[发明专利]一种高功率电池型电容器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高功率电池型电容器及其制备方法，该方法采用超声处理将镍锰酸锂/活性炭复合材料与石墨烯/碳纳米管再复合，制备得到三维网络导电结构的3D镍锰酸锂/活性炭复合正极材料，提升锂离子的扩散速率，大幅降低了电容器在充电/放电过程中电阻和极化；采用溶剂热法与高温固相法结合制备多孔纳米花五氧化铌负极材料，多孔纳米花结构可以进一步促进电极中锂离子的快速传输；组装的电池型电容器具有较高的能量密度、功率密度，产品循环性能稳定，可应用于超高功率储能器件领域。

技术领域

本发明属于高功率储能器件领域，具体涉及一种高功率电池型电容器及其制备方法。

背景技术

目前商业化最成熟的两种电化学储能技术，一种是锂离子电池，单体能量密度突破300Wh/kg以上，然而其高功率密度较低，仅为500～1000W/kg，循环寿命最高600次左右；另一种是双电层超级电容器，采用高比表面活性炭作为电极材料，功率密度可达15kW/kg以上，循环寿命达到10000次以上，但能量密度较低，仅为2～7Wh/kg，续航能力差。随着新能源产业的快速发展，对兼具储能装置的功率密度、能量密度、使用寿命等提出了更高的要求，既要求储能装置拥有长续航能力的同时还具备高功率放电能力以及长的循环寿命。因此，兼具能量密度和功率密度的电池型电容器成为人们的研究重点。

无论电池还是超级电容器，提高其能量密度和功率密度的关键在于电极材料的成份和微观纳米结构。当前，超级电容器的电极材料主要采用具有高比表面的碳和/或具有电化学活性的金属氧化物和导电聚合物等材料。此外，部分金属氢氧化物、金属硫化物和混合金属氧化物也被用作超级电容器的电极材料，这些材料虽然都体现出较高的比电容(即电荷存储量)和高能量密度，但它们的功率密度却差强人意，且在高充放电倍率下的能量密度较低。

为此，研究发现镍锰酸锂具有三维锂离子快速传输通道和高电压平台，尤其是空间群结构的材料表现出较高的电子导电性和离子迁移率，因此有望赋予电池或电容器更高的能量密度和功率密度，但是倍率性能较差，过渡金属溶解进入电解质中(特别是在升高温度的条件下)，导致循环性能的恶化。

公开号为CN109741968A的专利公开了基于纳米修饰复合材料电极的混合型超级电容电池及制作，该混合型超级电容电池包括正极片、负极片、隔膜纸、电解液，其中，正极片是将正极浆料涂覆于铝箔上再将其烘干后经辊压而得到的；该正极浆料包含质量比分别为82-88:3-6:5-8:3-5的锰酸镍包覆的褶皱化石墨烯复合材料、石墨烯粉、丁苯橡胶及羧甲基纤维素钠；该复合材料包含褶皱化石墨烯及锰酸镍包覆层，锰酸镍包覆层均匀包覆于褶皱化石墨烯的外表面；该褶皱化石墨烯富含三维褶皱层，表面凹凸不平且片层之间具有一定空隙；其比表面积为1200m²/g以上。该混合型超级电容电池具有能量密度大、功率密度高、倍率特性好、使用寿命长等特点。该方案中材料要求较多，不易控制。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种高功率电池型电容器及其制备方法。

具体是通过以下技术方案来实现的：

一种高功率电池型电容器，包括正极、负极、电解液、介于正负极之间的隔膜；所述正极材料为3D镍锰酸锂/活性炭复合材料，所述负极材料为多孔纳米花五氧化铌，所述电解液为高功率锂离子电解液，所述隔膜为陶瓷隔膜。

所述镍锰酸锂为高电压功率型NCM523。

进一步地，所述3D镍锰酸锂/活性炭复合材料，其制备方法为：先将石墨烯片和多壁碳纳米管通过超声处理分散在无水乙醇和N,N-二甲基甲酰胺二元的共混溶剂中，然后同时添加镍锰酸锂和活性炭继续进行超声处理40min；最后将混合物清洗、过滤并在真空干燥箱中在80℃下干燥后，得到3D镍锰酸锂/活性炭复合材料，即3D NCM/AC复合材料。

所述石墨烯片比表面积为864m²/g，石墨烯片与镍锰酸锂/活性炭复合材料的质量比为2：100-3：100。