[發明專利]一種采用第三電極對鋰離子電容器的嵌鋰方法

有效

• 申請號: 201610985775.8
• 申請日: 2016-11-09
• 公開（公告）號: CN106449126B
• 公開（公告）日: 2018-03-30
• 發明（設計）人: 王曉峰;尤政
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01G11/06
• 分類號: H01G11/06;H01G11/50
• 代理公司: 北京國林貿知識產權代理有限公司11001
• 代理人: 王敬智

技術領域

本發明屬于鋰離子電容器的制造技術領域，特別是涉及一種采用第三電極對鋰離子電容器的嵌鋰方法。

背景技術

鋰離子電容器是將鋰離子電池與雙電層超級電容器“內并”的新型混合儲能器件，兼具鋰離子電池的高比能量與超級電容器高比功率、長壽命等優點，在軍工航天、綠色能源等領域具有廣泛的應用前景。目前鋰離子電容器的嵌鋰方法一般采用富士重工業發明專利CN101138058B中的方法，即以鋰金屬為鋰源，使用具有通孔的金屬箔為集流體，將鋰金屬放置于負極相對的位置，通過短接鋰金屬與負極，利用鋰金屬與負極之間的電勢差放電從而將鋰嵌入負極中。該方法可得到能量密度和輸出功率高的大容量大型蓄電裝置，并具有良好的充放電特性，但存在以下問題：(1)鋰箔化學性質極為活潑，使得鋰離子電容器的生產對環境要求極高；(2)鋰的用量需要精準控制，鋰量過少對電壓的改善達不到預期的效果，鋰量過多又會使單體存在較大的安全隱患，因此單體一致性差；(3)鋰離子電容器制造工藝復雜，且原材料成本、制造成本居高不下。

中國專利CN104681311A公開了將短接負極與鋰金屬的短路放電嵌鋰方式改為在電芯在電解液中充放電，實現負極的嵌鋰，取出電芯重新封裝注液，該方法可以對鋰離子電容器單體負極嵌鋰起到不用到鋰金屬，過程比較安全的目的，但電解液里面的鋰量較少，不能提供足夠的鋰給負極，嵌鋰后重新封裝過程中對環境要求高，工藝復雜，生產成本高。

鄭劍平課題組有文章報道，使用表面具有鈍化的納米級金屬鋰粉作為鋰源，與硬炭混合后用干法工藝制成負極，活性炭為正極組裝成鋰離子電容器單體。相比富士重工使用鋰金屬箔的結構，該結構的鋰離子電容器可在干燥房中進行制造，無需要在手套箱內的苛刻環境下進行，大大增加了可操作性。但是鈍化鋰粉的價格高，干法工藝制備含鈍化鋰負極工藝復雜，不能大規模生產，鋰金屬嵌入負極上的碳材料后，電極上出現空隙，電導率下降，活性物質容易脫落。

發明內容

本發明的目的是提供一種采用第三電極對鋰離子電容器的嵌鋰方法，其特征在于，具體步驟如下：

1)以活性炭作為活性物質的漿料附著在有孔鋁箔上制成正極；以硬炭材料作為活性物質的漿料附著于有孔銅箔上制成負極；PP/PE/PP三層聚合物為隔膜；將負極、隔膜、正極隔膜依次層疊或卷繞成電芯，并用膠帶固定；將三個電芯的正極集流體跟正極的極耳焊接在一起，將三個電芯的負集流體跟極負極的極耳焊接在一起，然后并聯焊接，把焊接好的電芯用鋁塑封裝膜封裝，留一側為注液口；

2)制作含鋰金屬第三電極，即在銅網上附著石墨漿料，再壓上鋰箔制成；

3)將第三電極的極片分別插入并聯的極組之間，即在三個電芯兩側插入第三電極的極片，封裝成待注液的電芯；從注液口注入含有鋰鹽的有機溶液；

4)將負極、第三電極分別連接充放電測試儀正負極，進行充電，完成對負極的嵌鋰；完成負極嵌鋰時間為2min～6min；

5)完成負極嵌鋰后取出第三電極,抽氣到10-20Pa,封口，完成鋰離子電容器單體的制作；鋰離子電容器內部不會出現鋰金屬嵌入負極后留下的空間，不會影響單體外觀。

所述正極和負極中集流體為有孔集流體。

所述鋰鹽為高氯酸鋰、六氟磷酸鋰、四氟硼酸鋰等可溶于有機溶劑的鋰鹽至少一種；有機溶劑為碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸乙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯等中至少一種。

所述步驟4)中進行充電是用充放電測試儀的正負極分別接負極、第三電極，以10C的電流充電，充電至3.0V；

本發明的有益效果是與現有技術相比，本發明的優點如下：

(1)通過引入第三電極來對負極進行開口在線嵌鋰，替代鋰箔、納米金屬鋰，大大降低了生產過程中的安全性；

(2)通過用不同極組并聯組成電芯，極組間插入帶鋰第三電極對負極進行嵌鋰，大大減短了嵌鋰時間提高生產效率，開口嵌鋰減少了制造程序，減少生產過程設備的使用，對降低成本起到關鍵作用；

(3)嵌鋰過程使用大電流嵌鋰，負極材料采用不定型碳材料，能夠實現快速充電，同時不影響鋰離子電容器的循環壽命。

(4)第三電極完成嵌鋰后取出，成品中無多余的電極，不影響成品外觀情況，簡化工藝流程，可大規模工業化生產。

為了解決嵌鋰時間長，負極嵌鋰過程實現可控有利于電容器產品的循環，制造成本過高，可以提高生產過程的安全性，負極加入鋰金屬的同時不引入其他電極產品不影響產品外觀，簡化工藝流程，適用于工業化生產。

附圖說明

圖1為鋰離子電容器單體結構示意圖。