[发明专利]一种高倍率离子电容电池负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高倍率锂离子电容电池负极材料及其制备方法，属于储能材料制备技术领域。

技术背景

随着全球经济的迅速发展，石油资源日渐紧张，环境污染日益加剧，另外，汽车工业在最近几年取得了长足的发展，进一步加快了石油资源的消耗，同时尾气的大量排放又加剧了温室效应。因此，为了缓解能源危机、保护环境以及实现人类社会的可持续发展，寻找干净、可再生的二次能源成为全球范围内亟待解决的任务。

在众多可供选择的二次能源中，二次电池是比较理想的解决方案，特别是锂离子二次电池。锂离子二次电池是近年来发展较快的新型储能器件。它具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、绿色环保等优点。并已在笔记本电脑、手机、电动工具、混合动力汽车和电动汽车领域得到了广泛的应用。由于锂离子二次电池的能量的储存和释放是通过锂离子在正、负极材料的脱嵌来实现的，电化学反应过程和扩散过程可能会成为速度控制步骤，因此，限制了锂离子电池在高倍率下的充放电性能。例如，在电动汽车在负载或者加速的过程中，一般都需要电池在大倍率放电下完成。

为了解决锂离子电池在大倍率下充放电的问题，有人提出采用超级电容器作为汽车用电源。超级电容器是也近年来发展迅速的新型绿色储能器件，它具有快速充放电、功率密度高的特点，其功率密度是普通电池的几十倍甚至几百倍。另外，超级电容器循环寿命长，可达上万次，是普通电池的几百倍甚至几千倍。基于超级电容器的这一特性，包括我国在内的一些国家启动了使用超级电容器作为汽车电源的研发项目。但超级电容器单独作为车用电源也存在致命的弱点，即它的能量密度显著低于锂离子二次电池(约为锂离子二次电池的1/10)。因此大大的限制了超级电容器的使用范围。

制造一种兼有锂离子电池及超级电容器的特点的储能器件，即在一种器件中同时具有较高的能量密度和功率密度，克服锂离子电池和超级电容器单独作为动力电源的缺点，是一种比较有发展潜力的储能器件。锂离子电容电池正是这种类型的储能器件，它是将超级电容器和锂离子二次电池相结合而构成的兼具两者优势的新型绿色储能系统。电容电池中锂离子电池和超级电容器这两种储能体系结合方式有两种，一种是“外组合”式(即将两者的单体通过电源管理系统组合成一个储能组件或系统)；另一种是“内结合”式(即将两者有机地结合在同一单体中)。已有研究表明，基于活性炭电极材料超级电容器和锂离子电池通过“内结合”构成的电容电池可获得良好的电化学性能。

目前，针对这种活性炭电极材料的锂离子电容电池存在的主要问题是活性炭的导电性差，影响了整个电极材料的高倍率放电性能。通常，锂离子电池负极材料石墨球间的接触为点接触，导电性差，再混合导电性更差的活性炭，就更加影响负极材料的高倍率性能，因此，改善活性炭的导电性能，对于提高电容电池负极材料的高倍率性能显得尤为重要。本发明采用化学气相沉积的方法在活性炭表面沉积一层导电性能良好的炭纤维，在活性炭表面形成四通八达的导电网络，再与石墨按照一定的比例混合制备锂离子电容电池负极材料，显著改善电容电池负极材料的高倍率性能。

发明内容

本发明目的是提供一种高倍率锂离子电容电池负极材料及其制备方法。其特征在于，按照质量比(100～200)∶1称取活性炭和导电铜粉，加到无水乙醇中(其中无水乙醇和活性炭的质量比为2∶1)，搅拌混合上述混合物5～10小时，使混合均匀；接着将含活性炭、导电铜粉和无水乙醇的混合物在空气下于60℃干燥挥发除去无水乙醇，得到活性炭和铜粉的混合物；然后在活性炭和铜粉混合物表面化学气相沉积一层炭纤维，得到沉积有炭纤维的活性炭-铜粉复合材料，将此复合材料与石墨按照质量比(0.1～1)∶1混合即得到锂离子电容电池的负极材料。

一种高倍率锂离子电容电池负极材料的制备方法，所述的化学气相沉积的碳源有烷烃、烯烃和炔烃。

一种高倍率锂离子电容电池负极材料的制备方法，所述的化学气相沉积的的温度范围为500～1000℃，气相沉积时间为4～8小时。

一种高倍率锂离子电容电池负极材料的制备方法，所述的石墨材料包括天然石墨、人工石墨、中间相碳微球以及石墨的复合材料中的至少一种。

本发明为了克服现有锂离子电容电池负极材料导电性能差的缺点，提供了一种高倍率锂离子电容电池负极材料的制备方法。该方法采用化学气相沉积的方法在活性炭表面沉积一层导电性能良好的炭纤维，从而在活性炭表面形成四通八达的导电网络，产生多维电子通道，再与石墨按照一定的比例混合制备锂离子电容电池负极材料，能够显著改善电容电池负极材料的高倍率性能。