一种电化学电容器及其制备方法
【专利摘要】一种电化学电容器及其制备方法，该电化学电容器包括多个单体电容器；该单体电容器包含单体壳、正极、负极、隔膜和电解液；正极包含正极集电体及附于正极集电体表面的正极活性物质层；负极包含负极集电体和附于负极集电体表面的负极活性物质层；其正极集电体和负极集电体均为镀镍拉毛金属片，隔膜为经双向拉伸的Co60辐照接枝改性的聚丙烯隔膜，电解液为含有微量钴离子和锂离子的氢氧化钾溶液。本电化学电容器电容量高、能量密度和功率密度大，自放电低，使用寿命长，具有良好的储能能力；并且制备工艺简单，极适合作为中小型风力发电和太阳能发明的储能装置以及各种电车的牵引动力源。
【专利说明】一种电化学电容器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于新能源设备领域，更具体地说，涉及一种电化学电容器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]目前，中小型风力发电和太阳能发电多采用铅酸电池储能，由于电池循环充放电寿命有限，还不足400次，成为运行费用的主要支出。电化学电容器作为一种新型储能装置，兼顾了电池和传统电容器的优点，在具有较高功率密度的同时，也具有相当的能量密度，同时循环寿命超过10000次，并且清洁无污染，能够有效解决该问题。
【发明内容】
[0003]为了解决现有技术中存在的电池储能效果差的问题，本发明提供一种电化学电容器及其制备方法，通过改善电极的材料、电解液及隔膜实现高储能、低自放电的目的，为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
[0004]一种电化学电容器，包括多个串联或并联的单体电容器；所述单体电容器包括单体壳(或单体套)以及置于所述单体壳中的正极、负极、隔膜和电解液，所述正极与负极均浸入电解液中并通过所述隔膜间隔；所述正极包括正极集电体及附于所述正极集电体表面的正极活性物质层，所述正极活性物质层包含含钴球型氢氧化镍、羰基镍粉、导电炭黑和聚四氟乙烯；所述负极包括负极集电体和附于所述负极集电体表面的负极活性物质层，所述负极活性物质层包含碳纳米管和聚四氟乙烯；所述正极集电体和负极集电体均为镀镍拉毛金属片。
[0005]进一步地，所述含钴球型氢氧化镍、羰基镍粉、导电炭黑和聚四氟乙烯(PTFE)的质量比为75:5:10:6 ;所述碳纳米管和聚四氟乙烯的质量比为95:3。
[0006]进一步地，所述镀镍拉毛金属片为镀镍拉毛铝片、镀镍拉毛铝箔、镀镍拉毛铜片、镀镍拉毛铜箔或镀镍拉毛铁片。
[0007]进一步地,所述正极活性物质层厚度为0.3-0.5mm,优选厚度为0.3 mm、0.4 mm或
0.5mm ;所述负极活性物质层的厚度为0.7-0.9mm,优选厚度为0.7 mm、0.8 mm或0.9mm。
[0008]进一步地，所述隔膜为经过双向拉伸、Co60辐照接枝改性的聚丙烯隔膜，其孔径均匀，厚度为80-100 μ m。该聚丙烯隔膜的厚度优选80-90 μ m。
[0009]进一步地，所述电解液为6mol/L的氢氧化钾溶液，所述氢氧化钾溶液中含有微量钴离子和锂离子；其中，所述钴离子和锂离子含量均为3-5ppm。
[0010]进一步地，还包括均衡器，每个单体电容器的正极、负极均与所述均衡器的相应端子连接。
[0011]进一步地，在所述单体电容器中，所述正极所在的正极区形成的法拉第电容量大于负极所在的负极区形成的双电层电容量。
[0012]一种电化学电容器的制备方法，包括以下步骤:
制备正极，将含钴球型氢氧化镍、羰基镍粉、导电炭黑和60wt%聚四氟乙烯出0被％PTFE)制成浆料，涂压在正极集电体上，刮涂后压至0.3-0.5mm厚，在80-120°C下真空烘干，制成带有正极活性物质层的正极；所述正极集电体为镀镍拉毛金属片；
制备负极，将碳纳米管和60wt%聚四氟乙烯制成浆料，涂在负极集电体上，压至
0.7-0.9mm厚,在80_120°C下真空烘干,制成带有负极活性物质层的负极；所述负极集电体均为镀镍拉毛金属片；
组装，将所述正极与负极放置在单体壳内，所述正极与负极用隔膜间隔，灌注电解液后密封，得到单体电容器；将多个单体电容器串联或者并联后装入电容器外壳内，得到电化学电容器。
[0013]进一步地，所述含钴球型氢氧化镍、羰基镍粉、导电炭黑和60被％聚四氟乙烯的质量比为75:5:10:10 ;所述碳纳米管和60被％聚四氟乙烯的质量比为95:5 ;其中，60被％聚四氟乙烯是指聚四氟乙烯含量60wt%的聚四氟乙烯乳液。
[0014]进一步地,所述电解液为6mol/L的氢氧化钾溶液,其中含3_5ppm钴离子和3_5ppm锂离子；所述隔膜采用经双向拉伸后并经过Co60辐照接枝改性得到的聚丙烯隔膜，其厚度为 80-100 μ m。
[0015]本发明电化学电容器电容量高、能量密度和功率密度大，自放电低，使用寿命长，具有良好的储能能力，并且制备工艺简单，极适合作为中小型风力发电和太阳能发明的储能装置以及各种电车的牵引动力源。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明电化学电容器一实施方式的结构示意图；
图2是图1所示电化学电容器中一单体电容器的结构示意图；
图3是图1所示电化学电容器中均衡器的应用示意图。
【具体实施方式】
[0017]本发明目的的实现、功能特点及优点，以下结合实施例、参照附图做进一步说明。
[0018]参照图1-3所示，该电化学电容器包括多个单体电容器1、均衡器2、正极螺丝3、负极螺丝4、安全阀5、弹性垫6和电容器外壳7,单体电容器I并排放置在电容器外壳7内，各单体电容器I之间采用顺次串联的方式进行连接，在其他的实施方式中，也可以采用多个单体电容器进行并联连接或者串并联混合连接的方式。
[0019]单体电容器I的正极与负极均与均衡器2的相应端子连接，如图3所示，保证各单体电容器充放电电流均衡，防止各单体电容器输出电压不均而造成的损坏，延长电化学电容器的使用寿命。
[0020]电容器外壳7使用PVC塑料作为其材质,在制备电容器外壳7时,具有一定机械强度和抗腐蚀效果的塑料均可采用。在电容器外壳7上部的两侧分别设置了正极螺丝3、负极螺丝4，对应连接处于电化学电容器两边缘的单体电容器I的正极、负极，通过该正极螺丝3、负极螺丝4对电化学电容器进行充放电操作。在电容器外壳7上还设置了安全阀5，在电化学电容器充放电过程中产生的气体压力超过预设阀值时，安全阀5自动打开释放气体，保护充放电运行。
[0021]为了防止单体电容器I发生相互碰撞、挤压，在单体电容器I之间以及单体电容器I与电容器外壳7之间加设弹性垫6，在电化学电容器发生移动时，通过弹性垫6进行缓冲，防止单体电容器I因碰撞、挤压而失效，同时也使各单体电容器以及单体电容器在电容器外壳内安装牢靠，避免其发生移动。
[0022]在本实施方式中，均衡器2和安全阀5采用嵌入方式安装在电容器外壳7上，保证均衡器2和安全阀5功能的同时,保持电容器外壳7具有良好的外观和密封强度。
[0023]单体电容器I包括正极11、负极12、隔膜13、电解液14和单体壳16，正极11、负极12、隔膜13和电解液14均放置在密封的单体壳16中，正极11、负极12浸入电解液14中，正极11、负极12通过隔膜13间隔。
[0024]其中，正极11包括正极集电体111和附于正极集电体111表面的正极活性物质层112，正极集电体111为镀镍拉毛金属片，例如镀镍拉毛铝片、镀镍拉毛铝箔、镀镍拉毛铜片、镀镍拉毛铜箔及镀镍拉毛铁片等；正极活性物质层112包括含钴球型氢氧化镍、羰基镍粉、导电炭黑和聚四氟乙烯，它们的质量比为75:5:10:6。正极活性物质层112厚度为0.3mm、0.4 mm 或 0.5mm。
[0025]负极12包括负极集电体121和附于负极集电体121表面的负极活性物质层122，负极集电体121也为镀镍拉毛金属片，负极活性物质层122包含碳纳米管和聚四氟乙烯，两者的质量比为95:3。负极活性物质层122的厚度为0.7 mm、0.8 mm或0.9mm。
[0026]隔膜13为经过双向拉伸的Co60辐照接枝改性的聚丙烯隔膜，其孔径均匀，厚度为80 μ m或90 μ m。该聚丙烯隔膜能够很好地实现离子、电子的选择性通过。
[0027]电解液14为浓度为6mol/L的氢氧化钾溶液，为了防止电极变相膨胀，在该溶液中渗有微量的钴离子和锂离子，例如，钴离子和锂离子的渗入量为3-5ppm。
[0028]在单体电容器I中，正极11所在的正极区形成的法拉第电容量Cl大于负极12所在的负极区形成的双电层电容量C2(如图2所示负极双电层17)，其总的电容量满足1/C=1/C1+1/C2，在Cl >> C2时，总电容量C由C2决定，呈现出非对称性。
[0029]在本实施方式中，位于电化学电容器两边缘的单体电容器的正极集电体111、负极集电体121上分别设置了正极集电体引线1111、负极集电体引线1211，分别与正极螺丝3、负极螺丝4连接。单体壳16采用具有一定强度和弹性的聚碳酸酯作为制备材料，结合弹性垫，能够协同发挥出更好的防碰撞、防移动、抗挤压的效果。
[0030]在本实施方式中，电化学电容器中包含8-12个串联的单体电容器，经检测，其电容量为8万-15万法拉，电压0.8-1.4伏特。
[0031]电化学电容器制备步骤如下:首先制备单体电容器正极，按质量比为75:5:10:10称取含钴球型氢氧化镍、羰基镍粉、导电炭黑和60wt%聚四氟乙烯，制成浆料，涂压在裁好的正极集电体上，刮涂后用对辊极滚压至0.3mm厚，在80-120°C下真空烘干，制成表面带有正极活性物质层的正极；接着制备负极，按质量比为95:5称取碳纳米管和60被％聚四氟乙烯，制成衆料，涂在负极集电体上，压至0.8mm厚,在80-120°C下真空烘干,制成表面带有负极活性物质层的负极；其中，正极集电体和负极集电体均为镀镍拉毛金属片；
最后组装，将制备好的正极和负极放置在单体壳内，采用隔膜进行间隔，灌注电解液后密封，得到单体电容器；将多个单体电容器串联后装入电容器外壳内，得到电化学电容器。
[0032]其中，所述电解液为6mol/L的氢氧化钾溶液，其中含3_5ppm钴离子和3_5ppm锂离子。
[0033]所述隔膜最好选用厚度为80-100 μ m、孔径均匀的聚丙烯隔膜。该聚丙烯隔膜的制作方法如下:以聚丙烯无纺薄膜(或布)作为基材，将该基材经过双向拉伸后再经Co60辐照接枝改性得到聚丙烯隔膜。用来枝改的极性基因团单体有多种，如选择具有环氧基、氨基、羟基等极性基团的单体。
[0034]作为优选的实施方式，将单体电容器并排放置在电容器外壳内，串联并且两两之间使用弹性垫进行间隔，在电容器外壳上嵌入均衡器、安全阀，将各个单体电容器的正极、负极均与均衡器的相应端子连接；在两边缘的单体电容器正极、负极连接正极集电体连接线、负极集电体连接线，正极集电体连接线、负极集电体连接线另一端对应与设置在电容器外壳上部的正极螺丝、负极螺丝连接，得到电化学电容器。
[0035]在制备正极和负极时，正极集电体和负极集电体均采用镀镍拉毛金属片，能够有效增加集电体与作为电极活性物质的浆料的接触面和粘结力，进而在干燥后形成粘结牢固、接触面广的具有正极活性物质层的正极和具有负极活性物质层的负极。
[0036]以上通过具体实施例对本发明做了详细的说明，这些具体的描述不能认为本发明仅仅限于这些实施例的内容。本领域技术人员根据本发明构思、这些描述并结合本领域公知常识做出的任何改进、等同替代方案，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
【权利要求】
1.一种电化学电容器，其特征在于，包括多个串联或并联的单体电容器； 所述单体电容器包含单体壳以及置于所述单体壳中的正极、负极、隔膜和电解液，所述正极与负极均浸入电解液中并通过所述隔膜间隔；所述正极包含正极集电体及附于所述正极集电体表面的正极活性物质层，所述正极活性物质层包含有含钴球型氢氧化镍、羰基镍粉、导电炭黑和聚四氟乙烯；所述负极包含负极集电体和附于所述负极集电体表面的负极活性物质层，所述负极活性物质层包含碳纳米管和聚四氟乙烯；所述正极集电体和负极集电体均为镀镍拉毛金属片。
2.根据权利要求1所述的电化学电容器，其特征在于，所述含钴球型氢氧化镍、羰基镍粉、导电炭黑和聚四氟乙烯的质量比为75:5:10:6 ;所述碳纳米管和聚四氟乙烯的质量比为 95:3o
3.根据权利要求1或2所述的电化学电容器，其特征在于，所述镀镍拉毛金属片为镀镍拉毛铝片、镀镍拉毛铝箔、镀镍拉毛铜片、镀镍拉毛铜箔或镀镍拉毛铁片；所述正极活性物质层的厚度为0.3-0.5mm，所述负极活性物质层的厚度为0.7-0.9mm。
4.根据权利要求1或2所述的电化学电容器，其特征在于，所述隔膜为经双向拉伸、Co60辐照接枝改性的聚丙烯隔膜，其孔径均匀，厚度为80-100 μ m。
5.根据权利要求1或2所述的电化学电容器，其特征在于，所述电解液为6mol/L的氢氧化钾溶液，该溶液中含有微量钴离子和锂离子，该钴离子和锂离子含量均为3-5ppm。
6.根据权利要求1或2所述的电化学电容器，其特征在于，还包括均衡器，每个单体电容器的正极、负极均与所述均衡器的相应端子连接。
7.根据权利要求1或2所述的电化学电容器，其特征在于，在所述单体电容器中，所述正极所在的正极区形成的法拉第电容量大于负极所在的负极区形成的双电层电容量。
8.一种电化学电容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 制备正极，将含钴球型氢氧化镍、羰基镍粉、导电炭黑和60被％聚四氟乙烯制成浆料，涂压在正极集电体上，刮涂后压至0.3-0.5mm厚，在80-120°C下真空烘干，制成带有正极活性物质层的正极；制备负极，将碳纳米管和60wt%聚四氟乙烯制成浆料，涂在负极集电体上，压至0.7-0.9mm厚,在80-120°C下真空烘干,制成带有负极活性物质层的负极；所述正极集电体和负极集电体均为镀镍拉毛金属片； 组装，将所述正极与负极放置在单体壳内，所述正极与负极用隔膜间隔，灌注电解液后密封，得到单体电容器；将多个单体电容器串联或者并联后，得到电化学电容器。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述含钴球型氢氧化镍、羰基镍粉、导电炭黑和60wt%聚四氟乙烯的质量比为75:5:10:10 ;所述碳纳米管和60wt%聚四氟乙烯的质量比为95:5。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述电解液为6mol/L的氢氧化钾溶液，其中含3-5ppm钴离子和3-5ppm锂离子；所述隔膜采用经双向拉伸并经过Co60福照接枝改性得到的聚丙烯隔膜，厚度为80-100 μ m。
【文档编号】H01G9/02GK104240963SQ201310230000
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月9日 优先权日:2013年6月9日
【发明者】胡连芝, 曹杨, 曹承业 申请人:胡连芝, 曹杨