CN105070516A - 一种高比能量超级电容器正极片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高比能量超级电容器正极片及其制备方法，该正极片包括：活性物质、导电剂、粘结剂和集流体，该活性物质包含：活性炭，及，多元金属化合物；该多元金属化合物由LiCoO₂、LiNiO₂、LiMnO₂、LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂中的一种或几种组成，其中，0.8≥x≥0.2，0.4≥y≥0.1，1≥x+y≥0；该活性物质中活性炭的比例以质量百分数计为5%～50%。与传统的超级电容器相比，采用本发明的正极片制成的超级电容器可以在大幅度提高比能量的同时，仍保持超级电容器功率特性好、循环寿命长等的优点。

Description

一种高比能量超级电容器正极片及其制备方法

技术领域

本发明属于化学电源领域，涉及一种化学电源产品，具体涉及一种高比能量超级电容器正极片及其制备方法。

背景技术

本发明涉及一种新兴的化学电源——超级电容器。超级电容器，又称电化学电容器，是近年来得到迅速发展的一种新型储能器件。超级电容器通过电极表面发生快速、可逆的电荷吸附/脱附过程或电化学反应过程进行能量的储存和释放，其能量密度是传统的静电电容器的10～100倍，功率密度是电池的10～100倍。超级电容器以其特有的性能优势，特别适用于短时间高功率输出场合，如机车启动、UPS、能量回收、激光武器、电磁炮等领域。

目前，现有技术的超级电容器主要采用两种技术方案：第一种是双电层电容器，这类超级电容器正负极材料均采用炭材料（活性炭、碳气凝胶等），由于不涉及到电化学反应过程，因此这类超级电容器的比功率很高，可以达到5000W/kg以上，但其比能量只有3~5Wh/kg；另一种是准电容超级电容器，这类超级电容器主要采用各类金属氧化物（NiO、MnO₂、RuO₂）或金属氮化物（MoN_x）等作为活性材料，这类超级电容器的比能量可达8~10Wh/kg，但其比功率一般低于双电层电容器。

无论是双电层电容器还是准电容超级电容器，其比能量一般都在10Wh/kg以下，因此难以满足某些场合的使用需求，例如：星上霍尔电推进系统，其要求电源的供电功率较大，同时对电源的放电时间重量均有要求。当采用传统的双电层电容器或准电容超级电容器时，其存在重量较大的缺点，难以满足使用需求。

李劼于2007年（200710035205）提出了一种超级电容电池，由于其正极活性材料中活性炭的比例高达70%，即锂离子嵌入化合物的含量不足30%，不能充分发挥该类材料的克容量优势，因此造成电容电池的比能量低，同时由于活性炭的比例较高，也造成极片制备相对困难。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的超级电容器比能量较低的问题，提供一种高比能量超级电容器正极片，利用该正极片制备的超级电容器，不但能够达到星上霍尔电推进系统对超级电容器的功率要求，而且相对于现有技术的超级电容器，能够很大程度的提高其比能量，很好的满足其对超级电容器的供电时间及寿命需求。

为达到上述目的，本发明提供了一种高比能量超级电容器正极片，包括：活性物质、导电剂、粘结剂和集流体，该活性物质包含：

活性炭，及

多元金属化合物；

该多元金属化合物由LiCoO₂、LiNiO₂、LiMnO₂、LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂中的一种或几种组成，其中，0.8≥x≥0.2，0.4≥y≥0.1，1≥x+y≥0；

所述的活性物质中活性炭的比例以质量百分数计为5%～50%。本发明由于活性炭的含量在5%~50%，因此可充分发挥锂离子嵌入化合物的克容量优势，因而制成的器件比能量高，同时极片制备相对简单。优选地，所述的活性物质中活性炭的比例以质量百分数计为5%～20%。

上述的正极片，其中，所述的活性炭的比表面积为300～3000m²/g；优选地，所述的活性炭的比表面积为1000～2000m²/g。

上述的正极片，其中，所述的活性炭的粒径为5～50μm；优选为5～20μm。

上述的正极片，其中，所述的集流体为腐蚀铝箔。

上述的正极片，其中，所述铝箔的厚度为15~40μm；优选为25~35μm。

本发明还提供了一种根据上述的高比能量超级电容器正极片的制备方法，该方法包含：

步骤1，将粘结剂置于溶剂中，充分搅拌至溶解均匀；

步骤2，将导电剂倒入粘结剂溶液中，充分搅拌；

步骤3，将活性炭和多元金属化合物粉末同时倒入步骤1的溶液中，充分搅拌直到形成均匀的浆料；

步骤4，将浆料均匀的涂布在集流体上，待干燥后，压制形成电极片。

本发明由于采用了由活性炭和多元金属化合物混合而成的高比能量超级电容器正极片，解决了传统超级电容器比能量较低的问题；采用本发明的正极片制备的超级电容器，比能量高、比功率大、循环寿命长，能用于为星上霍尔电推进系统供电的超级电容器。

附图说明

图1为采用本发明实施例1的正极片制作的超级电容器的恒流充放电曲线。

图2为采用本发明实施例1的正极片制作的超级电容器的循环寿命曲线。

图3为采用本发明实施例2的正极片制作的超级电容器的恒流充放电曲线。

图4为采用本发明实施例2的正极片制作的超级电容器的循环寿命曲线。

图5为采用本发明实施例3的正极片制作的超级电容器的恒流充放电曲线。

图6为采用本发明实施例3的正极片制作的超级电容器的循环寿命曲线。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的技术方案。

本发明的高比能量超级电容器正极片由活性物质、导电剂、粘结剂和集流体构成。其正极片的活性物质由活性炭和多元金属化合物按照一定的比例混合而成。活性物质中活性炭的比例为5%～20%，多元金属化合物由LiCoO₂、LiNiO₂、LiMnO₂、LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂等其中的一种或几种组成。活性炭比表面积为1000～2000m²/g，粒径为5～20μm。集流体为腐蚀铝箔，铝箔的厚度为25~35μm。所述的导电剂、粘结剂均采用超级电容器常用的导电剂、粘结剂。

本发明的超级电容器正极片所采用的导电剂、粘结剂、溶剂为超级电容器用常规导电剂、粘结剂、溶剂。

本发明的超级电容器正极片中导电剂占1-3%，粘结剂占1-5%，活性物质占92-98%，以重量百分数计。

实施例1

步骤1，将粘结剂置于溶剂中，充分搅拌直至溶解均匀；

步骤2，将导电剂倒入粘结剂溶液中，充分搅拌；

步骤3，将活性炭和多元金属化合物粉末同时倒入上述溶液中，充分搅拌直到形成均匀的浆料；其中，多元金属化合物为LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂，活性炭的用量为以活性物质（由活性炭和多元金属化合物组成）的重量百分数计为5%，活性炭的比表面积为1000~2000m²/g，粒径为5-20μm；

步骤4，将浆料均匀的涂布在集流体上，待干燥后，压制形成电极片，即为本发明的高比能量超级电容器正极片；其中，该集流体为腐蚀铝箔，其厚度为25-35μm左右。

采用本例的正极片制成超级电容器。具体方法为：将制成的电极冲裁成所需的尺寸，作为正极片，采用碳材料制成负极片，采用纸隔膜或无纺布隔膜，采用含Li⁺的盐作为电解质，在干燥房或手套箱中组装成超级电容器。其内部结构示意图如图2所示。

测试结果显示，采用该方法制备的超级电容器正极片具有比能量高、循环寿命长等特点。

图1的测试结果表明，采用该正极片组装的超级电容器，在5A电流下的充放电曲线几乎为一条直线，其容量达到4200F左右。

图2的测试结果表明，经过5000周次的循环，超级电容器的容量保持在初始容量的94％以上。

实施例2

步骤1，将粘结剂置于溶剂中，充分搅拌直至溶解均匀；

步骤2，将导电剂倒入粘结剂溶液中，充分搅拌；

步骤3，将活性炭和多元金属化合物粉末同时倒入上述溶液中，充分搅拌直到形成均匀的浆料；其中，多元金属化合物为LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂，活性炭在活性物质中所占的质量百分数为20%，活性炭的比表面积为1000-2000m²/g，粒径为5-20μm；

步骤4，将浆料均匀的涂布在集流体上，待干燥后，压制形成电极片，即为本发明的高比能量超级电容器正极片；其中，该集流体为腐蚀铝箔，其厚度为25-35μm左右。

采用实施例1相同的方法组装成超级电容器进行测试，测试结果显示，采用该方法制备的超级电容器正极片在5A电流下的充放电曲线几乎为一条直线，其容量达到3600F左右，如图3所示；经过5000周次的循环，超级电容器的容量保持在初始容量的96％以上，如图4所示，具有比能量高、循环寿命长等特点。

实施例3

步骤1，将粘结剂置于溶剂中，充分搅拌直至溶解均匀；

步骤2，将导电剂倒入粘结剂溶液中，充分搅拌；

步骤3，将活性炭和多元金属化合物粉末同时倒入上述溶液中，充分搅拌直到形成均匀的浆料；其中，多元金属化合物为LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂，活性炭在活性物质中所占的质量百分数为50%，活性炭的比表面积为1000-2000m²/g，粒径为5-20μm；

步骤4，将浆料均匀的涂布在集流体上，待干燥后，压制形成电极片，即为本发明的高比能量超级电容器正极片；其中，该集流体为腐蚀铝箔，其厚度为25-35μm左右。

采用实施例1相同的方法组装成超级电容器进行测试，测试结果显示，采用该方法制备的超级电容器正极片在5A电流下的充放电曲线几乎为一条直线，其容量达到2300F左右，如图5所示；经过5000周次的循环，超级电容器的容量保持在初始容量的98％以上，如图6所示，具有比能量高、循环寿命长等特点。

实施例4

步骤1，将粘结剂置于溶剂中，充分搅拌直至溶解均匀；

步骤2，将导电剂倒入粘结剂溶液中，充分搅拌；

步骤3，将多元金属化合物粉末倒入上述溶液中，充分搅拌直到形成均匀的浆料；其中，多元金属化合物为LiNiO₂与LiMnO₂的混合物，活性炭在活性物质中所占的质量百分数为40%，活性炭的比表面积为1000-2000m²/g，粒径为5-20μm；

步骤4，将浆料均匀的涂布在集流体上，待干燥后，压制形成电极片，即为本发明的高比能量超级电容器正极片；其中，该集流体为腐蚀铝箔，其厚度为40μm左右。

采用实施例1相同的方法组装超级电容器进行测试，测试结果显示，采用该方法制备的超级电容器正极片在5A电流下的充放电曲线几乎为一条直线，其容量达到2600F左右；经过5000周次的循环，超级电容器的容量保持在初始容量的94％以上，具有比能量高、循环寿命长等特点。

实施例5

步骤1，将粘结剂置于溶剂中，充分搅拌直至溶解均匀；

步骤2，将导电剂倒入粘结剂溶液中，充分搅拌；

步骤3，将活性炭和多元金属化合物粉末同时倒入上述溶液中，充分搅拌直到形成均匀的浆料；其中，多元金属化合物为LiMnO₂，活性炭在活性物质中所占的质量百分数为15%，活性炭的比表面积为1000-2000m²/g，粒径为5-20μm；

步骤4，将浆料均匀的涂布在集流体上，待干燥后，压制形成电极片，即为本发明的高比能量超级电容器正极片；其中，该集流体为腐蚀铝箔，其厚度为35μm左右。

采用实施例1相同的方法组装超级电容器进行测试，测试结果显示，采用该方法制备的超级电容器正极片在5A电流下的充放电曲线几乎为一条直线，其容量达到3000F左右；经过5000周次的循环，超级电容器的容量保持在初始容量的95％以上，具有比能量高、循环寿命长等特点。

实施例6

步骤1，将粘结剂置于溶剂中，充分搅拌直至溶解均匀；

步骤2，将导电剂倒入粘结剂溶液中，充分搅拌；

步骤3，将活性炭和多元金属化合物粉末同时倒入上述溶液中，充分搅拌直到形成均匀的浆料；其中，多元金属化合物为LiNiO₂，活性炭在活性物质中所占的质量百分数为10%，活性炭的比表面积为1000-2000m²/g，粒径为5-20μm；

步骤4，将浆料均匀的涂布在集流体上，待干燥后，压制形成电极片，即为本发明的高比能量超级电容器正极片；其中，该集流体为腐蚀铝箔，其厚度为30μm左右。

采用实施例1相同的方法组装超级电容器进行测试，测试结果显示，采用该方法制备的超级电容器正极片在5A电流下的充放电曲线几乎为一条直线，其容量达到3800F左右；经过5000周次的循环，超级电容器的容量保持在初始容量的92％以上，具有比能量高、循环寿命长等特点。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种高比能量超级电容器正极片，包括：活性物质、导电剂、粘结剂和集流体，其特征在于，该活性物质包含：

活性炭，及

多元金属化合物；

该多元金属化合物由LiCoO₂、LiNiO₂、LiMnO₂、LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂中的一种或几种组成，其中，0.8≥x≥0.2，0.4≥y≥0.1，1≥x+y≥0；

所述的活性物质中活性炭的比例以质量百分数计为5%～50%。

2.如权利要求1所述的正极片，其特征在于，所述的活性物质中活性炭的比例以质量百分数计为5%～20%。

3.如权利要求1所述的正极片，其特征在于，所述的活性炭的比表面积为300～3000m²/g。

4.如权利要求3所述的正极片，其特征在于，所述的活性炭的比表面积为1000～2000m²/g。

5.如权利要求4所述的正极片，其特征在于，所述的活性炭的粒径为5～50μm。

6.如权利要求5所述的正极片，其特征在于，所述的活性炭的粒径为5～20μm。

7.如权利要求1所述的正极片，其特征在于，所述的集流体为腐蚀铝箔。

8.如权利要求7所述的正极片，其特征在于，所述铝箔的厚度为15~40μm。

9.如权利要求8所述的正极片，其特征在于，所述铝箔的厚度为25~35μm。

10.一种根据权利要求1所述的高比能量超级电容器正极片的制备方法，其特征在于，该方法包含：

步骤1，将粘结剂置于溶剂中，充分搅拌至溶解均匀；

步骤2，将导电剂倒入粘结剂溶液中，充分搅拌；

步骤3，将活性炭和多元金属化合物粉末同时倒入步骤1的溶液中，充分搅拌直到形成均匀的浆料；

步骤4，将浆料均匀的涂布在集流体上，待干燥后，压制形成电极片。