一种聚吡咯混合式超级电容器及其制造方法技术

本发明专利技术公开了属于电容器制造技术范围的涉及应用于高功率的一种聚吡咯混合式超级电容器及其制造方法。所述混合式超级电容器的结构包括圆柱型、纽扣型电容器结构，由聚吡咯阳极，非水性电解液和活性炭阴极密封在铝或不锈钢外壳内构成具有储能密度大、放电功率的高等特点的混合式超级电容器。聚吡咯阳极采用ＦｅＣｌ↓［３］氧化聚合吡咯方法制备，在其中掺加适量碳纳米管或乙炔黑作为添加剂；活性炭阴极以活性炭或活性碳纤维作为原料，采用铝箔为基体，阴极、阳极都是通过称料－拌料－涂覆－辊压等工艺流程制造出连续化带状阳极和连续化阴极。以四氟硼酸胺非水性溶液为电解液，该电容器工作电压达到４．８Ｖ，储能密度达到４０Ｗｈ／ｋｇ，应用广泛。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电容器制造技术范围，特别涉及应用于高储能密度的一种聚吡咯 /活性碳混和式超级电容器及其制造方法。技术背景电化学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 础上的双层电容器以及建立在法拉第准电容基础上的超级电容器。碳材料的性质 是决定双层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，纳米碳管等等，这方面比较典型的专利如美国MAXWELL公司的专利《具有密封电解 封口的多电极双层电容器》(CA1408121A)。"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达到储存能量的目的， 虽然其充放电特性与双电层电容极其相似，但其储能机理与碳材料表面的二维吸 附有较大的差别，该类电极材料包括金属氧化物、氮化物、高分子聚合物等等。 双电层电容与法拉第准电容相比，后者的比电容是前者的10—100倍，但前者瞬 间大电流放电的功率特性(功率密度)好于后者。目前该领域的专利主要集中在大 容量氧化镍混合型超级电容器领域，如上海奥威科技开发有限公司的《一种车用 动力电源超级电容器》(CN1431669)。聚吡咯高分子聚合物材料因其极高的电容 量以及相对较低的电阻而具有良好的电化学特性。因此基于该电极材料组装的超 级电容器在航天和军用领域中具有重要的应用。阳极和阴极分别由具有法拉第准电容特性的聚吡咯电极以及具有双电层电 容特性的活性碳电极所组成的混合型超级电容器既发挥了法拉第准电容能量密 度高的固有特点，又保持了双电层电容储能机理放电功率大的优点。采用聚吡咯作为阳极，活性碳作为阴极，四氟硼酸胺/碳酸丙烯酯作为电解液的混合式超级电容器最大工作电压达到4.8V，储能密度高达40Wh/kg，最大峰值放电功率达到 10kW/kg。混合型超级电容器发挥了超级电容器电极能量密度高的固有特点，其 能量密度比铝电解电容器高三个个数量级。另夕卜，混合型超级电容器保持了电解 电容器单元电压高、比功率高、响应时间短、设计简单的优点。上述优异的性能使混合超级电容器在军用、无线电通讯等领域具有十分广泛的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出。所述混合 式电容器的结构包括圆柱型和纽扣型结构，由聚吡咯阳极，四氟硼酸胺非水性电 解液和活性碳阴极密封在铝外壳或不锈钢外壳内构成，该电容器具有蓄电池和双 电层型电容器的特点。所述阳极结构为聚吡咯活性物质粘附在铝箔或不锈钢基体上，在铝箔基体或 不锈钢基体上连接带状或针状集流体制成为阳极；并将阳极裁切成为长方形或圆 形。所述阴极结构为活性碳粘附在铝箔基体上或在活性碳纤维一侧表面喷涂铝 导电层并在其上覆盖铝箔形成，在铝箔基体上连接带状或针状集流体制成阴极。。 并裁切成为长方形或圆形。所述电解液为非水性有机电解液，电解液由溶质或溶剂组成。溶质为四氟硼 酸胺盐，其中包括四氟硼酸四乙基胺，四氟硼酸甲基三乙基胺，四氟硼酸二甲基 二乙基胺或四氟硼酸三甲基一乙基胺；溶剂为乙腈、碳酸丙烯酯、Y-丁内酯或 环丁砜有机溶剂或上述两种以上溶剂的混合液。电解液浓度为1.4mol/L 0. 5mol,/L。浓度越大，电解液导电率越高。所述聚吡咯/活性碳混合式超级电容器的制造方法分别由聚吡咯阳极的制 造、活性碳阴极制造以及电容器组装三大步骤组成；所述阳极制造工艺采用聚吡咯作为原料，铝箔作为基体，在反应开始前于 FeCl:,中加入10 60wt。/。的碳纳米管或乙炔碳黑；或在聚吡咯活性物质制造完成后混入上述比例的碳纳米管或乙炔碳黑；并与5 10wt。/。的含氟粘合剂聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯一起溶解于一甲基吡咯烷酮有机溶剂中，充分搅拌；或在聚吡咯活性物质中加入20 30wt。/。的133水性粘合剂(四川成都茵地乐公司生产)，溶解于水溶剂中充分搅拌；两种溶剂都可以制造出均匀的具有一定粘度和流动性的聚吡咯阳极浆料。将上述浆料采用涂覆的方式均匀的涂在铝箔基体的表面并烘干辊压，完成聚吡咯阳极的制造;聚吡咯阳极具有比表面积大、内阻低和结构强度高的特 点；所述活性碳阴极制造工艺包括采用粉末状活性碳作为原料，铝箔作为基体或 采用活性碳纤维作为电极材料，先行在其一侧表面采用喷涂方法沉积一层铝导电 层，采用铝箔作为基体，在粉末状活性碳中加入10 60wt。/。的碳纳米管或乙炔碳 黑；并与5 10 wt。/。的含氟粘合剂聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯一起溶解于一甲基吡 咯烷酮有机溶剂中，充分搅拌；或在粉末状活性碳中加入20 30wt。/。的133水性 粘合剂(四川成都茵地乐公司生产)，溶解于水溶剂中充分搅拌。两种溶剂都可 以制造出均匀的具有一定粘度和流动性的浆料；将上述浆料采用涂覆的方式均匀 的涂在铝箔基体的表面并烘干辊压制造出具有比表面积大，内阻低的活性碳纤维所述聚吡咯的制造方法为化学法。具体制造方法如以三氯化铁(FeCl3)作 为氧化剂，十二烷基磺酸钠作为添加剂，吡咯单体为前驱体合成聚吡咯。称取 lOmmolFeCL, 20誦o1十二烷基磺酸钠，溶于100mL去离子水中，得到淡黄色絮 状沉淀形态的十二烷基磺酸钠和三氯化铁混合溶液。精确称取50ramo1吡咯单体， 将吡咯单体与50 100mL去离子水混合成为细小的油滴，缓慢的滴加到十二垸基 磺酸钠、三氯化铁混合溶液中并不断搅拌，最终溶液变为黑色，静置几分钟，生 成的黑色聚吡咯颗粒并沉在反应器底部。将上述溶液进行真空抽滤，并用去离子 水清洗，以洗去材料中的十二烷基磺酸钠。最后将得到的黑色粉末在8(TC下烘干 得到聚吡咯粉状活性物质。所述活性碳阴极或活性碳纤维阴极材料采用市场上现有的材料，材料要求具说明书第4/8页有比表面积大，容量高，内阻低，强度好，杂质含量少的特点。所述圆柱型电容器的装配为将连接好集流体的阳极、隔膜、阴极依次叠加， 巻绕成为柱状电极芯，将该电极芯阳极、阴极集流体分别连接好顶盖正极、负极 后放置在铝质或不锈钢外壳内，在干燥气氛下灌注非水性电解液，通过焊接、压 封等方式完成电容器密封。所述纽扣型混合式电容器的装配工艺与圆柱型混合式电容器的装配工艺类 同，不同的是阳极、阴极及隔膜都为圆形，阳极阴极上不焊接集流体，通过接触 方式实现阳极、阴极与电容器外部正极、负极的连接。将电容器阴极、隔膜、阳 极、正极依次叠加，放置在纽扣型外壳的负极一端中，在外壳周边放置密封圈， 灌注电解液并压实后盖上外壳的正极一端，压实以保证阴极与负极外壳，阳极与 正极外壳的良好接触，最后采用压封方式完成电容器密封。所述隔膜为电容器纸质隔膜，该种隔膜具有耐酸碱且可在非水性电解液中使用。本专利技术的有意效果是采用聚吡咯作为阳极，活性碳作为阴极，四氟硼酸胺/碳酸丙烯酯作为电解液的混合式超级电容器最大工作电压达到4. 8V，储能密度高 达40Wh/kg，最大峰值放电功率达到10kW/kg。混合型超级电容器发挥了超级电容 器电极能量密度高的固有特点，其能量密度比铝电解电容器高三个个数量级。另 外，混合型超级电容器保持了电解电容器单元电压高、比功率高、响应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚吡咯混合式超级电容器，其特征在于，所述混合式电容器的结构包括圆柱型和纽扣型结构，由聚吡咯阳极，四氟硼酸胺非水性电解液和活性碳阴极密封在铝外壳或不锈钢外壳内构成，该电容器具有蓄电池和双电层型电容器的特点。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓峰，尤政，阮殿波，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]