[發明專利]一種鋰離子超級電容器及其組裝方法

有效

• 申請號: 200710011992.8
• 申請日: 2007-07-06
• 公開（公告）號: CN101339848A
• 公開（公告）日: 2009-01-07
• 發明（設計）人: 成會明;王大偉;方海濤;李峰;劉敏;逯高清
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: H01G9/00
• 分類號: H01G9/00;H01G9/022;H01G9/042;H01G9/058;H01M10/02;H01M4/00;H01M10/00;H01M14/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司
• 代理人: 張志偉

技術領域

本發明涉及超級電容器的設計方法，具體為一種新型不對稱鋰離子超級電容器及其組裝方法。

背景技術

煤和石油作為儲量有限的化石能源面臨著污染嚴重、來源枯竭的困境。一個多世紀的以化石能源提供動力的工業發展，使地球的環境惡化、資源過度開采。為了實現可持續性的發展，開發綠色能源模式顯得尤為重要。國家中長期技術發展綱要中，把超級電容器關鍵材料及制備技術作為一個重要組成部分列入了前沿新材料技術研究范疇。超級電容器具有高功率的顯著特征，是電池不可或缺的關鍵性輔助器件，在電動汽車、數碼消費和國防工業中已嶄露頭角。遺憾的是，由于傳統的對稱結構超級電容器的能量密度低，使得進一步拓展其應用范圍遇到了困難。

氧化鈦納米結構是一種先進的鋰離子儲能材料，其質量比容量可以達到200mAh/g左右，理論容量達325mAh/g。氧化鈦納米結構的鋰離子儲能機制依賴于其晶型結構，只有非晶態結構的納米結構的儲能機制體現為電容特性，如非晶態氧化鈦納米管陣列鋰離子儲能機制在充放電行為上不存在恒定的電壓平臺，因而具有明顯的電容行為。非晶態氧化鈦納米結構的電容行為的鋰離子儲能機制一方面能夠適應快速充放電，另一方面能夠提高能量密度。中孔結構炭材料(孔徑2-10nm)由于具有高比例的中孔通道，能有效提高離子的傳輸速率，是富有潛力的雙電層特性電極材料，其質量比容量多數分布在100-200F/g之間。中孔結構炭材料的發達中孔結構可以提高有機陰離子的傳輸速率，改善功率密度。對于具有高工作電壓的有機系電解液(2-3V)，通過將鋰離子儲能特性的非晶態氧化鈦納米結構和雙電層特性的中孔炭材料分別作為負極和正極材料組裝成先進新型鋰離子超級電容器，將兩者結合，能夠實現高功率密度和高能量密度的共存。可以獲得比傳統的基于贗電容或雙電層電容機制的超級電容器更優越的性能。

發明內容

為了進一步拓展超級電容器在能源領域的應用，本發明的目的在于提供一種新型的不對稱鋰離子超級電容器及其組裝方法，得到的超級電容器同時獲得高能量、高功率密度，解決傳統的基于水質電解液或非鋰鹽有機電解液的對稱或非對稱結構超級電容器的能量密度低等問題以及進一步拓展其應用范圍。

本發明的技術方案是：

本發明提供了超級電容器的設計方法，即一種新型鋰離子超級電容器的組裝方法。通過結合非晶態氧化鈦納米結構的鋰離子儲能特性和中孔炭材料的雙電層電容特性，在Li鹽有機電解質溶液中，以非晶態氧化鈦納米結構材料為負極，以中孔結構炭材料為正極，組裝了鋰離子超級電容器。具體過程如下：將氧化鈦納米結構基片丙酮清洗并真空干燥，得到復合電極材料；或將活性電極材料(中孔結構炭材料或氧化鈦納米結構材料)和粘結劑、導電劑以一定比例在乙醇中混和均勻，真空干燥后得到復合電極材料；稱量一定質量的復合電極材料，以乙醇潤濕后涂抹到發泡鎳集電極上，真空干燥；即可將氧化鈦納米結構基片和中孔結構炭材料發泡鎳復合電極組裝成鋰離子超級電容器。

本發明所選用的活性電極材料為納米結構氧化鈦和中孔結構炭材料；所述納米結構氧化鈦包括納米顆粒(其直徑為5-100nm)、納米線、納米管、納米管陣列；納米線的規格為：直徑10-100nm，長度1-20μm；納米管的規格為：內徑5-30nm，外徑20-50nm，長度1-10μm；納米管陣列的規格為：內徑20-40nm，外徑50-100nm，長度1-100μm，如陽極氧化工藝制備的非晶態氧化鈦納米管陣列；所述中孔結構炭材料可以為中孔分子篩為模板制備的中孔炭(按體積百分比計，微孔比例10-40％，中孔比例60-90％)和層次孔炭材料(按體積百分比計，微孔比例30-50％，中孔/大孔比例50-70％)等，或者采用具有不同中孔微孔比例的活性炭材料(按體積百分比計，微孔比例40-90％，中孔比例10-60％)。本發明中，大孔孔徑指大于100nm，中孔孔徑指2-50nm，微孔孔徑指小于2nm。非晶態氧化鈦納米結構的電容行為的鋰離子儲能機制一方面能夠適應快速充放電，另一方面能夠提高能量密度。中孔結構炭材料的發達中孔結構可以提高有機陰離子的傳輸速率，改善功率密度。兩者結合，能夠實現高功率密度和高能量密度的共存。

本發明中，活性電極材料(中孔結構炭材料或氧化鈦納米結構材料)、粘結劑和導電劑的重量比優選為(80-90)∶(5-10)∶(5-10)。本發明中，乙醇和復合電極材料的比例優選為(5-10ml/1g復合電極材料)。本發明所說的真空干燥為常規技術。干燥除去其中乙醇的具體過程如下：將乙醇潤濕的復合電極材料在80-120℃于真空處理12-24小時，除去乙醇。