[发明专利]一种具有Ag过渡层的锂离子电容器负极极片及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种具有Ag过渡层的锂离子电容器负极极片及其制备方法与应用，属于电容器领域。本发明对负极极片的集流体进行改性，在其双面上形成Ag过渡层，使钛酸锂涂层与集流体的接触内阻大幅度降低，从而实现锂离子电容器整体内阻的降低，并且其在循环使用后依然能保持较低的接触内阻及较好的电性能继续工作，大大地延长了锂离子电容器产品的寿命。

技术领域

本发明属于电容器领域，具体涉及一种具有Ag过渡层的锂离子电容器负极极片及其制备方法与应用。

背景技术

混合型锂离子超级电容器作为电容器家族的新贵，与超级电容器相比，其单体电压可以达到3.8V，而超级电容器仅能达到2.7-3.0V，混合型锂离子超级电容器独特性能受到行业的青睐，它是一种功率密度和能量密度介于超级电容器与锂离子电池之间的致密能源，凭借其双电层结构，且具有容量大、可大电流快速充放电以及循环寿命长等优势有望成为性能高效、安全卓越的下一代储能装置。从所具有电容的数量级方面来说，混合型锂离子超级电容器提供的电容能够达到法拉级别以上，实现了电容量由传统电容器的微法拉级别向法拉级别的一次质的飞跃，这是能源技术史上具有里程碑意义的革命性重大创举。

随着混合型锂离子超级电容器的发展，它能够提供各项应用所要求的诸如高电压、高功率以及高可靠性等良好的性能指标，因而在电力系统、电动车、可携带设备甚至是军事等诸多领域都有着广泛的应用。时至今日，混合型锂离子超级电容器已广泛应用在汽车电子领域、智能工控领域、智能家居领域、5G基站领域乃至军事中的电磁炮领域等。针对上述领域的应用，混合型锂离子超级电容器均以备用电源或启动电源的角色存在，要求混合型锂离子超级电容器具有较长的使用寿命，较大的放电电流以及极端温度环境下仍能发挥性能。针对上述要求，对混合型锂离子超级电容器提出了一个关键指标技术，即较低的内阻。内阻直接影响到混合型锂离子超级电容器的使用寿命、承载的最大电流等。而目前国内的混合型锂离子超级电容器制备技术，关键核心技术在于极片的制备，主要是通过湿法涂布实现的，极片的制备技术水平直接决定了混合型锂离子超级电容器的内阻是否足够低。

混合型锂离子超级电容器与超级电容器有着本质的区别，其一半电极为锂电池极片材料，一半电极为碳基超容材料，此种内阻增长效应会比超级电容器更明显。混合型超级电容器的正极为活性炭材，而负极则为钛酸锂，属于立方尖晶石结构(Fd3m)，是一种由过渡金属钛和低电位金属锂组成的复合氧化物，属于AB₂X₄系列，其结构与尖晶石LiMn₂O₄相似，空间点阵群为Fd3m，如图1所示，晶胞参数a为0.836nm。在混合型锂离子超级电容器工作的过程中，每摩尔的钛酸锂最多只能插入1mol Li，钛酸锂中氧占据32e位置，钛占据5/6的16c位置,剩下的部分被锂离子占据。当放电时，原来位于四面体8a位置的锂和嵌入的锂迁移到邻近的16c位置。因此，与超级电容器不同，混合型锂离子超级电容器一半由电容组成，一半由锂电池组成，取锂电与超容二者的长处，具有较高的功率密度及能量密度。

如上所述，因为负极电极材料为钛酸锂，在充放电过程中，会发生电化学反应，进行嵌锂与脱锂，而正极只发生物理反应，即简单的物理静电吸附，如图2所示。因此，在混合型锂离子超级电容器的使用过程中，负极电极因长期发生电化学反应，会导致晶格发生变化，使之内阻增加并且容量衰减。目前混合型锂离子超级电容器的初始内阻水平与循环使用后的内阻水平，会因负极钛酸锂晶格发生塌陷而发生成倍(上涨率达250％)的增长，极大的影响到混合型锂离子超级电容器的使用寿命以及其电性能。

传统方法改善内阻，一般是通过配方调整以及辊压收缩率调整。若通过配方进行调整，则会影响容量性能，使其储存的能量更少；若通过辊压收缩率进行调整，则会影响生产效率，因为需要进行多次(3次以上)辊压才能使内阻降低。而且，上述方法并不能改善在循环使用后内阻剧烈增加的问题。

因此，如何使混合型锂离子超级电容器具有较低初始内阻的同时，在循环使用后，依然保持较低的内阻及较好的电性能继续工作成为亟待解决的难题。

发明内容