一种锂离子电容器及其制备方法和用途技术

本发明专利技术提供了一种锂离子电容器及其制备方法和用途。所述锂离子电容器包括正极、负极、隔膜和电解液；所述正极的材料包括磷酸铁锂、双电层材料、导电剂和粘结剂；所述负极的材料包括晶面间距d002至少为0.345nm的碳材料、导电剂和粘结剂。本发明专利技术通过优选合适参数的正负极活性物质，优化材料复配和配比，降低集流体内阻，优选高孔隙率低透气度的隔膜，提高电解液在常温和低温下的电导率，对压实密度和面电阻进行精确控制，提高极片的导电能力和电解液的浸润性，减小极化，从而提高了使用磷酸铁锂锂离子电容器的倍率性能和低温性能。锂离子电容器的倍率性能和低温性能。锂离子电容器的倍率性能和低温性能。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电容器及其制备方法和用途


[0001]本专利技术属于储能领域，涉及一种锂离子电容器及其制备方法和用途。

技术介绍

[0002]锂离子电容器是一种介于双电层电容器和锂离子电池之间的储能器件，结合了双电层电容器高功率密度、长循环寿命和锂离子电池高能量密度的优点，在轨道交通，公共交通、船舶交通、电机车、AGV、重载设备、储能等领域得到广泛的关注和应用。
[0003]磷酸铁锂具有优异的安全性能、高温性能、环保无污染的特点，广泛用于锂离子电池正极材料，但其低温性能差，内阻大和锂离子迁移速率低造成倍率性能差，直接限制了磷酸铁锂在锂离子电容器中的推广应用。
[0004]CN109994724A中公开了一种高比能量锂离子电池，正极活性物质采用复合多孔炭的磷酸铁锂或掺杂金属后裹覆多孔炭层的微纳结构磷酸铁锂，负极活性物质采用硬碳材料或由硬碳材料包覆纳米硅或纳米硅裹覆导电层后与硬碳材料复合，制备的锂离子电池具有高比能量、高倍率充放电、长循环寿命和优越的低温性能。但锂离子电池的制备仅着眼于正负极材料的组合配对，未对整个单体的制作工艺包括正负极片的制作工艺、隔膜、电解液、集流体等进行优化改善。
[0005]CN102751496A公开了一种通过制备Fe2O3/石墨烯复合物作为前驱体，然后通过溶剂热反应得到LiFePO4/石墨烯复合物的制备方法，然而其过程比较繁琐，所得复合材料的电化学性能不稳定。同时现在制备石墨烯成本过高，同时中国石墨烯产量不高，使用石墨烯制备得到的复合电极材料性能并没有特别大的提升，所以使磷酸铁锂/石墨烯复合电极材料很难进行产业化应用。
[0006]CN101752561A公开了一种石墨烯改性磷酸铁锂正极复合材料及其制备方法和基于该正极活性材料的锂离子二次电池，该方法是将石墨烯或者氧化石墨烯与磷酸铁锂分散于水溶液中，通过搅拌和超声使其均匀混合，随后通过干燥和退火得到石墨烯改性的磷酸铁锂正极活性材料。这种方法虽然可以改性磷酸铁锂，但是其使用氢气作为还原气体和保护气体，安全性能低，使用有机电解液，环境污染大。并且由于是将预先制备的磷酸铁锂与石墨烯或者氧化石墨烯通过简单的机械方法混合，获得石墨烯共混改性的磷酸铁锂正极活性材料，磷酸铁锂不能有效地与石墨烯复合而充分地利用石墨烯优异的电化学性能。此外由于石墨的层间距较小，不能够有效地与其他物质插入复合，
[0007]如何解决磷酸铁锂应用于锂离子电容器时出现的低温性能差，内阻大和锂离子迁移速率低造成倍率性能差等问题，是值得考虑的。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供一种锂离子电容器及其制备方法和用途。本专利技术通过优选合适参数的正负极活性物质，优化材料复配和配比，降低集流体内阻，优选高孔隙率低透气度的隔膜，提高电解液在常温和低温下的电导率，对压实密度和面电阻进行精确控制，提高
极片的导电能力和电解液的浸润性，减小极化，从而提高了使用磷酸铁锂锂离子电容器的倍率性能和低温性能。
[0009]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]第一方面，本专利技术提供一种锂离子电容器，所述锂离子电容器包括正极、负极、隔膜和电解液；所述正极的材料包括磷酸铁锂、双电层材料、导电剂和粘结剂；所述负极的材料包括晶面间距d002至少为0.345nm的碳材料、导电剂和粘结剂。
[0011]本专利技术通过复配高电导率高倍率具有双电层特性的材料来改善磷酸铁锂正极锂离子迁移速率低的问题，提高了正极的倍率性能和低温性能，选用了晶面间距d002较大的碳材料作为负极材料来提高负极的倍率和低温性能，从而提高了使用磷酸铁锂锂离子电容器的倍率性能和低温性能。
[0012]本专利技术中，所述碳材料的晶面间距至少为0.345nm的原因为，当晶面间距提高，负极的锂离子扩散速率会增大，能改善电池的倍率性能和低温性能。
[0013]本专利技术中，所述碳材料的晶面间距至少为0.345nm，例如晶面间距大于等于0.345nm或0.352nm等，晶面间距大于等于0.38nm或者0.382nm等。
[0014]优选地，所述磷酸铁锂、双电层材料、导电剂和粘结剂的质量比为(45～90):(5～45):(3～10):(2～10)，例如45:45:5:5、90:5:3:2、86:5:3.5:5.5、85:7:3:5、70:20:4:6或80:10:5:5等。
[0015]示例性的，在所述正极的材料中，按照质量百分比可以包括：45～90％的磷酸铁锂、5～45％的双电层材料、3～10％的导电剂和2～10％的粘结剂。
[0016]具体的，所述磷酸铁锂的质量百分比例如可以是45％、48％、50％60％、70％、80％或90％等；所述双电层材料的质量百分比例如可以是5％、10％、20％、30％、40％或45％等；所述导电剂的质量百分比例如可以是3％、5％、8％或10％等；所述粘结剂的质量百分比例如可以是2％、5％、8％或10％等。
[0017]所述磷酸铁锂、双电层材料、导电剂和粘结剂的质量比为(45～90):(5～45):(3～10):(2～10)的原因为尽管双电层材料增加能提高倍率性能，但太大的比例会降低正极活性物质的克容量，使锂离子电容器的能量密度降低。
[0018]优选地，所述磷酸铁锂的D50为0.5～10μm，例如0.5μm、1μm、2μm、5μm、8μm或10μm等。
[0019]本专利技术中，所述磷酸铁锂的中值粒径为微米级别且在0.5～10μm范围内的原因为粒径太大，磷酸铁锂的倍率偏低，而粒径太小，对分散带来很多困难，并且锂离子电容器的副反应增多。
[0020]优选地，所述双电层材料的比表面积为800～3600m2/g，例如800m2/g、1000m2/g、1500m2/g、2000m2/g、2500m2/g、3000m2/g、3500m2/g或3600m2/g等。
[0021]优选地，所述双电层材料包括多孔碳材料。
[0022]本专利技术中，多孔碳材料作为双电层材料，具有明显的双电层特性，与磷酸铁锂配合，有效地改善了磷酸铁锂正极锂离子迁移速率低的问题，进一步提高了正极的倍率性能和低温性能。
[0023]优选地，所述磷酸铁锂和多孔碳材料的质量比为(1～18):1，例如1:1、5:1、10:1、5:1或18:1等。
[0024]优选的，所述多孔碳材料包括活性炭、碳纳米管、介孔碳、碳气凝胶、骨架炭或石墨烯中的任意一种或至少两种的组合。
[0025]优选地，所述正极的材料中的导电剂包括炭黑、导电石墨、气相生长碳纤维、碳纳米管或石墨烯中的任意一种或至少两种的组合。
[0026]优选地，所述正极的材料中的粘结剂包括聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚丙烯酸、聚四氟乙烯、聚丙烯腈或聚丙烯酸酯中的任意一种或至少两种的组合。
[0027]优选地，所述晶面间距d002至少为0.345nm的碳材料、导电剂和粘结剂的质量比为(80～98):(0.001～10):(2～10)，例如80:10本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电容器，其特征在于，所述锂离子电容器包括正极、负极、隔膜和电解液；所述正极的材料包括磷酸铁锂、双电层材料、导电剂和粘结剂；所述负极的材料包括晶面间距d002至少为0.345nm的碳材料、导电剂和粘结剂。2.根据权利要求1所述的锂离子电容器，其特征在于，所述磷酸铁锂、双电层材料、导电剂和粘结剂的质量比为(45～90):(5～45):(3～10):(2～10)；优选地，所述磷酸铁锂的D50为0.5～10μm；优选地，所述双电层材料的比表面积为800～3600m2/g；优选地，所述双电层材料包括多孔碳材料；优选地，所述磷酸铁锂和多孔碳材料的质量比为(1～18):1；优选的，所述多孔碳材料包括活性炭、碳纳米管、介孔碳、碳气凝胶、骨架炭或石墨烯中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述正极的材料中的导电剂包括炭黑、导电石墨、气相生长碳纤维、碳纳米管或石墨烯中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述正极的材料中的粘结剂包括聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚丙烯酸、聚四氟乙烯、聚丙烯腈或聚丙烯酸酯中的任意一种或至少两种的组合。3.根据权利要求1或2所述的锂离子电容器，其特征在于，所述晶面间距d002至少为0.345nm的碳材料、导电剂和粘结剂的质量比为(80～98):(0.001～10):(2～10)；优选地，所述晶面间距d002至少为0.345nm的碳材料包括硬碳和/或软碳；优选地，所述硬碳的D50为0.5～15μm；优选地，所述硬碳的晶面间距d002大于或等于0.38nm；优选地，所述软碳的D50为2～20μm；优选地，所述软碳的晶面间距d002大于或等于0.345nm；优选地，所述负极的材料中的导电剂包括炭黑、导电石墨、气相生长碳纤维、碳纳米管或石墨烯中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述负极的材料中的粘结剂包括聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚丙烯酸、聚四氟乙烯、聚丙烯腈或聚丙烯酸酯中的任意一种或至少两种的组合。4.根据权利要求1-3任一项所述的锂离子电容器，其特征在于，所述隔膜包括纤维素隔膜、PET无纺布隔膜、芳纶隔膜、PET无纺布陶瓷填充隔膜、PE陶瓷涂覆隔膜或PP陶瓷涂覆隔膜中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述隔膜的孔隙率大于或等于45％；优选地，所述隔膜的透气度小于或等于200s/100mL。5.根据权利要求1-4任一项所述的锂离子电容器，其特征在于，所述电解液包括六氟磷酸锂、溶剂和添加剂；优选地，所述六氟磷酸锂的摩尔浓度为0.8～1.5mol/L；优选地，所述溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、乙酸乙酯和丙酸乙酯；以溶剂和添加剂的质量总和为100％计：优选地，所述碳酸乙烯酯在所述电解液中的质量分数为7～13wt％；优选地，所述碳酸甲乙酯在所述电解液中的质量分数为7～13wt％；优选地，所述乙酸乙酯在所述电解液中的质量分数为70～80wt％；
优选地，所述丙酸乙酯在所述电解液中的质量分数为1～5wt％；优选地，所述添加剂包括碳酸亚乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯和硫酸乙烯酯；优选地，所述碳酸亚乙烯酯在所述电解液中的质量分数为1～2wt％；优选地，所述氟代碳酸乙烯酯...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨重阳，夏恒恒，徐雪茹，索路路，薛鑫，孙超，安仲勋，
申请(专利权)人：上海奥威科技开发有限公司，
类型：发明
国别省市：