一种锂离子电容器制造技术

本发明专利技术公开了一种锂离子电容器，包括隔膜、锂离子提供源、外壳，还包括负极片、正极片、含锂有机电解液，其中，负极片使用微膨石墨材料作为负极活性材料，将微膨石墨材料、石墨、聚四氟乙烯按照质量比90:9:15，在蒸馏水中均匀混合并配制成浆料涂布于铜箔集流体的正反两面，放入真空干燥箱中在60℃下干燥12h，干燥后取出并在双辊机上将电极片压制成厚度约为0.5mm，即可得到锂离子电容器的负极片。采用本发明专利技术微膨石墨材料作为负极活性材料的锂离子电容器的能量密度、功率密度、循环稳定性能均能得到较大的提升。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电容器
本专利技术属于电化学领域，更具体的，涉及一种锂离子电容器。
技术介绍
锂离子电容器(LIC，Lithium-ioncapacitor)的负极为预嵌锂的石墨，因此其实际是一种正极与负极充放电原理不同的非对称电容器，结合了超级电容器与锂离子电池的优点，其能量密度和功率密度均较高，因此具有更广泛的应用前景。锂离子电容器兼具较高的能量密度和功率密度，其应用领域所需要释放的充放电电流密度一般高于锂离子电池。当把作为锂离子电池负极常用的石墨材料用作锂离子电容器负极时，由于其结晶完整而具有高取向性，因此不适合大电流充放电，随着Li+的嵌入和脱出，在d002方向会产生10％左右的膨胀和收缩，其层状结构易发生破坏，从而导致循环寿命欠佳；石墨表面存在较多的活性位置，在首次嵌锂过程中，不容易生成致密、均匀的固体电解质(SEI)膜，会导致首次不可逆容量偏高；另外具有高度取向层状结构的石墨对电解液非常敏感，使得与电解液相容性差，影响循环性能；最终影响锂离子电容器的能量密度、输出功率和循环性能。因此，对石墨材料进行微膨胀改性是一种可行的方法，以提供一种具有较高能量密度、较高输出功率和优异循环性能的锂离子电容器负极材料及其制备方法，和采用微膨胀石墨的锂离子电容器。同时，目前采用天然石墨为原料制备微膨石墨材料的技术中所使用的原料一般为晶质大鳞片石墨，鳞片石墨虽然集体取向性好，但是在电池材料的应用中需要取向性差，均匀性好的石墨材料，微晶石墨颗粒细小，集合体取向性差，均质性好，微晶石墨可代替鳞片石墨作为制备电性能更好的膨胀石墨的原料，充电效率、电池稳定性和循环性能都能大大提高，但是电容量降低，同时微晶石墨的膨胀效果不好，导致膨胀微晶石墨作为锂离子电极负极材料的应用受阻。如果能将鳞片石墨和微晶石墨的优点结合起来，制备出一种容量高、充放电效率高和循环倍率性能好的新型微膨石墨材料，对今后微膨石墨材料的研究至关重要，同时也能减缓我国微晶石墨大规模低附加值利用的困境。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种锂离子电容器。本专利技术的目的通过以下技术方案予以实现：一种锂离子电容器，包括隔膜、锂离子提供源、外壳，还包括负极片、正极片、含锂有机电解液，其中：所述的负极片使用微膨石墨材料作为负极活性材料，将微膨石墨材料、石墨、聚四氟乙烯按照质量比90:9:15，在蒸馏水中均匀混合并配制成浆料涂布于铜箔集流体的正反两面，放入真空干燥箱中在60℃下干燥12h，干燥后取出并在双辊机上将电极片压制成厚度约为0.5mm，即可得到锂离子电容器的负极片；所述的正极片是将活性炭粉末与导电炭黑按质量比为9:1机械研磨，充分混合，再加入适量的聚四氟乙烯（占总质量的1%）和蒸馏水，将其研磨搅拌成糊状，用玻璃片刮涂于泡沫镍集流体上，将涂覆后的泡沫镍集流体放入真空干燥箱中在60℃下干燥12h，干燥后取出并在双辊机上将电极片压制成厚度约为0.5mm，即可得到锂离子电容器的正极片；正负极片之间夹以聚丙烯隔膜，组装成锂离子电容器，正负极片之间注入浓度为1mol/L的硝酸锂水溶液为电解液；其中，负极片使用的微膨石墨材料的膨胀系数为10~30倍，由以下方法制得：S1.取鳞片石墨和微晶石墨质量比为2~3:1进行球磨，至粒度200~300目，为混合料；S2.将S1所得混合料置于马弗炉中，在惰性气氛下缓慢升温至350℃~400℃，保温10~30min，空冷至室温待用；S3.将S2热处理之后的混合料进行化学插层处理，得可膨胀混合石墨；S4.将S3所得可膨胀混合石墨放入石墨膨胀炉中在400~500℃进行膨胀，得微膨石墨材料。本专利技术创造性的将微晶石墨和鳞片石墨混合膨化制备微膨石墨材料，在球磨过程中，适当质量比的鳞片石墨和微晶石墨充分混合，在球磨过程中，部分微晶石墨颗粒会进入鳞片石墨片层间，充分混合，混合之后进行热处理，热处理可以活化球磨混合材料，同时也可以处理原料中可升华的杂质，热处理之后立即进行化学插层处理，可以提高插层效果和效率，也更有利于之后的膨胀处理过程。本专利技术球磨混合料在膨胀处理过程中，鳞片石墨和微晶石墨的结构不同，其膨胀过程发生的变化也不一样，鳞片石墨膨胀过程扩大了其片层间距，而微晶石墨则膨化形成絮状，混合料在膨化后的结构显示为鳞片石墨之间的絮状膨胀微晶石墨连接在鳞片石墨片层之间，这种鳞片石墨片层之间夹杂着絮状微晶石墨的结构更有利于电子间的传导，更适合作为锂离子电极材料，提高膨胀之后形成微膨石墨材料的充放电容量，提高其循环性能和倍率放电性能。优选地，步骤S1所述鳞片石墨含碳量不低于85%，所述微晶石墨为郴州市鲁塘石墨粉，其碳含量为70~80%。优选地，步骤S1球磨过程球料比为3~5:1，球磨时间为6~8h，转速为200~300r/min。优选地，步骤S2惰性气氛为氮气、氩气中的一种。优选地，步骤S2所述混合料在马弗炉中加热，所述升温速率为5~20℃/min，本专利技术采用优选地，步骤S3所述化学插层处理步骤包括：S31.将高氯酸与步骤S2所得混合粉体按液固比为10～30：1L/Kg混合搅拌均匀；S32.按所述混合粉体与高锰酸钾的质量比为1：2～8加入高锰酸钾，在室温下搅拌均匀后，升温至30～60℃继续搅拌反应1～3.0h；S33.加入去离子水使所述反应装置内的温度升高至60～100℃，再继续搅拌反应1～3.0h；S34.过滤，然后对过滤物进行洗涤、干燥，得可膨胀混合石墨。优选地，步骤S4在石墨膨胀炉中进行高温膨胀包括以下步骤：S41.进料：采用石墨膨化炉，将可膨胀混合石墨通过进料口投入到炉膛中，所述进料口的温度为30℃，投放速度为2Kg/h；S42.膨胀：炉膛的膨胀温度为400~500℃，通过控制风速来控制膨胀时间为5s；S43.出料：完成步骤S42后，出料口温度为50℃，然后在出料口处收集得到微膨石墨材料。相对现有技术，本专利技术的有益效果在于：（1）本专利技术采用微晶石墨和鳞片石墨混合制备微膨石墨材料，中国的微晶石墨储量大，价格便宜，大多为低附加值利用，本专利技术为微晶石墨提供了一种高附加值利用途径。（2）本专利技术采用微晶石墨和鳞片石墨为原料，对混合材料进行微膨胀处理得到微膨石墨材料，在高体积比容量的同时，扩大了石墨间距，形成微纳米孔洞结构，制备出一定倍数的微膨石墨材料。（3）本专利技术球磨混合料在膨胀处理过程中，鳞片石墨和微晶石墨的结构不同，其膨胀过程也不一样，鳞片石墨膨胀过程扩大了其片层间距，而微晶石墨则膨化形成絮状，鳞片石墨之间的絮状膨胀微晶石墨连接在鳞片石墨片层之间，这种石墨片层之间夹杂着絮状石墨的结构更有利于电子间的传导，也更适合作为锂离子电极材料，提高膨胀之后形成微膨石墨材料的充放电容量，提高其循环性能和倍率放电性能。（4）本专利技术微晶石墨和鳞片石墨经微膨处理之后导致石墨层间距扩大和微纳米孔等内部缺陷能够有效地缓冲电极材料在充放电特别是大电流充放电时的尺寸变化，减少对电极材料的破坏，避免了不可逆容量的增加，因此本专利技术制备得到的微膨石墨具备较好的循环稳定性和倍率性能，可用作锂离子电池的负极。（5）本专利技术所采用的高温膨胀法，将传统的高温膨胀法和石墨膨胀炉结合，采用最佳的膨胀温度，并围绕膨胀温度通过对原料以及工艺参数的控制可有效提高产品的稳定性。（6）本专利技术的方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂离子电容器，包括隔膜、锂离子提供源、外壳，其特征在于，还包括负极片、 正极片、含锂有机电解液，其中：所述的负极片使用微膨石墨材料作为负极活性材料，将微膨石墨材料、石墨、聚四氟乙烯按照质量比90:9:15，在蒸馏水中均匀混合并配制成浆料涂布于铜箔集流体的正反两面，放入真空干燥箱中在60℃下干燥12h，干燥后取出并在双辊机上将电极片压制成厚度约为0.5mm，即可得到锂离子电容器的负极片；所述的正极片是将活性炭粉末与导电炭黑按质量比为9:1机械研磨，充分混合，再加入适量的聚四氟乙烯（占总质量的1%）和蒸馏水，将其研磨搅拌成糊状，用玻璃片刮涂于泡沫镍集流体上，将涂覆后的泡沫镍集流体放入真空干燥箱中在60℃下干燥12h，干燥后取出并在双辊机上将电极片压制成厚度约为0.5mm，即可得到锂离子电容器的正极片；正负极片之间夹以聚丙烯隔膜，组装成锂离子电容器，正负极片之间注入浓度为1mol/L的硝酸锂水溶液为电解液；其中，负极片使用的微膨石墨材料的膨胀系数为10~30倍，由以下方法制得：S1.取鳞片石墨和微晶石墨质量比为2~3:1进行球磨，至粒度200~300目，为混合料；S2.将S1所得混合料置于马弗炉中，在惰性气氛下缓慢升温至350℃~400℃，保温10~30min，空冷至室温待用；S3.将S2热处理之后的混合料进行化学插层处理，得可膨胀混合石墨；S4.将S3所得可膨胀混合石墨放入石墨膨胀炉中在400~500℃进行膨胀，得微膨石墨材料。...

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电容器，包括隔膜、锂离子提供源、外壳，其特征在于，还包括负极片、正极片、含锂有机电解液，其中：所述的负极片使用微膨石墨材料作为负极活性材料，将微膨石墨材料、石墨、聚四氟乙烯按照质量比90:9:15，在蒸馏水中均匀混合并配制成浆料涂布于铜箔集流体的正反两面，放入真空干燥箱中在60℃下干燥12h，干燥后取出并在双辊机上将电极片压制成厚度约为0.5mm，即可得到锂离子电容器的负极片；所述的正极片是将活性炭粉末与导电炭黑按质量比为9:1机械研磨，充分混合，再加入适量的聚四氟乙烯（占总质量的1%）和蒸馏水，将其研磨搅拌成糊状，用玻璃片刮涂于泡沫镍集流体上，将涂覆后的泡沫镍集流体放入真空干燥箱中在60℃下干燥12h，干燥后取出并在双辊机上将电极片压制成厚度约为0.5mm，即可得到锂离子电容器的正极片；正负极片之间夹以聚丙烯隔膜，组装成锂离子电容器，正负极片之间注入浓度为1mol/L的硝酸锂水溶液为电解液；其中，负极片使用的微膨石墨材料的膨胀系数为10~30倍，由以下方法制得：S1.取鳞片石墨和微晶石墨质量比为2~3:1进行球磨，至粒度200~300目，为混合料；S2.将S1所得混合料置于马弗炉中，在惰性气氛下缓慢升温至350℃~400℃，保温10~30min，空冷至室温待用；S3.将S2热处理之后的混合料进行化学插层处理，得可膨胀混合石墨；S4.将S3所得可膨胀混合石墨放入石墨膨胀炉中在400~500℃进行膨胀，得微膨石墨材料。2.根据权利要求1所述锂离子电容...

【专利技术属性】
技术研发人员：林荣铨，
申请(专利权)人：林荣铨，
类型：发明
国别省市：湖南,43