CN110165283A - 一种电容电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电容电池及其制备方法，属于电池技术领域，电容电池，包括由两类电极材料构成的正极、负极，所述正极包括依次涂覆在集流体表面的多孔碳电极浆料和金属锂盐电极浆料；所述的负极包括依次涂覆在集流体表面的无序碳电极浆料和石墨类浆料，并通过简单的浆料涂覆和组装形成电容电池，本发明正负极分别采用两种材料涂覆于集流体上，实现了功率密度和能量密度的统一。

Description

一种电容电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种电容电池及其制备方法，属于电池技术领域。
背景技术
传统超级电容器主要采用双电层吸附原理进行能量存储，难以突破能量密度偏低的缺陷。同时，以快速氧化还原方式进行能量存储的电池性电极则能够很好的弥补电容器性能的不足，通过两者间的“内部串联”方式能够很好的结合超级电容器高功率特性和锂离子电池高能量特性的优点。
由于目前商品化锂离子电池在寿命、安全性及商品化双电层电容器在比能量上的局限性，严重制约两者在作为主动力源的公共交通车辆中的应用。锂离子电池电极材料在大倍率充放电循环过程中结构畸变和坍塌明显，存在寿命短和安全性差的问题，而双电层电容器的比能量受制于碳材料的研发水平。目前针对该系列应用的解决方案为采用兼具两者优点的电容电池器件，该器件能够满足快充性能又能实现全寿命周期储能。
为提升电池在大倍率放电的情况下仍具有稳定性，公开号106783205A公开了一种大倍率高功率电池电容负极极片及其制备方法，其电极材料物质结合性好，不易发生剥离，而延长使用寿命，并且具有较低的电位平台，使得混合电容电池的平均工作电压高于传统的双电层电容器，从而使体系的能量密度提高。但是，这种改变依然无法兼顾电池高功率特性和高能量特性。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供一种兼具高倍率、低内阻、高功率、高能量的双涂层电容电池及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种电容电池，包括由两类电极材料构成的正极、负极，所述正极包括依次涂覆在集流体表面的多孔碳电极浆料和金属锂盐电极浆料；所述的负极包括依次涂覆在集流体表面的无序碳电极浆料和石墨类浆料。
作为优选，所述正极浆料的总厚度为100-260μm，所述负极浆料的总厚度为35-220μm。
作为优选，所述多孔碳电极浆料与无序碳电极浆料均占正极或负极浆料总厚度的5-20％。
作为优选，所述多孔碳电极浆料、金属锂盐电极浆料、无序碳电极浆料、石墨类浆料中的活性物质，按质量百分比计，依次为70-90％、90-95％、70-90％、80-95％。活性物质比例的差异性，取决于活性物质的密度、堆积密度和比表面积，密度越低、堆积密度越低、比表面积越大则活性物质质量百分比越低。
进一步优选，在多孔碳电极浆料中，所述活性物质主要是多孔碳，在金属锂盐电极浆料中，所述活性物质主要是锂盐，在无序碳电极浆料中，所述活性物质主要是无序碳，在石墨类浆料中，所述活性物质主要是石墨类成分。
作为优选，所述多孔碳包括活性炭、介孔碳、碳气凝胶、碳纤维、碳纳米管、炭黑、硬炭、石墨烯中的一种或多种。
进一步优选，所述多孔碳包括介孔碳、碳气凝胶、碳纤维、碳纳米管、炭黑、硬炭、石墨烯中的一种或多种。
作为优选，所述金属锂盐包括LiCoO2、LiMn2O4、LiMnO2、LiNiO2、LiFePO4、LiMnPO4、LiNi0.8Co0.2O2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2中的一种或多种。
作为优选，所述无序碳包括活性炭、介孔碳、碳气凝胶、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种。
进一步优选，所述无序碳包括介孔碳、碳气凝胶、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种。
作为优选，所述石墨类组分包括石墨、人造石墨、MCMB、软炭、硬碳、石墨烯中的一种或多种。
进一步优选，所述各种浆料中，还包括导电剂和粘结剂。
进一步优选，所述导电剂包括导电炭黑、科琴炭、石墨烯、碳纳米管、VGCF中的一种或者多种。
进一步优选，所述粘结剂包括CMC、SBR、PTFE、PVDF中的一种或者多种。
进一步优选，在多孔碳电极浆料中，粘结剂占5-15％，导电剂占5-15％；在金属锂盐电极浆料中，粘结剂占2-5％，导电剂占1-5％；在无序碳电极浆料中，粘结剂占5-15％，导电剂占5-15％；在石墨类浆料中，粘结剂占2-10％，导电剂占1-10％。粘结剂比例的差异性，取决于活性物质的密度、堆积密度和比表面积，密度越低、堆积密度越低、比表面积越大则粘结剂质量百分比越高。导电剂比例的差异性，取决于活性物质的本身导电性，导电性越差则导电剂需求百分比越高。
本发明在合理选用材料配比的同时还提供了另一种技术方案：
一种电容电池的制备方法，所述的方法包括如下步骤：
按上述电容电池正极、负极原料配置成多孔碳电极浆料、金属锂盐电极浆料、无序碳电极浆料、石墨类浆料；
将多孔碳电极浆料或无序碳电极浆料涂覆于集流体正反两面形成正极或负极电极半成品；
将金属锂盐电极浆料或石墨类浆料涂覆于正极或负极电极半成品正反两面形成正极或负极电极；
将正极或负极电极经碾压机碾压、分切、冲切，得电容电池正极或负极电极成品；
将正极或负极电极成品与隔膜进行叠片处理，再经入壳、干燥、注液、封装、检测得电容电池。
本发明的电容电池的制备方法上，采用将两类电极组份(如多孔碳电极浆料、金属锂盐电极浆料)双涂层复合的方式，附着于集流体上，只需要通过常规的碾压操作就可以辅助粘结剂的粘结效果使得两层浆料牢固结合，避免电池使用过程中，因体积变化而脱落。同时，正是通过将两种混合材料(两层浆料)统一落在集流体上，实现将高功率性能与高能量密度的优点统一。实现如本发明背景技术中传统电池无法统筹兼顾各个优点的缺陷。
作为优选，所述集流体包括铝箔、铜箔、腐蚀铝箔、涂炭铝箔、带孔铝箔、带孔铜箔中的一种或多种。
作为优选，所述正极电极的厚度为120-300μm，碾压后的厚度为100-260μm；所述负极电极的厚度为50-250μm，碾压后的厚度为35-220μm。
在本发明中，集流体的厚度可以是20μm左右，而电极浆料的涂覆厚度，在理论上是越薄越好，不仅减轻电池的重量，还能提升电池的密度，但是，过薄的电极浆料层，会使得集流体在电极中的厚度占比大大增加，这不利于电极上活性物质性能的发挥。
与其他材料相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明正负极分别采用两种材料涂覆于集流体上，实现了功率密度和能量密度的统一。
(2)本发明电极在两次涂覆后进行碾压，其工艺方法和粘结材料确保不同材料涂层间的粘结力满足电池使用过程中的体积变化。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
正极多孔碳电极浆料由碳气凝胶、PTFE和碳纳米管按比例为90:5:5混合而成，正极金属锂盐电极浆料由锰酸锂、PVDF、炭黑按比例为89:5:6混合而成，负极无序碳电极浆料由碳气凝胶、PTFE和碳纳米管按比例为90:5:5混合而成，负极石墨类浆料由石墨、SBR/CMC、石墨烯比例为90:6:4混合而成；
将正极多孔碳电极浆料、金属锂盐电极浆料依次涂覆在铝箔上，多孔碳电极浆料单面涂层厚度为15μm，金属锂盐电极浆料单面涂层厚度为105μm；
将负极无序碳电极浆料、石墨类浆料依次涂覆在铜箔上，无序碳电极浆料单面涂层厚度为5μm，石墨类浆料单面涂层厚度为45μm；
分别将正极、负极电极经碾压机碾压、分切、冲切、叠片、入壳、干燥注液、封装得电容电池。
实施例2
正极多孔碳电极浆料由活性炭、SBR/CMC和科琴碳按比例为90:5:5混合而成，正极金属锂盐电极浆料由磷酸铁锂、SBR/CMC、炭黑按比例为88:6:6混合而成，负极无序碳电极浆料由活性炭、SBR/CMC和科琴碳按比例为90:5:5混合而成，负极石墨类浆料由硬碳、SBR/CMC、VCGF比例为90:5:5混合而成；
将正极多孔碳电极浆料、金属锂盐电极浆料依次涂覆在铝箔上，多孔碳电极浆料单面涂层厚度为17μm，金属锂盐电极浆料单面涂层厚度为103μm；
将负极无序碳电极浆料、石墨类浆料依次涂覆在铜箔上，无序碳电极浆料单面涂层厚度为3μm，石墨类浆料单面涂层厚度为47μm；
分别将正极、负极电极经碾压机碾压、分切、冲切、叠片、入壳、干燥注液、封装得电容电池。
实施例3
正极多孔碳电极浆料由介孔碳、PTFE和炭黑按比例为90:5:5混合而成，正极金属锂盐电极浆料由LiMnPO4、PVDF、炭黑按比例为89:5:6混合而成，负极无序碳电极浆料由介孔碳、PTFE和炭黑按比例为90:5:5混合而成，负极石墨类浆料由软炭、SBR/CMC、石墨烯比例为90:6:4混合而成；
将正极多孔碳电极浆料、金属锂盐电极浆料依次涂覆在铝箔上，多孔碳电极浆料单面涂层厚度为20μm，金属锂盐电极浆料单面涂层厚度为100μm；
将负极无序碳电极浆料、石墨类浆料依次涂覆在铜箔上，无序碳电极浆料单面涂层厚度为10μm，石墨类浆料单面涂层厚度为40μm；
分别将正极、负极电极经碾压机碾压、分切、冲切、叠片、入壳、干燥注液、封装得电容电池。
实施例4
与实施例1的区别仅在于，实施例4正极多孔碳电极浆料单面涂层厚度为5μm，金属锂盐电极浆料单面涂层厚度为115μm。
实施例5
与实施例1的区别仅在于，实施例5正极多孔碳电极浆料单面涂层厚度为25μm，金属锂盐电极浆料单面涂层厚度为95μm。
实施例6
与实施例1的区别仅在于，实施例6正极多孔碳电极浆料单面涂层厚度为5μm，金属锂盐电极浆料单面涂层厚度为90μm。
实施例7
与实施例1的区别仅在于，实施例7正极多孔碳电极浆料单面涂层厚度为40μm，金属锂盐电极浆料单面涂层厚度为270μm。
实施例8
与实施例1的区别仅在于，实施例8负极无序碳电极浆料单面涂层厚度为2μm，石墨类浆料单面涂层厚度为48μm。
实施例9
与实施例1的区别仅在于，实施例9负极无序碳电极浆料单面涂层厚度为12μm，石墨类浆料单面涂层厚度为38μm。
实施例10
与实施例1的区别仅在于，实施例10负极无序碳电极浆料单面涂层厚度为4μm，石墨类浆料单面涂层厚度为30μm。
实施例11
与实施例1的区别仅在于，实施例11负极无序碳电极浆料单面涂层厚度为35μm，石墨类浆料单面涂层厚度为190μm。
实施例12
与实施例1的区别仅在于，实施例12的正极集流体仅涂覆金属锂盐电极浆料。
实施例13
与实施例1的区别仅在于，实施例13的负极集流体仅涂覆石墨类浆料。
对比例1
与实施例1的区别仅在于，对比例1采用市售由单类电极材料构成的正极、负极的电容电池进行性能测定。
将实施例1-13及对比例1中的电容电池进行测试，测试其单体内阻、20C倍率放电容量保持率、3000次循环容量保持率，结果如表1所示：
表1：实施例1-13及对比例1中电容电池的性能
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims (10)

1.一种电容电池，包括由两类电极材料构成的正极、负极，其特征在于，所述正极包括依次涂覆在集流体表面的多孔碳电极浆料和金属锂盐电极浆料；所述的负极包括依次涂覆在集流体表面的无序碳电极浆料和石墨类浆料。
2.根据权利要求1所述的电容电池，其特征在于，所述正极浆料的总厚度为100-260μm，所述负极浆料的总厚度为35-220μm。
3.根据权利要求1所述的电容电池，其特征在于，所述多孔碳电极浆料与无序碳电极浆料均占正极或负极浆料总厚度的5-20％。
4.根据权利要求1所述的电容电池，其特征在于，所述多孔碳电极浆料、金属锂盐电极浆料、无序碳电极浆料、石墨类浆料中的活性物质，按质量百分比计，依次为70-90％、90-95％、70-90％、80-95％。
5.根据权利要求1所述的电容电池，其特征在于，所述多孔碳包括活性炭、介孔碳、碳气凝胶、碳纤维、碳纳米管、炭黑、硬炭、石墨烯中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的电容电池，其特征在于，所述金属锂盐包括LiCoO2、LiMn2O4、LiMnO2、LiNiO2、LiFePO4、LiMnPO4、LiNi0.8Co0.2O2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的电容电池，其特征在于，所述无序碳包括活性炭、介孔碳、碳气凝胶、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的电容电池，其特征在于，所述石墨类组分包括石墨、人造石墨、MCMB、软炭、硬碳、石墨烯中的一种或多种。
9.一种电容电池的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
按上述电容电池正极、负极原料配置成多孔碳电极浆料、金属锂盐电极浆料、无序碳电极浆料、石墨类浆料；
将多孔碳电极浆料或无序碳电极浆料涂覆于集流体正反两面形成正极或负极电极半成品；
将金属锂盐电极浆料或石墨类浆料涂覆于正极或负极电极半成品正反两面形成正极或负极电极；
将正极或负极电极经碾压机碾压、分切、冲切，得电容电池正极或负极电极成品；
将正极或负极电极成品与隔膜进行叠片处理，再经入壳、干燥、注液、封装、检测得电容电池。
10.根据权利要求9所述的电容电池的制备方法，其特征在于，所述正极电极的厚度为120-300μm，碾压后的厚度为100-260μm；所述负极电极的厚度为50-250μm，碾压后的厚度为35-220μm。
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