專利名稱：具有雙極性結構的電化學儲能與能量轉換裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電化學技術領域，特別是涉及一種具有雙極性結構的電化學儲能與能
量轉換裝置。
背景技術：
目前，鋰離子電池以其優(yōu)越的電化學性能及環(huán)境友好性而被廣泛應用于手機、電腦、攝/錄像機、電動工具、電動車輛等領域；電化學電容器以其高功率和長壽命特性而被廣泛應用于后備電源(UPQ、脈沖電源、電網調峰、起動電源和混合動力車等。一般中小型鋰離子電池的正極材料采用鈷酸鋰等具有層狀結構的過渡金屬氧化物，動力鋰離子電池的正極材料采用安全性較高的尖晶石錳酸鋰或橄欖石磷酸鐵鋰，負極材料多采用天然石墨、 人工石墨和焦炭類碳材料。但是鋰離子電池在安全性和工況壽命上存在嚴重問題，而電化學電容器存在比能量不足的問題。鈦酸鋰作為零應變材料，加之相對于碳類材料具有較高的電位(1.5Vvs. Li/Li+)，而顯示出長壽命和較安全的特征，其被認為是良好的動力電池負極材料和電容器材料。鋰離子電池和電化學電容器復合形成的鋰離子電容器具有功率性能好、比能量相對較高和安全長壽命的特點，受到廣泛關注。此外，傳統(tǒng)的鋰離子電池和電化學電容器采用卷繞或疊片制成單體，電壓較低，如鋰離子電池電壓通常為2. 5-5V，有機體系電化學電容器電壓通常為2. 7-3. 2V，為實現高電壓需要把單體進行串聯，可靠性差。發(fā)明CN1710744A公開一種納米電池的制備方法，其特征是正極采用鈷酸鋰，負極采用納米鈦酸鋰制備了膠體鋰離子電池，其主要目的是降低成本。發(fā)明CN101110477公開了一種電化學儲能裝置，其特征是正極采用鋰離子電池材料-三元材料，負極采用鈦酸鋰與活性炭的混合物，實現一種混合儲能裝置，采用傳統(tǒng)疊片結構，提供的是一種低電壓電化學儲能裝置。發(fā)明CN1985400公開了一種雙極性電極電池組，其特征是采用高聚物材料的集流體。此發(fā)明仍然是傳統(tǒng)概念的鋰離子電池。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服現有技術的不足之處，提供一種雙極性結構的內復合式電化學儲能與能量轉換裝置，該裝置具有電壓可調、安全可靠、比能量高、壽命長等特點。本發(fā)明電化學儲能與能量轉換裝置采用如下技術方案一種具有雙極性結構的電化學儲能與能量轉換裝置，包括雙極性電極、隔膜和非水電解質，其特征在于所述雙極性電極集流體的一側為鋰離子電池正極活性材料，含能吸收/放出鋰離子的鋰離子過渡金屬化合物；另一側為電容器負極材料，含氧化還原電位高于1. OV vs. Li/Li+的鋰離子電池活性材料和活性碳的混合物或復合物。而且，所述鋰離子電池正極活性材料為Li (NiCoMn) 02。而且，所述的電容器負極材料為鈦酸鋰和活性碳的混合物/復合物。
而且，所述集流體為鋁箔集流體。
而且，所述隔膜為膠體電解質膜。本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果1、本發(fā)明的負極采用鈦酸鋰與活性碳的組合，既能保證鈦酸鋰作為嵌鋰的活性材料，又能把過充的電量由活性碳以雙電層電容/鋰吸附的形式吸收，具有可大電流密度工作的特性；同時，過充時鋰離子可吸附在活性炭微孔中，不會造成活性金屬鋰的析出而影響此電化學儲能裝置的安全問題，具有電壓可調、能量高、比功率大、安全性好、壽命長等優(yōu)
點ο2、本發(fā)明采用高比容量的Li (NiCoMn)O2，負極采用鈦酸鋰與活性碳的混合/復合物，具有層狀結構的Li (NiCoMn)O2正極材料不但容量大，而且在高電位(4. 8V vs. Li/Li+) 時還能保持良好的可逆性，放熱反應溫度比鈷酸鋰低，具有較好的安全性能。新型負極材料鈦酸鋰的氧化還原電位高(1. 5V vs. Li/Li+)而且充放電時的體積變化小，是理想的長循環(huán)壽命材料，同時也被應用于非對稱電容器領域。


圖1是本發(fā)明的具有雙極性結構的電化學儲能與能量轉換裝置電芯示意圖；圖2是本發(fā)明的具有雙極性結構的電化學儲能與能量轉換裝置的充放電曲線；其中，1-鋰離子電池正極，2-混合/復合負極，3-集流體，4-隔膜，5-極耳。
具體實施例方式下面結合附圖并通過具體實施例對本發(fā)明作進一步詳述，以下實施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍。本發(fā)明列舉的LiNi1/3C0l/3Mni/3A正極活性材料，也可以是Mn含量不超過過渡金屬元素摩爾含量1/2的其他組分的鋰過渡金屬氧化物層狀化合物，但以高Mn低Ni、Co的組分為好，也可摻雜Al、Mg，或Li的摩爾含量在1-1. 2之間的化合物的正極；同時正極用含鋰化合物也可為 LiMn2O4, LiMPO4(M =Fe, Mn，V)等。實施例1 參照附圖1、圖2。一種具有雙極性結構的電化學儲能與能量轉換裝置，包括雙極性電極、隔膜4和非水電解液，其中，雙極性電極由鋁箔集流體3和涂在其一側的包含層狀結構的氧化鎳鈷錳鋰活性材料正極涂層1和另一側的包含鈦酸鋰和活性炭混合物/復合物的負極2構成。1.雙極性極板的制作稱取D50粒徑為8微米的LiNi1/3C0l/3Mni/3A (三元)正極活性材料、粘合劑和導電劑，按93wt%的正極活性材料混合物、聚偏二氟乙烯(PVdF)粘接劑的N-甲基-2-吡咯烷酮 (NMP)溶液并使PVdF的含量為4. 5wt%、作為導電材料的2. 5wt%乙炔黑，混合形成正極混合物，向混合物中加入NMP并用攪拌機制備出糊狀物，然后將此糊狀物均勻地涂到厚度為 20 μ m鋁箔的單面，干燥后的涂敷重量為8mg/cm2。把16. 8% (重量)的活性炭，67. 2% (重量)的平均粒晶為300納米的Li4Ti5O12, (重量)的VGCF、2%的乙炔黑及13% (重量)的PVdF (以NMP的溶液方式加入)制成
糊狀物，然后將此糊狀物均勻地涂到上述鋁箔的另一面(未涂材料側)，再經干燥，涂布重量為12mg/cm2。然后輥壓而制得雙極性極板。
用厚度約為50微米的摻有Al2O3氣溶膠的PVdF多孔膜作隔膜體，使用前充分浸潤電解液使之溶脹。使用的非水電解質為溶有l(wèi)mol/1 LiPF6 &EC+DEC+DMC(體積比1 1 1)的混
合溶劑溶液。2.具有雙極性結構的電化學儲能與能量轉換裝置的裝配把上述雙極板、隔膜間隔疊放，保證正、負極面經隔膜相對，最外側電極分別為單面正極和負極而成電芯，焊好極耳5，經70oC真空干燥后把電芯插入鋁塑復合軟包裝套內， 再補液至無流動電解液，真空封口。本實施例的正負極為三對，如此裝配成軟包裝電池作為電池Al，圖1為本發(fā)明的具有雙極性結構的電化學儲能與能量裝換裝置的電芯的結構示意圖，并按如下方法進行電化學測試。3.充放電測試首先進行了容量測試。充電為CC(恒流)模式；放電同為CC(恒流)模式。即用 IC倍率恒電流充電到10. OV ；放電同樣用IC倍率恒電流放電到2. OV止。用以上方法得到的放電容量作為初始容量，并把放電與充電電量的比作為充放電效率。圖2顯示了 IC充放電曲線。實施例2 正負極為2對，充電截止電壓為6. 5V，放電截止1. 5V，其余與實施例1相同，重復以上試驗，結果記錄在表1中。對比例1 正負極采用雙面涂膜的傳統(tǒng)結構，充電截止電壓為3. 2V，放電截止IV，其余與實施例1相同，重復以上試驗，結果記錄在表1中。表 權利要求
1.一種具有雙極性結構的電化學儲能與能量轉換裝置，包括雙極性電極、隔膜和非水電解質，其特征在于所述雙極性電極集流體的一側為鋰離子電池正極活性材料，含能吸收 /放出鋰離子的鋰離子過渡金屬化合物；另一側為電容器負極材料，含氧化還原電位高于 1. OVvs. Li/Li+的鋰離子電池活性材料和活性碳的混合物或復合物。
2.根據權利要求1所述的具有雙極性結構的電化學儲能與能量轉換裝置，其特征在于所述鋰離子電池正極活性材料為Li (NiCoMn) 02。
3.根據權利要求1所述的具有雙極性結構的電化學儲能與能量轉換裝置，其特征在于所述的電容器負極材料為鈦酸鋰和活性碳的混合物/復合物。
4.根據權利要求1所述的具有雙極性結構的電化學儲能與能量轉換裝置，其特征在于所述集流體為鋁箔集流體。
5.根據權利要求1的具有雙極性結構的電化學儲能與能量轉換裝置，其特征在于所述隔膜為膠體電解質膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有雙極性結構的電化學儲能與能量轉換裝置，包括雙極性電極、隔膜和非水電解液，雙極性電極集流體的一側為鋰離子電池正極活性材料，另一側為電容器負極材料。本發(fā)明的負極采用鈦酸鋰與活性碳的組合，既能保證鈦酸鋰作為嵌鋰的活性材料，又能把過充的電量由活性碳以雙電層電容/鋰吸附的形式吸收，具有大電流密度工作的特性；同時，過充時鋰離子可吸附在活性炭微孔中，不會造成活性金屬鋰的析出而影響此電化學裝置的安全問題，具有電壓可調、能量高、比功率大、安全性好、壽命長等優(yōu)點。
文檔編號H01G9/00GK102201605SQ20101012936
公開日2011年9月28日 申請日期2010年3月22日 優(yōu)先權日2010年3月22日
發(fā)明者劉興江, 楊凱 申請人:中國電子科技集團公司第十八研究所