[发明专利]一种兼具电容器与锂离子电池特征的储能器件及其制造方法

说明书

技术领域：本发明涉及一种新型储能器件，特别是兼具超级电容器与锂离子电池特征的储能器件及其制造方法，属电化学领域。

背景技术

能源危机、资源短缺、环境污染是人类生存面临的严竣挑战，寻找干净、可再生、资源节约型的二次能源是实现人类社会可持续发展亟待解决的任务。

锂离子电池具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、自放电率小、绿色环保等优点，成为二次电池发展的趋势。已广泛应用于无线通讯、数码相机、笔记本电脑等便携电器的电源，并在用作助力车、电动自行车、电动摩托车、矿灯、电动工具、混合动力车、纯电动车的电动力源方面具有广阔的应用前景。

超级电容器具有功率密度大、循环寿命长(可达100000次)的特点，并且具有环境友好与免维护等优点，在航空航天、国防军工、电动汽车、电子信息和仪器仪表等领域都具有广阔的应用前景。例如，在国防军工领域用作低温启动和脉冲电源，在太阳能领域用作免维护储能装置，在电动汽车领域用作纯电动车的大功率电源或混合电动车的能量回收辅助电源，在电子通讯领域用作数据记忆备用电源。

但是，由于锂离子电池中储能与能量的供给是通过锂离子在正、负极材料中的嵌入或脱嵌来实现的，涉及锂离子在正、负极材料的颗粒中的固相扩散过程，并且充放电过程中伴随着材料体积的膨胀与收缩，因而限制了锂离子电池在超高倍率(如100C、1000C等)下的充放电及高倍率下的循环稳定性。而超级电容器尽管能量密度比传统电化学电容器的能量密度有较大提高，但远低于锂离子电池等化学电源的能量密度(比锂离子电池低2、3个数量级)，从而大大地限制了超级电容器的应用范围。

因此，如何提高锂离子电池在超高倍率下的充放电性能与超级电容器的能量密度，一直是储能领域研究工作者持续努力的方向。

发明内容：

针对传统技术生产的锂离子电池存在超高倍率下的充放电能力不理想，而超级电容器能量密度低的问题，本发明提供了一种可兼具超级电容器的高比功率特性和蓄电池的高比能量特性的新型储能器件(我们称之为超级锂离子电池或超级电容电池)及其制造方法，详细内容如下：

(1)以锂离子电池正极材料与超级电容器电极材料的混合物或复合材料作为正极活性物质，其中锂离子电池正极材料包括磷酸铁锂、锂镍钴锰氧、锂钴氧、锂锰氧、锂镍锰氧、锂镍钴氧、锂钒氧、硅酸铁锂，以及与它们的掺杂化合物中的一种或几种；超级电容器电极材料包括活性炭、碳气凝胶、碳纳米管、热解炭等碳素材料，以及氧化钌、氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化钒等氧化物，以及它们的掺杂化合物中的一种或几种，正极活性物质中，锂离子电池正极材料的含量为20％-95％，超级电容器电极材料的含量为5％—80％。

(2)以锂离子电池负极材料与超级电容器电极材料的混合物或复合材料作为主要负极活性物质，其中锂离子电池负极材料包括天然石墨、人造石墨、中间相炭微球、炭纤维、炭纳米管、焦炭、热解炭等炭材料及其改性材料，氧化锡、氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化钒等氧化物与它们的掺杂化合物中的一种或几种；超级电容器电极材料包括活性炭、碳气凝胶、碳纳米管、热解炭等碳素材料，以及氧化钌、氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化钒等氧化物，以及它们的掺杂化合物中的一种或几种；负极活性物质中，锂离子电池负极材料的含量为20％-95％，超级电容器电极材料的含量为5％—80％。。

(3)按照常规的锂离子电池正、负极生产工艺，与粘结剂、导电剂、添加剂、溶剂等混合配制成浆料，经涂布、干燥、轧膜、分切制作成超级电容电池正极片与负极片。

(4)电解液是以LiBF₄、LiPF₆、LiAsF₆、LiClO₄、双草酸硼酸锂(LiBOB)、氟烷基磷酸锂LiPF_6-n(CF₃)_n(n＝1、2、3)中的一种或几种为锂盐，碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸丙烯酯等碳酸酸中的几种为混合溶剂的高电导率有机电解液。

(5)电池极片与隔膜的组装采用多芯卷绕及并联组装。即正、负极片与隔膜采用卷绕的方式组装成小卷芯，通过将多个卷芯并联，得到大容量超级电容电池。

(6)对于大容量方型超级电容电池(>2Ah)，采用多个卷芯平行于窄向排列的装配方式。以宽度、厚度、高度来定义方型外壳的三维尺寸(宽度>厚度)，将若干个卷芯的宽面与方型外壳的窄面(厚*高的侧面)平行，装入方型外壳中。