[发明专利]一种硬炭基长寿命化学电源

说明书

技术领域

本发明涉及电化学储能技术领域，涉及超级电容器，特别地涉及一种硬炭基有机混合型超级电容器。 

背景技术

超级电容器是介于传统电容器与电池之间的一种新型电化学储能器件，它相比传统电容器有着更高的能量密度，静电容量能达千法拉至万法拉级；相比电池有着更高的功率密度和超长的循环寿命，因此它结合了传统电容器与电池的优点，是一种应用前景广阔的化学电源。它具有比容量高、功率大、寿命长、工作温限宽、免维护等特点。 

按照储能原理的不同，超级电容器可以分为三类：双电层电容器（EDLC），法拉第准电容超级电容器和混合型超级电容器，其中双电层电容器主要是利用电极/电解质界面电荷分离所形成的双电层来实现电荷和能量的储存；法拉第准电容超级电容器主要是借助电极表面快速的氧化还原反应所产生的法拉第“准电容”来实现电荷和能量的储存；而混合型超级电容器是一极采用电池的非极化电极（如氢氧化镍），另一极采用双电层电容器的极化电极（如活性炭），这种混合型的设计可以大幅度提高超级电容器的能量密度。 

超级电容器按电解质分可分为无机电解质、有机电解质、聚合物电解质三种超级电容器，其中无机电解质应用较多的为高浓度的酸性（如H₂SO₄）或碱性（如KOH）的水溶液，中性水溶液电解质应用的较少；有机电解质则一般采用季胺盐或锂盐与高电导率的有机溶剂（如乙腈）组成混合电解液，而聚合物电解质如今只停留在实验室阶段，尚无商业化产品的出现。 

超级电容器采用有机电解质，可以大幅度提高电容器的工作电压，根据E=1/2CV²可知，对提高电容器能量密度有很大的帮助。如今，成熟的有机超级电容器一般都采用对称型结构，即正负极使用相同的炭材料，电解液由铵盐和高电导率的有机溶剂（如乙腈）组成，这种电容器的功率密度很高，能达到5000-6000W/Kg，但其能量密度偏低，只能达到3-5Wh/Kg，因此，为了进一步提高有机超级电容器的能量密度，人们采用了混合型的结构设计，即正负极使用不同的活性材料。近年来，有机混合型超级电容器的研究不断增多，出现了如正极采用活性炭、负极采用钛酸锂和正极采用聚噻吩，负极采用钛酸锂等有机超级电容器。在申请号为200510110461.5的专利中，正极采用LiMn_2-XM_XO₄，负极采用活性炭，该超级电容器的比能量最高可达50Wh/Kg（基于正、负极活性物质总质量计算的）。但是，此类有机混合型超级电容器的能量密度与功率密度都不理想。在申请号为200710035205.3的专利中，正极采用锂离子嵌入化合物与多孔炭材料的混合物及它们的复合物，负极采用多孔炭材料与石墨的混合物及它们的复合物。此类超级电容器由于负极引入了多孔炭，虽然在常温会提高器件的比功率，但在高温下负极的多孔炭会使电解液分解，很难实用化。申请号为201010114600.2的专利中，正极材料采用锂离子嵌入化合物与多孔炭材料的混合物，虽然解决了在高温下负极的多孔炭会使电解液分解，可实用化，但由于多孔炭典型代表活性炭作为双电层更适合用于负极，锂离子嵌入化合物正极混合时可用区间减少。此外目前高功率锂离子电池，在大倍率（10C以上）充电下，由于炭负极来的结构破坏，锂枝晶在负极表面析出，导致负极可逆容量降低，电池容量衰减严重，循环寿命变差。 

发明内容

本发明的一个目的在于在负极上使用比容量高、功率性能好的硬炭材料，并且使负极的容量较大过量，负极与正极的容量比在1.5~3倍，使化学电源在100% 放电深度DOD时，负极活性物质处于较低的DOD（66.7%~33.3%），大大延长负极的寿命。本发明的另一个目的是在电解液中添加环戊腈，环戊腈可以使大电流充电在负极引起的锂枝晶溶解，提高安全性，延缓负极可逆容量的损失。同时，本发明在正极上使用循环寿命能达到无限次的石墨烯作为混合正极材料的一部分，在保持超级电容器高功率、循环寿命长、无污染、高安全性、免维护等特性的前提下，大幅度提高超级电容器的能量密度，进一步缩短超级电容器与锂离子电池的差距。 

本发明提出一种硬炭基化学电源，由正极、负极、介于两者之间的隔膜及电解液组成，其特征在于正极采用锂离子嵌入化合物和石墨烯的混合物，负极采用硬炭，电解液采用含有锂离子的非水有机溶剂；其中，负极单位面积活性物质的容量是正极单位面积活性物质容量的1.5倍~3倍。