一种柱式超级电容的制作方法

本申请涉及电子设备领域，具体涉及一种柱式超级电容。

背景技术：

超级电容器作为一种新型储能装置，是一种介于传统电容器和充电电池之间具有快速充放电的新型功率型能源存储设备。由于其具有较高的能量密度和功率密度、较宽的工作温度范围以及优异的循环性能等特点在航空航天、国防数字通信设备、电源供应、存储备份系统以及先进的汽车如混合动力汽车和燃料电池汽车等方面都有很广阔的应用前景。

由于储能机理的不同，人们将超级电容器分为：1、基于高比表面积电极材料与溶液问界面双电层原理的双电层电容器；2、基于电化学欠电位沉积或氧化还原法拉第过程的赝电容器。人们为了达到提高电容器的性能，降低成本的目的，经常将赝电容电极材料和双电层电容电极材料混合使用，制成所谓的混合电化学电容器。

卷绕式圆柱超级电容以其结构简单、制造工艺成熟的特点在工业制造中应用广泛。普通的超级电容的电极卷绕体是由多层结构的卷绕片绕中间的芯轴卷绕形成的，所述多层结构的卷绕片包括：铝箔层、正极纤维布、隔膜、负极纤维布、铝箔层，正极纤维布和负极纤维布多采用多孔碳纤维材料。这种超级电容有一个缺陷：所述正极纤维布、所述负极纤维布与所述铝箔层的尺寸相同，这样，在卷绕片的单个卷绕圆周内只能形成一个电容结构，使所述超级电容的比电容过小。

技术实现要素：

本申请提供一种柱式超级电容，采用缩小所述正极集电极和所述负极集电极的面积的方式，使所述正极和所述负极通过所述隔膜有了更多的接触面积，在单位径向长度上形成更多的电容器，从而提高所述超级电容的比容量，克服 了现有超级电容比容量低的缺陷。

本申请提供的所述柱式超级电容，包括:

电极卷绕体、芯轴、壳体、正极引线、负极引线和密封体；

所述电极卷绕体由一个或同轴的两个以上(含两个)的电极卷绕单体组成；所述电极卷绕单体通过由正极、负极、正极集电极、负极集电极、第一隔膜和第二隔膜按设定次序叠放在一起组成的多层结构的卷绕片卷绕在所述芯轴上形成；

所述正极集电极由确定数量的，且设定长度的正极集电极单体组成，所述正极集电极单体之间按照设定的间隔附着在所述正极上；所述负极集电极由确定数量的，且设定长度的负极集电极单体组成，所述负极集电极单体之间按照设定的间隔附着在所述负极上；

所述正极引线与所述正极集电极相连；所述负极引线与所述负极集电极相连；

所述壳体将所述电极卷绕体、所述芯轴和所述密封体包裹起来，所述密封体位于所述电极卷绕体上端面与所述壳体之间。

可选的，所述正极由柔性的纤维布基体和涂布在所述纤维布基体上的电极活性材料所组成；所述电极活性材料是共价有机框架材料与金属氧化物的混合物。

可选的，所述纤维布基体包括下述材料至少之一：聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维。

可选的，所述金属氧化物包括下述材料至少之一：氧化锰(mno)、二氧化钌(ruo2)。

可选的，所述共价有机框架材料由有机中间体2,6-二氨基蒽醌(daaq)和1,3,5-三甲酰基间苯三酚(tfp)组合而成。

可选的，所述芯轴是有封闭中空内腔的柱体；所述中空内腔被设置成真空。

可选的，所述按设定次序叠放的所述卷绕片的各层依序为：正极集电极、正极、第一隔膜、负极、负极集电极、第二隔膜。

可选的，所述按设定次序叠放的所述卷绕片的各层依序为：负极集电极、负极、第一隔膜、正极、正极集电极、第二隔膜。

可选的，所述超级电容还包括横隔膜；所述电极卷绕单体之间用所述横隔膜隔开。

可选的，所述正极集电极和所述负极集电极材料为铝箔。

与现有技术相比，本申请具有以下优点：

首先，所述正极集电极由确定数量的，且设定长度的正极集电极单体组成，所述正极集电极单体之间按照设定的间隔附着在所述正极上；所述负极集电极由确定数量的，且设定长度的负极集电极单体组成，所述负极集电极单体之间按照设定的间隔附着在所述负极上，这样形成的所述卷绕体可以使所述正极和所述负极通过所述隔膜有更多的接触面积，在单位径向长度上形成更多的电容器，从而提高所述超级电容的比容量。

其次，采用同轴的多个卷绕单体的结构，增加所述卷绕单体之间的带电离子的交换，进一步所述超级电容的比容量。

在本申请的优选实施例中，所述电极材料采用共价有机框架涂布的纤维布，由于共价有机框架材料高孔隙率、高比表面积的特点，可以显著提高所述电容的能量密度。

附图说明

图1示出了本申请实施例提供的一种柱式超级电容的结构简图；

图2示出了本申请实施例提供的所述第一卷绕单体的卷绕片的结构图；

图3示出了本申请的实施例提供的所述正极集电极单体在所述正极上的分布图；

图4示出了本申请实施例提供的所述电极卷绕体的剖面示意图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

本申请的实施例提供了一种柱式超级电容；图1示出了本申请实施例提供的所述柱式超级电容的结构简图，下面结合图1详细介绍一下所述柱式超级电容的结构。

如图1所示，所述柱式超级电容包括：第一卷绕单体1、横隔膜2、第二卷绕单体3、芯轴4、壳体5、正极引线6、负极引线7和密封体8。

所述电极卷绕单体1通过由正极、负极、正极集电极、负极集电极、第一隔膜和第二隔膜按设定次序叠放在一起所组成的多层结构的卷绕片卷绕在所述芯轴4上形成。

图2示出了本申请实施例提供的所述第一卷绕单体1的卷绕片的结构图，如图2所示，所述电极卷绕单体1包括：正极集电极1-1、正极1-2、第一隔膜1-3、负极1-4、负极集电极1-5和第二隔膜1-6。

本申请的实施例提供的所述正极集电极1-1的材料是铝箔，所述铝箔是蒸镀在所述正极1-2上的；所述正极集电极1-1在所述正极1-2上的分布是不连续的，而是分成若干设定长度的正极集电极单体。

所述正极1-2的基底是柔性的碳纤维布，在所述正极表面涂布有共价有机框架材料(cof材料)和金属氧化物mno的混合物；所述共价有机框架材料由有机中间体2,6-二氨基蒽醌(daaq)和1,3,5-三甲酰基间苯三酚(tfp)组合而成。

所述负极1-4的基底是柔性的碳纤维布，在所述正极表面涂布有共价有机框架材料和金属氧化物ruo2的混合物；所述共价有机框架材料由有机中间体2,6-二氨基蒽醌(daaq)和1,3,5-三甲酰基间苯三酚(tfp)组合而成。

本申请的实施例中，作为所述正极1-1和所述负极1-4的基底的碳纤维布采用聚丙烯腈基碳纤维布，作为可选材料，亦可以选用沥青基碳纤维布或者粘胶基碳纤维布。

图3示出了本申请的实施例提供的所述正极集电极单体在所述正极1-2上的分布图。

如图3所示，左边的长条表示所述正极1-2，图中有网状填充的格子表示分布有所述正极集电极单体；白色格子表示只有正极材料，所述正极集电极单体的宽度与所述正极1-2相同；所述正极集电极单体的长度与所述正极集电极单体间的间距相等，所述间距的大小与所述电极卷绕体绕制完成后，所述正极集电极到所述芯轴中心的距离，即所述正极集电极所在圆弧的圆弧半径有关。举例来说，假设图3中n个格子可以绕所述芯轴4围成一个圆周，所述圆周的半径为r，那么，所述间距d＝2π*r/n，为了保证下一个卷绕周期的所述正极集电 极单体能与当前卷绕周期的所述正极集电极错开，n取奇数。

为了便于加工，本申请实施例将所述电极卷绕单体1在径向按径向宽度分成20个宽度等级，在一个宽度等级内，r的取值相同。

所述正极集电极单体的数量与所述卷绕片的长度有关。

在图3中，右边的长条表示所述负极1-5；同理，所述极集电极1-5也是由确定数量的蒸镀在所述负极1-4上的负极集电极单体组成。

如图3所示，负极集电极单体在所述负极1-4的分布与所述正极集电极单体在所述正极1-2上的分布类似；对于同一所述卷绕片来说，所述负极集电极单体所在位置与所述正极集电极单体所在位置错开。

在所述正极1-2和所述负极1-4之间夹着所述第一隔膜1-3；在所述卷绕片的最外层是所述第二隔膜1-6，在所述电极卷绕单体绕制完成后，所述第二隔膜1-6正好夹在所述正极集电极1-1和所述负极集电极1-5之间。

所述第二卷绕单体3与所述第一卷绕单体1的结构类似，只是正极和负极的位置不同：将所述第一卷绕单体1的所述正极1-2和所述负极1-4互换，即形成所述第二卷绕单体3。

在所述第一卷绕单体1和所述第二卷绕单体3之间夹有横隔膜2。所述横隔膜2使用与所述第一隔膜1-3、第二隔膜1-6相同的材料，可以保证所述第一卷绕单体1与第二卷绕单体3的电绝缘，但电解液中的带电离子可以通过。

所述第一卷绕单体1、所述横隔膜2和所述第二卷绕单体3依次套在所述芯轴4上。

图4示出了本申请实施例提供的所述电极卷绕体的剖面示意图，从图中我们可以看到所述电极卷绕体各层之间的相互位置。

如图4所示，在两个卷绕周期里，所述第一卷绕单体1从内到外分别为正极集电极1-1、正极1-2、第一隔膜1-3、负极1-4、第二隔膜1-6、正极1-2、第一隔膜1-3、负极1-4、负极集电极1-5、第二隔膜1-6；所述第二卷绕单体3从内到外分别为的第二负极集电极3-1、第二负极3-2、第三隔膜3-3、第二正极3-4、第四隔膜3-6、第二负极3-2、第三隔膜3-3、第二正极3-4、第二正极集电极3-5、第四隔膜3-6。本申请实施例提供的所述超级电容在两个卷绕周期里形成3个电容结构，大于对比方案的两个。

所述芯轴4是有封闭中空内腔的柱体；所述中空内腔被抽成真空。真空内 腔可以有效防止所述芯轴4在受热后的膨胀。

本申请的优选实施例采用了两个电极卷绕体的结构，作为可选项，可以根据实际需求，也可以采用单个电极卷绕单体或多个(大于两个)电机卷绕单体的结构。

所述正极引线6的下端与所述第一电极卷绕单体1的正极集电极、所述第二电极卷绕单体3的正极集电极相连；所述负极引线7的下端与所述第一电极卷绕单体1的负极集电极、所述第二电极卷绕单体3的负极集电极相连。

所述壳体5的下体是一个上端开口的桶形薄壁件，所述壳体5的上盖是开有两个过孔的圆板，所述上盖与所述下体压焊在一起，将放置在所述壳体5内的所述第一电极卷绕体1、所述横隔膜2、所述第二卷绕单体3和所述芯轴5，以及位于所述第一电极卷绕体1上端面和所述壳体5的上盖下端面之间的所述密封体8封闭在所述壳体5内；所述正极引线6和所述负极引线7的上端穿过所述密封体8和所述壳体5的上盖的过孔露在所述壳体5的外面。

本申请的实施例还提供了一种制作所述柱式超级电容的制作方法，所述制作方法是以由单个电极卷绕单体组成所述柱式超级电容为例，所述制作方法包括下述步骤：

碳纤维布的预处理：在真空箱内依靠操作工手工操作经多次褶皱(10—15次为宜)后送入烘干箱内进行烘干，烘干时间与强度根据碳纤维布最后需要达到的效果做调整。所述碳纤维布最后需要达到的效果：所述碳纤维布能够完全延展开来且十分蓬松，看上去最明显的效果就是大部分纤维毛呈现乍起状态，这样有益于所述碳纤维布在接下来的操作中能够尽可能多地吸收电解液与cof材料，所述cof材料是共价有机框架材料与金属氧化物的混合物。

将所述cof材料溶于易挥发的有机溶剂，即1.0mol/l的四氟硼酸四乙基铵/碳酸丙烯酯(et4nbf4/pc)溶液中，置于真空搅拌机内进行真空搅拌，待所述溶液均匀分布呈胶质态后，将所述碳纤维布完全延展，浸泡在所述呈胶质态的溶液内5-6小时。

随后，将附有所述cof材料的所述碳纤维布取出，置于真空干燥箱内进行烘干操作，主要是将溶剂蒸出，使得所述cof材料能够较为彻底得附着在所述碳纤维布上，得到cof材料碳纤维布。

将所述cof材料碳纤维布置于对辊机内进行辊压，所述辊压有利于增大所 述cof材料碳纤维布的密度。

待所述cof材料碳纤维布经多次辊压后，再利用分条机将所述cof材料碳纤维布切割成所需长度和宽度。

完成切割后，采用真空蒸发的方法在所述cof材料碳纤维布一面指定位置蒸镀上铝箔层；所述铝箔层为超级电容的集电极，在所述铝箔上铆接上引出线(正、负极均有)作为所述超级电容的正极引线和负极引线。

将正极集电极、正极纤维布、隔膜、负极纤维布、负极集电极、隔膜按照预定的顺序叠放成卷绕片，再利用卷绕机将所述卷绕片绕芯轴进行卷绕，得到电极卷绕体。

随后再将所述电极卷绕体浸泡于电解液中，在真空环境下静置处理；经过设定的时间后取出充满电解液的所述电极卷绕体并在真空中沥干，随后对其进行均匀施压，再继续沥干溢出电解液，反复上述施压和沥干过程3-4次。

然后将所述电极卷绕体放入铝壳中，利用滚槽机使所述铝壳紧致环绕所述电极卷绕体(注意此过程不要划伤所述电极卷绕体)，最后将所述电极卷绕体的顶部注满热熔状态下的酚醛塑料，冷却后为其盖上上盖；对电容器各个连接部位进行密封操作，完成电容器的封装。

本申请虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本申请，任何本领域技术人员在不脱离本申请的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本申请的保护范围应当以本申请权利要求所界定的范围为准。