一种电容电池用负极材料、电容电池及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电容器技术领域，具体涉及一种电容电池用负极材料，电容电池及其制备方法。
【背景技术】
[0002]超级电容器，又叫电化学电容器，其工作原理是在电极与电解液界面形成空间电荷层(双电层)，依靠这种电双层积蓄电荷，实现充放电能。超级电容器在电动汽车、混合燃料汽车、特殊载重车辆、风能、太阳能、国防军工、电力、铁路、通讯、消费性电子产品等方面有着巨大的应用价值和市场潜力，被世界各国广泛关注，但是超级电容器的比能量仍旧比较低，而电池的比功率较低，因此需要解决提高超级电容器容量的问题。目前提高双电层电容器的能量密度的一个途径是提高电容器的电极材料容量来提升能量密度。
[0003]电极材料是影响超级电容器容量的决定因素，理想的电极材料要求结晶度高、导电性好、比表面积大、微孔集中在一定的范围内，现有的电双层电容器电极材料主要有活性炭系列和过渡金属氧化物系列。目前对于活性碳材料的研宄也实现了制备获得比表面积超过2000m2/g，但是实际利用率不超过30%。有效比表面积小，单纯的完全采用活性碳材料作为电容器的电极材料制备的电容器的电容量不高；而过渡金属氧化物的成本太高，无法推广使用。为了进一步提高超级电容器的比能量，1995年，D.A.Evans等提出了把理想极化电极和法拉等反应电极结合起来构成混合电容器的概念；1997年，ESMA公司公开了N10H/AC混合电容器的概念，揭示了蓄电池材料和电化学电容器材料组成的新技术；2001年，G.G.Amatucci报告了有机体系锂离子电池材料和活性炭组合的Li4Ti5012/AC电化学混合电容器，是电化学混合电容器发展的又一里程碑，然而此电化学混合电容器存在功率密度低且能量密度低的问题。
【发明内容】
[0004]为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的之一在于提供一种电容电池用负极材料，降低负极反应电位，提高电容电池电压，提高电容电池的能量密度。
[0005]本发明的目的之二在于提供一种电容电池。
[0006]同时，本发明还在于提供一种电容电池的制备方法。
[0007]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
[0008]一种电容电池用负极材料，该负极材料的活性材料主要由以下重量百分含量的组分组成:锂粉0.5%?10.0%，硅粉90%?99.5%。
[0009]所述硅粉为商业用硅粉。
[0010]所述锂粉为惰性锂粉。
[0011]一种使用上述负极材料的电容电池，包括正极、负极、介于所述正极和负极之间的隔膜及电解液，其特征在于，所述正极包括正极集流体以及涂布在所述正极集流体上的正极材料，所述正极材料包括正极活性材料、第一粘结剂、第一导电剂，所述正极活性材料为多孔碳材料；所述负极包括负极集流体及涂布在负极集流体上的负极材料，所述负极材料包括负极活性材料、第二粘结剂及第二导电剂。
[0012]所述正极活性材料、第一粘结剂的质量比为90?95:5?10 ;所述正极活性材料、第一导电剂的质量比为10?30:1。
[0013]所述多孔碳材料的比表面积为1000m2/g?2600m2/g。
[0014]所述多孔碳材料为活性炭、碳气凝胶、碳纳米管、石墨烯中的任意一种或两种的组入口 ο
[0015]所述负极活性材料、第二粘结剂的质量比为80?95:1?10 ;所述负极活性材料、第二导电剂的质量比为80?95:1?10。
[0016]所述第一粘结剂和第二粘结剂为氟树脂。
[0017]所述第一粘结剂和第二粘结剂为聚三氟乙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物或聚合氟烷氧基树脂。
[0018]所述第一导电剂和第二导电剂为导电炭黑。
[0019]所述电解液为0.5?1.8mol/L的六氟磷酸锂/碳酸乙烯酯/碳酸二乙酯，其中碳酸乙烯酯与碳酸二乙酯的质量比为0.5?2:1。
[0020]所述隔膜为聚丙烯或聚乙烯的绝缘多孔隔膜或纤维素隔膜。
[0021]上述电容电池的制备方法，其特征在于，包括以下操作步骤:
[0022]I)制备电极:
[0023]A:正极极片的制备
[0024]将正极活性材料、第一粘结剂、第一导电剂、溶剂混合制得电极浆料，涂覆在正极集流体上，干燥，辊压得正极极片；
[0025]B:负极极片的制备
[0026]将负极活性材料、第二粘结剂和导电剂混合得预混合粉体材料，将预混合粉体材料进行球化处理后，制得粉体材料，喷涂在负极集流体上，干燥，辊压得负极极片；
[0027]2)制备电容电池:
[0028]将步骤I)中制备的正极极片和负极极片卷绕成电芯，电芯干燥后浸泡入电解液中，装入电容电池壳体，即得所述电容电池。
[0029]所述正极极片的厚度为150?280 μ m。
[0030]所述负极极片的厚度为80?150 μ m。
[0031]步骤I)中步骤A所述电极浆料的具体制备方法为:包括以下操作步骤:1)将正极活性材料、第一导电剂在搅拌转速为100?500r/min，搅拌时间为30?300min搅拌分散得到粉体材料；将粘结剂加入溶剂中，搅拌分散得到粘结剂分散体系，搅拌转速为500?3000r/min，搅拌时间为30?300min ；2)将步骤I)制备的粉体材料加入粘接剂分散体系中，搅拌得电极浆料，搅拌转速为500?3000r/min，搅拌时间为60?300min。
[0032]步骤I)中步骤A所述的干燥为50?200°C条件下干燥30?300min。
[0033]步骤I)中步骤A所述的辊压眼里为50?250MPa，辊压速度为5?30m/min。
[0034]步骤I)中步骤A所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
[0035]步骤I)中步骤B所述粉体材料的具体制备方法为:包括以下操作步骤:1)将负极活性材料、第二导电剂、第二粘结剂搅拌混合均匀，得预混合粉体材料，搅拌转速为10?500r/min，搅拌时间为10?300min ；2)将步骤I)中制备的预混合粉体材料进行超声波球化处理，功率为10?100KW，处理时间为10?300min，制得粉体材料。
[0036]步骤I)中步骤B所述干燥为50?200°C条件下干燥30?300min。
[0037]步骤I)中步骤B所述辊压为采用热辊压机在50?160°C温度下辊压至所需电极极片厚度。
[0038]步骤2)中所述干燥为50?200 °C真空干燥6?36h。
[0039]步骤2)中所述浸泡为-0.05?-0.3MPa真空浸泡10?120min。
[0040]步骤2)中装入电容电池壳体后，封口静置I?24h。
[0041]本发明电容电池用负极材料，该负极材料的活性材料由硅粉和锂粉混合组成，成本低，以该负极材料制备成的电容电池，负极中引入的硅材料的克容量高达4000mAh/g，远大于活性炭的克容量45mAh/g，石墨材料的克容量360mAh/g，而且负极中引入了锂粉，补充了电池锂离子来源，降低了负极的反应电位，提高了电容电池的电压，硅粉高的克容量结合锂粉高的电池电压，协同作用，提高了电容电池的能量密度。
[0042]本发明电容电池，采用传统的超级电容器采用的多孔碳材料为正极活性材料，以硅粉和锂粉混合组成的材料为负极活性材料，结合了蓄电池电极材料和电容器电极材料，组成混合电容电池，降低了负极发生化学反应的电压，提供电容电池的电压，最高可达到
3.8V，进而提高了电容电池的能量密度达到45?55Wh/kg。
[0043]本发明电容电池制备方法，负极材料制备中不使用溶剂，将活性材料、导电剂、粘结剂在非溶液状态下混合，在球化过程中粘结剂包裹在粉体材料的外层，提高了制备的粉体材料与集流体的结合性，避免负极材料的脱落，提高负极极片的稳定性，同时减少电池制备过程中有机溶剂的耗费和环境污染。本发明电容电池的制备方法，操作简