[发明专利]一种高能比超级电容电极材料的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超级电容电极材料的制造方法。具体地说涉及一种使用干式机械力物理化学处理多孔炭/导电剂/聚四氟乙烯复合电极材料的制备方法。 

背景技术

超级电容器(supercapacitors)，也称电化学电容器(electrochemical capacitors)，双电层电容器、(黄)金电容器、储能电容或法拉电容，是近年来随着材料科学的突破而出现的新型功率型电子元器件。具有高的比功率和长的循环寿命，能瞬间大电流充放电，同时还具有安全可靠、适用范围宽的特点，因而在许多场合具有独特的应用优势。超级电容器可用作电脑、录相机、计时器等的备用电源，也可用于需用连发、强流脉冲电能的尖端航天领域及军事领域和高新技术武器，如激光武器、电炮等。然而，超级电容器最令人瞩目的应用还属正在蓬勃发展的电动汽车上(特别是电动汽车、混合燃料汽车和特殊载重车辆)、铁路、通讯、消费性电子产品、电力等方面。将超级电容器与二次电池或燃料电池并联组成复式电源可满足电动汽车启动、爬坡时的峰功率需求，车辆下坡、刹车时又可作为回收能量的蓄能器，因此近年来引起了广泛的关注。 

超级电容真正的发展是从八十年代开始的，最早出现的是小容量低功率备份电源双电层超级电容器。随着材料与工艺关键技术的不断突破，产品质量和性能不断得到了稳定和提高，到了九十年代末开始进入大容量高功率型超级电容的全面产业化发展时期。这一产品不断得到市场的认知，市场的拓展也在成几何倍数增长。因为它具有多种优良的性能而得到广泛的应用，尤其是在一些工业国家，如美国、日本、俄罗斯等。俄罗斯拥有水性高功率型双电层超级电容器制作的最高技术，ECOND公司的串联高压型双电层超级电容是典型代表，目前还有ELIT、ESMA等公司生产水性体系双电层超级电容器。日本一直在大力研究双电层超级电容器，最早的小容量双电层超级电容器的典型代表是日本的松下公司，应用重点在储备电源等民用领域，主要厂商有Panasonic，ELNA，NEC-Tokin等。在技术上日本的小容量储备型电容器产品最为成熟，目前已经得到了广泛的应用。韩国自1998年起进行大容量高功率型双电层超级电容器产业化工作，2001年已经进入了生产应用阶段，其发展以NESS公司为典型代表。目前，制约超级电容应用的瓶颈主要是超级电容的能量密度(即单位重量所存储的电能wh/kg)偏低。国际上主要的二次电池的能量密度和超级电容的能量密度对比如下：

铅电池：20wh/kg 

镉镍，镍氢电池：20-60wh/kg 

锂电池：120-140wh/kg 

超级电容：1-5wh/kg 

以上可以看出：超级电容能量密度和二次电池相比很低。如何提高能量密度以满足超级电容作为储能器件的需要是超级电容发展的重要课题。 

一般而言，超级电容器的原理非常复杂，但类似传统物理电容，储存的电能来源于电荷在两块极板上的分离，两块极板之间为真空(相对介电常数为1)或一层介电物质(相对介电常数为ε)所隔离，电容值为： 

C＝ε·A/3.6πd·10^-6(μF) 

其中A为极板面积，d为介质厚度 

所储存的能量为： 

E＝1/2CV²

其中C为电容值，ΔV为极板间的电压降。可见，若想获得较大的电容量、储存更多的能量，必须增大面积A或减少介质厚度d。 

超级电容器中，采用多孔炭材料制作成电极，同时在相对的多孔炭电极之间充填电解质溶液，当在两端施加电压时，相对的多孔电极上分别聚集正负电子，而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界面上，从而形成两个集电层，相当于两个电容器串联。由于活性炭材料具有较大BET比表面积(即获得了极大的电极面积A)，而且电解液与多孔电极间的界面距离不到1nm(即获得了极小的介质厚度d)，根据前面的计算公式可以看出，这种双电层电容器比传统的物理电容或电解电容的容量要大很多，比容量可以提高1000倍以上，从而使利用电容器进行大电量的储能成为可能。原则上，多孔炭的比表面积越大，超级电容器的电容量就越大。但是，研究表明，超级电容器的电容量和多孔炭的比表面积并不是简单的比例关系，这可能和多孔炭的孔结构(孔形状、孔径及分布)和表面官能团以及吸附特性有关。日本特開平11-317333号报道了用比表面积较小，但X射线衍射层间距d002范围为0.365～0.385nm的微结晶多孔炭，做为超级电容器的电极材料，可以使超级电容的电容量提高40％以上。