鋰離子電容器負極預嵌鋰的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鋰離子電容器負極預嵌鋰的方法，包括如下步驟：將鋰片、第一隔膜、負極、第二隔膜和正極依次層疊并封裝于殼體內(nèi)部，注入含有鋰鹽的有機電解液后組裝成鋰離子電容器；在溫度為-30℃~60℃的條件下，將所述負極和所述鋰片電連接，放電1h~60h，實現(xiàn)對所述負極的預嵌鋰。上述鋰離子電容器負極預嵌鋰的方法，在合適的溫度下，通過將負極和鋰片電連接，放電1h~60h后，鋰離子電容器中的鋰片會緩慢溶解到電解液中形成鋰離子，從而嵌入到負極中，實現(xiàn)對負極的預嵌鋰，得到的鋰離子電容器容量高。上述鋰離子電容器負極預嵌鋰的方法只需要控制負極和鋰片之間的電連接方式、適當?shù)臅r間和溫度，就能夠得到高容量的鋰離子電容器，具有操作工藝簡單等優(yōu)點。
【專利說明】鋰離子電容器負極預嵌鋰的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及鋰離子電容器領域，特別是涉及一種鋰離子電容器負極預嵌鋰的方法。
【背景技術】
[0002]鋰離子電容器作為一種新型的超級電容器，它綜合了雙層電容器與鋰離子電池的優(yōu)點，即具有高功率輸出、高容量和高循環(huán)壽命等優(yōu)點，有望在新能源動力汽車、電子信息、儀器儀表、航空航天等領域得到廣泛的應用。鋰離子電容器的工作機理如下:充電時，有機電解液中的鋰離子嵌入到負極材料中形成嵌鋰化合物，電解液中的陰離子則吸附在正極表面形成雙電層；而放電時，鋰離子從負極材料中脫出，同時正極與電解液界面產(chǎn)生的雙電層解離，陰離子從正極表面釋放。
[0003]通過對鋰離子電容器負極材料進行預嵌鋰操作，從而可以使鋰離子超級電容器具有優(yōu)異的循環(huán)充放電性能。鋰離子電容器負極預嵌鋰的方式不同，會直接影響負極嵌鋰的效果，包括嵌鋰量大小，嵌鋰后負極化合物的均勻性等。同時，對鋰離子電容器的性能將產(chǎn)生很大的影響。
[0004]傳統(tǒng)的鋰離子電容器負極預嵌鋰的方法較復雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]基于此，有必要提供一種較為簡單的鋰離子電容器負極預嵌鋰的方法。
[0006]一種鋰離子電容器負極預嵌鋰的方法，包括如下步驟:
[0007]將鋰片、第一隔膜、負極、第二隔膜和正極依次層疊并封裝于殼體內(nèi)部，注入含有鋰鹽的有機電解液后組裝成鋰離子電容器；
[0008]在溫度為-30°c?60°C的條件下，將所述負極和所述鋰片電連接，放電ltreoh，實現(xiàn)對所述負極的預嵌鋰。
[0009]在一個實施例中，所述將所述負極和所述鋰片電連接的操作為:將所述負極和所述鋰片用導線直接短路連接。
[0010]在一個實施例中，所述將所述負極和所述鋰片電連接的操作為:將所述負極和所述鋰片通過電阻串聯(lián)連接。
[0011]在一個實施例中，所述電阻的歐姆值為I Ω?1000Ω。
[0012]在一個實施例中，所述將所述負極和所述鋰片電連接的操作為:將所述負極和所述鋰片通過恒流充放電設備進行連接。
[0013]在一個實施例中，所述放電為恒電流放電，所述恒電流的大小為0.lmiTlOOmA。
[0014]在一個實施例中，所述鋰片的厚度為0.lOmnT0.40mm。
[0015]在一個實施例中，所述正極的材質(zhì)為活性炭粉末、碳黑、活性炭纖維、碳納米管、玻態(tài)炭、聚苯胺、聚噻吩和聚苯乙炔中的至少一種。
[0016]在一個實施例中，所述負極的材質(zhì)為天然石墨、人造石墨、焦炭、中間相炭微球、硬炭和聚并苯硅氧化合物中的至少一種。
[0017]在一個實施例中，所述鋰鹽為LiBF4、LiA104、LiC104、LiAlCl4、LiPF6、LiAsF6、LiSbF6和LiCF3SO3中的至少一種。
[0018]上述鋰離子電容器負極預嵌鋰的方法，在合適的溫度下，通過將負極和鋰片電連接，放電ItTeoh后，鋰離子電容器中的鋰片會緩慢溶解到電解液中形成鋰離子，從而嵌入到負極中，實現(xiàn)對負極的預嵌鋰，得到的鋰離子電容器容量高。上述鋰離子電容器負極預嵌鋰的方法只需要控制負極和鋰片之間的電連接方式、適當?shù)臅r間和溫度，就能夠得到高容量的鋰離子電容器，具有操作工藝簡單等優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為鋰離子電容器負極預嵌鋰的方法流程圖。
【具體實施方式】
[0020]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似改進，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施的限制。
[0021]如圖1所示的鋰離子電容器負極預嵌鋰的方法，包括如下步驟。
[0022]S10、將鋰片、第一隔膜、負極、第二隔膜和正極依次層疊并封裝于殼體內(nèi)部，注入含有鋰鹽的有機電解液后組裝成鋰離子電容器。
[0023]正極的材質(zhì)可以為多孔炭材料或?qū)щ娋酆衔锛捌鋸秃衔?。具體的，正極的材質(zhì)可以為活性炭粉末，活性炭具有較高的比表面積，能在其表面聚集的陰離子較多，因而得到的鋰離子電容器容量較好。此外，正極的材質(zhì)還可以為碳黑、活性炭纖維、碳納米管、玻態(tài)炭、聚苯胺、聚噻吩和聚苯乙炔中的至少一種。在實際應用中，可以根據(jù)需要選擇合適的材質(zhì)作為正極。
[0024]負極的材質(zhì)可以為可嵌鋰金屬氧化物或炭質(zhì)嵌鋰材料或?qū)щ娋酆衔锛捌鋸秃衔铩＞唧w的，負極的材質(zhì)可以為石墨，石墨具有較好的層狀結(jié)構，能有效地使鋰離子嵌入到石墨層與石墨層之間，此外石墨的理論容量高，能夠達到372mAh/g，并且價格低廉。石墨可以為天然石墨、人造石墨。此外，負極的材質(zhì)還可以為焦炭、中間相炭微球、硬炭和聚并苯硅氧化合物中的至少一種?？汕朵嚱饘傺趸锟梢詾檠趸a、鈦酸鋰或二氧化鈦。在實際應用中，可以根據(jù)需要選擇合適的材質(zhì)作為負極。
[0025]鋰片在鋰離子電容器中作為第三電極，鋰片的厚度可以為0.1OmnT0.40mm。具體的，鋰片的厚度可以為0.3mm。鋰片的厚度過薄不利于鋰離子電容器的制備，并且在負極的嵌鋰的過程中有可能導致嵌鋰不足。而鋰片的厚度太大可能使鋰片在鋰離子電容器中溶解不完全，殘留單質(zhì)鋰，導致殘留的單質(zhì)鋰在使用的過程中分解，使鋰離子電容器的循環(huán)壽命下降。因此，在實際應用中，應當選擇合適厚度的鋰片，使鋰離子的供給充足，負極嵌鋰后的電位低，能量密度大，并且不會殘留鋰單質(zhì)。
[0026]含有鋰鹽的有機電解液在鋰離子電容器中起離子傳導的作用。
[0027]鋰鹽可以為LiBF4' LiAlO4' LiClO4' LiAlCl4, LiPF6, LiAsF6, LiSbF6 和 LiCF3SO3 中的至少一種。
[0028]有機溶劑可以為碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酯乙烯酯、碳酯丙烯酯和碳酸甲乙酯中的至少一種。
[0029]具體的，含有鋰鹽的有機電解液可以為濃度為IM的LiPF6的碳酸二甲酯和碳酸丙烯酯(體積比為1:1)的電解液，該電解液具有較高的離子導電率和較好的電化學穩(wěn)定性。在實際應用中，可以根據(jù)需要選擇合適的配比的鋰鹽和有機溶劑。
[0030]S20、在溫度為-30°C?60°C的條件下，將負極和鋰片電連接，放電ltT60h，實現(xiàn)對負極的預嵌鋰。
[0031]具體的，溫度可以為40°C。過低的嵌鋰溫度會導致鋰離子的活性不足，嵌鋰容量降低。過高的嵌鋰溫度會使鋰離子活性過高，從而在負極表面形成固態(tài)界面膜，容易被有機溶劑侵蝕，導致鋰離子電容器的倍率性能下降。在實際應用中，可以根據(jù)需要和實際條件選擇合適的嵌鋰溫度。
[0032]將負極和鋰片電連接的操作可以為將負極和鋰片用導線直接短路連接。將負極和鋰片用導線直接短路連接，由于負極和鋰片之間的材質(zhì)不同，會發(fā)生放電，鋰片會溶解在電解液中，電流也會逐漸變小，從而使鋰片中的鋰離子不斷的嵌入到負極中。最后鋰片和負極之間會形成一個平衡電位。這種將負極和鋰片直接用導線連接的方式，不需要再引入另外的工作元件，操作工藝簡單。
[0033]將負極和鋰片電連接的操作可以為將負極和鋰片通過電阻串聯(lián)連接。電阻的歐姆值可以為1Ω?1000Ω。具體的，電阻的歐姆值可以為100Ω，放電時間可以為10h。將負極和鋰片通過電阻串聯(lián)連接時，由于負極和鋰片之間的材質(zhì)不同，會發(fā)生放電，但是由于電阻的存在，負極和鋰片之間放電時，電流的大小不是很大，不會引起負極的極化，不容易使鋰離子在負極表面沉積，從而使鋰離子更好的嵌入到負極中。當串聯(lián)的電阻的歐姆值為100Ω時，由于其放電嵌鋰的電流處于一個中等狀態(tài)，不會太高也不會太低，使鋰離子充分均勻地嵌入到負極材料的晶格中，放電時間為IOh后，制備得到的鋰離子電容器的容量和容量保持率更高。
[0034]將負極和鋰片電連接的操作可以為將負極和鋰片通過恒流充放電設備進行連接恒電流放電。恒電流的大小可以為0.lmiTlOOmA。恒流充放電設備可以為LAND電池測試系統(tǒng)。將負極和鋰片通過恒流充放電設備進行連接恒電流放電，可以控制放電的電流保持在一個恒定的值，從而使鋰片緩慢溶解，同時，負極表面能夠保持一個穩(wěn)定的電勢，使鋰離子更好地嵌入到負極中。
[0035]上述鋰離子電容器負極預嵌鋰的方法，在合適的溫度下，通過將負極和鋰片電連接，放電ItTeoh后，鋰離子電容器中的鋰片會緩慢溶解到電解液中形成鋰離子，從而嵌入到負極中，實現(xiàn)對負極的預嵌鋰，得到的鋰離子電容器容量高。上述鋰離子電容器負極預嵌鋰的方法只需要控制負極和鋰片之間的電連接方式、適當?shù)臅r間和溫度，就能夠得到高容量的鋰離子電容器，具有操作工藝簡單，易控制，原料易得等優(yōu)點。適用于各種結(jié)構和各種材料組成的鋰離子電容器。
[0036]上述鋰離子電容器負極預嵌鋰的方法，適用于扣電式鋰離子電容器、層疊式鋰離子電容和卷繞式鋰離子電容器。
[0037]下面為具體實施例部分。[0038]實施例1
[0039]以活性炭為正極、天然石墨為負極、厚度為0.1mm的鋰片作為第三電極，以及濃度為IM的LiPF6的碳酸二甲酯和碳酯丙烯酯(體積比1:1)作為電解液，組裝成鋰離子電容器。在溫度為25°C條件下，將鋰片和負極用導線直接短路連接，放電30h，完成對負極的嵌鋰。然后再對鋰離子電容器進行循環(huán)充放電測試，電壓區(qū)間為2V~4V。
[0040]實施例2
[0041]實施例2和實施例1的鋰離子電容器負極預嵌鋰的方法基本相同，不同點在于，作為第三電極的鋰片的厚度為0.2mm。
[0042]實施例3
[0043]實施例3和實施例1的鋰離子電容器負極預嵌鋰的方法基本相同，不同點在于，作為第三電極的鋰片的厚度為0.3mm。
[0044]實施例4
[0045]實施例4和實施例1的鋰離子電容器負極預嵌鋰的方法基本相同，不同點在于，作為第三電極的鋰片的厚度為0.4mm。
[0046]表1為實施例f實施例4制備得到的鋰離子電容器的IC首次放電的容量、IC倍率500次循環(huán)充放電的容量保持率以及IOC倍率500次循環(huán)充放電的容量保持率的數(shù)據(jù)。
[0047]表1
[0048]
【權利要求】
1.一種鋰離子電容器負極預嵌鋰的方法，其特征在于，包括如下步驟: 將鋰片、第一隔膜、負極、第二隔膜和正極依次層疊并封裝于殼體內(nèi)部，注入含有鋰鹽的有機電解液后組裝成鋰離子電容器； 在溫度為-30°C?60°C的條件下，將所述負極和所述鋰片電連接，放電ltT60h，實現(xiàn)對所述負極的預嵌鋰。
2.根據(jù)權利要求1所述的鋰離子電容器負極預嵌鋰的方法，其特征在于，所述將所述負極和所述鋰片電連接的操作為:將所述負極和所述鋰片用導線直接短路連接。
3.根據(jù)權利要求1所述的鋰離子電容器負極預嵌鋰的方法，其特征在于，所述將所述負極和所述鋰片電連接的操作為:將所述負極和所述鋰片通過電阻串聯(lián)連接。
4.根據(jù)權利要求3所述的鋰離子電容器負極預嵌鋰的方法，其特征在于，所述電阻的歐姆值為I Ω?1000Ω。
5.根據(jù)權利要求1所述的鋰離子電容器負極預嵌鋰的方法，其特征在于，所述將所述負極和所述鋰片電連接的操作為:將所述負極和所述鋰片通過恒流充放電設備進行連接。
6.根據(jù)權利要求5所述的鋰離子電容器負極預嵌鋰的方法，其特征在于，所述放電為恒電流放電，所述恒電流的大小為0.lmiTlOOmA。
7.根據(jù)權利要求1所述的鋰離子電容器負極預嵌鋰的方法，其特征在于，所述鋰片的厚度為 0.10mm?0.40mm。
8.根據(jù)權利要求1所述的鋰離子電容器負極預嵌鋰的方法，其特征在于，所述正極的材質(zhì)為活性炭粉末、碳黑、活性炭纖維、碳納米管、玻態(tài)炭、聚苯胺、聚噻吩和聚苯乙炔中的至少一種。
9.根據(jù)權利要求1所述的鋰離子電容器負極預嵌鋰的方法，其特征在于，所述負極的材質(zhì)為天然石墨、人造石墨、焦炭、中間相炭微球、硬炭和聚并苯硅氧化合物中的至少一種。
10.根據(jù)權利要求1所述的鋰離子電容器負極預嵌鋰的方法，其特征在于，所述鋰鹽為LiBF4、LiAlO4' LiClO4' LiAlCl4, LiPF6, LiAsF6, LiSbF6 和 LiCF3SO3 中的至少一種。
【文檔編號】H01G11/86GK103915262SQ201310001315
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2013年1月4日 優(yōu)先權日:2013年1月4日
【發(fā)明者】袁美蓉, 劉偉強, 徐永進 申請人:深圳清華大學研究院, 萬裕三信電子(東莞)有限公司