一种超级电容电池制造技术

本发明专利技术涉及一种新型高性能储能器件－超级电容电池。超级电容电池包括正极、负极和电解液。其中正极活性电极材料含有钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰三元材料、磷酸铁锂等锂离子嵌入化合物与活性炭、纳米炭管、炭气凝胶等以及它们的复合材料。负极活性电极材料有活性炭、活性炭、纳米炭管、炭气凝胶等与石墨以及它们的复合材料。电解液采用含锂离子的非水有机溶剂组成的电解液。本发明专利技术针对的是集超级电容器双电层储能和锂离子电池嵌入－脱嵌两方面特点于一身的新型储能器件－超级电容电池，其兼具电容和电池双功能储能的特点，保持锂离子电池高电压、高能量密度的同时，还具有超级电容器的高功率密度、大电流放电、良好的循环寿命等特性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电化学储能器件领域，具体涉及一种新型的超级电容电池。
技术介绍
当今世界，石油资源日渐紧张，环境污染日趋严重，人们对以绿色二次电池为动力的二次能源越来越重视。但是，以传统的铅酸电池为动力的能源，存在铅污染和酸污染，且体积和质量能量密度均较低，限制了其在动力型领域的广泛应用。电动工具、电动车辆、航空航天、国防军工、电子信息和仪器仪表等领域的巨大需求，使得以超级电容器和锂离子动力电池为代表的新一代动力型绿色储能器件成为全球高科技产业领域关注的热点。锂离子二次电池是近年来发展起来的新型储能器件。锂离子电池具有较镍氢电池更高的能量密度，同时兼具较好的大电流充放电性能。虽然索尼公司于1990年率先提出并付诸产业化的LiCoO2/C电池体系可应用于小型用电器具，但由于安全性差、成本高等原因而不能作为混合电动汽车的电源。近年来，人们开发了新型正极材料，如锰酸锂、磷酸铁锂等。这些材料具有原料来源广泛，价格低廉的特点。尤其是磷酸铁锂的长寿命与高安全性引起了人们的极大关注，可望在一定程度上解决锂离子电池作为混合动力电源的致命问题。然而，由磷酸铁锂材料制造的锂离子电池功率密度仍较低，在实用化方面还存在障碍。超级电容器也是近些年来发展迅速的新型绿色储能器件，它具有快速充放电特性，功率密度是普通电池的几十倍甚至几百倍。另外，循环寿命长，充放电循环次数可达100000次，是普通电池的几百倍甚至几千倍。基于超级电容器的这种独特性能，包括我国在内的一些国家启动了使用超级电容器作为电源的电动车辆研发项目。但是，超级电容器作为车用电源也存在致命的弱点，即在目前的技术水平下尽管其能量密度是常规电容器的100倍以上，但依然显著低于二次电池(约为锂离子电池的1/10)。超级电容电池系统是一种将超级电容器与二次电池(目前主要为锂离子电池)相结合而构成的可望兼具两者优势的新型绿色储能系统。超级电容电池系统中，超级电容器与二次电池这两种储能体系的结合方式有两种，一种是“外组合”式(即将两者的单体通过电源管理系统组合成一个储能组件或系统)；另一种是“内结合”式(即将两者有机地结合在同一单体中)。已有研究表明，由基于活性炭电极材料的超级电容器与锂离子电池通过“内结合”构成超级电容电池，可望获得更加优异的性能。夏永姚于2005年(CN 1674347)提出了一种将锂离子嵌入-脱嵌机制与电化学电容器双电层机制协调组合在一起的混合型水性锂离子电池。在水溶液中，其报道的电池的电压较低，很难和现有的锂离子电池相竞争。本专利技术的目的在于提出一种基于超级电容器界面双电层和锂离子电池嵌入-脱嵌两方面特点于一身的新型储能器件——超级电容电池，其兼具电容和电池双功能储能的特点，保持锂离子电池高电压、高能量密度的同时，还具有超级电容器的高功率密度、大电流放电、良好的循环寿命的特点。本专利技术提出的超级电容电池，由正极、负极、介于正负极之间的隔膜以及非水电解液组成。其中，所述的正极活性电极材料采用锂离子嵌入化合物和多孔炭材料的混合物以及它们的复合材料；所述的负极活性电极材料采用多孔炭材料和石墨类材料的混合物以及它们的复合材料；所述的电解液为主要以含有锂离子的电解质盐和非水有机溶剂组成的电解液；所述的非水有机溶剂为碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、亚硫酸乙烯酯(ES)、亚硫酸丙烯酯(PS)、碳酸丁烯酯、γ-丁内酯、碳酸甲乙烯酯(EMC)、碳酸甲丙酯(MPC)、乙酸乙酯、乙腈(AN)中的至少两种。所述非水有机溶剂优选混合液中碳酸乙烯酯含量不大于40％，碳酸丙烯酯含量不大于30％，乙腈含量不大于30％，碳酸甲丙酯不大于40％，碳酸二甲酯不大于50％，碳酸二乙酯不大于40％的混合液；以各成分占电解液的重量计。所述的电解液还包括铵盐。所述的铵盐占电解液的重量含量5-40％。所述的铵盐为Et4NBF4、Et4NPF6、Et4NClO4、MeEt3NBF4、Me3EtNBF4、Et4NCF3SO3、Et4NCF3SO3、Et4N(CF3SO2)2N中的至少一种。非水有机溶剂的混合液中碳酸乙烯酯含量不大于40％，碳酸丙烯酯含量不大于30％，乙腈含量不大于30％，碳酸甲丙酯不大于40％，碳酸二甲酯不大于50％，碳酸二乙酯不大于40％的混合液；以各成分占电解液的重量计。本专利技术中，正极的集流体材料可以是电池级铝箔、电容器的腐蚀箔、不锈钢箔或者网带。负极的集流体材料可以是电池级铜箔。本专利技术中，正负极中的导电剂可以是乙炔黑、导电石墨、碳纳米管、碳黑等。本专利技术中，用作正极活性电极材料为可嵌锂化合物和多孔炭材料的混合物以及它们的复合材料，如可以将嵌锂化合物和活性炭按照一定比例进行物理混合制得正极活性电极材料，也可以通过机械融合或者包覆技术，将多孔炭材料复合在嵌锂化合物的表面，制成嵌锂化合物/多孔炭材料的复合材料。本专利技术中，嵌锂化合物为LiMn2O4、LiCoO2、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2、LiNiO2、LiFePO4以及上述化合物的其他金属元素M掺杂的材料等。掺杂元素M为Li、Mg、Cr、Al、Ni、Co、Mn、Fe、Ti、Zn、Cu、La的至少一种。所述的正极还要加入适量的导电剂和粘结剂。导电剂如导电炭黑、乙炔黑、导电石墨等和粘结剂如PVDF/NMP或者CMC+SBR等。所述的负极还要加入适量的导电剂和粘结剂，导电剂如导电炭黑、乙炔黑、导电石墨等和粘结剂如PVDF/NMP或者CMC+SBR等。本专利技术中，用作负极活性电极材料为石墨类材料和多孔炭材料的混合物以及它们的复合材料，如可以将人造石墨和活性炭按照一定比例进行物理混合制得正极活性电极材料，也可以通过机械融合或者包覆技术，将多孔炭材料复合在人造石墨的表面，制成石墨/多孔炭材料的复合材料。本专利技术中，正负极活性电极材料中的多孔炭材料采用活性炭粉末、活性炭纤维、纳米炭管、炭气凝胶、中孔炭等，其比表面积在1000m2/g以上。考虑到利用多孔炭的高比表面积特点，发挥其界面双电层储能特点，使超级电容电池具有高功率密度和长寿命等特点。本专利技术中，电解液为主要以含有锂离子的电解质盐和非水有机溶剂组成的电解液。锂盐占电解液的重量含量为8-18％。电解质盐有如LiPF6、LiBF4、LiBOB、LiCF3SO3、LiN(SO2CF3)2、LiC(SO2CF3)3、LiAsF6、Et4NBF4、Et4NPF6、MeEt3NBF4、Me3EtNBF4、Et4NCF3SO3、Et4NCF3SO3、Et4N(CF3SO2)2N等，溶剂有碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、γ-丁内酯、碳酸甲乙烯酯、碳酸甲丙酯、乙酸乙酯、乙腈等。如将LiPF6溶于碳酸酯溶剂，形成高电导率、高稳定化和宽电位窗口的电解液体系。本专利技术中，正、负极之间的膈膜可以采用锂离子电池用的PE、PP隔膜，超级电容器用的纤维素隔膜。本专利技术提出的超级电容电池是基于电容和电池双功能进行储能。对电容电池进行充电时，锂离子从正极脱出，通过电解液，锂离子吸附到多孔炭材料的表面以及嵌入到石墨内部，实现双功能储能。放电过程中，锂离子从负极上脱嵌，通过电解液，锂离子嵌入正极。充放电过程中，涉及本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超级电容电池，由正极、负极、介于正负极之间的隔膜以及非水电解液组成，其特征在于所述的正极活性电极材料采用锂离子嵌入化合物和多孔炭材料的混合物以及它们的复合材料；所述的负极活性电极材料采用多孔炭材料和石墨类材料的混合物以及它们的复合材料；所述的电解液为主要以含有锂离子的电解质盐和非水有机溶剂组成的电解液；所述的非水有机溶剂为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、γ－丁内酯、碳酸甲乙烯酯、碳酸甲丙酯、乙酸乙酯、乙腈中的至少两种。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李劼，张治安，赖延清，曾涛，李晶，李荐，丁凤其，金旭东，郑文波，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]