超级电容器及其制备方法

技术领域

本发明属于超级电容器技术领域，具体涉及一种超级电容器及其制备方法。

背景技术

超级电容器，又称双电层电容器、电化学电容器、黄金电容或法拉电容，是一种介于传统电容器和蓄电池之间的新型储能装置。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。因此，超级电容器是一种新型储能材料，因其循环寿命长、高功率密度高、工作温度范围宽好等一系列特点脱颖而出。超级电容器的性能极大程度地取决于电极材料的构成和电极结构的设计。

超级电容器一般包括电极、电解质和隔膜三个主要组成元件，其中，电极是影响电容器性能的一个重要元件。超级电容器电极结构通常为对称设计，这样的结构，在充电过程中正极处于正电势，负极处于负电势，特别是当充电到高电压或者经历长期充放电，正极电势较高，可能达到电解液的分解电位，进而会发生一些副反应，这些副反应一方面会产生气体，对电容造成损害，另一方面副反应的一些产物可能对活性材料的孔结构产生影响，进而降低电容器的容量，增加电容器的电阻，使电容器失效。

发明内容

本发明的目的是提供一种超级电容器及其制备方法，旨在解决现有超级电容器在长期充放电存在的产气和容量降低以及电阻增加的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明一方面，提供了一种超级电容器。超级电容器包括相对设置的正极、负极和设于两者之间的隔膜，正极包括正极集流体和结合在正极集流体表面的正极活性层；负极包括负极集流体和结合在负极集流体表面的负极活性层，正极活性层的长度L

实施例中，正极活性层的压实密度PD

本发明的另一方面，提供了一种超级电容器的制备方法。超级电容器的制备方法包括如下步骤：

提供正极，正极包括正极集流体和结合在正极集流体表面的正极活性层；

提供负极，负极包括负极集流体和结合在负极集流体表面的负极活性层；

将正极、负极与隔膜进行组装成超级电容器；

其中，正极活性层的长度L

实施例中，正极活性层的压实密度PD

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

本发明超级电容器通过对正极活性层和负极活性层的长度、宽度尺寸控制在1＜(L

进一步将本发明超级电容器所含正极活性层和负极活性层的压实密度控制在0.8≤PD

本发明超级电容器的制备方法通过对正极和负极所含活性层的长、宽尺寸或进一步对活性层的压实密度控制和优化，使得制备的超级电容器具有高的容量保持率和内阻稳定性，使得超级电容器的循环性能好。而且对正极和负极所含活性层的长、宽尺寸和压实密度控制工艺技术成熟，使得制备的正极和负极性能稳定，从而能够保证制备的超级电容器的性能稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例超级电容器所含电芯结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和技术效果更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。结合本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行；所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

在本发明的描述中，术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在本发明的描述中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a,b,或c中的至少一项(个)”，或，“a,b,和c中的至少一项(个)”，均可以表示：a、b、c、a-b(即a和b)、a-c、b-c、或a-b-c，其中a、b、c分别可以是单个，也可以是多个。

需要理解的是，本发明实施例中所提到的相关成分的重量不仅仅可以指代各组分的具体含量，也可以表示各组分间重量的比例关系，因此，只要是按照本发明实施例相关组分的含量按比例放大或缩小均在本发明公开的范围之内。具体地，本发明实施例中所述的重量可以是μg、mg、g、kg等化工领域公知的质量单位。

另外，除非上下文另外明确地使用，否则词的单数形式的表达应被理解为包含该词的复数形式。术语“包括”或“具有”旨在指定特征、数量、步骤、操作、元件、部分或者其组合的存在，但不用于排除存在或可能添加一个或多个其它特征、数量、步骤、操作、元件、部分或者其组合。

本发明实施例提供了一种超级电容器。本发明实施例超级电容器包括如图1所示的结构，包括正极10和负极20以及设置在正极10和负极20之间的隔膜30。

其中，正极10包括正极集流体11和结合在正极集流体11表面的正极活性层12和正极活性层13，如图1所示。其中，正极10也可以只含有正极活性层12，其靠近隔膜30。在本发明实施例中，正极活性层12或正极活性层12和正极活性层13具有一定的尺寸，如长和宽的长度等尺寸。

同理，负极20包括负极集流体21和结合在负极集流体21表面的负极活性层22和负极活性层23，如图1所示。其中，负极20也可以只含有负极活性层22，其靠近隔膜30。在本发明实施例中，负极活性层22或负极活性层22和负极活性层23具有一定的尺寸，如长和宽的长度。

在本发明实施例中，正极活性层如正极活性层12和正极活性层13的长度设定为L

进一步实施例中，L

在上述正极活性层(如正极活性层12和正极活性层13)和负极活性层(如负极活性层22和负极活性层23)的长度、宽度尺寸控制1＜(L

进一步实施例中，压实密度PD

在压实密度1＜(L

实施例中，上述各实施例中正极10所含的正极集流体11包括铝箔、涂炭铝箔、刻蚀铝箔、炭布中的任一种，也可以是铝箔、涂炭铝箔、刻蚀铝箔、炭布中的两种形成的复合正极集流体。具体实施例中，该正极集流体11选用涂炭铝箔。

上述各实施例中正极10所含的正极活性层(如正极活性层12和正极活性层13)包括第一活性材料、第一导电剂和第一粘接剂，且第一活性材料、第一导电剂和第一粘接剂的质量比为(70-95)：(2-15)：(3-15)，进一步为(80-90)：(5-10)：(5-10)。通过对正极活性层所含的第一活性材料、第一导电剂和第一粘接剂的比例控制，能够赋予正极活性层具有高的容量、内阻低且结构稳定，并能够有效将正极活性层的压实密度PD

实施例中，第一活性材料包括活性炭、活性炭纤维、电容炭、石墨烯、碳纳米管、石墨中的至少一种。具体实施例中，第一活性材料选用活性炭。其中，该些活性炭材料的比表面＞100m

实施例中，第一导电剂包括导电炭黑、石墨烯、碳纳米管、VGCF、导电石墨中的至少一种。具体实施例中，第一导电剂选用导电炭黑。该些导电剂具有高的导电性，能够降低正极10的内阻。

实施例中，第一粘接剂包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、聚丙烯酸中的至少一种。具体实施例中，第一粘接剂选用丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠。该些粘接剂能够有效增强正极活性层的力学性能，而且内阻低。

实施例中，上述各实施例中负极20所含的负极集流体21包括铝箔、涂炭铝箔、刻蚀铝箔、炭布中的任一种，也可以是铝箔、涂炭铝箔、刻蚀铝箔、炭布中的两种形成的复合正极集流体。具体实施例中，该负极集流体21选用涂炭铝箔。

上述各实施例中负极20所含的负极活性层(如负极活性层22和负极活性层23)包括第二活性材料、第二导电剂和第二粘接剂，且第二活性材料、第二导电剂和第二粘接剂的质量比为(70-95)：(2-15)：(3-15)，进一步为(80-90)：(5-10)：(5-10)。通过对负极活性层所含的第二活性材料、第二导电剂和第二粘接剂的比例控制，能够赋予负极活性层具有高的容量、内阻低且结构稳定，并能够有效将正极活性层的压实密度PD

实施例中，第二活性材料包括活性炭、活性炭纤维、电容炭、石墨烯、碳纳米管、石墨中的至少一种。具体实施例中，第二活性材料选用活性炭。其中，该些活性炭材料的比表面＞100m

实施例中，第二导电剂包括导电炭黑、石墨烯、碳纳米管、VGCF、导电石墨中的至少一种。具体实施例中，第二导电剂选用导电炭黑。该些导电剂具有高的导电性，能够降低负极10的内阻。

实施例中，第二粘接剂包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、聚丙烯酸中的至少一种。具体实施例中，第二粘接剂选用丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠。该些粘接剂能够有效增强负极活性层的力学性能，而且内阻低。

实施例中，上述正极10所含的第一活性材料可以与上述负极20所含的第二活性材料相同或不同，如第一活性材料与第二活性材料相同。上述正极10所含的第一导电剂也可以与上述负极20所含的第二导电剂相同或不同，如第一导电剂与第二导电剂相同。上述正极10所含的第一粘接剂也可以与上述负极20所含的第二粘接剂相同或不同，如第一粘接剂与第二粘接剂相同。

在上述实施例的基础上，具体实施例中，上述正极10所含的第一活性材料与上述负极20所含的第二活性材料均为活性炭，上述正极10所含的第一导电剂也可以与上述负极20所含的第二导电剂均为导电炭黑，上述正极10所含的第一粘接剂也可以与上述负极20所含的第二粘接剂均为丁苯橡胶。将正极10和负极20所含的活性材料、导电剂和粘接剂选择相同的材料且具体为该些相同材料时，赋予形成的正极10和负极20高的容量和结构力学性能以及低内阻，同时通过正极10所含的正极活性层和负极20所含的负极活性层增效作用，提高超级电容器的容量保持率和内阻稳定性，提高超级电容器具有优异的循环性能。

超级电容器所含的隔膜30起到隔膜常规的作用，实施例中，该隔膜30选用聚乙烯、聚丙烯,聚乙烯聚丙烯共聚物、纤维素、聚环氧乙烷、炭纸等中的任一种隔膜。

当然，上述超级电容器还含有必要的其他部件，如含有电解液等，实施例中，该电解液的溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、γ-丁内酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸丁烯酯、碳酸甲乙酯，乙腈中的一种或几种。所述电解液中的溶质包括高氯酸钠、六氟磷酸钠、三氟甲基磺酸钠、二(三氟甲基磺酰)亚胺钠、双草酸硼酸钠、六氟砷酸钠、四甘醇二甲基醚，四乙基四氟硼酸铵，螺环季铵盐等中的至少一种。该电解液能够在上述正极和负极的基础上，进一步提高超级电容器的容量保持率和内阻稳定性，提高超级电容器具有优异的循环性能。

相应地，本发明实施例还提供了上文实施例超级电容器的制备方法。结合图1，本发明实施例超级电容器的制备方法包括如下步骤：

S01：提供正极10，该正极10包括正极集流体11和结合在该正极集流体11表面的正极活性层；

S02：提供负极20，该负极20包括负极集流体21和结合在该负极集流体21表面的负极活性层；

S03、将正极10、负极20与隔膜30进行组装成超级电容器。

其中，步骤S01中，正极10为上文超级电容器所含的正极10。因此，步骤S01制备的正极10的结构和所含的材料如上文所述。步骤S01中正极10的制备方法可采用本技术领域常规方法，如将用于制备正极10所含的正极活性层的材料与溶剂按照比例混合配制成正极活性层浆料，将正极活性层浆料成膜于正极集流体11的一表面上或相对两个表面上形成湿膜层，然后经过干燥处理、辊压处理和分条裁片处理，得到正极10。

实施例中，配制正极活性层浆料的方法包括步骤：将第一活性材料、第一导电剂和第一粘接剂与溶剂混合配制成正极活性层浆料，其中，第一活性材料、第一导电剂和第一粘接剂的质量比为(70-95)：(2-15)：(3-15)。正极活性层浆料的浓度可以根据实际的成膜工艺要求进行调整。

步骤S02中，负极20为上文超级电容器所含的负极20。因此，步骤S02制备的负极20的结构和所含的材料如上文所述。因此，步骤S02中负极20的制备方法可采用本技术领域常规方法，如将负极20所含的正极活性层的材料与溶剂按照比例混合配制成正极活性层浆料，将正极活性层浆料成膜于负极集流体21的一表面上或相对两个表面上形成湿膜层，然后经过干燥处理、辊压处理和分条裁片处理，得到负极20。

实施例中，配制负极活性层浆料的方法包括步骤：将第二活性材料、第二导电剂和第二粘接剂与溶剂混合配制成正极活性层浆料，其中，第二活性材料、第二导电剂和第二粘接剂的质量比为(70-95)：(2-15)：(3-15)。负极活性层浆料的浓度可以根据实际的成膜工艺要求进行调整。

上述步骤S01中经辊压处理获得的正极活性层和步骤S02经辊压处理获得的负极活性层分别具有如上文超级电容器正极10所含的正极活性层和负极20所含的负极活性层的压实密度和面密度。如实施例中，正极活性层(如上述正极活性层12和正极活性层13)的压实密度PD

上述步骤S01中经分条裁片处理获得的正极10所含的正极活性层和步骤S02中经分条裁片处理获得的负极20所含的负极活性层具有长度和宽度的尺寸要求，如上文所述的正极活性层的长度L

另外，上述步骤S01和步骤S02不分先后，从而有效提高了超级电容器的制备效率。

步骤S03中，将正极10、负极20与隔膜30进行组装是按照超级电容器的组装要求进行组装。

由上述超级电容器的制备方法通过对正极10和负极20所含活性层的长、宽尺寸或进一步对活性层的压实密度控制和优化，使得制备的超级电容器具有高的容量保持率和内阻稳定性，使得超级电容器的循环性能好。而且对正极10和负极20所含活性层的长、宽尺寸和压实密度控制工艺技术成熟，使得制备的正极和负极性能稳定，从而能够保证制备的超级电容器的性能稳定。

以下通过多个具体实施例来举例说明本发明实施例超级电容器及其制备方法等。

实施例1

本实施例提供了一种超级电容器及其制备方法。

超级电容器包括正极和负极，其中，正极含有正极活性层，负极含有负极活性层，且正极活性层的压实密度PD

超级电容器的制备方法包括如下步骤：

S1：将YP-50F、导电炭黑和PTFE按照质量比80％：10％：10％比例混合制成浆料；

S2：将上述浆料涂覆到厚度为25μm的涂炭铝箔上，涂覆方式为双面涂布，单面面密度为12mg/cm

S3：将电极片进行辊压，其中正负极辊压压实密度控制比例PD

S4：将辊压后电极片进行分条和裁片，其中控制(L

S5：将上述电极片制成电芯，然后分别取电芯进行3.0V条件下恒流充放电测试，观察电芯产气情况和65℃下500h浮充性能测试，确定容量衰减百分比和电阻增长率，其中，隔膜为纤维素隔膜，电解液溶剂为乙腈，溶质为螺环季铵盐。

实施例2

本实施例提供了一种超级电容器及其制备方法。

超级电容器与实施例1中超级电容器结构相同，不同在于PD(正)/PD(负)＝0.85。

超级电容器的制备方法参照实施例1中制备方法。

实施例3

本实施例提供了一种超级电容器及其制备方法。

超级电容器与实施例1中超级电容器结构相同，不同在于(L

超级电容器的制备方法参照实施例1中制备方法。

实施例4

本实施例提供了一种超级电容器及其制备方法。

超级电容器与实施例2中超级电容器结构相同，不同在于(L

超级电容器的制备方法参照实施例1中制备方法。

实施例5

本实施例提供了一种超级电容器及其制备方法。

超级电容器与实施例1中超级电容器结构相同，不同在于(L

超级电容器的制备方法参照实施例1中制备方法。

实施例6

本实施例提供了一种超级电容器及其制备方法。

超级电容器与实施例1中超级电容器结构相同，不同在于PD

超级电容器的制备方法参照实施例1中制备方法，不同在于S1中是将YP-50F、导电炭黑和PTFE按照质量比90％：5％：5％比例混合制成浆料。

对比例1

本实施例提供了一种超级电容器及其制备方法。

超级电容器与实施例1中超级电容器结构相同，不同在于(L

超级电容器的制备方法参照实施例1中制备方法。

对比例2

本实施例提供了一种超级电容器及其制备方法。

超级电容器与实施例1中超级电容器结构相同，不同在于(L

超级电容器的制备方法参照实施例1中制备方法。

对比例3

本实施例提供了一种超级电容器及其制备方法。

超级电容器与实施例1中超级电容器结构相同，不同在于(L

超级电容器的制备方法参照实施例1中制备方法。

上述实施例1至实施例8和对比例1中的(L

将上述实施例1至实施例8和对比例1中获取的取电芯分别进行3.0V条件下恒流充放电测试，观察电芯产气情况和65℃下500h浮充性能测试，确定容量衰减百分比和电阻增长率。测得结果如下表1中所示。

表1为对比例和实施例实验结果对比

由表1中测试结果可知，本发明实施例超级电容器将所含的正极活性层和负极活性层的长度、宽度尺寸控制在1＜(L

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。