[發明專利]具有高容量與庫侖效率的鋰離子電容電池負極系統

無效

• 申請號: 201010177428.5
• 申請日: 2010-05-20
• 公開（公告）號: CN101841064A
• 公開（公告）日: 2010-09-22
• 發明（設計）人: 王志興;方杰;郭華軍;李新海;彭文杰;張云河;胡啟陽
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01M10/0563
• 分類號: H01M10/0563;H01M4/133
• 代理公司: 中南大學專利中心 43200
• 代理人: 胡燕瑜

技術領域

本發明涉及鋰離子電容電池負極材料容量與庫侖效率的改進方法，屬于電化學領域。

技術背景

鋰離子電容電池是近年來發展迅速的新型綠色儲能器件，它結合了鋰離子電池高容量和超級電容器高倍率的優點，鋰離子電容電池中鋰離子電池和超級電容器這兩種儲能體系結合方式有兩種，一種是“外組合”式(即將兩者的單體通過電源管理系統組合成一個儲能組件或系統)；另一種是“內結合”式(即將兩者有機地結合在同一單體中)。已有研究表明，基于活性炭電極材料超級電容器和鋰離子電池通過“內結合”構成的電容電池可獲得良好的電化學性能。

鋰離子電容電池兼有鋰離子電池及超級電容器的特點的儲能器件，即在一種器件中同時具有較高的能量密度和功率密度，克服鋰離子電池單獨作為動力電源時功率密度不高的缺點和超級電容器單獨作為動力電源時能量密度不高的缺點，是一種比較有發展潛力的新型儲能器件。

目前，鋰離子電容電池的負極材料主要是鋰離子電池炭基負極材料和具有較大比表面積的超級電容器電極材料的復合體系。在商業化的鋰離子電池有機電解質體系中，由于提供雙電層容量的電極材料具有很大的比表面積，在電容電池的充放電過程中形成SEI膜導致電池的可逆容量和首次充放電效率明顯降低，限制了鋰離子電容電池容量的充分發揮。目前，鋰離子電容電池負極材料的可逆容量低于石墨基負極材料的理論容量(372mAh/g)，首次庫侖效率低于50％。因此，改進鋰離子電容電池體系，提高其負極材料的可逆容量與首次充放電效率對于鋰離子電容電池是否能夠實際應用有著至關重要的作用。

針對電容電池的可逆容量和首次充放電效率低的缺點，一些方法被采用以提高鋰離子電池炭基負極材料可逆容量和首次充放電效率，如采用脫嵌鋰電位較高的鋰離子電池負極材料(如鈦酸鋰)與超級電容器電極材料復合，主要利用鈦酸鋰充放電電位高(約1.5V)的特點，避免了在電極材料表面形成SEI膜，因此，提高了可逆容量和首次充放電效率。但是這種方法中采用的負極材料充放電電位高，會降低電容電池的能量密度。因此，開發一種既能提高電容電池可逆容量和首次充放電效率、而又不影響其它性能的方法很有必要。

離子液體具有導電率高、蒸汽壓低、電化學窗口寬、化學與電化學穩定性好、無污染和易回收等突出的優點，被譽為綠色溶劑。用作鋰離子電池電解質不僅能夠拓寬電池的工作溫度范圍，而且可以提高電池在高功率密度下的安全性，消除鋰離子電池的安全隱患。

本發明以含有離子液體的電解質作為鋰離子電容電池的電解液、以石墨基材料和活性炭的混合物作為鋰離子電容電池負極材料構成電極系統來改善鋰離子電容電池負極材料的可逆容量和庫侖效率，是一種有發展潛力的鋰離子電容電池負極材料容量與庫侖效率的改進方法。

發明內容

本發明目的在于提供一種具有高容量與庫侖效率的鋰離子電容電池負極系統，以石墨基材料和活性炭構成鋰離子電容電池負極材料，石墨基材料和活性炭的質量比為1∶0.1～1，其特征在于，以含有離子液體的電解質溶液作為鋰離子電容電池的離子傳導體，構成鋰離子電容電池負極的電極系統，含有離子液體的電解質溶液由離子液體與含鋰電解質鹽構成，其中的離子液體是1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽、N-甲基丙基哌啶雙三氟甲磺酰亞胺鹽中的一種或兩種，含鋰電解質鹽是LiPF₆和LiN(CF₃SO₂)₂中的一種或兩種，含鋰電解質鹽在電解質溶液中的摩爾濃度為0.5～1.4mol/L。

一種具有高容量與庫侖效率的鋰離子電容電池負極系統，所述的石墨基材料為中間相炭微球、人造石墨中的一種或兩種。

一種具有高容量與庫侖效率的鋰離子電容電池負極系統，所述的電解質溶液中還含有有機溶劑，有機溶劑的質量小于等于電解質溶液質量的50％，有機溶劑為碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯中的一種或多種。

本發明具有以下優點和積極效果：

本發明針對石墨基材料和活性炭構成的鋰離子電容電池負極材料，采用含有離子液體的電解質溶液，可以顯著提高鋰離子電容電池負極材料的可逆容量和首次庫侖效率，可逆容量可高達600mAh/g，首次庫侖效率大于90％；而在常規電解質溶液中，鋰離子電容電池負極材料的可逆容量小于372mAh/g，首次庫侖效率小于50％。所以該發明有效地解決了在常規電解質溶液中鋰離子電容電池負極材料可逆容量和首次庫侖效率低的難題。

附圖說明

圖1：本發明實施例1和實施例2中鋰離子電容電池負極材料在其相對應的電解質溶液中的首次充放電曲線(0.1C)；1-實施例1；2-實施例2。