改进的用于电化学电容器的分隔体制造技术

本发明专利技术涉及电容器领域，具体地讲涉及包括分隔体的电化学双层电容器，该分隔体包括聚合纳米纤维多孔层和抗氧化剂。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及电容器领域，具体地讲涉及包括分隔体的电化学双层电容器，该分隔 体包括聚合纳米纤维多孔层和抗氧化剂。
技术介绍
电化学电容器也称为超电容、超级电容器、电化学双层电容器(EDLC)、赝电容器和 混合电容器，其是具有比传统电容器高得多的单位电容的储能装置。电化学电容器中的电 荷存储是在介于电极(通常为碳)和电解质之间的接触面处发生的表面现象。分隔体吸收 并保留电解质，从而保持电解质和电极之间的紧密接触。分隔体的作用是使正电极与负电 极电绝缘，以便在充电和放电期间离子在电解质中传送。根据电化学电容器的电极结构及其电解质的性质，存在三种不同类型的电化学电 容器(a)具有有机电解质和活性炭电极的电容器，具有1000m2/g至3000m2/g范围内的大 比表面积，并且以静电的方式运作；(b)具有含水电解质和过渡金属氧化物电极的电容器， 基本上以表面电化学反应为基础运作，所用氧化物的平均比表面积为100m2/g;以及(c)具 有导电聚合物(诸如聚呲咯或聚苯胺)电极的电容器。所有对称电化学电容器使用大表面积碳电极，而非对称电化学电容器通常具有一 个大表面积电极，另一个电极使用以下电极之一 LiCo02、Ni00H、石墨碳、Ru02等。电化学电 容器中常用的电解质为30-35% K0H(用于水性电容器)；1M四乙基四氟硼酸铵(TEABF4) 的乙腈溶液或1MTEABF4的碳酸亚丙酯溶液(用于非水性电容器)；以及溶于碳酸盐溶剂的 1M LiPF6(用于非对称电容器)。电化学电容器中常用的分隔体为纸质(基于纤维素)或 聚合物分隔体，该聚合物分隔体由聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚 酰胺等制成。电化学双层电容器通常用于需要突发功率以及快速充电的应用，因此希望降低电 容器内的离子电阻并增大每单位体积的电容。如果分隔体的离子电阻过高，则在高电流充 电和放电期间，压降将非常明显，从而导致功率和能量输出不理想。期望有厚度减小、高孔 隙率、低电阻的分隔体，同时该分隔体仍能通过使正电极和负电极保持分离而保持其绝缘 属性，从而避免出现最终会导致自放电的短路现象。电容器分隔体应当阻止其中一个电极 释放的带电碳颗粒向另一电极进行电泳迁移(称为软短路)以降低自放电的可能性。此类 阻隔作用在本文也称为“软短路阻隔”。由于电化学双层电容器通常采用圆柱缠绕式设计制 成，其中两个碳电极和分隔体缠绕在一起，因此需要选用高强度的分隔体以避免两个电极 之间的短路。此外，由于电容器的电容取决于电容器体积中存在的活性物质量，因此需要选 用较薄的分隔体。传统双层电容器分隔体包括湿法成网纤维素基纸，该纤维素基纸在高温(即高于 140°C)或高电压(即大于3V)下不稳定，并且水分吸附能力较差。分隔体中存在的杂质会 在较高电压下导致故障。还采用了微孔聚乙烯和聚丙烯薄膜，但是二者离子电阻均过高并 且高温稳定性较差。期望有在高温和高电压下具有改善的稳定性的电容器分隔体，并且该 电容器分隔体可阻止颗粒从一个电极电泳迁移至另一个电极并具有较低的离子电阻和较3高的强度。低电阻电化学电容器完全适合于高功率应用。电容器在使用寿命期间保持低电阻 对于向最终应用提供高功率来说非常重要。测量或跟踪电容器持续性能的一种方式是确定 电阻上升率，电阻上升率是指电阻随着时间朝向不可接受的高水平的向上漂移。电阻上升 率是系统相对于时间的整体稳定性以及装置循环次数的函数。该测试也称为DC寿命测试， 并且确切的工作条件(温度、电池电压等)取决于电池设计电压和目标应用。通常，该测试 在2. 5V和65°C下完成，但随着电容器的发展以及性能的提升，对于其性能的测量标准也越 来越严格。因此，随着电化学电容器领域的发展，持续需要性能更好的分隔体和电化学电容 器，这些分隔体和电化学电容器具有更好的稳定性和运行特性，并且在苛刻条件下长期使 用时电阻不会显著升高。专利技术概述本专利技术涉及具有分隔体的电容器，该分隔体具有平均直径在约50nm至约lOOOnm 的范围内的纳米纤维多孔层，其中纳米纤维包含聚酰胺和抗氧化剂。附图简述附图说明图1是电化学电容器DC寿命测试期间电池电阻数据的比较，这些电化学电容器具 有纤维素分隔体以及含有或不含抗氧化剂的聚酰胺6，6分隔体。专利技术详述本专利技术的在聚合物纤维中含有抗氧化剂的分隔体和电化学电容器在长期使用时 表现出电阻升高幅度显著降低。本专利技术的电化学电容器包括具有以下改善组合的电容器分隔体减小的厚度、降 低的离子电阻和良好的软短路阻隔性能，从而提供高的抗短路性能。可用于本专利技术电容器 的分隔体具有高的吸收电解质能力，同时在使用中保持优异的结构完整性以及化学和尺寸 稳定性，使得分隔体即使在充满电解质溶液的情况下也不会丧失其软短路阻隔性能。厚度 的减小使得能够制备容量更大的电容器，这是因为分隔体越薄，电容器中所用的材料的总 体厚度也越小，因此更多的电化学活性物质可存在于给定体积中。可用于本专利技术电容器的 分隔体具有低的离子电阻，因此离子易于在阳极和阴极之间流动。本专利技术的电化学电容器可以是采用了碳基电极的双层电容器，并使用了有机或非 水电解质，例如乙腈或碳酸亚丙酯和1M TEABF4盐的溶液，或使用含水电解质，例如30%至 40%氢氧化钾(K0H)溶液。作为另外一种选择，本专利技术的电化学电容器可以是在至少一个电极上依赖于法拉 第反应的电容器。此类电容器称为“赝电容器”或“氧化还原电容器”。赝电容器采用基于 碳、贵金属水合氧化物、改性的过渡金属氧化物以及导电聚合物的电极，以及含水和有机电 解质。已发现，电化学双层电容器可使用具有以下改善组合的聚合纳米纤维分隔体制 成高温稳定性、良好的软短路阻隔性能、以及更低的离子电阻。可压延根据本专利技术制成的 分隔体以提供小孔径、低厚度、良好的表面稳定性和高强度。该分隔体在高温下稳定，因此 可耐受高温干燥处理。本专利技术的电容器包括具有至少一个聚合纳米纤维多孔层的分隔体，该聚合纳米纤维多孔层的平均直径范围介于约50nm和约lOOOnm之间，甚至介于约50nm和约500nm之间。 术语“纳米纤维”是指具有小于1，000纳米的直径的纤维。具有这些范围内的直径的纤维 提供具有大表面积的分隔体结构。由于增加了电解质接触面积，该大表面积可实现良好的 电解质吸收和保持。该分隔体具有介于约0.01 iim和约lOiim之间，甚至介于约O.Oliim 和约5 u m之间，以及甚至介于约0. 01 y m和约1 y m之间的平均流孔径。该分隔体具有介 于约20%和约90%之间，甚至介于约40%和约70%之间的孔隙率。分隔体的高孔隙率也 在本专利技术的电容器中提供良好的电解质吸收和保持。可用于本专利技术电容器的分隔体具有介于约0.1密耳(0.0025mm)和约5密耳 (0. 127mm)之间，甚至介于约0. 1密耳(0. 0025mm)和约3密耳(0. 0762mm)之间的厚度。该 分隔体足够厚，以防止正、负电极之间的软短路，同时容许离子在阴极和阳极之间的良好流 动。该薄分隔体为电池内的电极创造更多空间，从而使本专利技术的电容器具有改善的性能和 使用寿命。该分隔体具有介于约lg/m2和约30g/m2之间，甚至介于约5g/m2和约20g/m2之间 的基重。如果分隔体的本文档来自技高网...

【技术保护点】
具有分隔体的电容器，所述分隔体具有平均直径在约５０ｎｍ至约１０００ｎｍ范围内的纳米纤维多孔层，其中所述纳米纤维包含聚酰胺和抗氧化剂。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2007-11-9 61/002601具有分隔体的电容器，所述分隔体具有平均直径在约50nm至约1000nm范围内的纳米纤维多孔层，其中所述纳米纤维包含聚酰胺和抗氧化剂。2.权利要求1的电容器，其中所述分隔体具有介于约0.01 μ m和约10 μ m之间的平均 流孔径、介于约0. 1密耳(0. 0025mm)和约5密耳(0. 127mm)之间的厚度、介于约lg/m2和约 30g/m2之间的基重、介于约20%和约90%之间的孔隙率、小于约80cfm/ft2 (24m7min/m2) 的弗雷泽透气率以及介于约2和约15之间的MacMullin数。3.权利要求1的电容器，其中所述分...

【专利技术属性】
技术研发人员：S弗里斯克，P阿罗拉，TT诺尔顿，
申请(专利权)人：纳幕尔杜邦公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]