[发明专利]一种锂离子超级电容器及其组装方法

说明书

技术领域

本发明涉及超级电容器的设计方法，具体为一种新型不对称锂离子超级电容器及其组装方法。

背景技术

煤和石油作为储量有限的化石能源面临着污染严重、来源枯竭的困境。一个多世纪的以化石能源提供动力的工业发展，使地球的环境恶化、资源过度开采。为了实现可持续性的发展，开发绿色能源模式显得尤为重要。国家中长期技术发展纲要中，把超级电容器关键材料及制备技术作为一个重要组成部分列入了前沿新材料技术研究范畴。超级电容器具有高功率的显著特征，是电池不可或缺的关键性辅助器件，在电动汽车、数码消费和国防工业中已崭露头角。遗憾的是，由于传统的对称结构超级电容器的能量密度低，使得进一步拓展其应用范围遇到了困难。

氧化钛纳米结构是一种先进的锂离子储能材料，其质量比容量可以达到200mAh/g左右，理论容量达325mAh/g。氧化钛纳米结构的锂离子储能机制依赖于其晶型结构，只有非晶态结构的纳米结构的储能机制体现为电容特性，如非晶态氧化钛纳米管阵列锂离子储能机制在充放电行为上不存在恒定的电压平台，因而具有明显的电容行为。非晶态氧化钛纳米结构的电容行为的锂离子储能机制一方面能够适应快速充放电，另一方面能够提高能量密度。中孔结构炭材料(孔径2-10nm)由于具有高比例的中孔通道，能有效提高离子的传输速率，是富有潜力的双电层特性电极材料，其质量比容量多数分布在100-200F/g之间。中孔结构炭材料的发达中孔结构可以提高有机阴离子的传输速率，改善功率密度。对于具有高工作电压的有机系电解液(2-3V)，通过将锂离子储能特性的非晶态氧化钛纳米结构和双电层特性的中孔炭材料分别作为负极和正极材料组装成先进新型锂离子超级电容器，将两者结合，能够实现高功率密度和高能量密度的共存。可以获得比传统的基于赝电容或双电层电容机制的超级电容器更优越的性能。

发明内容

为了进一步拓展超级电容器在能源领域的应用，本发明的目的在于提供一种新型的不对称锂离子超级电容器及其组装方法，得到的超级电容器同时获得高能量、高功率密度，解决传统的基于水质电解液或非锂盐有机电解液的对称或非对称结构超级电容器的能量密度低等问题以及进一步拓展其应用范围。

本发明的技术方案是：

本发明提供了超级电容器的设计方法，即一种新型锂离子超级电容器的组装方法。通过结合非晶态氧化钛纳米结构的锂离子储能特性和中孔炭材料的双电层电容特性，在Li盐有机电解质溶液中，以非晶态氧化钛纳米结构材料为负极，以中孔结构炭材料为正极，组装了锂离子超级电容器。具体过程如下：将氧化钛纳米结构基片丙酮清洗并真空干燥，得到复合电极材料；或将活性电极材料(中孔结构炭材料或氧化钛纳米结构材料)和粘结剂、导电剂以一定比例在乙醇中混和均匀，真空干燥后得到复合电极材料；称量一定质量的复合电极材料，以乙醇润湿后涂抹到发泡镍集电极上，真空干燥；即可将氧化钛纳米结构基片和中孔结构炭材料发泡镍复合电极组装成锂离子超级电容器。

本发明所选用的活性电极材料为纳米结构氧化钛和中孔结构炭材料；所述纳米结构氧化钛包括纳米颗粒(其直径为5-100nm)、纳米线、纳米管、纳米管阵列；纳米线的规格为：直径10-100nm，长度1-20μm；纳米管的规格为：内径5-30nm，外径20-50nm，长度1-10μm；纳米管阵列的规格为：内径20-40nm，外径50-100nm，长度1-100μm，如阳极氧化工艺制备的非晶态氧化钛纳米管阵列；所述中孔结构炭材料可以为中孔分子筛为模板制备的中孔炭(按体积百分比计，微孔比例10-40％，中孔比例60-90％)和层次孔炭材料(按体积百分比计，微孔比例30-50％，中孔/大孔比例50-70％)等，或者采用具有不同中孔微孔比例的活性炭材料(按体积百分比计，微孔比例40-90％，中孔比例10-60％)。本发明中，大孔孔径指大于100nm，中孔孔径指2-50nm，微孔孔径指小于2nm。非晶态氧化钛纳米结构的电容行为的锂离子储能机制一方面能够适应快速充放电，另一方面能够提高能量密度。中孔结构炭材料的发达中孔结构可以提高有机阴离子的传输速率，改善功率密度。两者结合，能够实现高功率密度和高能量密度的共存。

本发明中，活性电极材料(中孔结构炭材料或氧化钛纳米结构材料)、粘结剂和导电剂的重量比优选为(80-90)∶(5-10)∶(5-10)。本发明中，乙醇和复合电极材料的比例优选为(5-10ml/1g复合电极材料)。本发明所说的真空干燥为常规技术。干燥除去其中乙醇的具体过程如下：将乙醇润湿的复合电极材料在80-120℃于真空处理12-24小时，除去乙醇。