[發明專利]活性碳纖維電極超級電容器及電極的制造方法

有效

• 申請號: 200910091711.3
• 申請日: 2009-08-24
• 公開（公告）號: CN101685713A
• 公開（公告）日: 2010-03-31
• 發明（設計）人: 王曉峰;尤政;阮殿波
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01G9/155
• 分類號: H01G9/155;H01G9/058
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司
• 代理人: 史雙元

技術領域

本發明屬于基于超級電容器制造技術范圍，特別涉及具有高儲能特性和高放電功率的一種活性碳纖維電極的超級電容器及電極的制造方法。

背景技術

超級電容器是一種新型儲能裝置，集高能量密度、高功率密度、長壽命等特性于一身，此外它還具有免維護、高可靠性等優點，是一種兼備電容和電池特性的新型電子元件。根據儲能機理的不同其主要分為建立在界面雙電層基礎上的“雙電層型”超級電容器以及建立在法拉第準電容基礎上的“準電容型”超級電容器。碳材料的性質是決定“雙電層型”超級電容器性能的決定因素。其中包括碳材料的比表面積、孔徑分布、電化學穩定性和電導率等。經過研究滿足要求的碳材料有活性碳，活性碳纖維，納米碳管等等，這方面比較典型的專利如美國MAXWELL公司的專利《具有密封電解封口的多電極雙層電容器》(CA1408121A)，清華大學的專利《一種基于活性碳電極的超級電容器及其制造方法》(200910086835.2)以及北京集星聯合電子科技有限公司的專利《活性碳纖維布/噴涂鋁復合極板雙電層電容器及其制備方法》(ZL03124290.1)?！皽孰娙荨钡脑硎请姌O材料利用鋰離子或質子在材料的三維或準二維晶格立體結構中的儲留來達到儲存能量的目的，雖然其充放電特性與雙電層電容極其相似，但其儲能機理與碳材料表面的二維吸附有較大的差別，該類電極材料包括金屬氧化物、氮化物、高分子聚合物等等，目前該領域的專利主要集中在混合型超級電容器領域，如上海奧威科技開發有限公司的《一種車用動力電源超級電容器》(CN1431669)，清華大學的專利《基于氧化鈷及氧化釕的混合式超級電容器及其制造方法》(200810111892.7)，《一種聚吡咯混合式超級電容器及其制造方法》(200810101688.7)。超級電容器的關鍵指標包括能量密度以及放電功率等，其中制約上述指標的關鍵因素是電極材料及電容器的組裝工藝。因此通過制備性能優良的新型活性碳電極材料以及在此基礎上制備新型活性碳電極可以有效的提高電容器的純能密度并提高電容器放電功率，基于上述新型活性碳纖維電極的超級電容器在電子、信息、工業、交通、航天和軍用領域中具有重要的應用。

發明內容

本發明的目的是提出一種活性碳纖維電極的超級電容器及電極的制造方法，所述超級電容器的結構由陽極、隔膜和陰極依次迭加卷繞成電極芯后，灌注非水性電解液，密封在不銹鋼或鋁外殼內構成圓柱型或方型結構，組裝成為全密封型超級電容器，其特征在于，所述陽極和陰極由活性碳纖維材料分別粘附在陽極鋁箔集流體以及陰極鋁箔集流體兩側制成；所述灌注非水性電解液由電解質三乙基一甲基四氟硼酸銨鹽，溶劑為γ-丁內酯與碳酸丙烯脂按重量份數比6∶3的混合溶液，添加劑環丁砜組成，三者的重量份數比為6∶3∶1，其中四氟硼酸銨鹽的濃度為0.5mol/L～1mol/L。

所述活性碳纖維電極的制備方法

(1)活性碳纖維材料是采用比重為100～200g/m²粘膠纖維布作為原材料，采用磷酸氫二銨作為浸漬劑，通過浸漬、烘干、碳化、活化、后處理等五步工序完成，

1)浸漬工藝為將原材料采用溶解在去離子水中配制成濃度為25wt％～40wt％的磷酸氫二銨進行浸泡，浸泡時間控制在40分鐘～60分鐘；

2)烘干工藝為將浸泡完成的原材料在日照及通風良好的情況下晾干，晾曬時間應不超過72小時，晾曬后，布中水分含量不超過5wt％；

3)碳化工藝為將烘干后的原材料在碳化溫度控制在250～420℃之間，在水蒸汽-空氣混合氣氛保護下進行碳化處理。

4)活化工藝為將碳化處理過的原材料在900～920℃溫度范圍內，水蒸汽-氮氣混合氣氛保護下進行活化造孔處理40～60分鐘，若一次活化處理完成后沒有達到預期效果，則進行兩次以上相同工藝處理直至徹底活化；

5)后處理工藝為將活化處理過的活性碳纖維浸漬在5wt％硫酸水溶液中，超聲洗滌，去除殘留焦油，最后用大量去離子水反復清洗并徹底烘干。

通過上述工藝制備的活性碳纖維磷雜質含量低于1wt％，氧雜質含量低于4wt％，比表面積大于1500m²/g，非常適合作為超級電容器的電極材料。

(2)活性碳纖維電極是采用噴涂或蒸鍍的方法在活性碳纖維布的一側附著一層微小金屬鋁顆粒作為導電層，微小金屬鋁顆粒滲入到活性碳纖維布的內部構成導電網絡結構，將上述活性碳纖維布附著導電層的側面采用導電性粘合劑粘附在連續化鋁箔集流體的兩側制備成為新型活性碳纖維電極。