[发明专利]一种混合超级电容器用复合正极片及其制备方法、混合超级电容器

说明书

技术领域

本发明涉及一种混合超级电容器用复合正极片及其制备方法、混合超级电容器，属于超级电容器技术领域。

背景技术

锂离子电池具有开路电压高、循环寿命长、能量密度高、自放电低、无记忆效应等众多优点，占据了绝大部分消费电子产品的电池市场。充放电过程中，锂离子通过电解质从正极含锂金属化合物中脱嵌/嵌入，在石墨层间插入/脱出，实现了化学能和电能之间的转换。但是，锂离子电池的倍率性能和循环寿命受到较大的限制。超级电容器又叫双电层电容器、电化学电容器，它是一种性质介于静电电容器和电池之间的新型电化学储能元件，被认为是21世纪最有前途的储能元件。超级电容器主要是通过载流子在电极上的吸附和脱附进行充放电，与锂离子电池相比，超级电容器具有比功率高、低温性能稳定、循环寿命长等优点。但是超级电容器也存在明显的弱点，与锂离子电池相比，超级电容器的能量密度较低，不适于单独作为大规模电能存贮装置使用。

将超级电容器与锂离子电池混合使用，则可以集合超级电容器的高功率特性和锂离子电池的高能量密度特性，提高锂离子电池的充放电功率，延长锂离子电池的使用寿命，满足多种应用需求，有可能满足具有瞬时功率需求的能量存贮应用，比如汽车启动SLI电池、风电储能等。研究指出，超级电容器与锂离子电池并联使用能够提高充放电功率，同时能够延长锂离子电池的使用寿命，但是由于超级电容器的工作电压强制与电池相同，因此存在超级电容器实际利用率低、系统配置不够灵活和可靠性低等缺点。

公开号为CN101320821A的中国发明专利(公开日为2008年12月10日)公开了一种间距电容器与锂离子电池特征的储能器件，包括正极、负极、隔膜、电解液与电池外壳，其正极活性物质为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，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、硅酸铁锂等，超级电容器电极材料包括活性炭、碳气凝胶、碳纳米管、热解碳、氧化钌、氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化钒等。该发明将锂离子电池正极材料与超级电容器电极材料混合使用作为正极活性物质，使其储能器件兼具超级电容器和锂离子电池的优点，高倍率充放电性能和循环性能均得到了提高，能量密度也得到了提高。但是该方法中需要将锂离子电池正极材料与超级电容器电极材料混合使用，二者在结构上相互影响，两类材料的物化性质(如电导率、粒径大小及分布等)及加工特性(如颗粒润湿度和比表面积、浆料粘度等)的差异，一定程度上会影响各自材料特性的发挥，导致“1+1＜2”。两种材料混合对锂离子脱嵌和吸附均造成了一定阻碍，导致其充放电效率较低，而且还存在超级电容器电极材料实际利用率低和可靠性低等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种充放电效率高、电极材料利用率高的混合超级电容器用复合正极片。本发明的目的还在于提供上述混合超级电容器用复合正极片的制备方法及使用该复合正极片的混合超级电容器。

为了实现以上目的，本发明的混合超级电容器用复合正极片的技术方案如下：

一种混合超级电容器用复合正极片，包括正极集流体，所述正极集流体表面依次交替设有含锂材料带和含碳材料带；所述含锂材料带主要由含锂正极材料和粘结剂制成，所述含碳材料带主要由双电层活性物质和粘结剂制成。

本发明的混合超级电容器用复合正极片的集流体表面同时设有含锂材料带和含碳材料带，二者在正极集流体表面上依次交错布设，在制成混合超级电容器后，能够在混合超级电容器中正极片的每一面都同时与相邻的负极片形成锂离子电池和双电层电容器，含锂材料带通过电化学反应来储存和转化能量，含碳材料带通过双电层结构来储存能量，一方面由于双电层电容器具有优秀的功率特性分担了混合超级电容器内部的过载电流，另一方面消除了大电流充放电对锂离子电池材料结构的破坏，同一集流体上不同能量储存反应之间形成“协同效应”，使得锂离子的迁移速率和双电层的形成速率同步增加，大大提高了负极材料的利用率和混合超级电容器的充放电效率，进而提高混合超级电容器的能量密度、功率密度以及安全性能。

为了保证复合正极片与相邻的负极片之间都能有效形成锂离子电池和双电层电容器，所述含锂正极材料与双电层活性物质的容量比为0.1-20：1。