[发明专利]金属导电材料用作镧离子混合超级电容器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种金属导电材料用作镧离子混合超级电容器负极和镧离子混合超级电容器及其制备方法，涉及电化学储能器件领域。能够与镧离子合金化的金属、合金或金属复合物同时作为负极活性材料和负极集流体在镧离子混合超级电容器中的应用。镧离子混合超级电容器结构负极为能够与镧离子合金化的金属、合金或金属复合物；正极活性材料为能够可逆地吸附、脱附阴离子的碳材料；电解液包括镧盐和非水溶剂。本发明缓解了锂离子混合超级电容器成本高、有毒害、能量密度低的缺陷，本发明的镧离子的混合超级电容器采用与镧可以成合金的金属材料作为负极，碳材料作为正极材料，镧离子作为活性载流子，电容器结构简单、成本低，具有高能量密度和高比电容。

技术领域

本发明涉及电化学储能器件技术领域，具体而言，涉及一种金属导电材料用作镧离子混合超级电容器负极和镧离子混合超级电容器及其制备方法。

背景技术

超级电容器拥有超高的功率密度（10kw/kg）和10万次以上的循环寿命，然而其能量密度较差（5wh/kg），远不及二次锂离子电池；而锂离子电池的功率密度较低，循环次数较少。如果能将两者优点结合在一种能量存储设备上，就能实现优势互补，会极大地提高现有器件的能量存储能力。在此背景下，结合了超级电容器高功率密度、长循环寿命和二次离子电池高能量密度等优点的新型储能体系—混合超级电容器顺势而生。

目前，混合超级电容器的活性离子通常为锂离子，并有两种构型，一种采用锂离子电池正极（如钴酸锂、磷酸铁锂、三元等）材料，大比表面积的活性炭和介孔碳等电容器负极材料；另一种采用锂离子电池负极材料（如Li₂TiO₃，石墨、金属氧化物等），具有大比表面积的活性炭或者介孔碳等电容器正极材料。例如，发明专利（CN1632893A）中介绍了一种混合超级电容器，其以高比表面积的活性炭或者介孔碳为正极，Li_8x/(x+4)Ti_8/(x+4)O₄或一元或多元其他金属元素掺杂的化合物为负极；发明专利（CN103227056）中介绍了另一种混合超级电容器，其以磷酸铁锂和石墨的混合材料为正极（锂离子电池正极），石墨和活性炭的混合材料为负极（超级电容器负极）。但是采用钛酸锂以及金属氧化物作为混合超级电容器负极活性物质，会遇到生产工艺复杂、对环境污染严重、生产成本高昂的缺点。而采用石墨类材料作为混合超级电容器负极材料，虽然其制备成本低、储量大，但是石墨的比容量低、压实小，限制了混合超级电容器能量密度的提升。同时上述混合超级电容器不可避免的使用含锂材料，而锂具有自然丰度低及高度活泼的特点，使得上述混合超级电容器造价高昂且安全性能差。

因此，开发一种能量密度高、制造成本低、安全的新型储能器件是当前业内的研究重点。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种能够与电解液中镧离子合金化的金属、合金或金属复合物同时作为负极活性材料和负极集流体在镧离子混合超级电容器中的应用，直接将金属、合金或金属复合物用作镧离子混合超级电容器的负极，充当负极活性材料和负极集流体双重作用，不仅降低自重，而且金属负极和镧离子的合金化/去合金化反应可以提供更高的容量和能量密度；且合金化反应可避免枝晶产生，提高安全性能。

本发明的目的之二在于提供一种镧离子混合超级电容器，该混合超级电容器以成本低廉、储量丰富的镧离子作为储能介质，负极采用可以和镧发生合金化反应的金属材料，作为负极活性材料和集流体，通过金属材料和镧的合金化反应提供更高的容量和更高的能量密度；正极为具有大比表面积的含碳材料；正负极材料均储量丰富、易于获得、且环境友好。采用三价的镧离子为活性载流子，每摩尔的镧离子反应可以提供三倍于锂离子的电量；通过镧离子与负极的合金化反应以及正极材料对阴离子的吸、脱附实现存储能量，是一种具有高能量密度和高比电容的电容器。

本发明的目的之三在于提供一种镧离子混合超级电容器的制备方法，利用所述负极、电解液、隔膜、正极进行镧离子超级电容器的组装，制备方法简单。