一种混合型三元电化学超级电容器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种混合型三元电化学超级电容器，包括正极、负极、隔膜、电解液和外壳，其中：所述正极由正极材料均匀涂在泡沫镍组成，所述正极材料由LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2三元材料、碳气凝胶、导电炭黑、粘结剂组成；所述负极由负极材料均匀涂在泡沫镍组成，所述负极材料由碳气凝胶、导电炭黑、粘结剂组成；所述电解液由LiOH、Li2SO4中的一种或者两种的水溶液组成。本发明将锂离子电池和超级电容器的优点相结合，制造出的混合型电化学超级电容器具有能量密度高、循环寿命长和功率密度大等优点，可在电动汽车、电动自行车等领域使用。
【专利说明】一种混合型三元电化学超级电容器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电化学储能器件领域，具体地，涉及一种混合型三元电化学超级电容器。
【背景技术】
[0002]在当前新能源技术发展中，高效的二次储能器件成了许多重大应用中的关键技术之一。无论是在移动式交通动力、便携式电子产品以及各种大型储能电站，都需要高比能量、高比功率的二次储能器件。目前市场上常见的二次储能器件有:锂离子电池、超级电容器、镍氢电池、镍镉电池、铅酸电池等。由于镍镉电池和铅酸电池含有铅、镉等重金属，正逐步被市场所淘汰；而镍氢电池由于负极储氢合金的记忆效应，其使用循环次数远远达不到市场对高性能储能器件的要求。锂离子电池具有能量密度高、无记忆效应，但循环寿命不太长(500?1000次)。电化学超级电容器具有功率密度大、循环寿命长等特点，但其能量密度比较低。
[0003]混合型电化学超级电容器是一种介于超级电容器和电池之间的新型储能器件，它具有比超级电容器更高的能量密度及电池更大的功率密度，在电动汽车、电动自行车等领域拥有非常广阔的应用前景。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种混合型三元电化学超级电容器，该电容器具有能量密度高、功率密度大、循环寿命长、安全、环境友好的特点，适合在电动汽车、电动自行车等领域使用。
[0005]为实现以上目的，本发明提供一种混合型三元电化学超级电容器，包括正极、负极、隔膜、电解液和外壳，隔膜分隔正负极，浸润于电解液中，以外壳封装。
[0006]其中:所述正极由正极材料均匀涂在泡沫镍组成，所述正极材料由LiCol73Nil73Mnl73O2三元材料、碳气凝胶、导电炭黑、粘结剂组成；
[0007]所述负极由负极材料均匀涂在泡沫镍组成，所述负极材料由碳气凝胶、导电炭黑、粘结剂组成；
[0008]所述电解液由LiOH、Li2SO4中的一种或者两种的水溶液组成。
[0009]优选地,所述正极材料的各组分质量含量为-LiCov3NiliZ3MnliZ3O2三元材料50?90%、碳气凝胶O?40%、导电炭黑5?10%、粘结剂5?10%。其中LiCov3Ni1Z3Mn1Z3O2三元材料具有三维网状结构，其比表面积高于5m2/g ;碳气凝胶为分级多孔结构，孔径分布在0.6?2nm、2_4nm 和 30 ?lOOnm。
[0010]优选地,所述负极材料的各组分质量含量为:碳气凝胶70?90%、导电炭黑5?20%、粘结剂5?10%ο
[0011]更优选地，所述负极材料中的碳气凝胶为分级多孔结构，孔径分布在0.6?2nm、2_4nm 和 30 ?lOOnm。[0012]优选地，所述粘结剂为聚四氟乙烯乳液(PTFE )。
[0013]优选地，所述电解液含有的电解质为Li0H、Li2S04中的一种或者两种，Li0H、Li2S04在去离子水中的摩尔含量分别为l_2mol/L和0.5-lmol/L。
[0014]本发明的创新点在于结合锂离子电池与超级电容器的优点，创造了一种全新的混合型三元电化学超级电容器的组装方式，使其既具有锂离子电池的高能量密度的特点，又拥有循环寿命长、功率密度大的优势。
[0015]本发明所述的一种混合型三元电化学超级电容器经过:称重配料一浆料搅拌一浆料涂布于泡沫镍集流集上一干燥一压片一裁片一叠片一装壳一注液一封口的一整套工艺流程得到。
[0016]与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:
[0017]本发明所提出的一种混合型三元电化学超级电容器与现有的锂离子电池相比具有更大的功率密度:正极采用具有三维网络结构和高比表面积的LiCo1/3Ni1/3Mn1/302材料，负极使用具有电导率高、分级多孔结构的碳气凝胶材料，离子电导率高的水系电解液，大幅提升产品的能量密度和功率密度。与传统的超级电容器相比，本发明技术产品具有更高的能量密度，和更广阔的应用领域。
【具体实施方式】
[0018]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0019]实施例1
[0020]将三元材料即LiCo1/3Ni1/3Mn1/302、导电炭黑和粘结剂PTFE按质量比90:5:5称取，以水溶液为溶剂，将此混合物搅拌5小时形成均匀的浆料后，均匀的涂抹在泡沫镍上，在100°C的环境下干燥后在辊压机上压平，剪切成适合大小并将集耳焊接在正极片上。
[0021]将碳气凝胶、导电炭黑和粘结剂PTFE按质量比90:5:5称取，以水溶液为溶剂，将此混合物搅拌3小时形成均匀的浆料后，均匀的涂抹在泡沫镍上，在100°C的环境下干燥后在辊压机上压平，剪切成适合大小并将集耳焊接在负极片上。
[0022]控制正、负电极片厚度，将正、负极活性物质质量比控制为1: 2，然后将正、负极片用隔膜隔开，以叠片方式组成电芯；将电芯放入不锈钢外壳中，将芯包的正负极极耳与外壳的正负极接线柱焊接在一起；将外壳的盖板进行密封焊接，并留出一个直径Imm的注液孔；向已装壳的电芯中注入电解液，电解液组成为2mol/L的LiOH水溶液；电解液注好后，用钢珠将注液孔密封后得到成品混合型电化学超级电容器。
[0023]用电池充放电测试仪对制成的混合型电化学超级电容器进行测试，在0.4-2.0V的电压窗口内，以IOC进行充放电，其放电比容量为296F/g，循环5000次后容量为初始容量的86.7% ;30C充电，15C放电，放电比容量为183F/g。
[0024]实施例2
[0025]将三元材料即LiCo1/3Ni1/3Mn1/302、碳气凝胶、导电炭黑和粘结剂PTFE按质量比50:40:5:5称取，以水溶液为溶剂，将此混合物搅拌5小时形成均匀的浆料后，均匀的涂抹在泡沫镍上，在100°c的环境下干燥后在辊压机上压平，剪切成适合大小并将集耳焊接在正极片上。
[0026]将碳气凝胶、导电炭黑和粘结剂PTFE按质量比70:20:10称取，以水溶液为溶剂，将此混合物搅拌3小时形成均匀的浆料后，均匀的涂抹在泡沫镍上，在100°C的环境下干燥后在辊压机上压平，剪切成适合大小并将集耳焊接在负极片上。
[0027]控制正、负电极片厚度，将正、负极活性物质质量比控制为1:1.7，然后将正、负极片用隔膜隔开，以叠片方式组成电芯；将电芯放入不锈钢外壳中，将芯包的正负极极耳与外壳的正负极接线柱焊接在一起；将外壳的盖板进行密封焊接，并留出一个直径Imm的注液孔；向已装壳的电芯中注入电解液，电解液组成为lmol/L的Li0H+Li2S04水溶液；电解液注好后，用钢珠将注液孔密封后得到成品混合型电化学超级电容器。
[0028]用电池充放电测试仪对制成的混合型电化学超级电容器进行测试，在0.4-2.0V的电压窗口内，以IOC进行充放电，其放电比容量为234F/g，循环5000次后容量为初始容量的92.8% ;30C充电，15C放电，放电比容量为205F/g。
[0029]实施例3
[0030]将三元材料即LiCo1/3Ni1/3Mn1/302、碳气凝胶、导电炭黑和粘结剂PTFE按质量比65:25:5:5称取，以水溶液为溶剂，将此混合物搅拌5小时形成均匀的浆料后，均匀的涂抹在泡沫镍上，在100°C的环境下干燥后在辊压机上压平，剪切成适合大小并将集耳焊接在正极片上。
[0031]将碳气凝胶、导电炭黑和粘结剂PTFE按质量比80:10:10称取，以水溶液为溶剂，将此混合物搅拌3小时形成均匀的浆料后，均匀的涂抹在泡沫镍上，在100°C的环境下干燥后在辊压机上压平，剪切成适合大小并将集耳焊接在负极片上。
[0032]控制正、负电极片厚度，将正、负极活性物质质量比控制为1:1.8，然后将正、负极片用隔膜隔开，以叠片方式组成电芯；将电芯放入不锈钢外壳中，将芯包的正负极极耳与外壳的正负极接线柱焊接在一起；将外壳的盖板进行密封焊接，并留出一个直径Imm的注液孔；向已装壳的电芯中注入电解液，电解液组成为1.5mol/L的LiOH和0.5mol/L的Li2SO4水溶液；电解液注好后，用钢珠将注液孔密封后得到成品混合型电化学超级电容器。
[0033]用电池充放电测试仪对制成的混合型电化学超级电容器进行测试，在0.4-2.0V的电压窗口内，以IOC进行充放电，其放电比容量为258F/g，循环5000次后容量为初始容量的90.3% ;30C充电，15C放电，放电比容量为191F/g。
[0034]实施例4
[0035]将三元材料即LiCo1/3Ni1/3Mn1/302、碳气凝胶、导电炭黑和粘结剂PTFE按质量比80:10:5:5称取，以水溶液为溶剂，将此混合物搅拌5小时形成均匀的浆料后，均匀的涂抹在泡沫镍上，在100°C的环境下干燥后在辊压机上压平，剪切成适合大小并将集耳焊接在正极片上。
[0036]将碳气凝胶、导电炭黑和粘结剂PTFE按质量比80:10:10称取，以水溶液为溶剂，将此混合物搅拌3小时形成均匀的浆料后，均匀的涂抹在泡沫镍上，在100°C的环境下干燥后在辊压机上压平，剪切成适合大小并将集耳焊接在负极片上。
[0037]控制正、负电极片厚度，将正、负极活性物质质量比控制为1: 1.9，然后将正、负极片用隔膜隔开，以叠片方式组成电芯；将电芯放入不锈钢外壳中，将芯包的正负极极耳与外壳的正负极接线柱焊接在一起；将外壳的盖板进行密封焊接，并留出一个直径Imm的注液孔；向已装壳的电芯中注入电解液，电解液组成为1.5mol/L的LiOH和0.5mol/L的Li2SO4水溶液；电解液注好后，用钢珠将注液孔密封后得到成品混合型电化学超级电容器。
[0038]用电池充放电测试仪对制成的混合型电化学超级电容器进行测试，在0.4-2.0V的电压窗口内，以IOC进行充放电，其放电比容量为277F/g，循环5000次后容量为初始容量的89.2% ;30C充电，15C放电，放电比容量为197F/g。
[0039]实施例5
[0040]将三元材料即LiCo1/3Ni1/3Mn1/302、碳气凝胶、导电炭黑和粘结剂PTFE按质量比70:10:10:10称取，以水溶液为溶剂，将此混合物搅拌5小时形成均匀的浆料后，均匀的涂抹在泡沫镍上，在100°C的环境下干燥后在辊压机上压平，剪切成适合大小并将集耳焊接在正极片上。
[0041]将碳气凝胶、导电炭黑和粘结剂PTFE按质量比85:7:8称取，以水溶液为溶剂，将此混合物搅拌4小时形成均匀的浆料后，均匀的涂抹在泡沫镍上，在100°C的环境下干燥后在辊压机上压平，剪切成适合大小并将集耳焊接在负极片上。
[0042]控制正、负电极片厚度，将正、负极活性物质质量比控制为1: 1.6，然后将正、负极片用隔膜隔开，以叠片方式组成电芯；将电芯放入不锈钢外壳中，将芯包的正负极极耳与外壳的正负极接线柱焊接在一起；将外壳的盖板进行密封焊接，并留出一个直径Imm的注液孔；向已装壳的电芯中注入电解液，电解液组成为lmol/L的Li2SOyK溶液；电解液注好后，用钢珠将注液孔密封后得到成品混合型电化学超级电容器。
[0043]用电池充放电测试仪对制成的混合型电化学超级电容器进行测试，在0.4-2.0V的电压窗口内，以IOC进行充放电，其放电比容量为263F/g，循环5000次后容量为初始容量的90.3% ;30C充电，15C放电，放电比容量为190F/g。
[0044]实施例6
[0045]将三元材料即LiCo1/3Ni1/3Mn1/302、碳气凝胶、导电炭黑和粘结剂PTFE按质量比70:15:7:8称取，以水溶液为溶剂，将此混合物搅拌3小时形成均匀的浆料后，均匀的涂抹在泡沫镍上，在100°C的环境下干燥后在辊压机上压平，剪切成适合大小并将集耳焊接在正极片上。
[0046]将碳气凝胶、导电炭黑和粘结剂PTFE按质量比80:13:7称取，以水溶液为溶剂，将此混合物搅拌4小时形成均匀的浆料后，均匀的涂抹在泡沫镍上，在100°C的环境下干燥后在辊压机上压平，剪切成适合大小并将集耳焊接在负极片上。
[0047]控制正、负电极片厚度，将正、负极活性物质质量比控制为1: 1.8，然后将正、负极片用隔膜隔开，以叠片方式组成电芯；将电芯放入不锈钢外壳中，将芯包的正负极极耳与外壳的正负极接线柱焊接在一起；将外壳的盖板进行密封焊接，并留出一个直径Imm的注液孔；向已装壳的电芯中注入电解液，电解液组成为1.5mol/L的LiOH和0.7mol/L的Li2SO4水溶液；电解液注好后，用钢珠将注液孔密封后得到成品混合型电化学超级电容器。
[0048]用电池充放电测试仪对制成的混合型电化学超级电容器进行测试，在0.4-2.0V的电压窗口内，以IOC进行充放电，其放电比容量为281F/g，循环5000次后容量为初始容量的91.2% ;30C充电，15C放电，放电比容量为195F/g。
[0049]本发明将锂离子电池和超级电容器的优点相结合，制造出的混合型电化学超级电容器具有能量密度高、循环寿命长和功率密度大等优点，可在电动汽车、电动自行车等领域使用。
[0050]以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
【权利要求】
1.一种混合型三元电化学超级电容器，其特征在于，所述超级电容器包括正极、负极、隔膜、电解液和外壳，其中: 所述正极由正极材料均勻涂在泡沫镍组成，所述正极材料由LiCov3NiliZ3MnliZ3O2三元材料、碳气凝胶、导电炭黑、粘结剂组成； 所述负极由负极材料均匀涂在泡沫镍组成，所述负极材料由碳气凝胶、导电炭黑、粘结剂组成； 所述电解液由LiOH、Li2SO4中的一种或者两种的水溶液组成。
2.根据权利要求1所述的一种混合型三元电化学超级电容器，其特征在于，所述正极材料各组分的质量含量为:LiCo1/3Ni1/3Mn1/302三元材料50?90%、碳气凝胶O?40%、导电炭黑5?10%、粘结剂5?10%。
3.根据权利要求2所述的一种混合型三元电化学超级电容器，其特征在于，所述LiCol73Nil73Mnl73O2三元材料具有三维网状结构，其比表面积高于5m2/g。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种混合型三元电化学超级电容器，其特征在于，所述碳气凝胶为分级多孔结构，孔径分布在0.6?2nm、2_4nm和30?lOOnm。
5.根据权利要求1所述的一种混合型三元电化学超级电容器，其特征在于，所述负极材料各组分的质量含量为:碳气凝胶70?90%、导电炭黑5?20%、粘结剂5?10%。
6.根据权利要求5所述的一种混合型三元电化学超级电容器，其特征在于，所述碳气凝胶为分级多孔结构，孔径分布在0.6?2nm、2_4nm和30?lOOnm。
7.根据权利要求1或2或3或5所述的一种混合型三元电化学超级电容器，其特征在于，所述粘结剂为聚四氟乙烯乳液。
8.根据权利要求1或2或3或5所述的一种混合型三元电化学超级电容器，其特征在于，所述电解液中，电解质LiOH、Li2SO4在去离子水中的摩尔含量分别为l-2mol/L和0.5-lmol/L。
【文档编号】H01G11/38GK103500666SQ201310407969
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年9月9日 优先权日:2013年9月9日
【发明者】张遥遥, 张春明, 刘冬, 王丹, 吴晓燕, 余震, 何丹农 申请人:上海交通大学, 上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司