[發(fā)明專利]鋰離子超級(jí)電容器的電極材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110162912.5
• 申請(qǐng)日: 2011-06-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102832047A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-12-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄭卓群;柯了英;周小平
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 微宏新材料(湖州)有限公司
• 主分類號(hào): H01G9/042
• 分類號(hào): H01G9/042
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

背景技術(shù)

鋰離子超級(jí)電容器，屬于電化學(xué)電容器種類，是性能介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的一種儲(chǔ)能器件。相比電池，其具有功率密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)；相比傳統(tǒng)物理電容器，則具有能量密度大的優(yōu)勢(shì)。超級(jí)電容器與鋰離子電池配合組成復(fù)合電源，在電動(dòng)車啟動(dòng)、加速和爬坡時(shí)可以滿足車輛對(duì)高功率和大電流的需求，在電動(dòng)車剎車、減速和下坡時(shí)可以及時(shí)回收電池釋放的多余能量，提高電動(dòng)車的電能使用效率。

超級(jí)電容器能夠在幾秒鐘內(nèi)捕捉和釋放能量，而且可以循環(huán)數(shù)百萬(wàn)次，但是能量密度一般不超過(guò)10Wh/kg，相比鋰離子電池而言，只能存儲(chǔ)大約10％的能量。如果能提升超級(jí)電容器的能量密度2至3倍，即使循環(huán)壽命降至十萬(wàn)次，與鋰離子電池結(jié)合，更適合各種電動(dòng)車能量回收和加速運(yùn)行情況。

鋰離子超級(jí)電容器是超級(jí)電容器和鋰離子電池的結(jié)合體，性能兼具兩者的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)一定程度上的高功率密度與高能量密度共存，同時(shí)保證合適的循環(huán)壽命，有望在電動(dòng)汽車領(lǐng)域得到應(yīng)用。鋰離子超級(jí)電容器的儲(chǔ)能原理基于超級(jí)電容器的雙電層電容與法拉第準(zhǔn)電容以及鋰離子電池的高度可逆氧化還原化學(xué)反應(yīng)，該概念已經(jīng)存在了20多年。這種混合儲(chǔ)能裝置的一個(gè)電極見(jiàn)于超級(jí)電容器，是雙電層電容與法拉第準(zhǔn)電容儲(chǔ)能機(jī)制，另一電極見(jiàn)于鋰離子電池，是鋰離子儲(chǔ)能機(jī)制，將兩者結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高功率密度與高能量密度一定程度上的共存，同時(shí)保證合適的循環(huán)壽命。新型超級(jí)電容器電極材料與鋰離子電池電極材料都是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

多孔炭是常見(jiàn)的超級(jí)電容器電極材料，通常具有高的比表面積，在電極/電解液界面通過(guò)電子和離子或偶極子的定向排列而產(chǎn)生雙電層，形成雙電層電容，功率密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)，但由于其屬于物理過(guò)程，比能量密度較低(E＝1/2CV²)。金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物(如聚苯胺、聚吡硌)也被用作電極材料，在充放電過(guò)程中發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生法拉第準(zhǔn)電容，比容量高(是炭材料的10倍以上)，但是大電流充放電性能和循環(huán)性能相對(duì)較差。炭材料與金屬氧化物或?qū)щ娋酆衔锏膹?fù)合材料兼具雙電層電容和法拉第準(zhǔn)電容特性，得到高能量密度的同時(shí)，可保證合適的循環(huán)壽命，是新一代超級(jí)電容器的電極可選材料。

雙電層電容與電極材料的比表面積成正比，因此，具有大比表面積的活性炭是超級(jí)電容器的常用電極材料；在活性炭上負(fù)載RuO₂、IrO₂，利用過(guò)渡金屬氧化物的法拉第準(zhǔn)電容，可以明顯增加超級(jí)電容器的比容量，提升能量密度，但是貴金屬氧化物價(jià)格昂貴，限制了其應(yīng)用。目前，活性炭與氧化錳、氧化鎳、氧化鈷、氧化釩等廉價(jià)金屬氧化物的復(fù)合材料備受關(guān)注。如專利申請(qǐng)200310107714.4公開(kāi)了將NiO_x浸漬于活性炭制備復(fù)合電極并應(yīng)用于超級(jí)電容器的工藝，鎳氧化物的負(fù)載量為1.0～14.0mg/g，電容器輸出能量密度即可得到提高。專利申請(qǐng)02130061.5公開(kāi)了一種以石油焦或?yàn)r青焦為原料，以KOH為活化劑，高溫活化制得中孔或微孔活性炭，然后負(fù)載金屬氧化物制備復(fù)合電極材料的工藝，發(fā)現(xiàn)負(fù)載氧化錳、氧化鈷或氧化鎳后，復(fù)合電極的比電容比對(duì)比例中的活性炭電極明顯增加，最高增幅達(dá)到63.2％。專利申請(qǐng)02130062.3公開(kāi)了摻雜廉價(jià)金屬提高活性炭比電容的方法：在活性炭前驅(qū)體中加入金屬離子(Cu²⁺、Ni²⁺)，使金屬離子均勻分散在活性炭孔道中，發(fā)揮金屬微粒的最大法拉第準(zhǔn)電容效應(yīng)，從而提高超級(jí)電容器的比電容。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種用于鋰離子超級(jí)電容器的電極材料。

本發(fā)明提供的用于鋰離子超級(jí)電容器的電極材料，是一種金屬氧化物活性炭復(fù)合材料，包括活性炭和負(fù)載于活性炭上的氧化鉬(即第一金屬氧化物)，其中鉬為正四價(jià)。

XRD表征表明，在復(fù)合材料中氧化鉬的主要物相是二氧化鉬(MoO₂)，即鉬的化學(xué)價(jià)主要呈現(xiàn)+4價(jià)。

本發(fā)明的金屬氧化物活性炭復(fù)合電極材料還可以進(jìn)一步包括至少一種第二金屬氧化物，該第二金屬元素可以選自第一、第二、第三主族元素、過(guò)渡元素和稀土元素中的至少一種。通常，第二金屬元素可以選自Li、Ca、Mg、Al、Ti、Fe、Ni、Mn、Co、Cu、Zr、W、La和Ce中的至少一種。