專利名稱：超級電化學(xué)電容器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電容器領(lǐng)域，其涉及一種超級電化學(xué)電容器。本發(fā)明還涉及一種該超級電化學(xué)電容器的制備方法。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)90年代，對電動汽車的開發(fā)以及對功率脈沖電源的需求，更刺激了人們對電化學(xué)電容器的研究。目前電化學(xué)電容器的比能量仍舊比較低，而電池的比功率較低，人們正試圖從兩個方面解決這個問題(I)將電池和超級電容器聯(lián)合使用，正常工作時，由電池提供所需的動力；啟動或者需要大電流放電時，則由電容器來提供，一方面可以改善電池的低溫性能不好的缺點(diǎn)；可以解決用于功率要求較高的脈沖電流的應(yīng)用場合，如GSM、GPRS·等。電容器和電池聯(lián)合使用可以延長電池的壽命，但這將增加電池的附件，與目前能源設(shè)備的短小輕薄等發(fā)展方向相違背。(2)利用電化學(xué)電容器和電池的原理，開發(fā)混合電容器作為新的貯能元件。1990年Giner公司推出了貴金屬氧化物為電極材料的所謂贗電容器或稱準(zhǔn)電容器(Pseudo-capacitor)。為進(jìn)一步提高電化學(xué)電容器的比能量，1995年，D. A. Evans等提出了把理想極化電極和法拉第反應(yīng)電極結(jié)合起來構(gòu)成混合電容器的概念(ElectrochemicalHybrid Capacitor, EHC 或稱為 Hybrid capacitor)。1997 年，ESMA 公司公開了 NiOOH/AC混合電容器的概念，揭示了蓄電池材料和電化學(xué)電容器材料組合的新技術(shù)。2001年，G. G. Amatucci報告了有機(jī)體系鋰離子電池材料和活性炭組合的Li4Ti5012/AC電化學(xué)混合電容器，是電化學(xué)混合電容器發(fā)展的又一個里程碑。目前以Ti02⑶納米線為負(fù)極，碳納米管(CNT)為正極，在lmol/LLiPF6/EC-DMC-DEC電解液中組裝成混合電容器，該體系能在0-2. 8V電壓范圍內(nèi)進(jìn)行較好的充放電循環(huán)，在10C倍率下，能量密度達(dá)12. 8wh/kg,是對稱型CNT//CNT電容器的兩倍。雖然該體系利用了一維納米材料的優(yōu)點(diǎn)，但是由于碳納米管的容量較低，導(dǎo)致該體系的總體能量密度不是很高，使得電容器能量密度低，導(dǎo)致電容器的比電容低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能量密度高、比電容高的超級電化學(xué)電容器。一種超級電化學(xué)電容器，包括正極、負(fù)極、介于所述正極和負(fù)極之間的隔膜以及電解液；所述正極、負(fù)極及隔膜浸泡在所述電解液中；其中，所述正極的材料包括鋁箔以及涂覆在所述鋁箔上的質(zhì)量比分別為80 93 2 10 5 10的石墨烯、第一導(dǎo)電劑以及第一粘結(jié)劑組成的正極活性材料；所述負(fù)極的材料包括鋁箔以及涂覆在所述銅箔上的質(zhì)量比分別為80 93 2 10 5 10的二氧化鈦納米線、第二導(dǎo)電劑以及第二粘結(jié)劑組成的負(fù)極活性材料。上述超級電化學(xué)電容器中，所述正極活性材料與所述負(fù)極活性材料的質(zhì)量比為I : I I : 5。
上述超級電化學(xué)電容器中，電極材料或電解液材料如下所述石墨稀為比表面積為400 1000m2/g的石墨稀；所述第一導(dǎo)電劑和第二導(dǎo)電劑為乙炔黑、導(dǎo)電炭黑或碳納米管，這些導(dǎo)電劑均可以通過市面購買獲得；所述第一粘結(jié)劑和第二粘結(jié)劑為聚偏氟乙烯(PVDF)或聚四氟乙烯(PTFE)；所述電解液為鋰離子電解質(zhì)鹽與非水性有機(jī)溶劑配制而成；所述隔膜采用pp隔膜。本發(fā)明的另一目的在于提供上述超級電化學(xué)電容器的制備方法，其步驟如下 SI、將質(zhì)量比分別為80 93 2 10 5 10的石墨烯、第一導(dǎo)電劑以及第一粘結(jié)劑配置成正極活性材料，以及將質(zhì)量比分別為80 93 2 10 5 10的二氧化鈦納米線、第二導(dǎo)電劑以及第二粘結(jié)劑配置成負(fù)極活性材料；S2、將所述正極活性材料涂覆在鋁箔上，經(jīng)干燥處理后，制得正極；將所述負(fù)極活性材料涂覆在銅箔上，經(jīng)干燥處理后，制得負(fù)極；S3、將所述正極、負(fù)極以及隔膜剪切成所需規(guī)格后按照正極/隔膜/負(fù)極的順序組裝后置入裝有電解液的容器中，獲得所述超級電化學(xué)電容器。上述制備方法中，步驟S2中，所述正極活性材料與所述負(fù)極活性材料的質(zhì)量比為I : I I : 5。本發(fā)明提供超級電化學(xué)電容器，其負(fù)極材料具有低的電位平臺，使得超級電化學(xué)電容器的平均工作電壓高于傳統(tǒng)的雙電層電容器，又由于嵌入-脫嵌機(jī)制產(chǎn)生的化學(xué)能，從而使體系的能量密度上升；而正極采用了比表面積較高、電導(dǎo)率優(yōu)良的石墨烯，其能夠有效的降低整體超級電化學(xué)電容器的內(nèi)阻，又能使超級電化學(xué)電容器的形成較高的比電容；正極采用的石墨烯材料具有良好的電導(dǎo)率，能夠有效的降低整體超級電化學(xué)電容器的內(nèi)阻，使混合超級電化學(xué)電容器的功率密度較雙電層電容減小不是太多，同時能夠保持良好的循環(huán)壽命。


圖I為本發(fā)明的超級電化學(xué)電容器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的超級電化學(xué)電容器的制備工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式一種超級電化學(xué)電容器，如圖I所示，包括正極6、負(fù)極7、介于所述正極6和負(fù)極7之間的隔膜3以及電解液8，所述正極6、負(fù)極7、隔膜3按照正極6/隔膜3/負(fù)極7順序組裝后置入盛有電解液8的容器9中；正極6的材料包括鋁箔I以及涂覆在所述鋁箔I上的質(zhì)量比分別為80 93 2 10 5 10的石墨烯、第一導(dǎo)電劑以及第一粘結(jié)劑組成的正極活性材料2 ;負(fù)極7的材料包括銅箔5以及涂覆在所述銅箔5上的質(zhì)量比分別為80 93 : 2 10 : 5 10的二氧化鈦納米線、第二導(dǎo)電劑以及第二粘結(jié)劑組成的負(fù)極活性材料4。上述超級電化學(xué)電容器中，所述正極活性材料與所述負(fù)極活性材料的質(zhì)量比為I : I I : 5。
上述超級電化學(xué)電容器中，電極材料或電解液材料如下石墨烯為比表面積為400 1000m2/g的石墨烯，也可以選用進(jìn)行表面改性的石墨稀，如，進(jìn)彳了慘雜B、N、O、F等兀素的表面改性石墨??； 第一導(dǎo)電劑和第二導(dǎo)電劑為乙炔黑、導(dǎo)電炭黑(如，導(dǎo)電炭黑super P)或碳納米管，這些導(dǎo)電劑均可以通過市面購買獲得；第一粘結(jié)劑和第二粘結(jié)劑為聚偏氟乙烯(PVDF)或聚四氟乙烯(PTFE)；二氧化鈦納米線為二氧化鈦(B)納米線，即TiO2(B)納米線；所述電解液為鋰離子電解質(zhì)鹽與非水性有機(jī)溶劑配制而成的電解液；電解液中的鋰離子電解質(zhì)鹽為LiPF6、LiBF4、LiB0B、LiCF3S03、LiN(S02CF3)或LiAsF6中的一種或兩種以上，電解液中的非水性有機(jī)溶劑為碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、亞硫酸乙烯酯、亞硫酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、r-丁內(nèi)酯、碳酸甲乙烯酯、碳酸甲丙酯、乙酸乙酯或乙腈中的一種或兩種以上；所述隔膜可采用pp隔膜。本發(fā)明的另一目的在于提供上述超級電化學(xué)電容器的制備方法，如圖2所示，包括步驟如下SI、將質(zhì)量比分別為80 93 2 10 5 10的石墨烯、第一導(dǎo)電劑以及第一粘結(jié)劑配置成正極活性材料，以及將質(zhì)量比分別為80 93 2 10 5 10的二氧化鈦納米線、第二導(dǎo)電劑以及第二粘結(jié)劑配置成負(fù)極活性材料；S2、將所述正極活性材料涂覆在鋁箔上，經(jīng)干燥處理后，制得正極；將所述負(fù)極活性材料涂覆在銅箔上，經(jīng)干燥處理后，制得負(fù)極；S3、將所述正極、負(fù)極以及隔膜剪切成所需規(guī)格后切割成所需規(guī)格并按照正極/隔膜/負(fù)極的順序組裝后置入裝有電解液的容器中，獲得所述超級電化學(xué)電容器。上述制備方法中，步驟S2中，所述正極活性材料與所述負(fù)極活性材料的質(zhì)量比為I : I I : 5。上述超級電化學(xué)電容器的制備方法中，電極材料、電解液材料如下石墨稀為比表面積為400 1000m2/g的石墨稀，也可以選用進(jìn)彳丁表面改性的石墨稀，如，進(jìn)彳了慘雜B、N、O、F等兀素的表面改性石墨??；第一導(dǎo)電劑和第二導(dǎo)電劑為乙炔黑、導(dǎo)電炭黑(如，導(dǎo)電炭黑super P)或碳納米管，這些導(dǎo)電劑均可以通過市面購買獲得；第一粘結(jié)劑和第二粘結(jié)劑為聚偏氟乙烯(PVDF)或聚四氟乙烯(PTFE)；所述電解液為鋰離子電解質(zhì)鹽與非水性有機(jī)溶劑配制而成的電解液；電解液中的鋰離子電解質(zhì)鹽為LiPF6、LiBF4、LiB0B、LiCF3S03、LiN(S02CF3)或LiAsF6中的一種或兩種以上，電解液中的非水性有機(jī)溶劑為碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、亞硫酸乙烯酯、亞硫酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、r-丁內(nèi)酯、碳酸甲乙烯酯、碳酸甲丙酯、乙酸乙酯或乙腈中的一種或兩種以上；隔膜可采用pp隔膜。本發(fā)明提供超級電化學(xué)電容器，采用離子嵌入一脫嵌機(jī)制與超電容器的雙電層機(jī)制協(xié)調(diào)組合于一個儲能電容器，其負(fù)極材料具有低的電位平臺，使得超級電化學(xué)電容器的平均工作電壓高于傳統(tǒng)的雙電層電容器，從而使體系的能量密度上升；而正極采用了比表面積較高、電導(dǎo)率優(yōu)良的石墨烯，其能夠有效的降低整體超級電化學(xué)電容器的內(nèi)阻，又能使超級電化學(xué)電容器的形成較高的比電容；正極采用的石墨烯材料具有良好的電導(dǎo)率，能夠有效的降低整體超級電化學(xué)電容器的內(nèi)阻，使混合超級電化學(xué)電容器的功率密度較雙電層電容減小不是太多，同時能夠保持良好的循環(huán)壽命。下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的較佳實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)說明。實(shí)施例II、超級電化學(xué)電容器電極制備正極。將質(zhì)量比為85 10 5的石墨烯(比表面積為400m2/g)、乙炔黑導(dǎo)電劑、PVDF粘結(jié)劑混合后制成正極活性材料，將正極活性材料涂布在鋁箔上，于真空中80°C烘烤12h，獲得正極；
·
負(fù)極。將質(zhì)量比為85 10 5的TiO2(B)納米線、乙炔黑導(dǎo)電劑、PVDF粘結(jié)劑混合后制成負(fù)極活性材料，將負(fù)極活性材料涂布在銅箔上，于真空中80°C烘烤12h，獲得負(fù)極。其中，正極上的正極活性材料與負(fù)極上的負(fù)極活性材料的質(zhì)量比為I : I。2、組裝超級電化學(xué)電容器將上述制得的正極和附件裁剪成所需規(guī)格，并在手套箱中，按照正極/pp隔膜/負(fù)極的順序組裝，注入LiPF6、碳酸丙烯酯以及碳酸二乙酯電解液，得到超級電化學(xué)電容器。實(shí)施例2I、超級電化學(xué)電容器電極制備正極。將質(zhì)量比為80 10 10的石墨烯(比表面積為700m2/g)、碳納米管導(dǎo)電齊U、PVDF粘結(jié)劑混合后制成正極活性材料，將正極活性材料涂布在鋁箔上，于真空中80°C烘烤12h，獲得正極；負(fù)極。將質(zhì)量比為80 10 10的TiO2(B)納米線、碳納米管導(dǎo)電劑、PVDF粘結(jié)劑混合后制成負(fù)極活性材料，將負(fù)極活性材料涂布在銅箔上，于真空中80°C烘烤12h，獲得負(fù)極。其中，正極上的正極活性材料與負(fù)極上的負(fù)極活性材料的質(zhì)量比為I : 2。2、組裝超級電化學(xué)電容器將上述制得的正極和附件裁剪成所需規(guī)格，并在手套箱中，按照正極/pp隔膜/負(fù)極的順序組裝，注入LiBOB以及乙腈電解液，得到超級電化學(xué)電容器。實(shí)施例3I、超級電化學(xué)電容器電極制備正極。將質(zhì)量比為93 2 5的石墨烯(比表面積為1000m2/g)、導(dǎo)電炭黑導(dǎo)電齊U、PTFE粘結(jié)劑混合后制成正極活性材料，將正極活性材料涂布在鋁箔上，于真空中80°C烘烤12h，獲得正極；負(fù)極。將質(zhì)量比為93 2 5的TiO2(B)納米線、導(dǎo)電炭黑super P導(dǎo)電劑、PTFE粘結(jié)劑混合后制成負(fù)極活性材料，將負(fù)極活性材料涂布在銅箔上，于真空中80°C烘烤12h，獲得負(fù)極。其中，正極上的正極活性材料與負(fù)極上的負(fù)極活性材料的質(zhì)量比為I : 5。2、組裝超級電化學(xué)電容器
將正極和附件裁剪成所需規(guī)格，并在手套箱中，按照正極/pp隔膜/負(fù)極的順序組裝，注入LiBF4、碳酸二甲酯以及碳酸乙烯酯電解液，得到超級電化學(xué)電容器。將以上實(shí)施例I 3組裝成的超級電化學(xué)電容器進(jìn)行恒電流充放電測試，得到的不同的能量密度和循環(huán)壽命，如表I ;電池能量密度較現(xiàn)有的商用電容器有較大提高。目前商用maxwell超級電容器BCAP0350E270T09的能量密度為5. 62Wh/kg，其他的型號的能量密度為 I. 38 5. 62ffh/kg0表I
權(quán)利要求
1.一種超級電化學(xué)電容器，包括正極、負(fù)極、介于所述正極和負(fù)極之間的隔膜以及電解液；所述正極、負(fù)極及隔膜浸泡在所述電解液中；其特征在于，所述正極的材料包括鋁箔以及涂覆在所述鋁箔上的質(zhì)量比分別為80 93 2 10 5 10的石墨烯、第一導(dǎo)電劑以及第一粘結(jié)劑組成的正極活性材料；所述負(fù)極的材料包括鋁箔以及涂覆在所述銅箔上的質(zhì)量比分別為80 93 2 10 5 10的二氧化鈦納米線、第二導(dǎo)電劑以及第二粘結(jié)劑組成的負(fù)極活性材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超級電化學(xué)電容器，其特征在于，所述石墨烯為比表面積為400 1000m2/g的石墨烯。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超級電化學(xué)電容器，其特征在于，所述第一導(dǎo)電劑和第二導(dǎo)電劑為乙炔黑、導(dǎo)電炭黑或碳納米管；所述第一粘結(jié)劑和第二粘結(jié)劑為聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3任一所述的超級電化學(xué)電容器，其特征在于，所述電解液為鋰離子電解質(zhì)鹽與非水性有機(jī)溶劑配制而成的電解液。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超級電化學(xué)電容器，其特征在于，所述正極活性材料與所述負(fù)極活性材料的質(zhì)量比為I : I I : 5。
6.一種超級電化學(xué)電容器的制備方法，其特征在于，包括如下步驟 51、將質(zhì)量比分別為85 10 5的石墨烯、第一導(dǎo)電劑以及第一粘結(jié)劑配置成正極活性材料，以及將質(zhì)量比分別為85 10 5的二氧化鈦納米線、第二導(dǎo)電劑以及第二粘結(jié)劑配置成負(fù)極活性材料； 52、將所述正極活性材料涂覆在鋁箔上，經(jīng)干燥處理后，制得正極；將所述負(fù)極活性材料涂覆在銅箔上，經(jīng)干燥處理后，制得負(fù)極； 53、將所述正極、負(fù)極以及隔膜剪切成所需規(guī)格后按照正極/隔膜/負(fù)極的順序組轉(zhuǎn)后置入裝有電解液的容器中，獲得所述超級電化學(xué)電容器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超級電化學(xué)電容器的制備方法，其特征在于，所述石墨烯為比表面積為400 1000m2/g的石墨烯。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超級電化學(xué)電容器的制備方法，其特征在于，所述步驟SI中，所述第一導(dǎo)電劑和第二導(dǎo)電劑為乙炔黑、導(dǎo)電炭黑或碳納米管；所述第一粘結(jié)劑和第二粘結(jié)劑為聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超級電化學(xué)電容器，其特征在于，步驟S2中，所述正極活性材料與所述負(fù)極活性材料的質(zhì)量比為I : I I : 5。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超級電化學(xué)電容器，其特征在于，步驟S3中，所述電解液為鋰離子電解質(zhì)鹽與非水性有機(jī)溶劑配制而成的電解液。
全文摘要
本發(fā)明屬于電容器領(lǐng)域，其公開了一種超級電化學(xué)電容器電極及超級電化學(xué)電容器；該超級電化學(xué)電容器電極包括正極和負(fù)極；正極的材料包括鋁箔以及涂覆在鋁箔上的質(zhì)量比分別為85∶10∶5的石墨烯、第一導(dǎo)電劑以及第一粘結(jié)劑組成的正極活性材料；負(fù)極的材料包括鋁箔以及涂覆在銅箔上的質(zhì)量比分別為85∶10∶5的二氧化鈦納米線、第二導(dǎo)電劑以及第二粘結(jié)劑組成的負(fù)極活性材料。本發(fā)明提供超級電化學(xué)電容器電極，其負(fù)極材料具有低的電位平臺，而正極采用了比表面積較高、電導(dǎo)率優(yōu)良的石墨烯，其能夠有效的降低整體超級電化學(xué)電容器的內(nèi)阻，又能使超級電化學(xué)電容器的形成較高的比電容。
文檔編號H01G9/045GK102945754SQ201110233239
公開日2013年2月27日 申請日期2011年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月15日
發(fā)明者周明杰, 鐘玲瓏, 王要兵 申請人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技術(shù)有限公司