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CN105390297A - 一种钛酸锂基混合型超级电容器及其制备方法 - Google Patents

一种钛酸锂基混合型超级电容器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种钛酸锂基混合型超级电容器及其制备方法，由正极、负极、介于两者之间的隔膜及有机电解液组成，正极：采用双电层储能材料作为活性物质，并与导电剂和粘结剂混合，涂布在集流体上；负极：采用Li4Ti5O12和Li7Ti5O12的混合物，并与导电剂和粘结剂混合，涂布在集流体上；电解液：由溶质和溶剂组成，溶剂为CH3CN,溶质为LiPF6。本发明制备的混合型超级电容器与双电层超级电器相比具有较高能量密度(能达到15～25Wh/Kg)、相同的高功率密度(>12000W/Kg)的特性可以广泛用于混合动力车、高尔夫车、汽车启动和纯电动公交车和有轨电车等领域。

Description

一种钛酸锂基混合型超级电容器及其制备方法
[技术领域]
本发明涉及一种化学电源领域，特别涉及一种钛酸锂基的混合型超级电容器领域。
[背景技术]
钛酸锂(Li4Ti5O12)是一种新型的锂离子电池负极材料，它最大的特点就是“零应变性”。所谓“零应变性”是指其晶体在嵌入或脱出锂离子时晶格常数和体积变化都很小。在充放电循环中，这种“零应变性”能够避免由于电极材料的来回伸缩而导致结构的破坏，从而提高了电极的循环寿命，减少循环带来的比容量衰减，也具有非常好的耐过充、过放特征，所以钛酸锂是一种优异的电池材料的负极材料和混合型超级电容器的负极材料。从理论上钛酸锂可具有3万次以上的寿命，如果设计钛酸锂负极过量，使其处于较低的DOD循环，寿命可达10～100万次寿命。
电化学双电层电容器(EDLC)是指具有远远超过传统电容器容量、利用双电层充放电原理的装置，一般正负极都采用同样的活性物质(如活性碳、碳纤维、碳布、碳气凝胶、碳纳米管、炭黑、石墨烯)作为电极活性物质，各自形成一个双电层，分别吸引电性相反的等量电荷。其特点是比电容大、比功率高、循环寿命长、使用温度范围宽和对环境友好。其缺点是比能量较低，为了克服该缺点，人们发明了混合型超级电容器，混合型超级电容器是一极采用电池的非极化电极(如氢氧化镍、Li4Ti5O12等)，另一极采用双电层电容器的极化电极(如活性炭)，这种混合型的设计可以大幅度提高超级电容器的能量密度。
正极为活性炭，负极为Li4Ti5O12的混合超级电容器是混合型超级电容器的典型代表，但由于该电容器的电容区间较窄(2.0～2.7V)限制该类型超级电容器的比能量发挥。
此外，目前锂离子电池和锂离子电容器所用的电解液，溶剂大多为碳酸乙烯酯和线性碳酸酯组成，溶质为LiPF6或LiAsF6,该种电解液特点为技术成熟，非常适合用于碳基锂离子电池和碳基锂离子电容器，但该类电解液电导率较低，一般在10mS/cm左右；CH3CN为强极性溶剂，与碳酸酯类溶剂相比可提高电解液的电导率，CH3CN已被成功用于不产生SEI膜的体系，钛酸锂作为负极材料，SEI膜不产生，电解液可以用CH3CN作溶剂；而LiAsF6与CH3CN有络合反应，不能用CH3CN作溶剂，LiBF4可用CH3CN作溶剂，但其溶液电导率最高为1910mS/cm，与双电层所用的1M的Et4NBF4/CH3CN电导率56mS/cm相比，电导率较低，不利于电容器比功率的发挥。而LiPF6的CH3CN在浓度0.8～1.2之间时，具有50～56mS/cm的电导率，与双电层电容器电解液相当的电导率。用该电解液可发挥其功率特性。
[发明内容]
为克服Li4Ti5O12的混合超级电容器电容区间较窄(2.0～2.7V)的不足，本发明的目的是提供一种钛酸锂基的混合型超级电容器，正极采用双电层材料；负极采用Li4Ti5O12和Li7Ti5O12的混合物，其比例为3:7～7:3之间；电解液采用LiPF6/CH3CN体系，该混合超级电容器具有更高的电容区间和更高的比能量。
为实现上述目的，设计一种钛酸锂基混合型超级电容器，由正极、负极、介于两者之间的隔膜和电解液组成，其特征在于，
a正极：采用双电层储能材料作为活性物质，并与导电剂和粘结剂混合，涂布在集流体上；
b负极：采用Li4Ti5O12和Li7Ti5O12的混合物，并与导电剂和粘结剂混合，涂布在集流体上；
c电解液：由溶质和溶剂组成，溶剂为单组份溶剂乙腈(CH3CN)，溶质为单组份溶质LiPF6,电解液浓度在0.8～1.2M。
所述双电层储能材料是活性炭、石墨烯、碳纳米管和碳气凝胶的一种或几种。
负极为Li4Ti5O12和Li7Ti5O12的混合物，其比例为3:7～7:3之间。
电解液浓度为0.8～1.2M，电导率为50～56mS/cm。
所述的隔膜包括聚乙烯微孔膜、聚丙烯微孔膜、复合膜、无机陶瓷膜、纸隔膜。
制备上述钛酸锂基混合型超级电容器的方法，其特征在于，
a正极片的制作：将双电层储能材料作为活性物质，按比例与导电剂和粘结剂混合，调成浆料，然后涂布在集流体上，经烘干、碾压、裁片、24h真空干燥制作成正极片；
b负极片的制作：将Li4Ti5O12和Li7Ti5O12的混合物研磨混合均匀作为活性物质，按比例和导电剂与粘结剂调成浆料，然后涂布在集流体上，经烘干、碾压、裁片、24h真空干燥制作成负极片。
c在隔膜内注入LiPF6/CH3CN电解液,组装成3Ah的超级电容器。
所述的负极过量，正极与负极容量比：1:2～1:4之间。
由本发明制作混合型超级电容器，电容区间在1.5～2.7V之间，与负极单纯采用Li4Ti5O12相比，具有较宽的电容区间。具有双电层电容器的大倍率充放电性能、相当的比功率和相当的循环寿命特性，比双电层电容器和负极单纯采用Li4Ti5O12的电容器相比具有更高的比能量，应用范围更广。
[具体实施方式]
下面将对本发明的示例性实施例进行充分描述，但在此描述之前应了解本领域的普通技术人员可修改本文中所描述的发明，同时获得本发明的技术效果。因此，须了解以下的描述对本领域的普通技术人员而言为一广泛的揭示，且其内容不在于限制本发明所描述的示例性实施例。
1.表1中的实施例的制作方法如下：
正极片的制作：将双电层材料作为活性物质、导电剂和粘结剂，按照一定比例混合，该比例可选用常规比例，对本领域技术人员来说是清楚的，调成浆料后，然后涂布在集流体上，经烘干(110～120℃)、碾压、裁片、24h真空干燥(120～130℃)制作成正极片。
负极片的制作：将Li4Ti5O12和Li7Ti5O12的混合物研磨混合均匀作为活性物质，按一定比例(如实施例所示的比例)和导电剂与粘结剂调成浆料，然后涂布在集流体上，经烘干(110～120℃)、碾压、裁片、24h真空干燥(120～130℃)制作成负极片。
选用纤维素纸为隔膜，最后注入一定浓度的LiPF6/CH3CN,组装成3Ah的超级电容器，然后对该超级电容器进行化成和性能测试。
2.测试制度
寿命测试：电源以30A的电流充电至2.7V,30A放电至1.5V，循环100000次后，计算容量保持率。
实施例1
正极：活性炭，正极面容量为5Ah/m2
负极：Li4Ti5O12和Li7Ti5O12,比例为7:3负极面容量为10Ah/m2。
正极与负极容量比：1:2。
电解液为：1MLiPF6/CH3CN。
实施例2
正极：活性炭，正极面容量为5Ah/m2
负极：Li4Ti5O12和Li7Ti5O12,比例为6:4负极面容量为10Ah/m2。
正极与负极容量比：1:2。
电解液为：1MLiPF6/CH3CN。
实施例3
正极：活性炭，正极面容量为5Ah/m2
负极：Li4Ti5O12和Li7Ti5O12,比例为5:5负极面容量为10Ah/m2。
正极与负极容量比：1:2。
电解液为：1MLiPF6/CH3CN。
实施例4
正极：活性炭，正极面容量为5Ah/m2
负极：Li4Ti5O12和Li7Ti5O12,比例为4:6负极面容量为10Ah/m2。
正极与负极容量比：1:2。
电解液为：1MLiPF6/CH3CN。
实施例5
正极：活性炭，正极面容量为5Ah/m2
负极：Li4Ti5O12和Li7Ti5O12,比例为3:7负极面容量为10Ah/m2。
正极与负极容量比：1:2。
电解液为：1MLiPF6/CH3CN。
实施例6
正极：活性炭，正极面容量为5Ah/m2
负极：Li4Ti5O12和Li7Ti5O12,比例为2:8负极面容量为10Ah/m2。
正极与负极容量比：1:2。
电解液为：1MLiPF6/CH3CN。
实施例7
正极：活性炭，正极面容量为5Ah/m2
负极：Li4Ti5O12和Li7Ti5O12,比例为8:2负极面容量为10Ah/m2。
正极与负极容量比：1:2。
电解液为：1MLiPF6/CH3CN。
实施例8
正极：活性炭，正极面容量为5Ah/m2
负极：Li4Ti5O12和Li7Ti5O12,比例为7:3负极面容量为15Ah/m2。
正极与负极容量比：1:3。
电解液为：1MLiPF6/CH3CN。
实施例9
正极：活性炭，正极面容量为5Ah/m2
负极：Li4Ti5O12和Li7Ti5O12,比例为7:3负极面容量为20Ah/m2。
正极与负极容量比：1:4。
电解液为：1MLiPF6/CH3CN。
实施例10
正极：活性炭，正极面容量为5Ah/m2
负极：Li4Ti5O12和Li7Ti5O12,比例为7:3负极面容量为25Ah/m2。
正极与负极容量比：1:5。
电解液为1MLiPF6/CH3CN。
实施例11
正极：活性炭，正极面容量为5Ah/m2
负极：Li4Ti5O12和Li7Ti5O12,比例为7:3负极面容量为5Ah/m2。
正极与负极容量比：1:1。
电解液为1MLiPF6/CH3CN。
实施例12
正极：活性炭，正极面容量为5Ah/m2
负极：Li4Ti5O12和Li7Ti5O12,比例为7:3负极面容量为15Ah/m2。
正极与负极容量比：1:3。
电解液为：1MLiBF4/CH3CN。
实施例13
正极：活性炭，正极面容量为5Ah/m2
负极：Li4Ti5O12负极面容量为15Ah/m2。
正极与负极容量比：1:3。
电解液为1MLiPF6/CH3CN。
实施例14
正极：活性炭，正极面容量为5Ah/m2
负极：活性炭，负极面容量为5Ah/m2。
正极与负极容量比：1:1。
电解液为1MEt4NBF4/CH3CN。
表1不同实施例的电性能对照表
由表1可以看出，1)采用Li4Ti5O12和Li7Ti5O12混合物为负极的超级电容器注液后未化成前由于具有较高的开路电压，而具有较宽的电容区间，从而具有较高的比能量，同时从实施例也可以得出Li4Ti5O12和Li7Ti5O12合适比例为3:7～7:3之间；2)负极过量有利于超级电容器寿命的发挥，但负极过量较多不利比功率的发挥，合适的比例为1:2～1:4之间；3)电解液采用1MLiPF6/CH3CN与1MLiBF4/CH3CN相比具有更高的比功率；4)本发明的混合型超级电容器与双电层超级电容器相比具有更高的比能量，具有相当的比功率和循环寿命，具有更宽的用途。
以上所述内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种钛酸锂基混合型超级电容器，由正极、负极、介于两者之间的隔膜和电解液组成，其特征在于，
a正极：采用双电层储能材料作为活性物质，并与导电剂和粘结剂混合，涂布在集流体上；
b负极：采用Li4Ti5O12和Li7Ti5O12的混合物，并与导电剂和粘结剂混合，涂布在集流体上；
c电解液：由溶质和溶剂组成，溶剂为CH3CN,溶质为LiPF6。
2.如权利要求1所述的一种钛酸锂基混合型超级电容器，其特征在于，所述双电层储能材料是活性炭、石墨烯、碳纳米管和碳气凝胶的一种或几种。
3.如权利要求1所述的一种钛酸锂基混合型超级电容器，其特征在于，负极为Li4Ti5O12和Li7Ti5O12的混合物，其比例为3:7～7:3之间。
4.如权利要求1所述的一种钛酸锂基混合型超级电容器，其特征在于，电解液浓度为0.8～1.2M，电导率为50～56mS/cm。
5.如权利要求1所述的一种钛酸锂基混合型超级电容器，其特征在于，所述的隔膜包括聚乙烯微孔膜、聚丙烯微孔膜、复合膜、无机陶瓷膜、纸隔膜。
6.一种制备如权利要求1所述钛酸锂基混合型超级电容器的方法，其特征在于，
a正极片的制作：将双电层储能材料作为活性物质，按比例与导电剂和粘结剂混合，调成浆料，然后涂布在集流体上，经烘干、碾压、裁片、24h真空干燥制作成正极片；
b负极片的制作：将Li4Ti5O12和Li7Ti5O12的混合物研磨混合均匀作为活性物质，按比例和导电剂与粘结剂调成浆料，然后涂布在集流体上，经烘干、碾压、裁片、24h真空干燥制作成负极片。
c在隔膜内注入LiPF6/CH3CN电解液,组装成3Ah的超级电容器。
7.如权利要求6所述制备钛酸锂基混合型超级电容器的方法，其特征在于，所述的负极过量，正极与负极容量比：1:2～1:4之间。
8.如权利要求6所述制备钛酸锂基混合型超级电容器的方法，其特征在于，正极面容量为5Ah/m2。
9.如权利要求6所述制备钛酸锂基混合型超级电容器的方法，其特征在于，负极面容量为10-20Ah/m2。
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