一種混合型三元電化學(xué)超級(jí)電容器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種混合型三元電化學(xué)超級(jí)電容器，包括正極、負(fù)極、隔膜、電解液和外殼，其中：所述正極由正極材料均勻涂在泡沫鎳組成，所述正極材料由LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2三元材料、碳?xì)饽z、導(dǎo)電炭黑、粘結(jié)劑組成；所述負(fù)極由負(fù)極材料均勻涂在泡沫鎳組成，所述負(fù)極材料由碳?xì)饽z、導(dǎo)電炭黑、粘結(jié)劑組成；所述電解液由LiOH、Li2SO4中的一種或者兩種的水溶液組成。本發(fā)明將鋰離子電池和超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，制造出的混合型電化學(xué)超級(jí)電容器具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)和功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，可在電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)自行車(chē)等領(lǐng)域使用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種混合型三元電化學(xué)超級(jí)電容器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電化學(xué)儲(chǔ)能器件領(lǐng)域，具體地，涉及一種混合型三元電化學(xué)超級(jí)電容器。
【背景技術(shù)】
[0002]在當(dāng)前新能源技術(shù)發(fā)展中，高效的二次儲(chǔ)能器件成了許多重大應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)之一。無(wú)論是在移動(dòng)式交通動(dòng)力、便攜式電子產(chǎn)品以及各種大型儲(chǔ)能電站，都需要高比能量、高比功率的二次儲(chǔ)能器件。目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的二次儲(chǔ)能器件有:鋰離子電池、超級(jí)電容器、鎳氫電池、鎳鎘電池、鉛酸電池等。由于鎳鎘電池和鉛酸電池含有鉛、鎘等重金屬，正逐步被市場(chǎng)所淘汰；而鎳氫電池由于負(fù)極儲(chǔ)氫合金的記憶效應(yīng)，其使用循環(huán)次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到市場(chǎng)對(duì)高性能儲(chǔ)能器件的要求。鋰離子電池具有能量密度高、無(wú)記憶效應(yīng)，但循環(huán)壽命不太長(zhǎng)(500?1000次)。電化學(xué)超級(jí)電容器具有功率密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，但其能量密度比較低。
[0003]混合型電化學(xué)超級(jí)電容器是一種介于超級(jí)電容器和電池之間的新型儲(chǔ)能器件，它具有比超級(jí)電容器更高的能量密度及電池更大的功率密度，在電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)自行車(chē)等領(lǐng)域擁有非常廣闊的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種混合型三元電化學(xué)超級(jí)電容器，該電容器具有能量密度高、功率密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全、環(huán)境友好的特點(diǎn)，適合在電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)自行車(chē)等領(lǐng)域使用。
[0005]為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供一種混合型三元電化學(xué)超級(jí)電容器，包括正極、負(fù)極、隔膜、電解液和外殼，隔膜分隔正負(fù)極，浸潤(rùn)于電解液中，以外殼封裝。
[0006]其中:所述正極由正極材料均勻涂在泡沫鎳組成，所述正極材料由LiCol73Nil73Mnl73O2三元材料、碳?xì)饽z、導(dǎo)電炭黑、粘結(jié)劑組成；
[0007]所述負(fù)極由負(fù)極材料均勻涂在泡沫鎳組成，所述負(fù)極材料由碳?xì)饽z、導(dǎo)電炭黑、粘結(jié)劑組成；
[0008]所述電解液由LiOH、Li2SO4中的一種或者兩種的水溶液組成。
[0009]優(yōu)選地,所述正極材料的各組分質(zhì)量含量為-LiCov3NiliZ3MnliZ3O2三元材料50?90%、碳?xì)饽zO?40%、導(dǎo)電炭黑5?10%、粘結(jié)劑5?10%。其中LiCov3Ni1Z3Mn1Z3O2三元材料具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其比表面積高于5m2/g ;碳?xì)饽z為分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，孔徑分布在0.6?2nm、2_4nm 和 30 ?lOOnm。
[0010]優(yōu)選地,所述負(fù)極材料的各組分質(zhì)量含量為:碳?xì)饽z70?90%、導(dǎo)電炭黑5?20%、粘結(jié)劑5?10%ο
[0011]更優(yōu)選地，所述負(fù)極材料中的碳?xì)饽z為分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，孔徑分布在0.6?2nm、2_4nm 和 30 ?lOOnm。[0012]優(yōu)選地，所述粘結(jié)劑為聚四氟乙烯乳液(PTFE )。
[0013]優(yōu)選地，所述電解液含有的電解質(zhì)為L(zhǎng)i0H、Li2S04中的一種或者兩種，Li0H、Li2S04在去離子水中的摩爾含量分別為l_2mol/L和0.5-lmol/L。
[0014]本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)在于結(jié)合鋰離子電池與超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn)，創(chuàng)造了一種全新的混合型三元電化學(xué)超級(jí)電容器的組裝方式，使其既具有鋰離子電池的高能量密度的特點(diǎn)，又擁有循環(huán)壽命長(zhǎng)、功率密度大的優(yōu)勢(shì)。
[0015]本發(fā)明所述的一種混合型三元電化學(xué)超級(jí)電容器經(jīng)過(guò):稱(chēng)重配料一漿料攪拌一漿料涂布于泡沫鎳集流集上一干燥一壓片一裁片一疊片一裝殼一注液一封口的一整套工藝流程得到。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0017]本發(fā)明所提出的一種混合型三元電化學(xué)超級(jí)電容器與現(xiàn)有的鋰離子電池相比具有更大的功率密度:正極采用具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和高比表面積的LiCo1/3Ni1/3Mn1/302材料，負(fù)極使用具有電導(dǎo)率高、分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的碳?xì)饽z材料，離子電導(dǎo)率高的水系電解液，大幅提升產(chǎn)品的能量密度和功率密度。與傳統(tǒng)的超級(jí)電容器相比，本發(fā)明技術(shù)產(chǎn)品具有更高的能量密度，和更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0019]實(shí)施例1
[0020]將三元材料即LiCo1/3Ni1/3Mn1/302、導(dǎo)電炭黑和粘結(jié)劑PTFE按質(zhì)量比90:5:5稱(chēng)取，以水溶液為溶劑，將此混合物攪拌5小時(shí)形成均勻的漿料后，均勻的涂抹在泡沫鎳上，在100°C的環(huán)境下干燥后在輥壓機(jī)上壓平，剪切成適合大小并將集耳焊接在正極片上。
[0021]將碳?xì)饽z、導(dǎo)電炭黑和粘結(jié)劑PTFE按質(zhì)量比90:5:5稱(chēng)取，以水溶液為溶劑，將此混合物攪拌3小時(shí)形成均勻的漿料后，均勻的涂抹在泡沫鎳上，在100°C的環(huán)境下干燥后在輥壓機(jī)上壓平，剪切成適合大小并將集耳焊接在負(fù)極片上。
[0022]控制正、負(fù)電極片厚度，將正、負(fù)極活性物質(zhì)質(zhì)量比控制為1: 2，然后將正、負(fù)極片用隔膜隔開(kāi)，以疊片方式組成電芯；將電芯放入不銹鋼外殼中，將芯包的正負(fù)極極耳與外殼的正負(fù)極接線柱焊接在一起；將外殼的蓋板進(jìn)行密封焊接，并留出一個(gè)直徑Imm的注液孔；向已裝殼的電芯中注入電解液，電解液組成為2mol/L的LiOH水溶液；電解液注好后，用鋼珠將注液孔密封后得到成品混合型電化學(xué)超級(jí)電容器。
[0023]用電池充放電測(cè)試儀對(duì)制成的混合型電化學(xué)超級(jí)電容器進(jìn)行測(cè)試，在0.4-2.0V的電壓窗口內(nèi)，以IOC進(jìn)行充放電，其放電比容量為296F/g，循環(huán)5000次后容量為初始容量的86.7% ;30C充電，15C放電，放電比容量為183F/g。
[0024]實(shí)施例2
[0025]將三元材料即LiCo1/3Ni1/3Mn1/302、碳?xì)饽z、導(dǎo)電炭黑和粘結(jié)劑PTFE按質(zhì)量比50:40:5:5稱(chēng)取，以水溶液為溶劑，將此混合物攪拌5小時(shí)形成均勻的漿料后，均勻的涂抹在泡沫鎳上，在100°c的環(huán)境下干燥后在輥壓機(jī)上壓平，剪切成適合大小并將集耳焊接在正極片上。
[0026]將碳?xì)饽z、導(dǎo)電炭黑和粘結(jié)劑PTFE按質(zhì)量比70:20:10稱(chēng)取，以水溶液為溶劑，將此混合物攪拌3小時(shí)形成均勻的漿料后，均勻的涂抹在泡沫鎳上，在100°C的環(huán)境下干燥后在輥壓機(jī)上壓平，剪切成適合大小并將集耳焊接在負(fù)極片上。
[0027]控制正、負(fù)電極片厚度，將正、負(fù)極活性物質(zhì)質(zhì)量比控制為1:1.7，然后將正、負(fù)極片用隔膜隔開(kāi)，以疊片方式組成電芯；將電芯放入不銹鋼外殼中，將芯包的正負(fù)極極耳與外殼的正負(fù)極接線柱焊接在一起；將外殼的蓋板進(jìn)行密封焊接，并留出一個(gè)直徑Imm的注液孔；向已裝殼的電芯中注入電解液，電解液組成為lmol/L的Li0H+Li2S04水溶液；電解液注好后，用鋼珠將注液孔密封后得到成品混合型電化學(xué)超級(jí)電容器。
[0028]用電池充放電測(cè)試儀對(duì)制成的混合型電化學(xué)超級(jí)電容器進(jìn)行測(cè)試，在0.4-2.0V的電壓窗口內(nèi)，以IOC進(jìn)行充放電，其放電比容量為234F/g，循環(huán)5000次后容量為初始容量的92.8% ;30C充電，15C放電，放電比容量為205F/g。
[0029]實(shí)施例3
[0030]將三元材料即LiCo1/3Ni1/3Mn1/302、碳?xì)饽z、導(dǎo)電炭黑和粘結(jié)劑PTFE按質(zhì)量比65:25:5:5稱(chēng)取，以水溶液為溶劑，將此混合物攪拌5小時(shí)形成均勻的漿料后，均勻的涂抹在泡沫鎳上，在100°C的環(huán)境下干燥后在輥壓機(jī)上壓平，剪切成適合大小并將集耳焊接在正極片上。
[0031]將碳?xì)饽z、導(dǎo)電炭黑和粘結(jié)劑PTFE按質(zhì)量比80:10:10稱(chēng)取，以水溶液為溶劑，將此混合物攪拌3小時(shí)形成均勻的漿料后，均勻的涂抹在泡沫鎳上，在100°C的環(huán)境下干燥后在輥壓機(jī)上壓平，剪切成適合大小并將集耳焊接在負(fù)極片上。
[0032]控制正、負(fù)電極片厚度，將正、負(fù)極活性物質(zhì)質(zhì)量比控制為1:1.8，然后將正、負(fù)極片用隔膜隔開(kāi)，以疊片方式組成電芯；將電芯放入不銹鋼外殼中，將芯包的正負(fù)極極耳與外殼的正負(fù)極接線柱焊接在一起；將外殼的蓋板進(jìn)行密封焊接，并留出一個(gè)直徑Imm的注液孔；向已裝殼的電芯中注入電解液，電解液組成為1.5mol/L的LiOH和0.5mol/L的Li2SO4水溶液；電解液注好后，用鋼珠將注液孔密封后得到成品混合型電化學(xué)超級(jí)電容器。
[0033]用電池充放電測(cè)試儀對(duì)制成的混合型電化學(xué)超級(jí)電容器進(jìn)行測(cè)試，在0.4-2.0V的電壓窗口內(nèi)，以IOC進(jìn)行充放電，其放電比容量為258F/g，循環(huán)5000次后容量為初始容量的90.3% ;30C充電，15C放電，放電比容量為191F/g。
[0034]實(shí)施例4
[0035]將三元材料即LiCo1/3Ni1/3Mn1/302、碳?xì)饽z、導(dǎo)電炭黑和粘結(jié)劑PTFE按質(zhì)量比80:10:5:5稱(chēng)取，以水溶液為溶劑，將此混合物攪拌5小時(shí)形成均勻的漿料后，均勻的涂抹在泡沫鎳上，在100°C的環(huán)境下干燥后在輥壓機(jī)上壓平，剪切成適合大小并將集耳焊接在正極片上。
[0036]將碳?xì)饽z、導(dǎo)電炭黑和粘結(jié)劑PTFE按質(zhì)量比80:10:10稱(chēng)取，以水溶液為溶劑，將此混合物攪拌3小時(shí)形成均勻的漿料后，均勻的涂抹在泡沫鎳上，在100°C的環(huán)境下干燥后在輥壓機(jī)上壓平，剪切成適合大小并將集耳焊接在負(fù)極片上。
[0037]控制正、負(fù)電極片厚度，將正、負(fù)極活性物質(zhì)質(zhì)量比控制為1: 1.9，然后將正、負(fù)極片用隔膜隔開(kāi)，以疊片方式組成電芯；將電芯放入不銹鋼外殼中，將芯包的正負(fù)極極耳與外殼的正負(fù)極接線柱焊接在一起；將外殼的蓋板進(jìn)行密封焊接，并留出一個(gè)直徑Imm的注液孔；向已裝殼的電芯中注入電解液，電解液組成為1.5mol/L的LiOH和0.5mol/L的Li2SO4水溶液；電解液注好后，用鋼珠將注液孔密封后得到成品混合型電化學(xué)超級(jí)電容器。
[0038]用電池充放電測(cè)試儀對(duì)制成的混合型電化學(xué)超級(jí)電容器進(jìn)行測(cè)試，在0.4-2.0V的電壓窗口內(nèi)，以IOC進(jìn)行充放電，其放電比容量為277F/g，循環(huán)5000次后容量為初始容量的89.2% ;30C充電，15C放電，放電比容量為197F/g。
[0039]實(shí)施例5
[0040]將三元材料即LiCo1/3Ni1/3Mn1/302、碳?xì)饽z、導(dǎo)電炭黑和粘結(jié)劑PTFE按質(zhì)量比70:10:10:10稱(chēng)取，以水溶液為溶劑，將此混合物攪拌5小時(shí)形成均勻的漿料后，均勻的涂抹在泡沫鎳上，在100°C的環(huán)境下干燥后在輥壓機(jī)上壓平，剪切成適合大小并將集耳焊接在正極片上。
[0041]將碳?xì)饽z、導(dǎo)電炭黑和粘結(jié)劑PTFE按質(zhì)量比85:7:8稱(chēng)取，以水溶液為溶劑，將此混合物攪拌4小時(shí)形成均勻的漿料后，均勻的涂抹在泡沫鎳上，在100°C的環(huán)境下干燥后在輥壓機(jī)上壓平，剪切成適合大小并將集耳焊接在負(fù)極片上。
[0042]控制正、負(fù)電極片厚度，將正、負(fù)極活性物質(zhì)質(zhì)量比控制為1: 1.6，然后將正、負(fù)極片用隔膜隔開(kāi)，以疊片方式組成電芯；將電芯放入不銹鋼外殼中，將芯包的正負(fù)極極耳與外殼的正負(fù)極接線柱焊接在一起；將外殼的蓋板進(jìn)行密封焊接，并留出一個(gè)直徑Imm的注液孔；向已裝殼的電芯中注入電解液，電解液組成為lmol/L的Li2SOyK溶液；電解液注好后，用鋼珠將注液孔密封后得到成品混合型電化學(xué)超級(jí)電容器。
[0043]用電池充放電測(cè)試儀對(duì)制成的混合型電化學(xué)超級(jí)電容器進(jìn)行測(cè)試，在0.4-2.0V的電壓窗口內(nèi)，以IOC進(jìn)行充放電，其放電比容量為263F/g，循環(huán)5000次后容量為初始容量的90.3% ;30C充電，15C放電，放電比容量為190F/g。
[0044]實(shí)施例6
[0045]將三元材料即LiCo1/3Ni1/3Mn1/302、碳?xì)饽z、導(dǎo)電炭黑和粘結(jié)劑PTFE按質(zhì)量比70:15:7:8稱(chēng)取，以水溶液為溶劑，將此混合物攪拌3小時(shí)形成均勻的漿料后，均勻的涂抹在泡沫鎳上，在100°C的環(huán)境下干燥后在輥壓機(jī)上壓平，剪切成適合大小并將集耳焊接在正極片上。
[0046]將碳?xì)饽z、導(dǎo)電炭黑和粘結(jié)劑PTFE按質(zhì)量比80:13:7稱(chēng)取，以水溶液為溶劑，將此混合物攪拌4小時(shí)形成均勻的漿料后，均勻的涂抹在泡沫鎳上，在100°C的環(huán)境下干燥后在輥壓機(jī)上壓平，剪切成適合大小并將集耳焊接在負(fù)極片上。
[0047]控制正、負(fù)電極片厚度，將正、負(fù)極活性物質(zhì)質(zhì)量比控制為1: 1.8，然后將正、負(fù)極片用隔膜隔開(kāi)，以疊片方式組成電芯；將電芯放入不銹鋼外殼中，將芯包的正負(fù)極極耳與外殼的正負(fù)極接線柱焊接在一起；將外殼的蓋板進(jìn)行密封焊接，并留出一個(gè)直徑Imm的注液孔；向已裝殼的電芯中注入電解液，電解液組成為1.5mol/L的LiOH和0.7mol/L的Li2SO4水溶液；電解液注好后，用鋼珠將注液孔密封后得到成品混合型電化學(xué)超級(jí)電容器。
[0048]用電池充放電測(cè)試儀對(duì)制成的混合型電化學(xué)超級(jí)電容器進(jìn)行測(cè)試，在0.4-2.0V的電壓窗口內(nèi)，以IOC進(jìn)行充放電，其放電比容量為281F/g，循環(huán)5000次后容量為初始容量的91.2% ;30C充電，15C放電，放電比容量為195F/g。
[0049]本發(fā)明將鋰離子電池和超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，制造出的混合型電化學(xué)超級(jí)電容器具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)和功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，可在電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)自行車(chē)等領(lǐng)域使用。
[0050]以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種混合型三元電化學(xué)超級(jí)電容器，其特征在于，所述超級(jí)電容器包括正極、負(fù)極、隔膜、電解液和外殼，其中: 所述正極由正極材料均勻涂在泡沫鎳組成，所述正極材料由LiCov3NiliZ3MnliZ3O2三元材料、碳?xì)饽z、導(dǎo)電炭黑、粘結(jié)劑組成； 所述負(fù)極由負(fù)極材料均勻涂在泡沫鎳組成，所述負(fù)極材料由碳?xì)饽z、導(dǎo)電炭黑、粘結(jié)劑組成； 所述電解液由LiOH、Li2SO4中的一種或者兩種的水溶液組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種混合型三元電化學(xué)超級(jí)電容器，其特征在于，所述正極材料各組分的質(zhì)量含量為:LiCo1/3Ni1/3Mn1/302三元材料50?90%、碳?xì)饽zO?40%、導(dǎo)電炭黑5?10%、粘結(jié)劑5?10%。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種混合型三元電化學(xué)超級(jí)電容器，其特征在于，所述LiCol73Nil73Mnl73O2三元材料具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其比表面積高于5m2/g。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的一種混合型三元電化學(xué)超級(jí)電容器，其特征在于，所述碳?xì)饽z為分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，孔徑分布在0.6?2nm、2_4nm和30?lOOnm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種混合型三元電化學(xué)超級(jí)電容器，其特征在于，所述負(fù)極材料各組分的質(zhì)量含量為:碳?xì)饽z70?90%、導(dǎo)電炭黑5?20%、粘結(jié)劑5?10%。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種混合型三元電化學(xué)超級(jí)電容器，其特征在于，所述碳?xì)饽z為分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，孔徑分布在0.6?2nm、2_4nm和30?lOOnm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或5所述的一種混合型三元電化學(xué)超級(jí)電容器，其特征在于，所述粘結(jié)劑為聚四氟乙烯乳液。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或5所述的一種混合型三元電化學(xué)超級(jí)電容器，其特征在于，所述電解液中，電解質(zhì)LiOH、Li2SO4在去離子水中的摩爾含量分別為l-2mol/L和0.5-lmol/L。
【文檔編號(hào)】H01G11/38GK103500666SQ201310407969
【公開(kāi)日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2013年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月9日
【發(fā)明者】張遙遙, 張春明, 劉冬, 王丹, 吳曉燕, 余震, 何丹農(nóng) 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué), 上海納米技術(shù)及應(yīng)用國(guó)家工程研究中心有限公司