锂离子混合超级电容器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及超级电容器领域，具体而言，提供了一种锂离子混合超级电容器及其制备方法。锂离子混合超级电容器包括负极、隔膜、正极和电解液；负极为能够与电解液中锂离子合金化的金属、合金或金属复合材料；正极包括正极材料和正极集流体，正极材料中的正极活性材料为能够可逆地吸附、脱附电解液中阴离子的碳材料；锂离子存在于混合超级电容器的电解液中。该锂离子混合超级电容器以能够与电解液中锂离子合金化的金属、合金或金属复合材料作为负极，上述材料起到负极活性材料和负极集流体的双重作用，不但简化了电容器的生产工艺、降低了生产成本，还提高了电容器的能量密度和理论比容量。

Lithium ion mixing super capacitor and preparation method thereof

The invention relates to the field of super capacitor, in particular, provides a lithium ion mixing super capacitor and a preparation method thereof. Lithium ion hybrid super capacitor comprises a cathode, anode, cathode and electrolyte membrane; for lithium ion electrolyte and alloy of metal, alloy or metal composite materials; anode containing cathode and anode current collector, cathode active material in anode materials for carbon material capable of reversibly adsorption and desorption of anions in the electrolyte; lithium ion in electrolyte mixed super capacitor in. The lithium ion hybrid super capacitor and lithium ion to alloy electrolyte of metal, alloy or metal composite material as cathode materials play a dual role, the anode active material and the current collector, not only simplifies the production process of capacitor, reduces the production cost, but also improve the capacitor energy the density and theoretical capacity.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及超级电容器领域，具体而言，涉及一种锂离子混合超级电容器及其制备方法。
技术介绍
混合超级电容器是一种结合了锂离子电池高能量密度以及电容器的高功率密度、卓越的循环寿命及其优异的快充性能的新型储能系统，其包括一个电容器电极、一个锂离子电池电极、有机锂盐电解液以及隔膜。混合超级电容器结合锂离子电池高的比容量以及有机电解液宽的电压窗口来提升其能量密度，而其快充性能由于锂离子电池电极的嵌锂以及脱锂反应而有所下降，但是其仍然具有几分钟一次的快充性能。目前，混合超级电容器有两种构型，一种采用锂离子电池正极(如钴酸锂、磷酸铁锂、三元等)材料为正极，大比表面积的活性炭或介孔碳等为负极；另一种采用锂离子电池负极材料(如Li2TiO3，石墨等)为负极，具有大比表面积的活性炭或者介孔碳等为正极。例如，专利技术专利(CN100383902C)中介绍了一种混合超级电容器，其以高比表面积的活性炭或者介孔碳为正极，Li8x/(x+4)Ti8/(x+4)O4或一元或多元其他金属元素掺杂的化合物为负极；专利技术专利(CN103227056A)中介绍了另一种混合超级电容器，其以磷酸铁锂和石墨的混合材料为正极，石墨和活性炭的混合材料为负极。然而，采用钛酸锂以及金属氧化物作为混合超级电容器负极活性物质，其具有生产工艺复杂、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混合超级电容器负极材料，虽然其制备成本低、存量大，但是其较低的理论容量限制了混合超级电容器能量密度的提升。并且，常用锂离子电池电极和电容器电极都存在活性位点有限，容量低的劣势。此外，上述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，人工和设备投入大。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种能够与电解液中锂离子合金化的金属、合金或金属复合材料同时作为负极活性材料和负极集流体在锂离子混合超级电容器中的应用。上述金属、合金或金属复合材料同时作为负极活性材料和负极集流体能够极大地降低锂离子混合超级电容器的自重，进一步提高锂离子混合超级电容器的能量密度和理论比容量，简化电容器的生产工艺、降低生产成本且更加环保。本专利技术的第二目的在于提供一种锂离子混合超级电容器，该锂离子混合超级电容器的负极为能够与电解液中锂离子合金化的金属、合金或金属复合材料，上述金属、合金或金属复合材料起到负极活性材料和负极集流体的双重作用，能够极大地降低电容器的自重，进一步提高电容器的能量密度和理论比容量，简化电容器的生产工艺、降低生产成本且更加环保。本专利技术的第三目的在于提供一种锂离子混合超级电容器的制备方法，上述制备方法工艺简单，采用该方法制备得到的锂离子混合超级电容器具有能量密度高和理论比容量高的优点。为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供了一种能够与锂离子合金化的金属、合金或金属复合材料同时作为负极活性材料和负极集流体在锂离子混合超级电容器中的应用，锂离子存在于混合超级电容器的电解液中。作为进一步优选地技术方案，所述金属为铝、铜、铁、锡、镍、锌、钛、镁、钙、铅、钡、铬、锰或锑中的任意一种；所述合金为至少包含铝、铜、铁、锡、镍、锌、钛、镁、钙、铅、钡、铬、锰或锑中任意一种的合金；所述金属复合材料为至少包含铝、铜、铁、锡、镍、锌、钛、镁、钙、铅、钡、铬、锰或锑中任意一种的复合材料。第二方面，本专利技术提供了一种锂离子混合超级电容器，包括负极、隔膜、正极和电解液；所述负极为能够与电解液中锂离子合金化的金属、合金或金属复合材料；所述正极包括正极材料和正极集流体，所述正极材料中的正极活性材料为能够可逆地吸附、脱附电解液中阴离子的碳材料；锂离子存在于混合超级电容器的电解液中。作为进一步优选地技术方案，所述负极为铝、铜、铁、锡、镍、锌、钛、镁、钙、铅、钡、铬、锰或锑中的任意一种纯金属；或，所述负极为至少包含铝、铜、铁、锡、镍、锌、钛、镁、钙、铅、钡、铬、锰或锑中任意一种的合金；或，所述负极为至少包含铝、铜、铁、锡、镍、锌、钛、镁、钙、铅、钡、铬、锰或锑中任意一种的复合材料。作为进一步优选地技术方案，在电解液中，提供锂离子的锂盐的浓度范围为0.1-10mol/L。作为进一步优选地技术方案，在电解液中，提供锂离子的锂盐包括LiPF6、LiBF4、LiTFSI、LiNO3、Li2CO3、LiCl、LiCF3SO3、LiFSI、LiClO4、LiBOB、LiDFOB和LiAsF6中的任意一种或至少两种，优选为LiPF6。作为进一步优选地技术方案，电解液包括溶剂，所述溶剂为有机溶剂和/或离子液体。作为进一步优选地技术方案，电解液中还包括添加剂，所述添加剂在所述电解液中的含量为0.01-20wt.％，优选为10wt.％。第三方面，本专利技术提供了一种锂离子混合超级电容器的制备方法，将负极、电解液、隔膜以及正极进行组装，得到锂离子混合超级电容器。作为进一步优选地技术方案，所述制备方法包括以下步骤：a)制备负极：将所需尺寸的金属、合金或金属复合材料经表面处理后作为负极备用；b)配制电解液：将锂盐溶于溶剂中，充分搅拌得到电解液；c)制备隔膜：将所需尺寸的多孔聚合物薄膜、无机多孔薄膜或有机/无机复合薄膜作为隔膜；d)制备正极：将正极活性材料、导电剂和粘结剂制成正极浆料或正极片状材料；再将正极浆料涂覆于正极集流体表面或将正极片状材料压在正极集流体表面，干燥得到所需尺寸的正极；将步骤a)得到的负极、步骤b)得到的电解液、步骤c)得到的隔膜以及步骤d)得到的正极进行组装，得到锂离子混合超级电容器。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术提供了一种能够与电解液中锂离子合金化的金属、合金或金属复合材料同时作为负极活性材料和负极集流体在锂离子混合超级电容器中的应用，上述金属、合金或金属复合材料同时作为锂离子混合超级电容器的负极活性材料和负极集流体将构成现有超级电容器负极中的两个要素(负极活性材料和负极集流体)省略为一种，从而减少了一个部件的体积和重量，能够显著降低电容器自重、体积和用料成本；负极活性材料和负极集流体一体化的设计有利于缩短锂离子的传输距离，有利于更有效的传质和/或传荷；由于增加了活性材料的占比，因此能够进一步提高电容器的能量密度，并利用金属和锂离子的合金化/去合金化实现电容器的负极反应，提高理论比容量；由于不需使用有机粘结剂等进行粘结，因此大大简化了电容器的生产工艺，减少了人工和设备成本，且更加环保。本专利技术提供的锂离子混合超级电容器的负极为能够与电解液中锂离子合金化的金属、合金或金属复合材料，上述金属、合金或金属复合材料起到负极活性材料和负极集流体的双重作用，能够极大地降低电容器的自重，进一步提高电容器的能量密度和理论比容量，简化电容器的生产工艺、降低生产成本且更加环保。本专利技术提供的锂离子混合超级电容器的制备方法工艺简单，采用该方法制备得到的锂离子混合超级电容器具有能量密度高和理论比容量高的优点。附图说明图1是本专利技术一种实施方式的锂离子混合超级电容器的结构示意图；图2是本专利技术实施例1的锂离子混合超级电容器的充放电曲线图。图标：1-负极；2-电解液；3-隔膜；4-正极；5-正极材料；6-正极集流体。具体实施方式下面将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能够与锂离子合金化的金属、合金或金属复合材料同时作为负极活性材料和负极集流体在锂离子混合超级电容器中的应用，锂离子存在于混合超级电容器的电解液中。

【技术特征摘要】
1.一种能够与锂离子合金化的金属、合金或金属复合材料同时作为负极活性材料和负极集流体在锂离子混合超级电容器中的应用，锂离子存在于混合超级电容器的电解液中。2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述金属为铝、铜、铁、锡、镍、锌、钛、镁、钙、铅、钡、铬、锰或锑中的任意一种；所述合金为至少包含铝、铜、铁、锡、镍、锌、钛、镁、钙、铅、钡、铬、锰或锑中任意一种的合金；所述金属复合材料为至少包含铝、铜、铁、锡、镍、锌、钛、镁、钙、铅、钡、铬、锰或锑中任意一种的复合材料。3.一种锂离子混合超级电容器，其特征在于，包括负极、隔膜、正极和电解液；所述负极为能够与电解液中锂离子合金化的金属、合金或金属复合材料；所述正极包括正极材料和正极集流体，所述正极材料中的正极活性材料为能够可逆地吸附、脱附电解液中阴离子的碳材料；锂离子存在于混合超级电容器的电解液中。4.根据权利要求3所述的锂离子混合超级电容器，其特征在于，所述负极为铝、铜、铁、锡、镍、锌、钛、镁、钙、铅、钡、铬、锰或锑中的任意一种纯金属；或，所述负极为至少包含铝、铜、铁、锡、镍、锌、钛、镁、钙、铅、钡、铬、锰或锑中任意一种的合金；或，所述负极为至少包含铝、铜、铁、锡、镍、锌、钛、镁、钙、铅、钡、铬、锰或锑中任意一种的复合材料。5.根据权利要求3所述的锂离子混合超级电容器，其特征在于，在电解液中，提供锂离子的锂盐的浓度范围为0.1-10mol/L。6.根据权利要求3所述的锂离子混合超级电...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐永炳，张松全，王蒙，
申请(专利权)人：深圳中科瑞能实业有限公司，深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44