一种绝缘隔膜高压超级电容器的制作方法

1.本发明属于储能电容器领域，具体涉及一种绝缘隔膜高压超级电容器。


背景技术：

2.超级电容器作为一种新型储能装置，兼具电容器与蓄电池的优点，具有功率密度高(可达1000w/kg，相当于蓄电池的5-10倍),循环寿命长（可循环充放电50万-100万次），充放电速度快，工作温限宽，绿色环保等优点，在新能源汽车，风力和光伏太阳能储电，医疗卫生，电子，军事等领域具有广阔的应用前景。
3.但是超级电容器也有短板，就是单体能量密度比蓄电池低得多，均在30wh/kg以内，而锂电池的能量密度都在200wh/kg到350k/kg之间，超级电容器过低的能量密度，制约了超级电容器在更大范围的应用。
4.电解质溶液的分解电压制约了超级电容器的工作电压，当前的材料和技术条件下，单体超级电容器的工作电压不超过3伏。因为能量密度与电容值成正比，与工作电压的平方成正比，即e=1/2cu
²
，提高工作电压是提高超级电容器能量密度的关键。


技术实现要素：

5.针对上述技术现状，本发明提供了一种绝缘隔膜高压超级电容器的制备方法，通过结构改进，能显著提高超级电容器的工作电压，从而大幅度提高超级电容器的能量密度。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:一种绝缘隔膜高压超级电容器，包括正电极片，负电极片，绝缘隔膜，电解质溶液，电解纸（电解纸隔开电极片和绝缘隔膜并吸收储存电解质溶液），其特征是:1，所述电极材料为高比表面积的多孔导电材料，包括但不限于活性炭，石墨烯，碳纳米管，泡沫金属等。本发明不涉及赝电容现象，所述电极材料只注重比表面积和导电性，对材料的活性不做要求。
6.，所述的电解质溶液一般为环保的水性电解液，如碳酸钾，氢氧化钾，氯化钠，硫酸铝等的水溶液，要求有尽可能高的离子浓度。特殊要求可用其他耐高低温的电解质溶液。
7.，所述的绝缘隔膜为复合绝缘高介电常数的电介质薄膜，该薄膜用高导电率的金属纳米颗粒（理想导体的介电常数接近无限大），或者用晶粒钛酸钡纳米颗粒（介电常数20000-80000），混入高密度聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯或者聚酰亚胺等耐电压的高分子聚合物中，搅拌均匀，制成薄膜（图2）。上述纳米颗粒和高分子聚合物的比例以纳米颗粒在高分子聚合物中均匀分散，颗粒之间彼此靠近但又互不接触为最佳。制成的薄膜放入酸液进行蚀刻和表面化学粗化，以增大表面面积。
8.本发明的原理和优点超级电容器电解质溶液的分解电压制约了超级电容器的工作电压。电解是使电流通过电解质溶液而在阴阳两极引起氧化还原反应的过程。形成电解的条件1，直流电源。2，插在电解质溶液中与电源相连的两个电极。3，形成闭合回路。其实这也是超级电容器的充
电电路，充电电压高于电解质溶液的分解电压时，就会造成电解质溶液的分解。我们把超级电容器两个电极间的隔膜换成绝缘隔膜，阻断离子的传导，就等于断开了闭合回路，就等于阻断了电解的条件，即使充电电压高于电解质溶液的分解电压，电解质溶液也不会分解。
9.另外一种证明方法是，绝缘隔膜把超级电容器分开形成了两个封闭的系统，根据电荷守恒定律，孤立系统中，不论发生什么变化，其中所有电荷的代数和永远保持不变。电中性原则，溶液中电解质正负离子平衡，整体溶液向外不表现带电的属性。所以电解反应不能进行。
10.超级电容器可以等效为两个平板电容器串联（图3）。把超级电容器的隔膜换成复合绝缘高介电常数的电介质薄膜后，可以等效为三个平板电容器串联（图4）。图四中1和3的紧密双层距离很小，纳米级别，根据公式c=&s/d,电容1和电容3的容量很大；电容2的复合绝缘高介电常数的电介质薄膜厚度，按现在技术，超薄膜可以做到3微米，实践中按10微米至30微米算，公式c=&s/d中介电常数&80000或者接近无限大，d=30微米=30000纳米，&和d足可以抵消；复合绝缘高介电常数的电介质薄膜中的颗粒是纳米级的超细颗粒，蚀刻时，薄膜表面的颗粒被腐蚀掉，留下纳米级的微孔，后经化学粗化，进一步增加微孔结构，增加表面积；当电容2的表面积s2和电容1电容3的表面积s1，s3相同时，c2=c1=c3，此时改换隔膜的电容器的容量1/c=1/c1+1/c2+1/c3，c=1/3c1=1/3c2=1/3c3,是原电容值的1/3。
11.虽然改换隔膜的电容容量降低了，但是因为阻断了电解质溶液的电解，工作电压可以大幅提高。按原来电压是3伏，e=1/2cu
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=1/2*c*3
²
=4.5c。电压增加到48伏时，e=1/2cu
²
=1/2*1/3c*48
²
=384c，能量密度增大了85倍。电压增加到72伏时，e=1/2cu
²
=1/2*1/3c*72
ꢀ²
=864c，能量密度增大了192倍。电压增加到400伏时，e=1/2cu
²
=1/2*1/3c*400
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=26666c，能量密度增大了5925倍。
12.当下锂离子电池的理论能量密度大约350wh/kg。我国性能较好的超级电容器能量密度30wh/kg，按对半15wh/kg，算，电压48伏时，绝缘隔膜高压超级电容器的能量密度是15wh/kg*85=1275wh/kg,是锂离子电池的3倍多。电压72伏时，绝缘隔膜高压超级电容器的能量密度是15wh/kg*192=2880wh/kg,是锂离子电池的8倍多。电压400伏时，绝缘隔膜高压超级电容器的能量密度是15wh/kg*5925=88875wh/kg,是锂离子电池的253倍多。这么高的能量密度，足以替代锂离子电池，应用在新能源汽车，风力和光伏太阳能的储电，医疗，军事，国防，电子等众多领域。
13.本发明的优点是，能量密度高，功率密度高，充放电速度快，造价便宜，环保无污染，遇撞击不爆炸不起火燃烧，而且因为绝缘隔膜的高耐电压，减小了漏电流，因此储存电能的时间更长。
14.图1是超级电容器隔膜换成复合绝缘高介电常数的电介质薄膜后，电极和电解质溶液中电荷分布示意图。
15.图2是复合绝缘高介电常数的电介质薄膜的结构图。
16.图3是超级电容器的等效平板电容图。
17.图4是复合绝缘高介电常数的电介质薄膜超级电容器的等效平板电容图。
18.图5是圆柱形结构示意图。
19.图6是矩形结构示意图。
具体实施方式
20.本发明结构之一，是由圆柱形壳体，正负两个电极片，两个复合绝缘高介电常数的电介质薄膜，电解质溶液和四张电解纸构成，其特征是：电极片和电介质薄膜依次叠放，电极片和电介质薄膜之间用电解纸隔开（电解纸的作用是吸收储存电解质溶液），卷绕成圆柱形；两个电极片用引线引出，或者电极片延伸出来做成全极耳；注入或浸入电解质溶液，吸收完毕后，两端用橡胶或者环氧树脂等绝缘材料密封，以保持两极间的绝缘；然后放入壳体，封装成型（图5）。
21.本发明的另一种结构，是由矩形壳体，几对或者几十对几百对电极片，相应数量的复合绝缘高介电常数的电解质薄膜，电解质溶液和电解纸构成，其特征是：电极片和复合绝缘高介电常数的电介质薄膜依次叠放，两者之间用电解纸隔开，电极片用引线引出，或者电极片延伸出来做成全极耳，然后整体用橡胶或者环氧树脂等绝缘材料密封，保持两极间的绝缘，最后放入壳体，封装成型（图6）。
22.显然，以上所述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中是实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有实施例，都属于本发明的保护范围。