一種電容電池用負極材料、電容電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電容器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電容電池用負極材料，電容電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超級電容器，又叫電化學(xué)電容器，其工作原理是在電極與電解液界面形成空間電荷層(雙電層)，依靠這種電雙層積蓄電荷，實現(xiàn)充放電能。超級電容器在電動汽車、混合燃料汽車、特殊載重車輛、風(fēng)能、太陽能、國防軍工、電力、鐵路、通訊、消費性電子產(chǎn)品等方面有著巨大的應(yīng)用價值和市場潛力，被世界各國廣泛關(guān)注，但是超級電容器的比能量仍舊比較低，而電池的比功率較低，因此需要解決提高超級電容器容量的問題。目前提高雙電層電容器的能量密度的一個途徑是提高電容器的電極材料容量來提升能量密度。
[0003]電極材料是影響超級電容器容量的決定因素，理想的電極材料要求結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好、比表面積大、微孔集中在一定的范圍內(nèi)，現(xiàn)有的電雙層電容器電極材料主要有活性炭系列和過渡金屬氧化物系列。目前對于活性碳材料的研宄也實現(xiàn)了制備獲得比表面積超過2000m2/g，但是實際利用率不超過30%。有效比表面積小，單純的完全采用活性碳材料作為電容器的電極材料制備的電容器的電容量不高；而過渡金屬氧化物的成本太高，無法推廣使用。為了進一步提高超級電容器的比能量，1995年，D.A.Evans等提出了把理想極化電極和法拉等反應(yīng)電極結(jié)合起來構(gòu)成混合電容器的概念；1997年，ESMA公司公開了N10H/AC混合電容器的概念，揭示了蓄電池材料和電化學(xué)電容器材料組成的新技術(shù)；2001年，G.G.Amatucci報告了有機體系鋰離子電池材料和活性炭組合的Li4Ti5012/AC電化學(xué)混合電容器，是電化學(xué)混合電容器發(fā)展的又一里程碑，然而此電化學(xué)混合電容器存在功率密度低且能量密度低的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的之一在于提供一種電容電池用負極材料，降低負極反應(yīng)電位，提高電容電池電壓，提高電容電池的能量密度。
[0005]本發(fā)明的目的之二在于提供一種電容電池。
[0006]同時，本發(fā)明還在于提供一種電容電池的制備方法。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0008]一種電容電池用負極材料，該負極材料的活性材料主要由以下重量百分含量的組分組成:鋰粉0.5%?10.0%，硅粉90%?99.5%。
[0009]所述硅粉為商業(yè)用硅粉。
[0010]所述鋰粉為惰性鋰粉。
[0011]一種使用上述負極材料的電容電池，包括正極、負極、介于所述正極和負極之間的隔膜及電解液，其特征在于，所述正極包括正極集流體以及涂布在所述正極集流體上的正極材料，所述正極材料包括正極活性材料、第一粘結(jié)劑、第一導(dǎo)電劑，所述正極活性材料為多孔碳材料；所述負極包括負極集流體及涂布在負極集流體上的負極材料，所述負極材料包括負極活性材料、第二粘結(jié)劑及第二導(dǎo)電劑。
[0012]所述正極活性材料、第一粘結(jié)劑的質(zhì)量比為90?95:5?10 ;所述正極活性材料、第一導(dǎo)電劑的質(zhì)量比為10?30:1。
[0013]所述多孔碳材料的比表面積為1000m2/g?2600m2/g。
[0014]所述多孔碳材料為活性炭、碳氣凝膠、碳納米管、石墨烯中的任意一種或兩種的組入口 ο
[0015]所述負極活性材料、第二粘結(jié)劑的質(zhì)量比為80?95:1?10 ;所述負極活性材料、第二導(dǎo)電劑的質(zhì)量比為80?95:1?10。
[0016]所述第一粘結(jié)劑和第二粘結(jié)劑為氟樹脂。
[0017]所述第一粘結(jié)劑和第二粘結(jié)劑為聚三氟乙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物或聚合氟烷氧基樹脂。
[0018]所述第一導(dǎo)電劑和第二導(dǎo)電劑為導(dǎo)電炭黑。
[0019]所述電解液為0.5?1.8mol/L的六氟磷酸鋰/碳酸乙烯酯/碳酸二乙酯，其中碳酸乙烯酯與碳酸二乙酯的質(zhì)量比為0.5?2:1。
[0020]所述隔膜為聚丙烯或聚乙烯的絕緣多孔隔膜或纖維素隔膜。
[0021]上述電容電池的制備方法，其特征在于，包括以下操作步驟:
[0022]I)制備電極:
[0023]A:正極極片的制備
[0024]將正極活性材料、第一粘結(jié)劑、第一導(dǎo)電劑、溶劑混合制得電極漿料，涂覆在正極集流體上，干燥，輥壓得正極極片；
[0025]B:負極極片的制備
[0026]將負極活性材料、第二粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑混合得預(yù)混合粉體材料，將預(yù)混合粉體材料進行球化處理后，制得粉體材料，噴涂在負極集流體上，干燥，輥壓得負極極片；
[0027]2)制備電容電池:
[0028]將步驟I)中制備的正極極片和負極極片卷繞成電芯，電芯干燥后浸泡入電解液中，裝入電容電池殼體，即得所述電容電池。
[0029]所述正極極片的厚度為150?280 μ m。
[0030]所述負極極片的厚度為80?150 μ m。
[0031]步驟I)中步驟A所述電極漿料的具體制備方法為:包括以下操作步驟:1)將正極活性材料、第一導(dǎo)電劑在攪拌轉(zhuǎn)速為100?500r/min，攪拌時間為30?300min攪拌分散得到粉體材料；將粘結(jié)劑加入溶劑中，攪拌分散得到粘結(jié)劑分散體系，攪拌轉(zhuǎn)速為500?3000r/min，攪拌時間為30?300min ；2)將步驟I)制備的粉體材料加入粘接劑分散體系中，攪拌得電極漿料，攪拌轉(zhuǎn)速為500?3000r/min，攪拌時間為60?300min。
[0032]步驟I)中步驟A所述的干燥為50?200°C條件下干燥30?300min。
[0033]步驟I)中步驟A所述的輥壓眼里為50?250MPa，輥壓速度為5?30m/min。
[0034]步驟I)中步驟A所述溶劑為N-甲基吡咯烷酮。
[0035]步驟I)中步驟B所述粉體材料的具體制備方法為:包括以下操作步驟:1)將負極活性材料、第二導(dǎo)電劑、第二粘結(jié)劑攪拌混合均勻，得預(yù)混合粉體材料，攪拌轉(zhuǎn)速為10?500r/min，攪拌時間為10?300min ；2)將步驟I)中制備的預(yù)混合粉體材料進行超聲波球化處理，功率為10?100KW，處理時間為10?300min，制得粉體材料。
[0036]步驟I)中步驟B所述干燥為50?200°C條件下干燥30?300min。
[0037]步驟I)中步驟B所述輥壓為采用熱輥壓機在50?160°C溫度下輥壓至所需電極極片厚度。
[0038]步驟2)中所述干燥為50?200 °C真空干燥6?36h。
[0039]步驟2)中所述浸泡為-0.05?-0.3MPa真空浸泡10?120min。
[0040]步驟2)中裝入電容電池殼體后，封口靜置I?24h。
[0041]本發(fā)明電容電池用負極材料，該負極材料的活性材料由硅粉和鋰粉混合組成，成本低，以該負極材料制備成的電容電池，負極中引入的硅材料的克容量高達4000mAh/g，遠大于活性炭的克容量45mAh/g，石墨材料的克容量360mAh/g，而且負極中引入了鋰粉，補充了電池鋰離子來源，降低了負極的反應(yīng)電位，提高了電容電池的電壓，硅粉高的克容量結(jié)合鋰粉高的電池電壓，協(xié)同作用，提高了電容電池的能量密度。
[0042]本發(fā)明電容電池，采用傳統(tǒng)的超級電容器采用的多孔碳材料為正極活性材料，以硅粉和鋰粉混合組成的材料為負極活性材料，結(jié)合了蓄電池電極材料和電容器電極材料，組成混合電容電池，降低了負極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的電壓，提供電容電池的電壓，最高可達到
3.8V，進而提高了電容電池的能量密度達到45?55Wh/kg。
[0043]本發(fā)明電容電池制備方法，負極材料制備中不使用溶劑，將活性材料、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑在非溶液狀態(tài)下混合，在球化過程中粘結(jié)劑包裹在粉體材料的外層，提高了制備的粉體材料與集流體的結(jié)合性，避免負極材料的脫落，提高負極極片的穩(wěn)定性，同時減少電池制備過程中有機溶劑的耗費和環(huán)境污染。本發(fā)明電容電池的制備方法，操作簡