[發明專利]一種高功率鋰離子電容器及其制備方法

有效

• 申請號: 201410415225.3
• 申請日: 2014-08-21
• 公開（公告）號: CN104201000B
• 公開（公告）日: 2017-05-17
• 發明（設計）人: 黃正宏;於曉亮;呂瑞濤;沈萬慈;康飛宇
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01G11/32
• 分類號: H01G11/32;H01G11/06;H01G11/84;H01G11/86
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所61215
• 代理人: 賈玉健

技術領域

本發明屬于鋰離子電容器技術領域，特別涉及一種高功率鋰離子電容器及其制備方法。

背景技術

鋰離子電池和超級電容器是兩種新型的電化學能源存儲器件，分別具有高能量輸出和高功率輸出的特點。鋰離子電容器一極采用鋰離子電池電極，另外一極采用超級電容器電極，因此能夠同時輸出較高的能量密度和功率密度，還可循環充放電。因其優異的性能，鋰離子電容器目前不僅可以用于移動電話、筆記電腦等便攜式小型電子設備，還可用于混合動力汽車等大型設備。以往的鋰離子電容器可以輸出60Wh/kg以上的能量密度。但其受限于鋰離子電池型負極緩慢的電化學響應，鋰離子電容器的功率密度(<5kW/kg)仍不能滿足實際使用的需求。開發具有高功率密度的鋰離子電容器對其實際應用，尤其在混合動力汽車領域的應用，具有十分重要的意義。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種高功率鋰離子電容器及其制備方法，以新型的預鋰化微晶石墨為負極材料，可表現出極快的電化學響應行為，得到的鋰離子電容器具有高能量/高功率匹配輸出。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種高功率鋰離子電容器，其以預鋰化微晶石墨為負極，以多孔碳材料為正極。該高功率鋰離子電容器，最大輸出功率密度≥100kW/kg，輸出能量密度≥60Wh/kg，循環充放電1000次容量保持率≥90％。

所述多孔碳材料的比表面積≥1000m²/g，總孔容積≥1.0cm³/g。

所述微晶石墨純度≥99.9％，顆粒的尺寸D50≤30μm，所述預鋰化微晶石墨負極質量與多孔碳材料正極的質量比為(0.5-3):1。

本發明同時提供了一種制備所述高功率鋰離子電容器的方法，采用鋰離子電池的裝配工藝，包括以下步驟：

步驟一，將多孔碳、導電添加劑以及粘結劑按照質量比(70-100):(0-10):(0-20)混合均勻，加入有機溶劑得到正極漿料，將正極漿料涂覆于銅箔上，經干燥、軋膜及沖片處理后，得到鋰離子電容器正極片，即多孔碳極片；

步驟二，將微晶石墨、導電添加劑以及粘結劑按照質量比(75-90):(5-10):(5-15)混合均勻，加入有機溶劑得到負極漿料，將負極漿料涂覆于銅箔上，經干燥、軋膜及沖片處理后，得到微晶石墨極片；

步驟三，將微晶石墨極片與鋰片組成鋰離子半電池，在(0.1-1)C的恒定電流下，充放電一整個循環，再放電至電池電壓處于(0.03-0.1)V，得到預鋰化微晶石墨極片即為鋰離子電容器負極片，即預鋰化微晶石墨極片；

步驟四，以步驟一中的多孔碳極片和步驟三中的預鋰化微晶石墨極片分別作為鋰離子電容器的正負極，采用有機電解液，組裝成鋰離子電容器。

所述導電添加劑為導電炭黑、碳納米管或石墨烯等，所述粘結劑為聚偏氟乙烯(PVDF)，所述有機溶劑為N-甲基吡咯烷酮(NMP)。

所述步驟一中有機溶劑與多孔碳的質量比為(4-8):1；步驟二中有機溶劑與微晶石墨質量比為(3-6):1。

與現有技術相比，本發明采用預鋰化微晶石墨用作鋰離子電容器負極，可表現出極快的電化學響應行為，鋰離子電容器的倍率性能不再像以往的鋰離子電容器一樣，受限制于負極較慢的電化學響應。該鋰離子電容器的倍率性能可以達到接近多孔碳正極的倍率性能的水平，因此能夠輸出很高的功率密度。進一步可以通過調控多孔碳材料的微結構，獲得具有良好倍率性能的多孔碳正極，組裝的鋰離子電容器即可表現出更優異的倍率性能。同時該鋰離子電容器還表現出了較高的能量密度以及優良的循環穩定性，因此具有良好的實際應用前景。

本發明的鋰離子電容器具有很高的功率密度和循環穩定性同時，其功率密度和能量密度可以通過正極多孔碳材料微結構的調整來實現進一步的提高。

具體實施方式

下面結合實施例詳細說明本發明的實施方式。

實施例一

微晶石墨為負極的高功率鋰離子電容器的制備方法，包括以下步驟：

步驟一，比表面積為1100m²/g，孔容為1.0cm³/g的多孔碳，與導電炭黑(superP)，粘結劑PVDF按照質量比75:10:15混合均勻，加入有機溶劑NMP(與多孔碳質量比4:1)得到正極漿料。將正極漿料涂覆于銅箔上，經干燥、軋膜及沖片處理后，得到鋰離子電容器正極片，即多孔碳極片。