CN106847520B - 一种锂离子电容器正极及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种锂离子电容器正极及其应用。正极包括集流体和形成于集流体表面的正极材料，正极材料为将正极浆料烘干后剩下的物质；正极浆料为正极活性物质、锂金属氧化物、导电炭黑和粘结剂溶于分散介质中形成的溶液；正极活性物质、锂金属氧化物、导电炭黑和粘结剂的质量比为(70‑85):(5‑10):(3‑10):(3‑10)；正极活性物质、锂金属氧化物、导电炭黑和粘结剂的总质量与分散介质的质量比为1：(5‑7)。通过锂金属氧化物实现了锂离子电容器正极的制备，应用于锂离子电容器中时，只需在0.02～0.1C条件下充电至4.2～5.0V之间并稳压一次即可，简化了耗时、耗能的化成工艺步骤。
Description
技术领域
本发明涉及一种电容器正极，尤其涉及一种锂离子电容器正极及其应用，属于储能器件技术领域。
背景技术
随着“绿色化”、“智能化”新型城市化进程的加快，新型绿色、高效储能装置的发展成为了研究重点。在众多新型储能器件中，锂离子电容器作为一种兼具双电层电容器功率特性和锂离子电池能量特征的新型混合型电容器，成为了超级电容器能量密度的提升、锂离子电池体系功率密度提高的新型突破口。
通常来讲，锂离子电容器是由吸脱附储能活性炭作正极、可逆氧化还原碳材料(如石墨、硬炭、软炭等)作负极以及有机系电解液组成。通过内部正、负电极间的“串联”过程，实现了传统双电层电容器3倍以上能量密度的提升、锂离子电池2倍以上的功率密度增加，成为了城市公共交通、风力发电、重型机械等应用领域急需的高效储能电源。
但是，在锂离子电容器的实际工作过程中，因为负极需完成表面固体电解质界面膜的形成过程，从而使得负极预嵌锂过程成为了必不可少的一道工艺步骤。中国发明专利(公开号：CN102969162A)公开了一种锂离子电容器正极片及其制备方法，该电容器正极一般不作特殊处理，即采用活性炭作为唯一储能物质。又如中国发明专利(公开号：CN101138058A)公开了一种锂离子电容器，该锂离子电容器主要通过在负极与金属锂源构建“电势差”的方式进行“预嵌锂”过程。尽管这两种方法能够制备高比能锂离子电容器，但在产品制备过程需用到锂金属这种高活波性金属，从而使得生产过程对工作环境、安全等级设置以及批量化生产成本有严格的限制要求，最终限制了该系列产品的规模化应用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提出了一种锂离子电容器正极，通过本发明锂离子电容器正极的使用可以避免锂离子电容器安全系数低、生产成本高、操作流程长等方面的问题，实现工艺简单化、批量生产放大化的过程。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种锂离子电容器正极，所述正极包括集流体和形成于集流体表面的正极材料，所述正极材料为将正极浆料烘干后剩下的物质；
所述正极浆料为正极活性物质、锂金属氧化物、导电炭黑和粘结剂溶于分散介质中形成的溶液；
所述正极活性物质、锂金属氧化物、导电炭黑和粘结剂的质量比为(70-85):(5-10):(3-10):(3-10)；
所述正极活性物质、锂金属氧化物、导电炭黑和粘结剂的总质量与分散介质的质量比为1：(5-7)。
在上述的一种锂离子电容器正极中，所述正极浆料在温度22-28℃、湿度20-40％条件下制得。
在上述的一种锂离子电容器正极中，所述正极浆料的固含量为40-55％。
在上述的一种锂离子电容器正极中，所述正极活性物质为活性炭，所述活性炭的比表面积为1550～2100m2/g、表面酸性官能团含量低于0.5meq/g、灰分含量低于1％、金属杂质含量低于100ppm。活性炭所用原材料前驱体为石油焦、针状焦、椰壳等。
在上述的一种锂离子电容器正极中，所述锂金属氧化物为Li6CoO4、Li6MnO4、Li5ReO6、Li2NiO3、Li2MoO3中的一种或多种，所述锂金属氧化物的纯度大于99.5％。
在上述的一种锂离子电容器正极中，所述粘结剂为聚偏氟乙烯，所述粘结剂的纯度大于99.5％。
作为优选，所述集流体为腐蚀铝箔、不锈钢箔或网状材料，所述腐蚀铝箔为无孔或有孔。
本发明另一个目的在于提供一种应用上述锂离子电容器正极的锂离子电容器，
所述锂离子电容器的负极包括集流体和形成于集流体表面的负极材料，所述负极材料为将负极浆料烘干后剩下的物质；
所述负极浆料为负极活性物质、导电炭黑、粘结剂和分散剂溶于分散介质中形成的溶液，所述负极活性物质、导电炭黑、粘结剂和分散剂的质量比为(88-92):(3-7):(1-3):(1-3)。
在上述的一种锂离子电容器中，所述负极活性物质为石墨类炭材料，包括软炭、天然石墨、人造石墨、硬炭中的一种或多种，纯度大于99.5％。
作为优选，所述集流体为腐蚀铜箔、不锈钢箔或网状材料，所述腐蚀铜箔为无孔或有孔。
在上述的一种锂离子电容器中，所述锂离子电容器的制备方法包括：正、负极极片的制备，锂离子电容器组装和预嵌锂过程；
所述预嵌锂过程为：将组装后的锂离子电容器在0.02～0.1C条件下充电至4.3～5.0V，在所述电压条件下恒压6-10h。
作为优选，锂离子电容器组装包括将正极、隔膜、负极、隔膜按Z型叠片后组成电芯，将电芯置于一定外壳尺寸铝塑膜壳内后注入电解液，真空密封后即可得到新型锂离子电容器。
作为优选，所述电解液中电解液盐为可溶于有机溶剂的锂盐，包括LiPF6、LiBF4、LiClO4中的一种或多种，所述有机溶剂为PC、EC、DEC、DMC、EMC中至少一种。
与现有技术相比，本发明具有以下几个优点：
1.本发明通过容量高、容易发生锂离子不可逆脱锂过程的锂金属氧化物，实现了锂离子电容器正极的制备，最终完成了锂离子的成功嵌入，嵌锂过程不需要引入活泼金属锂，从而避免了锂金属暴露造成的安全隐患，工艺过程安全可靠。
2.本发明锂离子电容器正极的制备过程中只需将锂金属氧化物在拌浆过程按照比例加入正极浆料中，无需额外工序条件与工作环境要求，生产成本低、操作简单。
3.本发明无需常规锂离子电容器制备过程的缓慢预嵌锂工艺过程，只需在0.02～0.1C条件下充电至4.2～5.0V之间并稳压一次即可，简化了耗时、耗能的化成工艺步骤。
附图说明
图1为本发明锂离子电容器在1C条件下长期循环充放电过程测得的容量保持率。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并结合附图说明对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1：
将比表面积为1550m2/g、表面酸性官能团含量0.45meq/g、灰分含量0.8％、金属杂质含量85ppm的活性炭、纯度大于99.5％的Li6CoO4、导电炭黑、纯度大于99.5％的10％的聚偏氟乙烯按照质量比为80:10:5:5进行称量，滴加与正极活性物质、锂金属氧化物、导电炭黑和粘结剂的总质量的质量比为1:5的NMP，在恒温25℃、恒湿30％条件下制得固含量为50％的正极浆料。将正极浆料均匀涂布在无孔腐蚀铝箔的正反两面上，经干燥、碾压、冲切后获得55mm*75mm的锂离子电容器正极。
实施例2：
将比表面积为1700m2/g、表面酸性官能团含量0.4meq/g、灰分含量0.9％、金属杂质含量95ppm的活性炭、纯度大于99.5％的Li6MnO4、导电炭黑、纯度大于99.5％的10％的聚偏氟乙烯按照质量比为85:6:5:4进行称量，滴加与正极活性物质、锂金属氧化物、导电炭黑和粘结剂的总质量的质量比为1:5的NMP，在恒温25℃、恒湿30％条件下制得固含量为50％的正极浆料。接着将正极浆料均匀涂布在有孔腐蚀铝箔的正反两面上，经干燥、碾压、冲切后获得55mm*75mm的锂离子电容器正极。
实施例3：
将比表面积为1850m2/g、表面酸性官能团含量0.35meq/g、灰分含量0.75％、金属杂质含量90ppm的活性炭、纯度大于99.5％的Li2NiO3、导电炭黑、纯度大于99.5％的10％的聚偏氟乙烯按照质量比为80:10:5:5进行称量，滴加与正极活性物质、锂金属氧化物、导电炭黑和粘结剂的总质量的质量比为1:5的NMP，在恒温25℃、恒湿30％条件下制得固含量为50％的正极浆料。接着将正极浆料均匀涂布在无孔腐蚀铝箔的正反两面上，经干燥、碾压、冲切后获得55mm*75mm的锂离子电容器正极。
实施例4：
将比表面积为2100m2/g、表面酸性官能团含量0.48meq/g、灰分含量0.7％、金属杂质含量60ppm的活性炭、纯度大于99.5％的Li2MoO3、导电炭黑、纯度大于99.5％的10％的聚偏氟乙烯按照质量比为84:5:5:6进行称量，滴加与正极活性物质、锂金属氧化物、导电炭黑和粘结剂的总质量的质量比为1:5的NMP，在恒温25℃、恒湿30％条件下制得固含量为50％的正极浆料。接着将正极浆料均匀涂布在无孔腐蚀铝箔的正反两面上，经干燥、碾压、冲切后获得55mm*75mm的锂离子电容器正极。
应用实施例1-4：
将上述实施例1-4制得的锂离子电容器正极应用于锂离子电容器中。
锂离子电容器的负极为：将纯度大于99.5％的软炭、导电炭黑、40％的丁苯橡胶、1.5％的羟甲基纤维素钠按照质量比为91:5:2:2进行称量，滴加与活性物质质量比为1:4.2的去离子水在真空条件下搅拌2h制备的负极浆料。接着将负极浆料均匀涂布在无孔腐蚀铜箔的正反两面上，经干燥、碾压、冲切后获得55mm*75mm的负极。
将正极、隔膜、负极、隔膜按Z型方式叠片后置于外壳铝塑膜壳内，并注入1M LiPF6(溶剂为体积比为1:1的EC、DMC)电解液，抽真空密封后即可得到锂离子电容器。
再将锂离子电容器以0.06C电流将单体充电至4.5V，并稳压10h即可获得完成预嵌锂过程的锂离子电容器。
将应用实施例1-4制得的锂离子电容器在1C条件下进行长期循环充放电过程测试容量保持率，测试结果如图1所示。从图1可知：经过1000次循环后，容量保持率均还在92％以上。
在上述实施例及其替换方案中，正极活性物质、锂金属氧化物、导电炭黑和粘结剂的质量比还可以为70:10:10:10、72:9:9:10、72:10:9:9、75:10:7:8、75:8:7:10、78:8:7:7、80:8:3:9、80:9:4:7、81:9:7:3、82:8:5:5、82:6:6:6、83:7:5:5、83:5:8:4。
在上述实施例及其替换方案中，正极活性物质、锂金属氧化物、导电炭黑和粘结剂的总质量与分散介质NMP的质量比还可以为1：5.1、1：5.2、1：5.3、1：5.4、1：5.5、1：5.6、1：5.7、1：5.8、1：5.9、1：6.0、1：6.1、1：6.2、1：6.3、1：6.4、1：6.5、1：6.6、1：6.7、1：6.8、1：6.9、1：7.0。
在上述实施例及其替换方案中，活性炭的比表面积还可以为1550～2100m2/g之间的如1580m2/g、1600m2/g、1650m2/g、1750m2/g、1900m2/g、1950m2/g、1980m2/g、2000m2/g、2050m2/g等任意值、表面酸性官能团含量低于0.5meq/g的如0.1meq/g、0.15meq/g、0.2meq/g、0.25meq/g、0.3meq/g等任意值、灰分含量低于1％的如0.3％、0.4％、0.5％、0.6％、0.85％、0.95％等任意值、金属杂质含量低于100ppm的如10ppm、20ppm、30ppm、40ppm、50ppm、70ppm等任意值。
在上述实施例及其替换方案中，正极浆料的制备过程中温度还可以为22℃、23℃、24℃、26℃、27℃、28℃。
在上述实施例及其替换方案中，正极浆料的制备过程中湿度还可以为20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％、31％、32％、33％、34％、35％、36％、37％、38％、39％、40％。
在上述实施例及其替换方案中，正极浆料的固含量还可以为40％、41％、42％、43％、44％、45％、46％、47％、48％、49％、51％、52％、53％、54％、55％。
在上述实施例及其替换方案中，锂金属氧化物还可以为Li5ReO6，或者Li6CoO4、Li6MnO4、Li2NiO3、Li5ReO6、Li2MoO3中任意两种、三种、四种以及五种的混合。
在上述应用实施例及其替换方案中，负极活性物质、导电炭黑、粘结剂和分散剂的质量比还可以为90:5:3:2、92:4:2:2、89:7:3:1、88:7:2:3、92:3:3:2、91:4:3:2、90:6:2:2、90:4:3:3、91:6:1:2。
在上述应用实施例及其替换方案中，负极活性物质还可以为天然石墨、人造石墨、硬炭，或者软炭、天然石墨、人造石墨、硬炭中的任意两种、三种以及四种的混合。
在上述应用实施例及其替换方案中，负极活性物质、导电炭黑、粘结剂和分散剂的总质量与分散介质去离子水的质量比还可以为1:4、1：4.1、1：4.3、1：4.4、1：4.5、1：4.6、1：4.7、1：4.8、1：4.9、1：5.0。
在上述应用实施例及其替换方案中，预嵌锂过程中锂离子电容器的充电条件还可以为0.02C、0.03C、0.04C、0.05C、0.07C、0.08C、0.09C、0.1C，充电至4.3V、4.4V、4.6V、4.7V、4.8V、4.9V、5.0V，恒压6h、6.5h、7h、7.5h、8h、8.5h、9h、9.5h。
鉴于本发明方案实施例众多，各实施例实验数据庞大众多，不适合于此处逐一列举说明，但是各实施例所需要验证的内容和得到的最终结论均接近。故而此处不对各个实施例的验证内容进行逐一说明，仅以实施例1-4和应用实施例1-4作为代表说明本发明申请优异之处。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。
Claims (5)
1.一种锂离子电容器，其特征在于，所述锂离子电容器的负极包括集流体和形成于集流体表面的负极材料，所述负极材料为将负极浆料烘干后剩下的物质；
所述负极浆料为负极活性物质、导电炭黑、粘结剂和分散剂溶于分散介质中形成的溶液，所述负极活性物质、导电炭黑、粘结剂和分散剂的质量比为(88-92):(3-7):(1-3):(1-3)；
正极包括集流体和形成于集流体表面的正极材料，所述正极材料为将正极浆料烘干后剩下的物质；
所述正极浆料为正极活性物质、锂金属氧化物、导电炭黑和粘结剂溶于分散介质中形成的溶液；
所述正极活性物质、锂金属氧化物、导电炭黑和粘结剂的质量比为 (70-85):(5-10):(3-10):(3-10)；
所述正极活性物质、锂金属氧化物、导电炭黑和粘结剂的总质量与分散介质的质量比为1:（5-7）；
所述正极活性物质为活性炭，所述活性炭的比表面积为1550~2100m2/g、表面酸性官能团含量低于0.5meq/g、灰分含量低于1%、金属杂质含量低于100ppm；
所述锂金属氧化物为Li6CoO4、Li6MnO4、Li2NiO3、Li5ReO6中的一种或多种，所述锂金属氧化物的纯度大于99.5%；
所述锂离子电容器的制备方法包括：正、负极极片的制备，锂离子电容器组装和预嵌锂过程；
所述预嵌锂过程为：将组装后的锂离子电容器在0.02~0.1C条件下充电至4.3~5.0V，在电压条件下恒压6-10h。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电容器，其特征在于，所述正极浆料在温度22-28℃、湿度20-40%条件下制得。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电容器，其特征在于，所述正极浆料的固含量为40-55%。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子电容器，其特征在于，所述粘结剂为聚偏氟乙烯，所述粘结剂的纯度大于99.5%。
5.根据权利要求1所述的一种锂离子电容器，其特征在于，所述负极活性物质为石墨类炭材料，包括软炭、天然石墨、人造石墨中的一种或多种，纯度大于99.5%。
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