发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种具有Ag过渡层的锂离子电容器负极极片及其制备方法与应用,以使混合型锂离子电容器具有较低的初始内阻,并使其在循环使用后,依然保持较低的内阻及较好的电性能继续工作。
为实现上述目的,第一方面,本发明提供了一种具有Ag过渡层的锂离子电容器负极极片,包括负极集流体,所述负极集流体的双面上分别覆盖着磁控溅射形成的Ag过渡层,所述Ag过渡层背离所述负极集流体的表面上分别覆盖钛酸锂涂层。
优选地,所述Ag过渡层的厚度分别为100~200nm。
优选地,所述负极极片的厚度为140-180μm。
第二方面,本发明提供了所述锂离子电容器负极极片的制备方法,其包括以下步骤:在负极集流体的双面上分别进行磁控溅射形成Ag过渡层,随后分别涂覆钛酸锂涂层,得到所述锂离子电容器负极极片。优选地,所述磁控溅射的工艺条件为:用Ar气轰击Ag靶材,背底真空为6.0-7.0×10-4Pa,腔压为0.4-0.6Pa,Ar气流量为20-40sccm,靶基距为3-7cm,溅射功率为60~70W,溅射时间为5min。
第三方面,本发明提供了一种包含上述锂离子电容器负极极片的锂离子电容器。
优选地,所述锂离子电容器所采用的正极极片包括正极集流体,所述正极集流体的双面上分别覆盖着碳涂层。
优选地,所述正极极片的厚度为200-240μm。
优选地,所述负极集流体和所述正极集流体分别为铝箔集流体或铜箔集流体。
第四方面,本发明提供了一种上述锂离子电容器的制备方法,其包括以下步骤:将所述锂离子电容器的正负极极片卷绕后,在内电极与外电极上分别引针,组成电芯,烘烤,然后在露点温度为-55℃~-80℃的干燥条件下进行全自动化含浸封口与组装,即得锂离子电容器。
为实现含浸封口以及组装的全自动化,需要在干燥房(如干燥车间)中进行,而非手套箱中。
相比现有技术,本发明的有益效果在于:
(1)本发明对负极极片的集流体进行改性,在其双面上分别形成一层薄的Ag过渡层,使钛酸锂涂层与负极极片的集流体的接触内阻大幅度降低,从而实现锂离子电容器整体内阻的降低。
(2)应用本发明负极极片的混合型锂离子超级电容器在工作过程中,Ag过渡层与钛酸锂涂层会发生电化学反应,Ag离子能引导电解液中的Li离子加速嵌入钛酸锂涂层的晶格当中,减少嵌入过程对钛酸锂晶格的破坏,起到稳定晶格框架的作用;在脱锂过程中,则起到缓冲作用,同样保护钛酸锂晶格框架的稳定性。因此,Ag过渡层的存在,可以使钛酸锂涂层的晶体结构非常稳定,体积几乎不发生变化,有效避免内阻增加与容量衰减,从而使得在循环使用后(如循环五千次)依然能保持较低的接触内阻及较好的电性能继续工作,大大地延长了锂离子电容器产品的寿命。
(3)本发明将所得锂离子电容器极片用于制备锂离子电容器时,可选择将正负极极片在干燥房中进行全自动化的含浸封口以及组装,相比在传统手套箱中进行含浸封口与组装,效率得到10倍以上的提升。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点,下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
为了解决混合型锂离子电容器初始内阻较大,以及在循环使用后内阻剧烈增加、电性能下降的问题,本发明提供了一种具有Ag过渡层的锂离子电容器负极极片,包括负极集流体,该负极集流体的双面上均覆盖着磁控溅射形成的Ag过渡层,在Ag过渡层背离该负极集流体的表面上均覆盖着钛酸锂涂层。本发明只对负极极片的集流体进行改性,通过在其双面上分别形成Ag过渡层以大幅度地降低钛酸锂涂层与集流体的接触内阻,实现混合型锂离子电容器整体内阻的降低,并且在其工作过程中,Ag过渡层与钛酸锂涂层会发生电化学反应,Ag离子能引导电解液中的Li离子加速嵌入钛酸锂涂层的晶格当中,减少嵌入过程对钛酸锂晶格的破坏,起到稳定晶格框架的作用;在脱锂过程中,则起到缓冲作用,同样保护钛酸锂晶格框架的稳定性,因此,Ag过渡层的存在,可以使钛酸锂涂层的晶体结构非常稳定,体积几乎不发生变化,有效避免内阻增加与容量衰减,从而使得在循环使用后(如循环五千次)依然能保持较低的接触内阻及较好的电性能继续工作,大大地延长了锂离子电容器产品的寿命。
优选Ag过渡层的厚度均为100~200nm。在一些实施方式中,Ag过渡层的厚度为100nm、120nm、150nm、180nm或者200nm。两层Ag过渡层的厚度可以相同,也可以不同。
优选负极极片的厚度为140-180μm。在一些实施方式中,负极极片的厚度为140nm、150nm、160nm、170nm或者180nm。负极极片上的两层钛酸锂涂层的厚度可以相同,也可以不同,通常选择相同。
优选负极集流体为铝箔集流体或铜箔集流体。其中,铝箔集流体可选择为腐蚀铝箔集流体、多孔铝箔集流体等;铜箔集流体可选择为腐蚀铜箔集流体、多孔铜箔集流体等。
优选上述锂离子电容器负极极片的制备方法,包括以下步骤:在负极集流体的双面进行磁控溅射形成Ag过渡层,随后分别涂覆钛酸锂涂层,得到锂离子电容器负极极片。在一些实施方式中,涂覆钛酸锂涂层后,进行辊压。磁控溅射可选择采用Ar气轰击Ag靶材。在某些实施方式中,背底真空为6.0-7.0×10-4Pa,腔压为0.4-0.6Pa,Ar气流量为20-40sccm,靶基距为3-7cm,溅射功率为60~70W,溅射时间为5min。
可选择任意能够制备锂离子电容器负极的钛酸锂浆料来制备钛酸锂涂层。
上述锂离子电容器负极极片可用于制备锂离子电容器。在一些实施方式中,正极极片的厚度为200nm、210nm、220nm、230nm或者240nm。正极极片上的两层碳涂层的厚度可以相同,也可以不同,通常选择相同。
可选择任意能够制备锂离子电容器正极的碳浆来制备碳涂层。
优选正极集流体为铝箔集流体或铜箔集流体。其中,铝箔集流体可选择为腐蚀铝箔集流体、多孔铝箔集流体等;铜箔集流体可选择为腐蚀铜箔集流体、多孔铜箔集流体等。
锂离子电容器的制备方法通常包括以下步骤:将锂离子电容器正负极片卷绕以增加其正对面积,再在内电极与外电极上分别引针,组成电芯,烘烤,然后进行含浸封口以及组装,即得锂离子电容器。在某些实施方式中,含浸封口以及组装在露点温度为55℃~-80℃的干燥条件下进行。为了提高生产效率,优选将含浸封口以及组装自动化;为了实现含浸封口以及组装大规模自动化,优选将含浸封口以及组装处理在干燥房中进行,如干燥车间,相比传统手套箱,干燥房更利于实现大规模自动化操作,能使效率得到10倍以上的提升。
在一些实施方式中,在进行卷绕前,会将锂离子电容器正负极片分切成所需的规格。
实施例1
本实施例提供了一种锂离子电容器极片,其结构示意图如图3所示。其中,负极极片包括负极集流体,负极集流体的双面均覆盖着Ag过渡层,在Ag过渡层背离负极集流体的表面上分别覆盖着钛酸锂涂层;正极极片包括正极集流体,正极集流体的双面均覆盖着碳涂层。正负极集流体均为腐蚀铝箔集流体
本实施例正负极极片的制备方法包括以下步骤:
负极极片:在铝箔集流体的双面上分别磁控溅射形成Ag过渡层,磁控溅射的工艺条件为:Ag靶材直径为60mm,厚度为3mm,纯度为5N;用Ar气轰击上述Ag靶材,背底真空为6.0×10-4Pa,腔压为0.4Pa,Ar气流量为20sccm,不加热,靶基距为3cm,溅射功率为60W,溅射时间为5min,得到厚度为100nm的Ag过渡层;将复合型钛酸锂浆料涂布于具备上述Ag过渡层的铝箔集流体的表面上,烘烤,制成负极极片,然后辊压至负极极片厚度为140μm。
正极极片:将碳浆涂布于不含过渡层的铝箔集流体上,烘烤,制成正极极片,然后辊压至正极极片厚度为200μm。。
将本实施例锂离子电容器极片用于制备锂离子电容器,具体为:使用分切机将锂离子电容器正负极片分切成宽度为7mm的细条极片,通过计算,负极取有效长度为53mm,正极取有效长度62mm,通过卷绕的方式增加其正对面积,并在内电极与外电极上引针,组成电芯,进行烘烤处理,随后在露点温度为-55℃的干燥条件下进行全自动化含浸封口和组装,得到电压容量为3.8V 2F的锂离子电容器。对所得锂离子电容器进行后续充放电测试、循环性能测试、初始内阻与循环后的内阻比对以及与传统手套箱中进行含浸封口与组装的效率对比,设置5组平行试验,测试结果见图4。
从图4数据可以得出,所得锂离子电容器充放电性能较好,充电过程与放电过程曲线对称性佳;因为钛酸锂的放电平台是1.5V,因此,充放电曲线从1.5V开始,直到3.8V;初始内阻为499-503mΩ,循环5000次后,容量保持率高达65%以上,内阻仅约为697-704mΩ,上涨率仅为40%。并且,值得关注的是,采用干燥房全自动含浸组装的方式进行单体生产,与传统手套箱中进行含浸组装对比,效率得到10倍以上的提升,非常有利于大批量生产,能大大提升效率。
实施例2
本实施例提供了一种锂离子电容器极片,其结构示意图如图3所示。其中,负极极片包括集流体,负极集流体的双面均覆盖着Ag过渡层,在Ag过渡层背离负极集流体的表面上分别覆盖着钛酸锂涂层;正极极片包括正极集流体,正极集流体的双面均覆盖着碳涂层。正负极集流体均为腐蚀铝箔集流体。
本实施例锂离子电容器极片的制备方法包括以下步骤:
负极极片:在铝箔集流体的双面上分别磁控溅射形成Ag过渡层,磁控溅射的工艺条件为:Ag靶材直径为60mm,厚度为3mm,纯度为5N;用Ar气轰击上述Ag靶材,背底真空为6.5×10-4Pa,腔压为0.5Pa,Ar气流量为30sccm,不加热,靶基距为5cm,溅射功率为65W,溅射时间为5min,得到厚度为150nm的Ag过渡层;将复合型钛酸锂浆料涂布于具备上述Ag过渡层的铝箔集流体的表面上,烘烤,制成负极极片,然后辊压至负极极片厚度为160μm。
正极极片:将碳浆涂布于不含过渡层的铝箔集流体上,烘烤,制成正极极片,得到正负极极片,然后辊压至正极极片厚度为220μm。
将本实施例锂离子电容器极片用于制备锂离子电容器,具体为:使用分切机将锂离子电容器正负极片分切成宽度为18mm的细条极片,通过计算,负极取有效长度为35mm,正极取有效长度39mm,通过卷绕的方式增加其正对面积,并在内电极与外电极上引针,组成电芯,进行烘烤处理,随后在露点温度为-67.5℃的干燥条件下进行全自动化含浸封口和组装,得到电压容量为3.8V 50F的锂离子电容器。对所得锂离子电容器进行后续充放电测试、循环性能测试、初始内阻与循环后的内阻比对以及与传统手套箱中进行含浸封口与组装的效率对比,设置5组平行试验,测试结果见图5。
从图5数据可以得出,所得锂离子电容器充放电性能较好,充电过程与放电过程曲线对称性佳;因为钛酸锂的放电平台是1.5V,因此,充放电曲线从1.5V开始,直到3.8V;初始内阻为118-123mΩ,循环5000次后,容量保持率高达65%以上,内阻仅约为171-178mΩ,上涨率仅为45%。并且,值得关注的是,采用干燥房全自动含浸组装的方式进行单体生产,与传统手套箱中进行含浸组装对比,效率得到10倍以上的提升,非常有利于大批量生产,能大大提升效率。
实施例3
本实施例提供了一种锂离子电容器极片,其结构示意图如图3所示。其中,负极极片包括集流体,负极集流体的双面均存在Ag过渡层,在Ag过渡层背离负极集流体的表面上分别覆盖着钛酸锂涂层;正极极片包括正极集流体,正极集流体的双面均覆盖着碳涂层。正负极集流体均为腐蚀铝箔集流体。
本实施例锂离子电容器极片的制备方法包括以下步骤:
负极极片:在铝箔集流体的双面上分别磁控溅射Ag过渡层,磁控溅射的工艺条件为:Ag靶材直径为60mm,厚度为3mm,纯度为5N;用Ar气轰击上述Ag靶材,背底真空为7.0×10-4Pa,腔压为0.6Pa,Ar气流量为40sccm,不加热,靶基距为7cm,溅射功率为70W,溅射时间为5min,得到厚度为200nm的Ag过渡层;将复合型钛酸锂浆料涂布于具备上述Ag过渡层的铝箔集流体的表面上,烘烤,制成负极极片,然后辊压至负极极片厚度为180μm。
正极极片:将碳浆涂布于不含过渡层的铝箔集流体上,烘烤,制成正极极片,然后辊压至正极极片厚度为240μm。
将本实施例锂离子电容器极片用于制备锂离子电容器,具体为:使用分切机将锂离子电容器正负极片分切成宽度为30mm的细条极片,通过计算,负极取有效长度为30mm,正极取有效长度34mm,通过卷绕的方式增加其正对面积,并在内电极与外电极上引针,组成电芯,进行烘烤处理,随后在露点温度为-80℃的干燥条件下进行全自动化含浸封口和组装,得到电压容量为3.8V 100F的锂离子电容器。对所得锂离子电容器进行后续充放电测试、循环性能测试、初始内阻与循环后的内阻比对以及与传统手套箱中进行含浸封口与组装的效率对比,设置5组平行试验,测试结果见图6。
从图6数据可以得出,所得锂离子电容器充放电性能较好,充电过程与放电过程曲线对称性佳;因为钛酸锂的放电平台是1.5V,因此,充放电曲线从1.5V开始,直到3.8V;初始内阻为35-37mΩ,循环5000次后,容量保持率高达60%以上,内阻仅约为52-55mΩ,上涨率仅为50%。并且,值得关注的是,采用干燥房全自动含浸组装的方式进行单体生产,与传统手套箱中进行含浸组装对比,效率得到10倍以上的提升,非常有利于大批量生产,能大大提升效率。
对比例1
本对比例提供了一种锂离子电容器极片,除负极极片不含过渡层外,其他均与实施例1相同。正负极集流体均为腐蚀铝箔集流体。
本对比例锂离子电容器正负极片的制备方法包括以下步骤:
(1)将复合型钛酸锂浆料涂布于不含过渡层的铝箔集流体的双面上,烘烤,制成负极极片,将碳浆涂布于不含过渡层的铝箔集流体的双面上,烘烤,制成正极极片,得到正负极极片;
(2)将所得正负极极片通过滚压机辊压至正极极片厚度为200μm,负极极片厚度为140μm,即得锂离子电容器正负极片。
将本对比例锂离子电容器极片用于制备锂离子电容器,具体为:使用分切机将锂离子电容器正负极片分切成宽度为7mm的细条极片,通过计算,负极取有效长度为53mm,正极取有效长度62mm,通过卷绕的方式增加其正对面积,并在内电极与外电极上引针,组成电芯,进行烘烤处理,随后在露点温度为-55℃的干燥条件下进行全自动化含浸封口和组装,得到电压容量为3.8V 2F的锂离子电容器。对所得锂离子电容器进行后续充放电测试、循环性能测试以及初始内阻与循环后的内阻比对,设置5组平行试验,测试结果见图7。
从测试结果可判断,如使用无过渡层的钛酸锂负极与碳正极极片组成锂离子超级电容器,其初始内阻较高,高达800mΩ,循环后内阻变化更大,高达2450mΩ,已为初始内阻的3倍以上。其容量保持率也低,主要是因为内阻上升后对内部结构有所影响造成的。循环5000次后,其容量仅为0.6F。
对比例2
本对比例提供了一种锂离子电容器极片,其中,负极极片同实施例1;正极极片包括正极集流体,正极集流体的双面均覆盖着Ag过渡层,在Ag过渡层背离正极集流体的表面上分别覆盖着碳涂层。正负极集流体均为铝箔集流体。
本对比例锂离子电容器正负极片的制备方法包括以下步骤:
(1)在铝箔集流体的两侧面分别磁控溅射Ag过渡层,磁控溅射的工艺条件为:Ag靶材直径为60mm,厚度为3mm,纯度为5N;用Ar气轰击上述Ag靶材,背底真空为6.0Pa,腔压为0.4Pa,Ar气流量为20sccm,不加热,靶基距为5cm,溅射功率为60W,溅射时间为5min,得到厚度分别为100nm的Ag过渡层;
(2)将复合型钛酸锂浆料涂布于双面含Ag过渡层的集流体上,烘烤,制成负极极片;将碳浆涂布于双面含Ag过渡层的集流体上,烘烤,制成正极极片,得到正负极极片;
(3)将所得正负极极片通过滚压机辊压至正极极片厚度为200μm,负极极片厚度为140μm,即得锂离子电容器极片。
将本对比例锂离子电容器极片用于制备锂离子电容器,具体为:使用分切机将锂离子电容器正负极片分切成宽度为7mm的细条极片,通过计算,负极取有效长度为53mm,正极取有效长度62mm,通过卷绕的方式增加其正对面积,并在内电极与外电极上引针,组成电芯,进行烘烤处理,随后在露点温度为-55℃的干燥条件下进行全自动化含浸封口和组装,得到电压容量为3.8V 2F的锂离子电容器。对所得锂离子电容器进行后续充放电测试、循环性能测试以及初始内阻与循环后的内阻比对,设置5组平行试验,测试结果见图8。
从测试结果可判断,初始内阻为480-512mΩ,与实施例1的结果相当。但循环5000次后,容量保持率较低,仅有0.8F,这是因为正极极片具有Ag过渡层,导致漏电流较大,影响其负极钛酸锂晶体结构,导致晶体塌陷。并且,循环5000次后,其内阻达2600mΩ,这也是因为负极钛酸锂结构受到漏电流破坏所致。因此,与超级电容器不同,混合型锂离子超级电容器其正极不应该存在Ag过渡层,避免负极结构受到破坏。
上述各实施例和对比例所采用的复合型钛酸锂浆料、碳浆以及铝箔集流体均相同。
最后所应当说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制,尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的实质和范围。