CN105489395A - 锂离子超级电容器的生产方法及锂离子超级电容器 - Google Patents

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Abstract

锂离子超级电容器的生产方法及锂离子超级电容器，将富锂化合物粉末与导电剂、粘合剂、溶剂混合制成浆料，涂覆在导电铝箔上制成锂源电极；将超级电容器的正极、负极、隔膜组装成电芯；将锂源电极放置在电芯一侧，或上、下两侧，放入封装壳内；锂源电极的极耳放置在封装壳的气袋一侧，往封装壳内注入锂盐电解液，然后热封边缘；以锂源电极为正极，电芯的负极为负极组成电对；将直流电源的正极与锂源电极连接，负极与电芯的负极连接；将所述电对充电至2.7～4.2V，维持充电电压恒压不低于1h，对电芯的负极预嵌锂；预嵌锂完成后，剪去封装壳的气袋，抽出锂源电极，然后再次封装电容器；锂源电极总容量为电芯的负极总容量的15%～50%。

Description

锂离子超级电容器的生产方法及锂离子超级电容器
技术领域
本发明涉及电化学储能技术领域，尤其是涉及一种锂离子超级电容器的生产方法及采用该方法制备的锂离子超级电容器。
背景技术
超级电容器是一种电化学储能器件，它具有高功率和长寿命的特点。目前，节能降耗及新能源技术成为世界关注的热点，超级电容器具有高功率和长寿命特性，在汽车节能和产业技术升级、新能源技术创新中可以发挥重要作用。但由于超级电容器储存能量小，对其使用普及受到极大的限制，因此提高超级电容器的能量密度是超级电容器技术领域研发的重点。
CN1926648A于2007年3月7日公开了一种锂离子电容器，具体公开了：一种锂离子电容器，具有正极、负极以及作为电解液的锂盐的非质子性有机溶剂电解质溶液，正极活性物质是能够可逆地承载锂离子和/或阴离子的物质，负极活性物质是能够可逆地承载锂离子的物质，正极和负极短路后的正极电位小于或等于2.0V，作为正极和负极，在分别具有贯穿正反面的孔的正极集电体和负极集电体的双面上，分别由正极活性物质和负极活性物质形成电极层，具有该正极和负极卷绕或层叠的电池结构，被卷绕或层叠的电极的最外部为负极。通过使与负极相对配置的锂离子供给源和负极和/或正极电化学接触，预先将锂离子承载在负极和/或正极中。该技术能提升电容器的能量密度。
CN104008893A于2014年8月27日，公开了一种锂离子混合型电容器的制备方法及其锂离子混合型电容器。具体公开了：锂离子混合型电容器的制备方法，包括以下步骤：a）将电极极片和隔膜按照正极/隔膜/负极的顺序叠片或卷绕制成电芯；b）将电芯放入铝塑复合膜壳体中，将铝塑复合膜壳体的顶边和第一侧边热封口，电芯的正极和负极的极耳从顶边伸出铝塑复合膜壳体；c）金属锂电极放入铝塑复合膜壳体中，金属锂电极与电芯相邻放置并用隔膜隔开，金属锂电极的极耳从第二侧边伸出铝塑复合膜壳体；d）向铝塑复合膜壳体注入过量电解液，然后热封口铝塑复合膜壳体的第二侧边；e）以恒电流方式，以负极为工作电极，以金属锂电极为对电极，对负极进行预嵌锂；f）取出金属锂电极，倒出多余的电解液，真空热封口铝塑复合膜壳体的第二侧边，得到锂离子混合型电容器。
预嵌锂工艺是锂离子超级电容器关键技术，目前普遍采用的是用金属锂电极作为锂源电极，如申请号为CN200580001498.2的专利，锂源电极是将金属锂压接在不锈钢网上，插入正负电极组的一侧或两侧，将锂源的不锈钢网集流体与负极集流体焊接在一起，注入电解液后密封，由于锂源与负极是短路状态，经长时间搁置后，锂金属被插进入负极。
使用金属锂电极作为锂源电极，在制造和使用过程中存在安全性问题，如锂金属存放问题以及因金属锂没有被完全消耗在电容器内存在单质锂问题，此外，锂源集流体的存留增加了电容器的体积和重量，影响了电容器的能量密度和比能量。为了解决生产和使用过程中的安全性问题，如CN200710098687.7专利申请提出了一种新的预嵌锂方法，将非金属锂源按一定比例加入正极中，通过电容器活化使负极插入一定比例的锂离子，该工艺方法简单，适宜产品批量化生产，解决了由于存在单质锂而产生的安全性问题，但是由于在正极中存在富锂材料，从而使电容器的充放电电压范围缩小，影响了电容器的储存电量，同时，由于富锂材料的存在使多孔碳材料的承载量减少，也影响了锂离子电容器的静电容量。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种在生产及使用过程中安全可靠，产品一致性好，能提高能量密度和比能量的锂离子超级电容器的生产方法及采用该方法制备的锂离子超级电容器。
为了解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种锂离子超级电容器的生产方法，包括以下步骤：将富锂化合物粉末与导电剂、粘合剂、溶剂混合制成浆料，涂覆在导电铝箔上，经烘干、辊压、焊接极耳，制成锂源电极；将超级电容器的正极、负极、隔膜组装成电芯；将所述锂源电极放置在所述电芯一侧，或上、下两侧，并用隔膜与电芯的电极隔离，放入封装壳内，电芯的正极极耳和负极极耳从封装壳内伸出；所述锂源电极的极耳放置在封装壳的气袋一侧，往封装壳内注入锂盐电解液，然后热封边缘；以锂源电极为正极，电芯的负极为负极组成电对；将直流电源的正极与锂源电极连接，将直流电源的负极与电芯的负极连接，按锂源电极活性物质的总容量值乘以0.05～0.2的系数计算出充电电流值，按计算得出的充电电流值将所述电对充电至2.7～4.2V，维持最高充电电压恒压不低于1h，对电芯的负极预嵌锂；预嵌锂完成后，剪去封装壳的气袋，抽出锂源电极，然后再次封装电容器；所述锂源电极活性物质的总容量为电芯的负极的活性物质的总容量的15%～50%。
作为优选技术方案，本发明提供的锂离子超级电容器的生产方法，所述富锂化合物包括：LiMO2(M＝Co、Ni、Mn、Cu、Cr、Fe等)、LiMn2-xMxO4(当M＝Ni、Co、Cu时，0＜x＜1；当M＝Cr、Fe、V时，0＜x＜0.5)，LiNixM1-xO2(M＝Co、Mn、Cu、Cr、Fe、V、La、Al、Mg、Ga、Zn等，0＜x＜1)、LiNixMnyCozO2(x+y+z＝1)、LiFePO4、高铁酸锂、Li3-xMxN(M＝Co、Ni、Cu、Cr、V等，0＜x＜1)、Li7-xMnxN4(0＜x＜1)、Li3-xFexN2(0＜x＜1)、LixSiNy/LixSiO2Ny(0＜x＜9，0＜y＜5)以及锂硫复合物、锂聚合物。
作为优选技术方案，本发明提供的锂离子超级电容器的生产方法，所述富锂化合物为LiFePO4、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiCoO4或LiMn2O4。
作为进一步改进技术方案，本发明提供的锂离子超级电容器的生产方法，所述封装壳为用可密封包装的软质材料制成的封装壳。
作为进一步改进技术方案，本发明提供的锂离子超级电容器的生产方法，所述封装壳为用铝塑膜制成的封装壳。
为了解决上述技术问题，另一方面，本发明提供一种锂离子超级电容器，为采用前述任一项所述锂离子超级电容器的生产方法制得的锂离子超级电容器。
本发明带来的有益效果：无金属单质锂存在，在生产及使用过程中安全可靠；锂源电极不留存在电容器中，增加了锂离子电容器的能量密度和比能量；预嵌锂量准确，产品一致性能够保障；最大限度的保证了锂离子电容器的工作电压范围；锂源电极成本低，制造容易。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是实施例锂离子超级电容器电极及锂源电极的结构示意图；
图2是实施例锂离子超级电容器电极及锂源电极的封装图；
图3是实施例锂离子超级电容器预嵌锂原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
如图1至图3所示，锂离子超级电容器的生产包括以下步骤：按现有技术将富锂化合物粉末与导电剂、粘合剂、溶剂混合制成浆料，和超级电容器的正极6、负极4、隔膜5、锂盐电解液。将制得的浆料涂覆在导电铝箔上，经烘干、辊压、焊接极耳，制成锂源电极2；将超级电容器的正极6、负极4、隔膜5组装成电芯1；将所述锂源电极2放置在电芯1的一侧，并用隔膜5与电芯1的电极隔离，放入用铝塑膜制成的封装壳7内，电芯的正极极耳61和负极极耳41从封装壳内伸出；所述锂源电极的极耳21放置在封装壳7的气袋一侧，并伸出封装壳7外侧，往封装壳7内注入锂盐电解液，然后热封边缘；以锂源电极2为正极，电芯的负极4为负极组成电对；将直流电源3的正极与锂源电极2连接，将直流电源3的负极与电芯1的负极4连接，按锂源电极活性物质的总容量值乘以0.05～0.2的系数计算出充电电流值，按计算得出的充电电流值将所述电对充电至2.7～4.2V，维持最高充电电压恒压不低于1h，对电芯的负极4预嵌锂；预嵌锂完成后，剪去封装壳7的气袋，抽出锂源电极2，然后再次封装电容器；所述锂源电极2活性物质的总容量为电芯的负极的活性物质的总容量的15%～50%。
锂离子超级电容器的正极为多孔碳电极（活性炭、纳米碳、石墨烯等）；负极为具有承载锂离子嵌入、嵌出功能的碳材料或含锂金属氧化物；电解液是以乙腈、碳酸二乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯中的一种或多种为溶剂的锂盐溶液（LiPF6、LiBF4等），正负极之间有防止正负极短路的隔膜，锂离子电容器的正极集流体和负极集流体是微孔铝箔或铜箔。
上述实施方式，变换工艺内容及各参数的具体实施例如下：
注：C表示锂源电极活性物质的总容量，充电电流按锂源电极活性物质的总容量值乘以系数计算得出，例如：锂源电极活性物质的总容量为200mAh，0.1C计算得出的充电电流为20mA。
实施例1制得的锂离子超级电容器工作电压范围为2V~4V，比能量比对称型超级电容器提高7倍。
实施例2制得的锂离子超级电容器工作电压范围为2V~3.8V，比能量比对称型超级电容器提高7倍。
实施例3制得的锂离子超级电容器工作电压范围为1.5V~4V，比能量比对称型超级电容器提高8倍。
实施例4制得的锂离子超级电容器工作电压范围为1.5V~2.7V，比能量比对称型超级电容器提高7.2倍。
实施例5制得的锂离子超级电容器工作电压范围为2V~4V，比能量比对称型超级电容器提高7.5倍。
测试结果表明，采用本发明提供的技术方案，产品的稳定性好；锂源电极活性物质的总容量为电芯的负极的活性物质的总容量的15%～50%，可达到较好的预嵌锂技术效果，提高比能量，而又不至带来锂源电极浪费；锂源电极放在电芯一侧或上下两侧，可使负极预嵌锂更加均匀，提高比能量3%以上。
本发明不限于以上优选实施方式，还可在本发明权利要求和说明书限定的精神内，进行多种形式的变换和改进，能解决同样的技术问题，并取得预期的技术效果，故不重述。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接或联想到的所有方案，只要在权利要求限定的精神之内，也属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种锂离子超级电容器的生产方法，包括以下步骤：将富锂化合物粉末与导电剂、粘合剂、溶剂混合制成浆料，涂覆在导电铝箔上，经烘干、辊压、焊接极耳，制成锂源电极；将超级电容器的正极、负极、隔膜组装成电芯；将所述锂源电极放置在所述电芯一侧，或上、下两侧，并用隔膜与电芯的电极隔离，放入封装壳内，电芯的正极极耳和负极极耳从封装壳内伸出；所述锂源电极的极耳放置在封装壳的气袋一侧，往封装壳内注入锂盐电解液，然后热封边缘；以锂源电极为正极，电芯的负极为负极组成电对；将直流电源的正极与锂源电极连接，将直流电源的负极与电芯的负极连接，按锂源电极活性物质的总容量值乘以0.05～0.2的系数计算出充电电流值，按计算得出的充电电流值将所述电对充电至2.7～4.2V，维持最高充电电压恒压不低于1h，对电芯的负极预嵌锂；预嵌锂完成后，剪去封装壳的气袋，抽出锂源电极，然后再次封装电容器；所述锂源电极活性物质的总容量为电芯的负极的活性物质的总容量的15%～50%。
2.根据权利要求1所述的锂离子超级电容器的生产方法，其特征在于：所述富锂化合物包括：LiMO2(M＝Co、Ni、Mn、Cu、Cr、Fe等)、LiMn2-xMxO4(当M＝Ni、Co、Cu时，0＜x＜1；当M＝Cr、Fe、V时，0＜x＜0.5)，LiNixM1-xO2(M＝Co、Mn、Cu、Cr、Fe、V、La、Al、Mg、Ga、Zn等，0＜x＜1)、LiNixMnyCozO2(x+y+z＝1)、LiFePO4、高铁酸锂、Li3-xMxN(M＝Co、Ni、Cu、Cr、V等，0＜x＜1)、Li7-xMnxN4(0＜x＜1)、Li3-xFexN2(0＜x＜1)、LixSiNy/LixSiO2Ny(0＜x＜9，0＜y＜5)以及锂硫复合物、锂聚合物。
3.根据权利要求1或2所述的锂离子超级电容器的生产方法，其特征在于：所述富锂化合物为LiFePO4、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiCoO4或LiMn2O4。
4.根据权利要求1所述的锂离子超级电容器的生产方法，其特征在于：所述封装壳为用可密封包装的软质材料制成的封装壳。
5.根据权利要求4所述的锂离子超级电容器的生产方法，其特征在于：所述封装壳为用铝塑膜制成的封装壳。
6.一种锂离子超级电容器，其特征在于：为采用权利要求1～5任一项所述锂离子超级电容器的生产方法制得的锂离子超级电容器。
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