[发明专利]用于超级电容器中的集电极及其表面处理方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种集电极及其表面处理方法，更特别的涉及一种用于超级电容器中的集电极及其表面处理方法

二、技术背景

研究和开发新型能源，实施节能降耗，提高环境质量是全球能源发展战略的重要内容。超级电容器是近年来出现的一种具有高功率，快速充/放电，长循环寿命的超强储能器件。它兼具电容和电池的双重功能，其功能密度远高于普通电池，且比普通电池充放电速度快很多，能量密度远高于普通电解电容器，其储能量大于普通电容器。与普通电容器和电池相比较，超级电容器具有体积小，容量大，充电速度快，循环寿命长，放电功率高，工作温度宽(-40℃-85℃)，可靠性好及成本低廉等优点。超级电容器正在发展成为一种新型、高效、实用的储能和快速充放电设备。因而，在能源、通讯、数码、电子、医疗、卫生、网络、汽车等领域都有十分广泛的应用前景。

一个完整的超级电容器包含双电极、电解质、集流体、隔离物四个部件。目前研究的超级电容器的电极材料主要在四个方面：碳电极材料，金属氧化物及其水合物电极材料，导电聚合物电极材料，以及复合电极材料。碳电极材料比表面极大，原料低廉，有利于实现工业化大生产，但是比容量相对比较低。金属氧化物及其水合物电极材料的比容量较高，但是其昂贵的成本以及对环境存在的安全隐患限制了它们的工业化规模。导电聚合物电极材料的工作电压高，从而可以提高能量存储的能力。但是，这一类材料在有机电解质中浸泡后容易发生膨胀，造成稳定性差。复合电极材料，对电极采用不同的材料体系组成，可以提高其存储的能量密度，但是其循环的稳定性比较差。集流体则通常是选用导电性能良好的金属和石墨等来充当。

超级电容器的电极材料是决定电容器性能的关键因素。电极材料的制备技术直接影响电极材料的性能。因此，研究开发比容量大、电阻率小的电极材料是当务之急。目前，大多数电极材料的粘合强度、热稳定性、耐腐蚀性、电惰性等方面均不很理想，且采用一次成型制作，其内阻大及比电容小，且不能满足大规模生产要求。

为了使超级电容器电极材料的规模化生产成为现实，电极材料的制备和工艺应有所突破和创新。超级电容器电极材料制作技术应朝热稳定性好、粘合强度高、耐腐蚀性强、工艺简单并适于大规模生产的方向发展。

Mitchell等人在专利美国专利7227737中介绍了双电压电容器的电极设计方法。电极由集流体和活性电极层，即活性炭层组成。两个电极之间有隔离膜，将此结构浸渍在电解液中形成超级电容器。活性电极层的厚度不同，导致不对称结构从而有不同的电容量。当外加电压于此超级电容时，电压就不均匀地分配在次级单电容器上。适当选择电极层厚度可让电压在次级单电容器上均匀分布，从而提高超级电容器的极限电压。zhong等人在美国专利7147674中介绍了浸渍处理多孔电极及其制备方法。多孔性电极材料，包括活性炭、聚合物和导电碳被密封液浸渍处理，在活性电极干燥以后，密封涂料便封住了活性炭和其他多孔材料中的微孔，从而阻止了水分子和其他杂质分子移出。但是密封涂料并不密封孔径较大的孔隙。此预处理的活性电极材料可用于生产超级电容的电极，被密封住的水分子不会与电解液反应，因此可以提高超级电容的极限电压。Mitchell等人在美国专利7102877中介绍了电极浸渍和粘合的方法。多孔基膜的两个侧面被导电液体浸渍后由支撑膜双面支撑，然后与集流体相结合而制备成电极，该电极可用于能量储存设备。Mitchell等人在美国专利7090946中介绍了复合电极及其制备方法。该复合电极由压力压制而制成，不是用粘合剂结合制备。集流体是经过表面活化或其他表面粘合力处理的铝箔制备。由活性炭作为活性电极材料成膜后，经过双辊塑炼，在加热下压在集流体上，从而形成电极材料，然后剪切成电极形状。该电极可以用于制备双层电容器等储能设备。Mitchell等人在美国专利6955684中介绍了一种电极制备方法。在集流体上涂布导电涂料，先固化第一层导电涂料，然后再涂布第二层涂料并固化之，从而形成电极材料。所用导电涂料是活性炭，加PVDF，聚酰胺类，溶于丙酮、丁酮、N-甲基吡咯烷酮等溶剂中。Bendale等人在美国6813139中介绍了一种超级电容制备方法。先将铝制外壳经过加热胀大，加入电极和上下两个盖子。当铝壳冷却时因收缩而扣住盖子，经盖子上的小孔加入电解液至封口而制成超级电容。Nanjundiam等人在美国专利6804108；6643119；6631074；和6627252中介绍了电极制备方法。在铝箔的两面都涂布第一层传导粘合剂(conductive adhesive)涂料，经干燥后，再在双面涂上活性电极材料(active electrode material)涂料，经干燥后制备成电极材料。所用导电涂料由活性炭、PVDF溶于水、丙酮、甲基纤维素、己丙基二烯丁单体等。