CN107256947A - 一种导电聚合物锂离子储能器的制备方法 - Google Patents

一种导电聚合物锂离子储能器的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种导电聚合物锂离子储能器的制备方法，将配制的多金属氧酸锂盐溶液加入导电聚合物单体溶液制得多金属氧酸锂导电聚合物；将多金属氧酸锂导电聚合物、三元正极材料、聚偏氟乙烯和导电炭黑按一定比例在N‑甲基吡咯烷酮溶剂中配置成浆料，将浆料涂覆在铝箔和铜箔上上，制得储能器件的正极极片和负极极片；将制备的极片进行铝塑封装，并注入c步骤所制备的电解液，制得所述的储能器。本方法制备的锂离子储能器件，弥补了传统超级电容器能量密度较低的缺陷的同时，又在一定程度上提升了传统锂离子电池功率密度，成为一种介于传统超级电容器和传统锂离子电池之间的储能器件。

Description

一种导电聚合物锂离子储能器的制备方法
技术领域
本发明涉及储能器件技术领域，尤其涉及一种导电聚合物锂离子储能器的制备方法。
背景技术
锂离子电池，作为一种电化学储能元件，有着能量密度大，绿色环保的优势；超级电容器，同样作为一种电化学储能元件，有寿命长(可达10万次以上)，功率密度大等优点，用来弥补锂离子电池功率性能的不足。两种储能器件均有各自的应用场合，目前缺少介于两种器件之间的储能器件，能同时在一定程度上满足能量密度和功率密度的双重需求。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种导电聚合物锂离子储能器的制备方法，该方法制备的锂离子储能器件，弥补了传统超级电容器能量密度较低的缺陷的同时，又在一定程度上提升了传统锂离子电池功率密度，成为一种介于传统超级电容器和传统锂离子电池之间的储能器件。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种导电聚合物锂离子储能器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤，
a. 电极材料的制备：
(1) 按1：（1-9）的摩尔比例分别配制多金属氧酸锂盐溶液和导电聚合物单体溶液；
(2) 将配制的多金属氧酸锂盐溶液加入导电聚合物单体溶液，搅拌，在常温下反应1-24小时，然后用蒸馏水和酒精洗涤反应过后的固体物质，再将洗涤过后的固体物质置于40-200℃干燥箱中干燥2-10小时，制得多金属氧酸锂导电聚合物；多金属氧酸锂盐溶液采用逐滴加入方式加入导电聚合物单体溶液，常温是指在10-40℃。
b. 储能器极片的制备：
(1)储能器件正极极片的制备：
将多金属氧酸锂导电聚合物、三元正极材料（LixNi3Co3Mn3）、聚偏氟乙烯和导电炭黑按一定比例在N-甲基吡咯烷酮（NMP）溶剂中配置成浆料，将浆料涂覆在铝箔上，再经冷压，切片，叠片制得储能器件的正极极片；
(2)储能器负极极片的制备：
将多金属氧酸锂导电聚合物、聚偏氟乙烯和导电炭黑按一定比例在N-甲基吡咯烷酮溶剂中配置成浆料，并将浆料涂覆在铜箔上，再经冷压，切片，叠片制得储能器件的负极极片；
c. 电解液的制备：
将多金属氧酸锂盐作为电解质盐，与有机溶剂按比例配置成电解液；
d. 储能器的制备：
将b步骤制备的极片进行铝塑封装，并注入c步骤所制备的电解液，制得所述的储能器。
所述的导电聚合物单体为：聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩中的一种或者多种的混合；所述多金属氧酸锂盐为包括Li3XY12O40，Li4XY12O40中的一种或者多种的混合物；其中X指P、Si两种元素中的任意一种；Y指Mo、W两种元素中的任意一种。
所述c步骤中有机溶剂为碳酸丙烯酯和碳酸乙烯酯，其中：多金属氧酸锂盐、碳酸丙烯酯和碳酸乙烯酯的比为1:4:5。
所述b步骤储能器件正极极片的制备中：多金属氧酸锂导电聚合物、聚偏氟乙烯和导电炭黑的比为（0.5-47）:（0.5-47）:1.5:1。
所述b步骤中：多金属氧酸锂导电聚合物、聚偏氟乙烯和导电炭黑的比为22.5:25:1.5:1。
所述b步骤储能器负极极片的制备中：多金属氧酸锂导电聚合物、聚偏氟乙烯和导电炭黑的比为47.5：1.5：1。
还包括e. 测试
将装配好的储能器件进行化成，化成完毕后按如下流程进行测试：
1. 静止10分钟；
2. 按0.5C 的电流充电至3.8V；
3. 静止10分钟；
4. 按0.5C的电流放电至2.0V，记录放电容量，放电时间；
5. 按所记录的放电容量，放电时间，计算放电能量密度和功率密度；
本发明具有以下优点：
1. 通过多金属氧酸锂盐氧化聚合导电聚合物单体形成多金属氧酸锂导电聚合物，使多金属氧酸锂盐附着在导电聚合物骨架上，由于锂离子可以在多金属氧酸阴离子骨架中自由传输，给锂离子传输形成通道；而多金属氧酸锂导电聚合物又能增强导电性，给电子传输形成通道，满足了锂离子和电子传输的双重要求；
2. 在多金属氧酸锂导电聚合物制备过程中，多金属氧酸锂盐溶液是逐滴加入导电聚合物单体溶液，该方法可保证制备出的导电聚合物W颗粒小，比表面积大，比面积越大所储存的电荷也越大，能满足此储能器件的功率需求。
3. 储能器件正极浆料的配置过程加入了45%比例的三元正极材料（LixNi3Co3Mn3），在锂离子电池中LixNi3Co3Mn3材料容量大，充放电电压平台高，能满足本储能器件的电压需求；加入了50%的多金属氧酸锂导电聚合物，此种材料颗粒小，比表面积大，能满足此储能器件的功率需求。将两种物质混合，可以将电压和功率两者优势相结合。
4. 储能器件负极浆料的活性物质完全为多金属氧酸锂导电聚合物，而传统锂离子电池负极浆料的活性物质为石墨，多金属氧酸锂导电聚合物相比于石墨有着表面积大，能储存更多电荷，能提高储能器件的功率密度。
5. 储能器件所用电解液中的电解质盐为多金属氧酸锂盐，此盐的特征在于锂离子能在多金属氧酸阴离子骨架中自由传输，与储能器件中多金属氧酸锂导电聚合物中的多金属氧酸阴离子骨架作用一致，能将优势在电解液中再次发挥。
具体实施方式
实施例1
(1) 按1：4的摩尔比例分别配制多金属氧酸锂盐Li3 PMo 12O40溶液和苯胺单体溶液；
(2) 将配制的多金属氧酸锂盐溶液逐滴加入苯胺单体溶液，边加边搅拌，在室温下反应16小时，然后用蒸馏水和酒精洗涤反应过后的固体物质，再将洗涤过后的物质置于40-200℃干燥箱中干燥2-10小时，制得多金属氧酸锂导电聚合物（或称聚苯胺）。多金属氧酸锂盐溶液采用逐滴加入方式加入导电聚合物单体溶液，常温是指在10-40℃。
b. 储能器件极片的制备
储能器件正极浆料的配置比例如下：
多金属氧酸锂导电聚合物：LixNi3Co3Mn3：聚偏氟乙烯: 导电炭黑按（0.5-47）:（0.5-47）:1.5:1的配比，在N-甲基吡咯烷酮（NMP）溶剂中配置成浆料，并将浆料涂覆在铝箔上，再经冷压，切片，叠片制得储能器件的正极极片。
储能器件负极浆料的配置比例如下：
多金属氧酸锂导电聚合物：聚偏氟乙烯: 导电炭黑按47.5：1.5：1的比在NMP溶剂中配置成浆料，并将浆料涂覆在铜箔上，再经冷压，切片，叠片制得储能器件的负极极片。
c. 电解液的制备
将多金属氧酸锂盐作为电解质盐，与有机溶剂按如下比例配置成电解液。Li3 PMo12O40：碳酸丙烯酯（PC）：碳酸乙烯酯（EC）=1：4：5。
d. 储能器件的装配
将b步骤制备的极片进行铝塑封装，并注入c步骤所制备电解液，完成储能器件的装配。
e. 测试
将装配好的储能器件进行化成，化成完毕后按如下流程进行测试：
1. 静止10分钟；
2. 按0.5C 的电流充电至3.8V；
3. 静止10分钟；
4. 按0.5C的电流放电至2.0V，记录放电容量，放电时间；
5. 按所记录的放电容量，放电时间，计算放电能量密度和功率密度；
实施例2
按1：3的摩尔比例分别配制多金属氧酸锂磷钨酸锂Li3PW12O40溶液和吡咯单体溶液，将配制的磷钨酸锂Li3PW12O40溶逐滴加入吡咯单体溶液，制得多金属氧酸锂导电聚合物（或聚吡咯）。
储能器件正极浆料的配置比例如下：
多金属氧酸锂导电聚合物：LixNi3Co3Mn3：聚偏氟乙烯: 导电炭黑=22.5:25:1.5:1，按此比例在NMP溶剂中配置成浆料，并将浆料涂覆在铝箔上，再经冷压，切片，叠片制得储能器件的正极极片。
储能器件负极浆料的配置比例如下：
聚吡咯：聚偏氟乙烯: 导电炭黑=47.5：1.5：1；
按如下比例配置成电解液，Li3PW12O40：碳酸丙烯酯（PC）：碳酸乙烯酯（EC）=1：4：5。
其余同实施例1，制作步骤及测试方法同实施例1。
实施例3
按1：9的摩尔比例分别配制多金属氧酸锂磷钨酸锂Li4SiW12O40溶液和吡咯单体溶液，将配制的磷钨酸锂Li4SiW12O40溶逐滴加入吡咯单体溶液，制得多金属氧酸锂导电聚合物（或聚吡咯）。
储能器件正极浆料的配置比例如下：
多金属氧酸锂导电聚合物：LixNi3Co3Mn3（三元正极材料）：聚偏氟乙烯: 导电炭黑按22.5:25:1.5:1比例在NMP（N-甲基吡咯烷酮）溶剂中配置成浆料，并将浆料涂覆在铝箔上，再经冷压，切片，叠片制得储能器件的正极极片。
储能器件负极浆料的配置比例如下：
多金属氧酸锂导电聚合物：聚偏氟乙烯: 导电炭黑=47.5：1.5：1；
按如下比例配置成电解液，Li4SiW12O40：碳酸丙烯酯（PC）：碳酸乙烯酯（EC）=1：4：5。
其余同实施例1，制作步骤及测试方法同实施例1。
实施例4
按1：4的摩尔比例分别配制多金属氧酸锂磷钨酸锂Li3PMo12O40溶液和吡咯单体溶液，将配制的磷钨酸锂Li3PMo12O40溶逐滴加入吡咯单体溶液，制得多金属氧酸锂导电聚合物（或聚吡咯）。
储能器件正极浆料的配置比例如下：
多金属氧酸锂导电聚合物：LixNi3Co3Mn3：聚偏氟乙烯: 导电炭黑，按22.5:25:1.5:1的比例在NMP溶剂中配置成浆料，并将浆料涂覆在铝箔上，再经冷压，切片，叠片制得储能器件的正极极片。
储能器件负极浆料的配置比例如下：
聚吡咯：聚偏氟乙烯: 导电炭黑按47.5：1.5：1配制。
按如下比例配置成电解液，Li4SiW12O40：碳酸丙烯酯（PC）：碳酸乙烯酯（EC）=1：4：5。
其余同实施例1，制作步骤及测试方法同实施例1。
实施例5
按1：8的摩尔比例分别配制多金属氧酸锂磷钨酸锂Li3PW12O40溶液和苯胺单体溶液，将配制的磷钨酸锂Li3PW12O40溶逐滴加入苯胺单体溶液，制得多金属氧酸锂导电聚合物（或聚苯胺）。
储能器件正极浆料的配置比例如下：
多金属氧酸锂导电聚合物：LixNi3Co3Mn3：聚偏氟乙烯: 导电炭黑按22.5:25:1.5:1的比例在NMP溶剂中配置成浆料，并将浆料涂覆在铝箔上，再经冷压，切片，叠片制得储能器件的正极极片。
储能器件负极浆料的配置比例如下：
多金属氧酸锂导电聚合物：聚偏氟乙烯: 导电炭黑按47.5：1.5：1配制；
按如下比例配置成电解液，Li3PW12O40：碳酸丙烯酯（PC）：碳酸乙烯酯（EC）=1：4：5。
其余同实施例1。制作步骤及测试方法同实施例1。
对比例1
储能器件正极浆料的配置比例如下：
LixNi3Co3Mn3：聚偏氟乙烯: 导电炭黑=95%：3%：2%，按此比例在NMP溶剂中配置成浆料，并将浆料涂覆在铝箔上，再经冷压，切片，叠片制得储能器件的正极极片。
储能器件负极浆料的配置比例如下：
石墨：聚偏氟乙烯: 导电炭黑=95%：3%：2%制作步骤及测试方法同实施例1。
所用电解液为传统锂离子电池用电解液，即对比例1所制备的为三元体系的锂离子电池。
其余同实施例1。
对比例2
按1：8的摩尔比例分别配制多金属氧酸锂磷钨酸锂Li3PW12O40溶液和苯胺单体溶液，储能器件正极浆料的配置比例如下：
聚苯胺：聚偏氟乙烯: 导电炭黑=95%：：3%：2%，按此比例在NMP溶剂中配置成浆料，并将浆料涂覆在铝箔上，再经冷压，切片，叠片制得储能器件的正极极片。
储能器件负极浆料的配置比例如下：
聚苯胺：聚偏氟乙烯: 导电炭黑=95%：3%：2%制作步骤及测试方法同实施例1。
其余同实施例1，即对比例2中所制备的为聚苯胺为活性物质的超级电容器
能量密度和功率密度结果详见表
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 对比例1 对比例2
能量密度（Wh/Kg） 103 79 116 83 91 127 17
功率密度（W/Kg） 489 839 381 705 593 15 1294
从能量密度和功率密度测试结果看出，本发明所制备的储能器件能量密度和功率密度介于锂离子电池和超级电容器之间，在实际应用中可作为两者之间的过渡产品。

Claims (6)

1.一种导电聚合物锂离子储能器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤，
a. 电极材料的制备：
(1) 按1：（1-9）的摩尔比例分别配制多金属氧酸锂盐溶液和导电聚合物单体溶液；
(2) 将配制的多金属氧酸锂盐溶液加入导电聚合物单体溶液，搅拌，在常温下反应1-24小时，然后用蒸馏水和酒精洗涤反应过后的固体物质，再将洗涤过后的固体物质置于40-200℃干燥箱中干燥2-10小时，制得多金属氧酸锂导电聚合物；
b. 储能器极片的制备：
(1)储能器件正极极片的制备：
将多金属氧酸锂导电聚合物、三元正极材料、聚偏氟乙烯和导电炭黑按一定比例在N-甲基吡咯烷酮溶剂中配置成浆料，将浆料涂覆在铝箔上，再经冷压，切片，叠片制得储能器件的正极极片；
(2)储能器负极极片的制备：
将多金属氧酸锂导电聚合物、聚偏氟乙烯和导电炭黑按一定比例在N-甲基吡咯烷酮溶剂中配置成浆料，并将浆料涂覆在铜箔上，再经冷压，切片，叠片制得储能器件的负极极片；
c. 电解液的制备：
将多金属氧酸锂盐作为电解质盐，与有机溶剂按比例配置成电解液；
d. 储能器的制备：
将b步骤制备的极片进行铝塑封装，并注入c步骤所制备的电解液，制得所述的储能器。
2.根据权利要求1所述的导电聚合物锂离子储能器的制备方法，其特征在于：所述的导电聚合物单体为：聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩中的一种或者多种的混合；所述多金属氧酸锂盐为包括Li3XY12O40，Li4XY12O40中的一种或者多种的混合物；其中X指P、Si两种元素中的任意一种；Y指Mo、W两种元素中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的导电聚合物锂离子储能器的制备方法，其特征在于：所述c步骤中有机溶剂为碳酸丙烯酯和碳酸乙烯酯，其中：多金属氧酸锂盐、碳酸丙烯酯和碳酸乙烯酯的比为1:4:5。
4.根据权利要求1所述的导电聚合物锂离子储能器的制备方法，其特征在于：所述b步骤储能器件正极极片的制备中：多金属氧酸锂导电聚合物、聚偏氟乙烯和导电炭黑的比为（0.5-47）:（0.5-47）:1.5:1。
5.根据权利要求4所述的导电聚合物锂离子储能器的制备方法，其特征在于：所述b步骤中：多金属氧酸锂导电聚合物、聚偏氟乙烯和导电炭黑的比为22.5:25:1.5:1。
6.根据权利要求1所述的导电聚合物锂离子储能器的制备方法，其特征在于：所述b步骤储能器负极极片的制备中：多金属氧酸锂导电聚合物、聚偏氟乙烯和导电炭黑的比为47.5：1.5：1。
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