鋰離子電容器負極單元、電芯及鋰離子電容器的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種鋰離子電容器負極單元、電芯及鋰離子電容器，屬于鋰離子電容器技術領域。本實用新型的鋰離子電容器負極單元包括負極片，所述負極片兩側設置有鋰帶，所述鋰帶上設置有沿鋰帶厚度方向延伸的通孔。本實用新型的鋰離子電容器負極單元將負極片兩側設置鋰帶，鋰帶的作用為在電解液的作用下同負極活性物質發生電化學反應，降低負極電位，為負極儲備鋰。鋰帶上設置通孔，使電解液與鋰帶之間的接觸更加充分，促進鋰帶與負極之間的反應更加充分。
【專利說明】
鋰離子電容器負極單元、電芯及鋰離子電容器
技術領域
[0001] 本實用新型涉及一種鋰離子電容器負極單元、電芯及鋰離子電容器，屬于鋰離子 電容器技術領域。
【背景技術】
[0002] 鋰離子電容器是一種新型儲能器件，與鋰離子電池相比，鋰離子電容器的能量密 度遠高于鋰電池，鋰離子電容器的充電放電速度更快，充放電循環次數可達幾十萬次，遠遠 高于鋰離子電池，而且鋰離子電容器的安全性也更高，其工作電壓可以與鋰離子電池相媲 美。因此，鋰離子電容器在越來越多的領域得到了廣泛的應用，如在太陽能發電、風力發電、 電動汽車、不間斷電源系統(UPS)、建設工程電梯等領域中，鋰離子電容器都展現了很好的 應用前景。但是，由于離子電容器雙電層原理的作用，其能量密度較低。
[0003] 授權公告號為CN204360933U(授權公告日為2015年5月27日）公開了一種超級鋰離 子電容器，包括正極、負極、隔膜和電解液，正極包括第一集流體和設置于第一集流體表面 的活性碳層，所述負極包括第二集流體和設置于所述第二集流體表面的硬碳層，所述隔膜 設置在所述正極與所述負極之間，以使所述正極與所述負極電絕緣，所述電解液與所述正 極和負極物理接觸和電接觸，以允許離子在所述正極與所述負極間交換，所述超級鋰離子 電容器還包括鋰片層，所述鋰片層位于所述硬碳層與所述隔膜之間且設置在所述硬碳層表 面。在鋰離子電容器注液后，鋰片層能夠向負極補鋰，使負極片有較為充分的鋰儲備，在一 定程度上提高鋰離子電容器的能量密度。但是該技術方案中，鋰片層與電解液接觸不充分， 無法高效地使鋰與負極充分反應，在提高鋰離子電容器的能量密度方面作用非常有限，而 且也造成鋰片層的浪費。 【實用新型內容】
[0004] 本實用新型的目的在于提供一種能夠提高鋰離子電容器能量密度的鋰離子電容 器負極單元。本實用新型的目的還在于提供使用上述鋰離子電容器負極單元的電芯以及使 用該電芯的鋰離子電容器。
[0005] 為了實現以上目的，本實用新型的鋰離子電容器負極單元的技術方案如下：
[0006] -種鋰離子電容器負極單元，包括負極片和設置在負極片兩側的鋰帶，所述鋰帶 上設置有在鋰帶上沿鋰帶厚度方向延伸的通孔。
[0007] 本實用新型的鋰離子電容器負極單元將負極片兩側設置鋰帶，鋰帶的作用為在電 解液的作用下同負極活性物質發生電化學反應，降低負極電位，為負極儲備鋰。鋰帶上設置 通孔作為電解液通道，使電解液與鋰帶之間的接觸更加充分，促進鋰帶與負極之間的反應 更加充分。
[0008] 所述通孔的形狀為圓孔、方孔或者不規則孔。該通孔的孔徑為0.2-100mm，進一步 優選為〇. 5_10mm。
[0009] 鋰帶的厚度根據具體的負極片的厚度及負極補鋰的需求量來設定，一般的，鋰帶 的厚度為1-lOOwn，進一步優選為3-30M1。
[0010] 所述負極片包括負極集流體和涂覆在負極集流體表面的負極活性物質層，所述鋰 帶的面積小于負極片上的負極活性物質層的面積。
[0011] 所述負極集流體為表面處理銅箱，所述表面處理銅箱為表面涂覆有導電涂層的銅 箱或者為表面經過等離子處理的銅箱或者為表面經過腐蝕的銅箱。銅箱采用現有技術中常 用的銅箱，其厚度一般為5-30M1，進一步優選為6-20WI1。
[0012] 上述導電涂層由粘結劑和導電劑混合組成，粘結劑為PVDF、PTFE、SBR中的任意一 種，導電劑為炭黑、碳纖維、石墨烯中的任意一種。該導電涂層能夠進一步提高集流體與負 極活性物質之間的導電性。
[0013] 所述負極活性物質為石墨、硬碳、軟碳、中間相碳微球中的一種或幾種。石墨的D50 為2-60_，進一步優選5-30M1，克容量為300-345mAh/g。軟炭的D50為2-60M1，進一步優選為 5-25_。硬碳的D50為3-55M1，進一步優選為5-15wii。中間相炭微球D50為2-55_，進一步優 選為 5_25iim〇
[0014] 所述負極單元是將鋰帶與負極片疊放后壓合制得。所述壓合的壓力為2_40MPa。
[0015] 本實用新型的電芯的技術方案如下：
[0016] 一種電芯，包括正極片和隔膜，還包括負極單元，所述正極片、負極單元依次交替 設置，相鄰的正極片和負極單元之間設置有隔膜，所述負極單元為上述的鋰離子電容器負 極單元。
[0017] 所述電芯為卷繞式電芯，所述卷繞式電芯最外層為隔膜，隔膜內側為負極單元。
[0018] 所述電芯中，負極活性物質層的寬度比正極活性物質成的寬度大l-8mm，負極活性 物質層在長度方向上比正極活性物質層長〇.5-4mm，隔膜兩端比負極片上的負極活性物質 層兩端長0.5_4mm。
[0019]所述正極片包括正極集流體和涂覆在正極集流體表面的正極活性物質層，所述正 極活性物質層為活性炭。活性炭的粒徑D50為5-40M，進一步優選為10-15M，克容量為65-120F/g，比表面積為 500-4000m2/g。
[0020]所述正極集流體為表面處理鋁箱，所述表面處理鋁箱為表面涂覆有導電涂層的鋁 箱或者為表面經過等離子處理的鋁箱或者為表面經過腐蝕的鋁箱。鋁箱采用現有技術中常 用的鋁，其厚度一般為10-40M1，進一步優選為15-30M1。
[0021] 上述導電涂層由粘結劑和導電劑混合組成，粘結劑為PVDF、PTFE、SBR中的任意一 種，導電劑為炭黑、碳纖維、石墨烯中的任意一種。該導電涂層能夠進一步提高集流體與正 極活性物質之間的導電性。
[0022]本實用新型的鋰離子電容器的技術方案如下：
[0023] 一種鋰離子電容器，使用上述電芯。
[0024] 本實用新型的鋰離子電容器采用上述鋰離子電容器負極單元，促進了電解液與鋰 帶之間的接觸，提高了鋰帶與負極活性物質之間的反應，使負極充分補鋰，大幅度提高了鋰 離子電容器的能量密度。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本實用新型的實施例1的電芯的結構示意圖；
[0026]圖2為圖1的局部放大圖；
[0027]圖3為圖1中鋰帶的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0028] 下面結合具體實施例對本實用新型的技術方案進行進一步的說明。
[0029] 實施例1
[0030] 如圖1-3所示，本實施例的鋰離子電容器負極單元包括負極片13,負極片包括負極 集流體和涂覆在負極集流體兩個表面的負極活性物質層13a，負極片兩面的負極活性物質 層上均設置有鋰帶14,鋰帶的面積略小于對應的負極活性物質層的面積，鋰帶的厚度為10y m，鋰帶上設置有電解液通道，該電解液通道為沿鋰帶厚度方向延伸的圓形通孔15,以使電 解液能夠與鋰帶充分接觸，圓形通孔的孔徑為5mm。
[0031]負極片上的負極活性物質層為石墨，石墨的粒度D50為lOwn，克容量320mAh/g;負 極集流體為表面處理銅箱，該表面處理銅箱為表面涂覆有導電涂層的銅箱，導電涂層的主 要成分為導電劑與粘結劑的混合物，導電劑為炭黑，粘結劑為PVDF，銅箱的厚度為1 2mi。
[0032]本實施例的鋰離子電容器負極單元采用如下方法制得:將上述負極片與鋰帶疊 放，采用20MPa的壓力進行壓合，即得。
[0033] 本實施例的電芯包括正極片12、隔膜11以及上述負極單元，所述正極片、負極單元 依次交替設置，相鄰的正極片和負極單元之間設置有隔膜，即正極片、負極單元、隔膜按照 "隔膜-正極片-隔膜-負極單元-隔膜-正極片…"的順序重復設置。本實施例的電芯為卷繞 式電芯，最內層為半圈隔膜以及設置在隔膜外側的半圈負極單元，最外層為一圈隔膜以及 設置在隔膜內側的一圈負極單元。隔膜為聚丙烯隔膜，厚度為28wii。
[0034]正極片包括正極集流體和涂覆在正極集流體表面的正極活性物質層12a，正極活 性物質層為活性炭，活性炭的粒徑D50為12mi，克容量為100F/g，比表面積1000m2/g;正極集 流體為表面處理鋁箱，該表面處理鋁箱為表面涂覆有導電涂層的鋁箱，導電涂層的主要成 分為導電劑與粘結劑的混合物，導電劑為炭黑，粘結劑為PVDF，鋁箱的厚度為20mi。
[0035] 該卷繞式電芯中，負極活性物質層的寬度比正極活性物質層的寬度大5mm，負極活 性物質層兩端均比對應的正極活性物質層兩端長2.5mm，負極片上負極活性物質層的寬度 比鋰帶的寬度大4mm，隔膜的寬度比負極片的寬度大4mm，隔膜兩端比負極片兩端長2mm。
[0036] 本實施例的鋰離子電容器使用上述電芯。
[0037] 實施例2
[0038]本實施例的鋰離子電容器負極單元包括負極片，負極片包括負極集流體和涂覆在 負極集流體兩個表面的負極活性物質層，負極片兩面的負極活性物質層上均設置有鋰帶， 鋰帶的面積略小于對應的負極活性物質層的面積，鋰帶的厚度為3WH，鋰帶上設置有電解液 通道，該電解液通道為沿鋰帶厚度方向延伸的圓形通孔，以使電解液能夠與鋰帶充分接觸， 圓形通孔的孔徑為1_。
[0039]負極片上的負極活性物質層為硬碳，硬碳的粒度D50為5mi;負極集流體為表面處 理銅箱，該表面處理銅箱為表面涂覆有導電涂層的銅箱，導電涂層的主要成分為導電劑與 粘結劑的混合物，導電劑為碳纖維，粘結劑為PTFE，銅箱的厚度為20mi。
[0040]本實施例的鋰離子電容器負極單元采用如下方法制得:將上述負極片與鋰帶疊 放，采用lOMPa的壓力進行壓合，即得。
[0041]本實施例的電芯包括正極片、隔膜以及上述負極單元，所述正極片、負極單元依次 交替設置，相鄰的正極片和負極單元之間設置有隔膜，即正極片、負極單元、隔膜按照"隔 膜-正極片-隔膜-負極單元-隔膜-正極片…"的順序重復設置。本實施例的電芯為卷繞式電 芯，最內層為半圈隔膜以及設置在隔膜外側的半圈負極單元，最外層為一圈隔膜以及設置 在隔膜內側的一圈負極單元。隔膜為聚乙烯與聚丙烯雙層復合隔膜，厚度為38mi。
[0042]正極片包括正極集流體和涂覆在正極集流體表面的正極活性物質層，正極活性物 質層為活性炭，活性炭的粒徑D50為35wii，克容量為70F/g，比表面積3500m2/g;正極集流體 為表面處理鋁箱，該表面處理鋁箱為表面涂覆有導電涂層的鋁箱，導電涂層的主要成分為 導電劑與粘結劑的混合物，導電劑為碳纖維，粘結劑為PTFE，鋁箱的厚度為1 2mi。
[0043]該卷繞式電芯中，負極活性物質層的寬度比正極活性物質層的寬度大2mm，負極活 性物質層兩端均比對應的正極活性物質層兩端長1mm，負極片上負極活性物質層的寬度比 鋰帶的寬度大2_，隔膜的寬度比負極片的寬度大2_，隔膜兩端比負極片兩端長1_。
[0044] 本實施例的鋰離子電容器使用上述電芯。
[0045] 實施例3
[0046] 本實施例的鋰離子電容器負極單元包括負極片，負極片包括負極集流體和涂覆在 負極集流體兩個表面的負極活性物質層，負極片兩面的負極活性物質層上均設置有鋰帶， 鋰帶的面積略小于對應的負極活性物質層的面積，鋰帶的厚度為30wn，鋰帶上設置有電解 液通道，該電解液通道為沿鋰帶厚度方向延伸的圓形通孔，以使電解液能夠與鋰帶充分接 觸，圓形通孔的孔徑為8_。
[0047]負極片上的負極活性物質層為軟碳，軟碳的粒度D50為20mi;負極集流體為表面處 理銅箱，該表面處理銅箱為表面涂覆有導電涂層的銅箱，導電涂層的主要成分為導電劑與 粘結劑的混合物，導電劑為石墨稀，粘結劑為S B R，銅箱的厚度為8 ym。
[0048]本實施例的鋰離子電容器負極單元采用如下方法制得:將上述負極片與鋰帶疊 放，采用40MPa的壓力進行壓合，即得。
[0049]本實施例的電芯包括正極片、隔膜以及上述負極單元，所述正極片、負極單元依次 交替設置，相鄰的正極片和負極單元之間設置有隔膜，即正極片、負極單元、隔膜按照"隔 膜-正極片-隔膜-負極單元-隔膜-正極片…"的順序重復設置。本實施例的電芯為卷繞式電 芯，最內層為半圈隔膜以及設置在隔膜外側的半圈負極單元，最外層為一圈隔膜以及設置 在隔膜內側的一圈負極單元。隔膜為纖維素隔膜，厚度為15mi。
[0050]正極片包括正極集流體和涂覆在正極集流體表面的正極活性物質層，正極活性物 質層為活性炭，活性炭的粒徑D50為8mi，克容量為120F/g，比表面積600m2/g;正極集流體為 表面處理鋁箱，該表面處理鋁箱為表面涂覆有導電涂層的鋁箱，導電涂層的主要成分為導 電劑與粘結劑的混合物，導電劑為石墨烯，粘結劑為SBR，鋁箱的厚度為30mi。
[0051]該卷繞式電芯中，負極活性物質層的寬度比正極活性物質層的寬度大8mm，負極活 性物質層兩端均比對應的正極活性物質層兩端長4mm，負極片上負極活性物質層的寬度比 鋰帶的寬度大6_，隔膜的寬度比負極片的寬度大4_，隔膜兩端比負極片兩端長2_。
[0052] 本實施例的鋰離子電容器使用上述電芯。
[0053] 實施例4
[0054]本實施例的鋰離子電容器負極單元包括負極片，負極片包括負極集流體和涂覆在 負極集流體兩個表面的負極活性物質層，負極片兩面的負極活性物質層上均設置有鋰帶， 鋰帶的面積略小于對應的負極活性物質層的面積，鋰帶的厚度為30wn，鋰帶上設置有電解 液通道，該電解液通道為沿鋰帶厚度方向延伸的方形通孔，以使電解液能夠與鋰帶充分接 觸。
[0055]負極片上的負極活性物質層為硬碳，粒度D50為50wn;負極集流體為表面處理銅 箱，該表面處理銅箱為表面經過等離子體轟擊的銅箱，銅箱的厚度為8mi。
[0056]本實施例的鋰離子電容器負極單元采用如下方法制得:將上述負極片與鋰帶疊 放，采用40MPa的壓力進行壓合，即得。
[0057]本實施例的電芯包括正極片、隔膜以及上述負極單元，所述正極片、負極單元依次 交替設置，相鄰的正極片和負極單元之間設置有隔膜，即正極片、負極單元、隔膜按照"隔 膜-正極片-隔膜-負極單元-隔膜-正極片…"的順序重復設置。本實施例的電芯為疊片式電 芯，疊片式電芯兩側最外層均為隔膜以及設置在隔膜內側的負極單元。隔膜為聚乙烯隔膜， 厚度為32um。
[0058]正極片包括正極集流體和涂覆在正極集流體表面的正極活性物質層，正極活性物 質層為活性炭，活性炭的粒徑D50為5mi，克容量為120F/g，比表面積600m2/g;正極集流體為 表面處理鋁箱，該表面處理鋁箱為表面涂覆有導電涂層的鋁箱，導電涂層的主要成分為導 電劑與粘結劑的混合物，導電劑為石墨烯，粘結劑為PVDF，鋁箱的厚度為38mi。
[0059]該電芯中，負極活性物質層的寬度比正極活性物質層的寬度大6mm，負極活性物質 層兩端均比對應的正極活性物質層兩端長3mm，負極片上負極活性物質層的寬度比鋰帶的 寬度大4_，隔膜的寬度比負極片的寬度大4_，隔膜兩端比負極片兩端長2_。
[0060] 本實施例的鋰離子電容器使用上述電芯。
[0061] 上述實施例，最終統一制作為容量約1000F的鋰離子電容器單體，測得各實施例中 鋰離子電容器性能如表1所示：
[0062] 表1實施例1-4的鋰離子電容器的電化學性能
[0065]使用本實用新型的鋰離子電容器負極單元制得的鋰離子電容器能量密度較高，達 到了 28.9-30.2Wh/kg。
【主權項】
1. 一種鋰離子電容器負極單元，包括負極片，其特征在于，所述負極片兩側設置有鋰 帶，所述鋰帶上設置有沿鋰帶厚度方向延伸的通孔。2. 如權利要求1所述的鋰離子電容器負極單元，其特征在于，所述通孔的形狀為圓孔、 方孔或者不規則孔。3. 如權利要求1所述的鋰離子電容器負極單元，其特征在于，所述負極片包括負極集流 體和涂覆在負極集流體表面的負極活性物質層，所述鋰帶的面積小于負極片上的負極活性 物質層的面積。4. 如權利要求3所述的鋰離子電容器負極單元，其特征在于，所述負極集流體為表面處 理銅箱，所述表面處理銅箱包括銅箱和涂覆在銅箱表面的導電涂層。5. -種電芯，包括正極片和隔膜，其特征在于，還包括負極單元，所述正極片、負極單元 依次交替設置，相鄰的正極片和負極單元之間設置有隔膜，所述負極單元為權利要求1-4任 意一項所述的鋰離子電容器負極單元。6. 如權利要求5所述的電芯，其特征在于，所述電芯為卷繞式電芯，所述卷繞式電芯最 外層為隔膜，隔膜內側為負極單元。7. -種鋰離子電容器，其特征在于，使用如權利要求5所述的電芯。
【文檔編號】H01G11/06GK205452051SQ201521038941
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2015年12月11日
【發明人】李少軍, 李洪濤, 周志勇, 平麗娜, 潘文成
【申請人】中航鋰電（洛陽）有限公司