以導電聚合物作為陰極材料的卷繞型電解-電化學混合電容器及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及混合電容器，具體涉及一種以導電聚合物作為陰極材料的卷繞型電 解-電化學混合電容器及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 電化學電容器因兼顧傳統電容器和電池的特點，近年來備受人們關注。然而，由于 受電解液分解電壓的限制，單體工作電壓一般不超過3V。從電容器的能量密度公式E = 1/2CU2不難看出，低工作電壓意味著低能量密度。大幅度提高單體電壓是電化學電容器在 儲能和動力領域發揮作用的當務之急。與電化學電容器相比，電解電容器的工作電壓和功 率密度極高，而其較低的單體容量已不能滿足快速發展的電子元件行業對大容量儲能器件 的需求。
[0003] Evans設計了一種"混合"電容器：其陽極是Ta/Ta205，為鉭電解電容器，陰極是Ta/ Ru02,為電化學電容器。電容器的陽極電壓Ua、陰極電壓U。和陽極電容C a、陰極電容C。的關 系為：ua/U= cyca，當C，>Ca，Ua》U。。即如果陰極的電容遠大于陽極電容，陰極分擔的電壓 則很小。充電時，大部分電壓加在陽極氧化物電介質上而不是電解液，這就避免了電解液在 高電壓下的分解。因此，"混合"型電容器不必借助串聯結構即可在滿足高電壓要求，同時保 證較高的容量。但是，由于釕和鉭均是稀有金屬，作為電容器材料還存在成本高和環境污染 的不足，而且多數情況下，Ru02為固體粉末，其電極制備工藝繁瑣，故不適合作為大規模使 用的儲能材料。因此，采用價格低廉和環境友好的電容器電極材料代替釕和鉭等稀有金屬 材料，以簡單工藝制備高電壓大容量的混合電容器是加快其在儲能領域應用的快捷途徑。
【發明內容】
[0004] 本發明要解決的技術問題是提供一種成本低且兼具高電壓和大容量特點的以導 電聚合物作為陰極材料的卷繞型電解-電化學混合電容器及其制備方法。
[0005] 本發明所述的以導電聚合物作為陰極材料的卷繞型電解-電化學混合電容器，包 括圓柱形卷芯和電解液，所述圓柱形卷芯包括陽極片、陰極片和電解紙，其中：
[0006] 所述陽極片為鋁電解電容器用陽極箱，在陽極片上設有陽極導箱條；
[0007] 所述陰極片為通過在陰極導電基體上負載由電化學電容器用導電聚合物作為陰 極活性物質的陰極漿料所得，在陰極片上設有陰極導箱條；所述電化學電容器用導電聚合 物為選自聚噻吩、聚苯胺、聚吡咯中的一種或兩種以上的組合；
[0008] 所述陽極片、陰極片和電解紙按由下至上呈陰極片、電解紙和陽極片的順序依次 疊置，以陽極片收尾、并在最下層的陰極片下放置電解紙，之后進行卷繞形成圓柱形卷芯。
[0009] 上述技術方案中，所述的陰極導電基體可以是鋁箱或鋁電解電容器陰極箱。所述 的電解液可以是選自水系電解液、有機系電解液和離子液體的一種，本申請中優選采用鋁 電解電容器用電解液。
[0010] 本發明還包括上述以導電聚合物作為陰極材料的卷繞型電解-電化學混合電容 器的制備方法，包括圓柱形卷芯的制備，所述圓柱形卷芯的制備方法包括以下步驟：
[0011] 1)提供陽極片和陰極導電基體；
[0012] 2)提供陰極漿料，取陰極活性物質、粘結劑和導電劑按70~90wt% :5~15wt% : 5~15wt%的配比制備陰極漿料，其中，所述陰極活性物質為電化學電容器用導電聚合物， 所述電化學電容器用導電聚合物為選自聚噻吩、聚苯胺、聚吡咯中的一種或兩種以上的組 合；；
[0013] 3)在陰極導電基體上負載陰極漿料，得到陰極片；
[0014] 4)將陰極片和陽極片按需要進行裁切成相應尺寸，干燥；
[0015] 5)分別在干燥后陰極片和陽極片上焊接陰極導箱條和陽極導箱條；
[0016] 6)按由下至上的順序呈陰極片、電解紙和陽極片的順序依次疊置，以陽極片收尾， 并在最下層的陰極片下放置電解紙，之后卷繞成圓柱形，得到圓柱形卷芯。
[0017] 上述制作方法的步驟1)中，所述陽極片為鋁電解電容器用陽極箱，所述的陰極導 電基體可以是鋁箱或鋁電解電容器陰極箱。
[0018] 上述制作方法的步驟2)中，所述的粘結劑和導電劑為現有技術中的常規選擇，具 體地，粘結劑可以是羧甲基纖維素或聚偏氟乙烯等；導電劑具體可以是導電石墨、導電炭黑 和導電乙炔黑等導電碳材料中的一種或兩種的組合，當導電劑的選擇為上述兩種以上的組 合時，它們之間的配比為任意配比。在制備陰極漿料時，所用的溶劑為現有技術中的常規選 擇，具體可以是水、NMP或DMAc等無機或有機溶劑。
[0019] 上述制作方法的步驟3)中，通過現有常規方法將陰極漿料負載到陰極導電基體 上，如可以采用涂覆或沉積的方法進行負載；在進行涂覆或沉積時，應在陰極導電基體的雙 面同時進行，涂覆或沉積時優選是將面密度控制在5-lOmg/cm2。在負載完成之后進行干燥， 即得到陰極片。
[0020] 上述制作方法的步驟5)中，所述的陰極導箱條和陽極導箱條均為條狀鋁材；具體 可以采用冷壓焊接或超聲焊接的方式將陰極導箱條和陽極導箱條分別焊接在陰極片和陽 極片上。
[0021] 上述制作方法的步驟6)中，一般情況下，通常在完成由下至上呈陰極片、電解紙 和陽極片的疊置，并在陰極片之下放置電解紙后即可進行卷繞；也可以根據需要按上述疊 置順序繼續往上進行疊置，直至陰極片的層數達到所需要求。本步驟中，根據需要將疊置好 的陰極片、電解紙和陽極片置于卷繞機上卷繞成圓柱形。
[0022] 上述方法僅是獲得圓柱形卷芯，本發明所述的以導電聚合物作為陰極材料的卷 繞型電解-電化學混合電容器的制備方法在獲得圓柱形卷芯之后還包括按常規技術對圓 柱形卷芯進行含浸電解液、封裝工序。具體地，將所得圓柱形卷芯置于60-80°C干燥箱中 烘烤l-3h，之后迅速轉移到含浸缸中，密封抽真空20-60min，然后加壓0. 8-1. 2MPa，保壓 30-50min;之后取出卷芯，甩掉多余電解液，在圓柱形卷芯的陰極導箱條和陽極導箱條上沖 孔，用釘鉚機在陰極導箱條和陽極導箱條釘鉚，套上鋁殼，用封口機對鋁殼進行封口。其中， 所述的電解液可以是選自水系電解液、有機系電解液和離子液體的一種，本申請中優選采 用鋁電解電容器用電解液。
[0023] 與現有技術相比，本發明提供了一種結構新穎的高電壓大容量電解-電化學混合 電容器的設計，以鋁電解電容器用陽極箱為陽極，通過鋁電解電容器提供超高電壓；以電化 學電容器用導電聚合物電極材料涂覆或沉積于導電基體上作為陰極，通過電化學電容器提 供相對較高的容量；采用卷繞的方式可以增加陰陽極的接觸面積從而增加混合電容器的容 量，由于導電聚合物具有快速儲存和傳遞電流的作用，被用作陰極電極材料可以大大增加 陰極的電容，從而得到兼具高電壓和大容量特點的混合電容器。本發明突破了傳統電化學 電容器的儲能方式，能有效提高混合電容器的電化學性能。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發明所述以導電聚合物作為陰極材料的卷繞型電解-電化學混合電容器 中卷芯一種疊置結構的結構示意圖；
[0025] 圖2為本發明以導電聚合物作為陰極材料的卷繞型電解-電化學混合電容器中圓 柱形卷芯的結構示意圖；
[0026] 圖3為本發明實施例1制備卷芯時在卷繞過程中的結構示意圖；
[0027] 圖4為實施例1制得的卷繞型電解-電