CN111524713B - 一种圆柱形锂离子电容器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电化学储能器件技术领域，公开了一种圆柱形锂离子电容器，包括呈圆柱形且中空设置的电容器外壳，以及由下至上依次设置于电容器外壳内腔中的复合锂源、第一隔膜和卷芯；复合锂源包括泡沫镍层和金属锂层；卷芯由间隔设置的正极片、第二隔膜和负极片卷绕而成；正极片包括铝箔层、正极活性材料和正极极耳，正极活性材料均匀涂覆在铝箔层的外表面，正极极耳位于铝箔层的上端；负极片包括铜箔层、负极活性材料和负极极耳，负极活性材料均匀涂覆在铜箔层的外表面，负极极耳位于铜箔层的上端；本发明还公开了该电容器的制备方法，达到了提高循环性能和容量、缩短制备周期以及降低生产成本、设备要求和制造工艺难度的效果。

Description

一种圆柱形锂离子电容器及其制备方法
技术领域
本发明涉及电化学储能器件技术领域，具体是一种圆柱形锂离子电容器及其制备方法。
背景技术
锂离子电容器兼顾锂离子电池的高能量密度以及超级电容器的长寿命和高功率特点，因此在不间断电源(UPS)、瞬间补偿装置、电力车、混合动力车等电领域具有广泛的市场应用前景。目前，制造锂离子电容器的核心工序在于负极“预嵌锂”。
目前制造锂离子电容器的常见方法如下：
1.根据富士重工的发明专利CN200580004509.2记载，正、负极箔材使用穿孔铝箔、铜箔，同时以金属锂为锂源，通过金属锂与负极负极短路将锂嵌入负极。但是，这种“预嵌锂”方法存在穿孔铜箔和铝箔价格昂贵，使用穿孔极片的制造工艺复杂且设备要求高，以及周期长达10～15天等问题。
2.根据郑剑平文章报道，将钝化的金属锂粉(SLMP)作为锂源，并通过干混方式将其与硬碳混合后制成负极，同时以活性炭为正极，组装得到锂离子电容器单体。但是，钝化锂粉的价格高，并且当锂金属嵌入负极上的碳材料后，电极上会出现空隙，从而导致电导率下降和活性物质脱落等问题。
3.根据中国专利文献CN201810524433.5记载，使用高不可逆容量富锂金属氧化物(Li2NiO2、Li2MoO3、Li5FeO4等)与活性炭混合制成正极，以硬碳、软碳、石墨中的一种作为负极，组装得到锂离子电容器。但是，由于高不可逆容量富锂金属氧化物的加入量占整个正极质量的10％～40％，导致活性炭质量占比低，从而影响了锂离子电容器的能量密度。
综上所述，我们亟需一种能够提高循环性能和容量、缩短制备周期以及降低生产成本、设备要求和制造工艺难度的锂离子电容器及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种圆柱形锂离子电容器及其制备方法，以至少达到提高循环性能和容量、缩短制备周期以及降低生产成本、设备要求和制造工艺难度的效果。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种圆柱形锂离子电容器，包括呈圆柱形且中空设置的电容器外壳，以及由下至上依次设置于所述电容器外壳的内腔中的复合锂源、第一隔膜和卷芯；
所述复合锂源包括泡沫镍层和金属锂层，所述泡沫镍层与所述电容器外壳的底部连接；所述卷芯由间隔设置的正极片、第二隔膜和负极片卷绕而成，所述卷芯的上端设有橡胶塞；
所述正极片包括铝箔层、正极活性材料和正极极耳，所述正极活性材料均匀涂覆在所述铝箔层的外表面，所述正极极耳位于所述铝箔层的上端；
所述负极片包括铜箔层、负极活性材料和负极极耳，所述负极活性材料均匀涂覆在所述铜箔层的外表面，所述负极极耳位于所述铜箔层的上端。
通过上述技术方案，将所述复合锂源设置在所述电容器外壳的内腔底部，使得锂离子在无需穿孔的条件下，仅仅依靠电场力的作用直接由下至上扩散至所述负极片中，再通过所述第一隔膜、正极片和负极片之间的缝隙直接扩散至整个电容器的负极，达到了在保证循环性能和容量的条件下，避免使用昂贵的穿孔铜、铝箔和复杂涂布工艺的效果；同时，在所述复合锂源和卷芯之间添加第一隔膜，达到了防止锂源与正、负极短路的效果。
进一步的，所述正极片的宽度为6～30mm，所述负极片的宽度为6～30mm。
通过上述技术方案，对所述正极片和负极片的宽度进行限定，使得锂离子从底部扩散至顶部的路径相对减少，降低了锂离子扩散的困难程度，保证了所述锂离子电容器的负极预嵌锂的充分，即为保证了有效锂离子数，达到了提高容量和循环性能的效果。
进一步的，所述第一隔膜的厚度为50～150μm，优选为100μm。
由于所述第一隔膜越厚，隔离效果越好，接触风险越低；通过上述技术方案，对所述第一隔膜的厚度进行限定，达到了在保证安全性的同时，降低生产成本的效果。
进一步的，所述复合锂源和第一隔膜均为圆柱形，所述复合锂源的直径与卷芯的直径相等，所述第一隔膜的直径与所述电容器外壳的内径相等。
进一步的，所述金属锂层的厚度P由负极首次放电容量计算得到，计算公式如下：
P＝负极首次放电总容量/锂容量*锂密度*锂源圆片面积；
其中，锂容量为3860mAh/g，锂密度为0.534g/cm3，厚度P的单位为cm。
进一步的，所述正极活性材料包括活性炭，所述正极极耳的材料包括铝；所述负极活性材料包括石墨、硬碳和软碳中的一种或多种，所述负极极耳的材料包括铜。
进一步的，所述第一隔膜的材料包括聚乙烯、聚丙烯和纤维素中的至少一种，所述第二隔膜的材料包括聚乙烯、聚丙烯和纤维素中的一种或多种，所述电容器外壳的材料包括钢。
一种圆柱形锂离子电容器的制备方法，包括以下步骤：
S1.将按顺序间隔设置的所述负极片、第二隔膜和正极片卷绕得到圆柱形电芯，再经加热烘干处理，得到卷芯；
S2.在所述卷芯的顶部安装橡胶塞，得到待安装卷芯；
S3.将所述复合锂源的泡沫镍层与所述电容器外壳的底部焊接，并依次放入所述第一隔膜和待安装卷芯，得到待处理外壳；
S4.向所述待处理外壳中注入有机电解液，经辊槽和封口处理，并在40℃～50℃下放置24～48h，得到待处理电容器；其中，通过高温静置的步骤能够使所述有机电解液更好的浸润所述正极片和负极片；
S5.以负极为工作电极，以金属锂电极为辅助电极，以恒电流放电的方式对所述待处理电容器的负极进行预嵌锂，得到预嵌锂电容器；
S6.所述预嵌锂电容器经加热成型处理，得到所述锂离子电容器。
进一步的，S1中，所述正极片的制备方法，包括以下步骤：
S7.依次向水中加入质量比为1.5:8:85:5.5的增稠剂、导电剂、所述正极活性材料和粘接剂，每加入一种物料后的搅拌时间均为1～3h，最后得到粘度为1000～3000cP的浆料Ⅰ；
S8.将所述浆料Ⅰ均匀涂覆在所述铝箔层的外表面，再经干燥和对辊分切处理，得到待焊接极片Ⅰ；
S9.在所述待焊接极片Ⅰ的上端焊接所述正极极耳，即得。
进一步的，S1中，所述负极片的制备方法，包括以下步骤：
S10.依次向水中加入质量比为1.2:1.3:94:3.5的增稠剂、导电剂、所述负极活性材料和粘接剂，每加入一种物料后的搅拌时间均为1～3h，最后得到粘度为1000～3000cP的浆料Ⅱ；
S11.将所述浆料Ⅱ均匀涂覆在所述铜箔层的外表面，再经干燥和对辊分切处理，得到待焊接极片Ⅱ；
S12.在所述待焊接极片Ⅱ的上端焊接所述负极极耳，即得。
进一步的，S3中，所述复合锂源的制备方法，是对泡沫镍和金属锂进行复合辊压，再经冲切处理，即得。
进一步的，S4中，所述有机电解液包括六氟磷酸锂。
进一步的，S5中，所述恒电流为0.01～0.05C，所述预嵌锂的容量占负极首次放电容量的75％～90％。
通过上述技术方案，对所述恒电流的电流值进行限定，能够减小所述预嵌锂过程中复合锂源与负极之间的极化，从而保证了预嵌锂的效果。
同时，当预嵌锂容量大于90％时，在锂离子电容器充放电过程中，负极存在析锂风险；而当预嵌锂容量小于75％时，在锂离子电容器的充放电过程中，负极相对金属锂的电压变化大，使得锂离子数量不足从而影响正极活性炭容量发挥；因此，本发明通过对所述预嵌锂的容量进行限定，达到了在降低析锂风险的同时，保证锂离子数量充足，从而保证正极活性炭容量发挥的效果。
本发明的有益效果是：
1.本发明的一种圆柱形锂离子电容器，通过将所述复合锂源设置在所述电容器外壳的内腔底部，使得锂离子在无需穿孔的条件下，仅仅依靠电场力的作用直接由下至上扩散至所述负极片中，再通过所述第一隔膜、正极片和负极片之间的缝隙直接扩散至整个电容器的负极，达到了在保证循环性能和容量的条件下，避免使用昂贵的穿孔铜、铝箔和复杂涂布工艺的效果。
2.本发明的一种圆柱形锂离子电容器，通过在所述复合锂源和卷芯之间添加第一隔膜，达到了防止锂源与正、负极短路的效果。
3.本发明的一种圆柱形锂离子电容器，通过对所述正极片和负极片的宽度进行限定，使得锂离子从底部扩散至顶部的路径相对减少，达到了提高容量和循环性能的效果。
4.本发明的一种圆柱形锂离子电容器的制备方法，工艺相对简单、易于操作，具有显著规模化应用前景。
附图说明
图1为本发明的一种圆柱形锂离子电容器的示意图；
图2为本发明中所述卷芯的局部剖视图；
图中，1、电容器外壳；2、复合锂源；3、第一隔膜；4、卷芯；5、泡沫镍层；6、金属锂层；7、正极片；8、负极片；9、橡胶塞；10、铝箔层；11、正极活性材料；12、正极极耳；13、铜箔层；14、负极活性材料；15、负极极耳；16、第二隔膜。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
实施例1
一种锂离子电容器，包括中空设置的电容器外壳1，以及由下至上依次设置于电容器外壳1的内腔中的复合锂源2、第一隔膜3和卷芯4；通过在复合锂源2和卷芯4之间添加第一隔膜3，达到了防止锂源与正、负极短路的效果。其中，复合锂源2为圆柱形，其直径与卷芯4的直径相等；第一隔膜3为圆柱形，其厚度为50～150μm，其直径与电容器外壳1的内径相等；电容器外壳1的材料为钢，第一隔膜3的材料包括聚乙烯、聚丙烯和纤维素中的至少一种。
复合锂源2包括泡沫镍层5和金属锂层6，泡沫镍层5与电容器外壳1的底部焊接；通过将复合锂源2设置在电容器外壳1的内腔底部，使得锂离子在无需穿孔的条件下，仅仅依靠电场力的作用直接由下至上扩散至负极片8中，再通过第一隔膜3、正极片7和负极片8之间的缝隙直接扩散至整个电容器的负极，达到了在保证循环性能和容量的条件下，避免使用昂贵的穿孔铜、铝箔和复杂涂布工艺的效果。
卷芯4由间隔设置的正极片7、第二隔膜16和负极片8卷绕而成，卷芯4的上端设有橡胶塞9；正极片7包括铝箔层10、正极活性材料11和正极极耳12，正极活性材料11均匀涂覆在铝箔层10的外表面，正极极耳12位于铝箔层10的上端；负极片8包括铜箔层13、负极活性材料14和负极极耳15，负极活性材料14均匀涂覆在铜箔层13的外表面，负极极耳15位于铜箔层13的上端；
其中，正极片7的宽度为6～30mm，正极活性材料11为活性炭，正极极耳12的材料为铝；负极片8的宽度为6～30mm，负极活性材料14包括石墨、硬碳和软碳中的一种或多种，负极极耳15的材料为铜；通过正极片7和负极片8的宽度进行限定，使得锂离子从底部扩散至顶部的路径相对减少，达到了提高容量和循环性能的效果。第二隔膜16的材料包括聚乙烯、聚丙烯和纤维素中的一种或多种。
本实施例的实施原理为：通过电容器外壳1底部的复合锂源2对负极进行预嵌锂，使得锂离子在电场力作用下从卷芯4的底部扩散至负极片8，再通过第一隔膜3、正极片7和负极片8之间的缝隙直接扩散至整个电容器的负极；此时，由于预嵌锂后负极相对锂电位降低，从而达到了提高锂离子电容器的工作电压的效果。锂离子电容器在充电时，有机电解液中的锂离子嵌入负极片8上，同时有机电解液中的阴离子吸附在正极片7上；放电时，阴离子从正极片7表面释放回到电解液，而锂离子从负极片8脱出回到电解液。
实施例2
一种锂离子电容器的方法，包括以下步骤：
S1-1.正极片7的制备，包括以下步骤：
A1.依次向水中加入质量比为1.5:8:85:5.5的增稠剂CMC、导电剂Super P、正极活性材料11活性炭YP-50F和粘接剂SBR，每加入一种物料后的搅拌时间均为1h，最后得到粘度为1100cP的浆料Ⅰ；
A2.使用涂布机将浆料Ⅰ均匀涂覆在铝箔层10的外表面，涂覆面的密度为1.2g/dm2，再经干燥和对辊分切处理，得到宽度为6mm、长度为118mm，厚度为0.240mm的待焊接极片Ⅰ；
A3.在待焊接极片Ⅰ的上端焊接材料为铝的正极极耳12，即得；
S1-2.负极片8的制备，包括以下步骤：
B1.依次向水中加入质量比为1.2:1.3:94:3.5的增稠剂CMC、导电剂Super P、负极活性材料14硬碳LN-002和粘接剂SBR，每加入一种物料后的搅拌时间均为1h，最后得到粘度为1200cP的浆料Ⅱ；
B2.使用涂布机将浆料Ⅱ均匀涂覆在铜箔层13的外表面，涂覆面的密度为0.9g/dm2，再经干燥和对辊分切处理，得到宽度为8mm，长度为147mm、厚度为0.1mm的待焊接极片Ⅱ；
B3.在待焊接极片Ⅱ的上端焊接材料为铜的负极极耳15，即得。
S1-3.复合锂源2的制备：使用辊压机对泡沫镍和厚度为0.19mm的金属锂进行复合辊压，在冲切成直径为9mm的圆片，即得；
S1-4.卷芯4的制备：将按顺序间隔设置的宽度依次为8mm、10mm和6mm的负极片8、第二隔膜16和正极片7卷绕并使用胶带固定，得到直径为9mm的圆柱形电芯，再经加热烘干处理，得到卷芯4；
S2.在水分露点为-45℃～-60℃的干燥房或手套箱内将橡胶塞9安装于卷芯4的顶部，得到待安装卷芯；
S3.使用单针点焊机将复合锂源2的泡沫镍层5与电容器外壳1的底部焊接，并依次放入第一隔膜3和待安装卷芯，得到待处理外壳；
S4.向待处理外壳中注入有机电解液(六氟磷酸锂LiPF6)，经辊槽和封口处理，并在40℃下放置48h，得到待处理电容器；
S5.预嵌锂：将恒电流充放电测试仪的正负极分别连接待处理电容器的负极极耳15和电容器外壳1，设置工步0.025C电流的条件下放电至负极首次放电容量的75％(电流为0.622mA，放电时间为30h)，得到预嵌锂电容器；
S6.将预嵌锂电容器装入热缩套管加热成型，得到锂离子电容器。
实施例3
一种锂离子电容器的方法，包括以下步骤：
S1-1.正极片7的制备，包括以下步骤：
A1.依次向水中加入质量比为1.5:8:85:5.5的增稠剂CMC、导电剂Super P、正极活性材料11活性炭YP-50F和粘接剂SBR，每加入一种物料后的搅拌时间均为1h，最后得到粘度为1100cP的浆料Ⅰ；
A2.使用涂布机将浆料Ⅰ均匀涂覆在铝箔层10的外表面，涂覆面的密度为1.2g/dm2，再经干燥和对辊分切处理，得到宽度为6mm、长度为118mm，厚度为0.240mm的待焊接极片Ⅰ；
A3.在待焊接极片Ⅰ的上端焊接材料为铝的正极极耳12，即得；
S1-2.负极片8的制备，包括以下步骤：
B1.依次向水中加入质量比为1.2:1.3:94:3.5的增稠剂CMC、导电剂Super P、负极活性材料14硬碳LN-002和粘接剂SBR，每加入一种物料后的搅拌时间均为1h，最后得到粘度为1200cP的浆料Ⅱ；
B2.使用涂布机将浆料Ⅱ均匀涂覆在铜箔层13的外表面，涂覆面的密度为0.9g/dm2，再经干燥和对辊分切处理，得到宽度为8mm，长度为147mm、厚度为0.1mm的待焊接极片Ⅱ；
B3.在待焊接极片Ⅱ的上端焊接材料为铜的负极极耳15，即得。
S1-3.复合锂源2的制备：使用辊压机对泡沫镍和厚度为0.19mm的金属锂进行复合辊压，在冲切成直径为9mm的圆片，即得；
S1-4.卷芯4的制备：将按顺序间隔设置的宽度依次为8mm、10mm和6mm的负极片8、第二隔膜16和正极片7卷绕并使用胶带固定，得到直径为9mm的圆柱形电芯，再经加热烘干处理，得到卷芯4；
S2.在水分露点为-45℃～-60℃的干燥房或手套箱内将橡胶塞9安装于卷芯4的顶部，得到待安装卷芯；
S3.使用单针点焊机将复合锂源2的泡沫镍层5与电容器外壳1的底部焊接，并依次放入第一隔膜3和待安装卷芯，得到待处理外壳；
S4.向待处理外壳中注入有机电解液(六氟磷酸锂LiPF6)，经辊槽和封口处理，并在40℃下放置48h，得到待处理电容器；
S5.预嵌锂：将恒电流充放电测试仪的正负极分别连接待处理电容器的负极极耳15和电容器外壳1，设置工步0.025C电流的条件下放电至负极首次放电容量的90％(电流为0.622mA，放电时间为36h)，并在45℃下放置24h，得到预嵌锂电容器；
S6.将预嵌锂电容器装入热缩套管加热成型，得到锂离子电容器。
实施例4
一种锂离子电容器的方法，包括以下步骤：
S1-1.正极片7的制备，包括以下步骤：
A1.依次向水中加入质量比为1.5:8:85:5.5的增稠剂CMC、导电剂Super P、正极活性材料11活性炭YP-50F和粘接剂SBR，每加入一种物料后的搅拌时间均为2h，最后得到粘度为1500cP的浆料Ⅰ；
A2.使用涂布机将浆料Ⅰ均匀涂覆在铝箔层10的外表面，涂覆面的密度为1.2g/dm2，再经干燥和对辊分切处理，得到宽度为18mm、长度为118mm，厚度为0.240mm的待焊接极片Ⅰ；
A3.在待焊接极片Ⅰ的上端焊接材料为铝的正极极耳12，即得；
S1-2.负极片8的制备，包括以下步骤：
B1.依次向水中加入质量比为1.2:1.3:94:3.5的增稠剂CMC、导电剂Super P、负极活性材料14硬碳LN-002和粘接剂SBR，每加入一种物料后的搅拌时间均为2h，最后得到粘度为1600cP的浆料Ⅱ；
B2.使用涂布机将浆料Ⅱ均匀涂覆在铜箔层13的外表面，涂覆面的密度为0.9g/dm2，再经干燥和对辊分切处理，得到宽度为20mm，长度为147mm、厚度为0.1mm的待焊接极片Ⅱ；
B3.在待焊接极片Ⅱ的上端焊接材料为铜的负极极耳15，即得。
S1-3.复合锂源2的制备：使用辊压机对泡沫镍和厚度为0.47mm的金属锂进行复合辊压，在冲切成直径为9mm的圆片，即得；
S1-4.卷芯4的制备：将按顺序间隔设置的宽度依次为20mm、22mm和18mm的负极片8、第二隔膜16和正极片7卷绕并使用胶带固定，得到直径为9mm的圆柱形电芯，再经加热烘干处理，得到卷芯4；
S2.在水分露点为-45℃～-60℃的干燥房或手套箱内将橡胶塞9安装于卷芯4的顶部，得到待安装卷芯；
S3.使用单针点焊机将复合锂源2的泡沫镍层5与电容器外壳1的底部焊接，并依次放入第一隔膜3和待安装卷芯，得到待处理外壳；
S4.向待处理外壳中注入有机电解液(六氟磷酸锂LiPF6)，经辊槽和封口处理，并在45℃下放置36h，得到待处理电容器；
S5.预嵌锂：将恒电流充放电测试仪的正负极分别连接待处理电容器的负极极耳15和电容器外壳1，设置工步0.025C电流的条件下放电至负极首次放电容量的75％(电流为1.55mA，放电时间为30h)，得到预嵌锂电容器；
S6.将预嵌锂电容器装入热缩套管加热成型，得到锂离子电容器。
实施例5
一种锂离子电容器的方法，包括以下步骤：
S1-1.正极片7的制备，包括以下步骤：
A1.依次向水中加入质量比为1.5:8:85:5.5的增稠剂CMC、导电剂Super P、正极活性材料11活性炭YP-50F和粘接剂SBR，每加入一种物料后的搅拌时间均为2h，最后得到粘度为1500cP的浆料Ⅰ；
A2.使用涂布机将浆料Ⅰ均匀涂覆在铝箔层10的外表面，涂覆面的密度为1.2g/dm2，再经干燥和对辊分切处理，得到宽度为18mm、长度为118mm，厚度为0.240mm的待焊接极片Ⅰ；
A3.在待焊接极片Ⅰ的上端焊接材料为铝的正极极耳12，即得；
S1-2.负极片8的制备，包括以下步骤：
B1.依次向水中加入质量比为1.2:1.3:94:3.5的增稠剂CMC、导电剂Super P、负极活性材料14硬碳LN-002和粘接剂SBR，每加入一种物料后的搅拌时间均为2h，最后得到粘度为1600cP的浆料Ⅱ；
B2.使用涂布机将浆料Ⅱ均匀涂覆在铜箔层13的外表面，涂覆面的密度为0.9g/dm2，再经干燥和对辊分切处理，得到宽度为20mm，长度为147mm、厚度为0.1mm的待焊接极片Ⅱ；
B3.在待焊接极片Ⅱ的上端焊接材料为铜的负极极耳15，即得。
S1-3.复合锂源2的制备：使用辊压机对泡沫镍和厚度为0.47mm的金属锂进行复合辊压，在冲切成直径为9mm的圆片，即得；
S1-4.卷芯4的制备：将按顺序间隔设置的宽度依次为20mm、22mm和18mm的负极片8、第二隔膜16和正极片7卷绕并使用胶带固定，得到直径为9mm的圆柱形电芯，再经加热烘干处理，得到卷芯4；
S2.在水分露点为-45℃～-60℃的干燥房或手套箱内将橡胶塞9安装于卷芯4的顶部，得到待安装卷芯；
S3.使用单针点焊机将复合锂源2的泡沫镍层5与电容器外壳1的底部焊接，并依次放入第一隔膜3和待安装卷芯，得到待处理外壳；
S4.向待处理外壳中注入有机电解液(六氟磷酸锂LiPF6)，经辊槽和封口处理，并在45℃下放置36h，得到待处理电容器；
S5.预嵌锂：将恒电流充放电测试仪的正负极分别连接待处理电容器的负极极耳15和电容器外壳1，设置工步0.025C电流的条件下放电至负极首次放电容量的90％(电流为1.55mA，放电时间为36h)，得到预嵌锂电容器；
S6.将预嵌锂电容器装入热缩套管加热成型，得到锂离子电容器。
实施例6
一种锂离子电容器的方法，包括以下步骤：
S1-1.正极片7的制备，包括以下步骤：
A1.依次向水中加入质量比为1.5:8:85:5.5的增稠剂CMC、导电剂Super P、正极活性材料11活性炭YP-50F和粘接剂SBR，每加入一种物料后的搅拌时间均为3h，最后得到粘度为2800cP的浆料Ⅰ；
A2.使用涂布机将浆料Ⅰ均匀涂覆在铝箔层10的外表面，涂覆面的密度为1.2g/dm2，再经干燥和对辊分切处理，得到宽度为28mm、长度为118mm，厚度为0.240mm的待焊接极片Ⅰ；
A3.在待焊接极片Ⅰ的上端焊接材料为铝的正极极耳12，即得；
S1-2.负极片8的制备，包括以下步骤：
B1.依次向水中加入质量比为1.2:1.3:94:3.5的增稠剂CMC、导电剂Super P、负极活性材料14硬碳LN-002和粘接剂SBR，每加入一种物料后的搅拌时间均为3h，最后得到粘度为2700cP的浆料Ⅱ；
B2.使用涂布机将浆料Ⅱ均匀涂覆在铜箔层13的外表面，涂覆面的密度为0.9g/dm2，再经干燥和对辊分切处理，得到宽度为30mm，长度为147mm、厚度为0.1mm的待焊接极片Ⅱ；
B3.在待焊接极片Ⅱ的上端焊接材料为铜的负极极耳15，即得。
S1-3.复合锂源2的制备：使用辊压机对泡沫镍和厚度为0.71mm的金属锂进行复合辊压，在冲切成直径为9mm的圆片，即得；
S1-4.卷芯4的制备：将按顺序间隔设置的宽度依次为30mm、32mm和28mm的负极片8、第二隔膜16和正极片7卷绕并使用胶带固定，得到直径为9mm的圆柱形电芯，再经加热烘干处理，得到卷芯4；
S2.在水分露点为-45℃～-60℃的干燥房或手套箱内将橡胶塞9安装于卷芯4的顶部，得到待安装卷芯；
S3.使用单针点焊机将复合锂源2的泡沫镍层5与电容器外壳1的底部焊接，并依次放入第一隔膜3和待安装卷芯，得到待处理外壳；
S4.向待处理外壳中注入有机电解液(六氟磷酸锂LiPF6)，经辊槽和封口处理，并在50℃下放置24h，得到待处理电容器；
S5.预嵌锂：将恒电流充放电测试仪的正负极分别连接待处理电容器的负极极耳15和电容器外壳1，设置工步0.025C电流的条件下放电至负极首次放电容量的75％(电流为2.33mA，放电时间为30h)，得到预嵌锂电容器；
S6.将预嵌锂电容器装入热缩套管加热成型，得到锂离子电容器。
实施例7
一种锂离子电容器的方法，包括以下步骤：
S1-1.正极片7的制备，包括以下步骤：
A1.依次向水中加入质量比为1.5:8:85:5.5的增稠剂CMC、导电剂Super P、正极活性材料11活性炭YP-50F和粘接剂SBR，每加入一种物料后的搅拌时间均为3h，最后得到粘度为2800cP的浆料Ⅰ；
A2.使用涂布机将浆料Ⅰ均匀涂覆在铝箔层10的外表面，涂覆面的密度为1.2g/dm2，再经干燥和对辊分切处理，得到宽度为28mm、长度为118mm，厚度为0.240mm的待焊接极片Ⅰ；
A3.在待焊接极片Ⅰ的上端焊接材料为铝的正极极耳12，即得；
S1-2.负极片8的制备，包括以下步骤：
B1.依次向水中加入质量比为1.2:1.3:94:3.5的增稠剂CMC、导电剂Super P、负极活性材料14硬碳LN-002和粘接剂SBR，每加入一种物料后的搅拌时间均为3h，最后得到粘度为2700cP的浆料Ⅱ；
B2.使用涂布机将浆料Ⅱ均匀涂覆在铜箔层13的外表面，涂覆面的密度为0.9g/dm2，再经干燥和对辊分切处理，得到宽度为30mm，长度为147mm、厚度为0.1mm的待焊接极片Ⅱ；
B3.在待焊接极片Ⅱ的上端焊接材料为铜的负极极耳15，即得。
S1-3.复合锂源2的制备：使用辊压机对泡沫镍和厚度为0.71mm的金属锂进行复合辊压，在冲切成直径为9mm的圆片，即得；
S1-4.卷芯4的制备：将按顺序间隔设置的宽度依次为30mm、32mm和28mm的负极片8、第二隔膜16和正极片7卷绕并使用胶带固定，得到直径为9mm的圆柱形电芯，再经加热烘干处理，得到卷芯4；
S2.在水分露点为-45℃～-60℃的干燥房或手套箱内将橡胶塞9安装于卷芯4的顶部，得到待安装卷芯；
S3.使用单针点焊机将复合锂源2的泡沫镍层5与电容器外壳1的底部焊接，并依次放入第一隔膜3和待安装卷芯，得到待处理外壳；
S4.向待处理外壳中注入有机电解液(六氟磷酸锂LiPF6)，经辊槽和封口处理，并在45℃～50℃下放置24h，得到待处理电容器；
S5.预嵌锂：将恒电流充放电测试仪的正负极分别连接待处理电容器的负极极耳15和电容器外壳1，设置工步0.025C电流的条件下放电至负极首次放电容量的90％(电流为2.33mA，放电时间为36h)，得到预嵌锂电容器；
S6.将预嵌锂电容器装入热缩套管加热成型，得到锂离子电容器。
对照例1
采用本发明实施例4中制得的锂离子电容器与对照例1进行对比，其中对照例1的制备方法中：负极片的宽度为40mm，正极片的宽度为38mm，金属锂的厚度为0.95mm，预嵌锂时放电的电流为3.1mA；其他如用量、步骤和条件等与本发明实施例6均相同(本对照例与在预嵌锂容量为负极首次放电容量的75％时，负极片、正极片的宽度过大进行对比，用于证明本发明的锂离子电容器的性能更好)。
对照例2
采用本发明实施例5中制得的锂离子电容器与对照例2进行对比，其中对照例2的制备方法中，负极片的宽度为40mm，正极片的宽度为38mm，金属锂的厚度为0.95mm，预嵌锂时放电的电流为3.1mA；其他如用量、步骤和条件等与本发明实施例7均相同(本对照例是与在预嵌锂容量为负极首次放电容量的90％时，负极片、正极片的宽度过大进行对比，用于证明本发明的锂离子电容器的性能更好)。
对照例3
采用本发明实施例7中制得的锂离子电容器与对照例3进行对比，其中对照例3的制备方法中，步骤S3具体为：使用单针点焊机将复合锂源的泡沫镍层与电容器外壳的侧壁焊接，并依次放入第一隔膜和待安装卷芯，使得复合锂源和待安装卷芯相邻放置，并用第一隔膜隔开；其他如用量、步骤和条件等与本发明实施例7均相同(本对照例是与复合锂源安装在电容器外壳的侧壁进行对比，用于证明本发明的锂离子电容器的性能更好)。
试验效果
为了验证本发明的锂离子电容器的性能，对实施例2～7和对照例1～3制备得到的锂离子电容器进行了测试。测试方法为：在电压为2.2～3.8V的条件下，分别对各组的锂离子电容器进行10C充放电测试容量和循环性能，结果如下表所示：
组别 工作电压V 电容器容量F 正极克容量F/g 5000周容量保持率％
实施例2 2.2-3.8 7.3 101 95.6
实施例3 2.2-3.8 7.9 110 95.7
实施例4 2.2-3.8 21.6 101 95.5
实施例5 2.2-3.8 23.8 110 95.5
实施例6 2.2-3.8 33.7 99 95.3
实施例7 2.2-3.8 37.1 110 95.4
对照组1 2.2-3.8 36.5 80 89
对照组2 2.2-3.8 41.1 90 90
对照组3 2.2-3.8 12.3 36.6 10
由上表可知，相对于实施例6～7，对照组1～2的正极克容量和5000周容量保持率明显降低，这是由于负极片和正极片宽度过大时，锂离子在电场力作用下由底部扩散至顶部变得困难，造成锂离子电容器负极预嵌锂不充分，使得有效锂离子不足，从而导致循环性能及容量发挥异常；相对于实施例7，对照组3的正极克容量和5000周容量保持率极低，这是由于锂源放置在电容器外壳侧面，在电场力作用下锂离子无法穿过正极片扩散至电容器负极片，使得负极预嵌锂离子严重不足，从而导致循环性能及容量发挥异常。
综上所述，本发明的一种圆柱形锂离子电容器达到了提高循环性能和容量、缩短制备周期以及降低生产成本、设备要求和制造工艺难度的效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种圆柱形锂离子电容器，其特征在于，包括呈圆柱形且中空设置的电容器外壳(1)，以及由下至上依次设置于所述电容器外壳(1)的内腔中的复合锂源(2)、第一隔膜(3)和卷芯(4)；
所述复合锂源(2)包括泡沫镍层(5)和金属锂层(6)，所述泡沫镍层(5)与所述电容器外壳(1)的底部连接；
所述卷芯(4)由间隔设置的正极片(7)、第二隔膜(16)和负极片(8)卷绕而成，所述卷芯(4)的上端设有橡胶塞(9)；
所述正极片(7)包括铝箔层(10)、正极活性材料(11)和正极极耳(12)，所述正极活性材料(11)均匀涂覆在所述铝箔层(10)的外表面，所述正极极耳(12)位于所述铝箔层(10)的上端；
所述负极片(8)包括铜箔层(13)、负极活性材料(14)和负极极耳(15)，所述负极活性材料(14)均匀涂覆在所述铜箔层(13)的外表面，所述负极极耳(15)位于所述铜箔层(13)的上端；
所述正极片(7)的宽度为6～30mm，所述负极片(8)的宽度为6～30mm。
2.根据权利要求1所述的一种圆柱形锂离子电容器，其特征在于，所述正极活性材料(11)包括活性炭，所述正极极耳(12)的材料包括铝；所述负极活性材料(14)包括石墨、硬碳和软碳中的一种或多种，所述负极极耳(15)的材料包括铜。
3.根据权利要求1所述的一种圆柱形锂离子电容器，其特征在于，所述第一隔膜(3)的材料包括聚乙烯、聚丙烯和纤维素中的至少一种，所述第二隔膜(16)的材料包括聚乙烯、聚丙烯和纤维素中的一种或多种，所述电容器外壳(1)的材料包括钢。
4.制备如权利要求1～3任一项所述的一种圆柱形锂离子电容器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将按顺序间隔设置的所述负极片(8)、第二隔膜(16)和正极片(7)卷绕得到圆柱形电芯，再经加热烘干处理，得到卷芯(4)；
S2.在所述卷芯(4)的顶部安装橡胶塞(9)，得到待安装卷芯；
S3.将所述复合锂源(2)的泡沫镍层(5)与所述电容器外壳(1)的底部焊接，并依次放入所述第一隔膜(3)和待安装卷芯，得到待处理外壳；
S4.向所述待处理外壳中注入有机电解液，经辊槽和封口处理，并在40℃～50℃下放置24～48h，得到待处理电容器；
S5.以负极为工作电极，以金属锂电极为辅助电极，以恒电流放电的方式对所述待处理电容器的负极进行预嵌锂，得到预嵌锂电容器；
S6.所述预嵌锂电容器经加热成型处理，得到所述锂离子电容器。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，S1中，所述正极片(7)的制备方法，包括以下步骤：
S7.依次向水中加入质量比为1.5:8:85:5.5的增稠剂、导电剂、所述正极活性材料(11)和粘接剂，每加入一种物料后的搅拌时间均为1～3h，最后得到粘度为1000～3000cP的浆料Ⅰ；
S8.将所述浆料Ⅰ均匀涂覆在所述铝箔层(10)的外表面，再经干燥和对辊分切处理，得到待焊接极片Ⅰ；
S9.在所述待焊接极片Ⅰ的上端焊接所述正极极耳(12)，即得。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，S1中，所述负极片(8)的制备方法，包括以下步骤：
S10.依次向水中加入质量比为1.2:1.3:94:3.5的增稠剂、导电剂、所述负极活性材料(14)和粘接剂，每加入一种物料后的搅拌时间均为1～3h，最后得到粘度为1000～3000cP的浆料Ⅱ；
S11.将所述浆料Ⅱ均匀涂覆在所述铜箔层(13)的外表面，再经干燥和对辊分切处理，得到待焊接极片Ⅱ；
S12.在所述待焊接极片Ⅱ的上端焊接所述负极极耳(15)，即得。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，S3中，所述复合锂源(2)的制备方法，是对泡沫镍和金属锂进行复合辊压，再经冲切处理，即得。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，S4中，所述有机电解液包括六氟磷酸锂。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，S5中，所述恒电流为0.01～0.05C，所述预嵌锂的容量占负极首次放电容量的75％～90％。
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