[发明专利]锂离子电容器及其制备方法

说明书

一种锂离子电容器及其制备方法，该锂离子电容器包括正极片、负极片以及介于所述正极片和所述负极片之间的隔膜和电解液，所述正极片包括正极集流体及涂覆于所述正极集流体上的正极材料，所述负极片包括负极集流体及涂覆于所述负极集流体上且经预嵌锂的负极材料，所述正极材料和预嵌锂前的负极材料均主要由三维结构石墨烯、导电添加剂和粘结剂组成，所述三维结构石墨烯的比表面积为1000～2500m²/g，所述三维结构石墨烯的总孔体积为0.5～2.5cm³/g。该锂离子电容器同时具有锂离子电池的高能量密度和超级电容器的高功率密度，其比能量达104Wh/Kg，为普通超级电容器的1.5倍；比功率高达3000W/Kg。

技术领域

本发明涉及一种储能技术领域，特别是涉及一种锂离子电容器及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的发展，人类生活水平的提高，对能源的要求也越来越多样化，同时也要求储能设备具有更高的能量密度和功率密度。

目前，商业化最成熟的两种电化学储能技术。一种是锂离子电池，正极采用含锂金属氧化物作为活性材料，负极采用石墨作为活性炭材料，通过正负极电化学嵌锂储存能量，单体比能量可达150Wh/Kg以上，然而其比功率仅为100～500W/Kg，功率性能差，循环寿命仅1000次；另一种是双电层电容器，该器件采用高比表面积活性炭为正负极活性材料，通过物理吸附电荷储存能量，因此其比功率可达5000W/Kg以上，循环寿命达100000次以上，可实现低温-50℃充放电，然而其比能量仅为2～5Wh/Kg，续航能力受限，不能长时间供电。

锂离子电容器(Lithium Ion Capacitor，LIC)，是一种介于双电层电容器和锂离子电池之间的新型储能元件。与锂离子电池相比，LIC具有更高的比功率，可瞬间释放大电流，充电时间短。与传统的双电层电容器相比，LIC具有更高的比能量。然而如何同时提高锂离子电容器的比能量和比功率是当前新型储能设备研制的技术难题。

发明内容

基于此，有必要提供一种高比能量和高比功率的锂离子电容器及其制备方法。

一种锂离子电容器，包括正极片、负极片以及介于所述正极片和所述负极片之间的隔膜和电解液，所述正极片包括正极集流体及涂覆于所述正极集流体上的正极材料，所述负极片包括负极集流体及涂覆于所述负极集流体上且经预嵌锂的负极材料，所述正极材料和预嵌锂前的负极材料均主要由三维结构石墨烯、导电添加剂和粘结剂组成，所述三维结构石墨烯的比表面积为1000～2500m²/g，所述三维结构石墨烯的总孔体积为0.5～2.5cm³/g。

本申请人偶然发现锂离子电容器同时采用三维结构石墨烯作为正负电极材料，且对负极材料预嵌锂，可将负极片的电位降至接近于0V(vs.Li/Li+)，而正极的工作电压几乎达到极限电位，因此锂离子电容器的工作电压可达2.2～3.8V；且控制三维结构石墨烯的比表面积为1000～2500m²/g、总孔体积为0.5～2.5cm³/g，能有效提高预嵌锂的负极材料中锂含量并使锂离子嵌入、脱嵌及吸附的容量和速率基本一致，从而使得制得的锂离子电容器充放电差异非常小。因此制得的锂离子电容器同时具有锂离子电池的高能量密度和超级电容器的高功率密度，通过公式计算得到其比能量达104Wh/Kg，为普通超级电容器的1.5倍；比功率高达3000W/Kg。

在其中一个实施例中，在所述正极材料和所述预嵌锂前的负极材料中，所述三维结构石墨烯、所述导电添加剂和所述粘结剂的质量比为50～100:0～20:0～20，其中所述导电添加剂和所述粘结剂的质量均不为零。

在其中一个实施例中，所述导电添加剂选自炭黑、乙炔黑、科琴黑和导电石墨中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述粘结剂选自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶中的至少一种。