有機電解液體系混合電化學電容器及其製備方法

2023-06-12 12:38:46 3

專利名稱：有機電解液體系混合電化學電容器及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種有機電解液體系的混合電化學電容器及其製備方法，屬於電子、電力領 域，可廣泛應用於電子工業、交通運輸、電力、礦冶等領域的電能儲存。
技術背景電化學電容器是一種新型儲能裝置，是利用雙電層離子吸附/脫附原理或快速表面法拉第 反應(準電容)儲電原理儲存能量的。與傳統電容器相比，電化學電容器具有極高的電容量， 較好的低頻響應和低的等效串聯電阻，因而在電子電路和微電器方面彌補了傳統電容器的不 足，用來提供電子電路中所需要的大電容，成為一類新型的電子元器件，在電子工業中得到 廣泛的應用，並部分取代了電解電容器。近年來，隨著電子、電氣設備的小型化以及電動汽 車工業的不斷發展，電化學電容器作為後備電源和脈衝功率電源日益引起了人們的關注，各 國相繼開始支持電化學電容器的研究和開發。電化學電容器在軍事領域也具有廣闊的應用前 景，可以作為坦克、火箭牽引車等的起動電源，改善這些軍用車輛的低溫性能，而高比功率 電化學電容器也將是大功率雷射武器、電磁炮等武器的首選電源之一。與電池相比，電化學電容器具有更長的循環壽命、安全、無記憶等優點，更重要的是， 電化學電容器具有電池所不具備的高功率連續充放電的性能，因此，電化學電容器是一種極 具發展潛力的儲能裝置。目前技術較為成熟的電化學電容器是以多孔活性炭作為電極材料的雙電層電容器，如專 利ZL99208460.1、 CN1229517A等，其正負極均由多孔活性炭組成，比能量和比功率均較低。 由於炭材料表面存在電解質難於到達的微孔，無法充分利用活性炭的表面，同時，活性炭材 料的比表面不可能無限制提高，因此，利用高比表面材料獲得大比容量的餘地不大。另外， 活性炭材料本身具有較高的接觸電阻，影響了雙電層電容器的功率性能的提高。比較而言， 準電容是準法拉第過程，比能量與電極材料的電化學反應性有關，可以大幅度提高材料的容 量特性，從而大幅度提高電容器的比容量。具有較高法拉第準電容的材料，研究較多的是Ru02等貴金屬材料，如CN134^)74A, 使用Ru02與活性炭複合材料構成電化學電容器，比容量較高，同時也有很高的功率性能，
但其高昂的價格限制了其商業化和進一步應用。也有專利如CN1369886A，使用Mn02與活 性炭構成電化學電容器、以及CN1277444A和CN2574196Y等使用NiOOH材料與活性炭構 成混合超級電容器，使電化學電容器的成本有了一定程度的降低，但由於這些電容器皆為水 溶液體系，單體電壓低，因而性能提高的潛力不大。 發明內容本發明的目的在於提供一種有機電解液體系混合電化學電容器及其製備方法，以提高電 化學電容器的能量密度，並使該電容器具有較鎘鎳電池、氫鎳電池更好的功率特性。本發明的技術方案如下電容器的正極(l)使用離子嵌入材料作為活性材料，如鋰離子嵌入材料LiCo02等；電容 器的負極(2)使用大比表面積的多孔碳材料電極，如活性炭材料；以有機溶液作為電解質；正 負極之間有可通過離子的電子絕緣隔膜(3)。正極(l)製備步驟如下以離子嵌入材料為活性材料，加入導電劑，粘接劑等調成漿料， 塗在鋁箔等正極集流體(4)上，經乾燥、輥壓後作為電容器的正極。其中離子嵌入材料應具有 如下的結構式MlxM2yAz，其中M為嵌入元素，可以是Li、 Mg、 Al、 Cr或它們的組合， M2為宿主元素，可以是Mn、 Ni、 Co、 Fe、 V、 Mg、 Al、 Cr、 Ti、 Mo或它們的組合，A為 0、 P、 S、 N、 Cl、 F、 B或它們的組合，x、 y不能同時為零，z不能為零。離子嵌入材料製備方法有以下幾種共同沉積法、氣相沉積法、溶膠凝膠法、混合燒結法、共沉積燒結法等。 負極(2)製備步驟如下以多孔碳材料為活性材料，加入導電劑，粘接劑等調成漿料，塗在鋁箔等負極集流體(5)上，經乾燥、輥壓後作為電容器的負極。其中多孔碳材料是以下一種或一種以上活性炭粉、活性炭纖維、活性炭布、活性炭氈、碳納米管、碳氣凝膠、活性玻態炭、納米孔玻態炭、多孔石墨，石墨纖維、多孔硬碳等。電容器電解液是有機電解液，電解質鹽是銨鹽、鋰鹽、鎂鹽、鋁鹽、鉻鹽之一或它們的混合物，如LiPF6溶解在EC/DMC混合溶劑中，組成1M LiPF6-EC/DMC(50v%)。電容器的電子絕緣隔膜(3)是聚氧乙烯、聚丙烯、尼龍、聚乙烯微孔膜、石棉紙、聚乙烯、玻璃纖維或它們的複合材料等。本發明製備的電化學電容器，壽命長、價格低，具有較高的能量密度和功率密度，能量利用效率高，可廣泛應用於電力、交通、電子等行業。


圖l為本發明電化學電容器的結構圖。l正極，2負極，3隔膜，4正極集流體，5負極集流體，6正極電流引出端，7負極電流引出端，8電容器單體圖2為本發明電化學電容器的典型充放電曲線。
具體實施方式
下面舉三個實施例簡要說明本發明電化學電容器的製備方法。 實施例1電化學電容器正極的製備用溶膠-凝膠法製備Li,MgGQ4FeP04，在氮氣保護下700。C燒結24小時，得到嵌鋰型活 性材料，添加5%質量比的碳黑作為導電劑，添加7。/。質量比的PVdlM乍為粘接劑，用N-甲 基吡咯烷酮調成漿料。用刮漿法將上述漿料均勻刮塗在20微米厚的鋁箔上，經乾燥、輥壓成 型，作為正極。實施例2電化學電容器負極的製備取活性炭作為負極活性材料，添加15%質量比的導電碳黑作為導電劑，添加7%質量比 的PVdF作為粘接劑，用N-甲基吡咯垸酮調成漿料。用刮漿法將上述漿料均勻刮塗在20微 米厚的鋁箔上，經乾燥、輥壓成型，作為負極。實施例3電化學電容器的製備取以上實施例1的正極和實施例2的負極裁成適當的極片，在極耳上焊接導電片，在裝 配夾上布好螺栓、隔膜等材料，將一片正極的導電片套在一邊螺栓上，將隔膜折向一邊，鋪平拉緊，在另一邊將一片負極的導電片套在螺栓上，使隔膜將兩電極隔開。繼續放以正極。 以以上方式組成電極組。極板裝配完成，經整理後放入電容器殼體中，調整極柱位置，將螺 栓緊固，封口。加注電解液，加密封閥，經活化和分選後即可應用。以本實施例製備的電化學電容器電壓達可充到3.0V,比能量可以達到8Wh/kg以上，比功率可以達到2~3kW/kg以 上，性能遠遠高於普通的炭/炭電化學電容器。
權利要求
1、一種有機電解液體系混合電化學電容器及其製備方法，其特徵在於電容器的正極(1)為離子嵌入材料作為活性材料，電容器的負極(2)為大比表面積的多孔碳材料電極，正負極之間有可通過離子的電子絕緣隔膜(3)，隔膜(3)中浸滿有機電解質溶液作為電解液；正極(1)製備步驟如下以離子嵌入材料為活性材料，加入導電劑、粘接劑調成漿料，塗在鋁箔等正極集流體(4)上，經乾燥、輥壓後作為電容器的正極。
2、 根據權利要求l所述的電化學電容器及其製備方法，其特徵在於離子嵌入材料具有如 下的結構式MlxM2yAz，其中M為嵌入元素，可以是Li、 Mg、 Al、 Cr或它們的組合，M2 為宿主元素，可以是Mn、 Ni、 Co、 Fe、 V、 Mg、 Al、 Cr、 Ti、 Mo或它們的組合，A為O、 P、 S、 N、 Cl、 F、 B或它們的組合，X、 y不能同時為零，z不能為零。
3、 根據權利要求l所述的電化學電容器及其製備方法，其特徵在於嵌入材料製備方法有以下幾種共同沉積法、氣相沉積法、溶膠凝膠法、混合燒結法、共沉積燒結法。
4、 根據權利要求1所述的電化學電容器及其製備方法，其特徵在於多孔碳材料電極(2) 是以以下一種或一種以上為主要活性物質活性炭粉、活性炭纖維、活性炭布、活性炭氈、 碳納米管、碳氣凝膠、活性玻態炭、納米孔玻態炭、多孔石墨、石墨纖維、多孔硬碳。
5、 根據權利要求l所述的電化學電容器及其製備方法，其特徵在於電解液的溶劑是有機 溶劑，電解質鹽是銨鹽、鋰鹽、鎂鹽、鋁鹽、鉻鹽之一或它們的混合物。
6、 根據權利要求l所述的電化學電容器及其製備方法，其特徵在於電子絕緣隔膜(3)是 聚氧乙烯、聚丙烯、尼龍、聚乙烯微孔膜、石棉紙、聚乙烯、玻璃纖維，或它們的複合材料。
全文摘要
一種新型的電化學電容器，其特點是電容器的正極使用離子嵌入材料作為正極活性材料。負極使用大比表面積的多孔碳材料電極，以有機電解質溶液作為電解液，正負極之間有可通過離子的電子絕緣隔膜。該電化學電容器具有較高的能量密度和功率密度，具有較好的應用前景，可廣泛應用於電子工業、交通運輸、電力、礦冶等領域的電能儲存。
文檔編號H01G13/00GK101127276SQ20061010942
公開日2008年2月20日 申請日期2006年8月15日 優先權日2006年8月15日
發明者浩 張, 張文峰, 文越華, 曹高萍, 楊裕生, 傑 程 申請人:中國人民解放軍63971部隊