专利名称：超级电容-电池用正极材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及电化学储能系统的电极材料领域，特别涉及用于超级电容-电 池的正极材料。
技术背景锂离子动力电池正在逐步走向成熟，它具有较高的能量密度，但其大电 流放电性能依然不能满足电动工具的需要。超级电容器的功率密度是普通电池的几十倍甚至几百倍，但是它的能量密度却只有锂离子电池的1A0，也无法单独作为车用电源。于是，人们提出将锂离子电池和超级电容器组合起来使用，即超级电容-电池系统。目前主要采用的组合方式为一种"外组合"式，即将两者的单体 通过电源管理系统组合成一个储能系统，根据不同时段的需要让其中一个单 体发挥作用。而更为理想的是通过"内结合"的方式，将两者有机地结合在同一单体中，这样在使用和控制上都会更加方便有效。2004年，日本富士重 工提出锂离子电池电容(LIC)技术，称其不仅可得到与电双层电容器相媲美 的大电流输出，同时还可像锂离子充电电池那样确保较高的能量密度。夏永 姚于2005年(CN 1674347)提出了一种将锂离子嵌入-脱嵌机制与电化学电 容器双电层机制协调组合在一起的混合型水性锂离子电池，其中分别是以 LiMri204等锂离子电池正极材料和活性炭材料作为电极。若能将具有锂离子嵌 入-脱嵌机制的材料与具有电化学电容器双电层机制的炭材料按一定的方式复 合成一体，并采用有机电解液，将使这一体系同时具有高电压、高能量密度、 高功率密度、良好的循环寿命等优点。 发明内容本发明的目的在于制备一种超级电容-电池使用的正极材料及其制备方 法。这种材料将兼具电池材料大容量特性和电容材料的高功率特性。本发明的技术方案为将纳米级的具有脱嵌锂特性的化合物材料粉末放 入机械融合设备，进行机械融合造粒，形成1 15微米的球形颗粒；加入用量 为脱嵌锂特性化合物材料重量的10%~100%的多孔炭材料，再进行机械融合， 将多孔炭材料均匀包覆在脱嵌锂化合物材料颗粒的表面，得到多孔炭包覆脱嵌锂化合物复合材料。所述具有脱嵌锂特性化合物材料选自LiCo02、 LiMn204、 LiNi1/3Mn1/3Co1/302、 LiNi1/2Mn1/202、 LiFeP04中的一种。所述多孔炭材料是指 活性炭、中孔炭、炭纳米管、炭纤维、炭气凝胶中的一种或几种。本发明采用简单方便、易于控制的机械融合工艺，制备出同时具有电池 材料的大容量特性和电容材料的高功率特性的复合材料颗粒，其储存容量可 达到100mAh/g， 10C放电容量可达0.5C放电容量的9(m，将其作为电极材料应 用于超级电容-锂离子电池，将有望成为电动汽车使用的新型能量存储系统。
图l.按实施例l制备的LiCo(V活性炭复合材料的XRD2.按实施例l制备的LiCo02/活性炭复合材料的SEM3.按实施例2制备的LiNi,/3Mn^Cov302/中孔炭复合材料的XRD4.按实施例2制备的LiNi"3Mm/3Co,/302冲孔炭复合材料的SEM5.实施例2获得的1^^1/3癒1/30)1/302冲孔炭复合材料的首次充放电曲线6.实施例3制备的LiFeP04/炭纤维复合材料的第二次充放电曲线图 图7.实施例3制备获得的LiFePOV炭纤维复合材料的放电倍率性能图 图8.实施例3制备获得的LiFeP04/炭纤维复合材料的循环性能图(电流密 度1.5A/g)具体实施方式
实施例l将纳米级LiCo02放入机械融合设备，进行机械融合造粒，形成约10微米 大小的均匀球形颗粒；再加入其重量10%的活性炭，再进行机械融合处理，获 得的复合材料的XRD见图1， SEM见图2。以该材料为正极，金属锂片为负极， LiPFe/EC+DEC为电解液组装成电池，测试其放电容量，0.5C和10C的放电比 容量分别为95mAh/g和85mAh/g。实施例2将纳米1^> 1/3]^1/30)1/302放入机械融合设备，进行机械融合造粒，形成 约8微米大小的球形颗粒；再加入其重量50%的中孔炭，再进行机械融合，获 得的复合材料的XRD见图3， SEM见图4。以该材料为正极，金属锂片为负极， LiPF6/EC+DEC为电解液组装成电池，其首次充放电曲线见图5， 0.5C和10C的 放电比容量分别为102mAh/g和88mAh/g。实施例3将纳米LiFeP04放入机械融合设备，进行机械融合造粒，形成约5微米均 匀大小的球形颗粒；再加入磷酸铁锂重量100%的炭纤维，再进行机械融合处 理，获得的复合材料，以该材料为正极，金属锂片为负极，LiPF6/EC+DEC为 电解液组装成电池，其第二次充放电曲线见图6，倍率性能见图7， 0.5C、 5C 和10C的放电比容量分别为101mAh/g、 96mAh/g和92mAh/g。循环性能(10C) 见图8， 50次循环后容量保持率为97%。
权利要求
1.一种超级电容-电池用正极材料，其特征在于该材料是通过机械融合法将多孔炭材料包覆于脱嵌锂化合物复合材料表面而得到的1～15微米的球形颗粒材料；所述具有脱嵌锂特性的化合物材料选自LiCoO2、LiMn2O4、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2、LiNi1/2Mn1/2O2、LiFePO4中的一种；所述多孔炭材料是指活性炭、中孔炭、炭纳米管、炭纤维、炭气凝胶中的一种或一种以上。
2. 如权利要求1所述的材料的制备方法，其特征在于包括下述步骤将纳 米级的具有脱嵌锂特性的化合物材料粉末放入机械融合设备，进行机械 融合造粒，形成1~15微米的球形颗粒；加入用量为脱嵌锂特性化合物 材料重量的10%~100%的多孔炭材料，再进行机械融合，将多孔炭材料 均匀包覆在球形脱嵌锂化合物材料颗粒的表面，得到多孔炭包覆脱嵌锂 化合物复合材料；所述具有脱嵌锂特性的化合物材料选自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、炭纳米管、炭纤维、炭气凝胶中的一 种或几种。
全文摘要
本发明公开了一种超级电容-电池用正极材料及其制备方法，将纳米级的具有脱嵌锂特性的化合物材料粉末进行机械融合造粒，形成1～15微米的球形颗粒；加入用量为脱嵌锂特性化合物材料重量的10％～100％的多孔炭材料，再进行机械融合，从而得到多孔炭包覆脱嵌锂化合物复合材料。本发明工艺简单，制备得到的材料兼具电池材料的大容量特性和电容材料的高功率特性，其储存容量可达到100mAh/g，10C放电容量可达0.5C放电容量的90％，有望成为电动汽车使用的新型能量存储系统的电极材料。
文档编号H01M4/48GK101335346SQ200710035238
公开日2008年12月31日 申请日期2007年6月28日 优先权日2007年6月28日
发明者彭忠东, 涛 曾, 劼 李, 柯 杜, 胡国荣 申请人:中南大学