[发明专利]一种钛酸锂基化学电源

说明书

技术领域

本发明涉及化学电源领域，特别地涉及一种钛酸锂基化学电源。 

背景技术

钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)是一种新型的锂离子电池负极材料，它最大的特点就是“零应变性”。所谓“零应变性”是指其晶体在嵌入或脱出锂离子时晶格常数和体积变化都很小。在充放电循环中，这种“零应变性”能够避免由于电极材料的来回伸缩而导致结构的破坏，从而提高了电极的循环寿命，减少循环带来的比容量衰减，也具有非常好的耐过充、过放特征；所以钛酸锂也是一种优异的电池材料和混合型超级电容器的负极材料。从理论上讲钛酸锂可具有3万次以上的寿命，但由于受正极材料循环寿命和电解液技术的限制，以钛酸锂为负极的化学电源器件循环寿命远远低于30000次，最高在6000次左右。 

炭材料负极锂离子化学电源，一般采用负极过量正极限容的设计方式，这是因为，如果负极限容正极过量，正极多余的锂离子会在负极表面析出，形成锂枝晶，造成短路等恶性事故。而钛酸锂负极，由于嵌锂电位较高，正极过量时，多余的锂离子不会发生在钛酸锂负极表面析出形成锂枝晶，而正极过量时，器件在100%的放电深度（DOD）循环，锂离子嵌入化合物正极材料处于低于100%DOD的循环，一定程度上提高循环寿命。 

此外，目前锂离子电池和锂离子电容器所用的电解液，溶剂大多为碳酸乙烯酯和线性碳酸酯组成，溶质为LiPF₆或LiAsF₆，该种电解液特点为技术成熟，非常适合用于碳基锂离子电池和碳基锂离子电容器，但该类电解液电导率较低，一般在10mS/cm左右；乙腈(CH₃CN）为强极性溶剂，与碳酸酯类溶剂相比可提高电解液的电导率，CH₃CN已被成功用于不产生固体电解质界面（SEI）膜的电化学体系，钛酸锂作为负极材料，SEI膜不产生，电解液可以用CH₃CN作为溶剂；但由于LiPF₆、LiAsF₆和LiBF₄在CH₃CN溶解度较低，一般在2M以下，而LiNO₃在CH₃CN溶解度较高，饱和浓度为7M，可获得较高的电导率；同时LiNO₃成本较低、纯化简单、对水不敏感，用于做溶质，可降低化学电源的成本和工艺要求。 

    而超级电容器（Supercapacitor）是介于传统电容器与电池之间的一种新型电化学储能器件。其一，相比传统电容器，超级电容器有着更高的能量密度；其二，相比电池，超级电容器有着较高的功率密度和更好的循环寿命。 

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明提出一种钛酸锂基化学电源，用钛酸锂和超级电容器内部混合制作的化学电源，结合了电池和超级电容器的优点，使得该化学电源既具有高的能量密度，又具有优良的大倍率放电特性。 

本发明提出一种钛酸锂基化学电源，由正极，负极，隔膜和电解液组成，其特征在于，所述正极和负极分别由活性物质材料和集流体组成；其中负极活性物质为钛酸锂，正极活性物质容量过量，且正极与负极活性物质的容量之比在1.1：1~4：1之间。 

其中，所述正极的活性物质为锂离子嵌入化合物，或锂离子嵌入化合物和双电层电容器材料混合物。 

其中，所述电解液由溶质和溶剂组成，溶剂为乙腈（CH₃CN），溶质为硝酸锂（LiNO₃），溶质浓度为0.8～6.0M，优选浓度为1.0～3.0M。 

其中，所述锂离子嵌入化合物是锰酸锂，镍钴锰酸锂或磷酸铁锂之一。 

其中，所述双电层电容器材料是活性炭、石墨烯、炭纳米管和炭气凝胶中的一种或几种。 

其中，所述隔膜包括聚乙烯微孔膜、聚丙烯微孔膜、复合膜、无机陶瓷膜或纸隔膜。 

本发明的钛酸锂基化学电源，不仅大倍率充放电性能优，而且循环寿命长，具有高安全和良好的循环性能，使得该种化学电源具有更宽的应用领域。 

具体实施方式

下面结合具体实施例详细说明本发明的技术方案。 

表1中实施例1-12的制作方法如下：