一种用于锂离子电容器的复合正极材料及其应用制造技术

本发明专利技术提供了一种用于锂离子电容器的复合正极材料及其应用，所述复合正极材料包括磷酸铁锰锂和多孔碳材料，所述多孔碳材料和磷酸铁锰锂的质量比为(60～90):(5～25)。本发明专利技术采用合适比例的碳材料和磷酸铁锰锂制备复合正极材料，磷酸铁锰锂结构稳定，充电平台较高(约为4V)，高压下不易释放氧气，与多孔碳材料复合后，依然可以保持较高的循环寿命和倍率性能；同时，磷酸铁锰锂在高压工作环境下能够抑制多孔碳材料的产气，制备得到的复合正极材料用于锂离子电容器中，能够提高锂离子电容器的循环寿命、倍率性能和安全性能。倍率性能和安全性能。倍率性能和安全性能。

【技术实现步骤摘要】
一种用于锂离子电容器的复合正极材料及其应用


[0001]本专利技术涉及电容器
，具体涉及一种用于锂离子电容器的复合正极材料及其应用。

技术介绍

[0002]锂离子电容器是一种实现了锂离子电池和电容器的原理和技术的结合的新型储能器件，兼具了高能量密度与高功率密度，并且拥有超长的循环寿命，目前在新能源汽车、轨道交通、储能领域等得到广泛应用。
[0003]常见的锂离子电容器结构可以分为以下两类：1)正极活性物质使用电容器的多孔碳材料，负极活性物质采用锂电池的负极碳材料；2)正极活性物质使用多孔碳材料与金属氧化物材料的复配材料，负极活性物质使用锂电池的负极碳材料。其中，前类锂离子电容器的功率特性更优异，但能量密度较低；后类锂离子电容器使用金属氧化物材料进行复配，虽然能量密度有所提高，但安全性能也随之降低，且部分金属氧化物材料，例如三元镍钴锰等材料结构不稳定，在寿命测试后期可能会出现结构坍塌等，影响循环性能。
[0004]CN112992553A公开了一种三元复合材料正极片以及其制备的锂离子电容器，其以具有电化学双电层特性的碳材料为骨架，导电聚合物通过单体的聚合反应生长在碳骨架上，在导电聚合物单体发生聚合反应的过程前或者反应完成后加入锂盐，最后得到碳材料/导电聚合物/锂盐三元复合材料；CN101840787A公开了一种锂离子电容器正极片的制作方法，其在集流体铝箔上涂布含有超级电容器活性材料的浆料并烘干，然后在涂布有超级电容器活性材料的集流体铝箔上再涂布锂离子电池的正极浆料，经过烘干、冷压、再烘干、裁片、分条工艺制得锂离子电容器的正极片。CN103515111A公开了一种锂离子电容器正极片的制备方法，其采用氧化石墨烯制备正极片，并在极片上涂覆有机锂化合物，依次进行加热、冷却、轧膜和切边，得到正极，简化了制备工艺。
[0005]现有技术提供了多种锂离子电容器的正极，但是上述正极均存在在寿命测试中衰减较快，循环稳定性低的缺点，并没有很好地体现出锂离子电容器长寿命的优势，限制了其商业化应用。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种用于锂离子电容器的复合正极材料及其应用。本专利技术采用合适比例的多孔碳材料和磷酸铁锰锂制备复合正极材料，磷酸铁锰锂结构稳定，充电平台较高(约为4V)，高压下不易释放氧气，与多孔碳材料复合后，依然可以保持较高的循环寿命和倍率性能；同时，磷酸铁锰锂在高压工作环境下能够抑制多孔碳材料的产气，制备得到的复合正极材料用于锂离子电容器中，能够提高锂离子电容器的循环寿命、倍率性能和安全性能。
[0007]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]第一方面，本专利技术提供了一种复合正极材料，所述复合正极材料包括磷酸铁锰锂
和多孔碳材料，所述多孔碳材料和磷酸铁锰锂的质量比为(60～90):(5～25)。
[0009]本专利技术中，多孔碳材料和磷酸铁锰锂的质量比为(60～90):(5～25)，其中，多孔碳材料的选择范围(60～90)例如可以是60、62、64、66、68、70、72、74、76、78、80、82、84、86、88或90等，磷酸铁锰锂的选择范围(5～25)例如可以是5、8、10、12、14、16、18、20、22、24或25等。
[0010]本专利技术采用合适比例的多孔碳材料和磷酸铁锰锂制备复合正极材料，磷酸铁锰锂结构稳定，充电平台较高(约为4V)，高压下不易释放氧气，应用于锂离子电容器时具有较好的安全性；合适含量的磷酸铁锰锂与碳材料复合，协同作用，适用于电容器的工作环境，制备得到的锂离子电容器具有较高的循环寿命和倍率性能；同时，合适含量的磷酸铁锰锂在高压工作环境下能够抑制多孔碳材料的产气，制备得到的复合正极材料用于锂离子电容器中，能够提高锂离子电容器的循环寿命、倍率性能和安全性能。
[0011]本专利技术中，当磷酸铁锰锂含量偏高时，其与多孔碳材料共同制备正极时，易在涂布过程中影响极片的形貌，制备得到的极片的安全性和稳定性均较差；当磷酸铁锰锂含量进一步提高时，其难以在大倍率下工作，无法实现其在锂离子电容器中的应用。
[0012]优选地，所述多孔碳材料和磷酸铁锰锂的质量比为(60～90):(10～20)。
[0013]优选地，所述多孔碳材料包括活性炭、介孔碳、石墨烯和碳纳米管中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是活性炭和介孔碳的组合，活性炭和碳纳米管的组合，石墨烯和碳纳米管的组合，活性炭、介孔碳和石墨烯的组合，或活性炭、介孔碳、石墨烯和碳纳米管的组合等，优选为活性炭。
[0014]本专利技术中，优选合适的多孔碳材料与磷酸铁锰锂配合使用，保持了超级电容器优异的循环寿命与倍率性能，并且安全性更高，稳定性更好。
[0015]优选地，所述多孔碳材料的比表面积为800～3000m2/g，例如可以是800m2/g、1000m2/g、1200m2/g、1400m2/g、1600m2/g、1800m2/g、2000m2/g、2200m2/g、2400m2/g、2600m2/g、2800m2/g或3000m2/g等。
[0016]本专利技术对所述复合正极材料的制备方法不做限定，例如可以将一定含量的多孔碳材料与磷酸铁锰锂混合，得到所述复合正极材料，也可以在制备正极浆料时，将多孔碳材料和磷酸铁锰锂共同投入到溶剂中，作为复合正极材料。
[0017]优选地，所述磷酸铁锰锂的化学式为LiMn
x
Fe1‑
x
PO4，其中，0.5<x≤0.8，例如可以是0.51、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75或0.8等。
[0018]第二方面，本专利技术提供了一种锂离子电容器，所述锂离子电容器包括正极和负极，所述正极包括正极活性材料层，所述正极活性材料层中包括根据第一方面所述的复合正极材料。
[0019]本专利技术采用第一方面所述的复合正极材料制备锂离子电容器，制备得到的锂离子电容器在过充、针刺等测试中，均具有较好的稳定性和安全性。
[0020]优选地，所述正极活性材料层中还包括正极导电剂和正极粘结剂。
[0021]优选地，所述正极导电剂包括炭黑、导电石墨、碳纳米管和石墨烯中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是炭黑和导电石墨的组合，碳纳米管和石墨烯的组合，导电石墨和碳纳米管的组合，炭黑、导电石墨、碳纳米管和石墨烯的组合等。
[0022]优选地，所述正极粘结剂包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠和聚丙烯
酸中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是聚偏氟乙烯和聚四氟乙烯的组合，聚四氟乙烯和羧甲基纤维素钠的组合，羧甲基纤维素钠和聚丙烯酸的组合，聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯和羧甲基纤维素钠的组合等。
[0023]作为本专利技术所述锂离子电容器的优选技术方案，以所述正极活性材料层的质量为100wt％计，所述磷酸铁锰锂的含量为5～30wt％，例如可以是5wt％、8wt％、10wt％、12wt％、14wt％、16wt％、18wt％、20wt％本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于锂离子电容器的复合正极材料，其特征在于，所述复合正极材料包括磷酸铁锰锂和多孔碳材料，所述多孔碳材料和磷酸铁锰锂的质量比为(60～90):(5～25)。2.根据权利要求1所述的复合正极材料，其特征在于，所述多孔碳材料和磷酸铁锰锂的质量比为(60～90):(10～20)。3.根据权利要求1或2所述的复合正极材料，其特征在于，所述多孔碳材料包括活性炭、介孔碳、石墨烯和碳纳米管中的任意一种或至少两种的组合，优选为活性炭；优选地，所述多孔碳材料的比表面积为800～3000m2/g；优选地，所述磷酸铁锰锂的化学式为LiMn
x
Fe1‑
x
PO4，其中，0.5<x≤0.8。4.一种锂离子电容器，其特征在于，所述锂离子电容器包括正极和负极，所述正极包括正极活性材料层，所述正极活性材料层中包括根据权利要求1
‑
3任一项所述的复合正极材料。5.根据权利要求4所述的锂离子电容器，其特征在于，所述正极活性材料层中还包括正极导电剂和正极粘结剂；优选地，所述正极导电剂包括炭黑、导电石墨、碳纳米管和石墨烯中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述正极粘结剂包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠和聚丙烯酸中的任意一种或至少两种的组合；优选地，以所述正极活性材料层的质量为100wt％计，所述磷酸铁锰锂的含量为5～30wt％；优选地，所述正极活性材料层中，多孔碳材料、磷酸铁锰锂、正极导电剂和正极粘结剂的质量比为(60～90):(5～25):(3～10):(2～10)。6.根据权利要求4或5所述的锂离子电容器，其特征在于，所述负极包括负极活性材料、负极导电剂和负极粘结剂；优选地，所述负极活性材料包括软碳、硬...

【专利技术属性】
技术研发人员：周义荣，章庆林，薛鑫，安仲勋，吴明霞，黄廷立，
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：