一種混合儲(chǔ)能器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種混合儲(chǔ)能器件及其制備方法，屬于儲(chǔ)能器件領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]目前所用的動(dòng)力電池能量密度較低，重量體積大，使用壽命短，成本較高，工作溫度范圍窄，充電時(shí)間長(zhǎng)。為了改善這些不利影響，人們從正極材料、負(fù)極材料、隔膜電解液等方面進(jìn)行動(dòng)力電池的研究開發(fā)。
[0003]能源危機(jī)和環(huán)境污染帶來的一系列社會(huì)問題，促使了節(jié)能及新能源汽車的發(fā)展。這其中，動(dòng)力電源成為制約瓶頸。動(dòng)力電源除了要滿足汽車的功率、能量、安全性能及安裝方便等要求外，還要求充電快捷，使用壽命長(zhǎng)，成本低;然而，目前所用的動(dòng)力電源能量密度較低，汽車?yán)m(xù)駛里程短;功率密度較小，汽車啟動(dòng)、爬坡及加速性能差;重量體積大，安裝不便;使用壽命短，不能與整車相同；成本較高，整車綜合成本居高不下；工作溫度范圍窄，適應(yīng)差;充電時(shí)間長(zhǎng)，配套設(shè)施投入大。這些原因阻礙了動(dòng)力電源在節(jié)能及新能源汽車上的大規(guī)模應(yīng)用。因此，人們開始尋找滿足功率和能量兼顧的方法。
[0004]雙源外部組合模式，即電池和超級(jí)電容器組合成復(fù)合電源，在滿足節(jié)能及新能源汽車的使用要求的同時(shí)，可以大大提高電池的效率，延長(zhǎng)使用壽命。例如，將鋰離子電池與超級(jí)電容器組成復(fù)合電源，作為汽車的動(dòng)力電源，鋰離子電池提供汽車的續(xù)駛里程所需動(dòng)力，超級(jí)電容器可以在啟動(dòng)、加速、爬坡等大功率輸出工況工作，二者的組合提高了汽車的動(dòng)力性能，延長(zhǎng)了電池的使用壽命。
[0005]雙源內(nèi)部融合模式，將某一種動(dòng)力電池的特征元素與超級(jí)電容器的特征元素，通過體系的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在同一單體內(nèi)融合，使其兼具兩種動(dòng)力電源的特征，可以在功率密度和能量密度之間尋找平衡點(diǎn)，滿足特定汽車工況需要。例如，針對(duì)混合動(dòng)力車，可以以滿足功率要求為主，兼顧部分能量需求，進(jìn)行一定距離的純電動(dòng)狀態(tài)行駛。
[0006]日本的JM Energy、旭化成、NEC-T0KIN、ACT、帝客、FDK、太陽誘電、日立化成等研究開發(fā)鋰離子電容器，部分已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化，日本富士重工業(yè)株式會(huì)社(公開號(hào)US2009/0197171 Al ,US2010/0142121 Al ,US2010/0128415 Al，US7，733，629 B2，申請(qǐng)?zhí)?00580004509.2，申請(qǐng)?zhí)?200580001498.2，申請(qǐng)?zhí)?200680032109.7，申請(qǐng)?zhí)?00680038604.9，申請(qǐng)?zhí)?00680042376.2，申請(qǐng)?zhí)?00680046167.5，申請(qǐng)?zhí)?00680049541.7，申請(qǐng)?zhí)?00710145884.X)有計(jì)劃將鋰離子電容器應(yīng)用于斯巴魯汽車；申請(qǐng)?zhí)枮?00410093962.2的中國(guó)專利報(bào)道了一種高電壓超級(jí)電容器，將負(fù)極材料制成糊狀物涂覆在金屬箔上，經(jīng)干燥、輥壓制成負(fù)極板后，嵌鋰再部分脫鋰化成，與活性炭正極組成超級(jí)電容器，具有約4V的最高工作電壓。申請(qǐng)?zhí)?00810046091.7的中國(guó)專利報(bào)道了一種含有C、Fe和P元素的高電位超級(jí)電容器電極材料，申請(qǐng)?zhí)?01010280801.X的中國(guó)專利報(bào)道了一種磷酸鐵鋰負(fù)載在活性炭作為正極活性物質(zhì)，申請(qǐng)?zhí)?00710035051.8的中國(guó)專利報(bào)道了一種采用鋰離子電池正極材料與超級(jí)電容器電極材料的混合物作為正極活性物質(zhì)，以鋰離子電池負(fù)極材料與超級(jí)電容器電極材料的混合物作為負(fù)極活性物質(zhì)，申請(qǐng)?zhí)?00710035205.3的中國(guó)專利報(bào)道了一種超級(jí)電容電池，正極活性電極材料采用鋰離子嵌入化合物和多孔炭材料的混合物，負(fù)極活性電極材料采用多孔炭材料和石墨類材料的混合物，申請(qǐng)?zhí)枮?00810031490.6的中國(guó)專利報(bào)道了一種兼具超級(jí)電容器與鋰離子電池特征的新型儲(chǔ)能器件及其制造方法，公開號(hào)為CN 1866427 A的中國(guó)專利報(bào)道了一種基于液相中的電化學(xué)活性物質(zhì)的超級(jí)電容器，申請(qǐng)?zhí)?01010592947.8的中國(guó)專利報(bào)道了一種新型水系/有機(jī)系混合型鋰離子電池。
[0007]綜合以上分析可以看出，為了發(fā)揮超級(jí)電容器的功率優(yōu)勢(shì)和鋰離子電池的能量?jī)?yōu)勢(shì)，可以將超級(jí)電容器和電池的雙電源外部組合通過特征材料的內(nèi)部組合來實(shí)現(xiàn)，從而獲得兼具二者特征的混合儲(chǔ)能器件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種混合儲(chǔ)能器件及其制備方法，可以將超級(jí)電容器和電池的雙電源外部組合，通過多孔碳、鈦氧化物和耐高溫隔膜等來實(shí)現(xiàn)內(nèi)部融合，具有超級(jí)電容的雙電層、鋰離子電池的嵌脫鋰混合儲(chǔ)能特性。
[0009]
本發(fā)明技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種混合儲(chǔ)能器件，包括多孔炭正極、鈦氧化物負(fù)極、含鋰電解質(zhì)溶液、由聚酰亞胺纖維膜及其單面附著的填料組成的隔膜;其特征在于其制備方法如下:(I)多孔炭正極制備:多孔炭顆粒，比表面積為1500?2300m2/g的顆粒占多孔炭總質(zhì)量的10?30%;按質(zhì)量比稱取活性炭、導(dǎo)電劑、羧甲基纖維素鈉和丁苯橡膠乳液，加入去離子水混合3?6h，得到漿料，將漿料涂敷在鋁箔上，真空干燥，裁片得到正極片；
(2)隔膜制備:稱取填料，將粘結(jié)劑制成質(zhì)量濃度為20%的溶液，首次將總體積的0.5?2%的粘結(jié)劑溶液與填料混合20?60min，然后將總體積的2%的粘結(jié)劑溶液與填料混合20?60min;將總體積的20%的粘結(jié)劑溶液與填料混合20?60min;將剩余的粘結(jié)劑溶液與填料混合20?60min，然后真空條件下，繼續(xù)混合Ih，加入溶劑，形成固含量為4?30%的分散液。得到的分散液涂敷在厚度為20?SOum的聚酰亞胺纖維膜的單面，去除溶劑，得到隔膜；
(3)鈦負(fù)極制備:按質(zhì)量比稱取鈦氧化物、導(dǎo)電劑和聚偏氟乙烯，加入N-甲基吡咯烷酮攪拌，得到漿料，得到的漿料涂敷在銅箔上，真空干燥，裁片得到負(fù)極片。按照正極片、隔膜和負(fù)極片的順序組合在一起，附著填料顆粒的隔膜面與鈦氧化物電極接觸;注入含鋰電解質(zhì)溶液，封裝，老化，得到混合儲(chǔ)能器件。
[0010]所述的正極活性炭、導(dǎo)電劑、羧甲基纖維素鈉和丁苯橡膠乳液質(zhì)量比為86?90:5?10:1?3:1?3;所述的鈦酸鋰、導(dǎo)電劑和聚偏氟乙烯質(zhì)量比為80?85:10?15:5?8。
[0011]所述的填料包括三氧化二鋁、蒙脫土、二氧化鈦、氧化石墨烯、鈦酸鋇，質(zhì)量為聚酰亞胺纖維膜質(zhì)量的2?40%。
[0012]所述的粘結(jié)劑包括聚偏氟乙烯、六氟丙烯-聚偏氟乙烯共聚物、聚四氟乙烯、羧甲基纖維素鈉、聚氧乙烯、聚乙烯醇，質(zhì)量為填料質(zhì)量的5?20%。
[0013]所述的多孔炭包括活性炭、活性石墨烯、炭氣凝膠、泡沫炭、活性碳纖維、碳納米管中的一種或幾種。
[0014]所述的鈦氧化物包括鈦酸鋰、二氧化鈦及其改性材料。
[0015]本發(fā)明的積極效果可以將超級(jí)電容器和電池的雙電源外部組合，通過多孔碳、鈦氧化物和耐高溫隔膜等來實(shí)現(xiàn)內(nèi)部融合，具有超級(jí)電容的雙電層、鋰離子電池的嵌脫鋰混合儲(chǔ)能特性。本發(fā)明的混合儲(chǔ)能器件制備工藝簡(jiǎn)單，安全性高，易于實(shí)現(xiàn)。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的混合儲(chǔ)能器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1的活性炭正極片的SEM照片。
[0018]圖3是本發(fā)明實(shí)施例1的隔膜附著添加劑顆粒一面的SEM照片。
[0019]圖4是本發(fā)明實(shí)施例1的隔膜未附著添加劑顆粒一面的SEM照片。
[0020]圖5是本發(fā)明實(shí)施例1的鈦酸鋰負(fù)極片的SEM照片。