CN109545567A - 一种全固态电池型电容器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种全固态电池型电容器，包括正极、负极、介于正负极之间的固态电解质及外包装，固态电解质为可以传导锂离子的硫磷基化合物无机快离子导体，电导率为10‑4～10‑2S/cm，正极活性物质为含锂金属氧化物与多孔碳按1～50:99～50混合得到的混合物，质量比例为1～50:99～50；负极活性物质为多孔碳、硬碳、软碳、钛酸锂中的一种或多种；上述全固态电池型电容器具有工作电压高、功率特性好、能量密度高、使用安全的优点。

Description

一种全固态电池型电容器
技术领域
本发明涉及一种电化学储能器件，特别涉及一种全固态电池型电容器。
背景技术
在全球高度重视气候变化与节能减碳的趋势中，新能源产业成为新世纪的战略新兴产业之一。作为新能源产业的重要支撑和辅助技术，储能新材料产业备受各方关注。在我国，随着纯电动汽车和混合动力汽车的快速发展，各种应用问题也随之出现，对储能装置的能量密度、功率密度、使用寿命、安全性提出了更高的要求。
目前，商业化最成熟的两种电化学储能技术，一种是锂离子电池，正极采用含锂金属氧化物作为活性材料，负极采用石墨作为活性炭材料，通过正负极电化学嵌锂储存能量，单体能量密度可达150Wh/kg以上，然而其功率密度仅为100～500W/kg，功率性能差，循环寿命仅～500次；另外一种是双电层超级电容器，该器件采用高比表面积活性炭为正负极活性材料，通过物理吸附电荷储存能量，因此其功率密度可达5000W/kg以上，循环寿命达10000次以上，2～5Wh/kg，续航能力受限，不能长时间供电。兼具上述两者优点的锂离子电容器，即电池型电容器，成为人们研究热点。
常规的电池型电容器原理上采用了负极通过电化学嵌Li+、正极采用物理吸附PF6ˉ等阴离子进行储能，电解液为液态有机体系，工作电压在3.8V，能量密度为10～20Wh/kg，功率密度在3000～5000W/kg，电解液为有机液态电解液，缺点在于安全性能差，在滥用条件下很容易起火爆炸，安全性能差，使用温度窗口窄。近年来，以固体材料为电解质的固态锂电池得到了长足发展，其优点在于，采用固态电解质替代液态电解液的储能器件，安全性得到大幅度提升，可以有效抑制由于撞击或锂枝晶形成时，穿透聚烯烃隔膜造成的电池短路的致命危险，使用温度窗口也得到扩展。专利CN103337376A公开了一种全固态卷绕式超级电容器，其正负极均采用碳纳米材料或碳纳米复合材料，电解质为聚乙烯醇-酸的水凝胶、壳聚糖-离子液体，聚环氧乙烷-LiN(CF3SO2)2、聚甲基丙烯酸甲酯-碳酸乙烯酯或碳酸二甲酯-LiN(CF3SO2)2，严格来讲该超级电容器不是全固态的，且工作电压上限仅为0.8V，能量密度仅为0.2～12.1Wh/kg。专利CN105826086A公开了一种基于SiC纳米阵列的柔性全固态超级电容器，其采用柔性碳布、石墨烯膜上生长碳化硅或氮掺杂的或铝掺杂的碳化硅纳米线阵列作为超级电容器的正负极材料，电解质为聚乙烯醇、磷酸和水的混合物，工作电压上限仅为0.6V，能量密度低下。发明专利CN106558422A的电极材料为石墨化碳纳米管纸、电解质为聚乙烯醇-硫酸或聚乙烯醇-磷酸混合物，与专利CN105826086A类似，存在着相同的电压低下的问题。专利CN106876146A公开了采用T-Nb2O5/还原氧化石墨烯或T-Nb2O5/碳纳米管为负极材料及专利CN107680825A公开了采用TiO2(B)@C/还原氧化石墨烯、TiO2(B)@碳/氧化石墨烯或TiO2(B)@碳/碳纳米管为负极材料的固态锂离子电容器，此两项专利电解质均为：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，其所谓的固态电解质其实为凝胶电解质，方法是直接将离子液体和聚合物共混成膜，其中含有液体成分，尚不能称之为全固态电解质。
发明内容
本发明为了解决上述存在的问题，提供了一种全固态电池型电容器。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种全固态电池型电容器，包括正极、负极、介于正负极之间的固态电解质，所述固态电解质为可以传导锂离子的含氧或含卤素的硫磷基化合物无机快离子导体，离子电导率为10-4～10-2S/cm。
所述硫磷基化合物无机快离子导体具有化学式LixMyPzSmXn，其中M为Si,Ge,Sn,Pb中的一种或多种；X为F,Cl,Br,I,O中的一种或多种；
当X为F、Cl、Br、I时，为含卤素的硫磷基化合物无机快离子导体，x+4y+5z＝2m+n；
当X为O时，含氧的硫磷基化合物无机快离子导体，x+4y+5z＝2m+2n；且x，y，z，m，n均不为0。
所述的正极由正极活性物质、含氧的硫磷基化合物无机快离子导体、导电剂、集流体构成，其中正极活性物质为含锂金属氧化物与多孔碳的混合物，其中，所述含锂金属氧化物与多孔碳的质量比例为1～50:99～50；
所述的负极由负极活性物质、含卤素的硫磷基化合物无机快离子导体、导电剂、集流体构成，其中负极活性物质为多孔碳、硬碳、软碳、钛酸锂中的一种或多种。
所述含锂金属氧化物为钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、镍锰酸锂、磷酸亚铁锂、磷酸锰锂、磷酸钒锂中的一种或多种。
所述多孔碳为活性炭、多孔碳纤维、多孔石墨烯、多孔石墨板中的一种或多种。
所述正极是将正极活性物质、含氧的硫磷基化合物无机快离子导体、导电剂按质量比为(50～90):(5～40):(5～10)混合后压实于正极集流体上，经烘干、裁切后得到。
所述负极是将负极活性物质、含卤素的硫磷基化合物无机快离子导体、导电剂按质量比为(50～90):(5～40):(5～10)混合后压实于负极集流体上，经烘干、裁切后得到。
所述正极与负极的导电剂为气相生长纳米碳纤维、碳黑、乙炔黑、石墨烯中的一种或多种。
所述正极集流体为铝箔，负极集流体为铜箔，正、负极集流体厚度为10～30μm。所述的外包装材料材质为铝塑膜。
上述所述全固态电池型电容器的内部构造形式为负极/固态电解质/正极/固态电解质/负极/固态电解质/正极/固态电解质/负极······，且负极总是把正极包住。
本发明所具有的优点：相对于现有技术，本发明采用固态硫化物无机快离子导体为电解质的叠片式全固态电池型电容器，在充放电循环过程中固态电解质具备快速传导锂离子作用，有效避免在反复充放电过程中由于锂枝晶的形成所带来的安全隐患，也可以避免在滥用条件下由于隔膜穿透导致正负极短路带来的着火乃至爆炸的危险；正极中添加有利于离子扩散传输的多孔碳材料，可以大大提升电池型电容器的倍率性能；负极采用多孔碳、硬碳、软碳、钛酸锂材料，同样可以提升器件的大电流充放电能力；通过电极薄型化设计、增加电极中导电剂量措施，进一步提升提高大电流工作能力；固态电池型电容器的工作电压可达4.1V，极大提高了能量密度。
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明作进一步的说明。
实施例1：
正极片制作：
将正极活性物质为镍钴锰酸锂、与活性炭按照80:20的质量比进行干混，之后将上述干混后正极活性物质、含氧的硫磷基化合物快离子导体Li10GeP2S10O2、导电剂碳黑按质量比70:20:10的比例混合搅拌均匀成混合物，将该混合物压实于厚度为14μm的铝箔集流体上，极片尺寸为3cm×5cm，焊接上铝带极耳。
负极片制作：
将负极活性物质硬碳、含卤素的硫磷基化合物快离子导体Li6.2Si0.2P0.8S4Cl0.5Br0.5、导电剂碳黑按质量比为75:20:5的比例混合搅拌均匀成混合物，将该混合物压实于厚度为8μm的铜箔集流体上，极片尺寸为3.1cm×5.1cm，焊接上镍带极耳。
固态电解质：
以含氧的硫磷基化合物快离子导体Li10GeP2S10O2，离子电导率为4.7×10-4S/cm。
叠片方式构成全固态电池型电容器制作：
以上述电解液含氧的硫磷基化合物快离子导体Li10GeP2S10O2作为固态电解质，离子电导率为4.7×10-4S/cm；
而后按照负极/固态电解质/正极/固态电解质/负极/固态电解质/正极/固态电解质/负极的顺序，采用叠片方式构成全固态电池型电容器，置于铝塑壳体中，封装。
叠片式全固态电池型电容器电化学性能测试：
采用1C倍率电流进行充放电，电压范围为2-4.1V，基于器件的能量密度高达125Wh/kg；5C倍率电流下，能量密度为86Wh/kg，1000次充放电后，容量保持率为95.6％。
实施例2：
将实施例1中正极活性物质中的镍钴锰酸锂换成磷酸亚铁锂，磷酸亚铁锂与活性炭的质量混合比例为80:10，其余与实施例1相同，采用1C倍率电流进行充放电，电压范围为2-3.6V，基于器件的能量密度高达76Wh/kg；5C倍率电流下，能量密度为63Wh/kg，1000次充放电后，容量保持率为97.5％。
实施例3：
将实施例1中正极活性物质中的镍钴锰酸锂换成镍钴铝酸锂，镍钴铝酸锂与活性炭的质量混合比例为80:20，其余与实施例1相同，采用1C倍率电流进行充放电，电压范围为2-4.1V，基于器件的能量密度高达115Wh/kg；5C倍率电流下，能量密度为83Wh/kg，1000次充放电后，容量保持率为96.7％。
实施例4：
将实施例1中负极活性物质换成软碳，其余与实施例1相同，采用1C倍率电流进行充放电，电压范围为2-4.1V，基于器件的能量密度高达126Wh/kg；5C倍率电流下，能量密度为82Wh/kg，1000次充放电后，容量保持率为95.8％。
实施例5：
将实施例1中负极活性物质换成钛酸锂，其余与实施例1相同，采用1C倍率电流进行充放电，电压范围为1.6-2.7V，基于器件的能量密度高达72Wh/kg；5C倍率电流下，能量密度为65Wh/kg，1000次充放电后，容量保持率为98.8％。
实施例6：
将实施例1中固态电解质换成Li9Sn0.5Si0.5P2S11I，电解质室温锂离子电导率为2.0×10─3S cm─1，其余与实施例1相同，采用1C倍率电流进行充放电，电压范围为2～4.1V，基于器件的能量密度高达130Wh/kg；5C倍率电流下，能量密度为89Wh/kg，1000次充放电后，容量保持率为98.5％。
实施例7：
将实施例1中固态电解质换成Li7PbP2S10F，电解质室温锂离子电导率为4.2×10─4Scm─1，其余与实施例1相同，采用1C倍率电流进行充放电，电压范围为2-4.1V，基于器件的能量密度高达124Wh/kg；5C倍率电流下，能量密度为85Wh/kg，1000次充放电后，容量保持率为94.6％。
实施例8：
将实施例1中正极活性物质中的活性炭换成多孔石墨烯，其余与实施例1相同，采用1C倍率电流进行充放电，电压范围为2-4.1V，基于器件的能量密度高达128Wh/kg；5C倍率电流下，能量密度为95Wh/kg，1000次充放电后，容量保持率为96.7％。
实施例9：
将实施例1中正极活性物质中镍钴锰酸锂与活性炭的质量比例为90:10，其余与实施例1相同，采用1C倍率电流进行充放电，电压范围为2-4.1V，基于器件的能量密度高达127Wh/kg；5C倍率电流下，能量密度为93Wh/kg，1000次充放电后，容量保持率为94.8％。
实施例10：
将实施例1中正极活性物质中的镍钴锰酸锂与活性炭的质量比例为50:50，将正极活性物质、含氧的硫磷基化合物快离子导体Li10GeP2S10O2、导电剂碳黑按质量比75:15:10的比例，其余与实施例1相同，采用1C倍率电流进行充放电，电压范围为2-4.1V，基于器件的能量密度高达95Wh/kg；5C倍率电流下，能量密度为68Wh/kg，1000次充放电后，容量保持率为92.8％。
实施例11：
将实施例1中正极活性物质中的导电剂换成石墨烯，其余与实施例1相同，采用1C倍率电流进行充放电，电压范围为2～4.1V，基于器件的能量密度高达130Wh/kg；5C倍率电流下，能量密度为90Wh/kg，1000次充放电后，容量保持率为98.7％。
实施例12：
将实施例1中正极活性物质中的导电剂换成碳纳米管，其余与实施例1相同，采用1C倍率电流进行充放电，电压范围为2-4.1V，基于器件的能量密度高达129Wh/kg；5C倍率电流下，能量密度为88Wh/kg，1000次充放电后，容量保持率为97.3％。
实施例13：
将实施例1中叠片方式构成全固态电池型电容器改为卷绕方式构成全固态电池型电容器，其余与实施例1相同，采用1C倍率电流进行充放电，电压范围为2-4.1V，基于器件的能量密度高达127Wh/kg；5C倍率电流下，能量密度为84Wh/kg，1000次充放电后，容量保持率为94.2％。
实施例14
将实施例2中叠片方式构成全固态电池型电容器改为卷绕方式构成全固态电池型电容器，其余与实施例2相同，采用1C倍率电流进行充放电，电压范围为2-3.6V，基于器件的能量密度高达78Wh/kg；5C倍率电流下，能量密度为60Wh/kg，1000次充放电后，容量保持率为96.5％。
实施例15
将实施例4中叠片方式构成全固态电池型电容器改为卷绕方式构成全固态电池型电容器，其余与实施例4相同，采用1C倍率电流进行充放电，电压范围为2-3.6V，基于器件的能量密度高达128Wh/kg；5C倍率电流下，能量密度为79Wh/kg，1000次充放电后，容量保持率为94.6％。

Claims (9)

1.一种全固态电池型电容器，包括正极、负极、介于正负极之间的固态电解质，其特征在于：所述固态电解质为可以传导锂离子的含氧或含卤素的硫磷基化合物无机快离子导体，离子电导率为10-4～10-2S/cm。
2.按权利要求1所述的全固态电池型电容器，其特征在于：所述硫磷基化合物无机快离子导体具有化学式LixMyPzSmXn，其中M为Si,Ge,Sn,Pb中的一种或多种；X为F,Cl,Br,I,O中的一种或多种；
当X为F、Cl、Br、I时，为含卤素的硫磷基化合物无机快离子导体，x+4y+5z＝2m+n；
当X为O时，含氧的硫磷基化合物无机快离子导体，x+4y+5z＝2m+2n；且x，y，z，m，n均不为0。
3.按权利要求1或2所述的全固态电池型电容器，其特征在于：所述的正极由正极活性物质、含氧的硫磷基化合物无机快离子导体、导电剂、集流体构成，其中正极活性物质为含锂金属氧化物与多孔碳的混合物，其中，所述含锂金属氧化物与多孔碳的质量比例为1～50:99～50；
所述的负极由负极活性物质、含卤素的硫磷基化合物无机快离子导体、导电剂、集流体构成，其中负极活性物质为多孔碳、硬碳、软碳、钛酸锂中的一种或多种。
4.按权利要求3所述的全固态电池型电容器，其特征在于：所述含锂金属氧化物为钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、镍锰酸锂、磷酸亚铁锂、磷酸锰锂、磷酸钒锂中的一种或多种。
5.按权利要求3所述的全固态电池型电容器，其特征在于：所述正极是将正极活性物质、含氧的硫磷基化合物无机快离子导体、导电剂按质量比为(50～90):(5～40):(5～10)混合后压实于正极集流体上，经烘干、裁切后得到。
6.按权利要求3所述的全固态电池型电容器，其特征在于：所述负极是将负极活性物质、含卤素的硫磷基化合物无机快离子导体、导电剂按质量比为(50～90):(5～40):(5～10)混合后压实于负极集流体上，经烘干、裁切后得到。
7.按权利要求5或6所述的全固态电池型电容器，其特征在于：所述正极与负极的导电剂为气相生长纳米碳纤维、碳黑、乙炔黑、石墨烯中的一种或多种。
8.按权利要求5或6所述的全固态电池型电容器，其特征在于：所述正极集流体为铝箔，负极集流体为铜箔，正、负极集流体厚度为10～30μm。
9.按权利要求1所述的全固态电池型电容器，其特征在于：所述权利要求1所示全固态电池型电容器的内部构造形式为负极/固态电解质/正极/固态电解质/负极/固态电解质/正极/固态电解质/负极······，且负极总是把正极包住。
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