[發明專利]混合超級電容器負極預嵌鋰方法

在審

• 申請號: 201410336412.2
• 申請日: 2014-07-16
• 公開（公告）號: CN104319115A
• 公開（公告）日: 2015-01-28
• 發明（設計）人: 代波;丁幫助
• 申請（專利權）人: 惠州市鳴曦科技有限公司
• 主分類號: H01G11/86
• 分類號: H01G11/86
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及電化學能源技術領域，具體來說是涉及一種混合超級電容器負極預嵌鋰方法。

背景技術

隨著人口的急劇增長和社會經濟的快速發展，資源和能源日漸短缺，環境保護日益受到重視，能源的開發和節約成為當今世界的一個重要課題。能源是人類社會存在和發展的基礎，以化石能源為基礎的當今社會愈來愈頻繁地遭遇能源匱乏以及環境污染危機。同時，伴隨著信息化高科技時代的來臨，能源應用形態正在發生變化，可再生、無污染、小型分立的可移動高性能電源需求快速增長。目前市場上常見電池體系如：堿錳、銀鋅等一次電池，鉛酸、鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池等其共同特點是具有較高的能量密度，但它們的功率密度很低，充電時間長。因而在許多對功率密度要求較高的儲能裝置應用領域(如航天領域和現代化武器裝備等)，這些傳統的蓄電池根本就不能滿足需求。因此人們期待著具有高能量、高功率、長壽命的新型綠色儲能器件的出現。

近年來，一種由雙電層電容極化電極與二次電池非極化電極構成的新型電化學混合超級電容逐漸成為研發熱點，活性炭/NiOOH堿性混合超級電容器率先實現了產業化開發，與堿性炭/炭雙電層電容相比，其比能量優勢明顯。為追求更高的比能量及比功率特性，一種正極采用多孔炭材料(或導電聚合物或其復合物)，負極采用鋰離子嵌入與脫嵌材料的非水體系電化學混合超級電容器應運而生，因其負極采用與鋰離子電池體系相同的儲能機理，富士重工SUBARU技術研究中心的Osamu?Hatozaki等人將其稱為鋰離子超級電容器。以嵌鋰負極/活性炭混合超級電容器為例，其工作機理是：充電時，有機電解液中的鋰離子嵌入到負極中相差嵌鋰化合物，電解液中的陰離子則吸附在活性炭正極表面形成雙電層；而放電時，鋰離子從負極材料中脫出，正極與電解液界面產生的雙電層解離，陰離子從正極表面釋放。根據所采用負極嵌鋰材料的不同，鋰離子超級電容主要可分為兩類，即金屬氧化物/活性炭電化學混合電容與炭質嵌鋰材料/活性炭電化學混合電容。

從2000年開始，T.Morimoto等人報道了一種以活性炭為正極，摻鋰石墨為負極1mol/L的鋰鹽混合溶液為電解液的混合超級電容，其工作電壓區間可達3-4.2V；2002年，他們組裝了出了比能量16Wh/l、比功率500W/l的軟包裝電容，但4000周循環后容量衰減達40％，2006年12月，富士重工SUBARU技術研究中心的Osamu?Hatozaki等人在第16屆國際電容年會上報道了一種嵌鋰炭質材料/活性炭鋰離子超級電容器，其比能量可達12-30Wh/kg，30萬次循環后容量保持率在96％以上，該鋰離子超級電容擁有如此優異的充放電性能，得益于炭質材料的預嵌鋰處理(pre-doping)。

大部分嵌鋰電極在首次充放電過程中都存在不同程度的不可逆嵌鋰，在鋰離子超級電容器體系中，該電化學行為同時也會導致相同摩爾數的陰離子在正極活性炭表面的不可逆吸附，造成電解液本體離子濃度的降低和電容容量的衰減，嚴重影響電容體系的充放電性能。對負極進行一定深度的預嵌鋰。一方面可以解決上述問題，另一方面還可以使負極的嵌鋰電位趨于穩定更加平坦，這些都將改善鋰離子超級電容的充放電特性(如效率、容量、循環穩定性和大電流性能等)。

事實上，G.G.Amatucci研究小組和T.Morimoto小組在新型鋰離子超級電容器的組裝中也都用到了預嵌鋰技術，但他們采用的方法與富士重工SUBARU技術研究中心的方法類似，都是以金屬鋰作為第三極，通過外短路的方法，實現負極的預嵌鋰。

但該方法存在許多缺點：金屬鋰作為一極引入電容體系容易帶來安全問題，電極制造工藝變得十分復雜組裝環境要求苛刻；外短路過程不易操控，如果控制不當，易導致電極失效；電容體系需增加近一倍的電解液和隔膜用于預嵌鋰工藝等等。

發明內容

本發明為了克服現有技術的不足，提供一種混合超級電容器負極預嵌鋰方法，其目的是解決現有的混合超級電容器的電解液濃度衰減幅度大的問題。

為了解決上述的技術問題，本發明提出的基本技術方案是：一種混合超級電容器負極預嵌鋰方法，在以多孔炭材料為正極活性物質、以可嵌鋰炭質材料或可嵌鋰金屬氧化物為負極活性物質、以有機鋰鹽溶液為電解液的混合超級電容器中，在首次化成過程中，利用充電靜止時間，在該混合超級電容器中進行二次添加高濃度電解液，以補充首次充電過程中，不可逆嵌鋰電解液本體離子濃度的降低和陰離子在正極不可逆的吸附損失，使電解液濃度降低的幅度減小。

本發明所述的混合超級電容器負極預嵌鋰方法中，所述多孔炭材料為活性炭粉末、活性炭纖維、炭氣凝膠、碳納米管和碳黑中的一種或者幾種。