一種制備用于雙層電容器的電極的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種制備用于超級電容器的電極的方法，其中，活性碳與粘合材料在一段時間內(nèi)進行混合，這段時間的長度足以完成凝結(jié)過程，隨后將由此得到的物質(zhì)包裝起來以去除分散介質(zhì)并且用于形成(成型)所述電極。
【專利說明】—種制備用于雙層電容器的電極的方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及儲能電容器的設計，該儲能電容器通過在兩種介質(zhì)之間的界面以及在電極與電解液之間的界面累積電荷來儲存能量，因此也叫做“雙層電容器”(electricdouble-layer capacitors, EDLC)、“超級電容器”、“混合電容器”、“高級電容器”(日本)、“超電容器”(德國、美國)、“電化學電容器”(法國、加拿大)以及“離子電容器”(俄國和其它獨聯(lián)體國家)。
[0002]與傳統(tǒng)電解電容器相比，EDLC的主要優(yōu)點在于其比能增力口。這種電容器中的某些類型可以積累超過10kJ/kg的比能，并且可以以約l-10kw/kg的比功率將其釋放到負載上(www.kit-e.ru/articles/condenser/2005_6_12.php)。
[0003]為此，必須增加大量可能的“充電-放電”周期，增強可靠性和耐久性，以及增加大的操作溫度范圍。
[0004]對EDLC的獨特特征組合在很大程度上預先確定了其使用的可能性和實用性，首先確定了其在電氣運輸和混合應用中的可能性和實用性。另一個具有前景的領域是EDLC在具有非穩(wěn)定性特征的發(fā)電廠(如風力發(fā)電系統(tǒng)、利用太陽能電池的發(fā)電站和潮汐發(fā)電站)中用作“補償器”。
[0005]更加具體地，本發(fā)明涉及電容器的主要部件，即，電極。

【背景技術】
[0006]通常，EDLC電極由與粘合材料(粘合劑)組合(混合)的活性碳制備而成，粘合材料通常為聚合材料。
[0007]在本領域中一種用于制備EDLC電極的已知方法是:將活性碳粒子與平均尺寸是碳粒子平均尺寸的0.08-0.09的聚合物粒子混合，接著將上述混合物加熱至聚合物粒子軟化的溫度(美國專利7, 110，242)。
[0008]與本發(fā)明最接近的一種方法是RF專利號2427052中公開的制備用于超級電容器的電極的方法。根據(jù)該方法，活性碳與聚合物粘合劑、有機溶劑和導電添加劑(其可為多壁碳納米管和/或技術碳)混合。所述混合物易纖維化，可包裝為帶狀物然后進行熱處理。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]然而，本發(fā)明人們發(fā)現(xiàn)，由活性碳制成的電極的質(zhì)量明顯受到對活性碳與粘合材料的攪拌時長的影響。他們從而得出如下結(jié)論:該攪拌應一直進行直到凝結(jié)過程完成且攪拌的物質(zhì)變?yōu)轭愃颇z狀物為止。如果攪拌持續(xù)較長時間，10至30分鐘(這取決于活性碳與粘合劑攪拌形成的物質(zhì)中碳與粘合劑的均衡度，粘合劑占混合物總質(zhì)量的1%到20% )，那么就會出現(xiàn)上述情況。
[0010]對于本發(fā)明同樣重要的是所用的活性碳的特征:活性碳粒子的尺寸不應超過50μπι ;孔半徑在0.5至3nm之間；微觀孔的體積(借助苯吸附等溫線確定)不少于0.3cm3/g°

【具體實施方式】
[0011]本發(fā)明涉及制備超級電容器電極的技術，以及根據(jù)該技術制備的電極和具有根據(jù)該技術制備的電極的電容器。
[0012]制備電極的方法包括:準備電極物質(zhì)的過程和從該物質(zhì)形成電極的過程。
[0013]電極物質(zhì)準備過程包括如下操作:
[0014](I)準備活性碳與聚合粘合劑的混合物。活性碳可以為不同的種類:木炭、黑煤炭、焦炭、粗糠基碳(rice hulls based carbon)等。
[0015]碳粒子的尺寸必須小于50 μ m,孔半徑在0.5_3nm之間即可；借助苯吸附等溫線確定微觀孔的體積不少于0.3cm3/g。
[0016]可將占總質(zhì)量1-20%的水氟塑料懸浮液用作粘合劑。
[0017](2)將活性碳與粘合劑的混合物放入混合器中并攪拌足夠長的時間(10-30分鐘)使凝結(jié)過程完成。
[0018](3)通過從凝結(jié)的物質(zhì)中去除分散介質(zhì)，來包裝(致密化)凝結(jié)的物質(zhì)?？梢圆捎貌煌臋C構(gòu)來執(zhí)行致密化過程，比如輥輪、渦輪等。恰當?shù)淖龇ㄊ浅掷m(xù)致密化直到得到50-90%的孔隙率。
[0019]電極形成過程可包括如下操作:
[0020]I)通過使電極物質(zhì)通過輥輪，來形成帶狀物；
[0021]2)通過切割帶狀物，從所述帶狀物制備單個電極。為了使電極的厚度達到0.1-0.9mm，可將多層帶狀物相互重疊放置。
[0022]行得通的做法是在200-300°C的溫度下執(zhí)行電極形成(或成型)過程。
[0023]實施例1
[0024]活性木炭(平均粒子尺寸為23 μ m,半徑小于3nm的孔的體積為0.8cm3/g)與2%的氟塑料懸浮液Φ4ΖΙ和乙醇混合。將混合物攪拌20分鐘以便凝結(jié)。接著通過使得到的物質(zhì)從輥輪通過8次并加入多個層來包裝得到的物質(zhì)。將厚度為400 μ m且孔隙率為80%的電極帶在200°C下加熱兩個小時。將從帶狀物上切割下來的電極用硫酸真空浸潰0.5個小時并暴露在大氣壓下0.5個小時。接著，組裝電極以形成超級電容器電池。壓縮力為1atm0接著，對電極進行電化學測驗。超級電容器電池的能量容量為9.7W*h/kg的干碳以及3.7W*h/kg的碳和電解質(zhì)的總質(zhì)量。
[0025]實施例2
[0026]活性粗糠基木炭(平均粒子尺寸為9 μ m,半徑小于3nm的孔的體積為0.7cm3/g)與15%的氟塑料懸浮液Φ4ΖΙ和乙醇混合。將混合物攪拌10分鐘以便凝結(jié)。接著,通過使得到的物質(zhì)從輥輪通過8次并加入多個層來包裝得到的物質(zhì)。將厚度為300 μ m且孔隙率為75%的電極帶在300°C下加熱兩個小時。將從帶狀物上切割下來的電極用硫酸真空浸潰0.5個小時并暴露在大氣壓下0.5個小時。接著，組裝電極以形成超級電容器電池。壓縮力為30atm。接著，對電極進行電化學測驗。超級電容器電池的能量容量為8.9W*h/kg的干碳以及3W*h/kg的碳和電解質(zhì)的總質(zhì)量。
[0027]工業(yè)實用性
[0028]收到的關于使用根據(jù)本發(fā)明制備的電極的電容器的使用質(zhì)量信息為這些電容器成功用作超級電容器提供了充分證據(jù)。
【權利要求】
1.一種制備用于雙層電容器的電極的方法，所述方法包括: 使用粒徑小于50 μ m的活性碳； 將所述活性碳與粘合劑混合，混合的時間長度足以完成凝結(jié)過程； 通過去除分散介質(zhì)將所述物質(zhì)致密化(包裝)； 由所述包裝的物質(zhì)形成(成型)所述電極。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述活性碳的孔半徑在0.5-3nm之間。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其中，所述活性碳具有微觀孔體積，所述微觀孔體積借助苯吸附等溫線確定，不少于0.3cm3/g。
4.根據(jù)權利要求1至3任一項所述的方法，其中，將占總質(zhì)量1-20%的所述碳和粘合劑的混合物質(zhì)攪拌10-30分鐘。
5.根據(jù)權利要求1或4所述的方法，其中，采用水氟塑料懸浮液作為粘合劑。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，通過將碳和粘合劑的混合物質(zhì)通過輥輪，來對所述混合物質(zhì)進行致密化(包裝)。
7.根據(jù)權利要求1或6所述的方法，其中，持續(xù)對所述物質(zhì)進行致密化以達到50-90%的孔隙率。
8.根據(jù)權利要求1或6所述的方法，其中，電極由多層致密化(包裝)的物質(zhì)形成，以達到0.1-0.9mm的厚度。
9.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的方法，其中，在200-300°C的溫度下形成(成型)電極。
10.一種用于雙層電容器的電極，所述電極通過權利要求1-9中任一項所述的方法制備而成。
11.一種雙層電容器，所述雙層電容器包括通過權利要求1-9中任一項所述的方法制備而成的電極。
【文檔編號】H01G11/84GK104364863SQ201280071310
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2012年12月3日 優(yōu)先權日:2012年12月3日
【發(fā)明者】安德烈·瓦西里耶維奇·多爾戈拉普捷夫, 奧列格·格里戈里耶維奇·達什科, 尤金尼·洛西福維克·什科利尼科夫, 亞歷山大·費多羅維奇·布爾德亞夫, 達里婭·葉夫根尼耶維納·韋爾維基什科, 伊戈爾·維塔利耶夫維奇·亞尼爾金, 埃琳娜·亞歷山德羅芙娜·基謝廖娃, 瓦季姆·亞歷山大羅維奇·祖博夫 申請人:能源和電動汽車項目有限責任公司