一種鈉離子超級電容器及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種鈉離子超級電容器及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 超級電容器是介于傳統電容器與電池之間的一種新型電化學儲能器件，它相比傳 統電容器有著更高的能量密度，靜電容量能達千法拉至萬法拉級；相比電池有著更高的功 率密度和超長的循環壽命，因此它結合了傳統電容器與電池的優點，是一種應用前景廣闊 的化學電源。它具有比容量高、功率大、壽命長、工作溫限寬、免維護等特點。
[0003] 按照儲能原理的不同，超級電容器可以分為三類：雙電層電容器（EDLC)，法拉第 準電容超級電容器和混合型超級電容器，其中雙電層電容器主要是利用電極/電解質界面 電荷分離所形成的雙電層來實現電荷和能量的儲存；法拉第準電容超級電容器主要是借助 電極表面快速的氧化還原反應所產生的法拉第"準電容"來實現電荷和能量的儲存；而混合 型超級電容器是一極采用電池的非極化電極(如氫氧化鎳)，另一極采用雙電層電容器的極 化電極(如活性碳)，這種混合型的設計可以大幅度提高超級電容器的能量密度。
[0004] 目前作為目前廣泛運用的混合型超級電容器之一，鋰離子電容器被廣泛的運用在 各個領域。但是鋰作為稀有金屬，其資源儲存量有限，在最終的大量的使用過程中必將受到 限制。受到鋰離子電容器的啟發，同時由于鈉元素的豐富儲存量，鈉離子電容器必將受到重 視。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是利用成本低廉、資源豐富的鈉離子在正負極之間的轉移來實現電 容器的充放電的原理，來制備新型的鈉離子超級電容器，以滿足相關領域發展的需要。
[0006] 本發明公開一種鈉離子超級電容器，由正極、負極、介于兩者之間的隔膜和電解液 構成；其特征在于：所述正極采用活性炭，負極采用鈉離子電池的負極材料，電解液采用含 有鈉尚子的非水有機電解液。
[0007] 更進一步地，所述活性炭為雙電層電容器用高比表面積多孔炭。
[0008] 更進一步地，所述鈉離子電池的負極材料包括：無定形硬炭、鈦酸鈉（Na2Ti 307)、鈦 酸鋰（Li4Ti5012)等鈉離子二次電池負極材料中的一種。
[0009] 更進一步地，所述負極材料通過預摻雜鈉離子的初始荷電狀態為30%?80%。
[0010] 更進一步地，其特征在于所述電解液中的溶質由高氯酸鈉（NaC104)、四氟硼酸 鈉（NaBF4)、六氟磷酸鈉（NaPF6)、三氟甲基磺酸鈉（NaCF 3S03)、二（三氟甲基磺酰）亞胺鈉 (NaN (CF3S02) 2)、雙草酸硼酸鈉（NaBOB)、六氟砷酸鈉（NaAsF6)中的至少一種產生；所述電解 液中的溶劑包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、Y-丁內酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸丁烯 酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、亞硫酸乙烯酯、亞硫酸丙烯酯、乙酸乙酯、乙腈中的一種或幾 種。
[0011] 更進一步地，其特征在于所述隔膜包括聚乙烯微孔膜、聚丙烯微孔膜、復合膜、無 機陶瓷膜、紙隔膜。
[0012] 本發明同時公開了一種鈉離子超級電容器的制備方法，其特征在于所述鈉離子電 容器的電芯制備主要包括以下步驟： (1) 正極片的制備步驟：首先將活性炭、導電劑按一定比例球磨混合，溶解粘結劑，將球 磨好的混合物按比例倒入溶解好的粘結劑溶液，調成漿料，然后涂布在正極集流體上，經烘 干、碾壓、裁切、真空干燥制備成正極片； (2) 負極片的制備步驟：首先將負極材料、粘結劑混合，調成漿料，然后涂布在負極集流 體上，經烘干、碾壓、裁切、真空干燥制備成負極片； (3) 組裝步驟：將制備好的正、負極片經疊片制成電芯。
[0013] 更進一步地，所述導電劑包括炭黑、乙炔黑或它們的混合物，所述粘結劑包括聚四 氟乙烯、聚偏氟乙烯、羥丙基甲基纖維素、羧甲基纖維素納和丁苯橡膠中的一種或幾種。
[0014] 更進一步地，所述正極片的集流體包括鋁箔、鋁網，所述負極片的集流體包括鋁 箔、鋁網、銅箔、銅網，鈦箔，鈦網。
[0015] 更進一步地，還包括步驟（4)預摻雜，使負極材料通過預摻雜后鈉離子的初始荷電 狀態為30%?80%。
[0016] 本發明利用成本低廉、資源豐富的鈉離子在正負極之間的轉移來實現電容器的充 放電的原理，來制備新型的鈉離子超級電容器，制備出的鈉離子超級電容器具有高能量密 度、高功率密度的特性，可廣泛應用于電動汽車、電動工具、太陽能儲能、風能儲能領域。
【附圖說明】
[0017] 圖1-10分別對應本發明具體實施例1-10中鈉離子超級電容器充放電曲線圖。
【具體實施方式】
[0018] 下面通過具體實施例來對本發明作進一步的說明，但這些實施例不以任何方式限 制本發明的范圍。
[0019] 實施例1 正極片的制作：將總量為300g的活性炭、導電炭黑、羧甲基纖維素鈉（CMC)、丁苯橡膠 (SBR)按質量比為90:5 :2 : 3混合，用去離子水調成漿料，然后涂布在20Mm的鋁箔（涂 布面容量：120g/m2)上，經烘干（110?120°C)、碾壓、裁片（尺寸為：52*90mm 2)、24h真空干 燥（120?130°C)制作成正極片。
[0020] 負極片的制作：將總量為1000g的硬碳、聚偏氟乙烯（PVDF)按質量比為90:10混 合，用N-甲基吡咯烷酮（NMP)調成漿料，然后涂布30Mm的銅箔上（涂布面容量：12 Ah / m2)，經烘干（110?120°C)、碾壓、裁片（尺寸為：53*95mm2)、24h真空干燥（120?130°C) 制作成負極片。
[0021] 選用NKK公司的TF4535纖維素酯隔膜為隔膜，將正極片（8片)、隔膜、負極片（9 片）層疊成電芯，然后將疊好的電芯的正極極群焊在鋁制極耳上、負極極群焊在銅制極耳 上，將焊好后的電芯放入成型好的鋁塑膜中，并用鈉片作為第三電極，注入lmol/L NaPF6+ EC (碳酸乙烯酯）/DEC (碳酸二乙酯）（1:1) 15g，組裝成方型化學電源。
[0022] 化成前，先以活性物質為硬炭材料的一極為正極，鈉金屬片為負極，采用22mA的 恒定電流放電3小時，進行鈉離子預摻雜(此時預摻雜量為初始荷電量的30%)，電容器經預 摻雜后，并將第三電極截去以后，最后封裝成方形結構。在常溫25°C進行性能測試，測試制 度為0. 6A (5C)充電至3. 8V，靜置5min，0. 6A (5C)放電至2. 2V，器件的容量為276F。充放 電曲線如附圖1所示。
[0023] 實施例2 正極片的制作：將總量為300g的活性炭、導電炭黑、CMC、SBR按質量比為90:7 :2 : 3 混合，用去離子水調成漿料，然后涂布在20Mm的鋁箔（涂布面容量：120g/m2)上，經烘干 (110?120°C)、碾壓、裁片（尺寸為：52*90mm 2)、24h真空干燥（120?130°C)制作成正極 片。
[0024] 負極片的制作：將總量為1000g的硬碳、PVDF按質量比為90:10混合，用NMP調 成漿料，然后涂布30Mm的銅箔上（涂布面容量：12 Ah /m2)，經烘干（110?120°C)、碾壓、 裁片（尺寸為：53*95mm2)、24h真空干燥（120?130°C)制作成負極片。
[0025] 選用NKK公司的TF4535纖維素酯隔膜為隔膜，將正極片（8片)、隔膜、負極片（9 片）層疊成電芯，然后將疊好的電芯的正極極群焊在鋁制極耳上、負極極群焊在銅制極耳 上，將焊好后的電芯放入成型好的鋁塑膜中，并用鈉片作為第三電極，注入lmol/L NaPF6+ EC (碳酸乙烯酯）/DEC (碳酸二乙酯）（1:1) 15g，組裝成方型化學電源。
[0026] 化成前，先以活性物質為硬炭材料的一極為正極，鈉金屬片為負極，采用22mA的 恒定電流放電5小時，進行鈉離子預摻雜(此時預摻雜量為初始荷電量的50%)，電容器經預 摻雜后，并將第三電極截去以后，最后封裝成方形結構。在常溫25°C進行性能測試，測試制 度為0. 6A (5C)充電至3. 8V，靜置5min，0. 6A (5C)放電至2. 2V，器件的容量為283F。充放 電曲線如附圖2所示。
[0027] 實施例3 正極片的制作：將總量為300