CN107680825A - 一种用于高压固态锂离子电容器不同纳米碳改性的二氧化钛复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电容器负极材料的制备方法，即一种不同纳米碳改性的二氧化钛复合材料及其制备方法。本发明采用拓扑转变改进的水热法制备不同纳米碳改性纳米复合材料。本发明不同的纳米碳改性的二氧化钛复合材料具有高比容量、高能量密度、高功率密度、快速充放电等优异性能，且在大电流下仍能保持很好的充放电性能。
Description
技术领域 本发明涉及一种用于高压固态锂离子电容器不同纳米碳改性的二氧化钛复合材料及其制备方法，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
二氧化钛具有多种晶型，常见的晶型有锐钛矿型、金红石型、TiO2-(B)、板钛矿型等，二氧化钛用于锂离子电池负极材料具有低成本、低毒性、高安全性等特点，是一种理想的锂电负极材料。目前二氧化钛的储锂能力已经从150mAh g-1提高到310mAh g-1，具备了较好的应用基础。二氧化钛晶体本身具有开放的离子通道结构和电子结构灵活的钛离子，使其便于接受外来离子的电子，并可为各种阳离子(Li+,Na+等)的嵌入提供空位。但是由于二氧化钛本身的电子电导率较低(10-5～10-6S/cm)，所以限制了它的实际应用。
碳材料的导电性较高，同时既能够吸附静电用于超级电容器，又可以嵌入锂离子用作锂电池负极，已经被广泛应用于各种储能设备中。因此将碳材料与二氧化钛纳米材料进行复合，既可以提高其电子电导率，又有利于电解液离子在电极中的高速扩散，还能够提供一部分电池容量，大幅度提高其能量密度和功率密度。目前研究较多的与TiO2复合的碳材料主要包括无定形碳、碳纳米管、石墨烯等。无定形碳层的存在可以阻止了TiO2纳米颗粒的团聚，提高了材料的导电性，提高锂离子的扩散系数，从而提高材料的循环性能和材料的电极反应动力。石墨烯片层具有多孔结构且具有较高的导电性，另一方面可以作为集流体，易于电子和离子的传输，从而能够提高复合材料的性能。
开发出高稳定性、高能量密度的固态锂离子电容器仍然是研究者追求的最终目标，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。
本发明中，利用不同的方法对TiO2(B)进行不同纳米碳修饰，发挥不同碳的优势使其具有较优的电化学性能，并采用离子液体聚合物凝胶电解质，并将其组装成高压固态锂离子电容器，分析充放电性能和循环稳定性。
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高压固态锂离子电容器不同纳米碳改性的二氧化钛复合材料及其制备方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种用于高压固态锂离子电容器不同纳米碳改性的二氧化钛复合材料及其制备方法，该方法包括以下步骤：
1)首先，制备分散的石墨烯溶液或者分散的碳纳米管溶液。
2)将纤铁矿型纳米管分散到1-丁基-3-甲基咪唑氯盐(BMIMCl)溶液中，振荡，使BMIM层包覆在样品表面，然后加入石墨烯溶液或者分散的碳纳米管溶液，最后通过煅烧处理使不同纳米碳包覆在TiO2(B)纳米管上。
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TiO2(B)@C/rGO、TiO2(B)@C/GO或TiO2(B)@C/CNT 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TiO2(B)@C/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)、1-甲基-3-己基咪唑四氟硼酸(HMImBF4)、2,3-二甲基-1-辛基咪唑三氟甲基磺酸盐(DMOImTFSI)、2,3-二甲基-1-辛基咪唑四氟硼酸盐(DMOImBF4)、N-甲基-N-丙基吡咯烷二(三氟甲基磺酰)亚胺(P13TFSI)和N-甲基-N-丙基吡咯-二(三氟甲基磺酰)亚胺(PYR13TFSI) 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：实施案例制备的TiO2(B)@C/rGO样品扫描电子显微镜照片；
图2：本发明中实施案例制备的TiO2(B)@C/rGO电极材料的循环伏安曲线.
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TiO2/RGO-C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TiO2(B)@C/rGO、TiO2(B)@C/GO或TiO2(B)@C/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，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)、1-甲基-3-己基咪唑四氟硼酸(HMImBF4)、2,3-二甲基-1-辛基咪唑三氟甲基磺酸盐(DMOImTFSI)、2,3-二甲基-1-辛基咪唑四氟硼酸盐(DMOImBF4)、N-甲基-N-丙基吡咯烷二(三氟甲基磺酰)亚胺(P13TFSI)和N-甲基-N-丙基吡咯-二(三氟甲基磺酰)亚胺(PYR13TFSI)。
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％～25％。
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不同纳米碳改性的二氧化钛复合材料高压固态锂离子电容器。
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