CN103413692B - 一种锂离子电容器正极片及使用该正极片的锂离子电容器 - Google Patents

一种锂离子电容器正极片及使用该正极片的锂离子电容器 Download PDF

Info

Publication number
CN103413692B
CN103413692B CN201310374169.9A CN201310374169A CN103413692B CN 103413692 B CN103413692 B CN 103413692B CN 201310374169 A CN201310374169 A CN 201310374169A CN 103413692 B CN103413692 B CN 103413692B
Authority
CN
China
Prior art keywords
lithium
ion capacitor
negative pole
pole
positive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201310374169.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103413692A (zh
Inventor
崔光磊
韩鹏献
姚建华
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology of CAS
Original Assignee
Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology of CAS filed Critical Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology of CAS
Priority to CN201310374169.9A priority Critical patent/CN103413692B/zh
Publication of CN103413692A publication Critical patent/CN103413692A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103413692B publication Critical patent/CN103413692B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13—Energy storage using capacitors

Landscapes

  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)

Abstract

本发明公开了一种锂离子电容器正极片，该锂离子正极片包括活性材料、导电剂、粘结剂、集流体，其中正极活性材料为表面功能化石墨烯、纳米活化石墨烯材料、石墨烯/金属氮化物复合材料，集流体为开孔率30~50%的可以自由穿梭锂离子的多孔集流体。该正极片具有比表面积高、吸附电荷容量高、导电性好的优点，可以有效提高锂离子电容器的能量密度和功率密度。本发明还公开了一种使用该正极片的锂离子电容器，该锂离子电容器包括正极、负极、隔膜、电解液及具有可以实现向负极预嵌锂功能的辅助电极。

Description

一种锂离子电容器正极片及使用该正极片的锂离子电容器
技术领域
本发明涉及一种电化学储能器件，特别涉及一种锂离子电容器正极片及使用该正极片的锂离子电容器。
背景技术
随着社会的发展，人类即面临着煤、石油等不可再生能源的日益枯竭，也面临着严重的环境污染问题。以太阳能、风能等为代表的新能源领域，以及采用高性能储能元器件代替石油驱动汽车以实现减排的电动汽车行业，对储能装置的能量密度、功率密度和使用寿命提出了更加深刻的要求。
锂离子电容器是一种新型储能器件，正极与负极充放电原理不同。在设计上采用了双电层电容器和电化学储锂的原理，在构造上采用了锂离子电池的负极材料与双电层电容器的正极材料之组合（即负极采用石墨等储锂炭材料，正极采用活性炭）；锂离子电容器的工作电压（2.0～4.0 V）可以与锂离子电池相媲美，从而大大提高了电容器的能量密度（30 Wh/kg）；锂离子电容器具有与双电层电容器相似的快速充电速度，而能量密度却远高于双电层电容器（< 5 Wh/kg），自放电也小；相比锂离子电池，锂离子电容器的安全性也更高。在太阳能发电、风力发电、电动汽车、不间断电源系统(UPS)、建设工程电梯等领域中，展示了很好的应用前景。
以往的专利文献中（CN102746805A）披露采用活性炭作为正极材料时，为了降低活性材料与集流体之间的接触电阻，往往预先向集流体上涂覆一层导电材料，这样一来，不仅工艺复杂，还降低了锂离子电容器的能量密度。
发明内容
本发明为了解决上述存在的问题，提供了一种锂离子电容器器正极片及使用该正极片的锂离子电容器。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种锂离子电容器正极片，该锂离子正极片包括活性材料、导电剂、粘结剂、集流体。
所述的锂离子电容器正极片，活性材料为表面功能化石墨烯、纳米活化石墨烯材料、石墨烯/金属氮化物复合材料。
所述的锂离子电容器正极片，集流体为开孔率30~50%的可以自由穿梭锂离子的多孔集流体，包括多孔铝箔、多孔不锈钢网，优选多孔铝箔。
所述的锂离子电容器正极片，表面功能化石墨烯材料的表面氮原子所占原子比例为1~10%，石墨烯片层数为1~20层。
所述的锂离子电容器正极片，纳米多孔石墨烯材料的比表面积为300~2500 m2/g。
所述的锂离子电容器正极片，石墨烯/金属氮化物复合物中，金属氮化物在复合物的所占质量比例为5%~30 wt%。
该发明利用上述的正极片制备的锂离子电容器，包括正极、负极、隔膜、电解液及具有可以实现向负极预嵌锂功能的辅助电极。
所述的锂离子电容器，负极材料采用人造石墨，石墨化中间相炭微球、改性天然石墨、石墨化炭纤维、软炭、硬碳。
所述的锂离子电容器，其内部构造形式为辅助电极/隔膜/负极/隔膜/正极/隔膜/负极/隔膜/正极/隔膜/负极……，且负极总是把正极包住，电容器单元结构既可以是叠片式，也可以是卷绕式。
所述的锂离子电容器，辅助电极向负极预嵌锂的容量占负极活性材料可以最大嵌锂容量的20~80%。
所述的锂离子电容器，正极与负极上活性物质的面密度为3~10 mg/cm2，正极与负极极片上活性物质质量之比为1~5 ：1。
本发明具有的优点和积极效果是：正极采用表面功能化石墨烯、纳米活化石墨烯材料、石墨烯/金属氮化物复合材料，这些材料具有比表面积高、吸附电荷容量高、导电性好的诸多优点，构成的锂离子电容器，工作电压高达4V，可以有效提高锂离子电容器的能量密度和功率密度，可广泛应用于风力发电、太阳能发电、电动汽车、不间断电源等新能源领域。
附图说明
图1 采用表面含氮原子含量为5%、石墨烯层数在5~15层的功能石墨烯作为正极、改性天然石墨作为负极，构成的锂离子电容器充放电曲线。
图2 采用比表面积为2300 m2/g的多孔石墨烯材料作为正极、石墨化中间相炭微球作为负极，构成的锂离子电容器的充放电曲线。
图3 采用石墨烯/氮化钛（氮化钛的含量为15 wt%）复合材料作为正极、人造石墨作为负极，构成的锂离子电容器的充放电曲线。
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明作进一步的说明。
实施例1
正极极片的制作：称取表面含氮原子含量为5%、石墨烯层数在5~15层的功能石墨烯（GNS）、聚偏氟二乙烯（PVDF）粘结剂的N-基-2-基吡咯烷酮溶液、导电剂Super P，按质量比GNS : PVDF : Super P=85:5:10将三者混合成均匀的浆料，将该浆料均匀的涂覆于开孔率为30%的铝箔集流体上，浆料的在极片上的面密度为5mg/cm2，极片尺寸为3cm × 5cm，焊接上铝带极耳。
负极极片的制作：称取改性天然石墨（G）、丁苯橡胶乳液（SBR）/羧甲基纤维素钠（CMC）、导电剂Super P，按质量比G : SBR : CMC : Super P = 92 : 3.5 : 1.5 : 3将其混合成均匀的浆料，将该浆料均匀的涂覆于开孔率为50%的铜箔集流体上，浆料在极片上的面密度为5mg/cm2，极片尺寸为3cm × 5cm，并焊接上镍带极耳。
辅助电极的制作：将厚度为100微米、尺寸为3cm × 5cm的金属锂片，压实与不锈钢网上，并焊接上镍带极耳。
用厚度为25微米的聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯三层微孔膜作为隔膜。
电解液采用1 mol/L的LiPF6溶于溶剂体积比为EC:DEC:DMC=1:1:1的溶液。
按照辅助电极/隔膜/负极/隔膜/正极/隔膜/负极的顺序，按照叠片方式构成电容器单元，将两个负极极耳焊接在一起，置于铝塑壳体中，封装。
负极预嵌锂方法：将辅助电极与负极构成回路，采用0.02C倍率的电流，向负极中嵌锂，嵌锂量为改性天然石墨实际可以最大嵌锂量的60%。
锂离子电容器充放电测试：预嵌锂完毕后，将正极、负极构成回路，采用1C倍率电流进行充放电，电压范围为2~4V，附图1为其充放电曲线，结果表明，该锂离子电容器的基于两极活性物质量之和的能量密度达78Wh/kg，10C/1C容量大于93%。
实施例2
正极极片的制作：将实施例1中功能石墨烯换做比表面积为2300 m2/g的多孔石墨烯材料，正极片其余制作过程与实施例1相同。
负极片的制作：将实施例1中改性天然石墨换做石墨化中间相炭微球，负极片其余制作过程与实施例1相同。
电解液与隔膜采用与实施例1相同的体系。
按照辅助电极/隔膜/负极/隔膜/正极/隔膜/负极的顺序，按照叠片方式构成电容器单元，将两个负极极耳焊接在一起，置于铝塑壳体中，封装。
负极预嵌锂方法：将辅助电极与负极构成回路，采用0.02C倍率的电流，向负极中嵌锂，嵌锂量为石墨化中间相炭微球实际可以最大嵌锂量的80 %。
锂离子电容器充放电测试：预嵌锂完毕后，将正极、负极构成回路，采用1C倍率电流进行充放电，电压范围为2~4V，附图2为其充放电曲线，结果表明，该锂离子电容器的基于两极活性物质量之和的能量密度达81Wh/kg，10C/1C容量大于96%。
实施例3
正极极片的制作：将实施例1中功能石墨烯换做石墨烯/氮化钛（氮化钛的含量为15 wt%）复合材料，正极片其余制作过程与实施例1相同。
负极片的制作：将实施例1中改性天然石墨换做人造石墨材料，负极片其余制作过程与实施例1相同。
电解液与隔膜采用与实施例1相同的体系。
按照辅助电极/隔膜/负极/隔膜/正极/隔膜/负极的顺序，按照叠片方式构成电容器单元，将两个负极极耳焊接在一起，置于铝塑壳体中，封装。
负极预嵌锂方法：将辅助电极与负极构成回路，采用0.02C倍率的电流，向负极中嵌锂，嵌锂量为人造石墨实际可以最大嵌锂量的70 %。
锂离子电容器充放电测试：预嵌锂完毕后，将正极、负极构成回路，采用1C倍率电流进行充放电，电压范围为2~4V，附图3为其充放电曲线，结果表明，该锂离子电容器的基于两极活性物质量之和的能量密度达96 Wh/kg，10C/1C容量大于96.5%。

Claims (7)

1.一种锂离子电容器，包括正极、负极和电解液，电容器单元结构为叠片式或卷绕式，其特征在于：电容器为正极、负极、隔膜、电解液及具有可以实现向负极预嵌锂功能的辅助电极，其中预嵌锂是将辅助电极与负极构成回路，采用0.02C倍率的电流，向负极中嵌锂实现，辅助电极向负极预嵌锂的容量占负极活性材料实际可以最大嵌锂容量的20~80%；
所述的锂离子电容器内部构造形式为辅助电极/隔膜/负极/隔膜/正极/隔膜/负极/隔膜/正极/隔膜/负极，且负极总是把正极包住；
所述正极片为活性材料、导电剂、粘结剂和集流体；其中，活性材料为表面功能化石墨烯、纳米多孔石墨烯材料、石墨烯/金属氮化物复合材料。
2.根据权利要求1所述的锂离子电容器，其特征在于：所述的集流体为开孔率30~50%的自由穿梭锂离子的多孔集流体，包括多孔铝箔、多孔不锈钢网。
3.根据权利要求1所述的锂离子电容器，其特征在于：所述的表面功能化石墨烯材料，其表面氮原子所占原子比例为1~10%，石墨烯片层数为1~20层。
4.根据权利要求1所述的锂离子电容器，其特征在于：所述的纳米多孔石墨烯材料，其比表面积为300~2500 m2/g。
5.根据权利要求1所述的锂离子电容器，其特征在于：所述的石墨烯/金属氮化物复合物中，金属氮化物在复合物的所占质量比例为5%~30 wt%。
6.根据权利要求1所述的锂离子电容器，其特征在于：负极材料采用人造石墨、石墨化中间相炭微球、改性天然石墨、石墨化炭纤维、软炭、硬碳。
7.根据权利要求1所示的锂离子电容器，其特征在于：正极与负极上活性物质的面密度为3~10 mg/cm2，正极与负极极片上活性物质质量之比为1~5 ：1。
CN201310374169.9A 2013-08-25 2013-08-25 一种锂离子电容器正极片及使用该正极片的锂离子电容器 Active CN103413692B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310374169.9A CN103413692B (zh) 2013-08-25 2013-08-25 一种锂离子电容器正极片及使用该正极片的锂离子电容器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310374169.9A CN103413692B (zh) 2013-08-25 2013-08-25 一种锂离子电容器正极片及使用该正极片的锂离子电容器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103413692A CN103413692A (zh) 2013-11-27
CN103413692B true CN103413692B (zh) 2017-03-15

Family

ID=49606693

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310374169.9A Active CN103413692B (zh) 2013-08-25 2013-08-25 一种锂离子电容器正极片及使用该正极片的锂离子电容器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103413692B (zh)

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104916456B (zh) * 2014-03-11 2018-06-26 中国科学院金属研究所 一种高能量密度超级电容器及其制备方法
CN103887074A (zh) * 2014-03-19 2014-06-25 上海奥威科技开发有限公司 一种长寿命锂离子电容器
CN104037458B (zh) * 2014-05-16 2017-02-22 中国科学院电工研究所 一种锂离子储能器件的制造方法
CN105448529A (zh) * 2014-08-06 2016-03-30 上海华东电信研究院 超级电容器正极材料及其制备方法以及采用该正极材料的超级电容器
CN105336507A (zh) * 2014-08-06 2016-02-17 上海华东电信研究院 超级电容器正极材料及其制备方法以及采用该正极材料的超级电容器
CN104201000B (zh) * 2014-08-21 2017-05-17 清华大学 一种高功率锂离子电容器及其制备方法
CN104409223B (zh) * 2014-11-21 2017-10-31 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 一种锂离子电容器负极片及使用该负极片的锂离子电容器
CN106298251B (zh) * 2015-05-19 2019-01-25 中国科学院金属研究所 一种高能量密度、智能超级电容器及其应用
CN106298252B (zh) * 2015-05-19 2018-12-25 中国科学院金属研究所 一种叠片式高能量密度超级电容器结构
CN105047418B (zh) * 2015-08-18 2017-11-14 中国科学院电工研究所 一种钛酸锂基锂离子电容器
CN105097293A (zh) * 2015-08-24 2015-11-25 中国科学院电工研究所 锂离子电容器负极的预嵌锂方法
US9922775B2 (en) * 2015-10-13 2018-03-20 Nanotek Instruments, Inc. Continuous process for producing electrodes for supercapacitors having high energy densities
CN105489395A (zh) * 2016-01-25 2016-04-13 谢镕安 锂离子超级电容器的生产方法及锂离子超级电容器
CN105719844A (zh) * 2016-01-28 2016-06-29 中国科学院兰州化学物理研究所 一种长寿命的锂离子混合超级电容器
CN105551815B (zh) * 2016-02-02 2018-04-27 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 一种锂离子电容器及其制备方法
CN106206075A (zh) * 2016-06-22 2016-12-07 凌容新能源科技（上海）有限公司 电极制备方法及超级锂电容制备方法
CN106532110A (zh) * 2016-12-29 2017-03-22 中国电子科技集团公司第十八研究所 一种基于打印技术的石墨烯基准固态电池
CN107248451B (zh) * 2017-07-28 2019-01-11 中国科学院电工研究所 一种高能量密度的锂离子电容器
CN109786841B (zh) * 2018-12-13 2020-12-15 中国科学院电工研究所 一种锂离子电化学储能器件的制备方法
CN109817473B (zh) * 2018-12-13 2021-08-27 中国科学院电工研究所 一种锂离子电化学储能器件的预嵌锂方法
CN109786127A (zh) * 2018-12-26 2019-05-21 中国电子科技集团公司第十八研究所 一种石墨烯基锂离子电容器正极材料的改性方法
CN110137501A (zh) * 2019-03-29 2019-08-16 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 一种柔性高电压锂离子电池及其制备方法
CN112017870A (zh) * 2020-08-28 2020-12-01 新奥石墨烯技术有限公司 一种煤基多孔碳及其制备方法和应用及锂离子电容器
CN113764753B (zh) * 2021-11-10 2022-02-11 浙江浙能技术研究院有限公司 负极补锂方法及锂离子储能器件的制作方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1926648A (zh) * 2005-03-31 2007-03-07 富士重工业株式会社 锂离子电容器
CN101292310A (zh) * 2005-10-17 2008-10-22 富士重工业株式会社 锂离子电容器
CN102306781A (zh) * 2011-09-05 2012-01-04 中国科学院金属研究所 一种掺杂石墨烯电极材料及其宏量制备方法和应用
CN102945754A (zh) * 2011-08-15 2013-02-27 海洋王照明科技股份有限公司 超级电化学电容器及其制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1926648A (zh) * 2005-03-31 2007-03-07 富士重工业株式会社 锂离子电容器
CN101292310A (zh) * 2005-10-17 2008-10-22 富士重工业株式会社 锂离子电容器
CN102945754A (zh) * 2011-08-15 2013-02-27 海洋王照明科技股份有限公司 超级电化学电容器及其制备方法
CN102306781A (zh) * 2011-09-05 2012-01-04 中国科学院金属研究所 一种掺杂石墨烯电极材料及其宏量制备方法和应用

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Graphene nanosheet–titanium nitride nanocomposite for high performance electrochemical capacitors without extra conductive agent addition&#8224;;Pengxian Han et al;《Journal of Materials Chemistry》;20121004;第22卷(第47期);摘要、第24920页左栏第11-12行 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN103413692A (zh) 2013-11-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103413692B (zh) 一种锂离子电容器正极片及使用该正极片的锂离子电容器
Liu et al. High energy and power lithium-ion capacitors based on Mn3O4/3D-graphene as anode and activated polyaniline-derived carbon nanorods as cathode
Li et al. A 29.3 Wh kg− 1 and 6 kW kg− 1 pouch-type lithium-ion capacitor based on SiOx/graphite composite anode
An et al. Improving anode performances of lithium-ion capacitors employing carbon–Si composites
CN107681115B (zh) 一种锂浆料电池的负极片
JP4705566B2 (ja) 電極材及びその製造方法
JP5462445B2 (ja) リチウムイオン二次電池
CN104409223B (zh) 一种锂离子电容器负极片及使用该负极片的锂离子电容器
Ates et al. Reliability of electrode materials for supercapacitors and batteries in energy storage applications: a review
Liao et al. Novel flower-like hierarchical carbon sphere with multi-scale pores coated on PP separator for high-performance lithium-sulfur batteries
WO2002041420A1 (en) Nonaqueous lithium secondary cell
US20190181425A1 (en) Anodes, cathodes, and separators for batteries and methods to make and use same
CN102610852A (zh) 一种聚合物镍钴锰钒锂动力电池及其制备方法
CN101154750A (zh) 高倍率凝胶聚合物锂离子动力电池及其制造方法
Yao et al. Platelike CoO/carbon nanofiber composite electrode with improved electrochemical performance for lithium ion batteries
JP5681351B2 (ja) 電極集電体及びその製造方法、電極並びに蓄電素子
CN105161309A (zh) 锂离子混合型电容器
CN212907803U (zh) 一种高倍率充放电的锂离子电池
CN103000378A (zh) 一种负极活性材料的制备方法及电容器的制备方法
CN112614703A (zh) 一种离子电容器负极材料及其制备方法和应用
JP2010109080A (ja) 蓄電素子用電極体の製造方法および蓄電素子用電極体ならびに非水系リチウム型蓄電素子
JPWO2012147647A1 (ja) リチウムイオン二次電池
JP5435565B2 (ja) 非水電解質２次電池
CN203552954U (zh) 锂离子电容器用预嵌锂装置
CN203562322U (zh) 一种用于锂离子电容器的预嵌锂装置

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant