[发明专利]复合正极材料、电池——超级电容储能器及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型储能器，具体地说是电池——超级电容储能器，属于电池、电容器技术领域。

背景技术

由于能源短缺和城市环境污染的加剧，科学家早在20世纪60年代就提出了混合电动车的概念，其目的是节约燃油和降低废气排放。混合电动车的出现要求有与之相适应的动力电源。目前大多数的混合电动车的电源有两类。一类是以二次电池作为动力电源，但是电池的功率密度小，不能满足电动车启动、加速、爬坡时的输出功率要求；充放电电流小，充电时间较长，不能满足短时间内大电流充放的要求；而且循环寿命较短。另一类是以超级电容器作为动力电源，它是一种绿色能源，具有比功率高、充电速度快、循环寿命长、等优点；但是比能量小，这是目前超级电容器的最大缺陷。近些年来的实验证实，无论是二次电池还是超级电容器都无法从整体上达到作为混合电动车动力电源的最佳要求。

将超级电容器与二次电池组合使用，这样可以在车辆加速、刹车或爬坡的时候提供车辆所需的高功率，同时减少了大电流对电池的冲击作用，增加了电池使用寿命；而且减少启动电池的使用数量，提高能量利用效率。但是这种方法的组合技术复杂，电路管理系统控制困难，而且成本较高。

为了使得高的能量密度与高的功率密度不能在同一储能器件中同时存在，提出了新型储能器件：电池——电容器复合储能器，可得到比双电层电容器大得多的电荷容量，是一种介于双电层电容器与二次电池之间的新概念能量储存器件。它是将锂离子电池的离子嵌入——脱嵌机制与超电容的双电层机制协调组合一个储能器件中。在原理上与混合电容器存在明显区别，混合电容器是由一个法拉第氧化——还原反应电极和一个双电层吸附电极共同构成，它只有一个电极发生法拉第氧化——还原反应。而电池——电容器是由一个复合电极与一个法拉第氧化——还原反应电极共同构成，它的两个电极均发生法拉第氧化——还原反应，且其中一个电极还发生双电层吸附。与超级电容器相比，电池——电容器具有更大的能量密度；与二次电池相比，电池——电容器具有更大的功率密度和使用寿命。L.T.Lam and R.Louey，J.Power Sources，158，1140(2006)公开了用PbO₂作为正极，Pb电极和活性碳电极共同作为负极，组装了一种超级电池，它是铅酸电池和超级电容器的联合。这种储能系统与二次电池相比，具有更大的功率密度，成本也相对较低；但是对环境的污染较大。G.Amatucci，U.S.Pat.6,517,972B1(2003)公开了用Li₄Ti₅O₁₂作为负极，活性碳和含锂复合金属氧化物材料(如LiMn₂O₄或LiCoO₂)的混合物作为正极，组装了一种混合电池一超级电容器，它是锂离子电池和超级电容器的联合。这种储能系统与超级电容器相比，具有更大的能量密度；与二次电池相比，具有更大的功率密度。相对于铅酸超级电池，具有更大的质量能量密度，也更加环保，因而值得进一步的研究。但是该专利申请的正极是活性成分LiMn₂O₄与活性碳物理混合(机械混合)得到，导致物料之间混和均匀度不高，物料之间接触面积不大，且是其正极材料为多相状态，影响其能量密度和寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型复合正极材料，其制备方法是将合成电化学活性物质的原料与活性炭在位合成得到这冲复合正极材料。产物在制备过程中在位生成，各物料之间更加均匀，趋于均相，各物料接触更加全面。

具体地，所述复合正极材料是含锂复合金属氧化物材料的原料与多孔碳材料研磨均匀，并在丙酮或乙醇溶剂下将混合物研磨成均匀的浆料，然后在惰性气氛下于250-450℃预热一段时间使原料充分分解，达到熔融状态，形成前驱体。取出研磨均匀后再在650-1000℃下，惰性气氛焙烧18-48小时，待冷至室温即得目标产物。本发明复合正极材料简称LAC。

其中，所述含锂复合金属氧化物材料是指LiFePO₄，LiCoO₂，LiMn₂O₄，LiMnO₂，LiNiO₂，LiNi_xCo_1-xO₂(0＜x＜1)，Li_1+xV₃O₈，LiVO₂中的一种。