[发明专利]一种具有交错分布式内并联结构的储能器件

说明书

技术领域

本发明属于超级电容器以及二次电池领域，具体涉及一种由超级电容器单元和锂离子电池单元构成的具有交错分布式内并联结构的储能器件。

背景技术

近年来，一次能源的枯竭以及环境污染日益成为社会迫切关注的问题，因此各种节能技术以及二次能源的利用也受到了人们的广泛关注。超级电容器是一种介于传统静电电容器和二次电池之间的新型储能器件，拥有着二次电池无法达到的功率密度，但是能量密度偏低。锂离子电池作为一种新型的二次电池，其高能量密度的优点也使其在手机、笔记本电脑等领域得到了广泛的应用，但是由于其材料本身的限制使得锂离子电池功率密度偏低。为了克服上述问题，研究者们提出了将超级电容器与锂离子电池电极进行结合的混合型超级电容器结构。其中代表性的工作是：Amatucci等人（Amatucci G.G.,et al.,An asymmetric hybrid nonaqueous energy storage cell,J.Electrochem.Soc.,148,A930-A939,2001）采用纳米钛酸锂为负极，活性炭为正极，以1.5M的LiPF6/AN为电解液体系组装出混合型锂离子电容器，其能量密度达20Wh kg^-1,在10C倍率下充放电容量保持率达90%。

从上述混合型超级电容器的结构可以看出，这类电容器正极或负极均采用独立的电容器材料或者锂离子电池材料，可以看做是电池极与电容极通过内串联方式相结合组成的储能结构。但是，Cericola等人（Cericola D.,et al.，Hybridization of electrochemical capacitors and rechargeable batteries:Anexperimental analysis of the different possible approaches utilizing activatedcarbon,Li₄Ti₅O₁₂ and LiMn₂O₄,J.Power.Sour.,196,10395-10313,2011）的研究表明，内串联型的混合电容器结构在功率密度上受电池极材料的限制，而在能量密度上受电容极材料的限制。最终的结果是采用这种内串联结构组装的混合型电容器能量密度比双电层电容器稍高，但是功率密度仅与电池相当，并没有明显的改善效果。

此外，内串联型混合超级电容器在正负极匹配中存在这样一个问题：由于锂离子电池材料的容量要远高于电容器活性炭材料，根据电量守恒原则进行正负极匹配时就要求活性炭侧电极质量约是锂离子电池材料的3-5倍。目前锂离子电池以及超级电容器的电极生产工艺主要是以涂布技术为主，锂离子电池材料的涂布面密度一般在20mg cm^-2左右，根据匹配要求活性炭电极侧涂布面密度需要达到60-100mg cm^-2，这一面密度数据在目前活性炭电极涂布工艺中是很难达到的。高面密度活性炭电极需要采用覆膜工艺进行制备，但是目前的覆膜工艺（美国Maxwell技术）难度很高，虽然做出来的超级电容器性能更优越，但是生产成本以及技术瓶颈使得覆膜工艺的应用受到了较大的限制。