[发明专利]一种锆掺杂多孔碳材料及制备锂离子电容电池用复合正极的制备方法

说明书

本发明涉及锂离子电池和超级电容器技术领域，具体涉及一种锆掺杂多孔碳材料及制备锂离子电容电池用复合正极的制备方法。本发明的锆掺杂多孔碳材料通过先在多孔碳材料表面以共沉淀法均匀包覆一层纳米Zr(OH)4颗粒、再于保护气氛中加热保温的方法制得；本发明中应用上述锆掺杂多孔碳材料制备锂离子电容电池用复合正极的制备方法，包括以下步骤：(1)将锂电正极材料、导电剂和锆掺杂多孔碳材料混合均匀为混合活性物质；(2)将混合活性物质涂覆到集流体上，即得复合正极。本发明将锆掺杂多孔碳材料应用于制备锂离子电容电池用复合正极，能够提高电容电池的电化学性能和安全性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池和超级电容器技术领域，具体涉及一种锆掺杂多孔碳材料及应用该锆掺杂多孔碳材料制备超级电容用锂离子复合正极的制备方法。

背景技术

锂离子电池是一种能量密度大，平均输出电压高，自放电小并且不含有毒物质的绿色二次电池。经过了将近二十年的发展，锂离子电池的能量密度已经能达到100Wh/kg到150Wh/kg，工作电压最大可达4V。超级电容是基于双电层储能原理以及可逆性较高的氧化还原准电容原理的储能器件，具有功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽等优点，同时也具有能量密度相对较低等劣势。锂离子电池和超级电容在比能量和比功率上的差异决定了两者充放电速率的差异，而在实际的应用中，由于超级电容和锂离子电池具有各自突出的优点以及局限性，两者结合起来的并联式或者串联式电容电池的应用弥补了这一块的空白。现有技术中一般是在锂离子电池的正极材料中混合一定量的多孔碳材料，形成锂离子电容电池的复合正极材料，多孔碳材料包括活性炭、介孔碳、碳纳米管、石墨烯等。然而由于制备过程中受到工艺和成本的影响，复合正极材料的复合效果并不理想，无法达到均匀分散以及纳米级别的混合。且由于多孔碳材料表面常含有丰富的含氧官能团，以提高电极在电解液中的浸润，含氧官能团在充放电过程中会发生一些可逆性差的副反应，但从而影响多孔碳材料的循环寿命、自放电、交流阻抗等性能。

锂电正极材料的发展历程从层状结构的钴酸锂，尖晶石结构的锰酸锂，橄榄石结构的磷铁酸锂到三元材料锂镍钴锰。钴酸锂正极材料是目前传统电子产品中锂电的主要使用材料，主要是基于其容量大、电压范围大等优势。锰酸锂由于其低价、稳定、导电性能好等优点在电动自行车、电动汽车等领域广泛应用，但也存在其容量衰减问题。近年来随着使用清洁能源的公共交通的大力发展，橄榄石结构的磷酸铁锂正极材料和更为技术发展前沿的三元材料锂镍钴锰被广泛地应用到电动汽车及大规模储能器件。

等离子喷射法是是采用由直流电驱动的等离子电弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层的方法。该方法利用等离子弧进行的，离子弧是压缩电弧，与自由电弧相比较，其弧柱细，电流密度大，气体电离度高，因此具有温度高，能量集中，弧稳定性好等特点。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术问题，提出一种锆掺杂多孔碳材料，将该锆掺杂多孔碳材料应用于制备锂离子电容电池用复合正极，以提高电容电池的电化学性能和安全性能。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种锆掺杂多孔碳材料，其特征在于，所述锆掺杂多孔碳材料通过先在多孔碳材料表面以共沉淀法均匀包覆一层纳米Zr(OH)₄颗粒、再于保护气氛中加热保温的方法制得。

作为优选，所述多孔碳材料包括活性炭、介孔碳、碳气凝胶、碳纤维、碳纳米管、炭黑、硬炭或石墨烯中的一种或多种。

作为优选，所述多孔碳材料中，所述活性炭和介孔碳的粒径为1-20μm，所述碳气凝胶的粒径为5-20nm，所述碳纤维的直径为5-20μm，所述碳纳米管的直径为5-20nm，所述炭黑的粒径为20-80nm，所述石墨烯的厚度为3-30nm。