[发明专利]一种锂离子电容器及其制备方法有效

专利信息
申请号: 201610072072.6 申请日: 2016-02-02
公开(公告)号: CN105551815B 公开(公告)日: 2018-04-27
发明(设计)人: 崔光磊;韩鹏献;姚建华;刘海胜;许高杰 申请(专利权)人: 中国科学院青岛生物能源与过程研究所
主分类号: H01G11/26 分类号: H01G11/26;H01G11/38;H01G11/50
代理公司: 暂无信息 代理人: 暂无信息
地址: 266101 山东省青*** 国省代码: 山东;37
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摘要:
搜索关键词: 一种 锂离子 电容器 及其 制备 方法
【说明书】:

技术领域

本发明涉及一种电化学储能器件,特别涉及一种锂离子电容器及其制备方法。

背景技术

能源危机以及环境问题的日趋加重,加速了新能源产业的快速发展。当前形势下将绿色能源供给与低碳节能减排发挥到极致的环境友好型电化学储能技术日益受到重视。近来,国家提出建立基于能源互联网的近零碳排放工程,其中核心内容就包括可再生能源发电、分布式储能技术等,这对新型高效储能技术提出了更高的要求,另外,新能源电动汽车、低温启动电源、高铁/城市轨道交通制动能量回收、海洋船舶平台、水下潜器电源、UPS不间断电源等领域对高能量密度、高功率密度电化学储能器件也提出深刻要求。

目前,商业化最成熟的两种电化学储能技术,一种是锂离子电池,正极采用含锂金属氧化物作为活性材料,负极采用石墨作为活性炭材料,通过正负极电化学嵌锂储存能量,单体能量密度可达150 Wh/kg以上,然而其功率密度仅为100~500 W/kg,功率性能差,循环寿命仅1000次,低温性能差;另外一种是双电层超级电容器,该器件采用高比表面积活性炭为正负极活性材料,通过物理吸附电荷储存能量,因此其功率密度可达5000 W/kg以上,循环寿命达100000次以上,可实现低温-50℃充放电,然而其能量密度仅为2~5Wh/kg,续航能力受限,不能长时间供电。兼具上述两者优点的锂离子电容器,即电容电池,成为人们研究热点。

专利201110320933.5披露了一种超级电容电池,该电容电池正极活性物质采用活性炭、碳气凝胶、碳纳米管或热解碳与锂离子电池正极材料的混合物,而活性炭、碳气凝胶尽管比表面积高,但导电性依然不尽人意,碳纳米管属于一维导电材料,比表面积相对较低,而热解碳的无论从比表面积还是导电性都比较差,均不能较大幅度提高功率性能,负极活性物质采用硅纳米线、炭纳米管与石墨烯的混合物,硅材料在用于嵌锂材料时存在巨大的体积膨胀收缩效应,不利于长期循环性能,披露出的石墨烯的比表面积也仅为200~600 m2/g。专利201010114612.5披露了一种超级电容电池,该电容电池负极活性物质为硬炭材料,但硬炭材料放电电压随容量变化大,且首次充放电效率低,放电电压滞后现象明显,正极活性物质采用锂离子嵌入化合物与多孔炭材料(活性炭、碳布、碳纤维、炭毡、碳气凝胶、碳纳米管)的混合物,存在的问题与专利201110320933.5是一样的。专利201510130056.3披露了一种锂超级电容电池负极,方法是将锂粉铺撒到负极石墨或硬炭材料表面,再经辊压得到负极,这种方法的弊端在于,锂粉铺撒量工艺苛刻,严重的是金属态锂的使用,在长期充放电过程中存在着安全隐患,稍有不慎容易造成锂枝晶,从而穿破隔膜,造成短路。另外,上述披露的三个专利存在的两个个共同问题,其一是受限于负极活性材料结构,功率性能不能得到最大化发挥,其二是都使用了非材料本体的额外的添加剂进行辅助导电,增加了正负极浆料搅拌工艺难度。

发明内容

本发明的目的之一就是要提供一种锂离子电容器。

本发明的另外一个目的就是要提供一种锂离子电容器的制备方法。

为了实现上述目的,本发明的技术方案如下:

一种锂离子电容器,包括正极片、负极片、介于正负极片之间的隔膜及电解液,其特征在于所述正极包括正极集流体和涂布在正极集流体上的正极材料,正极材料由正极活性物质、粘结剂构成,其中正极活性材料由金属氧化物与多孔石墨烯、多孔石墨炔或多孔炭纤维材料混合物中一种或多种通过原位复合构成;所述负极片包括负极集流体和涂布在负极集流体上的负极材料,负极材料由负极活性物质、粘结剂构成,其中负极活性材料为表面经造孔、氮化处理后原位生长炭纳米管或纳米金属氮化物的球形天然石墨、石墨化中间相炭微球、石墨化聚酰亚胺炭微球中的一种。

所述的一种锂离子电容器,金属氧化物为MxOy,M=Mn、Co、Ni中的一种或多种,x为1、2、3、4或5,y为1、2、3、4或5。

所述的一种锂离子电容器,金属氧化物与多孔石墨烯、多孔石墨炔或多孔碳纤维材料的质量比例为1~30 : 70~99。

所述的一种锂离子电容器,多孔石墨烯、多孔石墨炔或多孔碳纤维材料的比表面积为500~3000 m2/g。

所述的一种锂离子电容器,表面经造孔、氮化处理后,球形天然石墨、石墨化中间相炭微球、石墨化聚酰亚胺炭微球中氮元素质量含量为1~9%。

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