一种卷绕式超级电容器制备方法技术

本发明专利技术提供了一种卷绕式超级电容器制备方法，包括：１）选择直接生长法制备的碳纳米管薄膜作为电极材料；２）将所述碳纳米管薄膜剪切成多个碳纳米管薄膜小块；３）将长条形的隔膜平铺在易挥发有机溶剂中；４）将多块碳纳米管薄膜小片依次首尾相接地平铺到所述隔膜上；待铺有碳纳米管薄膜的所述隔膜上的有机溶剂完全挥发；５）将所述隔膜卷绕并进行封装，得到所述卷绕式超级电容器。本发明专利技术首次成功制备出具有碳纳米管薄膜电极的卷绕式超级电容器，极大地提高了卷绕式超级电容器电极的电导率，降低了超级电容器的等效串联电阻，从而提高了碳纳米管薄膜卷绕式超级电容器的能量和功率密度，表现出良好的功率特性和电流响应。

【技术实现步骤摘要】

本实施例涉及电化学
，具体地说，本专利技术涉及一种卷绕式超级电容器及其制备方法。
技术介绍
超级电容器，也叫电化学电容器，是一种新型储能装置，其性能介于传统电容器和 电池之间，兼有电池高比能量和传统电容器高比功率的特点。其容量可达法拉级甚至数千 法拉，质量比电容量或体积比电容量是传统电容器的20 200倍，能量密度是传统电容器 的10 100倍。同时，超级电容器的功率密度比电池高10倍左右，循环寿命也优于电池， 循环次数可达106次。另外，超级电容器还具有充放电效率高、安全等特点，可以作为大功 率脉冲电源，在数据记忆存储系统、便携式仪器设备、通讯设备、电动车混合电源等许多领 域都有广泛的应用前景。现有技术中，超级电容器主要有两种结构形式一种是三明治叠层结构的纽扣式 电容器，另一种是将电极片和隔膜卷绕起来形成的卷绕式电容器。纽扣式超级电容器难以 容纳大面积电极，这限制了纽扣式超级电容器电容量的提高，而且纽扣式超级电容器密封 外壳需要承受较大压力。卷绕式电容器可以容纳大面积的电极，容易实现产业化，适合制备 高容量的超级电容器，但是其电极材料必须具有柔软可折的特点，因此其可适用的电极材 料受到较大限制。电极材料的限制往往成为卷绕式超级电容器各方面性能提高的主要瓶颈 之一。目前，卷绕式超级电容器的主要电极材料是活性炭纤维布(ACFC)。其缺陷包括1、活性碳纤维布的制备比较复杂，而且其电导率较低，在作为电极之前必须先要在其表面 沉积一层铝膜来提高其电导率，而铝膜的存在将导致无机电解液如硫酸溶液将无法使用。2、活性炭纤维布超级电容器的等效串联电阻(ESR)较大，这导致活性炭纤维布的功率密度 较低。另一方面，目前已经有一些利用基于碳纳米管的薄膜材料做为纽扣式超级电容器 电极材料的报道。研究表明基于碳纳米管的薄膜材料的比表面积利用率，功率特性和频率 特性都远优于活性炭和炭气凝胶等常用电极材料。目前基于碳纳米管薄膜的超级电容器电 极材料主要有两种①通过将碳纳米管与导电聚合物混合，然后将混合物涂到导电基底上 作为薄膜电极材料(以下简称为碳纳米管聚合物薄膜)。②在基底上制备的纯碳纳米管薄 膜(即带基底的纯碳纳米管薄膜)。①对于碳纳米管聚合物薄膜电极，由于聚合物的加入将会降低碳纳米管电极的导 电率和多孔率，对电荷在电极中的转移和电解液中离子在电极空隙中的扩散有着不利影 响，导致超级电容器功率密度下降，而且碳纳米管聚合物薄膜必须使用金属基底作为集流 器来收集和转移电荷，金属基底的使用将会增加电容器的重量，影响其实际使用；另外，碳 纳米管聚合物薄膜电极的制备复杂，厚度可控性差，而且碳纳米管聚合物超级电容器的比 电容比较小，虽然通过活化碳纳米管的聚合物可以提高其比电容，但是活化需要在高温下进行，因此很多不耐高温的导电基底无法使用。另外，金属基底和碳纳米管聚合物的柔韧可 折性均较差，因此基于碳纳米管聚合物电极的超级电容器普遍为纽扣式结构，难以适用于 卷绕式超级电容器。②带基底的纯碳纳米管薄膜具有高导电性和多孔结构，可以直接作为超级电容器 的电极材料。然而，碳纳米管薄膜与基底的结合力比较小，如果将基底与碳纳米管薄膜一块 卷曲，碳纳米管薄膜容易与基底脱离。另外，基底的柔韧可折性较差，导致基底上的碳纳米 管薄膜很难直接用于制备卷绕式超级电容器。综上所述，卷绕式超级电容器可以容纳大面积的电极，以提高其电容量，可作为高 容量，大功率脉冲电源，然而其电极材料需要具有柔软可折且不易脱落等特性，这样就限制 了具有更高导电率和多孔率的薄膜电极材料的应用。因此，当前迫切需要一 种能够将具有 更高导电率和多孔率的薄膜材料用作卷绕式电容器电极的解决方案。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种制备具有高导电率和多孔率的薄膜电极材料的卷绕式 电容器的方法。为实现上述专利技术目的，本专利技术提供的卷绕式超级电容器制备方法包括下列步骤1)选择直接生长法制备的碳纳米管薄膜作为电极材料；2)将所述碳纳米管薄膜剪切成多块规则形状的碳纳米管薄膜小块；3)将长条形的隔膜平铺在易挥发有机溶剂中；4)将多块碳纳米管薄膜小片依次首尾相接地平铺到所述隔膜上；待铺有碳纳米 管薄膜的所述隔膜上的有机溶剂完全挥发；5)将所述隔膜卷绕并进行封装，得到所述卷绕式超级电容器。其中，所述步骤2)中，所述碳纳米管薄膜小块长度为5-lOcm，宽度为l-5cm。其中，所述步骤3)中，所述有机溶剂液面高于所述隔膜表面0.5mm 1mm。其中，所述步骤4)包括下列子步骤41)将一块碳纳米管薄膜小块浸入所述易挥发有机溶剂中，将其均勻拉伸并平铺 到所述隔膜上；42)将铺有碳纳米管薄膜的所述隔膜从所述易挥发有机溶剂中提起，待有机溶剂 完全挥发；43)重复步骤41)至42)，将多块碳纳米管薄膜小片依次在长度方向上首尾相接地 平铺到所述隔膜上。其中，所述步骤41)还包括所述碳纳米管薄膜小块在被拉伸时，保持碳纳米管薄 膜拉伸应力为50GPa 150GPa。其中，所述步骤42)还包括提起隔膜的一端，然后以3 5cm/min的速度勻速将 铺有碳纳米管薄膜的隔膜从所述有机溶剂中提起。其中，所述步骤43)中，相邻两块碳纳米管薄膜小块宽度方向上对齐，长度方向上 具有1 2mm的重叠部分；隔膜的宽度比所铺碳纳米管薄膜宽2-3mm，长度长l-3cm。其中，所述步骤43)还包括将多块碳纳米管薄膜小块多层重叠，使所述碳纳米管 薄膜到达所需厚度。与现有技术相比，本专利技术具有下列技术效果1、首次成功制备出具有碳纳米管薄膜电极的卷绕式超级电容器，极大地提高了卷 绕式超级电容器电极的电导率，降低了超级电容器的等效串联电阻，从而提高了碳纳米管 薄膜卷绕式超级电容器的能量和功率密度，表现出良好的功率特性和电流响应。2、能够保证卷绕式超级电容器电极具有很高的平整度。3、能够保 证卷绕式超级电容器电极具有很高的厚度一致性，进而增强卷绕式超级 电容器的稳定性。4、电极的厚度和面积的可控性强，不受碳纳米管薄膜原始面积和厚度的限制。5、不需要使用金属基底作为集流器，降低了电容器的重量，提高了电容器对电解 液的适应性。6、工艺较为简单，成品率高。 附图说明以下，结合附图来详细说明本专利技术的实施例，其中图1是本专利技术隔膜上碳纳米管薄膜的平铺方式及碳纳米管薄膜卷绕式超级电容 器制备方法的示意图；图2为本专利技术一个实施例的碳纳米管薄膜卷绕式超级电容器在不同扫描速率下 的循环伏安曲线图；图3为本专利技术一个实施例的碳纳米管薄膜卷绕式超级电容器的阻抗图谱；图4为本专利技术一个实施例的碳纳米管薄膜卷绕式超级电容器的充放电曲线图。具体实施例方式下面结合具体实施例，从电极材料的选择，碳纳米管薄膜电极的制备，碳纳米管薄 膜卷绕式超级电容器的组装以及碳纳米管薄膜卷绕式超级电容器的综合性能实测数据，对 本专利技术做进一步的解释和说明。一、电极材料的选择本实施例使用的碳纳米管薄膜是直接利用浮动催化化学气相沉积法生长(下文 中简称为直接生长法)得到的。与碳纳米管聚合物薄膜不同，直接生长法制备的碳纳米管 薄膜可以直接平铺到隔膜上作为正负电极材料，不需要使用金属基底作为集流器。同时，吸 附性强，相对于后沉积法制备的碳纳米管薄膜，直接生长法制备的碳纳米管薄膜具有柔韧 性强、吸附性强等优势，因此适于作为卷本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种卷绕式超级电容器制备方法，包括下列步骤：１）选择直接生长法制备的碳纳米管薄膜作为电极材料；２）将所述碳纳米管薄膜剪切成多个碳纳米管薄膜小块；３）将长条形的隔膜平铺在易挥发有机溶剂中；４）将多块碳纳米管薄膜小片依次首尾相接地平铺到所述隔膜上；待铺有碳纳米管薄膜的所述隔膜上的有机溶剂完全挥发；５）将所述隔膜卷绕并进行封装，得到所述卷绕式超级电容器。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：牛志强，周维亚，解思深，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]