[发明专利]一种电化学能量存储装置

说明书

本发明涉及一种电化学能量存储装置，包括依次分布的阳极导电板、负载在阳极导电板上的阳极、多孔隔膜、负载在阴极导电板上的阴极以及阴极导电板，阳极和阴极之间填充电解质，阳极包括第一导电含碳材料和锂金属材料，其中第一导电含碳材料和锂金属材料的质量比为(3～30)：1，阴极包括第二导电含碳材料和含锂化合物材料，其中第二导电含碳材料和含锂化合物材料的质量比为(0.05～5)：1，且所述锂金属材料与第二导电含碳材料之间的质量比为(0.001～0.1)：1，第二导电含碳材料的孔隙率大于第一导电含碳材料的孔隙率。与现有技术相比，本发明在低功率需求下，具有比超级电容器更高的能量密度；在高功率需求下，具有比锂离子电池更高的功率密度。

技术领域

本发明涉及化学电源技术领域，具体涉及一种电化学能量存储装置。

背景技术

汽车工业对世界经济和人类社会做出了显着的贡献，汽车被视为是现代社会自由和解放的象征。然而随着汽车行业的不断拓展，需要消耗大量的化石燃料，并且对环境产生了很大影响。据统计世界范围内超过50％的石油用于运输，一半以上的污染物来自车辆尾气。如何解决汽车行业蓬勃发展带来的能源和环境问题，电动汽车是非常有效的解决方案，并且近年来许多不同的电动汽车已经引入市场。

众所周知，电动汽车比传统的汽车具有许多优点，例如操作简便，污染气体零排放和安静的驾驶体验。

然而，即使是最先进的电动汽车也面临着三个主要问题：有限的行程里程，较慢的起动速度和昂贵的价格。这些问题与车辆的动力电源相关。最广泛使用的动力电源包括锂离子电池，燃料电池和电化学电容器。锂离子电池通过电化学反应存储能量，电化学电容器是通过在电解液和电子导体之间的界面处形成双电层来储存电能。

每个能量存储系统都有自己的优点和缺点。由于电化学电容器和锂离子电池它们分别可以提供高功率密度或高能量密度，因此被认为是最具潜力的能量存储系统。锂离子电池在放电过程中锂离子从负极脱嵌迁移到正极，并且该过程可以提供高化学能为120-250Wh/kg。然而，由于锂离子移动和嵌入脱嵌的速度低，因而功率密度相当低，仅为200W/kg左右。在电化学电容器中，能量的主要来源是电解质在电极上的吸附/解吸过程，该过程与锂离子电池的化学反应过程相比极快。因此，电化学电容器功率密度可以达到2-10kW/kg甚至更高。但由于离子吸附/脱附仅发生在电极活性物质表现，因此器件整体能量密度较低，仅为5～8Wh/kg。

为了解决这些问题，研究人员提出了不同的解决方案。最广泛使用的解决方法是开发由电化学电容器电极和电池电极组成的混合系统。在该结构中，正极通过阴离子的可逆非法拉第反应存储电荷，同时负极利用可逆的法拉第反应实现锂离子嵌入/脱嵌。与传统电化学电容器相比，混合超级电容器显示出更高的能量密度。Telcordia已经开发出了一种名为非水性不对称混合电化学超级电容器的新装置，其中Li₄Ti₅O₁₂作为负极材料，活性炭作为正极材料。然而，这些装置的能量密度太低，不能作为电动汽车的能量存储系统。

先前已有文献公开了可以通过在表面上添加稳定锂金属材料粉末(SLMP)层的硬碳(HC)负极代替常规活性炭负极的锂离子电容器[W.J.Cao and J.P.Zheng,J.PowerSources,213,180(2012).]。添加的锂粉层可以增加电容器的开路电压，并确保在充电时电解液中更少的离子被消耗。该锂离子电容器能够存储比常规电化学电容器多大约5倍的能量(<25Wh/Kg)，并且具有高功率密度。尽管如此，但能量密度仍然没有达到实际应用的需要，由储能机理分析可知，基于活性炭和预嵌锂的电池性负极很难进一步提高锂离子电容器的能量密度，因此，需要在电源器件的结构设计等方面做更多的工作。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种同时具有高功率密度和高能量密度的电化学能量存储装置。