專利名稱：車用高比能量超級電容器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種電容器，特別涉及一種具有高比能量、長壽命及快速充放電性能的車用超級電容器。
該車用高比能量超級電容器由第一電極和第二電極、電解液、集流體、隔膜和外殼組成，其特殊之處是第一電極的絕對電容量大于第二電極的絕對電容量，且第二電極中的電極材料為通過雙電層原理或準(zhǔn)電容原理存儲能量的材料，第一電極中的電極材料為通過法拉第過程或準(zhǔn)電容原理存儲能量的材料，所述的電解液為有機溶液。
按照上述的車用高比能量超級電容器，第二電極中電極材料為碳材料或?qū)щ娋酆衔铮谝浑姌O的電極材料為閥性金屬、閥金屬氧化物、閥金屬碳化物、閥金屬型納米碳中的任一種或以上材料的任意組合，且所述電極浸在有機溶液中。
按照上述的車用高比能量超級電容器，第一電極的絕對電容量為第二電極的絕對電容量的3～6倍。
按照上述的車用高比能量超級電容器，所說的碳材料為具有高比表面積的活性炭、玻璃碳、活性炭纖維布、碳凝膠、高密度石墨、碳納米管、高活性中間相碳微球、具有納米孔隙的蜂窩狀石墨中的任一種或上述材料的任意組合。
按照上述的車用高比能量超級電容器，所述的閥性金屬為鈷、鎳、錳、鉛、鈦、鉬、鎢、釕、銥。
按照上述的車用高比能量超級電容器，第一電極的比電容大于第二電極的比電容。
按照上述的車用高比能量超級電容器，第一電極的體積小于或等于第二電極的體積。
按照上述的車用高比能量超級電容器，第一電極的質(zhì)量小于或等于第二電極的質(zhì)量。
按照上述的車用高比能量超級電容器，所說的有機溶液中的溶質(zhì)為鋰鹽或銨鹽，所說的有機溶劑為碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、乙腈(AN)或碳酸二甲酯(DMC)或碳酸二乙酯(DEC)中的任一種或所述五種溶劑的任意組合。
按照上述的車用高比能量超級電容器，所說的鋰鹽為高氯酸鋰(LiClO4)或六氟磷酸鋰(LiPF6)或氟硼酸鋰(LiBF4)或三氟甲基磺酸鋰(LiCF3SO3)，所說的銨鹽為氟硼酸四乙基銨(Et4NBF4)或氟硼酸四丁基銨(Eu4NBF4)。
本發(fā)明的有益效果是1、本車用高比能量超級電容器由于第一電極的絕對電容量大于第二電極的絕對電容量，因此，如果電極之一的絕對電容量增加，那么電容器的整體電容量將趨向于具有較小電容量的電極的電容量。與對稱電容器相比，可以具有兩倍的電容量。由于儲存在電容器中的能量是和它的電容量成正比的，因此電容量的加倍使電容器所存儲的能量也加倍，比能量也增加。
2、由于第一電極的比電容大于另一電極的比電容。允許在電極的幾何尺寸相似的情況下得到具有較大電容量的電極。
3、由于第一電極的質(zhì)量小于或等于第二電極的質(zhì)量，這允許減小電容器的質(zhì)量，增加電容器的比能量。
4、由于使用有機溶液作為電解質(zhì)，且使用含鋰鹽的有機溶劑(PC、EC、DMC、DEC、AN或它們的組合)作為有機溶液。這些有機溶液提高了電解液的穩(wěn)定工作電位窗口及電化學(xué)穩(wěn)定性，電容器所具有的能量與工作電壓的平力成正比，因此應(yīng)用有機電解液可顯著提高電容器能量密度。
5、由于第一電極的容量可以遠大于第二電極的容量，這樣在放電時，第一電極可以只是部分放電，而由活性炭材料制成的第二電極可以100％放電，其壽命與快速充放電能力很強，因此制成的整體電容器其循環(huán)壽命與快速充放電能力得到延長。
綜上所述，本發(fā)明具有功率密度高(大于1kW/kg)、壽命長(10萬次以上)及充電迅速(小于3分鐘)等優(yōu)異特性，能夠滿足電動車在啟動、加速、爬坡時對功率的要求，減少大電流對電池的傷害，延長電池的使用壽命，并可減少電動車的體積和重量；同時還能通過再生制動系統(tǒng)將瞬間能量回收于超級電容器中，提高能量利用率。
第二電極(2)的電極材料是由具有高比表面積的活性炭、玻璃碳、活性炭纖維布、碳凝膠、高密度石墨、熱解聚合物基體而得到的泡沫、碳納米管、高活性中間相碳微球、具有納米孔隙的蜂窩狀石墨中的任一種或上述材料的任意組合或通過準(zhǔn)電容原理存儲能量的材料一導(dǎo)電聚合物如聚砒咯或聚噻吩組成，第一電極(1)中電極材料是由具有第二電極(2)3倍～6倍電容量的浸在有機電解液中的插層化合物制成，其反應(yīng)機理由法拉第反應(yīng)或準(zhǔn)電容機理所決定，包括下列各種材料之一鈷、鎳、錳、鉛、鈦、鉬、鎢、釕、銥等閥性金屬、閥金屬氧化物、閥金屬碳化物或以上材料的任意組合。所述第一、第二電極(1)、(2)中電極材料分別與導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑組成第一電極(1)和第二電極(2)，其中導(dǎo)電劑含量為2～20％(電極重量比)，粘結(jié)劑含量為0.5～20％(電極重量比)，余量為電極材料。
實施例1以活性炭制成負極，鈷酸鋰(LiCoO2)制成正極，LiPF6/EC+DMC作為電解液，電極配方如表1。作為對比，同時給出了以活性炭作為正極和負極的具有對稱電極結(jié)構(gòu)的電容器相關(guān)數(shù)據(jù)。
活性炭的容量一般為30-35mAh/g，LiCoO2的容量最低可達140mAh/g，LiCoO2的比容量要比活性炭的比容量高4～5倍左右，因此在相同幾何尺寸的情況下可以得到具有較高容量的電容器單元，同時此電容器的重量要遠遠低于活性炭/活性炭結(jié)構(gòu)的電容器，因此此電容器單元具有較高的比容量和較高的比能量。
電容器單元性能指標(biāo)如表2所示。
實施例2以活性炭制成負極，鎳酸鋰(LiNiO2)制成正極，氟硼酸四丁基銨(Eu4NBF4)/PC+EC作為電解液。電極配方如表1。
同實施例1，活性炭的容量為30-35mAh/g，LiNiO2的容量可達140～170mAh/g，LiNiO2的比容量比活性炭的比容量要高4～6倍，因此在相同條件下此電容器單元具有更高的比容量和比能量。電容器單元性能指標(biāo)如表2所示。
實施例3本例與例1和例2中說明的電容器的差別在于用活性炭制成的電極被用作為正電極，負極由自制的納米級插層化合物如鎢的氧化物制成，電解液同例1或例2。
實驗制得的鎢的氧化物的容量為120mAh/g，是活性炭材料的3倍大，因此由活性炭作正極，鎢的氧化物作負極制得的電容器單元與通常的活性炭作為電極材料的對稱電容器具有更高的比容量和更高的比能量。
同時鎢的氧化物插層化合物具有較低的嵌鋰電位，近似約0.7V vs.Li/Li+，活性炭相對鋰的電位為3～4.5V，因此由活性炭電極和鎢的氧化物電極制成的電容器具有較高的輸出電壓，約為3V。電容器所具有的能量與電壓的平方成正比，因此應(yīng)用此結(jié)構(gòu)的的電容器可以極大地提高電容器的能量及能量密度。其性能指標(biāo)如表2所示。
表1電極組成

表2相同條件下電容器性能指標(biāo)對比

表1“PVDF”為聚偏氟乙烯，“NMP”中為N-甲基吡咯烷酮。
由上述數(shù)據(jù)可見，對于相同體積的超級電容器，采用本車用高比能量超級電容器提出的結(jié)構(gòu)后，容量由400F增至800-900F，容量增加了2倍多，同時采用本專利提出的結(jié)構(gòu)后，電容器重量明顯降低，使其比能量有了很大的提高，應(yīng)用在電動車上時就會進一步縮小體積，減少重量，使其在電動車上的應(yīng)用極具前景。
權(quán)利要求
1.一種車用高比能量超級電容器，由第一電極和第二電極、電解液、集流體、隔膜和外殼組成，其特征是第一電極的絕對電容量大于第二電極的絕對電容量，且第二電極中電極材料是由通過雙電層原理或準(zhǔn)電容原理存儲能量的材料制成，第一電極中電極材料是由通過法拉第過程或準(zhǔn)電容原理存儲能量的材料制成，所述的電解液為有機溶液。
2.按照權(quán)利要求1所述的車用高比能量超級電容器，其特征是第二電極中電極材料由碳材料或?qū)щ娋酆衔锝M成，第一電極中電極材料由閥性金屬、閥金屬氧化物、閥金屬碳合物、閥金屬型納米碳中的任一種或以上材料的任意組合構(gòu)成，且所述電極浸在有機溶液中。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的車用高比能量超級電容器，其特征是第一電極的絕對電容量為第二電極的絕對電容量的3～6倍。
4.按照權(quán)利要求2所述的車用高比能量超級電容器，其特征是所說的碳材料為具有高比表面積的活性炭、玻璃碳、活性炭纖維布、碳凝膠、高密度石墨、碳納米管、高活性中間相碳微球、具有納米孔隙的蜂窩狀石墨中的任一種或上述材料的任意組合。
5.按照權(quán)利要求2所述的車用高比能量超級電容器，其特征是所述的閥性金屬為鈷、鎳、錳、鉛、鈦、鉬、鎢、釕、銥。
6.按照權(quán)利要求1或2所述的車用高比能量超級電容器，其特征是第一電極的比電容大于第二電極的比電容。
7.按照權(quán)利要求1或2所述的車用高比能量超級電容器，其特征是第一電極的體積小于或等于第二電極的體積。
8.按照權(quán)利要求1或2所述的車用高比能量超級電容器，其特征是第一電極的質(zhì)量小于或等于第二電極的質(zhì)量。
9.按照權(quán)利要求1或2所述的車用高比能量超級電容器，其特征是所說的有機溶液中的溶質(zhì)為鋰鹽或銨鹽，所說的有機溶劑為碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、乙腈(AN)或碳酸二甲酯(DMC)或碳酸二乙酯(DEC)中的任一種或所述五種溶劑的任意組合。
10.按照權(quán)利要求9所述的車用高比能量超級電容器，其特征是所說的鋰鹽為高氯酸鋰(LiClO4)或六氟磷酸鋰(LiPF6)或氟硼酸鋰(LiBF4)或三氟甲基磺酸鋰(LiCF3SO3)，所說的銨鹽為氟硼酸四乙基銨(Et4NBF4)或氟硼酸四丁基銨(Eu4NBF4)。
全文摘要
一種具有大容量、高性能、長壽命及充放電速度快的車用超級電容器；包括第一電極、第二電極、電解液、集流體、隔膜和外殼，第一電極的絕對電容量大于第二電極的絕對電容量，且第二電極中電極材料是由通過雙電層原理或準(zhǔn)電容原理存儲能量的材料制成，第一電極中電極材料是由通過法拉第過程或準(zhǔn)電容原理存儲能量的材料制成，所述的電解液為有機溶液。
文檔編號H01G9/00GK1420507SQ0213291
公開日2003年5月28日 申請日期2002年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月12日
發(fā)明者付旭濤, 才奇, 李建玲, 李文生, 蔡丹 申請人:錦州錦容超級電容器有限責(zé)任公司