專利名稱：有機(jī)電解液體系混合電化學(xué)電容器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種有機(jī)電解液體系的混合電化學(xué)電容器及其制備方法，屬于電子、電力領(lǐng) 域，可廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)、交通運(yùn)輸、電力、礦冶等領(lǐng)域的電能儲存。
技術(shù)背景電化學(xué)電容器是一種新型儲能裝置，是利用雙電層離子吸附/脫附原理或快速表面法拉第 反應(yīng)(準(zhǔn)電容)儲電原理儲存能量的。與傳統(tǒng)電容器相比，電化學(xué)電容器具有極高的電容量， 較好的低頻響應(yīng)和低的等效串聯(lián)電阻，因而在電子電路和微電器方面彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電容器的不 足，用來提供電子電路中所需要的大電容，成為一類新型的電子元器件，在電子工業(yè)中得到 廣泛的應(yīng)用，并部分取代了電解電容器。近年來，隨著電子、電氣設(shè)備的小型化以及電動(dòng)汽 車工業(yè)的不斷發(fā)展，電化學(xué)電容器作為后備電源和脈沖功率電源日益引起了人們的關(guān)注，各 國相繼開始支持電化學(xué)電容器的研究和開發(fā)。電化學(xué)電容器在軍事領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前 景，可以作為坦克、火箭牽引車等的起動(dòng)電源，改善這些軍用車輛的低溫性能，而高比功率 電化學(xué)電容器也將是大功率激光武器、電磁炮等武器的首選電源之一。與電池相比，電化學(xué)電容器具有更長的循環(huán)壽命、安全、無記憶等優(yōu)點(diǎn)，更重要的是， 電化學(xué)電容器具有電池所不具備的高功率連續(xù)充放電的性能，因此，電化學(xué)電容器是一種極 具發(fā)展?jié)摿Φ膬δ苎b置。目前技術(shù)較為成熟的電化學(xué)電容器是以多孔活性炭作為電極材料的雙電層電容器，如專 利ZL99208460.1、 CN1229517A等，其正負(fù)極均由多孔活性炭組成，比能量和比功率均較低。 由于炭材料表面存在電解質(zhì)難于到達(dá)的微孔，無法充分利用活性炭的表面，同時(shí)，活性炭材 料的比表面不可能無限制提高，因此，利用高比表面材料獲得大比容量的余地不大。另外， 活性炭材料本身具有較高的接觸電阻，影響了雙電層電容器的功率性能的提高。比較而言， 準(zhǔn)電容是準(zhǔn)法拉第過程，比能量與電極材料的電化學(xué)反應(yīng)性有關(guān)，可以大幅度提高材料的容 量特性，從而大幅度提高電容器的比容量。具有較高法拉第準(zhǔn)電容的材料，研究較多的是Ru02等貴金屬材料，如CN134^)74A, 使用Ru02與活性炭復(fù)合材料構(gòu)成電化學(xué)電容器，比容量較高，同時(shí)也有很高的功率性能，
但其高昂的價(jià)格限制了其商業(yè)化和進(jìn)一步應(yīng)用。也有專利如CN1369886A，使用Mn02與活 性炭構(gòu)成電化學(xué)電容器、以及CN1277444A和CN2574196Y等使用NiOOH材料與活性炭構(gòu) 成混合超級電容器，使電化學(xué)電容器的成本有了一定程度的降低，但由于這些電容器皆為水 溶液體系，單體電壓低，因而性能提高的潛力不大。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種有機(jī)電解液體系混合電化學(xué)電容器及其制備方法，以提高電 化學(xué)電容器的能量密度，并使該電容器具有較鎘鎳電池、氫鎳電池更好的功率特性。本發(fā)明的技術(shù)方案如下電容器的正極(l)使用離子嵌入材料作為活性材料，如鋰離子嵌入材料LiCo02等；電容 器的負(fù)極(2)使用大比表面積的多孔碳材料電極，如活性炭材料；以有機(jī)溶液作為電解質(zhì)；正 負(fù)極之間有可通過離子的電子絕緣隔膜(3)。正極(l)制備步驟如下以離子嵌入材料為活性材料，加入導(dǎo)電劑，粘接劑等調(diào)成漿料， 涂在鋁箔等正極集流體(4)上，經(jīng)干燥、輥壓后作為電容器的正極。其中離子嵌入材料應(yīng)具有 如下的結(jié)構(gòu)式MlxM2yAz，其中M為嵌入元素，可以是Li、 Mg、 Al、 Cr或它們的組合， M2為宿主元素，可以是Mn、 Ni、 Co、 Fe、 V、 Mg、 Al、 Cr、 Ti、 Mo或它們的組合，A為 0、 P、 S、 N、 Cl、 F、 B或它們的組合，x、 y不能同時(shí)為零，z不能為零。離子嵌入材料制備方法有以下幾種共同沉積法、氣相沉積法、溶膠凝膠法、混合燒結(jié)法、共沉積燒結(jié)法等。 負(fù)極(2)制備步驟如下以多孔碳材料為活性材料，加入導(dǎo)電劑，粘接劑等調(diào)成漿料，涂在鋁箔等負(fù)極集流體(5)上，經(jīng)干燥、輥壓后作為電容器的負(fù)極。其中多孔碳材料是以下一種或一種以上活性炭粉、活性炭纖維、活性炭布、活性炭氈、碳納米管、碳?xì)饽z、活性玻態(tài)炭、納米孔玻態(tài)炭、多孔石墨，石墨纖維、多孔硬碳等。電容器電解液是有機(jī)電解液，電解質(zhì)鹽是銨鹽、鋰鹽、鎂鹽、鋁鹽、鉻鹽之一或它們的混合物，如LiPF6溶解在EC/DMC混合溶劑中，組成1M LiPF6-EC/DMC(50v%)。電容器的電子絕緣隔膜(3)是聚氧乙烯、聚丙烯、尼龍、聚乙烯微孔膜、石棉紙、聚乙烯、玻璃纖維或它們的復(fù)合材料等。本發(fā)明制備的電化學(xué)電容器，壽命長、價(jià)格低，具有較高的能量密度和功率密度，能量利用效率高，可廣泛應(yīng)用于電力、交通、電子等行業(yè)。


圖l為本發(fā)明電化學(xué)電容器的結(jié)構(gòu)圖。l正極，2負(fù)極，3隔膜，4正極集流體，5負(fù)極集流體，6正極電流引出端，7負(fù)極電流引出端，8電容器單體圖2為本發(fā)明電化學(xué)電容器的典型充放電曲線。
具體實(shí)施方式
下面舉三個(gè)實(shí)施例簡要說明本發(fā)明電化學(xué)電容器的制備方法。 實(shí)施例1電化學(xué)電容器正極的制備用溶膠-凝膠法制備Li,MgGQ4FeP04，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下700。C燒結(jié)24小時(shí)，得到嵌鋰型活 性材料，添加5%質(zhì)量比的碳黑作為導(dǎo)電劑，添加7。/。質(zhì)量比的PVdlM乍為粘接劑，用N-甲 基吡咯烷酮調(diào)成漿料。用刮漿法將上述漿料均勻刮涂在20微米厚的鋁箔上，經(jīng)干燥、輥壓成 型，作為正極。實(shí)施例2電化學(xué)電容器負(fù)極的制備取活性炭作為負(fù)極活性材料，添加15%質(zhì)量比的導(dǎo)電碳黑作為導(dǎo)電劑，添加7%質(zhì)量比 的PVdF作為粘接劑，用N-甲基吡咯垸酮調(diào)成漿料。用刮漿法將上述漿料均勻刮涂在20微 米厚的鋁箔上，經(jīng)干燥、輥壓成型，作為負(fù)極。實(shí)施例3電化學(xué)電容器的制備取以上實(shí)施例1的正極和實(shí)施例2的負(fù)極裁成適當(dāng)?shù)臉O片，在極耳上焊接導(dǎo)電片，在裝 配夾上布好螺栓、隔膜等材料，將一片正極的導(dǎo)電片套在一邊螺栓上，將隔膜折向一邊，鋪平拉緊，在另一邊將一片負(fù)極的導(dǎo)電片套在螺栓上，使隔膜將兩電極隔開。繼續(xù)放以正極。 以以上方式組成電極組。極板裝配完成，經(jīng)整理后放入電容器殼體中，調(diào)整極柱位置，將螺 栓緊固，封口。加注電解液，加密封閥，經(jīng)活化和分選后即可應(yīng)用。以本實(shí)施例制備的電化學(xué)電容器電壓達(dá)可充到3.0V,比能量可以達(dá)到8Wh/kg以上，比功率可以達(dá)到2~3kW/kg以 上，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的炭/炭電化學(xué)電容器。
權(quán)利要求
1、一種有機(jī)電解液體系混合電化學(xué)電容器及其制備方法，其特征在于電容器的正極(1)為離子嵌入材料作為活性材料，電容器的負(fù)極(2)為大比表面積的多孔碳材料電極，正負(fù)極之間有可通過離子的電子絕緣隔膜(3)，隔膜(3)中浸滿有機(jī)電解質(zhì)溶液作為電解液；正極(1)制備步驟如下以離子嵌入材料為活性材料，加入導(dǎo)電劑、粘接劑調(diào)成漿料，涂在鋁箔等正極集流體(4)上，經(jīng)干燥、輥壓后作為電容器的正極。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電化學(xué)電容器及其制備方法，其特征在于離子嵌入材料具有如 下的結(jié)構(gòu)式MlxM2yAz，其中M為嵌入元素，可以是Li、 Mg、 Al、 Cr或它們的組合，M2 為宿主元素，可以是Mn、 Ni、 Co、 Fe、 V、 Mg、 Al、 Cr、 Ti、 Mo或它們的組合，A為O、 P、 S、 N、 Cl、 F、 B或它們的組合，X、 y不能同時(shí)為零，z不能為零。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電化學(xué)電容器及其制備方法，其特征在于嵌入材料制備方法有以下幾種共同沉積法、氣相沉積法、溶膠凝膠法、混合燒結(jié)法、共沉積燒結(jié)法。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)電容器及其制備方法，其特征在于多孔碳材料電極(2) 是以以下一種或一種以上為主要活性物質(zhì)活性炭粉、活性炭纖維、活性炭布、活性炭氈、 碳納米管、碳?xì)饽z、活性玻態(tài)炭、納米孔玻態(tài)炭、多孔石墨、石墨纖維、多孔硬碳。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電化學(xué)電容器及其制備方法，其特征在于電解液的溶劑是有機(jī) 溶劑，電解質(zhì)鹽是銨鹽、鋰鹽、鎂鹽、鋁鹽、鉻鹽之一或它們的混合物。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電化學(xué)電容器及其制備方法，其特征在于電子絕緣隔膜(3)是 聚氧乙烯、聚丙烯、尼龍、聚乙烯微孔膜、石棉紙、聚乙烯、玻璃纖維，或它們的復(fù)合材料。
全文摘要
一種新型的電化學(xué)電容器，其特點(diǎn)是電容器的正極使用離子嵌入材料作為正極活性材料。負(fù)極使用大比表面積的多孔碳材料電極，以有機(jī)電解質(zhì)溶液作為電解液，正負(fù)極之間有可通過離子的電子絕緣隔膜。該電化學(xué)電容器具有較高的能量密度和功率密度，具有較好的應(yīng)用前景，可廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)、交通運(yùn)輸、電力、礦冶等領(lǐng)域的電能儲存。
文檔編號H01G13/00GK101127276SQ20061010942
公開日2008年2月20日 申請日期2006年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月15日
發(fā)明者浩 張, 張文峰, 文越華, 曹高萍, 楊裕生, 杰 程 申請人:中國人民解放軍63971部隊(duì)