[发明专利]一种混合型化学电源器件电极及其制备方法

说明书

本发明涉及一种混合型化学电源器件电极的制备方法，包括以下步骤：(1)电极活性物质的预混合：将含锂化合物、碳材料和导电剂混合均匀，然后与粘结剂混捏，得到团状或粉状电极活性物质原料；(2)电极活性物质薄膜的制备：将团状或粉状电极活性物质原料通过多级辊压，得到所需厚度的电极活性物质薄膜；(3)电极的成型：将电极活性物质薄膜负载在涂有导电聚合物层的集流体上，进行热压处理，得到所述的混合型化学电源器件电极。与现有技术相比，本发明制得的电极结构严实紧密，具有高振实密度，容量高，一致性好，可靠性高等优点，这种电极应用于混合型化学电源器件，能够显著地提升电极密度、减少内阻，提高寿命。

技术领域

本发明属于化学电源技术领域，涉及一种混合型化学电源器件电极及其制备方法。

背景技术

超级电容器为化学电源的一种，由于功率密度大、充放电效率高、寿命长、使用温度宽等优异特性,可以被广泛应用于交通运输、新能源汽车、工业生产、军事装备、航天科技及可再生能源等多领域。

然而超级电容器目前的应用极为受限，其主要原因为能量密度较低。在锂离子电池中，由于锂离子可以在正负极材料嵌入和嵌出，使其有较高的能量密度；然而，离子移动速度以及锂离子在电极材料间扩散速度极为缓慢，这限制了锂离子电池功率密度的提高。与锂离子电池相反，超级电容器主要的能量主要来源于电极对于电荷吸附作用，速度非常快，因此超级电容器有很高的功率密度。然而，这种电荷储存机制只限于电极的表面，材料的性能并不能被充分利用，因此提升超级电容器能量密度就变得非常困难。通常，锂离子电池的能量密度在150Wh/kg以上，而传统的超级电容器的能量密度不到10Wh/kg。

对于超级电容器的能量密度提升，研究人员做了很多工作。其中，最为广泛应用的方法是将电池和电容器进行混合。实际上，这种混合型器件的概念很早就被广泛研究和报告。Lam等人[Lam,L.T.,et al.US Patent 20,040,091,777,2004.]用铅电极载碳材料的方法，实现铅酸电池和电容器的混合。Zhou等人[Zhou,G.et al.中国专利.CN 102522209A,2013.]提出将镍氢电池和电容器混合。将活性炭添加到镍氢电池的负极，这种混合型装置可实现较高的能量密度和良好的稳定性。前述的两种混合型化学电源器件的工作电压都不超过2.0V，因此，两种器件的能量密度都相对较低。其他研究人员也提出解决方案，即将锂离子电池和电容器的电极组合，形成新的混合型化学电源器件。同传统电容器相比，这种混合型化学电源器件可实现更高的能量密度。例如，Amatucci等人[Amatucci G G,et al.AnAsymmetric Hybrid Nonaqueous Energy Storage Cell[J].Journal of theElectrochemical Society,2001,148(8):A930-A939.]用活性碳和钛酸锂进行内部混合。尽管这些混合型化学电源器件已经改善了电容器的某些特性，但仍有一些内在短板需要解决。其中比较重要而且易忽视的一点，电解液的用量是阻碍混合型化学电源器件能量密度提升的重要因素。[Zheng J P.High Energy Density Electrochemical CapacitorsWithout Consumption of Electrolyte[J].Journal of the Electrochemical Society,2009,156(156):A500-A505.]电解液用量过多，会严重的限制器件性能的提升。而电解液的用量与电极结构密切相关，尤其是电极的振实密度。较高的电极振实密度有利于减少电解液的用量以及提高混合型化学电源器件的能量密度。因此，有望通过提高电极的振实密度来降低电极的孔隙率，从而减少混合型化学电源器件的电解液用量，实现混合型化学电源器件的性能的提升。

电极作为混合型化学电源器件的核心部件和关键装备，其性能优劣决定混合型化学电源器件的容量，能量密度和功率密度，使用性能，应用范围和寿命，同时电极也占混合型化学电源器件的大部分成本份额。电极制备技术是混合型化学电源器件保持较高容量，高功率密度和高能量密度的关键之一。