專利名稱：高倍率圓柱型超級電容器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種超級電容器，特別是高倍率的圓柱型超級電容器。
技術背景
超級電容器具有功率密度大，充放電速度快、使用壽命長、工作溫度范圍寬、 免維護、經濟環保等優點，在工業電器、消費電子、交通運輸、綠色能源領域高功率脈 沖、瞬時功率保持方面具有廣泛的應用。
高功率脈沖和瞬時功率都要求超級電容器具有較低的等效串聯內阻。一般來 說，超級電容器內阻為R1 = Rd+Ra。_+Ra。t(P)+Rcraiw +RCon (P) +Rcol (N) +Rcol (P) +Rtab (N) +^tab (P)， 其中Rel代表電解液電阻，Rart代表電極活性層電阻，Rcrai代表電極活性層與集流體的接觸 電阻，Rctjl代表集流體電阻，Rtab代表極耳電阻，下標N、P分別代表負極和正極。目前， 人們更多的還是從電極導電性能等方面來改善，很少有從電容設計結構方面來優化和改 進的，事實上電容器中極片和極耳的結構設計是至關重要的。圓柱型超級電容器的正負 極片中的集流體各為長條形鋁箔，極耳焊接在鋁箔的側邊上。傳統的正負極片采用單極 耳，并且極耳處于極片的一端，這種結構使得電容熱效應變差，加大了電容器內阻。另 外作為集流體的鋁箔選擇的厚度也不夠合理，也影響到電容熱效應。以上缺陷致使現有 圓柱型超級電容器高倍率放電性能不佳，應用范圍受到限制。發明內容
本發明要解決的技術問題是克服現有超級電容器極片結構方面的缺陷，提供一 種改進極片結構，減小電容器內阻，提高高倍率放電性能的高倍率圓柱型超級電容器。
本發明的技術方案是高倍率圓柱型超級電容器中正、負極片中的集流體各為 單張長條形鋁箔，正、負極耳焊接在長條形鋁箔的側邊上，其改進之處是所述正極耳為 一個，位于正極片集流體的長度方向側邊的1/2處，負極耳為兩個，分別位于負極片集 流體的長度方向側邊的1/4和3/4處；或者所述正極耳為兩個，分別位于正極片集流體的 長度方向側邊的1/4和3/4處，負極耳為一個，位于負極片集流體的長度方向側邊的1/2 處。
進一步的改進是所述鋁箔厚度為10 50 μ m。
本發明的有益效果是與傳統的正負極片采用單極耳，極耳處于極片一端的結 構相比，本發明引入三極耳結構，通過理論分析進行結構優化，同時對鋁箔厚度作了優 選，可明顯降低電容內阻，提高電容的倍率性能。本發明結構簡單、不增加制造成本、 應用范圍廣泛，具有顯著的實用價值和經濟效益。
對本發明的有益效果可通過如下理論分析作進一步說明
目前，超級電容器的正、負極采用鋁箔作為集流體，根據Rctjl= PXL/ (WXT)，其中Rctjl為集流體電阻，P集流體材料的電阻率，L集流體長度，W為集 流體寬度，T為集流體厚度，通常對已確定型號大小的超級電容器，其所用集流體的長度L和寬度便隨之確定了，因此，通過增加集流體厚度可以減少集流體電阻。具體 計算過程如下假設單位時間單位面積反應的物質量一定為η mol電子，則總反應電 流I = nXFXLXW，單位面積產生的電流為nXF，其中F為法拉第常數，L，W如前 所示。首先計算圖Ia負極產熱Q-，以負極無極耳的一端處為直角坐標原點0，則任 意χ點處的電流Ix = nXFXWXX，又Δχ的電阻為Rx = ρ X Ax/(WXT)，則負極 集流體的產熱dQ- = (nXFXWXX)2X P Xdx/(WXT) (1)，對方程(1)在O L范 圍內進行積分，最后得到Q- = I2XR_/3。圖Ia正極產熱Q+推理分析同負極，Q+ = I2X (RV3)，由于所有產生的電流均流過正負極耳，則Qtabi =I2X (Rtab++RtabJ。因此， Q = I2XR_/3+I2XR^/3+I2X (Rtab++Rtab_)⑵。根據電阻通式 R = P XL/(WXT)，將正 極、負極和極耳的相關參數代入方程O)，便可以求得大電流放電時，集流體材料的特性 對電容熱效應Q的影響。計算表明通過增加集流體鋁箔厚度時對電容熱效應改善是 有限的，另外，在有限空間內，若鋁箔厚度過大勢必減少電容容量。因此，綜合多種因 素，鋁箔的厚度應為10 50um，最佳范圍為10 30um。
眾所周知，極耳在電容中起著聯通集流體和外部電路的作用，因此，極耳材 質、數目和位置都會影響電容內阻，從結構優化的角度，本發明重點考慮后者的影響。 理論上說，極耳的數目越多，電容內阻越少，但是極耳數目的增加，勢必占去更多的空 間，導致電容容量減少。另外，極耳數目過多，電容的可制造性變差，電容的制造成本 也會增加。因此，正負極片中所采用的極耳數目應綜合多種因素的影響。本發明對傳 統電容極片正負各一個極耳的結構進行改進，引入三極耳結構。如同分析集流體對電容 熱效應影響一樣，我們針對三極耳結構中極耳的不同位置分別進行了理論計算和分析， 最終選定本發明的技術方案，即正極一個極耳居中，負極兩個極耳分別置于負極片的1/4 處和3/4處，或負極一個極耳居中，正極兩個極耳分別置于正極片的1/4處和3/4處。


圖1為本發明中極片結構示意圖，A為正極片，B為負極片；
圖2為本發明中極片另一種結構示意圖，C為正極片，D為負極片；
圖3為現有電容器中極片結構示意圖，E為正極片，F為負極片。
具體實施方式
實施例1
以活性炭作為正極活性材料，乙炔黑為導電劑，聚偏氟乙烯(PVDF)為粘結 劑。按85 7 8比例將三者混合均勻并加入300份N-甲基吡咯烷酮(NMP)調均成糊 狀，均勻涂在20um厚的鋁箔上并烘干，最后碾壓成136um，裁剪成57.5 X 1120mm的長 條形，得到正極片。正極耳為一個，焊接在集流體長邊的1/2處，并粘貼好保護膠帶。
將負極活性物質活性炭，導電劑乙炔黑，粘結劑聚偏氟乙烯(PVDF)按 85 7 8比例混合均勻并加入300份N-甲基吡咯烷酮(NMP)調均成糊狀，均勻涂在 20um厚的鋁箔上并烘干，最后碾壓成136um，裁剪成56 X 1080mm的長條形，得到負極 片，將兩個負極耳分別焊接在集流體長邊的1/4和3/4處，并粘貼好保護膠帶。如圖1 所示。
然后采用25um厚的TF隔膜，按隔膜、正極、隔膜、負極的順序卷繞成18650電芯。
將上述電芯放入金屬殼中、滾槽、焊底、注入非水電解液、焊蓋、封口、最終 裝配成18650圓柱型超級電容器。
實施例2:
與實施例1類似，不同之處在于正極耳為兩個，分別位于集流體長邊的1/4和 3/4處，負極耳為一個，位于集流體長邊的1/2處。如圖2所示。
比較例
按常規工藝和結構制成超級電容器，其中極片結構如圖3所示，正、負極耳各 一個，分別位于集流體長邊的一端。
超電容性能檢測
首先對上述方法制作的各種電容器進行化成和后處理，并采用1000Hz的交流阻 抗測試儀測定超電容的內阻，隨后進行大倍率放電。
測試方法如下
IC充電，IC電流CCto2.7V，截止電流5mA，休眠10分鐘，然后用1C，10C， 50C，100C、200C放電到U5V。性能對比如下表
權利要求
1.一種高倍率圓柱型超級電容器，該電容器中正、負極片中的集流體各為單張長條 形鋁箔，正、負極耳焊接在長條形鋁箔的側邊上，其特征是所述正極耳為一個，位于正 極片集流體的長度方向側邊的1/2處，負極耳為兩個，分別位于負極片集流體的長度方 向側邊的1/4和3/4處；或者所述正極耳為兩個，分別位于正極片集流體的長度方向側邊 的1/4和3/4處，負極耳為一個，位于負極片集流體的長度方向側邊的1/2處。
2.按權利要求1所述高倍率圓柱型超級電容器，其特征是所述鋁箔厚度為10 50 μ m。
全文摘要
本發明公開了一種高倍率圓柱型超級電容器，電容器中正、負極片中的集流體各為單張長條形鋁箔，正極耳為一個，位于正極片集流體長邊1/2處，負極耳為兩個，分別位于負極片集流體長邊的1/4和3/4處，或者正極耳為兩個，分別位于正極片集流體長邊的1/4和3/4處，負極耳為一個，位于負極片集流體長邊1/2處。所述鋁箔厚10～50μm。本發明對傳統的正負極片采用單極耳，且極耳處于極片一端的結構進行改進，引入三極耳結構，通過理論分析進行結構優化，并對鋁箔厚度作了優選，可明顯降低電容內阻，提高電容的倍率性能，尤其適用于高功率脈沖、瞬時功率要求高的應用領域，具有顯著實用價值和經濟效益。
文檔編號H01G9/004GK102024566SQ20101021664
公開日2011年4月20日 申請日期2010年6月30日 優先權日2010年6月30日
發明者張海林 申請人:南京雙登科技發展研究院有限公司