CN102768901A

CN102768901A - 一种长寿命的电容电池

Info

Publication number: CN102768901A
Application number: CN2012102893505A
Authority: CN
Inventors: 张宝生
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-08-06
Filing date: 2012-08-06
Publication date: 2012-11-07

Abstract

本发明涉及新型化学储能技术的一种长寿命的电容电池，长寿命的电容电池包括壳体、正极片、负极片、隔膜及电解液，其中正极片是由正极集流体、电容导电涂层、电池正极活性物质层、电极保护层复合而成，负极片是由负极集流体、电容导电涂层、电池负极活性物质层、电极保护层复合构成。隔膜选用PP、PE或二者复合的多层薄膜，长寿命的电容电池的电解液是锂盐溶于有机溶液或添加离子液体组成。其特点是能量密度大与锂电池相近，而大电流充、放电特性、循环使用寿命与超级电容器相近，是一种兼具超级电容器与锂电池优点的储能体，可以满足作为高性能储能、动力电池的使用要求。本发明的电池可以制作成方型、圆柱型、纽扣型及薄膜型等多种形式。

Description

一种长寿命的电容电池

技术领域

本发明涉及一种电化学领域电池，特别是一种长寿命的电容电池。

背景技术

目前，以绿色、低碳为核心的新一轮能源技术变革方兴未艾，新能源和可再生能源科技创新水平已成为国家和地区核心竞争力的重要体现。世界各国都把发展新能源和可再生能源作为抢占未来经济制高点的重要手段。为调整能源结构、保护环境和应对气候变化，我国提出了到2020年非化石能源消费量要占能源消费总量的15％、单位GDP二氧化碳排放量比2005年降低40％-45％的目标。“十二五”时期，世界经济将迎来加快转型的时期，中国新能源产业将迎来加速发展和布局调整的重要机遇。同时，为转变经济增长方式、增加就业、培育新的能源产业，实现可持续发展，国家正在部署战略性新兴产业，新能源已成为战略性新兴产业的重要内容。

2006年2月23日公布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要(2006～2020年)》第五章前沿技术第15和第16小节中专门提到：(一)高效能源材料技术。重点研究太阳能电池相关材料及其关键技术、燃料电池关键材料技术，高容量储氢材料技术、高效二次电池材料及关键技术、超级电容器关键材料及制备技术，发展高效能源转换与储能材料体系。(二)先进能源技术未来能源技术发展的主要方向是经济、高效、清洁利用和新型能源开发。

为了认真贯彻落实《可再生能源法》，各级政府积极制定和完善支持新能源和可再生能源发展的政策，大力发展风电，加快发展生物质能、太阳能、水能；深入贯彻落实科学发展观，切实转变经济发展方式，抓住国家大力发展新能源和可再生能源的历史机遇，但是风能、太阳能具有不可控、不稳定、不连续等特征，其不稳定性给电网调峰、调频和调压等带来安全隐患。目前，大多数风电机组仍无法满足接入电网的有功调节、无功补偿和低电压穿越等技术要求，加剧了电网调频、调峰、调压和运行安全控制的矛盾。而解决这个矛盾的方法就是积极发展海量储能技术、智能电网等新技术，而实现这些新技术的基础与具有能量储存功能的电池密不可分。

众所周知，超级电容器是近年来发展的一种新型能量储存装置。超级电容器是一种清洁储能器件，充电快、寿命长，全寿命期的使用成本低，维护工作少，对环境不产生污染。但是超级电容器具有比能量比较小、自放电大等缺点；化学电池是通过电化学反应，产生法拉第电荷转移来储存电荷的，具有比能量大、自放电小，但有比功率小、充电速度慢、寿命短等缺陷；本专利长寿命的电容电池即是兼取二者优点，克服二者缺点，将超级电容器和二次化学电池有机结合起来，与传统的超级电容器和二次电池相比，长寿命的电容电池的比功率是电池的10倍以上，储存电荷的能力远比超级电容器高，并具有充放电速度快、对环境无污染、循环寿命长、使用的温限范围宽等特点，是本世纪最具有希望的一种新型绿色能源。大型充电电容电池预计将在智能电网、通讯、照明、汽车、农业及建筑机械、产业机械、摩托车及电车等交通设备以及自然能源领域得到普及，据预测市场将会大幅增长。

本发明既是基于超级电容器长寿命与电池高比能量特性加之反复实验来制作高电容量的长寿命电容电池的。

发明内容

本发明是通过下列的技术方法来实现的，长寿命的电容电池包括壳体、正极片、负极片、隔膜及电解液，其中正极片是由正极集流体、电容导电涂层、电池正极活性物质层、电极保护层复合而成，负极片是由负极集流体、电容导电涂层、电池负极活性物质层、电极保护层复合构成。其中长寿命的电容电池正极中采用的电池活性物质材料为锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰锂、磷酸钒锂、硅酸亚铁锂、镍钴锰酸锂、高铁酸锂、镍锰酸锂中的一种或几种；电容材料为纳米石墨、石墨烯、氧化石墨烯、活性炭、碳纳米管、炭气凝胶中的一种或多种构成；粘结剂选用聚偏氟乙烯、聚氧化乙烯、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠、丙烯酸酯、聚四氟乙烯、海藻酸钠、海藻酸锂、明胶中的一种或几种。长寿命的电容电池负极中有硬碳、天然石墨、人造石墨、钛酸锂、碳硅复合物、碳锡复合物、碳纳米管中的一种或几种。隔膜选用PP、PE或二者复合的多层薄膜，长寿命的电容电池的电解液使用锂盐LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiBF3Cl、LiBOB、LiDOFB、LiC(SO2CF3)3、LiCF3SO3(LiTf)LiN(SO2CF3)2(简称LiTFSI)、LiPF3(C2F5)3(简称LiFAP)溶于有机溶剂电解液、离子液体1-甲基-3-丁基咪唑二(三氟甲基磺酰)亚胺盐、1-甲基-3-乙基咪唑二(三氟甲基磺酰)亚胺盐、1-乙基3-甲基咪唑四氟硼酸盐或1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐中的一种或多种。

本发明的电池可以制作成方型、圆柱型、纽扣型及薄膜型等多种形式。

通过以下实施例仅对本发明的几个实施方法进行描述，并不是对本发明的构思和范围进行限定，因本领域中的普通工程技术人员在不脱离本发明设计构思的前提下对本发明的技术方案做出各种变形和改进均应落入本发明的保护范围。

附图说明：

图1为本发明极片的结构示意图。

附图中：1、集流体；

2、导电层

3、活性物质层

4、保护层

具体实施方式

实施例1.

正极导电层制作：量取560克NMP放于搅拌器中，准确量取粘结剂PVDF 35克缓慢加入到溶剂NMP中进行打胶，搅拌时间为1小时，直至液体中无颗粒，胶体透明为止，然后准确量取8％碳纳米管分散液100克、活性炭300克，加入到上述胶体中，待粉体与胶体混合后超声搅拌时间为1小时；将制作好的浆料均匀涂覆成厚度为4微米的薄膜在16微米厚的铝箔上烘干、备用。

负极导电层制作：量取570克去离子水放于搅拌器中，准确量取粘结剂丁苯橡胶SBR25克、羧甲基纤维素钠CMC5克并缓慢加入到去离子水中搅拌1小时，之后准确量取8％碳纳米管分散液、活性炭各200克，加入到上述胶体中，待粉体与胶体混合后超声搅拌行搅拌，直至液体中无颗粒，均匀为止，搅拌器搅拌时间为1小时；将制作好的浆料均匀涂覆成厚度为2微米的薄膜在10微米厚的铜箔上烘干、备用。

正极保护层浆料制作：量取500克NMP放于搅拌器中，准确量取粘结剂PVDF 20克缓慢加入到溶剂NMP中进行打胶，直至液体中无颗粒，胶体透明为止，搅拌器搅拌时间为1小时；之后准确量取纳米三氧化二铝200克，加入到上述胶体中，待粉体与胶体混合后搅拌时间为1小时；使其充分分散均匀后备用。

负极保护层浆料制作：量取500克去离子水放于搅拌器中，准确量取粘结剂丁苯橡胶SBR20克，羧甲基纤维素钠CMC4克缓慢加入到去离子水溶剂中进行搅拌，直至液体中无颗粒、均匀为止，搅拌时间为1小时；准确量取纳米三氧化二铝200克，加入到上述胶体中，超声搅拌，搅拌时间为1小时，待粉体与胶体混合后；使其充分分散均匀后备用。

正极极片制作：量取2000克NMP放于搅拌器中，准确量取粘结剂PVDF 100克缓慢加入到溶剂NMP中进行打胶，直至液体中无颗粒，胶体透明为止，搅拌器搅拌时间为1h；使其充分分散均匀后准确量取磷酸锰锂2000克缓慢加入到上述浆料中进行搅拌，待粉体与浆料混合后调节搅拌器，高速搅拌2小时。制作的浆料流动性良好，所得浆料表面细腻、光泽。将制作好的浆料均匀涂覆100微米厚在带有涂层的铝箔上，制成正极极片烘干、对辊压实后再涂覆4微米保护层，烘干后备用。

负极极片制作：将负极活性物质∶炭黑∶丁苯橡胶SBR∶羧甲基纤维素钠CMC按90∶4∶6∶1.5准确量取后缓慢加入到容器中混合后进行高速均匀搅拌2小时。制作的浆料流动性良好，所得浆料表面细腻、光泽。将制作好的浆料均匀涂覆60微米厚在带有导电层的铜箔上制成负极极片烘干、对辊压实后再涂覆5微米保护层，烘干后备用。

将制作好的正、负极片按照18650规格裁切好，烘干后组装成18650电池，在2.5-4V电压范围内工作，1倍率放电，经过2200次循环，容量保持率为91％。

实施例2.

正极导电层制作：量取560克NMP放于搅拌器中，准确量取粘结剂PVDF 35克缓慢加入到溶剂NMP中进行打胶，搅拌时间为1小时，直至液体中无颗粒，胶体透明为止，然后准确量取5％石墨烯分散液100克、活性炭300克，加入到上述胶体中，待粉体与胶体混合后超声搅拌时间为1小时；将制作好的浆料均匀涂覆成厚度为3微米的薄膜在16微米厚的铝箔上烘干、备用。

负极导电层制作：量取570克去离子水放于搅拌器中，准确量取粘结剂海藻酸钠25克、羧甲基纤维素钠CMC5克并缓慢加入到去离子水中搅拌1小时，之后准确量取5％石墨烯分散液、活性炭各200克，加入到上述胶体中，待粉体与胶体混合后超声搅拌行搅拌，直至液体中无颗粒，均匀为止，搅拌器搅拌时间为1小时；将制作好的浆料均匀涂覆成厚度为2微米的薄膜在10微米厚的铜箔上烘干、备用。

负极保护层浆料制作：量取500克去离子水放于搅拌器中，准确量取粘结剂海藻酸钠乳液25克，羧甲基纤维素钠CMC4克缓慢加入到去离子水溶剂中进行搅拌，直至液体中无颗粒、均匀为止，搅拌时间为1小时；准确量取纳米三氧化二铝200克，加入到上述胶体中，超声搅拌，搅拌时间为1小时，待粉体与胶体混合后；使其充分分散均匀后备用。

正极极片制作：量取2000克NMP放于搅拌器中，准确量取粘结剂PVDF 100克缓慢加入到溶剂NMP中进行打胶，直至液体中无颗粒，胶体透明为止，搅拌器搅拌时间为1h；使其充分分散均匀后准确量取磷酸铁锂2000克缓慢加入到上述浆料中进行搅拌，待粉体与浆料混合后调节搅拌器，高速搅拌2小时。制作的浆料流动性良好，所得浆料表面细腻、光泽。将制作好的浆料均匀涂覆100微米厚在带有涂层的铝箔上，制成正极极片烘干、对辊压实后再涂覆5微米保护层，烘干后备用。

负极极片制作：将负极活性物质∶炭黑∶海藻酸钠乳液∶羧甲基纤维素钠CMC按90∶4∶6∶1.5的比例准确量取后缓慢加入到容器中混合后进行高速均匀搅拌2小时。制作的浆料流动性良好，所得浆料表面细腻、光泽。将制作好的浆料均匀涂覆75微米厚在带有导电层的铜箔上制成负极极片烘干、对辊压实后再涂覆3微米保护层，烘干后备用。

将制作好的正、负极片按照18650规格裁切好，烘干后组装成18650电池，在2.2-3.7V电压范围内工作，1倍率放电，经过3000次循环，容量保持率为91％

实施例3.

正极导电层制作：量取560克NMP放于搅拌器中，准确量取粘结剂PVDF 35克缓慢加入到溶剂NMP中进行打胶，搅拌时间为1小时，直至液体中无颗粒，胶体透明为止，然后准确量取10％纳米石墨分散液100克、活性炭300克，加入到上述胶体中，待粉体与胶体混合后超声搅拌时间为1小时；将制作好的浆料均匀涂覆成厚度为4微米的薄膜在16微米厚的铝箔上烘干、备用。

负极导电层制作：量取570克去离子水放于搅拌器中，准确量取粘结剂明胶25克、羧甲基纤维素钠CMC5克并缓慢加入到去离子水中搅拌1小时，之后准确量取8％碳纳米管分散液、活性炭各200克，加入到上述胶体中，待粉体与胶体混合后超声搅拌行搅拌，直至液体中无颗粒，均匀为止，搅拌器搅拌时间为1小时；将制作好的浆料均匀涂覆成厚度为2微米的薄膜在10微米厚的铜箔上烘干、备用。

负极保护层浆料制作：量取500克去离子水放于搅拌器中，准确量取粘结剂明胶20克，羧甲基纤维素钠CMC4克缓慢加入到去离子水溶剂中进行搅拌，直至液体中无颗粒、均匀为止，搅拌时间为1小时；准确量取纳米三氧化二铝200克，加入到上述胶体中，超声搅拌，搅拌时间为1小时，待粉体与胶体混合后；使其充分分散均匀后备用。

正极极片制作：量取1500克NMP放于搅拌器中，准确量取粘结剂PVDF 95克缓慢加入到溶剂NMP中进行打胶，直至液体中无颗粒，胶体透明为止，搅拌器搅拌时间为1h；使其充分分散均匀后准确量取锰酸锂2000克缓慢加入到上述浆料中进行搅拌，待粉体与浆料混合后调节搅拌器，高速搅拌2小时。制作的浆料流动性良好，所得浆料表面细腻、光泽。将制作好的浆料均匀涂覆100微米厚在带有涂层的铝箔上，制成正极极片烘干、对辊压实后再涂覆4微米保护层，烘干后备用。

负极极片制作：将负极活性物质∶炭黑∶明胶∶羧甲基纤维素钠按90∶4∶6∶1.5准确量取后缓慢加入到容器中混合后进行高速均匀搅拌2小时。制作的浆料流动性良好，所得浆料表面细腻、光泽。将制作好的浆料均匀涂覆80微米厚在带有导电层的铜箔上制成负极极片烘干、对辊压实后再涂覆3微米保护层，烘干后备用。

将制作好的正、负极片按照18650规格裁切好，烘干后组装成18650电池，在2.5-4V电压范围内工作，1倍率放电，经过1500次循环，容量保持率为92％。

Claims

1.一种长寿命的电容电池它包括壳体、正极片、负极片、隔膜及电解液，其中正极片是由正极集流体、电容导电涂层、电池正极活性物质层、电极保护层复合而成，负极片是由负极集流体、电容导电涂层、电池负极活性物质层、电极保护层复合构成。

2.根据权利要求1所述的一种长寿命的电容电池，其特征是正极的电池活性物质层材料是锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰锂、磷酸钒锂、硅酸亚铁锂、镍钴锰酸锂、高铁酸锂、镍锰酸锂中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的一种长寿命的电容电池，其特征是电容导电涂层材料是由纳米石墨、石墨烯、氧化石墨烯、活性炭、碳纳米管、炭气凝胶中的一种或多种构成。

4.根据权利要求1所述的一种长寿命的电容电池，其特征是电容导电涂层厚度为0.1微米至60微米。

5.根据权利要求1所述的一种长寿命的电容电池，其特征是电极片上有保护涂层，涂层为纳米三氧化二铝。

6.根据权利要求1所述的一种长寿命的电容电池，其特征是电极片上的纳米三氧化二铝保护涂层厚度为0.1微米至9微米。

7.根据权利要求1所述的一种长寿命的电容电池，其特征粘结剂选用聚偏氟乙烯、聚氧化乙烯、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠、丙烯酸酯、聚四氟乙烯、海藻酸钠、海藻酸锂、明胶中的一种或几种。

8.根据权利要求1所述的一种长寿命的电容电池，其特征是负极活性物质层材料采用硬碳、天然石墨、人造石墨、钛酸锂、碳硅复合物、碳锡复合物、碳纳米管中的一种或几种。

9.根据权利要求1所述的一种长寿命的电容电池，其特征是电解液使用锂盐LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiBF3C1、LiBOB、LiDOFB、LiC(SO2CF3)3、LiCF3SO3(LiTf)、LiN(SO2CF3)2(简称LiTFSI)、LiPF3(C2F5)3(简称LiFAP)溶于有机溶剂的电解液、离子液体1-甲基-3-丁基咪唑二(三氟甲基磺酰)亚胺盐、1-甲基-3-乙基咪唑二(三氟甲基磺酰)亚胺盐、1-乙基3-甲基咪唑四氟硼酸盐或1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐中的一种或多种。

10.根据权利要求1所述的一种长寿命的电容电池，其特征是非水有机溶剂电解液的有机溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、酞酸二丁酯、碳酸丁烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸丁烯酯中的一种或多种。