專利名稱:增加電容電極表面積的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于電容器電池技術(shù)領(lǐng)域,涉及需要超大表面積電極的包括超級(jí)電容、鋰離子電容等儲(chǔ)能元器件,具體是一種制作超大表面積電極的新方法。
背景技術(shù):
電容電池屬于雙電層電容器,是目前世界上已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量最大的一種,其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣,都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量。具有充電速度快、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)、大電流放電能力超強(qiáng)、功率密度高、充放電線路簡(jiǎn)單、超低溫特性好、檢測(cè)方便、單體容量范圍寬的理想綠色環(huán)保的化學(xué)電源。電容電池由正極、負(fù)極以及介于兩者之間的隔膜及電解液組成。通常采用活性炭材料制作成多孔電極,同時(shí)在相對(duì)的碳多孔電極之間充填電解質(zhì)溶液,當(dāng)在兩端施加電壓時(shí),相對(duì)的多孔電極上分別聚集正負(fù)電荷,而電解質(zhì)溶液中的正負(fù)離子將由于電場(chǎng)作用分別聚集到與正負(fù)極板相對(duì)的界面上,從而形成兩個(gè)集電層,相當(dāng)于兩個(gè)電容器串聯(lián)。由于活性碳材料具有> 1200m2/g的超高比表面積(即獲得了極大的電極面積A),而且電解液與多孔電極間的界面距離不到lnm(即獲得了極小的介質(zhì)厚度d),根據(jù)計(jì)算公式電容值為 C= ε ·Α/3.6π(1· 10_6(yF),其中A為極板面積,d為介質(zhì)厚度。所儲(chǔ)存的能量為E = C(AV)2/2可以看出,其中C為電容值,ΔΥ為極板間的電壓降??梢?jiàn),若想獲得較大的電容量,儲(chǔ)存更多的能量,必須增大面積A或減少介質(zhì)厚度d,但介質(zhì)厚度d伸縮空間有限。為增大面積A,通常采用活性碳作為電極材料。例如,中國(guó)專利200710035238. 8中,將納米級(jí)的具有脫嵌鋰特性的化合物材料粉末進(jìn)行機(jī)械融合造粒,形成1 15 μ m的球形顆粒;加入用量為脫嵌鋰特性化合物材料重量的10% 100%的多孔炭材料,再進(jìn)行機(jī)械融合,從而得到多孔炭包覆脫嵌鋰化合物復(fù)合材料,并以該材料為電極材料。此類電容電池由于使用多孔碳作為電極材料,雖然在常溫下提高了器件的比功率,但在高溫下多孔碳會(huì)使電解液分解,很難實(shí)用化。
發(fā)明內(nèi)容
(一)發(fā)明目的針對(duì)上述問(wèn)題,本發(fā)明提供一種利用重離子微孔膜與核孔膜技術(shù)制作超大表面積電極,目的是在保證電容電池性能穩(wěn)定的同時(shí)增加電容電池的比電容(單位體積的電容量或單位重量的電容量)。( 二 )技術(shù)方案—種增加電容電極表面積的方法,關(guān)鍵在于采用帶有金屬鍍層的重離子微孔膜或核孔膜作為電容電池的電極。所述的重離子微孔膜或核孔膜是利用加速器產(chǎn)生的重離子或反應(yīng)堆產(chǎn)生的裂變碎片轟擊高分子聚合物薄膜,使得在薄膜的一側(cè)形成徑跡損傷通道而不穿透,經(jīng)化學(xué)溶液的蝕刻,在薄膜的一面蝕刻出大量點(diǎn)坑。其中,所述點(diǎn)坑的深度為0.1 2(^111,密度為1\105 1\101°/0112,直徑為0.1 9. Oym,優(yōu)選的點(diǎn)坑參數(shù)為深度15 20 μ m,密度1X106 lX108/cm2,直徑5 9. 0 μ m,其中,金屬鍍層所用金屬為金、鉬、銅或銀等,鍍層厚度為50 300nm。(三)發(fā)明效果上述技術(shù)方案提供的方法,在高分子聚合物薄膜一側(cè)經(jīng)過(guò)化學(xué)蝕刻后形成的點(diǎn)坑,其側(cè)面積是增加的表面積,在保證高分子聚合物薄膜強(qiáng)度的條件下,點(diǎn)坑越密,越深,所增加的表面積就越多。經(jīng)計(jì)算,用這種材料作為電極,表面積可以增加1 20倍以上,加電容電池的比電容,進(jìn)而可以有效增加電容電池的容量。
圖1重離子微孔膜電鏡圖片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖,對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明。為增加電容電極表面積,本發(fā)明提供了一種帶有金屬鍍層的重離子微孔膜作為電容電池的電極。其具體制作步驟如下。1)輻照。選用厚度為10 300 μ m的高分子聚合物薄膜作基膜,本實(shí)施例選用 25 μ m的聚酯薄膜作基膜。在中國(guó)原子能科學(xué)研究院的串列加速器上,以負(fù)離子源產(chǎn)生S4 離子,加速后再剝離成S+11離子,當(dāng)加速器頭部高壓為10MV,經(jīng)加速后產(chǎn)生能量為120 500MeV的硫離子束,束流強(qiáng)度為0. InA 1mA,在右70度管道上輻射在基膜上,照射時(shí)間為 0. 1 0. 8 秒。2)敏化。將照射后的基膜用功率為50 1000瓦紫外線燈照射敏化,燈與基膜的距離為0. 1 10cm,敏化時(shí)間為60 180min。3)蝕刻。將敏化后的基膜放到濃度為15 30個(gè)當(dāng)量的NaOH溶液里進(jìn)行蝕刻, 蝕刻時(shí)間為1 60min,蝕刻溫度為70度。蝕刻出清晰圖案后,利用弱酸溶液和電阻大于2 兆歐的高純水清洗,經(jīng)過(guò)溫度70度不帶風(fēng)機(jī)的烘箱烘干。經(jīng)過(guò)上述工藝處理之后,在樣品表面形成大量點(diǎn)坑。點(diǎn)坑深度為15 20 μ m,密度為 1 X IO6 1 X IoVcm2,直徑為 5 9. 0 μ m。4)鍍金屬鍍層。用高溫真空蒸發(fā)的方法在上述核孔膜的表面鍍一層厚度為100 150nm的金。選用本實(shí)施例所生產(chǎn)的重離子微孔膜為電極,以碳酸乙烯酯/碳酸二乙酯(1 1) 為電解液組裝成電容電池,經(jīng)性能測(cè)試,比能量為50Wh/Kg,比功率為5000W/Kg。實(shí)施例2用實(shí)施例1所提供的方法制備電容電池的電極,利用反應(yīng)堆產(chǎn)生的裂變碎片轟擊高分子聚合物薄膜,反應(yīng)堆功率為5-15兆瓦,輻照時(shí)間為10-100秒。在樣品表面形成大量點(diǎn)坑,點(diǎn)坑深度為0. 1 20 μ m,密度為1 X IO5 1 X IO1Vcm2,直徑為0. 1 9. 0 μ m。選用本實(shí)施例所生產(chǎn)的核孔膜為電極,經(jīng)性能測(cè)試比功率為4800W/Kg。
實(shí)施例3用實(shí)施例1所提供的方法制備帶有金屬鍍層的重離子微孔膜作為電容電池的電極,改變蝕刻后的點(diǎn)坑參數(shù),技術(shù)指標(biāo)如表1。表1不同點(diǎn)坑參數(shù)制備電極的技術(shù)指標(biāo)
權(quán)利要求
1.一種增加電容電極表面積的方法,其特征在于用帶有金屬鍍層的重離子微孔膜或核孔膜作為電容電池的電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增加電容電極表面積的方法,其特征在于所述重離子微孔膜或核孔膜的點(diǎn)坑深度為0. 1 20 μ m,密度為IXlO5 1 X 101Q/Cm2,直徑為0. 1 9. 0 μ m0
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的增加電容電極表面積的方法,其特征在于優(yōu)選的點(diǎn)坑參數(shù)是,深度為15 20 μ m,密度為1 X IO6 1 X 108/cm2,直徑為5 9. 0 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增加電容電極表面積的方法,其特征在于所述的金屬鍍層所用金屬為金、鉬、銅或銀,鍍層厚度為50 300nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的增加電容電極表面積的方法,其特征在于形成所述金屬鍍層采用的是高溫真空蒸發(fā)法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種增加電容電極表面積的方法,即采用帶有金屬鍍層的重離子微孔膜或核孔膜作為電容電池的電極。用這種材料作為電極,表面積可以增加1~20倍以上。
文檔編號(hào)H01G9/058GK102426931SQ20111023077
公開日2012年4月25日 申請(qǐng)日期2011年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月12日
發(fā)明者傅元勇, 劉永輝, 吳振東, 周書華 申請(qǐng)人:中國(guó)原子能科學(xué)研究院