CN202308155U - 一种具有高安全性的电容电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及新型化学储能技术的一种具有高安全性的电容电池，电池正极由正极活性物质层、保护涂层构成；电池负极由负极活性物质层和保护涂层构成；保护涂层为0.1微米至8微米三氧化二铝构成；电池正极材料为高铁酸盐、锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰锂、硅酸亚铁锂中的一种或多种；电池负极材料为石墨、钛酸锂、碳硅复合物、碳锡复合物中的一种或多种，电容材料为纳米尺寸的石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、活性炭中的一种或多种；隔膜选用PP、PE或二者复合的薄膜，电解液是锂盐溶于有机溶液并添加离子液体组成。其特点是能量密度大与锂电池相近，而大电流充、放电特性、循环使用寿命与超级电容器相近，可以满足作为高性能储能、动力电池的使用要求。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电化学领域储能电池，特别是一种具有高安全性的电容电池。
背景技术
随着社会经济的发展，人们对于绿色能源和生态环境越来越关注。众所周知，电化学超级电容器是近年来发展的一种新型能量储存装置。根据储能原理有双电层电容器和法拉第准电容器两种类型，超级电容器的电荷储存发生在电极、电解质的形成的双电层上以及在电极表面进行欠电位沉积、电化学吸附、脱附和氧化还原产生的电荷的迁移；化学电池是通过电化学反应，产生法拉第电荷转移来储存电荷的。具有高安全性的电容电池是超级电容器和化学电池的有机结合体，与传统的超级电容器和化学电池相比，电容电池的比功率和循环次数可以达到化学电池的10倍以上，储存电荷的能力远比超级电容器高，并具有充放电速度快、对环境无污染、循环寿命长、使用的温限范围宽等特点，是本世纪最具有希望的一种新型绿色能源。大型充电电池预计将在电动汽车、农业及建筑机械、通讯、智能电网调峰、军工、电动自行车等交通设备以及自然能源领域得到普及，据预测市场将会大幅增长。
专家指出，在电动汽车领域，我国和西方发达国家处在同一起跑线上，某些方面还处于世界领先地位，这为我国汽车工业技术实现跨越发展提供了一次历史性的机遇。更重要的是我国还有后发优势。有关分析认为，电动汽车所以在西方没有发展起来，表面原因是成本没有降到可以与燃油汽车相竞争的水平，但更深层次的原因是传统汽车工业强大的惯性，因为生产电动汽车不仅仅是发动机的更改，而且是设计、制造、材料、电气、控制和整个社会服务体系的全面的变革。这就意味着以传统汽车工业为基础的国家，整个工业体系面临巨大调整，代价难以承受。这实际上为我国提供了一个机会，我国汽车工业和西方相比，相当弱小，没有结构调整的沉重的包袱，这便是可以充分利用的后发优势。此外，我们还可以通过开发自己的电动汽车，申请专利，制定相关技术标准，有力狙击跨国公司在中国的“跑马圈地”，保护自己的汽车工业。由于这些产业对我国发展相当重要，同时相关技术与外国的差距不像民用客机，芯片业那样大，难以等外国发展成功后再进口来解决国内问题，竞争压力较小，世界市场庞大。那么就容易避免风险，保证投资发展效益。
2006年2月23日公布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要(2006～2020年)》第五章前沿技术第15和第16小节中专门提到：(一)高效能源材料技术。重点研究太阳能电池相关材料及其关键技术、燃料电池关键材料技术，高容量储氢材料技术、高效二次电池材料及关键技术、超级电容器关键材料及制备技术，发展高效能源转换与储能材料体系。(二)先进能源技术未来能源技术发展的主要方向是经济、高效、清洁利用和新型能源开发。
目前所有化学电池均存在一定的安全隐患，主要是由电极和电解液间的化学反应引起。电解液的主要成分为闪点很低、沸点也较低的有机溶剂，在一定条件下会燃烧甚至爆炸。处于充电态的电池正极材料为强氧化性化合物，同时处于充电态的负极材料为强还原性化合物，如电池出现过热，会导致电解液中的有机溶剂被氧化和还原，产生大量气体和更多的热，如缺少安全阀或者气体来不及通过安全阀释放，电池内压便会急剧上升而引起爆炸。另外，电池过充，导致高电压时正极加速氧化电解液，产生的热和气体也可能令电池热失控。
发明内容
本实用新型的目的是克服现有电池产品技术上的不足，通过增加保护涂层及电解液中添加具有不可燃、蒸汽压低、电化学窗口高、电导率高、无污染等特点的离子液体的方法，以便能够提供具有高安全性、高倍率、长寿命的电容电池产品。
本实用新型的技术方案是：电池正极片；、负极片上均是具有活性物质层与三氧化二铝保护涂层的两层结构；其中电池正极片活性物质层是由锂盐化合物电池正极材料、纳米超级电容器材料、导电剂、粘结剂复合而成，电池负极片活性物质层是由可嵌锂电池负极材料与纳米超级电容器材料、导电剂、粘结剂复合构成。所述非水有机溶剂电解液添加有离子液体。
其中，电极片上有保护涂层，涂层为三氧化二铝。
其中，电极片上的三氧化二铝保护涂层厚度为0.1微米至8微米。
保护涂层可以有效隔绝正极活性物质、负极活性物质与电解液的直接接触，从而杜绝了在充放电过程中电池正、负极与电解液的反应，因而大大提高了电池的安全性。电池正极材料为高铁酸盐、锰酸锂、镍鈷锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰锂、磷酸钒锂、硅酸亚铁锂中的至少一种；可嵌锂电池负极材料为硬碳，中间相碳微球，石墨、钛酸锂、碳硅复合物、碳锡复合物中的至少一种，电容材料为纳米尺寸的石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、活性炭中的至少一种；隔膜选用PP、PE单层或二者复合的三层薄膜，电解液是锂盐溶于有机溶液并添加离子液体组成。离子液体为1-甲基-3-丁基咪唑二(三氟甲基磺酰)亚胺盐、1-甲基-3-乙基咪唑二(三氟甲基磺酰)亚胺盐、1-乙基3-甲基咪唑四氟硼酸盐或1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐中的至少一种，离子液体具有不可燃、蒸汽压低、电化学窗口高、电导率高、无污染等特点，电解液添加离子液体可以更进一步提高电池安全性。导电剂选用炭黑、导电石墨、碳纤维、碳纳米管中的至少一种。粘结剂选用聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠、丙烯酸酯、聚氧化乙烯中的至少一种。
其中，非水有机溶剂电解液的有机溶剂包括碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、酞酸二丁酯、碳酸丁烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸丁烯酯中的至少一种。
本实用新型特点是：能量密度大与锂电池相近，而大电流充、放电特性、循环使用寿命与超级电容器相近，可以达到8000至10000次，是一种兼具超级电容器与锂电池优点的储能体，可以满足作为高性能储能、动力电池的使用要求。本实用新型的电池可以制作成方型、圆柱型、纽扣型及薄膜型等多种形式。
附图说明：
图1为本实用新型极片的结构示意图。
附图中：1、电池活性物质层；
附图中：1、电池活性物质层；
2、电池电极保护涂层；
3、电池集流体铜箔或铝箔；
4、电池活性物质层；
5、电池电极保护涂层。
具体实施方式：
实施例1.
正极片制作：将量取总量为1000g商业化的镍鈷锰酸锂、活性炭、碳纤维、聚偏氟乙烯按质量百分比为80∶12∶3∶5放于搅拌器中，缓慢加入溶剂NMP进行合浆，待粉体与溶剂充分混合后将制作好的浆料均匀涂覆在16微米铝箔的两面上，经过烘干、然后用对辊机进行滚压压实。压实后的极片进行表面保护涂层处理，在正极极片的涂布上1微米三氧化二铝涂层，然后烘干、裁片制做成正极片备用。
负极极片制作：将量取总量为1000g的中间相碳微球、碳纳米管、导电石墨、聚偏氟乙烯按85∶5∶4∶6准确量取后缓慢加入到容器中混合后，缓慢加入溶剂NMP进行合浆，待粉体与溶剂充分混合后将制作好的浆料均匀涂覆在12微米铜箔的两面上，经过烘干、然后用对辊机进行滚压压实。压实后的极片进行表面保护涂层处理，在正极极片的涂布上1微米三氧化二铝涂层，然后烘干、裁片制做成负极片备用。
将制作好的正、负极片按照327078方形电池规格裁切好，烘干后组装成327078方形电池，之后注入添加离子液体的电解液并封装成方形高安全电容电池，电容电池经过化成后进行性能测试分容完成电池的制作；电池在2.7-4.1V电压范围内工作，10安培充、放电，经过5000次循环，容量保持率为92％。
实施例2.
正极片制作：将量取总量为1000g商业化的锰酸锂、碳纳米管、导电石墨、聚偏氟乙烯按质量百分比为80∶12∶3∶5放于搅拌器中，缓慢加入溶剂NMP进行合浆，待粉体与溶剂充分混合后将制作好的浆料均匀涂覆在16微米铝箔的两面上，经过烘干、然后用对辊机进行滚压压实。压实后的极片进行表面保护涂层处理，在正极极片的涂布上0.5微米三氧化二铝涂层，然后烘干、裁片制做成正极片备用。
负极极片制作：将量取总量为1000g的中间相碳微球、活性炭、导电石墨、聚偏氟乙烯按85∶5∶4∶6准确量取后缓慢加入到容器中混合后，缓慢加入溶剂NMP进行合浆，待粉体与溶剂充分混合后将制作好的浆料均匀涂覆在12微米铜箔的两面上，经过烘干、然后用对辊机进行滚压压实。压实后的极片进行表面保护涂层处理，在正极极片的涂布上0.5微米三氧化二铝涂层，然后烘干、裁片制做成负极片备用。
将制作好的正、负极片按照327078方形电池规格裁切好，烘干后组装成327078方形电池，之后注入添加离子液体的电解液并封装成方形高安全电容电池，电容电池经过化成后进行性能测试分容完成电池的制作；电池在2.7-4.2V电压范围内工作，10安培充、放电，经过5000次循环，容量保持率为90％。
实施例3.
正极片制作：将量取总量为1000g商业化的锰酸锂、活性炭、导电石墨、聚偏氟乙烯按质量百分比为80∶12∶3∶5放于搅拌器中，缓慢加入溶剂NMP进行合浆，待粉体与溶剂充分混合后将制作好的浆料均匀涂覆在16微米铝箔的两面上，经过烘干、然后用对辊机进行滚压压实。压实后的极片进行表面保护涂层处理，在正极极片的涂布上0.3微米三氧化二铝涂层，然后烘干、裁片制做成正极片备用。
负极极片制作：将量取总量为1000g的中间相碳微球、碳纳米管、导电石墨、聚偏氟乙烯按85∶5∶4∶6准确量取后缓慢加入到容器中混合后，缓慢加入溶剂NMP进行合浆，待粉体与溶剂充分混合后将制作好的浆料均匀涂覆在12微米铜箔的两面上，经过烘干、然后用对辊机进行滚压压实。压实后的极片进行表面保护涂层处理，在正极极片的涂布上0.3微米三氧化二铝涂层，然后烘干、裁片制做成负极片备用。
将制作好的正、负极片按照327078方形电池规格裁切好，烘干后组装成327078方形电池，之后注入添加离子液体的电解液并封装成方形高安全电容电池，电容电池经过化成后进行性能测试分容完成电池的制作；电池在2.8-4.15V电压范围内工作，10安培充、放电，经过5000次循环，容量保持率为93％。
实施例4.
正极片制作：将量取总量为1000g商业化的磷酸铁锂、碳纳米管、碳纤维、聚偏氟乙烯按质量百分比为85∶5∶5∶5放于搅拌器中，缓慢加入溶剂NMP进行合浆，待粉体与溶剂充分混合后将制作好的浆料均匀涂覆在16微米铝箔的两面上，经过烘干、然后用对辊机进行滚压压实。压实后的极片进行表面保护涂层处理，在正极极片的涂布上3微米三氧化二铝涂层，然后烘干、裁片制做成正极片备用。
负极极片制作：将量取总量为1000g的中间相碳微球、碳纳米管、导电石墨、聚偏氟乙烯按85∶5∶4∶6准确量取后缓慢加入到容器中混合后，缓慢加入溶剂NMP进行合浆，待粉体与溶剂充分混合后将制作好的浆料均匀涂覆在12微米铜箔的两面上，经过烘干、然后用对辊机进行滚压压实。压实后的极片进行表面保护涂层处理，在正极极片的涂布上3微米三氧化二铝涂层，然后烘干、裁片制做成负极片备用。
将制作好的正、负极片按照327078方形电池规格裁切好，烘干后组装成327078方形电池，之后注入添加离子液体的电解液并封装成方形高安全电容电池，电容电池经过化成后进 行性能测试分容完成电池的制作；电池在2.2-3.7V电压范围内工作，10安培充、放电，经过5000次循环，容量保持率为94％。
实施例5.
正极片制作：将量取总量为1000g商业化的磷酸铁锂、活性炭、碳纤维、丁苯橡胶、羰甲基纤维素钠按质量百分比为80∶13∶3∶2∶2放于搅拌器中，缓慢加入去离子水进行合浆，待粉体充分混合后将制作好的浆料均匀涂覆在16微米铝箔的两面上，经过烘干、然后用对辊机进行滚压压实。压实后的极片进行表面保护涂层处理，在正极极片的涂布上0.5微米三氧化二铝涂层，然后烘干、裁片制做成正极片备用。
负极极片制作：将量取总量为1000g的硬碳、碳纳米管、导电石墨、聚偏氟乙烯按85∶5∶4∶6准确量取后缓慢加入到容器中混合后，缓慢加入溶剂NMP进行合浆，待粉体与溶剂充分混合后将制作好的浆料均匀涂覆在12微米铜箔的两面上，经过烘干、然后用对辊机进行滚压压实。压实后的极片进行表面保护涂层处理，在正极极片的涂布上0.5微米三氧化二铝涂层，然后烘干、裁片制做成负极片备用。
将制作好的正、负极片按照327078方形电池规格裁切好，烘干后组装成327078方形电池，之后注入添加离子液体的电解液并封装成方形高安全电容电池，电容电池经过化成后进行性能测试分容完成电池的制作；电池在2-3.65V电压范围内工作，10安培充、放电，经过5000次循环，容量保持率为96％。
通过以上实施例仅对本实用新型的几个实施方法进行描述，并不是对本实用新型的构思和范围进行限定，因本领域中的普通工程技术人员在不脱离本实用新型设计构思的前提下对本实用新型的技术方案做出各种变形和改进均应落入本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有高安全性的电容电池包括壳体、正极片、负极片、隔膜及非水有机溶剂电解液，其特征是正极片、负极片上均是具有活性物质层与三氧化二铝保护涂层的两层结构；其中电池正极片活性物质层是由锂盐化合物电池正极材料、纳米超级电容器材料、导电剂、粘结剂复合而成，电池负极片活性物质层是由可嵌锂电池负极材料与纳米超级电容器材料、导电剂、粘结剂复合构成,所述非水有机溶剂电解液添加有离子液体。
2.根据权利要求1所述的一种具有高安全性的电容电池，其特征是电极片上有保护涂层，涂层为三氧化二铝。
3.根据权利要求1所述的一种具有高安全性的电容电池，其特征是电极片上的三氧化二铝保护涂层厚度为0.1微米至8微米。
4.根据权利要求1所述的一种具有高安全性的电容电池，其特征是正电极材料的电池材料是高铁酸盐、锰酸锂、镍鈷锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰锂、磷酸钒锂、硅酸亚铁锂中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的一种具有高安全性的电容电池，其特征是超级电容器材料是纳米尺寸的石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、活性炭中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的一种具有高安全性的电容电池，其特征是导电剂选用炭黑、导电石墨、碳纤维中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的一种具有高安全性的电容电池，其特征是粘结剂选用聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠、丙烯酸酯、聚氧化乙烯中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的一种具有高安全性的电容电池，其特征是可嵌锂电池负极中采用硬碳、中间相碳微球、石墨、钛酸锂、碳硅复合物、碳锡复合物中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的一种具有高安全性的电容电池，其特征是电解液使用非水有机溶剂电解液添加离子液体1-甲基-3-丁基咪唑二(三氟甲基磺酰)亚胺盐、1-甲基-3-乙基咪唑二(三氟甲基磺酰)亚胺盐、1-乙基3-甲基咪唑四氟硼酸盐或1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的一种具有高安全性的电容电池，其特征是非水有机溶剂电解液的有机溶剂包括碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、酞酸二丁酯、碳酸丁烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸丁烯酯中的至少一种。
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