专利名称：超级电容器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种超级电容器及其制造方法。
背景技术：
超级电容器是一种新型储能装置，集高能量密度、高功率密度、长寿命等特性于一 身，此外它还具有免维护、高可靠性等优点，是一种兼备电容和电池特性的新型电子元件。 根据储能机理的不同其主要分为建立在界面双电层基础上的“双电层型”超级电容器以及 建立在法拉第准电容基础上的“准电容型”超级电容器。碳材料的性质是决定“双电层型” 超级电容器性能的决定因素。其中包括碳材料的比表面积、孔径分布、电化学稳定性和电导 率等。经过研究满足要求的碳材料有活性炭，纳米碳纤维，纳米碳管等。“准电容”的原理是 电极材料利用锂离子或质子在材料的三维或准二维晶格立体结构中的储留来达到储存能 量的目的，该类电极材料包括金属氧化物、氮化物、高分子聚合物等。超级电容器的核心组 件是其电极，在相关技术中，传统活性碳电极的多采用在铝箔表面直接涂覆活性碳浆料方 法制备，该工艺与锂离子电池电极制备工艺类似，具有工艺成熟简单等优点，但是存在活性 碳材料层容易脱落等不足，严重影响了超级电容器的使用寿命及可靠性。针对相关技术中超级电容器的活性碳(或活性炭)材料层容易脱落的问题，目前 尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中超级电容器的活性碳材料层容易脱落的问题而提出本发明，为 此，本发明的主要目的在于提供一种超级电容器及其制造方法，以解决上述问题。为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了 一种超级电容器。根据本发明的超级电容器包括该超级电容器具有电极芯，其中，电极芯包括金 属基片；活性碳材料涂覆层；导电胶层，其中，金属基片的第一面经由导电胶层与活性碳材 料涂覆层的第一面相连接。进一步地，在金属基片的第一面上具有金属颗粒。进一步地，活性碳材料涂覆层的第二面粘接有保护层。进一步地，上述保护层为聚四氟乙烯涂层。进一步地，上述导电胶层包含羧甲基纤维素钠、聚四氟乙烯以及导电性材料。
进一步地，上述导电性材料包含导电石墨、导电乙炔黑。为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，提供了一种超级电容器的制造方法。根据本发明的超级电容器的制造方法包括将包括金属基片、导电胶层和活性碳 材料涂覆层的活性碳电极依次叠加或卷绕，得到电极芯；将电极芯灌注电解液并密封在金 属外壳内得到超级电容器。进一步地，上述得到电极芯的步骤包括对金属基片的第一面采用电弧热喷涂金 属颗粒的方法进行糙化处理，其中，金属基片经由第一面与导电胶层相粘接。
进一步地，通过以下方式来得到导电胶层将聚四氟乙烯和羧甲基纤维素钠加入 水中溶解并搅拌；加入预定量的导电性材料并搅拌以得到导电胶；将导电胶刮涂在金属基 片的表面以形成导电胶层。进一步地，在将包括金属基片、导电胶层和活性碳材料涂覆层的活性碳电极依次 叠加或卷绕还包括将聚四氟乙烯通过刮涂，刷涂，喷涂或者浸渍方式附着在活性碳材料涂 覆层的表面以形成保护层。通过本发明，采用包括以下结构的电极芯金属基片；活性碳材料涂覆层；导电胶 层，其中，金属基片的第一面经由导电胶层与活性碳材料涂覆层的第一面相连接，解决了超 级电容器的活性碳材料层容易脱落的问题，进而达到了防止超级电容器的活性碳材料层脱 落，进而提高超级电容器的牢固性及延长使用寿命的效果。
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发 明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中图1是根据本发明实施例的电极结构的示意图；图2是根据本发明实施例的圆柱形超级电容器的结构示意图；图3是根据本发明实施例的方形超级电容器的结构示意图。
具体实施例方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相 互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。根据本发明的实施例，提供了 一种超级电容器。图1是根据本发明实施例的电极结构的示意图。根据本发明实施例的超级电容器具有电极芯，其中，如图1所示，该电极芯包括 金属基片1 ；活性碳材料涂覆层4;导电胶层3，其中，金属基片1的第一面经由导电胶层3 与活性碳材料涂覆层4的第一面相连接。在上述实施例中，通过在金属基片1和活性碳材料涂覆层4之间设置具有粘性的 导电胶层，可以使金属基片1和活性碳材料涂覆层4更好地粘合在一起，从而有效地防止活 性碳材料涂覆层4从金属基片上脱落。活性碳电极的铝箔基体表面附着一层导电胶层，导电胶层由羧甲基纤维素钠、聚 四氟乙烯以及导电性材料在水中混合构成。制备过程为将聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠于 水中充分溶解并搅拌均勻后，加入一定量导电性材料并彻底搅拌均勻形成导电胶。导电胶 由导电石墨和导电乙炔黑构成，导电石墨为主，其与铝箔之间具有较强的粘附强度。导电胶 中的乙炔黑粒为纳米颗粒，能够防止石墨含量过高导致的板结现象。导电胶中的聚四氟乙 烯能够增强导电材料与基体之间的粘附强度，导电胶中的羧甲基纤维素钠可以增加导电胶 的粘度。上述工艺可在铝箔表面附着一层均勻、柔软的石墨/乙炔黑基导电胶层。所述活性碳电极的导电胶层表面进一步涂覆有活性碳材料层，制备过程为将一定 量聚四氟乙烯和羧甲基纤维素钠溶于水中并搅拌，然后加入活性碳及乙炔黑充分搅拌形成 均勻浆料，进而将浆料采用胶体磨研磨方法彻底细化和均勻化。将处理好的浆料采用刮涂方式均勻的涂覆在导电胶层表面。胶体磨研磨方法可以将浆料中的各组分充分混合的同时将部分大颗粒粉碎研磨。胶体磨研磨方法还可以有效驱除浆料内部的气泡。优选地，在金属基片1的第一面上具有金属颗粒。例如，该金属颗粒可以为铝箔颗粒等。通过喷涂金属颗粒，可以显著地增大金属基片1和活性碳材料涂覆层4之间的粘合度。超级电容器可以由基于四层结构的新型活性碳正极及活性碳负极依次迭加或卷绕成为电极芯后，灌注非水性电解液密封在不锈钢或铝外壳内构成。所述铝箔基片可以为光滑铝箔两侧表面经过电弧热喷涂铝颗粒方法进行糙化处理。可选地，光滑铝箔厚度不小于50微米，不大于100微米；喷涂后铝箔表面附着的微小铝 颗粒粒径不小于10微米，不大于30微米；喷涂后铝箔基体表面总厚度不大于100微米。以铝箔基体为例，可以采用以下方式来得到上述的金属颗粒层2。铝箔基体喷涂糙化处理工艺过程取铝箔作为电极基体，对铝箔表面进行喷涂工艺处理以实现表面糙化，喷涂后铝箔表面结构形貌如图1所示，图中1为铝箔，2为喷涂后表 面附着的微小金属颗粒，其目的是加强铝箔基体与电极材料之间的结合强度。喷涂工艺及 设备可采用成熟的电弧热喷涂设备及工艺。所选择光滑铝箔厚度可以为90微米；喷涂后铝 箔表面附着的微小铝颗粒平均粒径为20微米。活性碳电极中的铝箔基体经喷涂工艺糙化 处理后，表面附着大量微小铝颗粒。喷涂工艺可以采用电弧热喷涂工艺及其成熟设备。与 光滑铝箔相比，经糙化处理的铝箔基体与活性碳材料之间的结合强度可获得提高。铝颗粒 在辊压工艺处理过程中可以形成导电网络框架，能够降低电极内阻。优选地，上述活性碳材料涂覆层4的第二面可以粘接有保护层5。在该实施例中，通过在活性碳材料涂覆层4的第二面粘接保护层5，可以防止活性碳材料涂覆层4分裂，进 而防止活性碳材料涂覆层4的脱落。而且，该保护层还可以有效地防止活性碳材料涂覆层 收到外部的机械损害或腐蚀。上述保护层5为聚四氟乙烯涂层。聚四氟乙烯涂层具有比较好的粘性，可以很好地实现将活性碳材料涂覆层4粘合为一个整体，防止活性碳材料涂覆层4的脱落。活性碳电极的活性碳材料涂覆层表面涂有一层聚四氟乙烯涂层，制备过程为将一定浓度的聚四氟乙烯乳液通过刮涂、刷涂、喷涂、浸渍等方法附着于活性碳材料涂覆层的表 面。在电极表面涂制聚四氟乙烯层可以进一步增强电极强度，防止电极在充放电过程中发 生结构膨胀、颗粒脱落等失效现象。上述导电胶层3可以由羧甲基纤维素钠、聚四氟乙烯以及导电性材料混合而成。导电胶层制备工艺过程可以如下在喷涂处理过的铝箔基体1的表面涂一层导电胶层，如图1中3所示。导电胶层3由羧甲基纤维素钠、聚四氟乙烯以及导电性材料在水中混合构成。制备过程为将聚四氟乙 烯、羧甲基纤维素钠于水中充分溶解并搅拌均勻后，加入一定量导电性材料并彻底搅拌均 勻形成导电胶，其中导电性材料质量比为34% (其中石墨28%，乙炔黑6%)；羧甲基纤维 素钠质量比为12% ；聚四氟乙烯质量比为4%，水含量为50%。导电性材料中石墨平均粒 度为5微米，乙炔黑平均粒度为50纳米。导电胶层可以由羧甲基纤维素钠、聚四氟乙烯以及导电性材料在水中混合构成。其中导电性材料质量比不大于38%，不小于20% ；羧甲基纤维素钠含量不高于15%，不低于10% ；聚四氟乙烯含量不高于8%，不低于3%。制备过程为将聚四氟乙烯、羧甲基纤维 素钠于水中充分溶解并搅拌均勻后，加入一定量导电性材料并彻底搅拌均勻形成导电胶， 导电胶粘度为120 200厘泊，然后将其均勻的刮涂在喷涂处理过的铝箔基体表面形成导 电胶层，导电胶层厚度不大于40微米，不小于10微米。
上述导电性材料包括导电石墨、导电乙炔黑。通过导电石墨、导电乙炔黑的使用， 可以实现金属基片1和活性碳材料涂覆层4之间很好的导电，并且可以有效地降低成本，工 艺也比较简单。可选地，导电石墨粒度不大于8微米，不小于3微米。导电乙炔黑粒度不大于80 纳米，不小于30纳米。导电性材料中石墨含量不小于60%，不高于85%。活性碳材料涂覆层制备工艺过程可以如下在导电胶层表面涂覆一层活性碳材料层，如图1中4所示。制备过程为将一定量 聚四氟乙烯和羧甲基纤维素钠溶于水中并搅拌，然后加入活性碳及乙炔黑充分搅拌形成均 勻浆料，进而将浆料采用胶体磨研磨方法彻底细化和均勻化。将处理好的浆料采用刮涂方 式均勻的涂覆在导电胶层表面。活性碳材料涂覆层中活性碳材料平均粒度为10微米，导电 乙炔黑平均粒度为50纳米。涂覆层中活性碳含量质量比为80%，乙炔黑含量为8%，聚四 氟乙烯含量为3 %，羧甲基纤维素钠含量为9 %。活性碳材料涂覆层可以由活性碳、导电乙炔黑、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠等四 种成分构成。其中，可选地，活性碳比表面积不大于1800m2/g，不小于1000m2/g，粒度不小于 5微米，不大于15微米。导电乙炔黑粒度不大于80纳米，不小于30纳米。涂覆层中活性碳 含量不低于70%，不高于95% ；乙炔黑含量不低于5%，不大于15% ；聚四氟乙烯含量不低 于2%，不高于5% ；羧甲基纤维素钠含量不低于8%，不高于15%。制备过程可以为将一定量聚四氟乙烯和羧甲基纤维素钠溶于水中并搅拌，然后 加入活性碳及乙炔黑充分搅拌形成均勻浆料，进而将浆料采用胶体磨研磨方法彻底细化和 均勻化。将处理好的浆料采用刮涂方式均勻的涂覆在导电胶层表面，可选地，涂覆层厚度不 大于150微米，不小于80微米。聚四氟乙烯涂层(保护层)的制备工艺过程可以如下在活性碳材料涂覆层表面涂制一层聚四氟乙烯层，如图1中5所示，具体制备工艺 过程为将质量比为8%的聚四氟乙烯乳液通过刮涂，刷涂，喷涂以及浸渍等方式均勻地附着 在活性碳材料涂覆层表面，涂层厚度为5微米。保护层的涂层成分可以为聚四氟乙烯乳液，其中聚四氟乙烯含量不高于10%，不 低于5%。涂层制备方法为将配制好的聚四氟乙烯乳液通过刮涂，刷涂，喷涂以及浸渍等 方式均勻的附着在活性碳材料涂覆层表面。聚四氟乙烯涂层厚度不大于10微米。在制备多层结构电极时，在上述工艺完成后采用对辊机对多层结构电极反复辊 压，电极制备即可完成。电极可采用刺铆、焊接等方法连接引流条，然后经叠加和卷绕等工艺后形成电极 芯，将引流条与电极端子连接后放入不锈钢或铝质外壳中以压延或焊接方式连接顶盖后完 成干态封装，对干态封装半成品进行真空烘干等脱水处理以最大程度去除电容器内部的水 分，最后灌注非水性电解液并封死注液口后完成电容器组装。图2是根据本发明实施例的圆柱形超级电容器的结构示意图。图3是根据本发明实施例的方形超级电容器的结构示意图。下面以电容器组装工艺过程作为新型电极制备和超级电容器组装详细工艺实例。 如图2及图3所示，将所制备电极通过刺铆、焊接等方法连接引流条9，然后与隔膜7经叠 加和卷绕等工艺后形成电极芯8，将引流条与电极端子11连接后放入不锈钢或铝质外壳12 中以压延或焊接方式连接顶盖10后完成干态封装，对干态封装半成品进行真空烘干等脱 水处理以最大程度去除电容器内部的水分，最后灌注非水性电解液并封死注液口 13后完 成电容器组装。根据本发明实施例，提供了 一种超级电容器的制造方法。超级电容器的制造方法可以包括将包括金属基片1、导电胶层3和活性碳材料涂覆层4的活性碳电极依次叠加或卷绕，得到电极芯；将所述电极芯灌注电解液密封在金属 外壳内得到超级电容器。由基于多层结构的活性碳电极依次叠加或卷绕，得到电极芯包括对所述金属基片的第一面采用电弧热喷涂金属颗粒的方法进行糙化处理，其中，所述金属基片经由所述 第一面与所述导电胶层3相粘接。其中，可以通过以下方式来得到所述导电胶层3 将聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠在水中溶解并搅拌均勻；加入预定量的导电性材料并搅拌均勻已得到导电胶；将所述导电 胶刮涂在所述金属基体表面以形成所述导电胶层。在将包括金属基片1、导电胶层3和活性碳材料涂覆层4的活性碳电极依次叠加或 卷绕之前，上述方法还可以包括将聚四氟乙烯通过刮涂，刷涂，喷涂或者浸渍方式附着在 所述活性碳材料涂覆层4的表面以形成保护层。本发明提供一种可以基于四层结构新型电极的超级电容器制备方法，通过铝箔喷 涂糙化，涂制导电胶层，涂覆活性碳材料层，涂制聚四氟乙烯层等工艺实现电极强度的有效 提高，基于上述新型电极的超级电容器具有储能密度大、性能稳定等特点，在交通、能源、航 天、绿色新能源和军用领域中具有重要的应用。在上述基于新型活性碳电极的超级电容器制备方法中，电容器由活性碳正极和活 性碳负极迭加或卷绕为电极芯后，密封在不锈钢或铝质外壳内构成圆柱型结构或方形结 构。活性碳正极及负极结构相同，分别由活性碳电极由铝箔基片，导电胶层，活性碳材料涂 覆层，聚四氟乙烯涂层等四层结构叠加构成。铝箔基片表面通过喷涂铝颗粒方法加以糙化 处理。导电胶层由导电石墨、乙炔黑、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠按照一定比例混合而成。 活性碳材料涂覆层由活性碳材料、乙炔黑与羧甲基纤维素钠及聚四氟乙烯经搅拌并胶体磨 研磨处理后涂覆而成。聚四氟乙烯涂层由聚四氟乙烯水溶液涂制而成。上述四层结构叠加 后经辊压工艺处理后形成新型电极，并进一步组装成为圆柱形或方形超级电容器。基于本 发明制造的超级电容器可以在电子、汽车、航天、军事等多种领域获得广泛应用。从以上的描述中，可以看出，本发明能够防止超级电容器的活性碳材料层脱落以 及有效地保护活性碳材料层，进而提高超级电容器的牢固性及延长使用寿命。本发明有效地提高了电极结构强度。基于新型活性碳电极的超级电容器具有良好 的工作可靠性，本发明中描述的超级电容器在工业不间断电源、电动车辆、风力发电，军用 大功率电源、无线电通讯等领域具有十分广泛的应用。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种超级电容器，其特征在于，该超级电容器具有电极芯，其中，所述电极芯包括金属基片(1)；活性碳材料涂覆层(4)；导电胶层(3)，其中，所述金属基片(1)的第一面经由所述导电胶层(3)与所述活性碳材料涂覆层(4)的第一面相连接。
2.根据权利要求1所述的超级电容器，其特征在于，在所述金属基片(1)的第一面上具有金属颗粒。
3.根据权利要求1所述的超级电容器，其特征在于，所述活性碳材料涂覆层(4)的第二 面粘接有保护层(5)。
4.根据权利要求3所述的超级电容器，其特征在于，所述保护层(5)为聚四氟乙烯涂层。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的超级电容器，其特征在于，所述导电胶层(3)包 含羧甲基纤维素钠、聚四氟乙烯以及导电性材料。
6.根据权利要求5所述的超级电容器，其特征在于，所述导电性材料包含导电石墨、导 电乙炔黑。
7.一种超级电容器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤将包括金属基片(1)、导电胶层(3)和活性碳材料涂覆层(4)的活性碳电极依次叠加或 卷绕，得到电极芯；将所述电极芯灌注电解液并密封在金属外壳内得到超级电容器。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，得到电极芯的步骤包括对所述金属基片的第一面采用电弧热喷涂金属颗粒的方法进行糙化处理，其中，所述 金属基片经由所述第一面与所述导电胶层(3)相粘接。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过以下方式来得到所述导电胶层(3) 将聚四氟乙烯和羧甲基纤维素钠加入水中溶解并搅拌；加入预定量的导电性材料并搅拌以得到导电胶；将所述导电胶刮涂在所述金属基片(1)的表面以形成所述导电胶层。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，在将包括金属基片(1)、导 电胶层(3)和活性碳材料涂覆层(4)的活性碳电极依次叠加或卷绕还包括将聚四氟乙烯 通过刮涂，刷涂，喷涂或者浸渍方式附着在所述活性碳材料涂覆层(4)的表面以形成保护 层。
全文摘要
本发明公开了一种超级电容器及其制造方法。其中，该超级电容器具有电极芯，该电极芯包括金属基片；活性碳材料涂覆层；导电胶层，其中，金属基片的第一面经由导电胶层与活性碳材料涂覆层的第一面相连接。通过本发明，能够防止超级电容器的活性碳材料层脱落，进而提高超级电容器的牢固性及延长使用寿命。
文档编号H01G9/04GK101800132SQ20101013300
公开日2010年8月11日 申请日期2010年3月26日 优先权日2010年3月26日
发明者阮殿波, 陈照平, 陈胜军 申请人:北京集星联合电子科技有限公司