[发明专利]一种基于锂离子电容器和锂电池混合储能单体的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于锂离子电容器和锂电池混合储能单体的制备方法，该储能单体由锂正极、碳正极和碳负极及含自由移动的锂离子的非水有机溶剂构成。可在一个结构单元内，同时实现超级电容器的高倍率特性及锂离子电池的高容量特性。

背景技术

高能量密度、高功率密度、宽温域与长循环寿命是新型化学电源的发展方向和科学研究目标。

锂离子电池和超级电容器代表了新型化学电源的发展方向，在所有商业化的化学电源中，锂离子电池具有高能量密度的特点。

锂离子电池的主要应用领域包括了能量型(主要用于手机、移动电脑为代表的数码产品)，和动力型(电动工具、混合动力车、电动自行车、电动汽车)。随着材料技术和电池设计技术的逐步发展，锂离子电池在动力领域的应用更加广泛，尽管锂离子电池在高倍率方面已获得了重大突破，但由于锂电池是通过锂离子在正负极间反复脱嵌来实现能量储存过程，所以锂电池在长期高倍率循环过程中容量衰减迅速，且在低温条件下容量衰减也较快。

超级电容器是一种新型的能源器件，传统的超级电容器利用在正负极碳电极材料表面形成的双电层来实现能量储存过程，超级电容器的能量密度取决于电极材料的比电容量和稳定电位窗口。

由于超级电容器是通过在电极表面形成双电层来实现能量储存过程，由于不存在离子在电极材料体相内的嵌入和脱出而造成电极材料结构坍塌，因此与锂离子电池相比，超级电容器具有高循环性能、高功率特性和宽温域的特点。由于超级电容器的储能方式是双电层储能，电极材料内部的离子浓度很低，同时超级电容器的电位窗口较低(1-2.7V)，决定了超级电容器的能量密度很低，约为锂离子电池的1/10，如何提高超级电容器的能量密度，成为近年来研究的热点。

为提高超级电容器的能量密度，主要是通过提高电极材料的比电容量和提高电容器的稳定电位窗口来实现，但高比电容量的金属氧化物电极(如氧化铑、氧化锰和氧化钴)通常需要在水溶液体系中实现储能，所以对电位窗口的提高有限；而采用非对称电容器的方式(一极为金属氧化物、另一极为活性炭材料)虽然一定程度的提高了超级电容器的能量密度，但由于稳定电位窗口提高仍然比较有限，同时由于金属氧化物电极在反应过程结构的不稳定性，所以循环寿命大大下降。

锂离子电容器是一种正极与负极充放电原理不同的非对称电容器，在设计上采用了双电层电容器的原理，在构造上采用了锂离子电池的负极材料与双电层电容器的正极材料之组合，同时又在负极添加了锂离子，从而大大提高了电容器的能量密度。

有专利提及的锂离子电容器以高比表面积碳材料为正极、石墨为负极，制备了锂离子电容器，在电容器内部通过金属锂片对石墨预嵌锂，锂电容器正、负极片间的最大电位窗口可达到4.35V。但锂片的不稳定性和易氧化性，容易与空气中的水分和氧气发生化学反应，所以在引入锂电极的操作时，需要在无水无氧的外界环境中进行，对工业化生产环境要求较高。造成电容器的组装过程非常困难。

对于新型储能器件，希望同时兼具高能量密度、高功率特性、长寿命和宽温域的特点、为实现储能器件在不同能量密度和倍率放电的要求，有技术提出将超级电容器与锂电池进行“外并联”，在需要能量储存时使用锂离子电池，在需要倍率放电时使用超级电容器，但这种多功能不能在一个储能单体中实现。外并联实行会造成保护电路设计较为复杂。

发明内容

鉴于背景技术中存在的问题，本发明提出了一种基于锂离子电容器和锂电池混合储能单体的制备方法。在一个单元结构中同时实现了锂离子电池和锂离子超级电容器的功能。并通过易于加工的锂正极材料片对负极电化学嵌锂，以有效实现储能器件的组装。

本发明所要解决的技术问题的技术方案如下：

本发明所述混合储能单体由多个极片单元和含锂的有机电解液组成，极片单元又由锂正极、碳正极和碳负极组成；锂正极为锂离子电池正极材料，该材料可自由脱嵌锂化合物并给予锂离子，碳正极为高比表面积碳材料，该材料可形成双电层，碳负极为层状碳材料，该材料可自由接受锂离子。

所述极片单元的三种电极分别具有集电极，且集电极有正反面贯通的孔，孔直径在100微米-1mm之间。

所述极片单元由一片锂正极、一片碳正极和一片碳负极组成，所述正、负电极的集电极形成的集流体均采用穿孔结构，即在各极片上设有均匀满布的极片小孔；且锂正极、碳正极和碳负极均有极耳引出，所述储能单体根据容量大小设计由多个极片单元层叠而成。

所述极片单元的三种电极的穿孔集电极，锂正极和碳正极的集电极为铝箔，碳负极的集电极为铜箔。