專利名稱：超級(jí)電容-電池用正極材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的電極材料領(lǐng)域，特別涉及用于超級(jí)電容-電 池的正極材料。
技術(shù)背景鋰離子動(dòng)力電池正在逐步走向成熟，它具有較高的能量密度，但其大電 流放電性能依然不能滿足電動(dòng)工具的需要。超級(jí)電容器的功率密度是普通電池的幾十倍甚至幾百倍，但是它的能量密度卻只有鋰離子電池的1A0，也無(wú)法單獨(dú)作為車用電源。于是，人們提出將鋰離子電池和超級(jí)電容器組合起來(lái)使用，即超級(jí)電容-電池系統(tǒng)。目前主要采用的組合方式為一種"外組合"式，即將兩者的單體 通過(guò)電源管理系統(tǒng)組合成一個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)，根據(jù)不同時(shí)段的需要讓其中一個(gè)單 體發(fā)揮作用。而更為理想的是通過(guò)"內(nèi)結(jié)合"的方式，將兩者有機(jī)地結(jié)合在同一單體中，這樣在使用和控制上都會(huì)更加方便有效。2004年，日本富士重 工提出鋰離子電池電容(LIC)技術(shù)，稱其不僅可得到與電雙層電容器相媲美 的大電流輸出，同時(shí)還可像鋰離子充電電池那樣確保較高的能量密度。夏永 姚于2005年(CN 1674347)提出了一種將鋰離子嵌入-脫嵌機(jī)制與電化學(xué)電 容器雙電層機(jī)制協(xié)調(diào)組合在一起的混合型水性鋰離子電池，其中分別是以 LiMri204等鋰離子電池正極材料和活性炭材料作為電極。若能將具有鋰離子嵌 入-脫嵌機(jī)制的材料與具有電化學(xué)電容器雙電層機(jī)制的炭材料按一定的方式復(fù) 合成一體，并采用有機(jī)電解液，將使這一體系同時(shí)具有高電壓、高能量密度、 高功率密度、良好的循環(huán)壽命等優(yōu)點(diǎn)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于制備一種超級(jí)電容-電池使用的正極材料及其制備方 法。這種材料將兼具電池材料大容量特性和電容材料的高功率特性。本發(fā)明的技術(shù)方案為將納米級(jí)的具有脫嵌鋰特性的化合物材料粉末放 入機(jī)械融合設(shè)備，進(jìn)行機(jī)械融合造粒，形成1 15微米的球形顆粒；加入用量 為脫嵌鋰特性化合物材料重量的10%~100%的多孔炭材料，再進(jìn)行機(jī)械融合， 將多孔炭材料均勻包覆在脫嵌鋰化合物材料顆粒的表面，得到多孔炭包覆脫嵌鋰化合物復(fù)合材料。所述具有脫嵌鋰特性化合物材料選自LiCo02、 LiMn204、 LiNi1/3Mn1/3Co1/302、 LiNi1/2Mn1/202、 LiFeP04中的一種。所述多孔炭材料是指 活性炭、中孔炭、炭納米管、炭纖維、炭氣凝膠中的一種或幾種。本發(fā)明采用簡(jiǎn)單方便、易于控制的機(jī)械融合工藝，制備出同時(shí)具有電池 材料的大容量特性和電容材料的高功率特性的復(fù)合材料顆粒，其儲(chǔ)存容量可 達(dá)到100mAh/g， 10C放電容量可達(dá)0.5C放電容量的9(m，將其作為電極材料應(yīng) 用于超級(jí)電容-鋰離子電池，將有望成為電動(dòng)汽車使用的新型能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。


圖l.按實(shí)施例l制備的LiCo(V活性炭復(fù)合材料的XRD2.按實(shí)施例l制備的LiCo02/活性炭復(fù)合材料的SEM3.按實(shí)施例2制備的LiNi,/3Mn^Cov302/中孔炭復(fù)合材料的XRD4.按實(shí)施例2制備的LiNi"3Mm/3Co,/302沖孔炭復(fù)合材料的SEM5.實(shí)施例2獲得的1^^1/3癒1/30)1/302沖孔炭復(fù)合材料的首次充放電曲線6.實(shí)施例3制備的LiFeP04/炭纖維復(fù)合材料的第二次充放電曲線圖 圖7.實(shí)施例3制備獲得的LiFePOV炭纖維復(fù)合材料的放電倍率性能圖 圖8.實(shí)施例3制備獲得的LiFeP04/炭纖維復(fù)合材料的循環(huán)性能圖(電流密 度1.5A/g)具體實(shí)施方式
實(shí)施例l將納米級(jí)LiCo02放入機(jī)械融合設(shè)備，進(jìn)行機(jī)械融合造粒，形成約10微米 大小的均勻球形顆粒；再加入其重量10%的活性炭，再進(jìn)行機(jī)械融合處理，獲 得的復(fù)合材料的XRD見(jiàn)圖1， SEM見(jiàn)圖2。以該材料為正極，金屬鋰片為負(fù)極， LiPFe/EC+DEC為電解液組裝成電池，測(cè)試其放電容量，0.5C和10C的放電比 容量分別為95mAh/g和85mAh/g。實(shí)施例2將納米1^> 1/3]^1/30)1/302放入機(jī)械融合設(shè)備，進(jìn)行機(jī)械融合造粒，形成 約8微米大小的球形顆粒；再加入其重量50%的中孔炭，再進(jìn)行機(jī)械融合，獲 得的復(fù)合材料的XRD見(jiàn)圖3， SEM見(jiàn)圖4。以該材料為正極，金屬鋰片為負(fù)極， LiPF6/EC+DEC為電解液組裝成電池，其首次充放電曲線見(jiàn)圖5， 0.5C和10C的 放電比容量分別為102mAh/g和88mAh/g。實(shí)施例3將納米LiFeP04放入機(jī)械融合設(shè)備，進(jìn)行機(jī)械融合造粒，形成約5微米均 勻大小的球形顆粒；再加入磷酸鐵鋰重量100%的炭纖維，再進(jìn)行機(jī)械融合處 理，獲得的復(fù)合材料，以該材料為正極，金屬鋰片為負(fù)極，LiPF6/EC+DEC為 電解液組裝成電池，其第二次充放電曲線見(jiàn)圖6，倍率性能見(jiàn)圖7， 0.5C、 5C 和10C的放電比容量分別為101mAh/g、 96mAh/g和92mAh/g。循環(huán)性能(10C) 見(jiàn)圖8， 50次循環(huán)后容量保持率為97%。
權(quán)利要求
1.一種超級(jí)電容-電池用正極材料，其特征在于該材料是通過(guò)機(jī)械融合法將多孔炭材料包覆于脫嵌鋰化合物復(fù)合材料表面而得到的1～15微米的球形顆粒材料；所述具有脫嵌鋰特性的化合物材料選自LiCoO2、LiMn2O4、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2、LiNi1/2Mn1/2O2、LiFePO4中的一種；所述多孔炭材料是指活性炭、中孔炭、炭納米管、炭纖維、炭氣凝膠中的一種或一種以上。
2. 如權(quán)利要求1所述的材料的制備方法，其特征在于包括下述步驟將納 米級(jí)的具有脫嵌鋰特性的化合物材料粉末放入機(jī)械融合設(shè)備，進(jìn)行機(jī)械 融合造粒，形成1~15微米的球形顆粒；加入用量為脫嵌鋰特性化合物 材料重量的10%~100%的多孔炭材料，再進(jìn)行機(jī)械融合，將多孔炭材料 均勻包覆在球形脫嵌鋰化合物材料顆粒的表面，得到多孔炭包覆脫嵌鋰 化合物復(fù)合材料；所述具有脫嵌鋰特性的化合物材料選自LiCo02、 LiMn204、 LiNi1/3Mn1/3Co1/302、 LiNi1/2Mn1/202、 LiFeP04中的一禾中；所述 多孔炭材料是指活性炭、中孔炭、炭納米管、炭纖維、炭氣凝膠中的一 種或幾種。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種超級(jí)電容-電池用正極材料及其制備方法，將納米級(jí)的具有脫嵌鋰特性的化合物材料粉末進(jìn)行機(jī)械融合造粒，形成1～15微米的球形顆粒；加入用量為脫嵌鋰特性化合物材料重量的10％～100％的多孔炭材料，再進(jìn)行機(jī)械融合，從而得到多孔炭包覆脫嵌鋰化合物復(fù)合材料。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，制備得到的材料兼具電池材料的大容量特性和電容材料的高功率特性，其儲(chǔ)存容量可達(dá)到100mAh/g，10C放電容量可達(dá)0.5C放電容量的90％，有望成為電動(dòng)汽車使用的新型能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的電極材料。
文檔編號(hào)H01M4/48GK101335346SQ200710035238
公開(kāi)日2008年12月31日 申請(qǐng)日期2007年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月28日
發(fā)明者彭忠東, 濤 曾, 劼 李, 柯 杜, 胡國(guó)榮 申請(qǐng)人:中南大學(xué)