[发明专利]超级电容器

说明书

技术领域

本发明涉及一种超级电容器，特别是一种含有石墨烯材料的超级电容器。

背景技术

超级电容器，也称为电化学电容器，是介于传统电容器与电池之间的一种电化学储能装置，与传统电容器相比，拥有更高的静电容量；与电池相比，具有更高的功率密度和超长循环寿命，结合了二者的优点，是一种应用前景广阔的储能器件。按储能机理可将其分为三类：第一类是采用活性炭等高比表面电极材料，其原理是基于电极/电解液界面电荷分离所产生的双电层电容；第二类是采用氧化钌等贵金属氧化物或导电聚合物做电极材料，其原理是基于在氧化物电极表面及体相中发生的氧化还原反应而产生的电容，即法拉第准电容，也叫做赝电容；第三类是采用的电极材料兼有以上两种材料之特点，所制备的电容器同时具有双电层电容和法拉第电容，即混合电容。

作为一种新型储能装置，超级电容器具有高放电性能、循环寿命长、环保的优点，可以用作小型后备电源应用于多种电器设备。同时，它也具有功率密度高的优点，可与电池共同组成混合动力为电动车提供动力，用来满足汽车在加速、启动、爬坡时的高功率要求，保护电池系统，并且在汽车紧急刹车瞬间可以回收能量，减少能源浪费，节省能源。

电极材料是电化学电容器的关键，决定着电容器的主要性能指标。电化学电容器发展的核心就是其电极材料的发展。现有技术的电极材料有多孔炭材料、贵金属氧化物、高分子导电聚合物和新型复合材料。多孔炭材料包括活性炭粉、活性炭纤维、炭气凝胶、碳纳米管。炭材料作为电化学电容器电极材料的储能机理是基于双电层储能。在不能提高电极间电压的情况下，电极材料的表面状况是决定电容器容量的关键因素，不仅要求电极材料的比表面积大，而且要有适当的孔径分布。贵金属氧化物材料一般导电性好，电导高，比容量较大，循环寿命长，充放电性能好，且在硫酸中很稳定。但贵金属氧化物电极的工作电压非常有限，而贵金属资源有限、价格昂贵，这些都是限制其大规模应用的主要原因。现有技术应用于超级电容器电极材料的导电聚合物材料主要有聚吡咯、聚噻吩、聚对苯和聚并苯。用导电聚合物作为电化学电容器电极材料，可以用有机电解质和水电解质作为电解液。聚合物电极材料的优点是能够在较高的电压3.0-3.2V下工作，可弥补其他电极材料作为工作电极时工作电压不高的缺点，但由于其相对较弱的导电性，在作为电极材料时往往出现电阻过大的情况。鉴于以上三种电极材料各自所具有的优缺点，寄希望于通过各种材料的复合进行取长补短的新型复合材料应运而生。如掺杂了碳纳米管的导电聚合物、负载了贵金属氧化物的碳纳米管材料，但也还都存在一定的缺陷待解决，如功率密度较低、寿命较短的问题就比较突出。

发明内容

本发明的目的是提供一种超级电容器，要解决的技术问题是提高超级电容器的功率密度。

本发明采用以下技术方案：一种超级电容器，设有正极和负极，负极由负极集流体与涂布于集流体上的负极混合材料组成，负极混合材料由负极活性物质、导电剂和粘结剂组成，所述负极活性物质是石墨烯，负极混合材料由85-96wt％的石墨烯、2-10wt％的导电剂和2-10wt％的粘结剂组成。

本发明的石墨烯是由1-100层单片石墨构成的二维石墨材料，片层厚度在0.3-5nm之间分布，其片层大小在1-75μm之间分布，其比表面积为50-2500m²/g，电导率为10⁴-10⁵s/m。

本发明的正极由正极集流体与涂布于集流体上的正极混合材料组成，正极混合材料由85-96wt％的正极活性物质、2-10wt％的导电剂和2-10wt％的粘结剂组成。

本发明的正极活性物质是石墨烯、多孔炭材料、金属氧化物、导电聚合物或新型复合材料。

本发明的导电剂采用电导率大于1000s/m的石墨粉、炭黑、碳纳米管和碳纳米纤维中的一种以上。

本发明的粘结剂采用聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠、羟丙基甲基纤维素和丁苯橡胶中的一种以上。

本发明的负极混合材料由85-96wt％的石墨烯、2-9wt％的导电剂和2-6wt％的粘结剂组成；正极混合材料由85-88wt％的正极活性物质、2-9wt％的导电剂和3-6wt％的粘结剂组成。

本发明的正极活性物质是石墨烯；所述正极混合材料、负极混合材料由石墨烯、炭黑、聚偏氟乙烯按质量比85∶9∶6组成。