電化學(xué)儲(chǔ)能裝置及其制造方法
【專利摘要】公開了電化學(xué)儲(chǔ)能裝置及其制造方法，其中所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置包括至少兩個(gè)層疊設(shè)置的電化學(xué)電容器，所述電化學(xué)電容器包括一對(duì)電極以及位于所述一對(duì)電極之間的隔膜和電解液。
【專利說明】電化學(xué)儲(chǔ)能裝置及其制造方法
[0001]領(lǐng)域
[0002]本公開涉及電化學(xué)領(lǐng)域。
[0003]背景
[0004]電化學(xué)電容器(electrochemical capacitors, ECs),也稱超級(jí)電容器(supercapacitors),是一種新型環(huán)保的電化學(xué)儲(chǔ)能器件。其工作原理是通過電極與電解液界面之間形成雙電層來存儲(chǔ)電荷，積蓄能量。電化學(xué)電容器具有充放電速度快、功率密度高、使用壽命長、高效環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在實(shí)際生活中得到了廣泛的應(yīng)用。例如，它可以用于電池備用系統(tǒng)、不間斷電源、混合動(dòng)力汽車(HEV)等各方面領(lǐng)域。電化學(xué)電容器包括電極、集流體、隔膜、電解液四大組成部分，外部封裝結(jié)構(gòu)主要有紐扣式、卷繞式和疊片式三種。目前工業(yè)上制備的電化學(xué)電容器主要以有機(jī)體系為主，即采用活性炭材料作為電極材料，電解液選用有機(jī)電解液，充放電電壓可達(dá)到2.7V。雖然有機(jī)系電化學(xué)電容器的電壓較水系電化學(xué)電容器的電壓(IV)提高了很多，能量密度大幅度提高，然而仍在一些高電壓體系的應(yīng)用中有其局限性。
[0005]概述
[0006]本公開一方面提供了電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，其包括至少兩個(gè)層疊設(shè)置的電化學(xué)電容器，所述電化學(xué)電容器包括一對(duì)電極以及位于所述一對(duì)電極之間的隔膜和電解液。
[0007]本公開另一方面提供了制造電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的方法，其包括I)提供至少兩個(gè)電化學(xué)電容器；以及2)將所述電化學(xué)電容器層疊串聯(lián)。
[0008]附圖簡要說明
[0009]圖1為本公開一實(shí)施方案的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖2為本公開的實(shí)施例1中制備的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的恒電流充放電曲線。
[0011]圖3為本公開的實(shí)施例1中制備的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的循環(huán)伏安曲線。
[0012]圖4為本公開的實(shí)施例1中制備的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的電化學(xué)阻抗曲線。
[0013]圖5為本公開的實(shí)施例2中制備的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的恒電流充放電曲線。
[0014]詳述
[0015]在以下的說明中，包括某些具體的細(xì)節(jié)以對(duì)各個(gè)公開的實(shí)施方案提供全面的理解。然而，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，不采用一個(gè)或多個(gè)這些具體的細(xì)節(jié)，而采用其它方法、部件、材料等的情況下可實(shí)現(xiàn)實(shí)施方案。
[0016]除非本公開中另外要求，在整個(gè)說明書和其后的權(quán)利要求書中，詞語“包括”和“包含”應(yīng)解釋為開放式的、含括式的意義，即“包括但不限于”。
[0017]在整個(gè)本說明書中提到的“一實(shí)施方案”或“實(shí)施方案”或“在另一實(shí)施方案中”或“在某些實(shí)施方案中”意指在至少一實(shí)施方案中包括與該實(shí)施方案所述的相關(guān)的具體參考要素、結(jié)構(gòu)或特征。因此，在整個(gè)說明書中不同位置出現(xiàn)的短語“在一實(shí)施方案中”或“在實(shí)施方案中”或“在另一實(shí)施方案中”或“在某些實(shí)施方案中”不必全部指同一實(shí)施方案。此夕卜，具體要素、結(jié)構(gòu)或特征可以任何適當(dāng)?shù)姆绞皆谝粋€(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中結(jié)合。
[0018]定義[0019]因此，非另有相反的說明，否則說明書及所附權(quán)利要求中所用的下列術(shù)語具有以下的意思:
[0020]在本公開中，術(shù)語“粘結(jié)劑”系指可以把活性電極材料粘結(jié)起來成膜的物質(zhì)，通常為高分子材料。
[0021]在本公開中，術(shù)語“溶劑”系指可以溶化固體、液體或氣體溶質(zhì)的液體。
[0022]在本公開中，術(shù)語“集流體”系指匯集電流的結(jié)構(gòu)或零件，其功用主要是將電池活性物質(zhì)產(chǎn)生的電流匯集起來以便形成較大的電流對(duì)外輸出。
[0023]在本公開中，術(shù)語“導(dǎo)電膠”系指固化或干燥后具有一定導(dǎo)電性能的膠粘劑?！揪唧w實(shí)施方式】
[0024]本公開一方面提供了電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，其包括至少兩個(gè)層疊設(shè)置的電化學(xué)電容器，所述電化學(xué)電容器包括一對(duì)電極以及位于所述一對(duì)電極之間的隔膜和電解液。
[0025]在某些實(shí)施方案中，所述電極為薄膜電極。
[0026]在某些實(shí)施方案中，電極材料包括電極活性材料和粘結(jié)劑。
[0027]在某些實(shí)施方案中，所述的電極活性材料的質(zhì)量含量占整個(gè)電極材料的50%-100%ο
[0028]能夠用于本公開的電極活性材料的示例性實(shí)例包括但不限于多孔活性炭、石墨烯、改性石墨烯材料、活性炭及石墨烯復(fù)合材料、中間相碳微球、天然石墨、改性石墨、包覆石墨、碳納米纖維、碳納米管、焦炭、硅粉、硅線、鋰離子電池使用的含鋰元素的正極粉體材料、鋰離子電池使用的含鋰元素的粉體材料及其混合物。
[0029]能夠用于本公開的粘結(jié)劑的示例性實(shí)例包括但不限于聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、丁苯橡膠、羧甲基纖維素以及混合物、聚丙烯醇、聚酰胺、聚芳綸等高分子聚合物。
[0030]在某些實(shí)施方案中，所述電極材料還包括導(dǎo)電炭黑、乙炔黑、科琴黑、石墨、石墨烯、碳納米纖維、導(dǎo)電纖維、金屬絲或其混合物。
[0031]在某些實(shí)施方案中，所述的電極活性材料與所述粘結(jié)劑的質(zhì)量比為90:10。
[0032]在某些實(shí)施方案中，所述的電極活性材料、所述導(dǎo)電炭黑和所述粘結(jié)劑的質(zhì)量比為 85:5:10。
[0033]在某些實(shí)施方案中，將電極活性材料、導(dǎo)電炭黑和粘結(jié)劑壓制在集流體上制備薄膜電極。在某些實(shí)施方案中，將電極活性材料、導(dǎo)電炭黑和粘結(jié)劑分散在溶液中后旋涂成膜在集流體上制備薄膜電極。
[0034]能夠用于本公開的集流體的示例性實(shí)例包括但不限于銅箔、鋁箔和具有粘性的導(dǎo)電高分子薄膜。
[0035]在某些實(shí)施方案中，集流體可以涂覆導(dǎo)電膠以提高導(dǎo)電能力。
[0036]能夠用于本公開的隔膜的示例性實(shí)例包括但不限于纖維素質(zhì)多孔隔膜、多孔聚丙烯膜、無紡布和無極材料填充的無紡布類膜。
[0037]在某些實(shí)施方案中，所述電解液為有機(jī)電解液。
[0038]能夠用于本公開的有機(jī)電解液中的電解質(zhì)的示例性實(shí)例包括但不限于有機(jī)季銨鹽和鋰鹽。[0039]在某些實(shí)施方案中，所述有機(jī)電解液中的電解質(zhì)選自四乙基硼氟酸銨鹽、六氟磷酸鋰、四氟硼酸鋰和LiBOB。
[0040]能夠用于本公開的有機(jī)電解液中的溶劑的示例性實(shí)例包括但不限于乙腈、丙烯碳酸酯、乙烯碳酸酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、乙二醇、甘油或其混合物。
[0041]在某些實(shí)施方案中，所述電極的面積為0.1cm2到2000cm2。
[0042]在某些實(shí)施方案中，所述層疊設(shè)置的電化學(xué)電容器包括至少一個(gè)雙面電極。
[0043]在某些實(shí)施方案中，所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的封裝結(jié)構(gòu)為扣式、卷繞式或疊片式。
[0044]在某些實(shí)施方案中，所述封裝結(jié)構(gòu)的外殼內(nèi)部以及所述電極的集流體邊緣涂覆有絕緣材料。
[0045]能夠用于本公開的絕緣材料的示例性實(shí)例包括但不限于為水性膠、聚丙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯醇、聚甲基丙烯酸脂、聚酰胺、聚芳綸等高分子聚合物。
[0046]在某些實(shí)施方案中，在形成涂覆層之前，絕緣材料為溶液、乳液、粉料等可形成流動(dòng)或附著層的形態(tài)。
[0047]在某些實(shí)施方案中，電化學(xué)儲(chǔ)能裝置為雙電層的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置。
[0048]在某些實(shí)施方案中，電化學(xué)儲(chǔ)能裝置包括兩個(gè)層疊設(shè)置的電化學(xué)電容器，每一所述電化學(xué)電容器包括一對(duì)電極以及位于所述一對(duì)電極之間的隔膜和電解液。 [0049]在與電化學(xué)儲(chǔ)能裝置包括兩個(gè)層疊設(shè)置的電化學(xué)電容器有關(guān)的實(shí)施方案中，電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的兩側(cè)為單面電極，中間為雙面電極，電極之間設(shè)置有隔膜和電解液。
[0050]本公開的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置通過內(nèi)部層疊串聯(lián)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅單體電容器的電壓提高到了 5.4V，而且具有很好的電化學(xué)性能，在保持高功率的同時(shí)，整個(gè)裝置的能量密度也得到了提高(可達(dá)19.3ffh.kg。^1)，是普通活性炭基單體電化學(xué)電容器能量密度的4倍。并且這種內(nèi)部串聯(lián)的方法可以大大降低器件的封裝成本，具有很重要的市場應(yīng)用價(jià)值。
[0051]本公開另一方面提供了制造電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的方法，其包括I)提供至少兩個(gè)電化學(xué)電容器；以及2)將所述電化學(xué)電容器層疊串聯(lián)。
[0052]在某些實(shí)施方案中，制造電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的方法包括I)提供兩個(gè)電化學(xué)電容器；以及2)將所述電化學(xué)電容器層疊串聯(lián)。
[0053]在與提供兩個(gè)電化學(xué)電容器有關(guān)的實(shí)施方案中，電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的兩側(cè)為單面電極，中間為雙面電極，電極之間設(shè)置有隔膜和電解液。
[0054]下面通過具體實(shí)施例對(duì)本公開中涉及的發(fā)明進(jìn)行具體描述，這些實(shí)施例只用于對(duì)這些發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說明，不能理解為對(duì)其保護(hù)范圍的限制。
[0055]實(shí)施例
[0056]實(shí)施例1
[0057]I)電極片的制備
[0058]將天津普蘭納米科技有限公司生產(chǎn)的活性炭材料(I號(hào)，比表面積為3100m2.g—1)和聚四氟乙烯PTFE按照90:10的質(zhì)量比例混合(加入少量乙醇)，輥壓成厚度約為100 μ m的薄膜，之后裁成直徑為13mm的圓片，在120° C下真空干燥12h，冷卻至室溫稱重。取質(zhì)量相等(約為3mg)的兩個(gè)電極片，180° C熱壓到單面有導(dǎo)電膠涂層的鋁箔(直徑為16mm)上；另取與前電極片質(zhì)量相等的兩個(gè)電極片，分別對(duì)稱熱壓到雙面涂膠鋁箔的正反面上。四個(gè)電極片的鋁箔邊緣均用絕緣涂料CMC水溶膠進(jìn)行表面涂覆。之后在180° C下真空干燥6h,之后轉(zhuǎn)移至手套箱中(水分:〈lppm ;氧氣:〈10ppm)。
[0059]2)高電壓電化學(xué)電容器的制備
[0060]在手套箱中，將一個(gè)單面電極片面朝上放置，之后在其上放置一張隔膜，再繼續(xù)在上面放置雙面電極片，然后放上另一張隔膜，最后放置另一個(gè)單面電極片，電極面朝下。四個(gè)電極的中心位置對(duì)齊，滴加IM Et4NBF4AN有機(jī)電解液，之后按照扣式電池的封裝方法封裝至涂有絕緣涂料的扣式電池殼中即得到電化學(xué)電容器。該實(shí)例中制備的高電壓電化學(xué)電容器在0-5.4V，IA.g—1的測試條件下，電極比電容為190F.g_\器件整體的能量密度達(dá)到
19.3Wh Icgeell-1 (按電極材料能量密度的40%計(jì)算)。在IOA -g^1的大電流充放電測試條件下，電極比電容為161F.g—1，器件整體的能量密度為16.3ffh ^kgeell-1,功率密度為2kW ^kgeell'同時(shí)在IA.g—1的測試條件下，5000次充放電循環(huán)后的容量仍保持在84%左右。
[0061]實(shí)施例2
[0062]I)電極片的制備
[0063]將天津普蘭納米科技有限公司生產(chǎn)的活性炭材料(2號(hào)，比表面積為2300m2 q1)、導(dǎo)電炭黑和聚四氟乙烯PTFE按照85:5:10的質(zhì)量比例混合(加入少量乙醇)，輥壓成厚度約為100 μ m的薄膜,之后裁成直徑為13mm的圓片，在120° C下真空干燥12h,冷卻至室溫稱重。取質(zhì)量相等(約為4mg)的兩個(gè)電極片，180° C熱壓到單面有導(dǎo)電膠涂層的鋁箔(直徑為16mm)上；另取與前電極片質(zhì)量相等的兩個(gè)電極片，分別對(duì)稱熱壓到雙面涂膠鋁箔的正反面上。四個(gè)電極片的鋁箔邊緣均用絕緣涂料PVDF/NMP溶液進(jìn)行表面涂覆。之后在180° C下真空干燥6h,之后轉(zhuǎn)移至手套箱中(水分:〈lppm ;氧氣:〈lOppm)。 [0064]2)高電壓電化學(xué)電容器的制備
[0065]在手套箱中，將一個(gè)單面電極片面朝上放置，之后在其上放置一張隔膜，再繼續(xù)在上面放置雙面電極片，然后放上另一張隔膜，最后放置另一個(gè)單面電極片，電極面朝下。四個(gè)電極的中心位置對(duì)齊，滴加IM Et4NBF4/PC有機(jī)電解液，之后按照扣式電池的封裝方法封裝至涂有絕緣涂料的扣式電池殼中即得到電化學(xué)電容器。該實(shí)例中制備的高電壓電化學(xué)電容器在0-5.4V，IA.g—1的測試條件下，電極比電容為135F.g_\器件整體的能量密度達(dá)到
13.7ffh.Icgeell-1 (按電極材料能量密度的40%計(jì)算)。
[0066]上述對(duì)本公開中涉及的發(fā)明的一般性描述和對(duì)其【具體實(shí)施方式】的描述不應(yīng)理解為是對(duì)該發(fā)明技術(shù)方案構(gòu)成的限制。本領(lǐng)域所屬技術(shù)人員根據(jù)本公開，可以在不違背所涉及的發(fā)明構(gòu)成要素的前提下，對(duì)上述一般性描述或/和【具體實(shí)施方式】(包括實(shí)施例)中的公開技術(shù)特征進(jìn)行增加、減少或組合，形成屬于所述發(fā)明的其它的技術(shù)方案。
【權(quán)利要求】
1.電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，其包括至少兩個(gè)層疊設(shè)置的電化學(xué)電容器，所述電化學(xué)電容器包括一對(duì)電極以及位于所述一對(duì)電極之間的隔膜和電解液。
2.如權(quán)利要求1所述的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，其中所述電極為薄膜電極。
3.如權(quán)利要求1或2所述的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，其中電極材料包括電極活性材料和粘結(jié)劑，優(yōu)選的電極活性材料為多孔活性炭、石墨烯、改性石墨烯材料、活性炭及石墨烯復(fù)合材料、中間相碳微球、天然石墨、改性石墨、包覆石墨、碳納米纖維、碳納米管、焦炭、硅粉、硅線、鋰離子電池使用的含鋰元素的正極粉體材料、鋰離子電池使用的含鋰元素的粉體材料或其混合物并且優(yōu)選的粘結(jié)劑為聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、丁苯橡膠、羧甲基纖維素及其混合物、聚丙烯醇、聚酰胺、聚芳綸或其混合物。
4.如權(quán)利要求3所述的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，其中所述電極材料還包括導(dǎo)電炭黑、乙炔黑、科琴黑、石墨、石墨烯、碳納米纖維、導(dǎo)電纖維、金屬絲或其混合物。
5.如權(quán)利要求1至4中任一權(quán)利要求所述的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，其中所述隔膜選自纖維素質(zhì)多孔隔膜、多孔聚丙烯膜、無紡布、無極材料填充的無紡布類膜。
6.如權(quán)利要求1至5中任一權(quán)利要求所述的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，其中所述電解液為有機(jī)電解液。
7.如權(quán)利要求6所述的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，其中所述有機(jī)電解液中的電解質(zhì)為有機(jī)季銨鹽或鋰鹽，優(yōu)選為四乙基硼氟酸銨鹽、六氟磷酸鋰、四氟硼酸鋰和LiBOB。
8.如權(quán)利要求6或7所述的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，其中所述有機(jī)電解液中的溶劑選自乙腈、丙烯碳酸酯、乙烯碳酸酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、乙二醇、甘油或其混合物。
9.如權(quán)利要求1至8中任一權(quán)利要求所述的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，其中所述電極的面積為0.1cm2 到 2000cm2。
10.如權(quán)利要求1至9中任一權(quán)利要求所述的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，其中所述層疊設(shè)置的電化學(xué)電容器包括至少一個(gè)雙面電極。
11.如權(quán)利要求1至10中任一權(quán)利要求所述的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，其中所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的封裝結(jié)構(gòu)為扣式、卷繞式或疊片式。
12.如權(quán)利要求11所述的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，其中所述封裝結(jié)構(gòu)的外殼內(nèi)部以及所述電極的集流體邊緣涂覆有絕緣材料，優(yōu)選的絕緣材料為水性膠、聚丙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯醇、聚甲基丙烯酸脂、聚酰胺、聚芳綸或其混合物。
13.如權(quán)利要求1至12中任一權(quán)利要求所述的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，其為雙電層的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置。
14.制造電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的方法，其包括 1)提供至少兩個(gè)電化學(xué)電容器；以及 2)將所述電化學(xué)電容器層疊串聯(lián)。
【文檔編號(hào)】H01G11/12GK103985556SQ201310051143
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2013年2月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月8日
【發(fā)明者】陳永勝, 張帆, 侯棟, 張燕 申請(qǐng)人:南開大學(xué), 天津普蘭納米科技有限公司