CN101127276B - 有机电解液体系混合电化学电容器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种新型的电化学电容器，其特点是电容器的正极使用离子嵌入材料作为正极活性材料。负极使用大比表面积的多孔碳材料电极，以有机电解质溶液作为电解液，正负极之间有可通过离子的电子绝缘隔膜。该电化学电容器具有较高的能量密度和功率密度，具有较好的应用前景，可广泛应用于电子工业、交通运输、电力、矿冶等领域的电能储存。

Description

有机电解液体系混合电化学电容器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种有机电解液体系的混合电化学电容器及其制备方法，属于电子、电力领域，可广泛应用于电子工业、交通运输、电力、矿冶等领域的电能储存。
背景技术
电化学电容器是一种新型储能装置，是利用双电层离子吸附/脱附原理或快速表面法拉第反应(准电容)储电原理储存能量的。与传统电容器相比，电化学电容器具有极高的电容量，较好的低频响应和低的等效串联电阻，因而在电子电路和微电器方面弥补了传统电容器的不足，用来提供电子电路中所需要的大电容，成为一类新型的电子元器件，在电子工业中得到广泛的应用，并部分取代了电解电容器。近年来，随着电子、电气设备的小型化以及电动汽车工业的不断发展，电化学电容器作为后备电源和脉冲功率电源日益引起了人们的关注，各国相继开始支持电化学电容器的研究和开发。电化学电容器在军事领域也具有广阔的应用前景，可以作为坦克、火箭牵引车等的起动电源，改善这些军用车辆的低温性能，而高比功率电化学电容器也将是大功率激光武器、电磁炮等武器的首选电源之一。
与电池相比，电化学电容器具有更长的循环寿命、安全、无记忆等优点，更重要的是，电化学电容器具有电池所不具备的高功率连续充放电的性能，因此，电化学电容器是一种极具发展潜力的储能装置。
目前技术较为成熟的电化学电容器是以多孔活性炭作为电极材料的双电层电容器，如专利ZL99208460.1、CN1229517A等，其正负极均由多孔活性炭组成，比能量和比功率均较低。由于炭材料表面存在电解质难于到达的微孔，无法充分利用活性炭的表面，同时，活性炭材料的比表面不可能无限制提高，因此，利用高比表面材料获得大比容量的余地不大。另外，活性炭材料本身具有较高的接触电阻，影响了双电层电容器的功率性能的提高。比较而言，准电容是准法拉第过程，比能量与电极材料的电化学反应性有关，可以大幅度提高材料的容量特性，从而大幅度提高电容器的比容量。
具有较高法拉第准电容的材料，研究较多的是RuO2等贵金属材料，如CN1345074A，使用RuO2与活性炭复合材料构成电化学电容器，比容量较高，同时也有很高的功率性能，但其高昂的价格限制了其商业化和进一步应用。也有专利如CN1369886A，使用MnO2与活性炭构成电化学电容器、以及CN1277444A和CN2574196Y等使用NiOOH材料与活性炭构成混合超级电容器，使电化学电容器的成本有了一定程度的降低，但由于这些电容器皆为水溶液体系，单体电压低，因而性能提高的潜力不大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有机电解液体系混合电化学电容器及其制备方法，以提高电化学电容器的能量密度，并使该电容器具有较镉镍电池、氢镍电池更好的功率特性。
本发明的技术方案如下：
电容器的正极(1)使用离子嵌入材料作为活性材料，如锂离子嵌入材料LiCoO2等；电容器的负极(2)使用大比表面积的多孔碳材料电极，如活性炭材料；以有机溶液作为电解质；正负极之间有可通过离子的电子绝缘隔膜(3)。
正极(1)制备步骤如下：以离子嵌入材料为活性材料，加入导电剂，粘接剂等调成浆料，涂在铝箔等正极集流体(4)上，经干燥、辊压后作为电容器的正极。其中离子嵌入材料应具有如下的结构式：M1xM2yAz，其中M为嵌入元素，可以是Li、Mg、Al、Cr或它们的组合，M2为宿主元素，可以是Mn、Ni、Co、Fe、V、Mg、Al、Cr、Ti、Mo或它们的组合，A为O、P、S、N、Cl、F、B或它们的组合，x、y不能同时为零，z不能为零。离子嵌入材料制备方法有以下几种：共同沉积法、气相沉积法、溶胶凝胶法、混合烧结法、共沉积烧结法等。
负极(2)制备步骤如下：以多孔碳材料为活性材料，加入导电剂，粘接剂等调成浆料，涂在铝箔等负极集流体(5)上，经干燥、辊压后作为电容器的负极。其中多孔碳材料是以下一种或一种以上：活性炭粉、活性炭纤维、活性炭布、活性炭毡、碳纳米管、碳气凝胶、活性玻态炭、纳米孔玻态炭、多孔石墨、石墨纤维、多孔硬碳等。
电容器电解液是有机电解液，电解质盐是铵盐、锂盐、镁盐、铝盐、铬盐之一或它们的混合物，如LiPF6溶解在EC/DMC混合溶剂中，组成1M LiPF6-EC/DMC(50v％)。
电容器的电子绝缘隔膜(3)是：聚氧乙烯、聚丙烯、尼龙、聚乙烯微孔膜、石棉纸、聚乙烯、玻璃纤维或它们的复合材料等。
本发明制备的电化学电容器，寿命长、价格低，具有较高的能量密度和功率密度，能量利用效率高，可广泛应用于电力、交通、电子等行业。
附图说明
图1为本发明电化学电容器的结构图。
1正极，2负极，3隔膜，4正极集流体，5负极集流体，6正极电流引出端，7负极电流引出端，8电容器单体
图2为本发明电化学电容器的典型充放电曲线。
具体实施方式
下面举三个实施例简要说明本发明电化学电容器的制备方法。
实施例1
电化学电容器正极的制备
用溶胶-凝胶法制备Li0.96Mg0.04FePO4，在氮气保护下700℃烧结24小时，得到嵌锂型活性材料，添加5％质量比的碳黑作为导电剂，添加7％质量比的PVdF作为粘接剂，用N-甲基吡咯烷酮调成浆料。用刮浆法将上述浆料均匀刮涂在20微米厚的铝箔上，经干燥、辊压成型，作为正极。
实施例2
电化学电容器负极的制备
取活性炭作为负极活性材料，添加15％质量比的导电碳黑作为导电剂，添加7％质量比的PVdF作为粘接剂，用N-甲基吡咯烷酮调成浆料。用刮浆法将上述浆料均匀刮涂在20微米厚的铝箔上，经干燥、辊压成型，作为负极。
实施例3
电化学电容器的制备
取以上实施例1的正极和实施例2的负极裁成适当的极片，在极耳上焊接导电片，在装配夹上布好螺栓、隔膜等材料，将一片正极的导电片套在一边螺栓上，将隔膜折向一边，铺平拉紧，在另一边将一片负极的导电片套在螺栓上，使隔膜将两电极隔开。继续放以正极。以以上方式组成电极组。极板装配完成，经整理后放入电容器壳体中，调整极柱位置，将螺栓紧固，封口。加注电解液，加密封阀，经活化和分选后即可应用。以本实施例制备的电化学电容器电压达可充到3.0V，比能量可以达到8Wh/kg以上，比功率可以达到2～3kW/kg以上，性能远远高于普通的炭/炭电化学电容器。

Claims (5)

1.一种有机电解液体系混合电化学电容器，其特征在于电容器的正极(1)为离子嵌入材料Li0.96Mg0.04FePO4作为活性材料，电容器的负极(2)为大比表面积的多孔碳材料电极，正负极之间有可通过离子的电子绝缘隔膜(3)，隔膜(3)中浸满有机电解质溶液作为电解液。
2.根据权利要求1所述的电化学电容器，其特征在于嵌入材料制备方法有以下几种：共同沉积法、气相沉积法、溶胶凝胶法、混合烧结法、共沉积烧结法。
3.根据权利要求1所述的电化学电容器，其特征在于多孔碳材料电极(2)是以以下一种或一种以上为主要活性物质：活性炭粉、活性炭纤维、活性炭布、活性炭毡、碳纳米管、碳气凝胶、活性玻态炭、纳米孔玻态炭、多孔石墨、石墨纤维、多孔硬碳。
4.根据权利要求1所述的电化学电容器，其特征在于电解液的溶剂是有机溶剂，电解质盐是铵盐、锂盐、镁盐、铝盐、铬盐之一或它们的混合物。
5.根据权利要求1所述的电化学电容器，其特征在于电子绝缘隔膜(3)是：聚氧乙烯、聚丙烯、尼龙、聚乙烯微孔膜、石棉纸、聚乙烯、玻璃纤维，或它们的复合材料。
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