[发明专利]一种锂离子混合超级电容器

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子混合超级电容器，属于电池和超级电容器技术领域。 

背景技术

能源危机和环境污染带来的一系列社会问题，促使了节能及新能源汽车的发展。这其中，动力电源成为制约瓶颈。动力电源除了要满足汽车的功率、能量、安全性能及安装方便等要求外，还要求充电快捷，使用寿命长，成本低；然而，目前所用的动力电源能量密度较低，汽车续驶里程短；功率密度较小，汽车启动、爬坡及加速性能差；重量体积大，安装不便；使用寿命短，不能与整车相同；成本较高，整车综合成本居高不下；工作温度范围窄，适应差；充电时间长，配套设施投入大。这些原因阻碍了动力电源在节能及新能源汽车上的大规模应用。因此，人们开始寻找满足功率和能量兼顾的方法。

双电外部组合模式，即电池和超级电容器组合成复合电源，在满足节能及新能源汽车的使用要求的同时，可以大大提高电池的效率，延长使用寿命。例如，将锂离子电池与超级电容器组成复合电源，作为汽车的动力电源，锂离子电池提供汽车的续驶里程所需动力，超级电容器可以在启动、加速、爬坡等大功率输出工况工作，二者的组合提高了汽车的动力性能，延长了电池的使用寿命。

双电内部融合模式，将某一种动力电池的特征元素与超级电容器的特征元素，通过体系的优化设计，在同一单体内融合，使其兼具两种动力电源的特征，可以在功率密度和能量密度之间寻找平衡点，满足特定汽车工况需要。例如，针对混合动力车，可以以满足功率要求为主，兼顾部分能量需求，进行一定距离的纯电动状态行驶。

日本的JM Energy、旭化成、NEC-TOKIN、ACT、帝客、FDK、太阳诱电、日立化成等研究开发锂离子电容器，部分已经实现商品化，日本富士重工业株式会社（公开号US2009/0197171 A1，US2010/0142121 A1，US2010/0128415 A1，US7,733,629 B2，申请号200580004509.2，申请号200580001498.2，申请号200680032109.7，申请号200680038604.9，申请号200680042376.2，申请号200680046167.5，申请号200680049541.7，申请号200710145884.X）有计划将锂离子电容器应用于斯巴鲁汽车；申请号为200410093962. 2的中国专利报道了一种高电压超级电容器，将负极材料制成糊状物涂覆在金属箔上，经干燥、辊压制成负极板后，嵌锂再部分脱锂化成，与活性炭正极组成超级电容器，具有约4V的最高工作电压。申请号200810046091.7的中国专利报道了一种含有C、Fe和P元素的高电位超级电容器电极材料，申请号201010280801.X的中国专利报道了一种磷酸铁锂负载在活性炭作为正极活性物质，申请号200710035051.8的中国专利报道了一种采用锂离子电池正极材料与超级电容器电极材料的混合物作为正极活性物质，以锂离子电池负极材料与超级电容器电极材料的混合物作为负极活性物质，申请号200710035205.3的中国专利报道了一种超级电容电池，正极活性电极材料采用锂离子嵌入化合物和多孔炭材料的混合物，负极活性电极材料采用多孔炭材料和石墨类材料的混合物，申请号为200810031490.6的中国专利报道了一种兼具超级电容器与锂离子电池特征的新型储能器件及其制造方法，公开号为CN 1866427 A的中国专利报道了一种基于液相中的电化学活性物质的超级电容器，申请号201010592947.8的中国专利报道了一种新型水系/有机系混合型锂离子电池。

单体结构影响活性物质储能特性的发挥，而材料直接决定其基本性能，例如工作电压、比容及循环寿命等。因此，金属氧化物、含锂化合物、导电聚合物等被作为超级电容器材料，用以提高器件的能量密度。复合金属氧化物是二种及以上的金属掺杂复合形成的储能材料，如ZnCo₂O₄、ZnMn₂O₄、ZnFe₂O₄等可与锂发生反应，应用于锂离子电池。复合金属氧化物经过首次放电后，发生Zn⁰、Mn⁰等的转化。生成的金属与Li₂O发生可逆的反应。其反应方程式如下（Nano Research,2011,4,505–510）：