[发明专利]一种内结合超级电容器

说明书

技术领域

本发明涉及化学电源领域，特别地涉及一种内结合超级电容器。

背景技术

近年来，锂离子二次电池得到了很大的发展，这种电池负极一般使用石墨等炭素材料，正极使用钴酸锂、锰酸锂等含锂金属氧化物。这种电池组装以后，充电时正极向负极提供锂离子，而在放电时负极的锂离子又返回正极，因此被称为“摇椅式电池”。与使用金属锂的锂电池相比，这种电池具有高安全性和高循环寿命的特点。

但是，由于负极材料在脱嵌锂的过程中容易发生结构的变形，因此，锂离子二次电池的循环寿命仍然受到制约。因此近年来，把锂离子二次电池和超级电容器结合在一起的体系研究成为新的热点。

目前将超级电容器与锂离子二次电池这两种储能体系结合起来的方式有两种：一种是“外结合”，即将两者的单体通过电源管理系统组合成一个储能器件或系统；另一种是“内结合”，即将两者有机地结合在同一单体中。由超级电容器和蓄电池并联组成的混合电源系统(“外结合”式电源系统)，虽然可以提供电动汽车的动力，但因存在比功率低、重量和体积过大、以及系统管理与控制过于复杂的缺点，从而效果不够理想。而“内结合”式的电源系统具有比功率高、重量和体积小、成本低的优点，而且能够保证单体的一致性，减少管理系统的复杂性，所以成为当今研究的重点。

超级电容电池是指既有双电层储能，又能利用锂离子脱嵌来进行储能，同时兼具超级电容器和锂离子电池的优点。这种体系目前的研究方向大致分为以下四种：

第一种方向是正极为锂离子储能，负极为双电层储能，该种方式的优点为组合简单，需要解决的电化学问题较少，正负极配比、电解液和集流体的选择为该种器件的研究核心，该种器件也实现了商业化的应用，典型代表专利为复旦大学夏永姚的混合型水系锂离子电池（申请号：200510025269.6），但该体系电压较低一般为1.8V，即使电解液选择有机电解液电压也在2.7V以内，对功率和能量的提高都有限制 。

第二种方向正极为双电层储能，负极为锂离子储能，该种体系特点为电压较高可实现高功率，但由于正极仅为双电层储能，能量密度的提高为该体系的一个难点，同时由于负极活性物质为储锂炭，正极没有锂源，该体系成功的核心为负极预掺杂锂离子设计。这种体系目前研究较多，但能达到的能量密度同锂离子电池相比还存在很大的差距。

富士重工提出集电容器和锂离子充电电池两方面特点于一身的新型蓄电池：正极采用活性炭材料，负极采用嵌锂的炭材料组成的超级电容电池，其质量比能量为30Wh/kg，体积比能量达到52Wh/L，大大地超过了双电层电容器。在2006年第十六界国际电化学年会上，Hatozaki O等报道了一种锂离子电容器，该锂离子电容器的负极是以经过金属锂片处理过的嵌锂炭材料，正极则是具有双电层储能的活性炭，其工作电压达3.8V，比能量达到30Wh/kg，比功率最高达6kw/kg，但有着金属锂片处理炭材料的工艺过程比较复杂的缺点。

Hongyu Wang等采用不同类型的石墨作为负极，正极采用活性炭，研究了电解液阴阳离子、正负极材料比例等对超级电容电池性能的影响，结果表明用石墨代替活性炭作为负极，放电电容有很大地提高，放电电压也有较大地提高，故而能量密度与双电层超级电容器相比，有很大的提高。

第三种方向为正电极上同时具有锂离子储能和双电层储能功能，负极也同时具有锂离子储能和双电层储能，但由于负极双电层储能的电压限制，给体系在理论上很难获得在一个电解池内具有相同的储能电位区间，该体系很难实用化，目前鲜见研究报道。

第四种方向是正电极上同时具有锂离子储能和双电层储能功能，负极为锂离子储能，该种体系电压较高可实现高功率，正极有双电层储能和锂离子化学储能，因此可以同时提高比能量，是最理想的体系，但由于正极具有不同的储能方式，而且储能的电位并不完全匹配，这些技术难题制约了该体系的发展。

发明内容

本发明克服现有技术中的不足，提出一种内结合超级电容器，包括正极、负极、隔膜和电解液，其特征在于：所述正极和负极由活性物质和有孔集流体组成，正极活性物质为含有嵌锂金属氧化物和活性炭的混合物，负极活性物质为硬炭。

较优地，所述正极嵌锂金属氧化物和活性炭的质量比为1： 4～4：1。

较优地，所述负极活性物质硬炭的初始荷电状态为30%～80%。

较优地，所述正极活性物质的容量和负极活性物质的容量的比例为1：1.5～1：7.5。