[發明專利]一種柔性固態超級電容器及其制備方法

有效

• 申請號: 201110271180.3
• 申請日: 2011-09-14
• 公開（公告）號: CN102354619A
• 公開（公告）日: 2012-02-15
• 發明（設計）人: 榮常如;王金興;姜濤;安宇鵬;王丹;張克金;魏曉川;米新艷;許德超
• 申請（專利權）人: 中國第一汽車股份有限公司
• 主分類號: H01G9/15
• 分類號: H01G9/15;H01G9/004;H01G9/02;H01G9/028;H01G9/042;H01G9/08
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 王薇

技術領域

本發明涉及一種柔性固態超級電容器及其制備方法，屬于超級電容器技術領域。

背景技術

目前所用的電池存在重量大、壽命短、功率密度低等問題，限制了新能源汽車的快速發展。超級電容器是一種介于傳統靜電電容器和電池之間的新型儲能元件，具有功率密度大、充放電倍率高、循環壽命長、耐溫性好等優點。作為輔助電源，與燃料電池、鋰離子電池以及鎳氫電池等組合成復合電源，滿足了汽車的啟動、加速、爬坡、能量回收等要求，同時延長了電池的使用壽命；作為主電源，用于城市電動公交車，實現站點快速充電，即充即走，滿足車輛頻繁啟動/停止，綜合效益明顯。

目前商品化應用的超級電容器大都采用液體電解液，水系電解液因受水的分解電壓限制，其工作電壓較低，有機電解液又有泄漏引起的安全問題，聚合物電解質的應用，避免了上述問題。申請號為01144773.7?的中國專利報道了一種以聚乙烯醇，玻璃纖維、加入氫氧化鉀和水制成的固態聚合物電解質，使電池、電容重量減輕，能量密度提高。申請號為200710035013.2?的中國專利報道了一種采用印刷技術將電解質漿料、電極漿料、外電極漿料、封裝漿料制成柔性薄膜型固態超級電容器的制備方法；申請號為201010243632.2?的中國專利報道了一種由聚酰亞胺做支撐體、氧化釕微電極、凝膠聚合物電解質制成的微型超級電容器，有效降低了電容器內阻。英國研究人員研發出了一種能夠存儲和釋放電能的超級電容器，由兩層碳纖維以及中間的玻璃纖維組成“三明治”結構，可以像普通電池一樣起作用，已經申請了中國專利（申請號200780018728.5）。研究人員和沃爾沃汽車公司合作開展研究，準備將這種材料用于節能及新能源汽車。

發明內容

本發明的目的在于提供一種柔性固態超級電容器及其制備方法，其提高器件的強度；并降低了接觸電阻，提高了離子傳導率；提高了聚合物電解質基體的鏈柔性，有利于離子的擴散傳輸；纖維狀的導電劑在形成有效通路同時，還可以作為器件的增強體，進一步提高器件承受外來破壞能力；外層封裝聚合物添加的納米粘土，除了阻燃作用外，同時也是一種增強體，更進一步提高器件承受外力破壞的能力，器件的安全性在全固態基礎上大幅提高；其柔性輕薄利于汽車內飾件/儲能單元一體化設計，節省新能源及節能汽車裝配空間，降低儲能單元重量，安全環保，是一種理想的新能源汽車用儲能器件。

本發明的技術方案是這樣實現的：柔性固態超級電容器及其制備方法，由電極、隔膜、集流體及封裝外層組成；其特征在于：電極由外層包覆離子－電子傳導聚合物膜的活性物質、導電劑及粘結劑組成，其中活性物質、導電劑、粘結劑按質量組分比為70～80：10～20：?8～18，離子－電子傳導聚合物膜的活性物質占總質量的3～26%；隔膜包括聚合物電解質和纖維布支撐體，聚合物電解質由聚合物基體、電解質以及添加劑組成，按質量份數為70～85份的聚合物基體，15～20份的電解質，1～5份的添加劑；集流體包括鍍有金屬層的碳纖維布和導電粘結劑，導電粘結劑由80～98份的聚合物，1～10份的碳納米纖維，1～10份的導電碳黑，碳納米纖維及石墨經1～8%的硅烷偶聯劑修飾；封裝外層包括85～95份的聚合物，3～12份的納米粘土與玻璃纖維的混合物，混合物中二者組成比為2：1，聚合物與用于汽車內飾件的聚合物具有相同或相似的分子結構，可以與汽車內飾件進行汽車內飾件/儲能單元一體化設計；

其制備方法如下：?

（1）將聚合物基體、電解質、納米添加劑混合均勻制成聚合物電解質漿料，涂覆在纖維布支撐體上，50～120℃真空干燥至恒重，得到厚度為30～120um的隔膜；

（2）將離子－電子傳導聚合物膜包覆的活性物質、導電劑、粘結劑制成電極漿料，涂覆到隔膜一面，涂覆邊界距隔膜邊緣2～5mm，真空干燥箱中50～120℃干燥至恒重，得到第一電極，厚度為50～200um；在隔膜另一面涂覆活性炭電極漿料，50～120℃真空干燥至恒重，得到第二電極，厚度為50～200um；

（3）將鍍有厚度為20～300nm的金屬層通過真空蒸鍍機在碳纖維布上鍍上鎳或鋁金屬層，布置于電極上，碳纖維布與電極同寬，比隔膜長1～10cm，涂布聚合物與導電劑形成的導電粘結劑，層壓固化，得到集流體，厚度為30～80um；在同一側不同端裁切碳纖維布寬度為1～20cm，得到超級電容器單體電芯；將相同大小的N（N≥2）個電極，兩兩中間放置鍍有厚度為300～800nm金屬層的碳纖維，涂覆導電粘結劑，層壓固化，使N個單體電芯連接在一起，得到超級電容器電芯；