一种基于涂布转移技术制备超级电容器的方法与流程

本发明涉及一种超级电容器制备的方法，属于超级电容器制造技术领域。

背景技术：

超级电容器是一种介于平板电容器和电池之间的一种新型绿色储能装置，与传统的电容器和电池相比，超级电容器具有功率密度和能量密度高、循环寿命长、可工作温度范围宽、安全可靠、成本低等优点。特别是超级电容器能够进行大电流密度的快速充放电，如要存储相同的能量，对于电池来说可能需要数个小时，而超级电容器只需要几秒钟的时间。因而超级电容器广泛用于能源存储、电动汽车、移动通讯设备、医疗卫生、军事设备、工业生产设备等。

现有制备超级电容器的技术中，刮涂法是制备超级电容器电极的一种常见方法。刮涂法中一般采用金属箔做集流体，再将活性材料和粘结剂按一定比例形成的混合物浆料刮涂到金属箔上，干燥后形成预制电极。然而这种方法制备出的电极存在着活性物质分布不均、活性物质的质量难以控制且具有一定的污染性等缺点，限制了超级电容器性能的提高。另外，如果将金属箔直接作为集流体，未经处理的金属箔会限制活性物质的比容量，导致电极不能很好地被电解液浸润，有效利用率低。基于此，本发明针对上述所存在的问题，提出了一种涂布转移技术制备超级电容器的方法，不仅很好地解决了上述存在的问题，而且还能适应连续化、大规模生产工艺过程。

技术实现要素：

本发明所述的基于涂布转移技术制备超级电容器的方法，基于粘结剂和活性物质配制的浆料，通过涂布工艺技术制备成电极极片，然后分切成合适尺寸的待转移极片，并通过压力转移到相同尺寸的泡沫镍集流体上，组装成超级电容器。

本发明所述的基于涂布转移技术制备超级电容器的方法，所述粘结剂是聚偏氟乙烯(pvdf)，制备技术中先将pvdf粉末在80度到100度的烘箱中干燥干燥4小时到6小时后称量，然后溶于n-甲基吡咯烷酮(nmp)中形成质量浓度为2％到5％的pvdf溶液，在密封条件下磁力搅拌8小时到10小时，使其充分分散。

本发明所述的基于涂布转移技术制备超级电容器的方法，所述活性物质为活性炭、钛酸锂、石墨烯、碳纳米管，比表面积为1500m²/g到3000m²/g之间，使用前将活性物质置于80度到100度的烘箱中进行干燥处理，避免粘结剂pvdf遇水后形成絮状物，影响粘结性能。

本发明所述的基于涂布转移技术制备超级电容器的方法，所述配制的浆料将活性物质加入pvdf溶液，并与pvdf形成质量比为5:1到12:1的混合溶液，然后常温下磁力搅拌2小时到5小时。

本发明所述的基于涂布转移技术制备超级电容器的方法，所述涂布是采用刮涂技术或狭缝涂布技术，在金属铝箔或铜箔或聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)或聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)或聚酰亚胺(pi)基底上，以1米/分钟到120米/分钟之间的速度进行涂布，可形成1微米到15微米间厚度的活性层厚度，然后放置于80度到100度烘箱内干燥处理。

本发明所述的基于涂布转移技术制备超级电容器的方法，所述相同尺寸泡沫镍是指泡沫镍与待转移极片尺寸相同，并且泡沫镍在使用前分别用异丙醇、乙醇、去离子水超声清洗，然后置于80度到100度的干燥箱中烘干待用。

本发明所述的基于涂布转移技术制备超级电容器的方法，所述压力转移是先将涂布的电极极片与泡沫镍集流体复合，然后使用液压机施加2mpa到20mpa之间的压力，将活性物质从金属铝箔或铜箔或pet或pen或pi基底上完全转移到泡沫镍集流体上。

本发明所述的基于涂布转移技术制备超级电容器的方法，所述组装超级电容器的过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)和浓度为0.5摩尔/升到1.5摩尔/升的硫酸钠电解液或bf4离子液体或pf6离子液体，组装成对称或非对称的纽扣式超级电容器或卷绕式超级电容器。

附图说明

【图1】涂布转移技术示意图。

【图2】转移前涂布的活性炭在铝箔上的扫描电子显微镜形貌图。

【图3】涂布的活性炭质量与湿膜厚度的线性关系。

【图4】转移后活性炭在泡沫镍上的扫描电子显微镜形貌图。

【图5】基于涂布转移技术制备的超级电容器电化学性能：a图为充放电曲线，b图为不同扫描速度下的循环伏安曲线，c图为交流阻抗曲线，d图为经过5000次循环后比容量的保留率。

【图6】基于涂布转移技术制备的4个超级电容器在1a/g下的充放电曲线。

具体实施方式与实施例

以下实施方式和实施例是对本发明内容的进一步的说明，而不是限制本发明的保护范围。

实施例1

本实施实例的详细制备技术如图1。

本实施实例中所选的活性材料是使用较为广泛的活性炭，比表面积为2000m²/g，使用前将活性炭置于90度的烘箱中进行干燥处理1个小时；

粘结剂配制：将pvdf粉末在80度烘箱干燥6小时后称量，溶于nmp中配制成2％的pvdf溶液，密封后磁力搅拌10小时，使其充分分散；

浆料配制：活性炭和pvdf的质量比例为9:1进行混合，密封瓶口后，在常温下磁力搅拌2个小时；

涂布技术：用刮涂设备将制备好的浆料刮涂到铝箔上，刀口间距为150微米，涂布速度设为15米/分钟，涂布好的极片置于80度真空干燥箱内干燥，形成10微米厚的多孔活性薄膜，如图2所示；并且在刮涂技术过程中，可以建立活性层质量与涂布的湿膜厚度之间的关系，活性层薄膜质量(毫克)＝0.04×湿膜厚度(微米)+7.49，如图3所示；

分切极片与隔膜：使用冲片机将干燥好的极片切成圆形的待转移极片，同时分切隔膜，并且隔膜的直径要比极片大些，以防组装的超级电容器发生短路；

分切泡沫镍：将泡沫镍分切成与待转移极片相同的尺寸，分别用异丙醇、无水乙醇、去离子水超声清洗30分钟，然后置于90度真空干燥箱中烘干后待用；

活性层转移：将分切好的电极极片与泡沫镍集流体复合，用液压机以5mpa的压力施压，将活性物质完全转移到泡沫镍集流体，转移之后的活性层薄膜形貌基本与转移前一样，保持多孔结构，如图4所示；

超级电容器组装：将两片对称电极极片尽量对齐，加入隔膜pe，注入浓度为1.0摩尔/升的硫酸钠电解液，组装成对称的纽扣式超级电容器，采用chi660e电化学工作站对组装的对称的纽扣式超级电容器进行测试和表征，详细结果如图5所示，统计的性能详细参数参照表1，而且通过该方法制备的超级电容器性能稳定，可重复性好，如图6所示4个超级电容器的性能参数。

实施例2

本实施实例中所选的活性材料是钛酸锂，比表面积为1800m²/g，使用前将钛酸锂置于90度的烘箱中进行干燥处理1个小时；

粘结剂配制：将pvdf粉末在80度烘箱干燥6小时后称量，溶于nmp中配制成2％的pvdf溶液，密封后磁力搅拌10小时，使其充分分散；

浆料配制：钛酸锂、导电炭黑和pvdf的质量比例为8:1:1进行混合，密封瓶口后，在常温下磁力搅拌2个小时；

涂布技术：用刮涂设备将制备好的浆料刮涂到铝箔上，刀口间距为180微米，涂布速度设为10米/分钟，涂布好的极片置于80度真空干燥箱内干燥，形成10微米厚的活性层；

分切极片与隔膜：使用冲片机将干燥好的极片切成圆形的待转移极片，同时分切隔膜，并且隔膜的直径要比极片大些，以防组装的超级电容器发生短路；

分切泡沫镍：将泡沫镍分切成与待转移极片相同的尺寸，分别用异丙醇、无水乙醇、去离子水超声清洗30分钟，然后置于90度真空干燥箱中烘干后待用；

活性层转移：将分切好的电极极片与泡沫镍集流体复合，用液压机以5mpa的压力施压，将活性物质完全转移到泡沫镍集流体上；

超级电容器组装：将两片对称电极极片尽量对齐，加入隔膜pe，注入浓度为1.0摩尔/升的硫酸钠电解液，组装成对称的纽扣式超级电容器，采用chi660e电化学工作站对组装的对称的纽扣式超级电容器进行测试和表征，在1a/g的电流密度下，获得了56f/g的比容量。

表1基于涂布转移技术制备的超级电容器详细参数

实施例3

本实施实例中所选的活性材料是石墨烯，比表面积为2600m²/g，使用前将石墨烯置于90度的烘箱中进行干燥处理1个小时；

粘结剂配制：将pvdf粉末在80度烘箱干燥6小时后称量，溶于nmp中配制成2％的pvdf溶液，密封后磁力搅拌10小时，使其充分分散；

浆料配制：石墨烯和pvdf的质量比例为8:1进行混合，密封瓶口后，在常温下磁力搅拌2个小时；

涂布技术：用狭缝涂布设备将制备好的浆料涂布到pet基底上，垫片厚度为20微米，涂布速度设为15米/分钟，涂布好的极片置于80度真空干燥箱内干燥，形成12微米厚的活性层；

分切极片与隔膜：使用冲片机将干燥好的极片切成圆形的待转移极片，同时分切隔膜，并且隔膜的直径要比极片大些，以防组装的超级电容器发生短路；

分切泡沫镍：将泡沫镍分切成与待转移极片相同的尺寸，分别用异丙醇、无水乙醇、去离子水超声清洗30分钟，然后置于90度真空干燥箱中烘干后待用；

活性层转移：将分切好的电极极片与泡沫镍集流体复合，用液压机以10mpa的压力施压，将活性物质完全转移到泡沫镍集流体上；

超级电容器组装：将两片对称电极极片尽量对齐，加入隔膜pe，注入bf4离子液体，组装成对称的纽扣式超级电容器，采用chi660e电化学工作站对组装的对称的纽扣式超级电容器进行测试和表征，在1a/g的电流密度下，获得了230f/g的比容量。