一种低内阻、高比能石墨烯基纽扣式超级电容器的制备方法与流程

文档序号:11099659

本发明涉及一种超级电容器的制备方法,具体是一种低内阻、高比能石墨烯基纽扣式超级电容器的制备方法。



背景技术:

目前,纽扣式超级电容器是一种新型的高效储能器件,具有电流响应时间短、充放电电流大、充放电效率高、宽工作温度范围、循环使用寿命长以及绿色环保等优点,使得其在工业电子、消费类电子器件、UPS、电动玩具、行车记录仪等领域得到了广泛的应用。现阶段,纽扣式超级电容器主要采用如下工艺制备:将导电胶分别滴加在正负极外壳内侧,然后将一定尺寸的正负极片粘结在外壳上,同时正负电极间通过隔膜进行分离,最后组装成纽扣式超级电容器。但是,实际使用过程由于导电胶、外壳金属、电极片三者属于不同物质的界面接触,产品在使用过程中容易出现接触电阻较高、、比能量低、循环使用寿命有限等缺陷。石墨烯作为一种高导电性、高比表面积的新型功能材料,在超级电容器储能器件领域具有广泛的应用的前景。但受制于堆积密度底、生产成本高等工程技术难题,使得产品在纽扣式超级电容器领域的大规模应用受到了很大程度的限制。



技术实现要素:

本发明的目的是为了解决纽扣式超级电容器接触电阻较高、比能量底、循环寿命有限等方面的问题,提出了一种新型纽扣式超级电容器的制备方法,通过本发明的使用可以显著降低纽扣式超级电容器的接触电阻、提升比能量等方面性能。

本发明解决的技术问题所采取的技术方案为:

一种低内阻、高比能石墨烯基纽扣式超级电容器的制备方法,其特征在于,所述的制备方法采用以下步骤:

一.电极制备

①.取料:将活性炭、石墨烯a、导电炭黑、粘结剂a按照质量比为(70-85):(5-10):(3-10):(3-10)进行称量,称量后进行混合,制得混合原料;

②.分散:将混合原料置于高速粉体剪切分散机中,在温度为50-90℃、剪切转速为3000-5000rpm的条件下进行均匀混合,制得混合颗粒;

③.碾压:将混合颗粒在100-150℃的条件下进行碾压,通过控制碾压辊之间的间隙控制电极片的厚度,经过横向、纵向两次碾压后即可获得电极片;

④.冲压:将所得电极片冲切可得到正负电极片。

二.导电胶液制备

①.取料:将石墨烯b、导电炭黑、分散剂、粘结剂b按照质量比为(10-20):(70-85):(3-5):(2-5)进行称量,制得混合料;

②.分散:将混合料均匀分散于去离子水中,经6000-8000cps的高速分散机处理后即可得到石墨烯导电胶液,控制石墨烯导电胶液的固含量在5-10wt%,石墨烯导电胶液的黏度控制在2000-4000cps之间。

三.纽扣式超级电容器制备

将正负电极外壳内侧中间部位滴加上述石墨烯导电胶液,制得隔膜,然后将正负电极片分别均匀粘贴于正负外壳上,制备过程需保证正负电极片贴近正负电极外壳的一侧均接触有石墨烯导电胶液,待正负电极均干燥后,将其进行真空干燥处理,向负极滴加电解液盐后,将干燥完成的正极、隔膜、负极按照从上至下的顺序进行封装即可得到纽扣式超级电容器。

优选地,所述的活性炭为比表面积为1600-2100m2/g,表面官能团含量低于0.1meq/g,灰分含量低于0.1wt%。

优选地,所述的石墨烯a,其层数设置为3-10层,导电率大于100S/cm,比表面积大于200m2/g,杂质含量低于0.1wt%。

优选地,所述的石墨烯b为单层石墨烯,导电率大于5000S/cm,比表面积小于100m2/g,杂质含量低于0.1wt%。

优选地,所述的粘结剂a为聚四氟乙烯(PTFE)、丁苯橡胶(SBR)、聚偏氟乙烯(PVDF)中的一种或多种混合而成。

优选地,所述的粘结剂b为聚四氟乙烯(PTFE)、丁苯橡胶(SBR)中的一种或多种混合而成。优选地,所述的分散剂为羟甲基纤维素钠(CMC),黏度为300-800cps,固含量小于等于3wt%。

优选地,所述的电解液盐可以是四氟硼酸四乙基季胺盐(TEA-BF4),季铵盐四氟硼酸三乙基甲基铵盐( TEMA-BF4),双吡咯烷螺环季铵盐( SBP-BF4)等可溶于有机溶剂的锂盐中的一种或多种混合。

有益效果:本发明通过添加石墨烯,实现了低内阻、高比容量石墨烯基纽扣式超级电容器的制备,降低了超级电容器的制备工艺,将石墨烯分别以粉态、液态两种方式添加在电极与导电胶中,从而避免了石墨烯团聚的不良现象,同时,在纽扣式超级电容器的制备过程中通过引入高导电性、高纯度石墨烯材料,从而不仅提升了超级电容器的比容量、也能够降低超级电容器的内阻值,此外,由于电极制备过程无任何水分的加入,从而避免了超级电容器内部电极的腐蚀和气体生成,延长了超级电容器的使用寿命。

具体实施方式

以下将对本发明进行较为详细的说明。

实施例A:

一种低内阻、高比能石墨烯基纽扣式超级电容器的制备方法,其特征在于,所述的制备方法采用以下步骤:

一.电极制备

①.取料:将活性炭、石墨烯a、导电炭黑、粘结剂a按照质量比为80:10:5:5进行称量,称量后进行混合,制得混合原料;

②.分散:将混合原料置于高速粉体剪切分散机中,在温度为60℃、剪切转速为4000rpm的条件下进行均匀混合,制得混合颗粒;

③.碾压:将混合颗粒在100℃的条件下进行碾压,通过控制碾压辊之间的间隙控制电极片的厚度,经过横向、纵向两次碾压后即可获得电极片;

④.冲压:将所得电极片冲切可得到正负电极片。

二.导电胶液制备

①.取料:将石墨烯b、导电炭黑、分散剂、粘结剂b按照质量比为10:80:5:5进行称量,制得混合料;

②.分散:将混合料均匀分散于去离子水中,经8000cps的高速分散机处理后即可得到石墨烯导电胶液,控制石墨烯导电胶液的固含量在10wt%,石墨烯导电胶液的黏度控制在4000cps。

三.纽扣式超级电容器制备

将正负电极外壳内侧中间部位滴加上述石墨烯导电胶液,制得隔膜,然后将正负电极片分别均匀粘贴于正负外壳上,制备过程需保证正负电极片贴近正负电极外壳的一侧均接触有石墨烯导电胶液,待正负电极均干燥后,将其进行真空干燥处理,向负极滴加电解液盐后,将干燥完成的正极、隔膜、负极按照从上至下的顺序进行封装即可得到纽扣式超级电容器,制得超级电容器A。

优选地,所述的活性炭为比表面积为1800m2/g,表面官能团含量为0.08meq/g,灰分含量为0.06wt%。

优选地,所述的石墨烯a,其层数设置为10层,导电率为103S/cm,比表面积为210m2/g,杂质含量为0.09wt%。

优选地,所述的石墨烯b为单层石墨烯,导电率为5000S/cm,比表面积为95m2/g,杂质含量为0.08wt%。

优选地,所述的粘结剂a为聚四氟乙烯(PTFE)和丁苯橡胶(SBR)的等重量混合物。

优选地,所述的粘结剂b为丁苯橡胶(SBR)。

优选地,所述的分散剂为羟甲基纤维素钠(CMC),黏度为600cps,固含量为2.8wt%。

优选地,所述的电解液盐可以是四氟硼酸四乙基季胺盐(TEA-BF4)。

实施例B:

一种低内阻、高比能石墨烯基纽扣式超级电容器的制备方法,其特征在于,所述的制备方法采用以下步骤:

一.电极制备

①.取料:将活性炭、石墨烯a、导电炭黑、粘结剂a按照质量比为75:15:3:7进行称量,称量后进行混合,制得混合原料;

②.分散:将混合原料置于高速粉体剪切分散机中,在温度为90℃、剪切转速为5000rpm的条件下进行均匀混合,制得混合颗粒;

③.碾压:将混合颗粒在120℃的条件下进行碾压,通过控制碾压辊之间的间隙控制电极片的厚度,经过横向、纵向两次碾压后即可获得电极片;

④.冲压:将所得电极片冲切可得到正负电极片。

二.导电胶液制备

①.取料:将石墨烯b、导电炭黑、分散剂、粘结剂b按照质量比为15:75:3:7进行称量,制得混合料;

②.分散:将混合料均匀分散于去离子水中,经7000cps的高速分散机处理后即可得到石墨烯导电胶液,控制石墨烯导电胶液的固含量在5wt%,石墨烯导电胶液的黏度控制为3000cps。

三.纽扣式超级电容器制备

将正负电极外壳内侧中间部位滴加上述石墨烯导电胶液,制得隔膜,然后将正负电极片分别均匀粘贴于正负外壳上,制备过程需保证正负电极片贴近正负电极外壳的一侧均接触有石墨烯导电胶液,待正负电极均干燥后,将其进行真空干燥处理,向负极滴加电解液盐后,将干燥完成的正极、隔膜、负极按照从上至下的顺序进行封装即可得到纽扣式超级电容器,制得超级电容器B。

优选地,所述的活性炭为比表面积为1900m2/g,表面官能团含量为0.09meq/g,灰分含量为0.06wt%。

优选地,所述的石墨烯a,其层数设置为9层,导电率为120S/cm,比表面积为210m2/g,杂质含量为0.05wt%。

优选地,所述的石墨烯b为单层石墨烯,导电率为6000S/cm,比表面积为80m2/g,杂质含量为0.07wt%。

优选地,所述的粘结剂a为聚四氟乙烯(PTFE)、丁苯橡胶(SBR)、聚偏氟乙烯(PVDF)等重量混合而成。

优选地,所述的粘结剂b为聚四氟乙烯(PTFE)。

优选地,所述的分散剂为羟甲基纤维素钠(CMC),黏度为600cps,固含量为2.3wt%。

优选地,所述的电解液盐可以是季铵盐四氟硼酸三乙基甲基铵盐( TEMA-BF4)、双吡咯烷螺环季铵盐( SBP-BF4)等重量混合而成,溶质的浓度为在1.5M。

实施例C:

一种低内阻、高比能石墨烯基纽扣式超级电容器的制备方法,其特征在于,所述的制备方法采用以下步骤:

一.电极制备

①.取料:将活性炭、石墨烯a、导电炭黑、粘结剂a按照质量比为70:20:5:5进行称量,称量后进行混合,制得混合原料;

②.分散:将混合原料置于高速粉体剪切分散机中,在温度为60℃、剪切转速为5000rpm的条件下进行均匀混合,制得混合颗粒;

③.碾压:将混合颗粒在130℃的条件下进行碾压,通过控制碾压辊之间的间隙控制电极片的厚度,经过横向、纵向两次碾压后即可获得电极片;

④.冲压:将所得电极片冲切可得到正负电极片。

二.导电胶液制备

①.取料:将石墨烯b、导电炭黑、分散剂、粘结剂b按照质量比为5:85:5:5进行称量,制得混合料;

②.分散:将混合料均匀分散于去离子水中,经9000cps的高速分散机处理后即可得到石墨烯导电胶液,控制石墨烯导电胶液的固含量在8wt%,石墨烯导电胶液的黏度控制在2000cps。

三.纽扣式超级电容器制备

将正负电极外壳内侧中间部位滴加上述石墨烯导电胶液,制得隔膜,然后将正负电极片分别均匀粘贴于正负外壳上,制备过程需保证正负电极片贴近正负电极外壳的一侧均接触有石墨烯导电胶液,待正负电极均干燥后,将其进行真空干燥处理,向负极滴加电解液盐后,将干燥完成的正极、隔膜、负极按照从上至下的顺序进行封装即可得到纽扣式超级电容器,制得超级电容器C。

优选地,所述的活性炭为比表面积为2200m2/g,表面官能团含量为0.08meq/g,灰分含量为0.06wt%。

优选地,所述的石墨烯a,其层数设置为12层,导电率为120S/cm,比表面积为230m2/g,杂质含量为0.12wt%。

优选地,所述的石墨烯b为单层石墨烯,导电率为5100S/cm,比表面积为90m2/g,杂质含量为0.07wt%。

优选地,所述的粘结剂a为丁苯橡胶(SBR)、聚偏氟乙烯(PVDF)等重量混合而成。

优选地,所述的粘结剂b为聚四氟乙烯(PTFE)、丁苯橡胶(SBR) 等重量混合而成。

优选地,所述的分散剂为羟甲基纤维素钠(CMC),黏度为700cps,固含量为2.6wt%。

优选地,所述的电解液盐可以是双吡咯烷螺环季铵盐( SBP-BF4)。

实施例D:

一种低内阻、高比能石墨烯基纽扣式超级电容器的制备方法,其特征在于,所述的制备方法采用以下步骤:

一.电极制备

①.取料:将活性炭、石墨烯a、导电炭黑、粘结剂a按照质量比为68:12:10:10进行称量,称量后进行混合,制得混合原料;

②.分散:将混合原料置于高速粉体剪切分散机中,在温度为100℃、剪切转速为5400rpm的条件下进行均匀混合,制得混合颗粒;

③.碾压:将混合颗粒在160℃的条件下进行碾压,通过控制碾压辊之间的间隙控制电极片的厚度,经过横向、纵向两次碾压后即可获得电极片;

④.冲压:将所得电极片冲切可得到正负电极片。

二.导电胶液制备

①.取料:将石墨烯b、导电炭黑、分散剂、粘结剂b按照质量比为25:70:2:3进行称量,制得混合料;

②.分散:将混合料均匀分散于去离子水中,经8500cps的高速分散机处理后即可得到石墨烯导电胶液,控制石墨烯导电胶液的固含量在7wt%,石墨烯导电胶液的黏度控制在5300cps。

三.纽扣式超级电容器制备

将正负电极外壳内侧中间部位滴加上述石墨烯导电胶液,制得隔膜,然后将正负电极片分别均匀粘贴于正负外壳上,制备过程需保证正负电极片贴近正负电极外壳的一侧均接触有石墨烯导电胶液,待正负电极均干燥后,将其进行真空干燥处理,向负极滴加电解液盐后,将干燥完成的正极、隔膜、负极按照从上至下的顺序进行封装即可得到纽扣式超级电容器,制得超级电容器D。

优选地,所述的活性炭为比表面积为1900m2/g,表面官能团含量为0.04meq/g,灰分含量为0.08wt%。

优选地,所述的石墨烯a,其层数设置为9层,导电率为130S/cm,比表面积为210m2/g,杂质含量为0.06wt%。

优选地,所述的石墨烯b为单层石墨烯,导电率为5400S/cm,比表面积为70m2/g,杂质含量为0.12wt%。

优选地,所述的粘结剂a为聚四氟乙烯(PTFE)、丁苯橡胶(SBR)、聚偏氟乙烯(PVDF)等重量混合而成。

优选地,所述的粘结剂b为聚四氟乙烯(PTFE)、丁苯橡胶(SBR)中的等重量混合而成。

优选地,所述的分散剂为羟甲基纤维素钠(CMC),黏度为900cps,固含量为2.1wt%。

优选地,所述的电解液盐可以是四氟硼酸四乙基季胺盐(TEA-BF4),季铵盐四氟硼酸三乙基甲基铵盐( TEMA-BF4),双吡咯烷螺环季铵盐( SBP-BF4)等重量混合而成,溶质的浓度要求在2M。

实施例E:

一种低内阻、高比能石墨烯基纽扣式超级电容器的制备方法,其特征在于,所述的制备方法采用以下步骤:

一.电极制备

①.取料:将活性炭、石墨烯a、导电炭黑、粘结剂a按照质量比为80:4:12:4进行称量,称量后进行混合,制得混合原料;

②.分散:将混合原料置于高速粉体剪切分散机中,在温度为110℃、剪切转速为5800rpm的条件下进行均匀混合,制得混合颗粒;

③.碾压:将混合颗粒在160℃的条件下进行碾压,通过控制碾压辊之间的间隙控制电极片的厚度,经过横向、纵向两次碾压后即可获得电极片;

④.冲压:将所得电极片冲切可得到正负电极片。

二.导电胶液制备

①.取料:将石墨烯b、导电炭黑、分散剂、粘结剂b按照质量比为30:62:6:2进行称量,制得混合料;

②.分散:将混合料均匀分散于去离子水中,经9000cps的高速分散机处理后即可得到石墨烯导电胶液,控制石墨烯导电胶液的固含量在11wt%,石墨烯导电胶液的黏度控制在5000cps。

三.纽扣式超级电容器制备

将正负电极外壳内侧中间部位滴加上述石墨烯导电胶液,制得隔膜,然后将正负电极片分别均匀粘贴于正负外壳上,制备过程需保证正负电极片贴近正负电极外壳的一侧均接触有石墨烯导电胶液,待正负电极均干燥后,将其进行真空干燥处理,向负极滴加电解液盐后,将干燥完成的正极、隔膜、负极按照从上至下的顺序进行封装即可得到纽扣式超级电容器,制得超级电容器E。

优选地,所述的活性炭为比表面积为1500m2/g,表面官能团含量为0.08meq/g,灰分含量为0.06wt%。

优选地,所述的石墨烯a,其层数设置为8层,导电率为140S/cm,比表面积为230m2/g,杂质含量为0.06wt%。

优选地,所述的石墨烯b为单层石墨烯,导电率为6000S/cm,比表面积为70m2/g,杂质含量为0.08wt%。

优选地,所述的粘结剂a为聚偏氟乙烯(PVDF)。

优选地,所述的粘结剂b为丁苯橡胶(SBR)。

优选地,所述的分散剂为羟甲基纤维素钠(CMC),黏度为3900cps,固含量为2wt%。

优选地,所述的电解液盐可以是四氟硼酸四乙基季胺盐(TEA-BF4)、双吡咯烷螺环季铵盐( SBP-BF4)等重量混合,溶质的浓度要求在1.6M。

对各实施例获得的超级电容器进行电化学性能测试,测试结果详见表1.

表1

上面实施例对本发明进行了示例性描述,显然本发明具体实现并不受上述方式的限制,只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进,或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的,均在本发明的保护范围之内。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

再多了解一些
当前第1页1 2 3 
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1