CN106876146A - 一种高压固态锂离子电容器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高压T‑Nb2O5/RGO固态锂离子电容器，其包括固态凝胶电解质、正极、负极，正极与负极均由集流体层和贴覆在集流体层上的电极物质层构成；所述固态凝胶电解质选用直接将离子液体和聚合物共混成膜的制备方法；该固态锂离子电容器具有高比容量、高能量密度、高功率密度、快速充放电等优异性能。

Description

一种高压固态锂离子电容器
技术领域 本发明涉及一种高压固态锂离子电容器，具体涉及一种具有高能量密度、高功率密度及快速充放电的固态锂离子电容器；属于电化学能源技术领域。
背景技术
锂离子电容器(Li-ion Capacitor,简称LIC)，也叫电化学混合电容器、非对称电化学电容器，在储能机理上它属于混合型电容器，是一种介于锂离子电池和双电层电容器之间的新型储能装置，它具有比锂离子电池更高的功率密度和比双电层电容器更高的能量密度。锂离子电容器是指以活性炭等炭质材料为正极，嵌锂化合物材料为负极，使用锂离子电池电解液的电化学混合电容器。锂离子电容器具有独特的高功率密度和高能量密度特性，其对原材料的要求比较苛刻。电极、集流体、电解液和隔膜的组成和质量对锂离子电容器的性能有着决定性的影响。
在决定电极材料的性能中，负极材料是一个重要的组成部分。近年来的报道中，V2O5，TiO2和Li4Ti5O15纳米负极材料得到广泛的研究，由于这些材料的氧化还原反应机理比较缓慢，材料的倍率性能不是很理想。锂离子嵌入型金属氧化物因其快速的电荷存储能力开发与碳材料组装而成的混合电容器的一种理想选择。近来，出现了关于五氧化二铌作为锂离子电池负极的报道,五氧化二铌具有不同的晶型可以用于锂离子电容器，该材料具有较高的放电比容量(200mA h g-1)，但由于纯的五氧化二铌的较低导电性(约为3×10-6S·cm-1)，将GO与Nb2O5材料进行复合，利用两种材料各自的优势，可以有效提高复合材料的电化学性能。它们在能够提供大量电荷储存的同时，也可以提供较大的操作电压窗口，正交相五氧化二铌(T-Nb2O5)纳米晶呈现快速电容锂离子存储。
开发出高稳定性、高能量密度的固态锂离子电容器仍然是科学家追求的最终目标，而具有高的电导率或空穴传输率的固态电解质的开发与研究是关键。离子液体是由单一阳离子和阴离子构成的、在室温或接近室温条件下呈液态的物质，又称为室温熔融盐。它具有挥发性低、不易燃、具有宽的液程和较宽的电化学窗口、良好的导电和导热性、高热稳定性、以及选择性溶解力与可设计性等特点，使得离子液体近年作为一种新的介质在电解质材料方面显示出重要的应用前景。将离子液体的优异性能与高分子材料相结合，就可能开发出新型的聚合物电解质材料，这类电解质具备聚合物和离子液体二者的优势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高能量密度、高功率密度及快速充放电等优异性能的固态锂离子电容器。
本发明所采用的技术方案是：
一种高压固态锂离子电容器，其包括固态凝胶电解质、正极、负极，正极与负极均由集流体层和贴覆在集流体层上的电极物质层构成，正极电极物质层中的活性物质为双电层型储能炭材料，负极电极物质层中的活性物质为嵌锂型储能材料；
优选的，所述固态锂离子电容器双电层型储能炭材料为活性炭、石墨烯或碳纳米管中的至少一种。
优选的，所述嵌锂型储能材料为制备的T-Nb2O5/RGO或T-Nb2O5/RGO中的至少一种。
优选的，所述正极电极物质层包括：80wt％-90wt％的双电层型储能炭材料，1wt％-15wt％的导电剂，1.5wt％-10wt％的粘结剂。
优选的，所述负极电极物质层包括：75wt％-95wt％的T-Nb2O5/RGO，1wt％-15wt％的导电剂，1.5wt％-10wt％粘结剂。
优选的，构成离子液体聚合物凝胶电解质的所述可溶锂盐为二(三氟甲基)磺酰亚胺锂(LiTFSI)、六氟磷酸锂(LiPF6)或者四氟硼酸锂(LiBF6)中的至少一种。
优选的，构成的离子液体聚合物凝胶电解质的致凝胶剂是以聚丙烯睛(PAN)、聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、聚氧化乙烯(PEO)、聚环氧丙烷、聚乙烯吡啶、偏氟乙烯和六氟丙稀的共聚物P(VDF-HFP)中的至少一种。
优选的，构成的离子液体聚合物凝胶电解质的离子液体选用1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(BMIMBF4)、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(BMIMPF6)、N-甲基-N-丙基哌啶二(三氟甲基磺酰)亚胺(PP13TFSI)、N,正丁基-N-乙基吡咯烷-N,N-二(三氟甲基磺酰)亚胺(Py24TFSI)、N-甲基-N-丁基吡咯烷二(三氟甲基磺酰)亚胺(PY14TFSI)、1-甲基-3-乙基咪唑二(三氟甲基磺酰)亚胺(EMITFSI)、1-甲基-3-丙基咪唑四氟硼酸(PrMImBF4)、1-甲基-3-乙基咪唑四氟硼酸(EMIMBF4)和1-甲基-3-己基咪唑四氟硼酸(HMImBF4)中的至少一种。
优选的，制备方法选用直接将离子液体和聚合物共混成膜。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明所述的固态锂离子电容器作为锂离子存储电极呈现出优异充放电性能以及高倍率循环稳定性能。
本发明所述的锂离子电容器，因而其具有更高的能量利用效率和更高的有效能量储存量，提高了储能密度。
附图说明
图1：实施案例图1(a)、(b)制备的正交相五氧化二铌/石墨烯扫描电子显微镜照片和透射电镜照片；
图2：本发明中实施案例制备的正交相五氧化二铌/石墨烯电极材料的充放电曲线；
具体实施方式 下面结合具体的实施例对本发明作进一步阐述。这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，基于本发明的原理对本发明所做出的各种改动或修改同样落入本发明权利要求书所限定的范围。
实施例1
正极电极物质层以82wt％的活性炭作为正极活性物质，10wt％的乙炔黑作为导电剂，8wt％的PTFE作为粘结剂；
负极电极物质层以82wt％的T-Nb2O5/RGO作为负极活性物质，10wt％的乙炔黑作为导电剂，8wt％的PTFE作为粘结剂；
离子液体聚合物凝胶电解质，以PVDF-HFP为致凝胶剂，离子液体选用EMIMBF4，制备方法选用直接将离子液体和聚合物共混成膜；
锂离子电容器在0-4V工作电压中工作。

Claims (12)

1.一种高压固态锂离子电容器，其包括固态凝胶电解质、正极、负极，正极与负极均由集流体层和贴覆在集流体层上的电极物质层构成，正极电极物质层中的活性物质为双电层型储能炭材料，负极电极物质层中的活性物质为嵌锂型储能材料。
2.根据权利要求1所述的一种高压固态锂离子电容器，其特征在于：所述双电层型储能炭材料为活性炭、石墨烯或碳纳米管中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种高压固态锂离子电容器，其特征在于：所述嵌锂型储能材料为T-Nb2O5/RGO或T-Nb2O5/CNT中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种高压固态锂离子电容器，其特征在于：所述正极电极物质层包括：80wt％-90wt％的双电层型储能炭材料，1wt％-15wt％的导电剂，1.5wt％-10wt％的粘结剂。
5.根据权利要求1所述的一种高压固态锂离子电容器，其特征在于：所述负极电极物质层包括：75wt％-95wt％的嵌锂型储能材料T-Nb2O5/RGO，1wt％-15wt％的导电剂，1.5wt％-10wt％粘结剂。
6.根据权利要求1所述的一种高压固态锂离子电容器，其特征在于：固态凝胶电解质中的致凝胶剂选用聚丙烯睛(PAN)、聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、聚氧化乙烯(PEO)、聚环氧丙烷、聚乙烯吡啶、偏氟乙烯和六氟丙稀的共聚物P(VDF-HFP)中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的一种高压固态锂离子电容器，其特征在于：固态凝胶电解质离子液体选用1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(BMIMBF4)、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(BMIMPF6)、N-甲基-N-丙基哌啶二(三氟甲基磺酰)亚胺(PP13TFSI)、N,正丁基-N-乙基吡咯烷-N,N-二(三氟甲基磺酰)亚胺(Py24TFSI)、N-甲基-N-丁基吡咯烷二(三氟甲基磺酰)亚胺(PY14TFSI)、1-甲基-3-乙基咪唑二(三氟甲基磺酰)亚胺(EMITFSI)、1-甲基-3-丙基咪唑四氟硼酸(PrMImBF4)、1-甲基-3-乙基咪唑四氟硼酸(EMIMBF4)和1-甲基-3-己基咪唑四氟硼酸(HMImBF4)。
8.根据权利要求1所述的一种高压固态锂离子电容器，其特征在于：所述离子液体加入量占所述混合溶剂总重量的10％～20％。
9.根据权利要求1所述的一种高压固态锂离子电容器，其特征在于：所述锂盐电解质为二(三氟甲基)磺酰亚胺锂(LiTFSI)、六氟磷酸锂(LiPF6)或者四氟硼酸锂(LiBF6)中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的一种高压固态锂离子电容器，其特征在于：所述锂盐电解质的加入量为0.5mol/L～1.0mol/L。
11.根据权利要求1所述的一种高压固态锂离子电容器，其特征在于：固态凝胶电解质制备方法选用直接将离子液体和聚合物共混成膜。
12.一种根据上述权利要求1至11的任何一个权利要求所述方法制备的高压T-Nb2O5/RGO固态锂离子电容器。
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