一种固态锂离子电容器的制作方法

本实用新型涉及一种电化学储能器件，具体为一种固态锂离子电容器装置。

背景技术：

锂离子电容器（Lithium-ion capacitor）是一种介于超级电容器和电池之间的新型储能器件，相对于超级电容器，锂离子电容器具有更高的能量密度，同时具有更低的自放电，相对于锂离子电池，锂离子电容器具有更加优异的倍率和低温特性。锂离子电容器在轨道交通、汽车启动电源、智能装备等领域具有广阔的应用前景。

锂离子电容器正极采用比表面大的多孔碳材料，负极采用锂离子电池负极材料，在多次循环的过程中，在负极会出现锂枝晶，造成锂离子电容器内阻增大，容量下降，在锂枝晶积累到一定程度时，有刺穿隔膜造成电芯短路的风险，同时电池存在易燃、易爆、易挥发的有机溶剂，存在很大的安全隐患，并且在工况的使用过程中存在能量密度较低，不能满足需要高能量密度的一个使用要求。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种新型的锂离子电容器，消除电解液泄漏的安全隐患，同时提高能量密度。

为解决以上技术问题，本实用新型公开了一种固态锂离子电容器，该固态锂离子电容器包括至少一个结构单元，该结构单元包括正极和负极，以及夹叠在正极与负极之间的一层固态电解质，所述正极包括正极集流体和附着在该正极集流体一侧的正极涂料层，负极包括负极集流体和压制在该负极集流体一侧的一层金属锂。正极涂料层和金属锂分别位于固态电解质的两侧。固态电解质可以是有机固态电解质，也可以是无机固态电解质。

进一步地，所述正极集流体为多孔箔材，厚度为15~50μm，优选15~35μm。

进一步地，所述正极集流体的多孔箔材孔隙率10~50%，孔径10~500μm，优选10~50μm。

使用多孔集流体有助于提高锂离子电容器的能量密度，有利于锂离子的运动，有助于提高倍率性能。

进一步地，所述正极集流体的多孔箔材为不锈钢、镍或铝的任意一种。

进一步地，所述金属锂厚度为10~300μm。

进一步地，所述负极集流体为多孔铜箔，厚度为10μm-50μm，优选10~25μm。

进一步地，所述负极集流体的多孔铜箔气孔率为30~70%，孔径为10~500μm，优选10~100μm。

进一步地，金属锂在长度和宽度上均比正极涂料层大1~4mm，固态电解质在长度和宽度上均比金属锂大2~4mm。

本实用新型的锂离子电容器采用固态电解质，使用金属锂作为负极，固态电解质作为隔膜的同时防止锂枝晶的和热失控的发生，完全消除了电解液泄露造成的安全隐患，使用金属锂代替碳类负极材料，有助于提升体系的能量密度，同时结合多孔集流体，进一步提升体系的能量密度和功率特性。

这种结构设计方式避免了锂枝晶造成的安全隐患，为高能量密度高安全的锂离子电容器提供了一种非常好的思路。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的充放电曲线。

图中：1-正极涂料层、2-正极多孔箔材集流体、3-固态电解质、4-多孔铜箔集流体、5-金属锂。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。本实用新型的实施并不限于下面的实施例，对本实用新型所做的任何形式上的变通或改变都应在本发明的保护范围内。

实施例1：

如图1所示，本实用新型的固态锂离子电容器结构单元包括正极、固体电解质3和负极。其中，正极包括正极多孔箔材集流体1和涂覆在其一侧的正极涂料层2，负极包括多孔铜箔集流体4和压制在其一侧的金属锂5，正极涂料层1和金属锂5分别位于固态电解质3的两侧。即该结构单元最终形成一个叠片式的结构，依次为正极多孔箔材集流体1、正极涂料层2、固体电解质3、金属锂5和多孔铜箔集流体4。

以上单元结构可通过如下方法制备得到：

正极制备：日本可乐丽YP50F活性炭制备的正极浆料，涂覆在厚度为20μm，孔隙率25%，孔径40μm的多孔铝箔上（铝箔孔采用机械或者腐蚀的方式制得，即正极多孔箔材集流体1）。

负极制备：使用厚度为15μm多孔铜箔（即多孔铜箔集流体4），孔隙率45%，孔径100μm，孔采用激光、机械或者刻蚀的方式加工，金属锂5厚度为50μm，将多孔铜箔集流体4与金属锂通过压制得到。

固态电解质：采用PEO基的有机聚合物电解质。

组装测试：按照正极|PEO基的有机聚合物电解质|负极的顺序组装成锂离子电容器结构单元，其中金属锂5在长度和宽度方向均比正极涂料层1大2mm，PEO基的有机聚合物电解质（即固态电解质3）在长度和宽度方向均比金属锂5大2mm。

充放电测试：电压窗口2.2~3.8V，以3~40C放电电流进行放电。

以上结构单元根据容量设计需求再进行组合，且组合时相邻结构单元共用一个正极多孔箔材集流体1或多一个孔铜箔集流体4。即，当另一个结构单元向正极侧延伸组合时，在对应的正极多孔箔材集流体1两侧涂覆正极浆料，在正极多孔箔材集流体1两侧均形成一个正极涂料层2，再依次叠上固态电解质，至少一侧（当不需要再在该侧组合结构单元时，靠近固态电解质一侧即可，当需要在该侧组合结构单元时，则两侧）压制有金属锂的多孔铜箔集流体。同理可得出另一个结构单元向负极侧延伸组合的结构。

实施例2

正极制备：日本可乐丽YP50F活性炭制备的正极浆料，涂覆在厚度为20μm，孔隙率25%，孔径40μm的多孔铝箔（即正极多孔箔材集流体2）上；

负极制备：使用厚度为15μm多孔铜箔（即多孔铜箔集流体4），孔隙率35%，孔径200μm，使用激光、机械或者刻蚀的方式加工，金属锂5厚度为100μm，将多孔铜箔集流体4与金属锂5通过压制得到。

固态电解质：采用PEO基的有机聚合物电解质；

组装测试：按照正极|PEO基的有机聚合物电解质|负极的顺序组装成锂离子电容器结构单元，其中金属锂5在长度和宽度方向均比正极涂料层1大2mm，PEO基的有机聚合物电解质（即固态电解质3）在长度和宽度方向均比金属锂5大2mm。

充放电测试：电压窗口2.2~3.8V，以3~40C放电电流进行放电。

以上结构单元根据容量设计需求再进行组合，组合方式同实施例1。

实施例3

正极制备：采用日本可乐丽YP50F活性炭制备的正极浆料，涂覆在厚度为30μm，孔隙率25%，孔径40μm的多孔铝箔（即正极多孔箔材集流体2）上。

负极制备：厚度为12μm多孔铜箔（即多孔铜箔集流体4），孔隙率35%，孔径100μm，使用激光、机械或者刻蚀的方式加工，金属锂5厚度为200μm，将多孔铜箔与金属锂通过压制得到。

固态电解质：采用PEO基的有机聚合物电解质；

组装测试：按照正极|PEO基的有机聚合物电解质|负极的顺序组装成锂离子电容器结构单元，其中金属锂5在长度和宽度方向均比正极涂料层1大2mm，PEO基的有机聚合物电解质（即固态电解质3）在长度和宽度方向均比金属锂5大2mm。

充放电测试：电压窗口2.2~3.8V，以3~40C放电电流进行放电。

以上结构单元根据容量设计需求再进行组合，组合方式同实施例1。

实施例1-3的放电曲线见图2。