一种超级电容电池的制作方法
一种超级电容电池的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种超级电容电池，包括电池外壳、包裹于电池外壳中的两个铝箔集流体、多孔碳基电极材料层、五氧化二钒电极材料层、电解液及隔膜；所述电池外壳外侧分设有与外部电路相连的两个接口，所述两个接口分别与两个铝箔集流体相连；所述两个铝箔集流体分设于电池外壳相对的两侧，其中，一个铝箔集流体一侧涂布有所述多孔碳基材料层，另一个铝箔集流体一侧涂布有所述五氧化二钒电极材料层，所述多孔碳基材料层和五氧化二钒电极材料层之间灌注有电解液且通过所述隔膜分离。本实用新型结构简单，成本低廉、能量密度高，具有高功率蓄电特性。
【专利说明】一种超级电容电池
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种超级电容电池。
【背景技术】
[0002]超级电容器与传统的二次电池相比具有高功率，长寿命，高效率的特点，但是能量密度较低。超级电容器根据储能原理可以分为双电层电容和赝电容，双电层电容通过在电极电解液界面形成对峙电荷双电层进行储能，赝电容则以电极表面的快速法拉第反应进行储能。双电层电容不发生化学反应，可在大电流下快速进行充放电使超电容具有高功率优势。赝电容超级电容器通过化学沉积在电极表面发生快速的法拉第反应，能够提高电极的储能密度从而能提高整个超级电容器的蓄电量，但是其功率密度和循环寿命在一定程度上又受到限制。由于碳基电极可产生较大的功率密度，金属氧化物电极可产生较大的能量密度，因此利用碳基和金属氧化物作为两电极的混合型超级电容电池，能够同时具有较大的功率密度和能量密度。
[0003]超电容电池体系能量密度的提闻一个有效途径就是提闻碳基电极材料的比电容，如通过蚀刻，活化工艺制备三维多孔的石墨烯，碳球及活性碳，使其具有丰富的活性位和较大的比表面，可以显增加材料比电容。另一个途径是应用不对称混合型超级电容体系，即一个电极采用碳基电极，另一个电极采用赝电容电极材料或电池电极材料，通过提高电容器的工作电压来提高电容器的能量密度。不对称混合型超级电容器已经成为解决超级电容器能量密度低问题的重要研究方向。目前混合型超电容电池中应用的活性碳电极比表面仍不够理想，碳基电极储能密度受限。赝电容电极材料一般使用氧化钌贵金属氧化物，价格昂贵。同时，混合超级电容器因充放电过程正、负两极的储能机理不同而具有双电层电容和电池的双重特性，混合电极体系中电极与电解液的匹配问题以及匹配单一的问题，将会影响整个电池器件的安全特性和蓄电性能以及成本，也成为了该领域的研究重点与难点。
实用新型内容
[0004]本实用新型一种超级电容电池，其目的在于，采用经过化学活化或蚀刻后的三维多孔碳基电极材料层和具有层状结构的五氧化二钒电极材料层作为电极，克服超电容电池的能量密度低的问题，并能够具有高功率，长寿命，低成本优势；使用水系电解液或有机电解液，解决了电极与电解液匹配难或匹配单一的问题，能有效降低超电容电池内阻，大大增强了其安全性。
[0005]一种超级电容电池，包括电池外壳6、包裹于电池外壳6中的两个铝箔集流体2、多孔碳基电极材料层3、五氧化二钒电极材料层7、电解液4及隔膜5 ；
[0006]所述电池外壳外侧分设有两个接口 1，所述两个接口 I分别与两个铝箔集流体2相连；
[0007]所述两个铝箔集流体分设于电池外壳相对的两侧，其中，一个铝箔集流体内侧涂布有所述多孔碳基材料层3，另一个铝箔集流体内侧涂布有所述五氧化二钒电极材料层7，电池外壳内灌注有电解液，所述隔膜设置在多孔碳基材料层3和五氧化二钒电极材料层7之间。
[0008]所述的多孔碳基电极材料层为石墨烯、微米/纳米级碳球或活性碳经过化学蚀刻或活化后制备后分别得到的三维多孔结构石墨烯、多孔碳球、或多孔活性碳粉末中的任意一种。
[0009]所述的五氧化二 f凡电极材料层的结构为零维纳米点、一维纳米线、纳米带、纳米管、纳米纤维、二维纳米片、三维多孔结构、花瓣状结构、空心球结构、纳米片束结构中的任
意一种。
[0010]所述的电解液为强碱性水系电解液，涂布有碳基电极材料层的铝箔集流体相连的接口为超电容电池负极接口，另一接口为超级电容电池的正极接口。
[0011]所述的电解液为锂离子有机电解液，涂布有碳基电极材料层的铝箔集流体相连的接口为超电容电池正极接口，另一接口为超级电容电池的负极接口。
[0012]有益效果
[0013]本实用新型提供了 一种超级电容电池，包括电池外壳、包裹于电池外壳中的两个铝箔集流体、多孔碳基电极材料层、五氧化二钒电极材料层、电解液及隔膜；所述电池外壳外侧分设有与外部电路相连的两个接口，所述两个接口分别与两个铝箔集流体相连；所述两个铝箔集流体分设于电池外壳相对的两侧，其中，一个铝箔集流体内侧涂布有所述多孔碳基材料层，另一个铝箔集流体内侧涂布有所述五氧化二钒电极材料层，电池外壳内灌注有电解液，所述隔膜设置在多孔碳基材料层和五氧化二钒电极材料层之间。
[0014]在碱性水系电解液中可以利用碳基电极双电层电容和五氧化二钒电极材料层表面法拉第反应进行储能，大电流充放速度快，内阻小，安全性高。在锂离子有机电解液中可以利用五氧化二钒的层状结构使锂离子进行嵌入与迁出实现超电容电池的充放电过程，可承受较高电压，能量密度高。本设计以结构优化后的碳基材料和廉价的五氧化二钒作电极，并且在水系电解液和有机电解液中均能实现高能量、高功率蓄电特性，改善了电极与电解液的匹配问题，降低了超电容电池的成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本实用新型的结构示意图。
[0016]标号说明:1_接口，2-铝箔集流体，3-多孔碳基电极材料层，4-电解液，5-隔膜，
6-电池外壳,7-五氧化二钥;电极材料层。
【具体实施方式】
[0017]下面结合【专利附图】
【附图说明】以及【具体实施方式】对本专利进行进一步说明。
[0018]本实用新型设计的超级电容电池结构示意图如图1所示。
[0019]一种超级电容电池，包括电池外壳6、包裹于电池外壳6中的两个铝箔集流体2、多孔碳基电极材料层3、五氧化二钒电极材料层7、电解液4及隔膜5 ；
[0020]所述电池外壳外侧分设有与外部电路相连的两个接口 1，所述两个接口 I分别与两个铝箔集流体2相连；
[0021]所述两个铝箔集流体分设于电池外壳相对的两侧，其中，一个铝箔集流体内侧涂布有所述多孔碳基材料层3，另一个铝箔集流体内侧涂布有所述五氧化二钒电极材料层7，电池外壳内灌注有电解液，所述隔膜设置在多孔碳基材料层3和五氧化二钒电极材料层7之间。
[0022]所述的多孔碳基电极材料层为石墨烯、微米/纳米级碳球或活性碳经过化学蚀刻或活化后制备后分别得到的三维多孔结构石墨烯、多孔碳球、或多孔活性碳粉末中的任意一种。
[0023]所述的五氧化二 f凡电极材料层的结构为零维纳米点、一维纳米线、纳米带、纳米管、纳米纤维、二维纳米片、三维多孔结构、花瓣状结构、空心球结构、纳米片束结构中的任
意一种。
[0024]所述的电解液为强碱性水系电解液，涂布有碳基电极材料层的铝箔集流体相连的接口为超电容电池负极接口，另一接口为超级电容电池的正极接口。
[0025]所述的电解液为锂离子有机电解液，涂布有碳基电极材料层的铝箔集流体相连的接口为超电容电池正极接口，另一接口为超级电容电池的负极接口。
[0026]多孔碳基电极材料层是传统的活性碳、微米/纳米级碳球或石墨烯等碳基材料层经过化学强碱、高温蚀刻与活化后得到的多孔碳基电极材料粉末，其表面结构会得到明显改善，比表面积和活性位也会得到优化，利于电极储能密度的提升。五氧化二钒电极材料层是五氧化二钒粉末与表面活性剂经过水热反应，煅烧后制备的多结构粉末材料层，包括零维结构纳米点，一维结构的纳米线、纳米管、纳米带及纳米纤维，二维结构纳米片，三维多孔结构、花瓣状结构，空心球结构，纳米片束状结构的五氧化二钒粉末电极材料。五氧化二钒电极材料层的层状结构可以提高材料的导电性，提高锂离子的嵌入速度并能够提高单位储倉tfi。
[0027]多孔碳基材料层和五氧化二钒电极材料层添加导电剂炭黑，粘结剂PVDF后经过混料、涂布在集流体铝箔上并进行烘干、压片，裁切后制备可用于电池组装的电极片。多孔碳基材料层，隔膜，五氧化二钒电极材料层依次叠加后经卷绕制成电池筒体或片式电池基体，装入电池外壳后灌注电解液进行封装，得到混合电极的超电容电池。
[0028]电解液为碱性水系电解液时，一般以涂布有碳基电极材料层的铝箔集流体相连的接口为超电容电池负极接口，充电过程中可以使电解液中的氢氧根离子靠近五氧化二钒电极。供电阴离子(0H_)在五氧化二钒电极材料层表面发生化学吸附过程进行电荷沉积。深度充放可使0H_阴离子氧化脱去五氧化二钒中的氧,从而发生快速的法拉第氧化还原反应，进行电荷的储存。水系电解液的应用可以提高超级电容电池的安全特性，减少内阻。电解液为锂离子有机电解液时，涂布有碳基电极材料层的铝箔集流体相连的接口为超电容电池正极接口，使电解液中的锂离子向五氧化二钒电极迁移并嵌入至电极材料中，可提高超级电容电池的储能量和电池电压，提高储能密度。
【权利要求】
1.一种超级电容电池，其特征在于，包括电池外壳(6)、包裹于电池外壳(6)中的两个铝箔集流体(2)、多孔碳基电极材料层(3)、五氧化二钒电极材料层(7)、电解液(4)及隔膜(5)； 所述电池外壳外侧分设有两个接口(1)，所述两个接口(I)分别与两个铝箔集流体(2)相连； 所述两个铝箔集流体分设于电池外壳相对的两侧，其中，一个铝箔集流体内侧涂布有所述多孔碳基材料层(3)，另一个铝箔集流体内侧涂布有所述五氧化二钒电极材料层(7)，电池外壳内灌注有电解液，所述隔膜设置在多孔碳基材料层(3)和五氧化二钒电极材料层(7)之间。
2.根据权利要求1中所述的超级电容电池，其特征在于，所述的多孔碳基电极材料层为石墨烯、微米/纳米级碳球或活性碳经过化学蚀刻或活化后制备后分别得到的三维多孔结构石墨烯、多孔碳球、或多孔活性碳粉末中的任意一种。
3.根据权利要求2中所述的超级电容电池，其特征在于，所述的五氧化二钒电极材料层的结构为零维纳米点、一维纳米线、纳米带、纳米管、纳米纤维、二维纳米片、三维多孔结构、花瓣状结构、空心球结构、纳米片束结构中的任意一种。
4.根据权利要求3中所述的超级电容电池，其特征在于，所述的电解液为强碱性水系电解液，涂布有碳基电极材料层的铝箔集流体相连的接口为超电容电池负极接口，另一接口为超级电容电池的正极接口。
5.根据权利要求3中所述的超级电容电池，其特征在于，所述的电解液为锂离子有机电解液，涂布有碳基电极材料层的铝箔集流体相连的接口为超电容电池正极接口，另一接口为超级电容电池的负极接口。
【文档编号】H01G11/36GK203444988SQ201320529235
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年8月28日 优先权日:2013年8月28日
【发明者】宋维鑫, 纪效波, 姚华鑫, 冉闯闯, 朱汉军 申请人:宋维鑫, 纪效波, 姚华鑫, 冉闯闯, 朱汉军
【专利摘要】本实用新型公开了一种超级电容电池，包括电池外壳、包裹于电池外壳中的两个铝箔集流体、多孔碳基电极材料层、五氧化二钒电极材料层、电解液及隔膜；所述电池外壳外侧分设有与外部电路相连的两个接口，所述两个接口分别与两个铝箔集流体相连；所述两个铝箔集流体分设于电池外壳相对的两侧，其中，一个铝箔集流体一侧涂布有所述多孔碳基材料层，另一个铝箔集流体一侧涂布有所述五氧化二钒电极材料层，所述多孔碳基材料层和五氧化二钒电极材料层之间灌注有电解液且通过所述隔膜分离。本实用新型结构简单，成本低廉、能量密度高，具有高功率蓄电特性。
【专利说明】一种超级电容电池
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种超级电容电池。
【背景技术】
[0002]超级电容器与传统的二次电池相比具有高功率，长寿命，高效率的特点，但是能量密度较低。超级电容器根据储能原理可以分为双电层电容和赝电容，双电层电容通过在电极电解液界面形成对峙电荷双电层进行储能，赝电容则以电极表面的快速法拉第反应进行储能。双电层电容不发生化学反应，可在大电流下快速进行充放电使超电容具有高功率优势。赝电容超级电容器通过化学沉积在电极表面发生快速的法拉第反应，能够提高电极的储能密度从而能提高整个超级电容器的蓄电量，但是其功率密度和循环寿命在一定程度上又受到限制。由于碳基电极可产生较大的功率密度，金属氧化物电极可产生较大的能量密度，因此利用碳基和金属氧化物作为两电极的混合型超级电容电池，能够同时具有较大的功率密度和能量密度。
[0003]超电容电池体系能量密度的提闻一个有效途径就是提闻碳基电极材料的比电容，如通过蚀刻，活化工艺制备三维多孔的石墨烯，碳球及活性碳，使其具有丰富的活性位和较大的比表面，可以显增加材料比电容。另一个途径是应用不对称混合型超级电容体系，即一个电极采用碳基电极，另一个电极采用赝电容电极材料或电池电极材料，通过提高电容器的工作电压来提高电容器的能量密度。不对称混合型超级电容器已经成为解决超级电容器能量密度低问题的重要研究方向。目前混合型超电容电池中应用的活性碳电极比表面仍不够理想，碳基电极储能密度受限。赝电容电极材料一般使用氧化钌贵金属氧化物，价格昂贵。同时，混合超级电容器因充放电过程正、负两极的储能机理不同而具有双电层电容和电池的双重特性，混合电极体系中电极与电解液的匹配问题以及匹配单一的问题，将会影响整个电池器件的安全特性和蓄电性能以及成本，也成为了该领域的研究重点与难点。
实用新型内容
[0004]本实用新型一种超级电容电池，其目的在于，采用经过化学活化或蚀刻后的三维多孔碳基电极材料层和具有层状结构的五氧化二钒电极材料层作为电极，克服超电容电池的能量密度低的问题，并能够具有高功率，长寿命，低成本优势；使用水系电解液或有机电解液，解决了电极与电解液匹配难或匹配单一的问题，能有效降低超电容电池内阻，大大增强了其安全性。
[0005]一种超级电容电池，包括电池外壳6、包裹于电池外壳6中的两个铝箔集流体2、多孔碳基电极材料层3、五氧化二钒电极材料层7、电解液4及隔膜5 ；
[0006]所述电池外壳外侧分设有两个接口 1，所述两个接口 I分别与两个铝箔集流体2相连；
[0007]所述两个铝箔集流体分设于电池外壳相对的两侧，其中，一个铝箔集流体内侧涂布有所述多孔碳基材料层3，另一个铝箔集流体内侧涂布有所述五氧化二钒电极材料层7，电池外壳内灌注有电解液，所述隔膜设置在多孔碳基材料层3和五氧化二钒电极材料层7之间。
[0008]所述的多孔碳基电极材料层为石墨烯、微米/纳米级碳球或活性碳经过化学蚀刻或活化后制备后分别得到的三维多孔结构石墨烯、多孔碳球、或多孔活性碳粉末中的任意一种。
[0009]所述的五氧化二 f凡电极材料层的结构为零维纳米点、一维纳米线、纳米带、纳米管、纳米纤维、二维纳米片、三维多孔结构、花瓣状结构、空心球结构、纳米片束结构中的任
意一种。
[0010]所述的电解液为强碱性水系电解液，涂布有碳基电极材料层的铝箔集流体相连的接口为超电容电池负极接口，另一接口为超级电容电池的正极接口。
[0011]所述的电解液为锂离子有机电解液，涂布有碳基电极材料层的铝箔集流体相连的接口为超电容电池正极接口，另一接口为超级电容电池的负极接口。
[0012]有益效果
[0013]本实用新型提供了 一种超级电容电池，包括电池外壳、包裹于电池外壳中的两个铝箔集流体、多孔碳基电极材料层、五氧化二钒电极材料层、电解液及隔膜；所述电池外壳外侧分设有与外部电路相连的两个接口，所述两个接口分别与两个铝箔集流体相连；所述两个铝箔集流体分设于电池外壳相对的两侧，其中，一个铝箔集流体内侧涂布有所述多孔碳基材料层，另一个铝箔集流体内侧涂布有所述五氧化二钒电极材料层，电池外壳内灌注有电解液，所述隔膜设置在多孔碳基材料层和五氧化二钒电极材料层之间。
[0014]在碱性水系电解液中可以利用碳基电极双电层电容和五氧化二钒电极材料层表面法拉第反应进行储能，大电流充放速度快，内阻小，安全性高。在锂离子有机电解液中可以利用五氧化二钒的层状结构使锂离子进行嵌入与迁出实现超电容电池的充放电过程，可承受较高电压，能量密度高。本设计以结构优化后的碳基材料和廉价的五氧化二钒作电极，并且在水系电解液和有机电解液中均能实现高能量、高功率蓄电特性，改善了电极与电解液的匹配问题，降低了超电容电池的成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本实用新型的结构示意图。
[0016]标号说明:1_接口，2-铝箔集流体，3-多孔碳基电极材料层，4-电解液，5-隔膜，
6-电池外壳,7-五氧化二钥;电极材料层。
【具体实施方式】
[0017]下面结合【专利附图】
【附图说明】以及【具体实施方式】对本专利进行进一步说明。
[0018]本实用新型设计的超级电容电池结构示意图如图1所示。
[0019]一种超级电容电池，包括电池外壳6、包裹于电池外壳6中的两个铝箔集流体2、多孔碳基电极材料层3、五氧化二钒电极材料层7、电解液4及隔膜5 ；
[0020]所述电池外壳外侧分设有与外部电路相连的两个接口 1，所述两个接口 I分别与两个铝箔集流体2相连；
[0021]所述两个铝箔集流体分设于电池外壳相对的两侧，其中，一个铝箔集流体内侧涂布有所述多孔碳基材料层3，另一个铝箔集流体内侧涂布有所述五氧化二钒电极材料层7，电池外壳内灌注有电解液，所述隔膜设置在多孔碳基材料层3和五氧化二钒电极材料层7之间。
[0022]所述的多孔碳基电极材料层为石墨烯、微米/纳米级碳球或活性碳经过化学蚀刻或活化后制备后分别得到的三维多孔结构石墨烯、多孔碳球、或多孔活性碳粉末中的任意一种。
[0023]所述的五氧化二 f凡电极材料层的结构为零维纳米点、一维纳米线、纳米带、纳米管、纳米纤维、二维纳米片、三维多孔结构、花瓣状结构、空心球结构、纳米片束结构中的任
意一种。
[0024]所述的电解液为强碱性水系电解液，涂布有碳基电极材料层的铝箔集流体相连的接口为超电容电池负极接口，另一接口为超级电容电池的正极接口。
[0025]所述的电解液为锂离子有机电解液，涂布有碳基电极材料层的铝箔集流体相连的接口为超电容电池正极接口，另一接口为超级电容电池的负极接口。
[0026]多孔碳基电极材料层是传统的活性碳、微米/纳米级碳球或石墨烯等碳基材料层经过化学强碱、高温蚀刻与活化后得到的多孔碳基电极材料粉末，其表面结构会得到明显改善，比表面积和活性位也会得到优化，利于电极储能密度的提升。五氧化二钒电极材料层是五氧化二钒粉末与表面活性剂经过水热反应，煅烧后制备的多结构粉末材料层，包括零维结构纳米点，一维结构的纳米线、纳米管、纳米带及纳米纤维，二维结构纳米片，三维多孔结构、花瓣状结构，空心球结构，纳米片束状结构的五氧化二钒粉末电极材料。五氧化二钒电极材料层的层状结构可以提高材料的导电性，提高锂离子的嵌入速度并能够提高单位储倉tfi。
[0027]多孔碳基材料层和五氧化二钒电极材料层添加导电剂炭黑，粘结剂PVDF后经过混料、涂布在集流体铝箔上并进行烘干、压片，裁切后制备可用于电池组装的电极片。多孔碳基材料层，隔膜，五氧化二钒电极材料层依次叠加后经卷绕制成电池筒体或片式电池基体，装入电池外壳后灌注电解液进行封装，得到混合电极的超电容电池。
[0028]电解液为碱性水系电解液时，一般以涂布有碳基电极材料层的铝箔集流体相连的接口为超电容电池负极接口，充电过程中可以使电解液中的氢氧根离子靠近五氧化二钒电极。供电阴离子(0H_)在五氧化二钒电极材料层表面发生化学吸附过程进行电荷沉积。深度充放可使0H_阴离子氧化脱去五氧化二钒中的氧,从而发生快速的法拉第氧化还原反应，进行电荷的储存。水系电解液的应用可以提高超级电容电池的安全特性，减少内阻。电解液为锂离子有机电解液时，涂布有碳基电极材料层的铝箔集流体相连的接口为超电容电池正极接口，使电解液中的锂离子向五氧化二钒电极迁移并嵌入至电极材料中，可提高超级电容电池的储能量和电池电压，提高储能密度。
【权利要求】
1.一种超级电容电池，其特征在于，包括电池外壳(6)、包裹于电池外壳(6)中的两个铝箔集流体(2)、多孔碳基电极材料层(3)、五氧化二钒电极材料层(7)、电解液(4)及隔膜(5)； 所述电池外壳外侧分设有两个接口(1)，所述两个接口(I)分别与两个铝箔集流体(2)相连； 所述两个铝箔集流体分设于电池外壳相对的两侧，其中，一个铝箔集流体内侧涂布有所述多孔碳基材料层(3)，另一个铝箔集流体内侧涂布有所述五氧化二钒电极材料层(7)，电池外壳内灌注有电解液，所述隔膜设置在多孔碳基材料层(3)和五氧化二钒电极材料层(7)之间。
2.根据权利要求1中所述的超级电容电池，其特征在于，所述的多孔碳基电极材料层为石墨烯、微米/纳米级碳球或活性碳经过化学蚀刻或活化后制备后分别得到的三维多孔结构石墨烯、多孔碳球、或多孔活性碳粉末中的任意一种。
3.根据权利要求2中所述的超级电容电池，其特征在于，所述的五氧化二钒电极材料层的结构为零维纳米点、一维纳米线、纳米带、纳米管、纳米纤维、二维纳米片、三维多孔结构、花瓣状结构、空心球结构、纳米片束结构中的任意一种。
4.根据权利要求3中所述的超级电容电池，其特征在于，所述的电解液为强碱性水系电解液，涂布有碳基电极材料层的铝箔集流体相连的接口为超电容电池负极接口，另一接口为超级电容电池的正极接口。
5.根据权利要求3中所述的超级电容电池，其特征在于，所述的电解液为锂离子有机电解液，涂布有碳基电极材料层的铝箔集流体相连的接口为超电容电池正极接口，另一接口为超级电容电池的负极接口。
【文档编号】H01G11/36GK203444988SQ201320529235
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年8月28日 优先权日:2013年8月28日
【发明者】宋维鑫, 纪效波, 姚华鑫, 冉闯闯, 朱汉军 申请人:宋维鑫, 纪效波, 姚华鑫, 冉闯闯, 朱汉军
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