CN102646517A - 超级电容器的电极和超级电容器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超级电容器的电极和超级电容器。该超级电容器的电极，包括集流体和形成在所述集流体上的电极材料，所述电极材料为纳米钙钛矿结构陶瓷材料。该超级电容器包括串联连接的至少一个电容器单元，所述电容器单元包括第一电极、第二电极和间隔设置在所述第一电极和第二电极之间的隔膜，所述第一电极、第二电极和隔膜设置在电解质溶液内，所述第一电极和第二电极分别包括集流体和形成在所述集流体上的电极材料，所述电极材料为纳米钙钛矿结构陶瓷材料。本发明技术方案可有效提高超级电容器的工作电压，提高超级电容器的适用性。
Description
技术领域
本发明涉及电容器结构，特别是涉及一种超级电容器的电极和超级电容器。
背景技术
超级电容器，又称双电层电容器、电化学电容器、黄金电容或法拉电容，是一种介于传统电容器和蓄电池之间的新型储能装置。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。
超级电容器的电荷储存主要是基于双电层电容储能原理和氧化还原准电容储能原理。其中，双电层储能原理是指由于正负离子在固体电极与电解液之间的表面吸附，造成两固体电极之间的电势差，从而实现能量储存，这种储能原理允许大电流快速充放电，其容量大小随所选电极材料的有效表面积的增大而增大；氧化还原准电容原理是利用在电极表面及其附近发生在一定电位范围内的快速可逆法拉第反应来实现储能，其优势在于能产生很大的容量，是双电层电容的10-100倍(按碳材料和金属氧化物比表面积相同时计算)。
作为一种新型的储能装置，超级电容器兼具传统电容器的大电流快速充放电以及蓄电池的高储能特性，填补了传统电容器与蓄电池之间比能量与比功率的空白，其放电比功率较蓄电池高近十倍，弥补了铝电解电容和蓄电池之间的技术缺口，同时又克服了二者的缺陷，既具有蓄电池高储能的特性，又具有传统电容器的功率特性，因此，超级电容器具有比传统电容器更高的比电容量，其比电容量比传统电容器高几百至几千倍，同时，它还具有比蓄电池更大的比功率和循环使用寿命，可达105次，同时，它还具有安全可靠、适用范围宽、绿色环保、易维护等特点，是改善和解决电能动力应用的突破性的电器元件。
超级电容器一般包括电极、电解质和隔膜三个主要组成元件，其中，电极是影响电容器性能的一个重要元件。目前，超级电容器中的电极材料主要包括以下三种：(1)碳素材料，如活性炭、碳气凝胶和碳纳米管等；(2)过度金属氧化物及其水合物材料，如氧化镍、二氧化锰以及氧化钌等；(3)导电聚合物材料。其中，活性炭是最早应用于超级电容器的一种电极材料，活性炭电极它是通过直接吸附或掺杂一定量的金属化合物，可制备具有双电层电容和法拉第准电容的复合型电容器，且具有较高的比电容。
目前电极材料制作的超级电容器主要发展状况如下：例如日本松下公司采用炭电极制造的超级电容器，其工作电压3V，能量密度2.2Wh/kg，功率密度400W/kg；Pinnacle研究所采用炭电极制造的超级电容，其工作电压28V，能量密度0.8Wh/kg，功率密度500W/kg；Maxwell国家实验室采用碳气凝胶电极制造的超级电容器，其工作电压24V，能量密度6Wh/kg，功率密度2500W/kg；Livermore国家实验室采用碳气凝胶制造的超级电容器，其工作电压1V，能量密度2Wh/kg，功率密度2000W/kg；Los Alamos国家实验室采用导电聚合物电极制造的超级电容器，其工作电压0.75V，能量密度2Wh/kg，功率密度500W/kg。
可以看出，现有技术中电极材料制作的超级电容器的工作电压较低，无法满足具有更高工作电压需求的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种超级电容器的电极和超级电容器，以解决现有技术中超级电容器工作电压较低的缺陷，可有效提高超级电容器的工作电压和电容量。
为实现上述目的，本发明提供了一种超级电容器的电极，包括集流体和形成在所述集流体上的电极材料，所述电极材料为纳米钙钛矿结构陶瓷材料。
其中，所述纳米钙钛矿结构陶瓷材料内还混合有碳气凝胶或纳米活性炭。所述集流体由铝、镍、铜、镁、钛中的一种或多种制成；或者，所述集流体由氧化铝、氧化镍、氧化铜、氧化镁、氧化钛中的一种或多种制成。所述电极材料通过溶胶-凝胶法、金属有机化学气相沉积法、脉冲激光沉积法或射频磁控溅射法形成在所述集流体上。
所述纳米钙钛矿结构陶瓷材料还可以为改性纳米钙钛矿结构陶瓷材料，其中，所述改性纳米钙钛矿结构陶瓷材料为在纳米钛酸钡中掺杂钙、镁、锶、镍、硅、锰、铬或钒的一种或多种的纳米钙钛矿结构陶瓷材料。
本发明还提供了一种超级电容器，包括串联连接的至少一个电容器单元，所述电容器单元包括第一电极、第二电极和间隔设置在所述第一电极和第二电极之间的隔膜，所述第一电极、第二电极和隔膜设置在电解质溶液内，所述第一电极和第二电极分别包括集流体和形成在所述集流体上的电极材料，所述电极材料为纳米钙钛矿结构陶瓷材料。
其中，所述纳米钙钛矿结构陶瓷材料内还混合有碳气凝胶或纳米活性炭。所述集流体由铝、镍、铜、镁、钛中的一种或多种制成；或者，所述集流体由氧化铝、氧化镍、氧化铜、氧化镁、氧化钛中的一种或多种制成。所述电极材料通过溶胶-凝胶法、金属有机化学气相沉积法、脉冲激光沉积法或射频磁控溅射法形成在所述集流体上。
所述纳米钙钛矿结构陶瓷材料还可以为改性纳米钙钛矿结构陶瓷材料，其中，所述改性纳米钙钛矿结构陶瓷材料为在纳米钛酸钡中掺杂钙、镁、锶、镍、硅、锰、铬或钒的一种或多种的纳米钙钛矿结构陶瓷材料。
本发明技术方案通过采用具有高介电常数的钙钛矿结构陶瓷材料作为电极的电极材料，在保证超级电容器电容量的同时，有效提高了超级电容器的工作电压，可满足对工作电压有更高要求的场合，提高了超级电容器的适用范围。
附图说明
图1为本发明超级电容器的电极实施例的结构示意图；
图2为本发明超级电容器实施例的结构示意图；
图3为本发明超级电容器实施例的另一结构示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明超级电容器的电极实施例的结构示意图。如图1所示，该电极包括集流体11和形成在集流体11上的电极材料12，其中，电极材料12为纳米钙钛矿结构陶瓷材料。具体地，该纳米钙钛矿结构陶瓷材料为纳米钛酸钡，或者为在纳米钛酸钡中掺杂钙、镁、锶、镍、硅、锰、铬或钒的一种或多种的改性纳米钙钛矿结构陶瓷材料，该纳米钙钛矿结构陶瓷材料或改性纳米钙钛矿结构陶瓷材料为高介电常数陶瓷材料。
实际应用中，本实施例的集流体11可由各种导电金属以及金属氧化物组成。具体地，本实施例中的集流体11可由铝、镍、铜、镁、钛等中的一种或多种制成；或者，本实施例中集流体11也可由氧化铝、氧化镍、氧化铜、氧化镁、氧化钛等中的一种或多种制成。同时，集流体11也可以制成具有各种形状的结构，具体地，根据实际的需要可制作合适材料或合适形状的集流体11。
实际应用中，本实施例的电极材料12可通过合适的方法形成在集流体11的表面，如可通过溶胶-凝胶法、金属有机化学气相沉积法、脉冲激光沉积法或射频磁控溅射法等方法将电极材料12形成在集流体11表面，使得集流体11表面形成钙钛矿结构陶瓷薄膜，并可对形成钙钛矿结构陶瓷薄膜的集流体11进行焙烧，获得超级电容器的电极。
此外，实际应用中也可上述纳米钙钛矿结构陶瓷材料以及改性的纳米钙钛矿结构陶瓷材料与碳气凝胶、纳米活性炭等混合，并将混合后的材料作为电极材料，混合后获得的电极材料也可通过上述方法形成在集流体表面，获得超级电容器的电极。
本实施例中的电极可用于制造双电层电容以及电解电容的超级电容器，由于电极材料采用具有高介电常数的钙钛矿结构陶瓷材料，使得制成的超级电容的电极具有较高的耐压能力，利用该电极获得的超级电容器具有较高的工作电压，同时，由于纳米钙钛矿结构陶瓷材料形成在集流体时可具有较大的表面积，因此，使得超级电容器具有较大的电容量，可具有较大的储能特性。实际使用中，发明人利用上述本实施例的电极获得的超级电容器的工作电压可达50V，电容量可达500F，能量密度可达300Wh/kg，功率密度可达600Wh/kg。
以上技术方案可以看出，本实施例通过采用具有高介电常数的纳米钙钛矿结构陶瓷材料作为超高电容器电极的电极材料，获得的电极具有较大的表面积，且电极具有较高的耐压能力，在保证超级电容器容量的同时，可有效提高超级电容器的工作电压。
图2为本发明超级电容器实施例的结构示意图。具体地，如图2所示，本实施例超级电容器包括串联连接的至少一个电容器单元，其中，每个电容器单元可包括第一电极1、第二电极2和间隔设置在第一电极1和第二电极2之间的隔膜3，第一电极1、第二电极2和隔膜3设置在电解质溶液4内，第一电极1和第二电极2分别包括集流体11和形成在集流体11上的电极材料12，电极材料12为纳米钙钛矿结构陶瓷材料，本实施例中电极材料12具体可为纳米钛酸钡，或者在纳米钛酸钡中掺杂钙、镁、锶、镍、硅、锰、铬、钒等的一种或多种的改性纳米钙钛矿结构陶瓷材料。具体地，本实施例中以两个电容器单元串联形成超级电容器，在两个串联电容器单元外设置一外壳5，且在电容器单元外层的电极的两个集流体上分别引出电极引脚6，作为超级电容器的输出引脚。
本实施例中的集流体11可由各种导电金属以及金属氧化物制成。具体地，本实施例中的集流体11可由铝、镍、铜、镁、钛等中的一种或多种制成；或者，集流体11也可由氧化铝、氧化镍、氧化铜、氧化镁、氧化钛等中的一种或多种制成。具体地，可根据实际的需要，选择合适的材料及形状的集流体11，以获得符合需要的超级电容器。
本实施例中的电极材料12可通过合适的方法形成在集流体11上，如可通过溶胶-凝胶法、金属有机化学气相沉积法、脉冲激光沉积法或射频磁控溅射法等方法将电极材料12形成在集流体11上，具体地，可根据实际的需要选择合适的方法将电极材料11形成在集流体11表面，同时，可对表面形成具有纳米钙钛矿结构陶瓷材料的集流体11进行焙烧，并将焙烧后的具有纳米钙钛矿陶瓷材料的集流体11作为超级电容器的第一电极1和第二电极2。
此外，实际应用中也可上述纳米钙钛矿结构陶瓷材料以及改性的纳米钙钛矿结构陶瓷材料与碳气凝胶、纳米活性炭等混合，并将混合后的材料作为电极材料，混合后获得的电极材料也可通过上述方法形成在集流体表面，获得超级电容器的电极。
本实施例超级电容器中的电极采用高介电常数的纳米钙钛矿结构陶瓷作为电极材料，由于高介电常数的纳米钙钛矿结构陶瓷具有较强的耐压能力，因此，使得超级电容器具有较高的工作电压；同时，形成在集流体表面的纳米钙钛矿结构的陶瓷薄膜具有较大的表面积，且第一电极和第二电极之间可设置成具有较小的距离，因此，制成的超级电容器还具有较高的电容量，具有较高的储能特性。
将两个电容器单元串联时，可将需要串联连接的集流体焊接在一起，以使得两个电容器单元电连接在一起。此外，实际应用中，如图3所示，为本发明超级电容器实施例的另一结构示意图，串联连接的两个电容器单元的两个集流体也可为一体结构，即在制作超级电容器电极的时，将该集流体的两个表面都形成纳米钙钛矿结构陶瓷薄膜，这样，在多个电容器单元串联时不需要将串联连接的集流体焊接在一起，而是在制作电极时就将两者作为一体，可有效提高电容器的组装效率，减少组装工序，降低超级电容器的体积，降低电容器的成本。
实际应用中，也可将三个或三个以上的电容器单元串联连接组成超级电容器，以获得合适工作电压及电容量的超级电容。具体地，可根据实际的需要，设置合适数量的电容器单元，以满足实际的需要。
可以看出，本发明实施例通过采用高介电常数的钙钛矿结构陶瓷作为电极材料，使得利用该电极材料的超级电容在具有较高电容量的同时，还有效提高了超级电容器的工作电压，提高了超级电容器的适用范围。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种超级电容器的电极，包括集流体和形成在所述集流体上的电极材料，其特征在于，所述电极材料为纳米钙钛矿结构陶瓷材料。
2.根据权利要求1所述的超级电容器，其特征在于，所述纳米钙钛矿结构陶瓷材料内混合有碳气凝胶或纳米活性炭。
3.根据权利要求1所述的超级电容器，其特征在于，所述集流体由铝、镍、铜、镁、钛中的一种或多种制成；或者，
所述集流体由氧化铝、氧化镍、氧化铜、氧化镁、氧化钛中的一种或多种制成。
4.根据权利要求1所述的超级电容器，其特征在于，所述电极材料通过溶胶-凝胶法、金属有机化学气相沉积法、脉冲激光沉积法或射频磁控溅射法形成在所述集流体上。
5.根据权利要求1所述的超级电容器，其特征在于，所述纳米钙钛矿结构陶瓷材料为改性纳米钙钛矿结构陶瓷材料，其中，所述改性纳米钙钛矿结构陶瓷材料为在纳米钛酸钡中掺杂钙、镁、锶、镍、硅、锰、铬或钒的一种或多种的纳米钙钛矿结构陶瓷材料。
6.一种超级电容器，特征在于，包括串联连接的至少一个电容器单元，所述电容器单元包括第一电极、第二电极和间隔设置在所述第一电极和第二电极之间的隔膜，所述第一电极、第二电极和隔膜设置在电解质溶液内，所述第一电极和第二电极分别包括集流体和形成在所述集流体上的电极材料，所述电极材料为纳米钙钛矿结构陶瓷材料。
7.根据权利要求6所述的超级电容器，其特征在于，所述纳米钙钛矿结构陶瓷材料内混合有碳气凝胶或纳米活性炭。
8.根据权利要求6所述的超级电容器，其特征在于，所述集流体由铝、镍、铜、镁、钛中的一种或多种制成；或者，
所述集流体由氧化铝、氧化镍、氧化铜、氧化镁、氧化钛中的一种或多种制成。
9.根据权利要求6所述的超级电容器，其特征在于，所述电极材料通过溶胶-凝胶法、金属有机化学气相沉积法、脉冲激光沉积法或射频磁控溅射法形成在所述集流体上。
10.根据权利要求6所述的超级电容器，其特征在于，所述纳米钙钛矿结构陶瓷材料为改性纳米钙钛矿结构陶瓷材料，其中，所述改性纳米钙钛矿结构陶瓷材料为在纳米钛酸钡中掺杂钙、镁、锶、镍、硅、锰、铬或钒的一种或多种的纳米钙钛矿结构陶瓷材料。
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