[发明专利]一种双离子电容电池

说明书

本发明涉及一种双离子电容电池。本发明所述的一种双离子电容电池，包括正极，负极，隔膜及电解液，所述正极的活性材料为碳材料；正极表面形成双电层电容。本发明提供的双离子电容电池有效解决了库伦效率和循环稳定性差的问题，同时相比于双离子电池和超级电容器具有更高的能量密度。

技术领域

本发明涉及一种双离子电容电池。

背景技术

近年来由于锂离子电池的大规模商业化应用，地球上锂的储量越来越少，锂价格必定会呈一个上涨的趋势，所以相对于锂离子电池来说，双离子电池成本更低。

双离子电池中，以正、负极材料都由石墨构成的双石墨电池为例，电解液盐为LiPF₆。当电池充电时，电解液中的Li⁺离子向负极迁移并嵌入到负极石墨中，PF₆^-离子向正极迁移并嵌入到正极石墨中；当电池放电时，嵌入在正、负极中的阴、阳离子又重新返回到电解液中实现循环。

相比于传统的锂离子电池，双离子电池具有更高的充放电电压，虽然双离子电池正、负极都采用了石墨碳材料，有效的降低了电池的成本。但是，目前的双离子电池表现出库伦效率低，循环稳定性差等现象，其主要原因是PF₆^-离子相比于Li⁺离子具有更大的空间尺寸，因而在电池充电时很难完全嵌入到石墨晶格中；PF₆^-离子在正极材料中的状态是一部分嵌入到了石墨晶格内，还有大量的PF₆^-离子仅吸附在正极材料表面，当停止充电后，吸附在正极材料表面的PF₆^-离子又重新返回到了电解液中。这就造成了电池放电容量的减少，以及负极的锂离子越积越多的情况。同时，在经过多次充放电循环后，电池表现出内阻增大，容量衰减严重等问题。

对于双离子电池的改性研究主要集中在碳正极方向，嵌阴离子的碳正极材料直接决定了双离子电池的循环稳定性。理想的双离子电池碳正极材料应该是既能保证阴离子的稳定嵌入与脱嵌，同时又具备较高的储阴离子容量，然而目前并没有完全满足要求的双离子电池正极材料。阴离子的大量嵌入会导致碳正极材料石墨层脱落、结构坍塌，从而造成电池容量不可逆损失。双离子电池中阴离子只能部分嵌入碳正极材料，而碳正极材料的比容量直接影响了双离子电池的能量密度，这是目前双离子电池碳正极材料中的另一个问题。

同时，在双离子电池中，由于阴离子尺寸较大难以嵌入到石墨晶格内而导致如库伦效率低，循环稳定性差，充放电比容量有限等一系列问题目前还没有有效的解决方法，而这些问题也是双离子电池走向实际应用的关键所在。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种双离子电容电池，包括正极，负极，隔膜及电解液；所述正极的活性材料为碳材料；正极表面形成双电层电容。本发明中，所述正极提供阴离子嵌入的场所。

本发明的新型双离子电容电池是在双离子电池储能的基础上通过特殊的正极材料设计或电极材料中混入大比表面积的材料如电容性活性炭的设计，使双离子电池同时具备超级电容器的特性，从而实现电池的双电层物理储能和可逆法拉第化学反应储能。例如采用石墨和活性炭为正极，石墨为负极的双离子电容电池，当电池充电时，石墨负极得到电子带负电荷，同时电解液中带正电荷的Li⁺向负极迁移并嵌入到负极石墨中，而此时正极则失去电子带正电荷，电解液中带负电荷的PF₆^-离子向正极迁移并部分嵌入到正极石墨材料中，由于PF₆^-离子尺寸较大难以完全嵌入到正极石墨材料中，因此正极材料所带的正电荷不能完全被中和仍带有过剩的正电荷，此时利用正极材料中活性炭具有大比表面积的特点，将部分带负电荷的PF₆^-离子吸附在正极材料表面与过剩的正电荷形成稳定的双电层，从而实现双电层储能(见图1)。该双电层的形成避免了正极石墨中由于阴离子过量嵌入导致石墨层剥落，结构坍塌，从而造成容量的不可逆衰减。