[发明专利]一种电池型超级电容器及其用途

说明书

本发明公开了一种电池型超级电容器及其用途，其包括正极、负极、设置于正极和负极之间的隔膜以及电解液或电解质，其中，正极活性物质为锰氧化物，负极活性物质为碳材料，电解液或凝胶电解质中包含锌离子；所述正极和负极中的至少一个电极中含有锌离子。可以有效地解决正负电极电位不匹配、内阻大、库伦效率低和循环寿命差等问题，从而获得成本低、工作电压高、容量高、可快速充放电和循环寿命长的电池型超级电容器。

技术领域

本发明属于电化学储能器件领域，涉及一种电池型超级电容器，具体涉及一种电池型超级电容器及其用途。

背景技术

在电池领域，成本和安全性能的重要性日益凸显，于是水性电解液替换主流有机电解液成为人们研究的热点。目前，尽管已有报道将含锌离子的溶液用于可充电电池，但现有的锌离子电池循环寿命均不足五百次。同时，在循环过程中，锌片负极容易形成枝晶的形成，会引起负极体积膨胀，同时有刺破隔膜造成电池短路的风险。

超级电容器是一种介于电池与传统静电电容器之间的新型储能器件。与电池相比，超级电容器具有更大的比功率(10倍以上)，且具有瞬间释放特大电流、充电时间短、充放电效率高、循环寿命长的特性，但是其能量密度远低于电池。专利文献CN 103560019B采用复合金属氧化物(二种或更多种金属掺杂复合形成的储能材料，如ZnCo₂O₄、ZnMn₂O₄、ZnFe₂O₄)为正极活性材料，锌与碳材料组成负极活性物质，制备出一种锌离子混合超级电容器。然而，该混合超级电容器压降很大(0.4 V)，且需要高温煅烧制备ZnCo₂O₄、ZnMn₂O₄、ZnFe₂O₄等复合金属氧化物作为正极活性物质，且工艺复杂、成本高。同时，由于金属锌存在于负极，大功率充放电过程中的锌枝晶问题仍然存在。专利文献CN 107910195 A采用碳材料为正极活性物质，锌片或锌箔为负极材料，制备出一种锌离子电池型超级电容器，但锌片负极导致的枝晶问题及其安全隐患依然存在。

发明内容

为改善上述技术问题，本发明提供一种电池型超级电容器，其包括正极、负极、设置于正极和负极之间的隔膜以及电解液或凝胶电解质，所述正极活性物质为锰氧化物，负极活性物质为碳材料，电解液或凝胶电解质中含有锌离子；所述正极和负极中的至少一个电极中含有锌离子。

根据本发明，所述正极和/或负极中锌离子的质量分数可以为对应电极中活性物质的0.01～30wt％，例如可以为1～25wt％、10～20wt％；例如，所述正极中锌离子的质量分数可以为正极活性物质的1～20wt％，优选10～20wt％，作为示例，所述正极中锌离子的质量分数可以为正极活性物质的1wt％、5wt％、10wt％、15wt％、20wt％；所述负极中锌离子的质量分数可以为负极活性物质的5～20wt％，优选10～20wt％，作为示例，所述负极中锌离子的质量分数可以为负极活性物质的5wt％、10wt％、20wt％。其中，使正极和/或负极中含有锌离子的目的是使正极与负极之间的电位相匹配，使电池型超级电容器的工作电压范围和电容尽量大。

例如通过对正极和/或负极在锌盐中进行电化学处理来使正极和/或负极中含有锌离子。作为实例，以电池型超级电容器的正极或负极为工作电极，锌为对电极，将工作电极与对电极置于硫酸锌溶液中，在工作电极与对电极之间施加恒定电压，使电池型超级电容器的正极或负极中含有锌离子。

根据本发明，所述电池型超级电容器的正极和/或负极中含有锌离子。优选地，所述正极活性物质的晶格中嵌入锌离子；优选地，所述负极(优选负极活性物质)吸附锌离子。