一种氢氧化亚镍混合式超级电容器及其制造方法技术

本发明专利技术公开了属于电容器的制造技术范围的一种氢氧化亚镍混和式超级电容器及其制造方法。该电容器包括圆柱型和方型结构，由氢氧化亚镍阳极，碱金属氢氧化物水性电解液和活性碳纤维阴极密封在不锈钢或工程塑料外壳内构成具有储能密度大、放电功率高等特点的混和式超级电容器。氢氧化亚镍阳极采用化学反应法和电化学反应方法制备，在其中掺加适量碳纳米管及羰基镍作为添加剂，发泡镍为基体制造出阳极。活性碳阴极采用电镀镍处理过的活性碳纤维作为原材料，采用镍箔作为集流体。所组装电容器工作电压达到１．６Ｖ，最大储能密度达到２０Ｗｈ／ｋｇ，峰值放电功率达到８ＫＷ／ｋｇ。在工业、交通、电子、军事等领域广泛应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电化学电容器的制造技术范围，特别涉及应用于高储能密度的一 种氢氧化亚镍混和式超级电容器及其制造方法。
技术介绍
电化学超级电容器是一种新型储能装置，集高能量密度、高功率密度、长寿 命等特性于一身，此外它还具有免维护、高可靠性等优点，是一种兼备电容和电 池特性的新型电子元件。根据储能机理的不同其主要分为建立在界面双电层基础 上的双层电容器以及建立在法拉第准电容基础上的超级电容器。碳材料的性质是 决定双层电容器性能的决定因素。其中包括碳材料的比表面积、孔径分布、电化 学稳定性和电导率等。经过研究满足要求的碳材料有活性炭，纳米碳纤维，纳米碳管等等，这方面比较典型的专利如美国MAXWELL公司的专利《具有密封电解封 口的多电极双层电容器》(CA1408121A)。准电容的原理是电极材料利用锂离 子或质子在材料的三维或准二维晶格立体结构中的储留达到储存能量的目的，虽 然其充放电特性与双电层电容极其相似，但其储能机理与碳材料表面的二维吸附 有较大的差别，该类电极材料包括金属氧化物、氮化物、高分子聚合物等等。双 电层电容与法拉第准电容相比，后者的比电容是前者的10—100倍，但前者瞬间 大电流放电的功率特性(功率密度)好于后者。目前该领域的专利主要集中在混合 型超级电容器领域，如上海奥威科技开发有限公司的《一种车用动力电源超级电 容器》(CN1431669)。氢氧化亚镍金属氧化物因其极高的电容量以及相对较低的 电阻而具有良好的电化学特性。因此基于该电极材料组装的超级电容器在航天和 军用领域中具有重要的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种氢氧化亚镍混和式超级电容器及其制造方法，所述 混合式电容器的结构为氢氧化亚镍阳极，碱金属氢氧化物水性电解液和活性碳纤 维阴极密封在不锈钢外壳或工程塑料外壳内构成圆柱型或方型结构；具有蓄电池和双电层型电容器特点的氢氧化亚镍与活性碳纤维混和式超级电容器。所述阳极结构为将氢氧化亚镍活性物质粘附在多孔发泡镍基体上形成，并在镍箔基体或发泡镍基体上连接带状镍集流体。 所述阳极裁切成为长方形。所述阴极结构为将活性碳纤维表面电镀镍导电层并在其上覆盖镍箔制成，在 镍箔基体上连接带状或针状镍集流体。 所述阴极裁切成为长方形。所述电解液由溶质和溶剂组成，溶质为氢氧化钾、氢氧化钠或氢氧化锂，或上述盐的混合物；溶剂为水溶液；电解液浓度为6mol/L lmol/L，浓度越大，电解液导电率越高。一种氢氧化亚镍混和式超级电容器制造方法，其特征在于，包括圆柱型电容 器和方型混合式电容器制作所述圆柱型电容器的制作方法为将连接好集流体的阳极、隔膜、阴极依次叠 加，巻绕成为柱状电极芯，将该电极芯阳极、阴极集流体分别与顶盖正极、负极 连接后放置在不锈钢外壳内，或阳极与顶盖正极相连而圆柱状外壳作为负极，灌 注水性电解液，通过焊接或压封方式完成电容器密封；所述方型混合式电容器的结构与圆柱型混合式电容器的结构类同，不同的是 外壳结构为方型，制作方法是将阳极、阴极上分别焊接带状镍质集流体，连接好 集流体的阳极、隔膜、阴极依次叠加成为方型状电极芯，将该电极芯阳极、阴极 集流体分别连接好顶盖正极、负极后放置在不锈钢或工程塑料外壳内，灌注水性电解液；再通过焊接、压封或粘结完成电容器密封。所述阳极的制造工艺采用化学法或电化学法制备，以纳米氢氧化亚镍作为原 料，发泡多孔镍作为基体，并将纳米氢氧化亚镍溶解在水性溶剂中制成电极浆料， 或在氢氧化亚镍活性原料中加入碳纳米管及羰基镍导电剂，然后与聚四氟乙烯粘 合剂充分混合，充分剪切搅拌成为电极浆料；再将电极浆料均匀的刮涂在多孔发 泡镍集流体中，烘干后连续辊压，裁切并焊接或刺铆上集流体，得到具有比表面 积大、内阻低和结构强度高的氢氧化亚镍阳极；具体包括如下四种工艺所述氢氧化亚镍的具体制造为称取0.5mo1 Ni(N03)2， 0. 075mol NaN03，溶 于500mL去离子水中，得到翠绿色的Ni (NO丄和NaN(V混合溶液，在其中加入20g 聚乙烯醇造孔剂并搅拌均匀，称取0.5molK0H，将其溶解于500mL去离子水中搅 拌均匀，缓慢的滴加到翠绿色的Ni(N0:,)2和NaN(V混合溶液中并不断搅拌，静置 几分钟，生成的浅绿色颗粒并沉积在反应器底部，将上述溶液进行真空抽滤，并 用去离子水清洗以彻底去除NaN03及聚乙烯醇残留，最后将得到的绿色粉末在 8(TC下烘干得到纳米粒径的Ni (0H)2粉状活性物质。所述氢氧化亚镍制备过程中还可以加入由碳纳米管和羰基镍混合成的导电 物质制备复合电极材料，以提高电极材料的电化学容量，降低电极内阻；其碳纳 米管含量为10 25wt%，羰基镍含量为5 15wt^;导电物质可以在反应前加入硝酸镍前驱体中，然后进行化学反应制备复合电极材料；也可以在氢氧化亚镍制 备完成后掺加到纳米Ni (0H)2粉状活性物质中并充分混合，在上述复合材料中加 入5X 20wtX聚四伏乙烯粘合剂配制成为流动性和粘合性良好的电极浆料。所述氢氧化亚镍的制备方法也可以是电化学法。具体制造过程如电解液为 0. 9molNi (NO:丄以及0. 075molNaN03溶于500ml乙醇和水的混合液中配制而成，其 中无水乙醇和去离子水的体积比为1:1。采用双电极恒流阴极还原法制备氢氧化 亚镍，电解池的阳极为纯镍，阴极为多孔发泡镍，控制恒定电解电流强度为1A/dm2， 电解沉积时间为4小时，在发泡镍结构中电化学生产氢氧化亚镍。电解反应完成 后取出电极，用去离子水反复洗涤后于空气气氛8(TC条件下干燥1小时。所述电化学方法的制备氢氧化亚镍中也可以掺加适量碳纳米管及羰基镍导 电物质。具体方法是先将碳纳米管及羰基镍材料加入10机％聚四氟乙烯粘合剂制 备成为衆料，其中碳纳米管含量为60wt%，羰基镍含量为30wt%。首先将上述 浆料刮涂到多孔泡沫镍基体中，将该基体作为双电极恒流阴极电解还原装置的阴 极，阳极仍然为纯镍，电解液为同样由Ni(N03)2以及Na腦3组成的电解液。控制 恒定电解电流强度为1A/dm2，电解沉积时间为4小时，在碳纳米管、羰基镍基体 结构中电化学生产氢氧化亚镍一碳纳米管一羰基镍复合电极。电解反应完成后取 出电极，用去离子水反复洗涤后于空气气氛8(TC条件下干燥1小时。所述活性碳纤维阴极制造工艺包括采用采用活性碳纤维作为电极材料，先行 在表面采用电镀方法电沉积一层镍导电层，电镀镍具体工艺为采用双电极阴极还 原电镀方法，阳极为纯镍，阴极基体为活性碳纤维布，电镀液成分包括硫酸镍为100 g/L -170 g/L， 硫酸镁为21 g/L—30 g/L，硼酸为14 g/L—30 g/L， 氯 化钠文4 g/L_12 g/L;电镀液酸碱度PH值为5 —6，电镀电流密度为0. 5A/dm2， 电镀环境为室温，电镀时间为10 30分钟，电镀层厚度为60^iTl00jam;采用镍箔 作为集流体附着在活性碳纤维布的一侧，裁切成长方形电极，采用焊接或刺铆制 造出具有比表面积大、内阻低和结构强度高的活性碳纤维阴极。所述活性碳纤维阴极材料采用巿售的比表面积大，容量高，内阻低，强度好， 杂质含量少的材料，如北京华昌新材料公司生产的活性碳纤维布。本专利技术的有益效果是阳极和阴极分别本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氢氧化亚镍混和式超级电容器，其特征在于，所述混合式电容器的结构为氢氧化亚镍阳极，碱金属氢氧化物水性电解液和活性碳纤维阴极密封在不锈钢外壳或工程塑料外壳内构成圆柱型或方型结构；具有蓄电池和双电层型电容器特点的氢氧化亚镍／活性碳混和式超级电容器。

【技术特征摘要】
1. 一种氢氧化亚镍混和式超级电容器，其特征在于，所述混合式电容器的结构为氢氧化亚镍阳极，碱金属氢氧化物水性电解液和活性碳纤维阴极密封在不锈钢外壳或工程塑料外壳内构成圆柱型或方型结构；具有蓄电池和双电层型电容器特点的氢氧化亚镍/活性碳混和式超级电容器。2. 根据权利要求1所述氢氧化亚镍混和式超级电容器，其特征在于，所述阳 极结构为将化学法或电化学法制备的氢氧化亚镍活性物质粘附在多孔发泡镍基 体上形成，并在发泡镍基体上连接带状镍或不锈钢集流体；其阳极裁切成为长方 形。3. 根据权利要求1所述氢氧化亚镍混和式超级电容器，其特征在于，所述阴 极结构为在活性碳纤维表面电镀沉积镍导电层并在纤维布一侧覆盖镍箔制成，在 镍箔基体上连接带状或针状镍集流体；其阴极裁切成为长方形。4. 根据权利要求1所述氢氧化亚镍混和式超级电容器，其特征在于，所述电 解液由溶质和溶剂组成，溶质为氢氧化钾、氢氧化钠或氢氧化锂，或上述盐的混 合物；溶剂为水溶液；电解液浓度为6mol/L lmol/L，浓度越大，电解液导电率 越高。5. —种氢氧化亚镍混和式超级电容器制造方法，包括混和式超级电容器结构组装以及混和式超级电容器电极的制作其特征在于，所述混和式超级电容器结构组装工艺包括圆柱型电容器结构组装工艺为将连接好集流体的阳极、隔膜、阴极依次叠加， 巻绕成为柱状电极芯，将该电极芯阳极、阴极集流体分别与顶盖正极、负极连接 后放置在不锈钢外壳内，或阳极与顶盖正极相连而圆柱状外壳作为负极，灌注水 性电解液，通过焊接或压封方式完成电容器密封；方型混合式电容器结构组装工艺，方型混合式电容器的结构与圆柱型混合式 电容器的结构类同，不同的是外壳结构为方型，制作方法是将阳极、阴极上分别 焊接带状镍质集流体，连接好集流体的阳极、隔膜、阴极依次叠加成为方型状电 极芯，将该电极芯阳极、阴极集流体分别连接好顶盖正极、负极后放置在不锈钢或工程塑料外壳内，灌注水性电解液；再通过焊接、压封或粘结完成电容器密封。6.根据权利要求5所述氢氧化亚镍混和式超级电容器制造方法，其特征在于， 所述混和式超级电容器电极的制作包括阳极和阴极的制备，所述阳极的制造工艺采用化学法或电化学法制备，以纳米氢氧化亚镍作为原 料，发泡多孔镍作为基体，并将纳米氢氧化亚镍溶解在水性溶剂中制成电极浆料， 或在氢氧化亚镍活性原料中加入碳纳米管及羰基镍导电剂，然后与聚四氟乙烯粘 合剂充分混合，充分剪切搅拌成为电极浆料；再将电极浆料均匀的刮涂在多孔发 泡镍集流体中，烘干后连续辊压，裁切并焊接或刺铆上集流体，得到具有比表面 积大、内阻低和结构强度高的氢氧化亚镍阳极；具体包括如下四种工艺所述氢氧化亚镍的具体制造为称取O. 5mol Ni(N03)2， 0. 075mol NaN03，溶 于500mL去离子水中，得到翠绿色的Ni (N0丄和NaN(V混合溶液,在其中加入20g 聚乙烯醇造孔剂并搅拌均匀，称取0.5molK0H，将其溶解于500mL去离子水中搅 拌均匀，缓慢的滴加到翠绿色的Ni(N0丄和NaN(V混合溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓峰，尤政，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]