CN105390298B - 一种锂离子电容器负极单元、电芯及锂离子电容器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种锂离子电容器负极单元、电芯及锂离子电容器，属于锂离子电容器技术领域。本发明的锂离子电容器负极单元，包括负极片和设置在负极片两侧的锂带，所述锂带上设置有电解液通道。本发明的锂离子电容器负极单元将负极片两侧设置锂带，锂带的作用为在电解液的作用下同负极活性物质发生电化学反应，降低负极电位，为负极储备锂。锂带上设置电解液通道，使电解液与锂带之间的接触更加充分，促进锂带与负极之间的反应更加充分。
Description
技术领域
本发明涉及一种锂离子电容器负极单元、电芯及锂离子电容器，属于锂离子电容器技术领域。
背景技术
锂离子电容器是一种新型储能器件，与锂离子电池相比，锂离子电容器的能量密度远高于锂电池，锂离子电容器的充电放电速度更快，充放电循环次数可达几十万次，远远高于锂离子电池，而且锂离子电容器的安全性也更高，其工作电压可以与锂离子电池相媲美。因此，锂离子电容器在越来越多的领域得到了广泛的应用，如在太阳能发电、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，锂离子电容器都展现了很好的应用前景。但是，由于离子电容器双电层原理的作用，其能量密度较低。
授权公告号为CN204360933U(授权公告日为2015年5月27日)公开了一种超级锂离子电容器，包括正极、负极、隔膜和电解液，正极包括第一集流体和设置于第一集流体表面的活性碳层，所述负极包括第二集流体和设置于所述第二集流体表面的硬碳层，所述隔膜设置在所述正极与所述负极之间，以使所述正极与所述负极电绝缘，所述电解液与所述正极和负极物理接触和电接触，以允许离子在所述正极与所述负极间交换，所述超级锂离子电容器还包括锂片层，所述锂片层位于所述硬碳层与所述隔膜之间且设置在所述硬碳层表面。在锂离子电容器注液后，锂片层能够向负极补锂，使负极片有较为充分的锂储备，在一定程度上提高锂离子电容器的能量密度。但是该技术方案中，锂片层与电解液接触不充分，无法高效地使锂与负极充分反应，在提高锂离子电容器的能量密度方面作用非常有限，而且也造成锂片层的浪费。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够提高锂离子电容器能量密度的锂离子电容器负极单元。本发明的目的还在于提供使用上述锂离子电容器负极单元的电芯以及使用该电芯的锂离子电容器。
为了实现以上目的，本发明的锂离子电容器负极单元的技术方案如下：
一种锂离子电容器负极单元，包括负极片，所述负极片两侧设置有锂带，所述锂带上设置有沿锂带厚度方向延伸的通孔。
本发明的锂离子电容器负极单元将负极片两侧设置锂带，锂带的作用为在电解液的作用下同负极活性物质发生电化学反应，降低负极电位，为负极储备锂。锂带上设置通孔作为电解液通道，使电解液与锂带之间的接触更加充分，促进锂带与负极之间的反应更加充分。
所述通孔的形状为圆孔、方孔或者不规则孔。该通孔的孔径为0.2-100mm，进一步优选为0.5-10mm。
锂带的厚度根据具体的负极片的厚度及负极补锂的需求量来设定，一般的，锂带的厚度为1-100μm，进一步优选为3-30μm。
所述负极片包括负极集流体和涂覆在负极集流体表面的负极活性物质层，所述锂带的面积小于负极片上的负极活性物质层的面积。
所述负极集流体为表面处理铜箔，所述表面处理铜箔为表面涂覆有导电涂层的铜箔或者为表面经过等离子处理的铜箔或者为表面经过腐蚀的铜箔。铜箔采用现有技术中常用的铜箔，其厚度一般为5-30μm，进一步优选为6-20μm。
上述导电涂层由粘结剂和导电剂混合组成，粘结剂为PVDF、PTFE、SBR中的任意一种，导电剂为炭黑、碳纤维、石墨烯中的任意一种。该导电涂层能够进一步提高集流体与负极活性物质之间的导电性。
所述负极活性物质为石墨、硬碳、软碳、中间相碳微球中的一种或几种。石墨的D50为2-60μm，进一步优选5-30μm，克容量为300-345mAh/g。软炭的D50为2-60μm，进一步优选为5-25μm。硬碳的D50为3-55μm，进一步优选为5-15μm。中间相炭微球D50为2-55μm，进一步优选为5-25μm。
所述负极单元是将锂带与负极片叠放后压合制得。所述压合的压力为2-40MPa。
本发明的电芯的技术方案如下：
一种电芯，包括正极片和隔膜，还包括负极单元，所述正极片、负极单元依次交替设置，相邻的正极片和负极单元之间设置有隔膜，所述负极单元为上述的锂离子电容器负极单元。
所述电芯为卷绕式电芯，所述卷绕式电芯最外层为隔膜，隔膜内侧为负极单元。
所述卷绕式电芯采用如下方法制得：将正极片、隔膜、负极单元按照“隔膜-正极片-隔膜-负极单元-隔膜”的顺序依次叠放，卷绕制成预制电芯，对预制电芯进行平压，即得。
所述平压的压力为0.1-2.0MPa。
所述电芯中，负极活性物质层的宽度比正极活性物质层的宽度大1-8mm，负极活性物质层在长度方向上比正极活性物质层长0.5-4mm，隔膜两端比负极片上的负极活性物质层两端长0.5-4mm。
所述正极片包括正极集流体和涂覆在正极集流体表面的正极活性物质层，所述正极活性物质层为活性炭。活性炭的粒径D50为5-40μm，进一步优选为10-15μm，克容量为65-120F/g，比表面积为500-4000m2/g。
所述正极集流体为表面处理铝箔，所述表面处理铝箔为表面涂覆有导电涂层的铝箔或者为表面经过等离子处理的铝箔或者为表面经过腐蚀的铝箔。铝箔采用现有技术中常用的铝，其厚度一般为10-40μm，进一步优选为15-30μm。
上述导电涂层由粘结剂和导电剂混合组成，粘结剂为PVDF、PTFE、SBR中的任意一种，导电剂为炭黑、碳纤维、石墨烯中的任意一种。该导电涂层能够进一步提高集流体与正极活性物质之间的导电性。
本发明的锂离子电容器的技术方案如下：
一种锂离子电容器，使用上述电芯。
本发明的锂离子电容器采用上述锂离子电容器负极单元，促进了电解液与锂带之间的接触，提高了锂带与负极活性物质之间的反应，使负极充分补锂，大幅度提高了锂离子电容器的能量密度。
附图说明
图1为本发明的实施例1的电芯的结构示意图；
图2为图1的局部放大图；
图3为图1中锂带的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的说明。
实施例1
如图1-3所示，本实施例的锂离子电容器负极单元包括负极片13，负极片包括负极集流体和涂覆在负极集流体两个表面的负极活性物质层13a，负极片两面的负极活性物质层上均设置有锂带14，锂带的面积略小于对应的负极活性物质层的面积，锂带的厚度为10μm，锂带上设置有电解液通道，该电解液通道为沿锂带厚度方向延伸的圆形通孔15，以使电解液能够与锂带充分接触，圆形通孔的孔径为5mm。
负极片上的负极活性物质层为石墨，石墨的粒度D50为10μm，克容量320mAh/g；负极集流体为表面处理铜箔，该表面处理铜箔为表面涂覆有导电涂层的铜箔，导电涂层的主要成分为导电剂与粘结剂的混合物，导电剂为炭黑，粘结剂为PVDF，铜箔的厚度为12μm。
本实施例的锂离子电容器负极单元采用如下方法制得：将上述负极片与锂带叠放，采用20MPa的压力进行压合，即得。
本实施例的电芯包括正极片12、隔膜11以及上述负极单元，所述正极片、负极单元依次交替设置，相邻的正极片和负极单元之间设置有隔膜，即正极片、负极单元、隔膜按照“隔膜-正极片-隔膜-负极单元-隔膜-正极片…”的顺序重复设置。本实施例的电芯为卷绕式电芯，最内层为半圈隔膜以及设置在隔膜外侧的半圈负极单元，最外层为一圈隔膜以及设置在隔膜内侧的一圈负极单元。隔膜为聚丙烯隔膜，厚度为28μm。
正极片包括正极集流体和涂覆在正极集流体表面的正极活性物质层12a，正极活性物质层为活性炭，活性炭的粒径D50为12μm，克容量为100F/g，比表面积1000m2/g；正极集流体为表面处理铝箔，该表面处理铝箔为表面涂覆有导电涂层的铝箔，导电涂层的主要成分为导电剂与粘结剂的混合物，导电剂为炭黑，粘结剂为PVDF，铝箔的厚度为20μm。
该卷绕式电芯中，负极活性物质层的宽度比正极活性物质层的宽度大4mm，负极活性物质层两端均比对应的正极活性物质层两端长2mm，负极片上负极活性物质层的宽度比锂带的宽度大2mm，隔膜的宽度比负极片的宽度大4mm，隔膜两端比负极片两端长2mm。
上述卷绕式电芯采用如下方法制得：将正极片、隔膜、负极单元按照“隔膜-正极片-隔膜-负极单元-隔膜”的顺序依次叠放，按照现有技术中的卷绕方法卷绕制成预制电芯，然后对预制电芯使用平压机沿径向方向上施加1MPa的压力进行平压，即得。
本实施例的锂离子电容器使用上述电芯制成。
实施例2
本实施例的锂离子电容器负极单元包括负极片，负极片包括负极集流体和涂覆在负极集流体两个表面的负极活性物质层，负极片两面的负极活性物质层上均设置有锂带，锂带的面积略小于对应的负极活性物质层的面积，锂带的厚度为20μm，锂带上设置有电解液通道，该电解液通道为沿锂带厚度方向延伸的圆形通孔，以使电解液能够与锂带充分接触，圆形通孔的孔径为1mm。
负极片上的负极活性物质层为硬碳，硬碳的粒度D50为5μm；负极集流体为表面处理铜箔，该表面处理铜箔为表面涂覆有导电涂层的铜箔，导电涂层的主要成分为导电剂与粘结剂的混合物，导电剂为碳纤维，粘结剂为PTFE，铜箔的厚度为20μm。
本实施例的锂离子电容器负极单元采用如下方法制得：将上述负极片与锂带叠放，采用10MPa的压力进行压合，即得。
本实施例的电芯包括正极片、隔膜以及上述负极单元，所述正极片、负极单元依次交替设置，相邻的正极片和负极单元之间设置有隔膜，即正极片、负极单元、隔膜按照“隔膜-正极片-隔膜-负极单元-隔膜-正极片…”的顺序重复设置。本实施例的电芯为卷绕式电芯，最内层为半圈隔膜以及设置在隔膜外侧的半圈负极单元，最外层为一圈隔膜以及设置在隔膜内侧的一圈负极单元。隔膜为聚乙烯与聚丙烯双层复合隔膜，厚度为38μm。
正极片包括正极集流体和涂覆在正极集流体表面的正极活性物质层，正极活性物质层为活性炭，活性炭的粒径D50为35μm，克容量为70F/g，比表面积3500m2/g；正极集流体为表面处理铝箔，该表面处理铝箔为表面涂覆有导电涂层的铝箔，导电涂层的主要成分为导电剂与粘结剂的混合物，导电剂为碳纤维，粘结剂为PTFE，铝箔的厚度为12μm。
该卷绕式电芯中，负极活性物质层的宽度比正极活性物质层的宽度大4mm，负极活性物质层两端均比对应的正极活性物质层两端长2mm，负极片上负极活性物质层的宽度比锂带的宽度大2mm，隔膜的宽度比负极片的宽度大4mm，隔膜两端比负极片两端长2mm。
上述卷绕式电芯采用如下方法制得：将正极片、隔膜、负极单元按照“隔膜-正极片-隔膜-负极单元-隔膜”的顺序依次叠放，按照现有技术中的卷绕方法卷绕制成预制电芯，然后对预制电芯使用平压机沿径向方向上施加2.0MPa的压力进行平压，即得。
本实施例的锂离子电容器使用上述电芯制成。
实施例3
本实施例的锂离子电容器负极单元包括负极片，负极片包括负极集流体和涂覆在负极集流体两个表面的负极活性物质层，负极片两面的负极活性物质层上均设置有锂带，锂带的面积略小于对应的负极活性物质层的面积，锂带的厚度为30μm，锂带上设置有电解液通道，该电解液通道为沿锂带厚度方向延伸的圆形通孔，以使电解液能够与锂带充分接触，圆形通孔的孔径为8mm。
负极片上的负极活性物质层为软碳，软碳的粒度D50为20μm；负极集流体为表面处理铜箔，该表面处理铜箔为表面涂覆有导电涂层的铜箔，导电涂层的主要成分为导电剂与粘结剂的混合物，导电剂为石墨烯，粘结剂为SBR，铜箔的厚度为8μm。
本实施例的锂离子电容器负极单元采用如下方法制得：将上述负极片与锂带叠放，采用40MPa的压力进行压合，即得。
本实施例的电芯包括正极片、隔膜以及上述负极单元，所述正极片、负极单元依次交替设置，相邻的正极片和负极单元之间设置有隔膜，即正极片、负极单元、隔膜按照“隔膜-正极片-隔膜-负极单元-隔膜-正极片…”的顺序重复设置。本实施例的电芯为卷绕式电芯，最内层为半圈隔膜以及设置在隔膜外侧的半圈负极单元，最外层为一圈隔膜以及设置在隔膜内侧的一圈负极单元。隔膜为纤维素隔膜，厚度为15μm。
正极片包括正极集流体和涂覆在正极集流体表面的正极活性物质层，正极活性物质层为活性炭，活性炭的粒径D50为8μm，克容量为120F/g，比表面积600m2/g；正极集流体为表面处理铝箔，该表面处理铝箔为表面涂覆有导电涂层的铝箔，导电涂层的主要成分为导电剂与粘结剂的混合物，导电剂为石墨烯，粘结剂为SBR，铝箔的厚度为30μm。
该卷绕式电芯中，负极活性物质层的宽度比正极活性物质层的宽度大6mm，负极活性物质层两端均比对应的正极活性物质层两端长3mm，负极片上负极活性物质层的宽度比锂带的宽度大4mm，隔膜的宽度比负极片的宽度大6mm，隔膜两端比负极片两端长3mm。
上述卷绕式电芯采用如下方法制得：将正极片、隔膜、负极单元按照“隔膜-正极片-隔膜-负极单元-隔膜”的顺序依次叠放，按照现有技术中的卷绕方法卷绕制成预制电芯，然后对预制电芯使用平压机沿径向方向上施加0.2MPa的压力进行平压，即得。
本实施例的锂离子电容器使用上述电芯制成。
实施例4
本实施例的锂离子电容器负极单元包括负极片，负极片包括负极集流体和涂覆在负极集流体两个表面的负极活性物质层，负极片两面的负极活性物质层上均设置有锂带，锂带的面积略小于对应的负极活性物质层的面积，锂带的厚度为30μm，锂带上设置有电解液通道，该电解液通道为沿锂带厚度方向延伸的方形通孔，以使电解液能够与锂带充分接触。
负极片上的负极活性物质层为硬碳，粒度D50为50μm；负极集流体为表面处理铜箔，该表面处理铜箔为表面经过等离子体轰击的铜箔，铜箔的厚度为8μm。
本实施例的锂离子电容器负极单元采用如下方法制得：将上述负极片与锂带叠放，采用40MPa的压力进行压合，即得。
本实施例的电芯包括正极片、隔膜以及上述负极单元，所述正极片、负极单元依次交替设置，相邻的正极片和负极单元之间设置有隔膜，即正极片、负极单元、隔膜按照“隔膜-正极片-隔膜-负极单元-隔膜-正极片…”的顺序重复设置。本实施例的电芯为叠片式电芯，叠片式电芯两侧最外层均为隔膜以及设置在隔膜内侧的负极单元。隔膜为聚乙烯隔膜，厚度为32μm。
正极片包括正极集流体和涂覆在正极集流体表面的正极活性物质层，正极活性物质层为活性炭，活性炭的粒径D50为5μm，克容量为120F/g，比表面积600m2/g；正极集流体为表面处理铝箔，该表面处理铝箔为表面涂覆有导电涂层的铝箔，导电涂层的主要成分为导电剂与粘结剂的混合物，导电剂为石墨烯，粘结剂为PVDF，铝箔的厚度为38μm。
该电芯中，负极活性物质层的宽度比正极活性物质层的宽度大5mm，负极活性物质层两端均比对应的正极活性物质层两端长2.5mm，负极片上负极活性物质层的宽度比锂带的宽度大5mm，隔膜的宽度比负极片的宽度大4mm，隔膜两端比负极片两端长2mm。
上述电芯采用如下方法制得：将正极片、隔膜、负极单元按照“隔膜-正极片-隔膜-负极单元-隔膜”的顺序依次叠放，制成预制电芯，然后对预制电芯使用平压机沿厚度方向上施加0.2MPa的压力进行平压，即得。
本实施例的锂离子电容器使用上述电芯制成。
对比例
本对比例的锂离子电容器采用实施例4中的正负极、尺寸设计。
本对比例的锂离子电容器负极单元包括负极片，负极片包括负极集流体和涂覆在负极集流体两个表面的负极活性物质层，负极片两面的负极活性物质层上均辊压有惰性锂粉，辊压压力40MPa，惰性锂粉的面积略小于对应的负极活性物质层的面积，锂粉层辊压后的厚度为30μm。
负极片上的负极活性物质层为硬碳，粒度D50为50μm；负极集流体为表面处理铜箔，该表面处理铜箔为表面经过等离子体轰击的铜箔，铜箔的厚度为8μm。
本实施例的电芯包括正极片、隔膜以及上述负极单元，所述正极片、负极单元依次交替设置，相邻的正极片和负极单元之间设置有隔膜，即正极片、负极片、隔膜按照“隔膜-正极片-隔膜-负极片-隔膜-正极片…”的顺序重复设置。本实施例的电芯为叠片式电芯，叠片式电芯两侧最外层均为隔膜以及设置在隔膜内侧的负极单元。隔膜为聚乙烯隔膜，厚度为32μm。
正极片包括正极集流体和涂覆在正极集流体表面的正极活性物质层，正极活性物质层为活性炭，活性炭的粒径D50为5μm，克容量为120F/g，比表面积600m2/g；正极集流体为表面处理铝箔，该表面处理铝箔为表面涂覆有导电涂层的铝箔，导电涂层的主要成分为导电剂与粘结剂的混合物，导电剂为石墨烯，粘结剂为PVDF，铝箔的厚度为38μm。
该电芯中，负极活性物质层的宽度比正极活性物质层的宽度大5mm，负极活性物质层两端均比对应的正极活性物质层两端长2.5mm，负极片上负极活性物质层的宽度比锂粉区的宽度大5mm，隔膜的宽度比负极片的宽度大4mm，隔膜两端比负极片两端长2mm。
上述电芯采用如下方法制得：将正极片、隔膜、负极单元按照“隔膜-正极片-隔膜-负极单元-隔膜”的顺序依次叠放，制成预制电芯，然后对预制电芯使用平压机沿厚度方向上施加0.2MPa的压力进行平压，即得。
本对比例的锂离子电容器使用上述电芯制成。
实验例
将实施例1-4及对比例中的锂离子电容器统一制作为容量约1000F的单体，测得其电化学性能如表1所示：
表1实施例1-4及对比例中的锂离子电容器的电化学性能
由上表可以看出，使用本发明的锂离子电容器负极单元制得的锂离子电容器能量密度较高，达到了28-31Wh/kg。
Claims (4)
1.一种锂离子电容器电芯，包括正极片和隔膜，其特征在于，还包括负极单元，所述正极片、负极单元依次交替设置，相邻的正极片和负极单元之间设置有隔膜；所述负极单元的负极片两侧设置有锂带，所述锂带上设置有沿锂带厚度方向延伸的通孔；所述负极片包括负极集流体和涂覆在负极集流体表面的负极活性物质层，所述锂带的面积小于负极片上的负极活性物质层的面积；所述负极活性物质为石墨、硬碳、软碳中的一种或几种；所述负极单元是将锂带与负极片叠放后压合制得，所述压合的压力为2-40Mpa；
所述正极片包括正极集流体和涂覆在正极集流体表面的正极活性物质层，所述正极活性物质层为活性炭；活性炭的粒径D50为5-40μm，克容量为65-120F/g，比表面积为500-4000m2/g；
所述电芯中，负极活性物质层的宽度比正极活性物质层的宽度大1-8mm，负极活性物质层在长度方向上比正极活性物质层长0.5-4mm，隔膜两端比负极片上的负极活性物质层两端长0.5-4mm；
所述电芯为卷绕式电芯，采用如下方法制得：将正极片、隔膜、负极单元按照隔膜、正极片、隔膜、负极单元、隔膜的顺序依次叠放，卷绕制成预制电芯，对预制电芯进行平压，即得，所述平压的压力为0.1-2.0Mpa。
2.如权利要求1所述的锂离子电容器电芯，其特征在于，所述通孔的形状为圆孔、方孔或者不规则孔。
3.如权利要求1所述的锂离子电容器电芯，其特征在于，所述负极集流体为表面处理铜箔，所述表面处理铜箔为表面涂覆有导电涂层的铜箔或者为表面经过等离子处理的铜箔或者为表面经过腐蚀的铜箔。
4.一种锂离子电容器，其特征在于，使用如权利要求1所述的电芯。
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