一種基于涂布轉移技術制備超級電容器的方法與流程

本發明涉及一種超級電容器制備的方法，屬于超級電容器制造技術領域。

背景技術：

超級電容器是一種介于平板電容器和電池之間的一種新型綠色儲能裝置，與傳統的電容器和電池相比，超級電容器具有功率密度和能量密度高、循環壽命長、可工作溫度范圍寬、安全可靠、成本低等優點。特別是超級電容器能夠進行大電流密度的快速充放電，如要存儲相同的能量，對于電池來說可能需要數個小時，而超級電容器只需要幾秒鐘的時間。因而超級電容器廣泛用于能源存儲、電動汽車、移動通訊設備、醫療衛生、軍事設備、工業生產設備等。

現有制備超級電容器的技術中，刮涂法是制備超級電容器電極的一種常見方法。刮涂法中一般采用金屬箔做集流體，再將活性材料和粘結劑按一定比例形成的混合物漿料刮涂到金屬箔上，干燥后形成預制電極。然而這種方法制備出的電極存在著活性物質分布不均、活性物質的質量難以控制且具有一定的污染性等缺點，限制了超級電容器性能的提高。另外，如果將金屬箔直接作為集流體，未經處理的金屬箔會限制活性物質的比容量，導致電極不能很好地被電解液浸潤，有效利用率低。基于此，本發明針對上述所存在的問題，提出了一種涂布轉移技術制備超級電容器的方法，不僅很好地解決了上述存在的問題，而且還能適應連續化、大規模生產工藝過程。

技術實現要素：

本發明所述的基于涂布轉移技術制備超級電容器的方法，基于粘結劑和活性物質配制的漿料，通過涂布工藝技術制備成電極極片，然后分切成合適尺寸的待轉移極片，并通過壓力轉移到相同尺寸的泡沫鎳集流體上，組裝成超級電容器。

本發明所述的基于涂布轉移技術制備超級電容器的方法，所述粘結劑是聚偏氟乙烯(pvdf)，制備技術中先將pvdf粉末在80度到100度的烘箱中干燥干燥4小時到6小時后稱量，然后溶于n-甲基吡咯烷酮(nmp)中形成質量濃度為2％到5％的pvdf溶液，在密封條件下磁力攪拌8小時到10小時，使其充分分散。

本發明所述的基于涂布轉移技術制備超級電容器的方法，所述活性物質為活性炭、鈦酸鋰、石墨烯、碳納米管，比表面積為1500m²/g到3000m²/g之間，使用前將活性物質置于80度到100度的烘箱中進行干燥處理，避免粘結劑pvdf遇水后形成絮狀物，影響粘結性能。

本發明所述的基于涂布轉移技術制備超級電容器的方法，所述配制的漿料將活性物質加入pvdf溶液，并與pvdf形成質量比為5:1到12:1的混合溶液，然后常溫下磁力攪拌2小時到5小時。

本發明所述的基于涂布轉移技術制備超級電容器的方法，所述涂布是采用刮涂技術或狹縫涂布技術，在金屬鋁箔或銅箔或聚對苯二甲酸乙二醇酯(pet)或聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)或聚酰亞胺(pi)基底上，以1米/分鐘到120米/分鐘之間的速度進行涂布，可形成1微米到15微米間厚度的活性層厚度，然后放置于80度到100度烘箱內干燥處理。

本發明所述的基于涂布轉移技術制備超級電容器的方法，所述相同尺寸泡沫鎳是指泡沫鎳與待轉移極片尺寸相同，并且泡沫鎳在使用前分別用異丙醇、乙醇、去離子水超聲清洗，然后置于80度到100度的干燥箱中烘干待用。

本發明所述的基于涂布轉移技術制備超級電容器的方法，所述壓力轉移是先將涂布的電極極片與泡沫鎳集流體復合，然后使用液壓機施加2mpa到20mpa之間的壓力，將活性物質從金屬鋁箔或銅箔或pet或pen或pi基底上完全轉移到泡沫鎳集流體上。

本發明所述的基于涂布轉移技術制備超級電容器的方法，所述組裝超級電容器的過程中加入隔膜聚乙烯(pe)或聚丙烯(pp)或高密度聚乙烯(hdpe)或超高分子量聚乙烯(uhmwpe)和濃度為0.5摩爾/升到1.5摩爾/升的硫酸鈉電解液或bf4離子液體或pf6離子液體，組裝成對稱或非對稱的紐扣式超級電容器或卷繞式超級電容器。

附圖說明

【圖1】涂布轉移技術示意圖。

【圖2】轉移前涂布的活性炭在鋁箔上的掃描電子顯微鏡形貌圖。

【圖3】涂布的活性炭質量與濕膜厚度的線性關系。

【圖4】轉移后活性炭在泡沫鎳上的掃描電子顯微鏡形貌圖。

【圖5】基于涂布轉移技術制備的超級電容器電化學性能：a圖為充放電曲線，b圖為不同掃描速度下的循環伏安曲線，c圖為交流阻抗曲線，d圖為經過5000次循環后比容量的保留率。

【圖6】基于涂布轉移技術制備的4個超級電容器在1a/g下的充放電曲線。

具體實施方式與實施例

以下實施方式和實施例是對本發明內容的進一步的說明，而不是限制本發明的保護范圍。

實施例1

本實施實例的詳細制備技術如圖1。

本實施實例中所選的活性材料是使用較為廣泛的活性炭，比表面積為2000m²/g，使用前將活性炭置于90度的烘箱中進行干燥處理1個小時；

粘結劑配制：將pvdf粉末在80度烘箱干燥6小時后稱量，溶于nmp中配制成2％的pvdf溶液，密封后磁力攪拌10小時，使其充分分散；

漿料配制：活性炭和pvdf的質量比例為9:1進行混合，密封瓶口后，在常溫下磁力攪拌2個小時；

涂布技術：用刮涂設備將制備好的漿料刮涂到鋁箔上，刀口間距為150微米，涂布速度設為15米/分鐘，涂布好的極片置于80度真空干燥箱內干燥，形成10微米厚的多孔活性薄膜，如圖2所示；并且在刮涂技術過程中，可以建立活性層質量與涂布的濕膜厚度之間的關系，活性層薄膜質量(毫克)＝0.04×濕膜厚度(微米)+7.49，如圖3所示；

分切極片與隔膜：使用沖片機將干燥好的極片切成圓形的待轉移極片，同時分切隔膜，并且隔膜的直徑要比極片大些，以防組裝的超級電容器發生短路；

分切泡沫鎳：將泡沫鎳分切成與待轉移極片相同的尺寸，分別用異丙醇、無水乙醇、去離子水超聲清洗30分鐘，然后置于90度真空干燥箱中烘干后待用；

活性層轉移：將分切好的電極極片與泡沫鎳集流體復合，用液壓機以5mpa的壓力施壓，將活性物質完全轉移到泡沫鎳集流體，轉移之后的活性層薄膜形貌基本與轉移前一樣，保持多孔結構，如圖4所示；

超級電容器組裝：將兩片對稱電極極片盡量對齊，加入隔膜pe，注入濃度為1.0摩爾/升的硫酸鈉電解液，組裝成對稱的紐扣式超級電容器，采用chi660e電化學工作站對組裝的對稱的紐扣式超級電容器進行測試和表征，詳細結果如圖5所示，統計的性能詳細參數參照表1，而且通過該方法制備的超級電容器性能穩定，可重復性好，如圖6所示4個超級電容器的性能參數。

實施例2

本實施實例中所選的活性材料是鈦酸鋰，比表面積為1800m²/g，使用前將鈦酸鋰置于90度的烘箱中進行干燥處理1個小時；

粘結劑配制：將pvdf粉末在80度烘箱干燥6小時后稱量，溶于nmp中配制成2％的pvdf溶液，密封后磁力攪拌10小時，使其充分分散；

漿料配制：鈦酸鋰、導電炭黑和pvdf的質量比例為8:1:1進行混合，密封瓶口后，在常溫下磁力攪拌2個小時；

涂布技術：用刮涂設備將制備好的漿料刮涂到鋁箔上，刀口間距為180微米，涂布速度設為10米/分鐘，涂布好的極片置于80度真空干燥箱內干燥，形成10微米厚的活性層；

分切極片與隔膜：使用沖片機將干燥好的極片切成圓形的待轉移極片，同時分切隔膜，并且隔膜的直徑要比極片大些，以防組裝的超級電容器發生短路；

分切泡沫鎳：將泡沫鎳分切成與待轉移極片相同的尺寸，分別用異丙醇、無水乙醇、去離子水超聲清洗30分鐘，然后置于90度真空干燥箱中烘干后待用；

活性層轉移：將分切好的電極極片與泡沫鎳集流體復合，用液壓機以5mpa的壓力施壓，將活性物質完全轉移到泡沫鎳集流體上；

超級電容器組裝：將兩片對稱電極極片盡量對齊，加入隔膜pe，注入濃度為1.0摩爾/升的硫酸鈉電解液，組裝成對稱的紐扣式超級電容器，采用chi660e電化學工作站對組裝的對稱的紐扣式超級電容器進行測試和表征，在1a/g的電流密度下，獲得了56f/g的比容量。

表1基于涂布轉移技術制備的超級電容器詳細參數

實施例3

本實施實例中所選的活性材料是石墨烯，比表面積為2600m²/g，使用前將石墨烯置于90度的烘箱中進行干燥處理1個小時；

粘結劑配制：將pvdf粉末在80度烘箱干燥6小時后稱量，溶于nmp中配制成2％的pvdf溶液，密封后磁力攪拌10小時，使其充分分散；

漿料配制：石墨烯和pvdf的質量比例為8:1進行混合，密封瓶口后，在常溫下磁力攪拌2個小時；

涂布技術：用狹縫涂布設備將制備好的漿料涂布到pet基底上，墊片厚度為20微米，涂布速度設為15米/分鐘，涂布好的極片置于80度真空干燥箱內干燥，形成12微米厚的活性層；

分切極片與隔膜：使用沖片機將干燥好的極片切成圓形的待轉移極片，同時分切隔膜，并且隔膜的直徑要比極片大些，以防組裝的超級電容器發生短路；

分切泡沫鎳：將泡沫鎳分切成與待轉移極片相同的尺寸，分別用異丙醇、無水乙醇、去離子水超聲清洗30分鐘，然后置于90度真空干燥箱中烘干后待用；

活性層轉移：將分切好的電極極片與泡沫鎳集流體復合，用液壓機以10mpa的壓力施壓，將活性物質完全轉移到泡沫鎳集流體上；

超級電容器組裝：將兩片對稱電極極片盡量對齊，加入隔膜pe，注入bf4離子液體，組裝成對稱的紐扣式超級電容器，采用chi660e電化學工作站對組裝的對稱的紐扣式超級電容器進行測試和表征，在1a/g的電流密度下，獲得了230f/g的比容量。