良好的儲能特性和高功率放電特性，在工業(yè)、交通、電子、軍事等領域廣泛應用。
文檔編號H01G9/058GK101582334SQ20091008683
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月8日 優(yōu)先權日2009年6月8日
發(fā)明者政 尤 申請人:清華大學