一种用于双电层电容器的多层电极及其制备方法与流程

1.本发明属于电容器技术领域，具体涉及一种用于双电层电容器的多层电极及其制备方法。


背景技术：

2.双电层电容器（又称超级电容器）是目前市场上最为热门的高功率储能器件之一，是基于双电层储能原理的储能器件，具有功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽等优点，同时也具有能量密度相对较低等劣势。
3.目前常规的edlc电极均是单层电极，导电剂添加比例在5-10%不等，电极密度在0.55g/cc-0.61g/cc左右。以60138结构为例，单体容量在3300f左右，dc（5s）内阻在0.24mω以上，直流寿命在2.7v2000h-65℃或者2.85v1500h，循环寿命在5万次90%容量保持率左右。而edlc的离子吸附主要是电极外层的碳材料孔径结构，从目前商用edlc的电极构成中无论是电子传输能力还是离子吸附能力上均存在不足。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种兼顾比能量、比功率和使用寿命的用于双电层电容器的多层电极。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种用于双电层电容器的多层电极，其特征在于，所述多层电极由内到外依次包括集流体层、内层电极层、外层电极层，内层电极层和外层电极层均包括导电剂、粘结剂、分散剂和多孔碳；内层电极层中导电剂的含量高于外层电极层中导电剂的含量；内层电极层中多孔碳的孔径小于外层电极层中多孔碳的孔径。
6.在上述的一种用于双电层电容器的多层电极中，内层电极层包括如下质量百分比的原料：8-10%导电剂，2-3%粘结剂，1-2%分散剂，85-89%多孔碳。
7.在上述的一种用于双电层电容器的多层电极中，外层电极层包括如下质量百分比的原料：1-3%导电剂，1-3%粘结剂，1-2%分散剂，93-97%多孔碳。
8.作为优选，导电剂为导电炭黑、科琴炭、石墨烯、碳纳米管中的一种或者多种。
9.作为优选，粘结剂为cmc、sbr、丙烯酸酯类、pvdf中的一种或多种。
10.作为优选，集流体为涂炭铝箔、腐蚀铝箔、带孔铝箔、铜箔、带孔铜箔中的一种。
11.进一步优选，集流体为涂炭铝箔、腐蚀铝箔。
12.在上述的一种用于双电层电容器的多层电极中，内层电极层中多孔碳孔径分布为0.5-1.5nm。
13.作为优选，内层电极层中多孔碳为石油焦碱活化的活性炭。
14.在上述的一种用于双电层电容器的多层电极中，外层电极层中多孔碳孔径分布为2-3nm。
15.作为优选，外层电极层中多孔碳为水蒸气活化的木质炭。
16.本发明通过内层电极层中高导电剂含量和小孔径多孔碳，外层电极层低导电剂含量和大孔径多孔炭，通过这种蛋糕结构的设计实现了内层以电子传输性能为主确保欧姆内阻较低，外层以离子吸附性能为主确保极化内阻较低，同时内层选择了高容量碳、外层选择低导电剂高压实性能，大大提高了整体电极的容量。
17.在上述的一种用于双电层电容器的多层电极中，内层电极层的密度为0.52-0.62g/cc。
18.在上述的一种用于双电层电容器的多层电极中，外层电极层的密度为0.58-0.68g/cc。
19.在上述的一种用于双电层电容器的多层电极中，内层电极层和外层电极层的面密度比为1：（0.1-0.8）。
20.本发明还提供了一种用于双电层电容器的多层电极的制备方法，所述方法包括如下步骤：s1、配置内层电极浆料和外层电极浆料：内层电极浆料包括如下质量百分比的原料：8-10%导电剂，2-3%粘结剂，1-3%分散剂，85-89%多孔碳；外层电极浆料包括如下质量百分比的原料：1-3%导电剂，1-3%粘结剂，1-2%分散剂，93-97%多孔碳；s2、将内层电极浆料和外层电极浆料同时涂敷于集流体表面，并进行干燥处理得由内到外依次包括集流体层、内层电极层、外层电极层的电极半成品；s3、对电极半成品进行碾压处理得多层电极。
21.在上述的一种用于双电层电容器的多层电极的制备方法中，内层电极浆料和外层电极浆料粘度均为1000-3000cps。
22.在上述的一种用于双电层电容器的多层电极的制备方法中，步骤s2干燥处理中温度为55-130℃，升温速率为25-50℃/min，时间为1-3min。
23.作为优选，首截干燥温度需要＜80℃。本发明干燥处理时需要控制首截干燥温度和升温速率来保证浆料的粘结性，且要保证干燥处理的时间，时间过短会造成极片潮湿，时间过长又会导致断带现象。
24.在上述的一种用于双电层电容器的多层电极的制备方法中，步骤s3碾压处理中温度为100-160℃，压缩比在5-9%，碾压密度为0.57-0.66g/cc。本发明需要严格控制压缩比，如果压缩比过大会造成极片起皱、断带，压缩比过小又会造成粘结剂作用不良，在压缩时还要保证温度的适宜性，如果温度过高会导致粘结剂失去效用，温度过低又无法保证内外层碾压密度。
25.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明通过对内层电极层、外层电极层根据导电剂含量的不同，对多孔炭孔径的大小进行对应调整，大大提升了电极的密度和容量；并通过对电极结构的合理设计利用离子传输和电子传输通道上不同区域对于通道性能的需求，减少电极冗余设计，提高了电极的物理性能。
附图说明
26.图1为实施例1电极剖面示意图：1.电极内层；2.电极外层；3导电剂；4.外层活性炭；5.内层活性炭。
具体实施方式
27.以下是通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不仅限于这些实施例。
28.实施例1：s1、根据如下质量百分比的原料分别制备内层电极浆料和外层电极浆料；内层电极浆料包括如下质量百分比的原料：9%导电剂，2.5%粘结剂，1.5%分散剂，87%石油焦碱活化活性炭（平均孔径分布在1nm比例超90%以上）；内层浆料粘度为1500cps。
29.外层电极浆料包括如下质量百分比的原料：2%导电剂，1.6%粘结剂，1.2%分散剂，95.2%椰壳水蒸气活化活性炭（平均孔径分布在2.5nm比例超95%以上）；外层浆料粘度为1500cps；导电剂为质量比1：1的导电炭黑和科琴炭，粘结剂为sbr，分散剂为cmc。
30.s2、将内层浆料和外层浆料通过挤出式涂覆机，同时将两层浆料涂敷于集流体表面形成由下至上依次为集流体层、内层电极层、外层电极层的多层电极并进行干燥处理，干燥处理烘箱的温度依次设置为55/70/85/100/110/100，涂覆速度是22m/min，烘箱总长为36m；内层电极层的密度为0.61g/cc；外层电极层的密度为0.65g/cc；内层电极层和外层电极层的面密度比为1：0.8。
31.s3、对电极半成品进行碾压处理得多层电极；碾压处理温度为120℃，压缩比在9%，碾压密度为0.64g/cc。
32.多层电极剖面示意图如图1所示： 1.电极内层；2.电极外层；3导电剂；4.外层活性炭；5.内层活性炭。
33.通过上述方法分别制备正负电极，其中正负极集流体均为腐蚀铝箔，后续将正负电极电极卷绕、入壳、组装、干燥、注液，获得的60138型单体并进行容量内阻和寿命的测试。
34.实施例2：s1、根据如下质量百分比的原料分别制备内层电极浆料和外层电极浆料；内层电极浆料包括如下质量百分比的原料：10%导电剂，3%粘结剂，2%分散剂，85%碳气凝胶（平均孔径分布在0.5nm比例超90%以上）；内层浆料粘度为2000cps。
35.外层电极浆料包括如下质量百分比的原料：3%导电剂，1.8%粘结剂，1.2%分散剂，94%椰壳水蒸气活化活性炭（平均孔径分布在2.0nm比例超95%以上）；外层浆料粘度为2000cps。
36.导电剂为导电炭黑，粘结剂为sbr，分散剂为cmc。
37.s2、将内层浆料和外层浆料通过挤出式涂覆机，同时将两层浆料涂敷于集流体表面形成由下至上依次为集流体层、内层电极层、外层电极层的多层电极并进行干燥处理，干燥处理烘箱的温度依次设置为55/70/85/100/110/100，涂覆速度是18m/min，烘箱总长为36m；内层电极层的密度为0.59g/cc；外层电极层的密度为0.64g/cc；内层电极层和外层电极层的面密度比为1：0.8。
38.s3、对电极半成品进行碾压处理得多层电极；碾压处理温度为120℃，压缩比在9%，碾压密度为0.62g/cc。
39.通过上述方法分别制备正负电极，其中正负极集流体均为涂炭铝箔，后续将正负电极电极卷绕、入壳、组装、干燥、注液，获得的60138型单体并进行容量内阻和寿命的测试。
40.实施例3：s1、根据如下质量百分比的原料分别制备内层电极浆料和外层电极浆料；内层电极浆料包括如下质量百分比的原料：8%导电剂，2.2%粘结剂，1.3%分散剂，88.5%石油焦碱活化活性炭（平均孔径分布1.5nm比例超90%以上）；内层浆料粘度为1000cps。
41.外层电极浆料包括如下质量百分比的原料：1%导电剂，1.4%粘结剂，1%分散剂，96.6%椰壳水蒸气活化活性炭（平均孔径分布3.0nm比例超95%以上）；外层浆料粘度为1000cps。
42.导电剂为质量比1：1的导电炭黑和碳纳米管，粘结剂为sbr，分散剂为cmc。
43.s2、将内层浆料和外层浆料通过挤出式涂覆机，同时将两层浆料涂敷于集流体表面形成由下至上依次为集流体层、内层电极层、外层电极层的多层电极并进行干燥处理，干燥处理烘箱的温度依次设置为55/70/85/100/110/100，涂覆速度是25m/min，烘箱总长为36m；内层电极层的密度为0.61g/cc；外层电极层的密度为0.66g/cc；内层电极层和外层电极层的面密度比为1：0.6。
44.s3、对电极半成品进行碾压处理得多层电极；碾压处理温度为130℃，压缩比在9%，碾压密度为0.66g/cc。
45.通过上述方法分别制备正负电极，其中正负极集流体均为腐蚀铝箔，后续将正负电极电极卷绕、入壳、组装、干燥、注液，获得的60138型单体并进行容量内阻和寿命的测试。
46.实施例4：与实施例1的区别，仅在于，内层电极浆料包括如下质量百分比的原料：13%导电剂，4%粘结剂，2.5%分散剂，80.5%石油焦碱活化活性炭（平均孔径分布1nm比例超90%以上）；内层浆料粘度为1500cps。外层电极浆料包括如下质量百分比的原料：5%导电剂，3%粘结剂，2%分散剂，90%椰壳水蒸气活化活性炭（平均孔径分布2.5nm比例超95%以上）；外层浆料粘度为1500cps。
47.实施例5：与实施例1的区别，仅在于，内层电极浆料包括如下质量百分比的原料：7%导电剂，2.2%粘结剂，1.3%分散剂，89.5%石油焦碱活化活性炭（平均孔径分布1nm比例超90%以上）；内层浆料粘度为1500cps。外层电极浆料包括如下质量百分比的原料：0.5%导电剂，1.5%粘结剂，1%分散剂，97%椰壳水蒸气活化活性炭（平均孔径分布2-3nm比例超95%以上）；外层浆料粘度为1500cps。
48.对比例1：与实施例1的区别，仅在于，内层电极浆料包括如下质量百分比的原料：2%导电剂，1.6%粘结剂，1.2%分散剂，95.2%石油焦碱活化活性炭（平均孔径分布1nm比例超90%以上）；内层浆料粘度为1500cps。外层电极浆料包括如下质量百分比的原料：9%导电剂，2.5%粘结剂，1.5%分散剂，87%椰壳水蒸气活化活性炭（平均孔径分布2.5nm比例超95%以上）；外层浆料粘度为1500cps。
49.对比例2：与实施例1的区别，仅在于，内层电极浆料包括如下质量百分比的原料：9%导电剂，2.5%粘结剂，1.5%分散剂，87%石油焦碱活化活性炭（平均孔径分布1nm比例超90%以上）；内层浆料粘度为1500cps。外层电极浆料包括如下质量百分比的原料：2%导电剂，2.2%粘结剂，1.3%分散剂，94.5%石油焦碱活化活性炭（平均孔径分布1nm比例超90%以上）；外层浆料粘度为1500cps。
50.对比例3：与实施例1的区别，仅在于，内层电极浆料包括如下质量百分比的原料：9%导电剂，2.2%粘结剂，1.4%分散剂，87.4%椰壳水蒸气活化活性炭（平均孔径分布2.5nm比例超95%以上），浆料粘度为1500cps。外层电极浆料包括如下质量百分比的原料：2%导电剂，1.6%粘结剂，1.2%分散剂，95.2%椰壳水蒸气活化活性炭（平均孔径分布2.5nm比例超95%以上），浆料粘度为1500cps。
51.对比例4：与实施例1的区别，仅在于，内层电极浆料包括如下质量百分比的原料：9%导电剂，2.5%粘结剂，1.5%分散剂，87%石油焦碱活化活性炭（平均孔径分布在1nm比例超90%以上）；内层浆料粘度为1500cps；外层电极浆料包括如下质量百分比的原料：9%导电剂，1.6%粘结剂，1.2%分散剂，95.2%椰壳水蒸气活化活性炭（平均孔径分布在2.5nm比例超95%以上）；外层浆料粘度为1500cps。
52.对比例5：与实施例1的区别，仅在于，内层电极浆料包括如下质量百分比的原料：2%导电剂，2.5%粘结剂，1.5%分散剂，87%石油焦碱活化活性炭（平均孔径分布在1nm比例超90%以上）；内层浆料粘度为1500cps；外层电极浆料包括如下质量百分比的原料：2%导电剂，1.6%粘结剂，1.2%分散剂，95.2%椰壳水蒸气活化活性炭（平均孔径分布在2.5nm比例超95%以上）；外层浆料粘度为1500cps。
53.表1：实施例1-5、对比例1-5多层电极制备的双电层电容器性能检测结果实施例容量/f内阻/mω直流容量保持率循环容量保持率实施例147000.1685.6�.5%实施例246000.1586.6�.1%实施例350000.1884.3�.8%实施例441000.1486.7�.6%实施例548000.2184.3�.8%对比例143000.2584.9�.6%对比例248000.2384.6�.8%对比例342000.1686.1�.9%对比例443000.1585.80�.60%对比例547000.2884.20�.20%其中直流寿命容量保持率测试方法是2.85v/65℃浮充1000h的容量保持率；循环寿命容量保持率测试方法是额定电压至半电压100a循环5万次的容量保持率。
54.图1为实施例1电极剖面示意图：1.电极内层；2.电极外层；3导电剂；4.外层活性炭；5.内层活性炭。从图中可知，本发明通过对内层电极层、外层电极层根据导电剂含量的不同，对多孔炭孔径的大小进行对应调整，来提高电极的密度和容量。
55.综上所述，本发明通过蛋糕结构的设计合理利用离子传输和电子传输通道上不同区域对于通道性能的需求，减少电极冗余设计，提高了电极的物理性能。
56.本处实施例对本发明要求保护的技术范围中点值未穷尽之处以及在实施例技术方案中对单个或者多个技术特征的同等替换所形成的新的技术方案，同样都在本发明要求保护的范围内，并且本发明方案所有涉及的参数间如未特别说明，则相互之间不存在不可替换的唯一性组合。
57.本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
58.尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。