[发明专利]金属箔材用作钇离子混合超级电容器负极、钇离子混合超级电容器及其制备方法

说明书

本发明属于电化学储能器件技术领域，涉及金属箔材用作钇离子混合超级电容器负极、钇离子混合超级电容器及其制备方法。本发明的钇离子混合超级电容器，包括正极、负极、介于正极和负极之间的隔膜以及电解液；正极包括正极集流体和正极材料，正极材料的活性物质为能够可逆地吸附、脱附电解液中阴离子的碳素材料；负极为能够与钇离子合金化的金属、金属合金或金属复合物；电解液包括钇盐和非水溶剂。以钇离子为活性载流子，在此体系下采用可以和钇发生合金化反应的金属材料同时作为负极活性物质和集流体，采用碳素材料作为正极活性物质，得到的混合超级电容器结合了钇离子电池高能量密度及超级电容器高功率密度的优点，简化生产工艺，降低成本。

技术领域

本发明涉及电化学储能器件技术领域，具体而言，涉及一种金属箔材用作钇离子混合超级电容器负极、钇离子混合超级电容器及其制备方法。

背景技术

混合超级电容器是一种结合了二次电池高能量密度以及电容器高功率密度、长循环寿命及其优异快充性能的新型储能系统，其包括一个电容器电极、一个二次电池电极、有机电解液以及隔膜，得益于电池及电容器双方电极的作用，混合超级电容器继承了超级电容器功率密度高、循环寿命长、能量密度高的优点。由于二次电池活性材料比容量高、有机电解液电压窗口宽等优点，所以相较于常规超级电容器，混合超级电容器拥有更高的能量密度。

目前，混合超级电容器通常基于锂离子，并有两种构型，一种采用锂离子电池正极(如钴酸锂、磷酸铁锂、三元等)材料，大比表面积的活性炭和介孔碳等电容器负极材料；另一种采用锂离子电池负极材料(如Li₂TiO₃、石墨等)，具有大比表面积的活性炭或者介孔碳等电容器正极材料。这两种结构的超级电容器在制备过程中都涉及正负极活性物质的混料、涂布、辊压等步骤，制备过程繁琐，人工、设备投入大，同时不可避免的使用含锂材料，而锂具有自然丰度低及高度活泼的特点，使得上述混合超级电容器造价高昂且安全性能差。

为了提高电容器的能量密度，有些研究或厂商选择对超级电容器的负极进行改进，例如通过采用Li₄Ti₅O₁₂、石墨类材料、金属氧化物等作为锂离子混合超级电容器负极。其中采用钛酸锂以及金属氧化物作为负极活性物质，会遇到生产工艺复杂、对环境污染严重、生产成本高昂的缺点；而采用石墨类材料作为负极材料，虽然其制备成本低、储量大，但是石墨的比容量低、压实小，限制了混合超级电容器能量密度的提升。

目前基于锂离子的混合超级电容器已不能满足当前对电容器的需求，其在制造成本、安全性和电容器本身能量密度、容量等性能上的改进程度有限。此外，由于锂在地球上的含量有限且价格高昂，因此开发基于其他离子的储能器件具有重要意义。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种能够与钇离子合金化/去合金化作用的金属箔材同时作为负极活性材料和负极集流体在钇离子混合超级电容器中的应用，直接将金属箔材用作钇离子超级电容器的负极，充当负极活性材料和负极集流体双重作用，不仅简化了负极结构，减轻了电容器自重，还提高了电容器的能量密度和容量密度。

本发明的第二目的在于提供一种结构简化、安全性能好、制造成本低、使用寿命长、同时具有高能量密度和高功率密度的钇离子混合超级电容器。

本发明的第三目的在于提供一种操作简便，条件温和，生产成本低，效率高的钇离子混合超级电容器的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

根据本发明的一个方面，本发明提供一种能够与钇离子合金化/ 去合金化作用的金属箔材同时作为负极活性材料和负极集流体在钇离子混合超级电容器中的应用，钇离子存在于钇离子混合超级电容器的电解液中。

作为进一步优选技术方案，所述金属箔材为锡、铝、铜、铁、锌、镍、钛、锰、镁、锑、钇、锂、钠或钾中任意一种的金属；