CN107958790A - 超级锂离子电容器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超级锂离子电容器及其制备方法，所述超级锂离子电容器包括外壳，在所述外壳内设置有正极及负极，所述正极与所述负极相对设置，隔膜设置在所述正极与所述负极之间，所述外壳内充有电解液，其中，所述正极包括正极集流体及设置在所述正极集流体上的正极活性物质层，所述负极包括负极集流体及设置在所述负极集流体上的负极活性物质层，所述正极活性物质层与所述负极活性物质层相对设置，所述正极集流体及所述负极集流体均为无孔集流体。其优点在于，制备工艺简单，正极及负极的集流体为无孔结构，不需经过特殊处理，提高了生产效率，并大大降低了成本，能量密度可达到30Wh/kg以上，循环寿命可达到10万次以上，具有很好的市场应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及新能源领域，尤其涉及一种超级锂离子电容器及其制备方法。
背景技术
随着社会的发展，人们对储能器件的能量密度和功率密度要求越来越高，常用的锂离子电池、双电层电容器等储能器件已经不能满足需求。超级锂离子电容器是一种新型绿色环保储能器件，集锂离子电池和双电层电容器优点于一身，具有功率密度大、能量密度高、循环性能好、使用寿命长、小型化等特点，在电子产品、风力发电、太阳能路灯、电动汽车等方面有着广泛的应用前景。
超级锂离子电容器的正极一般选用双电层电极，负极一般选用硬炭电极，通过对负极进行锂离子的预掺杂，使负极预先获得一定的储能能力，从而提高体系的能量密度。
目前，超级锂离子电容器的正极集流体和负极集流体均采用穿孔结构，以便对负极进行预掺杂处理，具有穿孔结构的集流体能够为超级锂离子电容器负极均匀且迅速的预掺杂锂离子提供通道，降低负极电位，提高超级锂离子电容器的能量密度和功率密度。
但是，这种预掺杂的方法涉及到的工艺非常复杂，主要体现在掺杂时间非常长，而且对原材料需要进行特殊处理，这对生产效率提高和成本降低有相当的难度。
因此，需要一种新型的超级锂离子电容器及其制作方法，解决上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种制备工艺简单，且集流体不需要特殊处理的超级锂离子电容器及其制备方法。
为了解决上述问题，本发明提供了一种超级锂离子电容器，包括外壳，在所述外壳内设置有正极及负极，所述正极与所述负极相对设置，隔膜设置在所述正极与所述负极之间，所述外壳内充有电解液，其中，所述正极包括正极集流体及设置在所述正极集流体上的正极活性物质层，所述负极包括负极集流体及设置在所述负极集流体上的负极活性物质层，所述正极活性物质层与所述负极活性物质层相对设置，所述正极集流体及所述负极集流体均为无孔集流体。
进一步，所述正极集流体为无孔的铝箔，所述负极集流体为无孔的铜箔。
进一步，所述正极活性物质层包括第一活性物质层及预嵌锂层，所述第一活性物质层设置在所述正极集流体表面，所述预嵌锂层设置在所述第一活性物质层表面。
进一步，所述预嵌锂层为金属锂片。
进一步，所述预嵌锂层的尺寸与所述第一活性物质层的尺寸相同。
进一步，所述正极活性物质的容量与所述负极活性物质的容量比值范围为1：1～1：4。
本发明还提供一种上述的超级锂离子电容器的制备方法，包括如下步骤：提供一正极集流体及一负极集流体，所述正极集流体及所述负极集流体均为无孔集流体；将第一活性物质涂覆在所述正极集流体上，形成第一活性物质层；将具有第一活性物质层的正极集流体制成正极极片；提供一预嵌锂层，将所述预嵌锂层覆盖在所述第一活性物质层表面，形成正极；将负极活性物质层涂覆在所述负极集流体上，涂覆有负极活性物质层的负极集流体制成负极；将正极、负极及隔膜制作形成电芯，并注入电解液，封装形成超级锂离子电容器单体；采用恒电流的方法对所述超级锂离子电容器单体进行充电，使所述负极获得预嵌锂源。
进一步，所述第一活性层物质包括按照预定比例混合的正极活性物质、导电剂及粘结剂。
进一步，所述预嵌锂层为金属锂片，将所述金属锂片压制在第一活性物质层表面。
进一步，将具有第一活性物质层的正极集流体制成正极极片的步骤为，将第一活性物质涂覆在正极集流体上后，经过烘干、碾压、裁切、真空干燥的步骤制成正极极片。
进一步，涂覆有负极活性物质层的负极集流体制成负极的步骤为，将负极活性物质涂覆在负极集流体上后，经过烘干、碾压、裁切、真空干燥的步骤制成负极。
本发明的优点在于，用锂离子预掺杂方法使得负极的初始荷电状态达到30％-70％，制备工艺简单，正极及负极的集流体为无孔结构，不需要经过特殊处理，提高了生产效率，并大大降低了成本，该超级锂离子电容器的能量密度可达到30Wh/kg以上，循环寿命可达到10万次以上，具有很好的市场应用前景。
附图说明
图1是本发明超级锂离子电容器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的超级锂离子电容器及其制备方法的具体实施方式做详细说明。
图1是本发明超级锂离子电容器的结构示意图。请参见图1所示，本发明超级锂离子电容器包括外壳1，在所述外壳1内设置有正极2及负极3。所述正极2与所述负极3相对设置。隔膜4设置在所述正极2与所述负极3之间，所述隔膜包括聚乙烯微孔膜或聚丙烯微孔膜。
所述正极2包括正极集流体20及设置在所述正极集流体20上的正极活性物质层21。所述正极集流体20为无孔集流体，例如无孔的铝箔。所述正极活性物质层21包括第一活性物质层211及预嵌锂层212，所述第一活性物质层211设置在所述正极集流体20表面，所述预嵌锂层212设置在所述第一活性物质层211表面。在一实施例中，所述预嵌锂层212为金属锂片。所述预嵌锂层212的尺寸与所述第一活性物质层211的尺寸相同，所述第一活性物质层211的活性材料为活性碳。
所述负极3包括负极集流体30及设置在所述负极集流体30上的负极活性物质层31。所述负极集流体30为无孔集流体，例如，无孔的铜箔。所述正极活性物质层21与所述负极活性物质层31相对设置。所述负极活性物质层31的活性材料可以为硬炭和软碳中的一种或两种。所述正极2活性物质的容量与所述负极3活性物质的容量比值范围为1：1～1：4。
所述外壳1内充有电解液。所述电解液由溶质、溶剂和添加剂组成，溶质为六氟磷酸锂、四氟硼酸锂，溶剂为环状碳酸酯和链状碳酸酯混合而成，添加剂包含成膜剂。所述环状碳酸酯包括丙烯碳酸酯、乙烯碳酸酯中的一种或两种；所述链状碳酸酯包括二甲基碳酸酯、二乙基碳酸酯和乙基甲基碳酸酯中的一种或两种。所述成膜稳定剂选自碳酸亚乙烯酯、亚硫酸乙烯酯、二氧化硫和二硫化碳的一种或几种。
本发明还提供了上述超级锂离子电容器的制备方法，具体包括如下步骤。
正极的制备：
提供一正极集流体，所述正极集流体为无孔集流体，例如无孔的铝箔。
将第一活性物质涂覆在所述正极集流体上，形成第一活性物质层。所述第一活性物质包括按照预定比例混合的正极活性物质、导电剂及粘结剂。将各个物质混合形成浆料后涂布在正极集流体上。其中，所述正极活性物质可以为活性碳。
将具有第一活性物质层的正极集流体制成正极极片。制成正极极片的方法为将第一活性物质涂覆在正极集流体上后，经过烘干、碾压、裁切、真空干燥的步骤制成正极极片。
提供一预嵌锂层，将所述预嵌锂层覆盖在所述第一活性物质层表面，形成正极。其中，在本具体实施方式中，所述预嵌锂层为金属锂片，将所述金属锂片压制在第一活性物质层表面。
负极的制备：
提供一负极集流体，所述负极集流体为无孔集流体，例如无孔的铜箔。将负极活性物质层涂覆在所述负极集流体上，涂覆有负极活性物质层的负极集流体制成负极。其中，负极活性物质层由按照预定比例混合的负极活性物质、导电剂及粘结剂形成的浆料涂覆在负极集流体上形成，所述负极活性物质为软碳或者硬炭中的一种或两种。涂覆有负极活性物质层的负极集流体制成负极的步骤为，将负极活性物质层涂覆在负极集流体上后，经过烘干、碾压、裁切、真空干燥的步骤制成负极。
超级锂离子电容器单体的制备：将正极、负极及隔膜制作形成电芯，并注入电解液，封装形成超级锂离子电容器单体；
预嵌锂步骤：采用恒电流的方法对所述超级锂离子电容器单体进行充电，使所述负极获得预嵌锂源。所述恒电流的方法指的是采用恒定的电流对所述超级锂离子电容器单体进行充电。
性能表征：将制作好的超级锂电容进行充放电，进行全性能测试。
本发明所述的超级锂离子电容器的制备方法，用锂离子预掺杂方法使得负极的初始荷电状态达到30％-70％，制备工艺简单，正极及负极的集流体为无孔结构，不需要经过特殊处理，提高了生产效率，并大大降低了成本，该超级锂离子电容器的能量密度可达到30Wh/kg以上，循环寿命可达到10万次以上，具有很好的市场应用前景。
下面列举本发明超级锂离子电容器制备方法的几个实施例，以进一步说明本发明技术方案。
实施例1
正极制作：将活性碳、导电剂(乙炔黑)和粘结剂(丁苯橡胶)按照92：3：5的比例混合，调成浆料后涂布于20μm铝箔上，面密度155g/m2，经100℃鼓风干燥、碾压、裁片、24h真空干燥(110～120℃)制作成极片；在干燥房(露点温度-45℃)内将锂片用辊压机辊压至5μm，裁成与活性炭极片一样的尺寸，压制在活性碳极片表面。
负极制作：将硬碳、导电剂(超级炭黑)和粘结剂(聚偏氟乙烯)按照88：5：7的比例混合调成浆料后涂布在16μm无孔铜箔上，面密度为20g/m2，经烘干(105～110℃)、碾压、裁片、24h真空干燥(110～120℃)制作成负极片。
以聚丙烯隔膜卷绕成电芯，然后注入1mol/L LiPF6的电解液，其中溶剂为乙烯碳酸酯、二甲基碳酸酯和乙基甲基碳酸酯，体积比为1：1：1，添加剂为成膜稳定剂碳酸亚乙烯酯，浓度为1.5％。
以10mA的电流对上述电容单体进行预充掺杂，然后对该单体进行性能测试。
实施例2
正极制作：将活性碳、导电剂(乙炔黑)和粘结剂(聚四氟乙烯)按照91：4：5的比例混合，调成浆料后涂布于20μm铝箔上，面密度170g/m2，经100℃鼓风干燥、碾压、裁片、24h真空干燥(110～120℃)制作成极片；在干燥房(露点温度-45℃)内将锂片用辊压机辊压至6μm，裁成与活性炭极片一样的尺寸，压制在活性碳极片表面。
负极制作：将软碳、导电剂(乙炔黑)和粘结剂(聚偏氟乙烯)按照88：5：7的比例混合调成浆料后涂布在16μm无孔铜箔上，面密度为21g/m2，经烘干(105～110℃)、碾压、裁片、24h真空干燥(110～120℃)制作成负极片。
以聚丙烯隔膜卷绕成电芯，然后注入1mol/L LiPF6的电解液，其中溶剂为乙烯碳酸酯、二甲基碳酸酯和乙基甲基碳酸酯，体积比为1：1：1，添加剂为成膜稳定剂二氧化硫，浓度为1.0％。
以10mA的电流对上述电容单体进行预充掺杂，然后对该单体进行性能测试。
实施例3
正极制作：将活性碳、导电剂(超级炭黑)和粘结剂(聚四氟乙烯)按照90：4：6的比例混合，调成浆料后涂布于16μm铝箔上，面密度160g/m2，经100℃鼓风干燥、碾压、裁片、24h真空干燥(110～120℃)制作成极片；在干燥房(露点温度-45℃)内将锂片用辊压机辊压至6μm，裁成与活性炭极片一样的尺寸，压制在活性碳极片表面。
负极制作：将硬碳、导电剂(超级炭黑)和粘结剂(聚偏氟乙烯)按照90：2：8的比例混合调成浆料后涂布在12μm无孔铜箔上，面密度为23g/m2，经烘干(105～110℃)、碾压、裁片、24h真空干燥(110～120℃)制作成负极片。
以聚乙烯隔膜叠片成电芯，然后注入1mol/L LiPF6的电解液，其中溶剂为乙烯碳酸酯和乙基甲基碳酸酯，体积比为1：1，添加剂为成膜稳定剂二硫化碳，浓度为2.0％。
以10mA的电流对上述电容单体进行预充掺杂，然后对该单体进行性能测试。
实施例4
正极制作：将活性碳、导电剂(超级炭黑)和粘结剂(聚偏氟乙烯)按照90：4：6的比例混合，调成浆料后涂布于16μm铝箔上，面密度160g/m2，经100℃鼓风干燥、碾压、裁片、24h真空干燥(110～120℃)制作成极片；在干燥房(露点温度-45℃)内将锂片用辊压机辊压至7μm，裁成与活性炭极片一样的尺寸，压制在活性碳极片表面。
负极制作：将硬碳、导电剂(超级炭黑)和粘结剂(PVDF)按照90：3：7的比例混合调成浆料后涂布在16μm无孔铜箔上，面密度为20g/m2，经烘干(105～110℃)、碾压、裁片、24h真空干燥(110～120℃)制作成负极片。
以聚乙烯隔膜叠片成电芯，然后注入1.2mol/L LiBF4的电解液，其中溶剂为乙烯碳酸酯和碳酸丙烯酯，体积比为1：1，添加剂为成膜稳定剂亚硫酸乙烯酯，浓度为1.2％。
以10mA的电流对上述电容单体进行预充掺杂，然后对该单体进行性能测试。
实施例5
正极制作：将活性碳、导电剂(超级炭黑)和粘结剂(聚偏氟乙烯)按照90：5：5的比例混合，调成浆料后涂布于22μm铝箔上，面密度160g/m2，经100℃鼓风干燥、碾压、裁片、24h真空干燥(110～120℃)制作成极片；在干燥房(露点温度-45℃)内将锂片用辊压机辊压至7μm，裁成与活性炭极片一样的尺寸，压制在活性碳极片表面。
负极制作：将软碳、导电剂(导电石墨)和粘结剂(PVDF)按照90：3：7的比例混合调成浆料后涂布在16μm无孔铜箔上，面密度为22g/m2，经烘干(105～110℃)、碾压、裁片、24h真空干燥(110～120℃)制作成负极片。
以聚丙烯隔膜叠片成电芯，然后注入1.2mol/L LiBF4的电解液，其中溶剂为乙烯碳酸酯和碳酸丙烯酯，体积比为1：1，添加剂为成膜稳定剂亚硫酸乙烯酯，浓度为1.2％。
以10mA的电流对上述电容单体进行预充掺杂，然后对该单体进行性能测试。
实施例6
正极制作：将活性碳、导电剂(乙炔黑)和粘结剂(丁苯橡胶)按照92：3：5的比例混合，调成浆料后涂布于20μm铝箔上，面密度175g/m2，经100℃鼓风干燥、碾压、裁片、24h真空干燥(110～120℃)制作成极片；在干燥房(露点温度-45℃)内将锂片用辊压机辊压至6μm，裁成与活性炭极片一样的尺寸，压制在活性碳极片表面。
负极制作：将硬碳、软碳、导电剂(超级炭黑)和粘结剂(聚偏氟乙烯)按照58：30：5：7的比例混合调成浆料后涂布在12μm无孔铜箔上，面密度为:22g/m2，经烘干(105～110℃)、碾压、裁片、24h真空干燥(110～120℃)制作成负极片。
以聚乙烯隔膜卷绕成电芯，然后注入1mol/L LiPF6的电解液，其中溶剂为乙烯碳酸酯、二甲基碳酸酯和乙基甲基碳酸酯，体积比为1：1：1，添加剂为成膜稳定剂碳酸亚乙烯酯，浓度为1.2％。
以10mA的电流对上述电容单体进行预充掺杂，然后对该单体进行性能测试。
实施例7
正极制作：将活性碳、导电剂(乙炔黑)和粘结剂(丁苯橡胶)按照92：3：5的比例混合，调成浆料后涂布于25μm铝箔上，面密度180g/m2，经100℃鼓风干燥、碾压、裁片、24h真空干燥(110～120℃)制作成极片；在干燥房(露点温度-45℃)内将锂片用辊压机辊压至6μm，裁成与活性炭极片一样的尺寸，压制在活性碳极片表面。
负极制作：将硬碳、软碳、导电剂(超级炭黑)和粘结剂(聚偏氟乙烯)按照58：30：5：7的比例混合调成浆料后涂布在16μm无孔铜箔上，面密度为:22g/m2，经烘干(105～110℃)、碾压、裁片、24h真空干燥(110～120℃)制作成负极片。
以聚丙烯隔膜卷绕成电芯，然后注入1mol/L LiPF6的电解液，其中溶剂为二甲基碳酸酯、二乙基碳酸酯和乙基甲基碳酸酯，体积比为1：1：1，添加剂为成膜稳定剂碳酸亚乙烯酯，浓度为1.5％。
以10mA的电流对上述电容单体进行预充掺杂，然后对该单体进行性能测试。
实施例8
正极制作：将活性碳、导电剂(超级炭黑)和粘结剂(聚四氟乙烯)按照91：4：5的比例混合，调成浆料后涂布于20μm铝箔上，面密度158g/m2，经100℃鼓风干燥、碾压、裁片、24h真空干燥(110～120℃)制作成极片；在干燥房(露点温度-45℃)内将锂片用辊压机辊压至8μm，裁成与活性炭极片一样的尺寸，压制在活性碳极片表面。
负极制作：将软碳、导电剂(超级碳纤维)和粘结剂(聚偏氟乙烯)按照91：2：7的比例混合调成浆料后涂布在16μm无孔铜箔上，面密度为20g/m2，经烘干(105～110℃)、碾压、裁片、24h真空干燥(110～120℃)制作成负极片。
以聚丙烯隔膜卷绕成电芯，然后注入1mol/L LiPF6的电解液，其中溶剂为乙烯碳酸酯和乙基甲基碳酸酯中，体积比为1：1，添加剂为成膜稳定剂二氧化硫，浓度为1.5％。
以10mA的电流对上述电容单体进行预充掺杂，然后对该单体进行性能测试。
对本发明制备的超级锂离子电容器性能进行测试，其结果如下表所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种超级锂离子电容器，其特征在于，包括外壳，在所述外壳内设置有正极及负极，所述正极与所述负极相对设置，隔膜设置在所述正极与所述负极之间，所述外壳内充有电解液，其中，所述正极包括正极集流体及设置在所述正极集流体上的正极活性物质层，所述正极活性物质层包括第一活性物质层及预嵌锂层，所述第一活性物质层设置在所述正极集流体表面，所述预嵌锂层设置在所述第一活性物质层表面，所述负极包括负极集流体及设置在所述负极集流体上的负极活性物质层，所述正极活性物质层与所述负极活性物质层相对设置，所述正极集流体及所述负极集流体均为无孔集流体。
2.根据权利要求1所述的超级锂离子电容器，其特征在于，所述正极集流体为无孔的铝箔，所述负极集流体为无孔的铜箔。
3.根据权利要求1所述的超级锂离子电容器，其特征在于，所述预嵌锂层为金属锂片。
4.根据权利要求1所述的超级锂离子电容器，其特征在于，所述预嵌锂层的尺寸与所述第一活性物质层的尺寸相同。
5.根据权利要求1所述的超级锂离子电容器，其特征在于，所述正极活性物质的容量与所述负极活性物质的容量比值范围为1：1～1：4。
6.一种权利要求1～5任意一项所述的超级锂离子电容器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供一正极集流体及一负极集流体，所述正极集流体及所述负极集流体均为无孔集流体；
将第一活性物质涂覆在所述正极集流体上，形成第一活性物质层；
将具有第一活性物质层的正极集流体制成正极极片；
提供一预嵌锂层，将所述预嵌锂层覆盖在所述第一活性物质层表面，形成正极；
将负极活性物质层涂覆在所述负极集流体上，涂覆有负极活性物质层的负极集流体制成负极；
将正极、负极及隔膜制作形成电芯，并注入电解液，封装形成超级锂离子电容器单体；
采用恒电流的方法对所述超级锂离子电容器单体进行充电，使所述负极获得预嵌锂源。
7.根据权利要求6所述的超级锂离子电容器的制备方法，其特征在于，所述第一活性层物质包括按照预定比例混合的正极活性物质、导电剂及粘结剂。
8.根据权利要求6所述的超级锂离子电容器的制备方法，其特征在于，所述预嵌锂层为金属锂片，将所述金属锂片压制在第一活性物质层表面。
9.根据权利要求6所述的超级锂离子电容器的制备方法，其特征在于，将具有第一活性物质层的正极集流体制成正极极片的步骤为，将第一活性物质涂覆在正极集流体上后，经过烘干、碾压、裁切、真空干燥的步骤制成正极极片。
10.根据权利要求6所述的超级锂离子电容器的制备方法，其特征在于，涂覆有负极活性物质层的负极集流体制成负极的步骤为，将负极活性物质涂覆在负极集流体上后，经过烘干、碾压、裁切、真空干燥的步骤制成负极。
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