一种铅基超级电容器

摘要

本发明为一种铅基超级电容器，由正极、负极、介于两极之间的隔板及电解液组成。正极采用多孔炭材料，负极采用铅电极，电解液采用硫酸水溶液。本发明制作的电容器具有高能量密度(6～10Wh/Kg)、高功率密度(300～2000W/Kg)、长循环寿命(≥10000次)等特点，可以广泛应用在太阳能储能、风力发电储能、电动汽车、不间断电源等领域。

权利要求

1.一种铅基超级电容器，由正极、负极、介于两者之间的隔板及电解液组成，其特征在于正极采用多孔炭材料；负极采用的铅电极主要由铅粉(Pb)和一氧化铅粉(PbO)组成，负极中各物质的比例为铅粉∶一氧化铅∶导电剂＝(20～40)∶(50～60)∶(10～20)；

3

电解液为密度为1.10～1.30g/cm 的硫酸水溶液。

2.根据权利要求1所述的铅基超级电容器，其特征在于所述的多孔炭材料包括活性炭、介孔炭、炭气凝胶、炭纳米管、炭纤维。

3.根据权利要求1所述的铅基超级电容器，其特征在于所述的正极中还加入适量的粘结剂，所述粘结剂包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇(PVA)。

4.根据权利要求1所述的铅基超级电容器，其特征在于所述的正极和负极中还加入适量的导电剂，所述导电剂包括导电炭黑、乙炔黑、石墨粉。

5.根据权利要求1所述的铅基超级电容器，其特征在于所述的隔板包括玻璃纤维隔板、微孔橡胶隔板、聚氯乙烯(PVC)隔板、聚乙烯(PE)隔板、聚丙烯(PP)隔板。

6.根据权利要求1所述的铅基超级电容器，其特征在于所述的正极和负极的集流体包括纯铅板栅或箔、铅锑合金板栅或箔、铅钙合金板栅箔、铅锡合金板栅或箔、钛网或箔。

说明书

一种铅基超级电容器

技术领域

[0001] 本发明涉及电容器技术领域，特别是一种铅基超级电容器。

背景技术

[0002] 超级电容器是介于传统电容器与电池之间的一种新型电化学储能器件，它相比传统电容器有着更高的能量密度，静电容量能达千法拉至万法拉级；相比电池有着更高的功率密度和超长的循环寿命，因此它结合了传统电容器与电池的优点，是一种应用前景广阔的化学电源。它具有比容量高、功率大、寿命长、工作温限宽、免维护等特点。

[0003] 按照储能原理的不同，超级电容器可以分为三类：双电层电容器(EDLC)，法拉第准电容超级电容器和混合型超级电容器，其中双电层电容器主要是利用电极/电解质界面电荷分离所形成的双电层来实现电荷和能量的储存；法拉第准电容超级电容器主要是借助电极表面快速的氧化还原反应所产生的法拉第“准电容”来实现电荷和能量的储存；而混合型超级电容器是一极采用电池的非极化电极(如氢氧化镍)，另一极采用双电层电容器的极化电极(如活性炭)，这种混合型的设计可以大幅度提高超级电容器的能量密度。

[0004] 由于混合型超级电容器的能量密度大大高于另二类超级电容器，这样就使得不同材料、不同体系的混合型超级电容器一直成为研究的热点，并先后出现了Ni(OH)2/KOH/AC、PbO2/H2SO4/AC、LiMn2O4/Li2SO4/AC等体系。其中PbO2/H2SO4/AC混合型超级电容器由于成本低、能量密度较高，一直成为商业化产品开发的重点，但由于PbO2电极易腐蚀、充放电过程中体积膨胀大、活性物质易脱落等不足，造成这种电容器的循环寿命不太理想，以致于一直未有商业化产品的出现。

发明内容

[0005] 铅酸电池中铅负极的循环寿命大约是二氧化铅正极的2.5～3倍，因此，使用铅负极的超级电容器的循环寿命将远远好于使用二氧化铅正极的超级电容器。为了很好地解决循环寿命的问题，本发明一种铅基超级电容器，由正极、负极、介于两者之间的隔板及电解液组成，其中，正极采用多孔炭材料，负极采用铅电极，电解液采用硫酸水溶液。

[0006] 其中，所述的多孔炭材料包括活性炭、介孔炭、炭气凝胶、炭纳米管、炭纤维。

[0007] 其中，所述的正极中还加入适量的粘结剂，主要包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇(PVA)。

[0008] 其中，所述的铅电极主要由铅粉(Pb)和一氧化铅粉(PbO)组成。

[0009] 其中，所述的正极和负极中还加入适量的导电剂，主要包括导电炭黑、乙炔黑、石墨粉。

[0010] 其中，所述的负极中各物质的比例为铅粉∶一氧化铅∶导电剂＝(20～40)∶(50～60)∶(10～20)。

[0011] 其中，所述的电解液为密度为1.10～1.30g/cm3的硫酸水溶液。

[0012] 其中，所述的隔板包括玻璃纤维隔板、微孔橡胶隔板、聚氯乙烯(PVC)隔板、聚乙烯(PE)隔板、聚丙烯(PP)隔板。

[0013] 其中，所述的正极和负极的集流体包括纯铅板栅或箔、铅锑合金板栅或箔、铅钙合金板栅箔、铅锡合金板栅或箔、钛网或箔。

[0014] 本发明制作的铅基超级电容器具有循环寿命长(≥10000次)、成本低、功率特性好(300～2000W/Kg)、能量密度高(6～10Wh/Kg)的特点，很适合应用在一些要求高能量、低成本、长寿命的场合上。

具体实施方式

[0015] 下面结合具体实施例对本发明进行详细的说明。

[0016] 本发明一种铅基超级电容器，由正极、负极、介于两者之间的隔板及电解液组成，其中，正极采用多孔炭材料，负极采用铅电极，电解液采用硫酸水溶液。

[0017] 本发明中所述的多孔炭主要是指具有发达孔隙结构、高比表面积的炭材料，一般包括活性炭、介孔炭、炭气凝胶、炭纳米管、炭纤维。

[0018] 本发明中，在制作正极时还要加入适量的粘结剂，保证多孔炭与集流体的紧密接触，一般使用的粘结剂包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇(PVA)。

[0019] 本发明中，在制作正极和负极时还加入适量的导电剂，一般的比例为10～20％，主要包括导电炭黑、乙炔黑、石墨粉。

[0020] 本发明中，所述的负极中各物质的比例为铅粉∶一氧化铅∶导电剂＝(20～40)∶(50～60)∶(10～20)。

[0021] 本发明中，电解液采用硫酸水溶液，根据所要求容量的高低，可以选择密度为3
1.10～1.30g/cm 的硫酸。同时，介于正负极之间的隔板可以采用玻璃纤维隔板、微孔橡胶隔板、聚氯乙烯(PVC)隔板、聚乙烯(PE)隔板、聚丙烯(PP)隔板。

[0022] 本发明中，为了保证电容器良好的循环稳定性，正负极集流体采用纯铅板栅或箔、铅锑合金板栅或箔、铅钙合金板栅箔、铅锡合金板栅或箔、钛网或箔。

[0023] 本发明中，正极片的制作步骤为：称取一定量的多孔炭材料、粘结剂混合后，搅拌至膏状后涂布在箔材上或擀压成膜后压附在板栅上，经干燥后制备成正极片。负极片的制作步骤为：称取一定量的铅粉、一氧化铅粉、导电剂，并加入适量的水和硫酸，然后搅拌至膏状涂覆在板栅或箔材上，经干燥、固化后制备成负极片。

[0024] 本发明根据实际应用情况，可以制作成叠片型(含双极性)方型超级电容器或卷绕型圆柱型超级电容器，该电容器具有高能量密度(6～10Wh/Kg)、高功率密度(300～2000W/Kg)、长循环寿命等特点，可以广泛应用在太阳能储能、风力发电储能、电动汽车、不间断电源等领域。

[0025] 实施例1：

[0026] 正极片的制作：将活性炭、导电炭黑、聚四氟乙烯按质量比85∶5∶10的比例混合，然后擀压成1.0mm的炭膜，将两片炭膜压附在1.2mm的铅-钙板栅上，制作3
成120*80*2.0mm 的正极片。负极片的制作：将铅粉、一氧化铅粉、导电炭黑按质量比
40∶50∶10的比例混合，加入适量的硫酸和水调成膏状，然后涂覆在0.8mm的铅-钙板栅上，经100℃-10min干燥后，放入温度为45℃、相对湿度为85％的环境中固化12h后，取出
3
制作成120*80*0.8mm 的负极片。选用玻璃纤维为隔板，将10片正极片、10片负极片层叠
3
成电芯，装入聚丙烯塑料壳内，注入500g密度为1.25g/cm 的硫酸水溶液，经化成后对电容器进行了测试，在工作电压区间为0.5～1.5V、测试电流为50A的情况下，电容器的能量密度为7.8Wh/Kg，功率密度为800W/Kg，经10000次循环后，容量保持率在95％。

[0027] 实施例2：

[0028] 正极片的制作：将活性炭、导电炭黑、聚四氟乙烯按质量比85∶5∶10的比例混合，然后擀压成1.0mm的炭膜，将两片炭膜压附在1.2mm的铅-钙板栅上，制作3
成120*80*2.0mm 的正极片。负极片的制作：将铅粉、一氧化铅粉、导电炭黑按质量比
20∶60∶20的比例混合，加入适量的硫酸和水调成膏状，然后涂覆在0.8mm的铅-钙板栅上，经100℃-10min干燥后，放入温度为45℃、相对湿度为85％的环境中固化12h后，取出
3
制作成120*80*0.8mm 的负极片。选用玻璃纤维为隔板，将10片正极片、10片负极片层叠
3
成电芯，装入聚丙烯塑料壳内，注入500g密度为1.25g/cm 的硫酸水溶液，经化成后对电容器进行了测试，在工作电压区间为0.5～1.5V、测试电流为50A的情况下，电容器的能量密度为6.8Wh/Kg，功率密度为900W/Kg，经10000次循环后，容量保持率在95.5％。

[0029] 实施例3：

[0030] 正极片的制作：将活性炭、导电炭黑、聚四氟乙烯按质量比85∶5∶10的比例混合，然后擀压成1.0mm的炭膜，将两片炭膜压附在1.2mm的铅-钙板栅上，制作3
成120*80*2.0mm 的正极片。负极片的制作：将铅粉、一氧化铅粉、导电炭黑按质量比
30∶55∶15的比例混合，加入适量的硫酸和水调成膏状，然后涂覆在0.8mm的铅-钙板栅上，经100℃-10min干燥后，放入温度为45℃、相对湿度为85％的环境中固化12h后，取出
3
制作成120*80*0.8mm 的负极片。选用玻璃纤维为隔板，将10片正极片、10片负极片层叠
3
成电芯，装入聚丙烯塑料壳内，注入500g密度为1.25g/cm 的硫酸水溶液，经化成后对电容器进行了测试，在工作电压区间为0.5～1.5V、测试电流为50A的情况下，电容器的能量密度为8.5Wh/Kg，功率密度为850W/Kg，经10000次循环后，容量保持率在95.2％。

[0031] 实施例4：

[0032] 正极片的制作：将介孔炭、导电炭黑、聚四氟乙烯按质量比85∶5∶10的比例混合，然后擀压成1.0mm的炭膜，将两片炭膜压附在1.2mm的铅-钙板栅上，制作3
成120*80*2.0mm 的正极片。负极片的制作：将铅粉、一氧化铅粉、导电炭黑按质量比
40∶50∶10的比例混合，加入适量的硫酸和水调成膏状，然后涂覆在0.8mm的铅-钙板栅上，经100℃-10min干燥后，放入温度为45℃、相对湿度为85％的环境中固化12h后，取出
3
制作成120*80*0.8mm 的负极片。选用玻璃纤维为隔板，将10片正极片、10片负极片层叠
3
成电芯，装入聚丙烯塑料壳内，注入500g密度为1.25g/cm 的硫酸水溶液，经化成后对电容器进行了测试，在工作电压区间为0.5～1.5V、测试电流为50A的情况下，电容器的能量密度为7.6Wh/Kg，功率密度为1000W/Kg，经10000次循环后，容量保持率在96％。

[0033] 实施例5：

[0034] 正极片的制作：将炭纤维、导电炭黑、聚四氟乙烯按质量比85∶5∶10的比例混合，然后擀压成1.0mm的炭膜，将两片炭膜压附在1.2mm的铅-钙板栅上，制作3
成120*80*2.0mm 的正极片。负极片的制作：将铅粉、一氧化铅粉、导电炭黑按质量比
40∶50∶10的比例混合，加入适量的硫酸和水调成膏状，然后涂覆在0.8mm的铅-钙板栅上，经100℃-10min干燥后，放入温度为45℃、相对湿度为85％的环境中固化12h后，取出
3
制作成120*80*0.8mm 的负极片。选用玻璃纤维为隔板，将10片正极片、10片负极片层叠
3
成电芯，装入聚丙烯塑料壳内，注入500g密度为1.25g/cm 的硫酸水溶液，经化成后对电容器进行了测试，在工作电压区间为0.5～1.5V、测试电流为50A的情况下，电容器的能量密度为7.7Wh/Kg，功率密度为1200W/Kg，经10000次循环后，容量保持率在94％。

[0035] 根据前面的实施例，可以总结如下：

[0036])
后 ％(
环 率
循 持
次 保
0005 量容 59 5.59 2.59 69 49

度
密率 )gK/ 0 0 0 00 00
功 W( 08 09 58 01 21
度 )
密量 gK/h 8 8 5 6 7
能 W( .7 .6 .8 .7 .7
∶ ∶ ∶ ∶ ∶
05 06 55 05 05
∶ ∶ ∶ ∶ ∶
04 02 03 04 04
＝ ＝ ＝ ＝ ＝
黑 黑 黑 黑 黑
炭 炭 炭 炭 炭
电 电 电 电 电
导 导 导 导 导
∶ ∶ ∶ ∶ ∶
ObP ObP ObP ObP ObP
极 ∶b 0 ∶b 0 ∶b 5 ∶b 0 ∶b 0
负 P 1 P 2 P 1 P 1 P 1
∶ ∶ ∶ ∶ ∶
58 58 58 58 58
＝ ＝ ＝ ＝ ＝
EF EF EF EF EF
TP TP TP TP TP
∶ ∶ ∶ ∶ ∶
黑 黑 黑 黑 黑
炭 炭 炭 炭 炭
电 电 电 电 电
导 导 导 导 导
∶炭 01 ∶炭 01 ∶炭 01 ∶炭 01 ∶维 11
极 性 ∶ 性 ∶ 性 ∶ 孔 ∶ 纤 ∶
正 活 5 活 5 活 5 介 5 炭 5

[0037] 从以上可以看出，负极不同比例对电容器能量密度影响较大，而正极不同炭材料对电容器的的功率特性影响较大。