[发明专利]预锂化锂离子超级电容器负极、其制备方法和锂离子超级电容器

说明书

公开了一种预锂化超级电容器负极、其制备方法和锂离子超级电容器。锂离子超级电容器负极包含由不含锂的活性材料和金属锂‑骨架碳复合材料构成的负极材料，所述金属锂‑骨架碳复合材料的含量以质量百分比计为负极材料总质量的2％‑20％。锂离子超级电容器器件在搁置过程中，负极中金属锂‑骨架碳材料的金属锂和不含锂的活性材料中的碳复合反应形成锂碳化合物，弥补器件工作中的锂离子的损耗；同时骨架碳材料为负极提供多孔结构，确保电解液的浸润，提高器件的能量密度。

技术领域

本发明涉及电化学储能技术领域，特别涉及锂离子超级电容器负极、其制备方法和锂离子超级电容器。

背景技术

随着经济的发展，传统的化石燃料大量使用导致全球变暖及雾霾恶劣气候日趋严重，开发新能源成为当务之急。近年来人们已经进行混合动力、燃料电池、化学电池产品及应用的研究与开发，取得了一定的成效。但是对于它们固有的使用寿命短、温度特性差、化学电池污染环境、系统复杂、造价高昂等致命弱点，一直没有很好的解决办法。锂离子超级电容器具有功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽等优势。因此，可以广泛应用于辅助峰值功率、备用电源、存储再生能量、替代电源等不同的应用场景，在工业控制、电力、交通运输、智能仪表、消费型电子产品、国防、通信、新能源汽车等众多领域有着巨大的应用价值和市场潜力。

传统的超级电容器是基于双电层原理进行设计的，其整体器件的能量密度为5-8wh/kg，较低的能量密度导致器件在应用端成本较高，无法满足应用端对于能量密度的需求。锂离子超级电容器采用含有锂离子的电解液，扩宽了器件的电化学窗口，同时在工作中锂离子和活性物质反应，提供一部分容量，因此锂离子超级电容器具有更高的能量密度，并且也保持电容器的高功率密度和长循环寿命的优点。为了获得更高能量密度的锂离子超级电容器，同时，由于锂离子超级电容器在充放电过程中会消耗锂离子，降低电解液中有效离子的浓度，需要对电极(负极)进行预锂化。

目前锂离子超级电容器预锂化主要采用将锂带或是锂粉通过干法复合在活性电极表面，例如美国General Capacitor公司将厚度为33微米的锂条复合在活性电极表面，之后组成锂离子超级电容器器件，通过电解液和金属锂反应进行预锂化(Journal of TheElectrochemical Society,164(2)A93-A98(2017))。还有文献报道，采用锂粉复合在负极表面，组装成器件，进行预锂化(Journal of Power Sources 213(2012)180-185)。但是上述的方法，无论是采用锂条还是锂粉进行预锂化，其过程需要较长时间，并且存在预锂化不充分，会导致电极表面存在锂残留，这将影响整体器件的循环稳定性和安全性；另外，这种预锂化方法需要先得到极片，再进行复合，增加了工艺步骤，降低了生产效率。

发明内容

本发明的主要目的之一在于提供一种预锂化锂离子超级电容器负极、其制备方法和锂离子超级电容器，以克服现有技术的不足。

本发明采用金属锂-骨架碳复合材料对负极进行预锂化，扩宽器件工作电压，同时弥补器件工作中的锂离子的损耗，维持电解液中锂离子浓度基本保持不变，从而提高超级电容器的能量密度。

本发明采用了如下技术方案：

在一些实施例中提供一种锂离子超级电容器负极，所述负极包含由不含锂的活性材料和金属锂-骨架碳复合材料构成的负极材料，所述金属锂-骨架碳复合材料的含量以质量百分比计为负极材料总质量的2％-20％。

在一些实施例中提供一种制备上述锂离子超级电容器负极的方法，所述方法包括：

将含有无锂的活性材料和金属锂-骨架碳复合材料的混合物的负极材料浆料涂覆于金属集流体上，形成负极极片；或者，将含有无锂的活性材料的负极材料浆料涂覆于金属集流体上，形成含有无锂的活性材料的涂层，然后将金属锂-骨架碳复合材料通过压力方式均匀分散到所述涂层中。