CN106229480A - 一种电池电容的电极材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池电容的电极材料，属于新能源储能器件领域。该电池电容的电极材料包括正极材料和负极材料，正极材料主要由锂离子电池正极材料和超级电容器电极材料的复合而成，其中，锂离子电池正极材料中的正极活性物质和超级电容器电极材料的质量比为100:10～100:50。本发明选用LNMO和LTO为锂离子电池正负极的电极材料，多孔炭材料为超级电容器材料，通过复合两种不同的材料制备电池电容的电极材料，从而实现高电压、高能量密度、高功率密度和长循环寿命的电池电容的制备。

Description

一种电池电容的电极材料
技术领域
本发明涉及一种电池电容的电极材料，属于新能源储能器件领域。
本发明中下列表达式的意义为：
LNMO：LiNi0.5Mn1.5O4
LTO：Li4Ti5O12
背景技术
锂离子电池在手机、笔记本电脑、mp3等电子产品被广泛应用，但在电动汽车、家用电气、航天航空设施等需要较大瞬间电流的大型电子产品领域，传统锂离子电池由于功率密度过低而竞争力有限。锂离子电池反应在电极内部进行，因此锂离子电池能量密度大，但电池中活性物质结构发生变化，导致循环寿命较短。与传统蓄电池相比，双电层超级电容器是利用在电极表面储存电荷、形成所谓的双层电容来储能的电化学装置，其功率密度高，循环寿命长，但是能量密度低、自放电严重、工作电压较低等，大大限制了其可应用性。因此亟需寻求同时具有高比容量、高比功率和长循环寿命等性能的新能源装置。电池电容是近年来出现的一种新型储能器件，其采用锂离子电池电极材料与超级电容器电极材料的复合物作为电极材料，兼具锂离子电池高能量密度和电容器高功率密度、长循环寿命等优点，引起了广泛的关注，能满足当前电动设备的需要。
另外，尖晶石钛酸锂(Li4Ti5O12，LTO)作为一种新兴锂离子电池负极材料，理论比容量为177mAh/g，在锂离子脱嵌过程中几乎为零应变材料，表现出极好的循环性能和倍率性能。但因平均锂脱嵌电位较高(1.55V vs.Li/Li+)，需要选择高电位的正极材料匹配，尖金石型镍锰酸锂(LiNi0.5Mn1.5O4，LNMO)具有4.7V的高电压放电平台，放电比容量为135mAh/g，具有良好的倍率性能，与LTO可以组成电压平台在3.2V的全电池，得到较高的输出电压和能量密度。中国发明专利(公开号：CN103682307A)中介绍了镍锰酸锂/钛酸锂电池制备方法，虽然该电池具有高能量密度，但是该电池仍然不可避免的具有功率密度低，循环寿命短等问题，不能满足混合电动汽车对高功率密度以及长循环寿命的要求。因此，通过在镍锰酸锂/钛酸锂电池正负极中复合双电层超级电容器电极材料制备电池电容，结合电池高能量密度特性和超级电容器高功率密度、长循环寿命的优势，可以实现兼具高能量密度、高功率密度和长循环寿命的储能元件的制备。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提出了一种兼具高能量密度、高功率密度和长循环寿命的电池电容的电极材料。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种电池电容的电极材料，包括正极材料和负极材料，所述正极材料主要由锂离子电池正极材料和超级电容器电极材料的复合而成，
其中，锂离子电池正极材料中的正极活性物质和超级电容器电极材料的质量比为100:10～100:50。
在上述的一种电池电容的电极材料中，所述锂离子电池正极材料的正极活性物质为LNMO。
在上述的一种电池电容的电极材料中，所述负极材料主要由锂离子电池负极材料和超级电容器电极材料的复合而成，
其中，锂离子电池负极材料中的负极活性物质和超级电容器电极材料的质量比为100:10～100:50。
在上述的一种电池电容的电极材料中，所述锂离子电池负极材料的负极活性物质为LTO。
在上述的一种电池电容的电极材料中，所述超级电容器电极材料为碳材料。
在上述的一种电池电容的电极材料中，所述碳材料为活性炭、碳纳米纤维、炭气凝胶和石墨烯中的一种或多种。
在上述的一种电池电容的电极材料中，所述正极材料和负极材料中还包括有导电剂和粘结剂。
在上述的一种电池电容的电极材料中，所述导电剂为Super-P、科琴黑、乙炔黑、碳纳米管和导电石墨中的一种或多种。
在上述的一种电池电容的电极材料中，所述粘结剂为SBR、CMC、PEO、PTFE、PVDF和LA132中的一种或多种。
与现有技术相比，本发明选用LNMO和LTO为锂离子电池正负极的电极材料，多孔炭材料为超级电容器材料，通过复合两种不同的材料制备电池电容的电极材料，从而实现高电压、高能量密度、高功率密度和长循环寿命的电池电容的制备。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
电池电容正极片制备：分别称取100g LNMO和10g活性炭，在球磨机中进行高速搅拌1h，均匀混合得到复合材料A1。将PVDF和分散剂NMP(N-甲基吡咯烷酮)按1:10质量比进行真空高速搅拌1.5h得到分散母液。然后加入导电剂Super-P和CNT(碳纳米管)，并加入适量NMP，搅拌0.5h。最后加入复合材料A1和适量NMP搅拌1.5h得到浆状正极材料，浆料中复合材料A1：Super-P：CNT：PVDF＝93:2:2:3。将浆状正极材料涂覆于厚度为20μm的腐蚀铝箔两面上，使得电极片厚度为190μm。通过高温烘烤后碾压得到正极片。
电池电容负极片的制备：分别称取100g LTO和10g活性炭，在球磨机中进行高速搅拌1h，均匀混合得到复合材料B1。将PVDF和分散剂NMP(N-甲基吡咯烷酮)按1:10质量比进行真空高速搅拌1.5h得到分散母液。然后加入导电剂乙炔黑，并加入适量NMP，搅拌0.5h。最后加入复合材料B1和适量NMP搅拌1.5h得到浆状负极材料，浆料中复合材料B1：乙炔黑：PVDF＝93:4:3。将浆状负极材料涂覆于厚度为20μm的腐蚀铝箔两面上，使得电极片厚度为220μm。通过高温烘烤后碾压得到负极片。
最后将正、负极片依次通过“Z”形叠片制成电芯，电芯在真空条件下进行干燥，干燥温度为110℃，时间为24h。再将干燥后的电芯封装，并注入电解液，静置后化成、分容制成1Ah-3.2V软包电池电容。经检测，电池电容在2C(1C＝132mAh/g)下放电比容量为118mAh/g，循环10000次，容量保持为86.2％。
实施例2
电池电容正极片的制备：分别称取100g LNMO和10g碳纳米纤维和10g活性炭，在球磨机中进行高速搅拌1h，均匀混合得到复合材料A2。将LA132和去离子水按3:100质量比在真空搅拌机中搅拌1h得到分散母液。加入导电剂Super-P和KB(科琴黑)，加入适量去离子水，搅拌0.5h。最后加入复合材料A2和适量去离子水搅拌1.5h得到浆状正极材料，浆料中复合材料A2：Super-P：KB：LA132＝93:2:1:4。将浆状正极材料涂覆于厚度为20μm的腐蚀铝箔两面上，使得电极厚度为180μm，通过高温烘烤后碾压得到正极片。
电池电容负极片的制备：分别称取100g LTO和10g碳纳米纤维和10g活性炭，在球磨机中进行高速搅拌1h，均匀混合得到复合材料B2。将粘结剂CMC和水按2:100质量比在真空搅拌机中搅拌1h得到分散母液。加入导电剂Super-P和KB，加入适量去离子水，搅拌0.5h。最后加入复合材料B2、SBR和适量去离子水搅拌1.5h得到浆状负极材料，浆料中复合材料B2：Super-P：KB：CMC：SBR＝93:2:1.5:2:1.5。将浆状负极材料涂覆于厚度为20μm的腐蚀铝箔两面上，使得电极厚度为210μm，通过高温烘烤后碾压得到负极片。
最后将正、负极片依次通过“Z”形叠片制成电芯，电芯在真空条件下进行干燥，干燥温度为115℃，时间为20h。再将干燥后的电芯封装，并注入电解液，静置后化成、分容制成1Ah-3.2V软包电池电容。经检测，电池电容在2C(1C＝132mAh/g)下放电比容量为125mAh/g，循环10000次，容量保持为89.1％。
实施例3
电池电容正极片的制备：分别称取100g LNMO和15g炭气凝胶和5g石墨烯，在球磨机中进行高速搅拌1h，均匀混合得到复合材料A3。将PVDF和NMP按1:10质量比在真空搅拌机中搅拌1.5h得到分散母液。再加入导电剂Super-P和KS-6(导电石墨)，加入适量NMP，搅拌0.5h。最后加入复合材料A3和适量NMP搅拌1.5h得到浆状正极材料，浆料中复合材料A3：Super-P：KS-6：PVDF＝93:2:1:4。将浆状正极材料涂覆于厚度为20μm的腐蚀铝箔两面上，使得电极厚度为200μm，通过高温烘烤后碾压得到正极片。
电池电容负极片的制备：分别称取100g LTO和15g炭气凝胶和5g石墨烯，在球磨机中进行高速搅拌1h，均匀混合得到复合材料B3。将LA132和去离子水按3:100质量比在真空搅拌机中搅拌1.5h得到分散母液。再加入导电剂Super-P和KS-6(导电石墨)，加入适量去离子水，搅拌0.5h。最后加入复合材料B3和适量去离子水搅拌1.5h得到浆状负极材料，浆料中复合材料B3：Super-P：KS-6：LA132＝93:2:2:3。将浆状负极材料涂覆于厚度为20μm的腐蚀铝箔两面上，使得电极厚度为230μm，通过高温烘烤后碾压得到负极片。
最后将正、负极片依次通过“Z”形叠片制成电芯，电芯在真空条件下进行干燥，干燥温度为120℃，时间为18h。再将干燥后的电芯封装，并注入电解液，静置后化成、分容制成1Ah-3.2V软包电池电容。经检测，电池电容在2C(1C＝132mAh/g)下放电比容量为120mAh/g，循环10000次，容量保持为85.5％。
在上述实施例及其替换方案中，正极活性物质LNMO和碳材料的质量比为还包括但不限于100:10、100:15、100:25、100:30、100:35、100:40、100:45、100:50。
在上述实施例及其替换方案中，负极活性物质LTO和碳材料的质量比为还包括但不限于100:10、100:15、100:25、100:30、100:35、100:40、100:45、100:50。
在上述实施例及其替换方案中，碳材料还可以为碳纳米纤维，石墨烯，活性炭和炭气凝胶的混合，活性炭和石墨烯的混合，碳纳米纤维和炭气凝胶的混合，碳纳米纤维和石墨烯的混合，炭气凝胶和石墨烯的混合，活性炭、碳纳米纤维、炭气凝胶和石墨烯任意三种的混合，活性炭、碳纳米纤维、炭气凝胶和石墨烯四种的混合。
在上述实施例及其替换方案中，导电剂还可以为导电碳黑、科琴黑、乙炔黑、碳纳米管和导电石墨中任意几种的混合。
在上述实施例及其替换方案中，粘结剂还可以为SBR，CMC，PTFE或SBR、CMC、LA132、PEO中任意几种的混合。
在上述实施例及其替换方案中，电芯在真空条件下进行干燥的温度还可以为100℃、105℃、110℃、115℃、120℃、125℃、130℃、135℃，时间还可以为19h、21h、22h、23h、25h。
鉴于本发明方案实施例众多，各实施例实验数据庞大众多，不适合于此处逐一列举说明，但是各实施例所需要验证的内容和得到的最终结论均接近。使用本发明电池电容的电极材料制得的1Ah-3.2V软包电池电容在2C(1C＝132mAh/g)下放电比容量均达到115mAh/g以上，循环10000次，容量保持均保持在85％以上。故而此处不对各个实施例的验证内容进行逐一说明，仅以实施例1-3作为代表说明本发明申请优异之处。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims (9)

1.一种电池电容的电极材料，包括正极材料和负极材料，其特征在于，所述正极材料主要由锂离子电池正极材料和超级电容器电极材料的复合而成，
其中，锂离子电池正极材料中的正极活性物质和超级电容器电极材料的质量比为100:10～100:50。
2.根据权利要求1所述的一种电池电容的电极材料，其特征在于，所述锂离子电池正极材料的正极活性物质为LNMO。
3.根据权利要求1所述的一种电池电容的电极材料，其特征在于，所述负极材料主要由锂离子电池负极材料和超级电容器电极材料的复合而成，
其中，锂离子电池负极材料中的负极活性物质和超级电容器电极材料的质量比为100:10～100:50。
4.根据权利要求3所述的一种电池电容的电极材料，其特征在于，所述锂离子电池负极材料的负极活性物质为LTO。
5.根据权利要求1或3所述的一种电池电容的电极材料，其特征在于，所述超级电容器电极材料为碳材料。
6.根据权利要求5所述的一种电池电容的电极材料，其特征在于，所述碳材料为活性炭、碳纳米纤维、炭气凝胶和石墨烯中的一种或多种。
7.根据权利要求1或3所述的一种电池电容的电极材料，其特征在于，所述正极材料和负极材料中还包括有导电剂和粘结剂。
8.根据权利要求7所述的一种电池电容的电极材料，其特征在于，所述导电剂为Super-P、科琴黑、乙炔黑、碳纳米管和导电石墨中的一种或多种。
9.根据权利要求7所述的一种电池电容的电极材料，其特征在于，所述粘结剂为SBR、CMC、PTFE、PEO、PVDF和LA132中的一种或多种。
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