一种钠离子超级电容器及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种钠离子超级电容器及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 超级电容器是介于传统电容器与电池之间的一种新型电化学储能器件，它相比传 统电容器有着更高的能量密度，静电容量能达千法拉至万法拉级；相比电池有着更高的功 率密度和超长的循环寿命，因此它结合了传统电容器与电池的优点，是一种应用前景广阔 的化学电源。它具有比容量高、功率大、寿命长、工作温限宽、免维护等特点。
[0003] 按照储能原理的不同，超级电容器可以分为三类：双电层电容器（EDLC)，法拉第 准电容超级电容器和混合型超级电容器，其中双电层电容器主要是利用电极/电解质界面 电荷分离所形成的双电层来实现电荷和能量的储存；法拉第准电容超级电容器主要是借助 电极表面快速的氧化还原反应所产生的法拉第"准电容"来实现电荷和能量的储存；而混合 型超级电容器是一极采用电池的非极化电极(如氢氧化镍)，另一极采用双电层电容器的极 化电极(如活性碳)，这种混合型的设计可以大幅度提高超级电容器的能量密度。
[0004] 目前作为目前广泛运用的混合型超级电容器之一，锂离子电容器被广泛的运用在 各个领域。但是锂作为稀有金属，其资源储存量有限，在最终的大量的使用过程中必将受到 限制。受到锂离子电容器的启发，同时由于钠元素的丰富储存量，钠离子电容器必将受到重 视。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是利用成本低廉、资源丰富的钠离子在正负极之间的转移来实现电 容器的充放电的原理，来制备新型的钠离子超级电容器，以满足相关领域发展的需要。
[0006] 本发明公开一种钠离子超级电容器，由正极、负极、介于两者之间的隔膜和电解液 构成；其特征在于：所述正极采用活性炭，负极采用钠离子电池的负极材料，电解液采用含 有钠尚子的非水有机电解液。
[0007] 更进一步地，所述活性炭为双电层电容器用高比表面积多孔炭。
[0008] 更进一步地，所述钠离子电池的负极材料包括：无定形硬炭、钛酸钠（Na2Ti 307)、钛 酸锂（Li4Ti5012)等钠离子二次电池负极材料中的一种。
[0009] 更进一步地，所述负极材料通过预掺杂钠离子的初始荷电状态为30%?80%。
[0010] 更进一步地，其特征在于所述电解液中的溶质由高氯酸钠（NaC104)、四氟硼酸 钠（NaBF4)、六氟磷酸钠（NaPF6)、三氟甲基磺酸钠（NaCF 3S03)、二（三氟甲基磺酰）亚胺钠 (NaN (CF3S02) 2)、双草酸硼酸钠（NaBOB)、六氟砷酸钠（NaAsF6)中的至少一种产生；所述电解 液中的溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、Y-丁内酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸丁烯 酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯、乙酸乙酯、乙腈中的一种或几 种。
[0011] 更进一步地，其特征在于所述隔膜包括聚乙烯微孔膜、聚丙烯微孔膜、复合膜、无 机陶瓷膜、纸隔膜。
[0012] 本发明同时公开了一种钠离子超级电容器的制备方法，其特征在于所述钠离子电 容器的电芯制备主要包括以下步骤： (1) 正极片的制备步骤：首先将活性炭、导电剂按一定比例球磨混合，溶解粘结剂，将球 磨好的混合物按比例倒入溶解好的粘结剂溶液，调成浆料，然后涂布在正极集流体上，经烘 干、碾压、裁切、真空干燥制备成正极片； (2) 负极片的制备步骤：首先将负极材料、粘结剂混合，调成浆料，然后涂布在负极集流 体上，经烘干、碾压、裁切、真空干燥制备成负极片； (3) 组装步骤：将制备好的正、负极片经叠片制成电芯。
[0013] 更进一步地，所述导电剂包括炭黑、乙炔黑或它们的混合物，所述粘结剂包括聚四 氟乙烯、聚偏氟乙烯、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素纳和丁苯橡胶中的一种或几种。
[0014] 更进一步地，所述正极片的集流体包括铝箔、铝网，所述负极片的集流体包括铝 箔、铝网、铜箔、铜网，钛箔，钛网。
[0015] 更进一步地，还包括步骤（4)预掺杂，使负极材料通过预掺杂后钠离子的初始荷电 状态为30%?80%。
[0016] 本发明利用成本低廉、资源丰富的钠离子在正负极之间的转移来实现电容器的充 放电的原理，来制备新型的钠离子超级电容器，制备出的钠离子超级电容器具有高能量密 度、高功率密度的特性，可广泛应用于电动汽车、电动工具、太阳能储能、风能储能领域。
【附图说明】
[0017] 图1-10分别对应本发明具体实施例1-10中钠离子超级电容器充放电曲线图。
【具体实施方式】
[0018] 下面通过具体实施例来对本发明作进一步的说明，但这些实施例不以任何方式限 制本发明的范围。
[0019] 实施例1 正极片的制作：将总量为300g的活性炭、导电炭黑、羧甲基纤维素钠（CMC)、丁苯橡胶 (SBR)按质量比为90:5 :2 : 3混合，用去离子水调成浆料，然后涂布在20Mm的铝箔（涂 布面容量：120g/m2)上，经烘干（110?120°C)、碾压、裁片（尺寸为：52*90mm 2)、24h真空干 燥（120?130°C)制作成正极片。
[0020] 负极片的制作：将总量为1000g的硬碳、聚偏氟乙烯（PVDF)按质量比为90:10混 合，用N-甲基吡咯烷酮（NMP)调成浆料，然后涂布30Mm的铜箔上（涂布面容量：12 Ah / m2)，经烘干（110?120°C)、碾压、裁片（尺寸为：53*95mm2)、24h真空干燥（120?130°C) 制作成负极片。
[0021] 选用NKK公司的TF4535纤维素酯隔膜为隔膜，将正极片（8片)、隔膜、负极片（9 片）层叠成电芯，然后将叠好的电芯的正极极群焊在铝制极耳上、负极极群焊在铜制极耳 上，将焊好后的电芯放入成型好的铝塑膜中，并用钠片作为第三电极，注入lmol/L NaPF6+ EC (碳酸乙烯酯）/DEC (碳酸二乙酯）（1:1) 15g，组装成方型化学电源。
[0022] 化成前，先以活性物质为硬炭材料的一极为正极，钠金属片为负极，采用22mA的 恒定电流放电3小时，进行钠离子预掺杂(此时预掺杂量为初始荷电量的30%)，电容器经预 掺杂后，并将第三电极截去以后，最后封装成方形结构。在常温25°C进行性能测试，测试制 度为0. 6A (5C)充电至3. 8V，静置5min，0. 6A (5C)放电至2. 2V，器件的容量为276F。充放 电曲线如附图1所示。
[0023] 实施例2 正极片的制作：将总量为300g的活性炭、导电炭黑、CMC、SBR按质量比为90:7 :2 : 3 混合，用去离子水调成浆料，然后涂布在20Mm的铝箔（涂布面容量：120g/m2)上，经烘干 (110?120°C)、碾压、裁片（尺寸为：52*90mm 2)、24h真空干燥（120?130°C)制作成正极 片。
[0024] 负极片的制作：将总量为1000g的硬碳、PVDF按质量比为90:10混合，用NMP调 成浆料，然后涂布30Mm的铜箔上（涂布面容量：12 Ah /m2)，经烘干（110?120°C)、碾压、 裁片（尺寸为：53*95mm2)、24h真空干燥（120?130°C)制作成负极片。
[0025] 选用NKK公司的TF4535纤维素酯隔膜为隔膜，将正极片（8片)、隔膜、负极片（9 片）层叠成电芯，然后将叠好的电芯的正极极群焊在铝制极耳上、负极极群焊在铜制极耳 上，将焊好后的电芯放入成型好的铝塑膜中，并用钠片作为第三电极，注入lmol/L NaPF6+ EC (碳酸乙烯酯）/DEC (碳酸二乙酯）（1:1) 15g，组装成方型化学电源。
[0026] 化成前，先以活性物质为硬炭材料的一极为正极，钠金属片为负极，采用22mA的 恒定电流放电5小时，进行钠离子预掺杂(此时预掺杂量为初始荷电量的50%)，电容器经预 掺杂后，并将第三电极截去以后，最后封装成方形结构。在常温25°C进行性能测试，测试制 度为0. 6A (5C)充电至3. 8V，静置5min，0. 6A (5C)放电至2. 2V，器件的容量为283F。充放 电曲线如附图2所示。
[0027] 实施例3 正极片的制作：将总量为300