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以高富锂Li2NiO2/活性炭为正极的锂离子电容器电化学性能研究

随着传统化学能源的日渐枯竭与环境的恶化,迫使各国大力开发、利用绿色可持续的能源及新能源储能装置。在众多储能元件中,锂离子电池与双电层电容器由于突出的性能优势而受到广泛的关注,并在新能源汽车、轨道交通、重型机械、智能电网以及军事航天等领域得到不同程度的规模化应用。作为一种兼具锂离子电池高能量密度(120~250 W˙h/kg)和双电层电容器高功率特性(10~30 kW/kg)的新型非对称电容器,锂离子电容器不仅在储能材料方面结合了锂离子电池的负极材料和双电层电容器的正极材料,同时还在应用范围上填补了锂离子电池与超级电容器之间的空白。本文以高富锂Li2NiO2/活性炭为正极,软碳为负极,将其组装成300 F软包装锂离子电容器后,在探讨Li2NiO2材料基础性能的基础上对比分析了不同Li2NiO2添加量对锂离子电容器的影响。

创新点及解决的问题

本工作以高富锂金属氧化物Li2NiO2为锂离子电容器用负极锂源,将其与活性物复合组成正极电极,并制备出“无金属锂片”预嵌锂过程的300 F锂离子电容器,考察了金属氧化物Li2NiO2的理化性能与电化学特性、不同Li2NiO2添加量对锂离子电容器样品的电化学性能影响。结果表明,Li2NiO2材料具有398 mA˙h/g的首次不可逆容量,首次放电不可逆率为94.8%。添加15%~20% Li2NiO2的样品在10 A电流下具有大于75%倍率特性以及91%的容量保持率。当Li2NiO2添加量为20%时,样品在1 A条件下具有400 F的容量,15.5 W˙h/kg的能量密度以及11.3 kW/kg的功率密度,是一种制备工艺简单、性能优异的新型锂离子电容器。

文章目录及图文导读

1 实验与表征

1.1 主要原材料

采用商用活性炭(韩国Power carbon Technology企业生产,型号为CEP21KSN)、高富锂镍酸锂Li2NiO2(韩国Skychem企业生产,型号为LNO)作为正极活性物质,商品化软炭(韩国Power carbon Technology 企业生产,型号为PSCAM280)为负极材料,具体性能参数如表1所示。电解液选用江苏国泰超威新材料新萄京娱乐手机版的锂离子电解液(1.2 mol/L LiPF6电解液,溶剂体积比为EC∶EMC∶DMC=1∶1∶1)。

1.2 电极制备与电容器组装

以聚偏氟乙烯(PVDF,美国杜邦企业,型号为105)为黏结剂,将活性物(由活性炭与Li2NiO2组成)、黏结剂(聚偏氟乙烯,PVDF)、导电炭黑(super P)按照质量比为85∶10∶5的比率在真空拌浆机中进行均匀混合,将所得黏度在1800~3500cps的浆料均匀涂覆在腐蚀铝箔上(日本JCC企业生产,厚度为20 μm,纯度³99%),并控制电极厚度为260 μm(含铝箔,双面)。待电极干燥完成后在全自动热滚碾压机(120 ℃)上将电极碾压至(220±2)μm(电极密度为0.78 g/cm3),冲切成75 mm×53 mm的正极电极片。

将软炭、super P、黏结剂(丁苯橡胶,SBR)、分散剂(羟甲基纤维素钠,CMC)按照质量比为90∶6∶2∶2在真空搅拌机内进行均匀混合,通过加入去离子水后调节浆料黏度至(1500±500)cps。将所得的负极浆料均匀涂覆在铜箔上(深圳金品铜业科技新萄京娱乐手机版生产,厚度为9 μm),将电极碾压至(65±2)μm (电极密度为1.1 g/cm3)。后续制备过程与正极实验步骤相同。

将上述复合正极、负极、纤维素隔膜(NKK企业,型号为TF48-40)采用“Z”型叠片方式组装成锂离子电容器用电芯,后将电芯依次进行真空干燥(干燥条件为120 ℃、12 h)、极耳焊接(超声波焊接)、预封装、注液和一次封装处理后即可得到300 F软包装锂离子电容器。样品室温静置12 h后,在0.2 C电流下将其充电至4.1 V稳压10 h(预嵌锂过程)。预嵌锂后,将样品进行二次封装即可得到锂离子电容器样品,并进行后续性能表征与测试。

1.3 结构表征及电化学性能测试

图1 软包装300F锂离子电容器样品

图2 高富锂LNO材料的XRD图

2 结果与讨论

2.1 LNO材料性能表征与测试

图3 高富锂LNO材料的SEM照片

图4 LNO材料的首次充放电曲线

2.2 不同LNO添加量的影响

为探讨不同LNO添加量对锂离子电容器电化学性能的影响情况。在相同负极电极条件下,改变正极活性材料中LNO的添加量,进而研究锂离子电容器用最佳LNO添加量。期间,保持正负电极的涂层厚度、电解液种类及注液量不变。

区别于传统锂离子电容器的预嵌锂方式,本研究中采用不可逆容量高的锂金属氧化物LNO作为负极预嵌锂过程所需锂源。从锂离子电容器样品的首次化成曲线(即为负极材料的首次嵌锂过程,图5)可知,对比无LNO添加量的LIC样品,在3.0~4.2 V为该类型锂离子电容器的主要预嵌锂电位区间,电压变化过程较为缓慢,说明此时主要进行的负极材料内部的SEI膜形成过程,与金属氧化物LNO半电池充放电曲线过程中容量主要集中在3.6~4.2 V过程相一致。该锂离子电容器的预嵌锂过程示意图如图6所示,单体首次充电过程中,正极材料内部的高富锂LNO材料内部的锂离子经过电解液迁移至负极材料内部,促使负极材料表面形成稳定的SEI膜,从而避免了传统LIC制备过程“活泼金属锂片”的使用,最终降低了锂离子电容器工程化制备过程的生产难度与生产成本。

图6 高富锂LNO型锂离子电容器预嵌锂过程示意图

同时,从不同LNO添加量的化成曲线可知,在相同负极材料条件下,添加量在25%时,锂离子电容器具有相同的化成曲线。但当LNO添加量达到30%时,样品的化成曲线在1.5~3.5 V之间出现了“上移”,而3.5~4.2 V之间却出现了“下移”,其原因可能是正极电极中提供的锂源过量,进而使得负极材料嵌锂量过量。

对比不同LNO添加量的样品充放电曲线可知(图7),当LNO添加量大于等于15%时,LIC样品的放电曲线呈线性状态,但无LNO添加时样品则出现较大的电压降(约为0.09 V)。由不同LNO添加量材料的倍率特征曲线可知[图7(b)]:LNO材料的加入不仅使锂离子电容器具有线性特征放电曲线,同时表现出300 F以上的容量(电流为1 A)。当正极无LNO时,尽管该电容器表现出良好的倍率特性(10 A时容量保持率为86.7%),但该电容器仅仅具有150 F左右的容量(电流为1 A)。随着LNO含量的逐渐增加,锂离子电容器样品的容量逐渐增大,当添加量达到20%时,样品在1 A时具有约400 F的放电容量,同时在10 A条件下仍然具有75%的容量保持率。当LNO添加量小于20%时,样品的放电容量仅为300 F,而当LNO添加量大于25%时,样品容量也降至295 F。其原因在于,当LNO添加量小于20%时,由于负极材料内部预嵌锂过程所需锂源不足,进而导致电解液中锂源得以消耗,最终引起样品容量的下降。当LNO添加量大于25%时,相对而言,正极电极中活性炭材料的含量显著降低(正极活性炭含量的多少直接决定锂离子电容器样品的放电容量),最终同样促使电容器容量下降。

图7 不同LNO添加量锂离子电容器样品的电化学性能测试。(a)充放电曲线;(b)倍率性能;(c)内阻值;(d)循环寿命;(e)LIC-20%不同电流下的充放电曲线

此外,从不同LNO添加量样品内阻变化值可知[图7(c)],过低或过高LNO材料的添加都会增大样品在不同电流密度下的直流内阻,其原因在于过低LNO添加时负极电极表面无法形成稳定的SEI膜,使得后续充放电过程存在不同程度的不可逆氧化还原反应,引起样品内阻值的增大;另一方面,当LNO添加过量时,由于金属氧化物的电子导电率远低于活性炭,残留在正极电极内部的LNO将参与后续的充放电反应过程,最终导致电容器内阻的增大。综上可知,LNO添加量在15%~25%之间时样品具有较为稳定的内阻值(约为0.06 Ω)。

此外,图7(d)中,过低或过高的LNO添加量均会对锂离子电容器循环寿命产生重要的影响,添加量过低时(LIC-0%),样品在前4000次循环过程中衰减较快,而当添加过量时(LIC-30%),样品在循环后期出现了“跳水式”衰减。前者主要是由于不稳定的SEI膜引起,后者则是循环充放电过程富余的锂源沉积在负极电极表面[图8(b)],导致正负极微短路,最终引起样品容量的急速衰减。当LNO添加量在15%~25%之间时,在3A条件下,样品具有91%左右的容量保持率。当LNO添加量为20%时,样品在不同电流条件下具有良好的线性充放电曲线[图7(e)],同时还具有15.5 W˙h/kg的能量密度和11.3 kW/kg的功率密度,展现出优异的电化学性能。

结 论

高富锂金属氧化物Li2NiO2材料首次放电过程具有高达398 mA˙h/g的不可逆容量。将其与活性炭按照不同复合比率制成锂离子电容器用复合正极电极后,样品充放电曲线呈线性关系,展示出优异的电化学特性。对比不同金属氧化物Li2NiO2材料的电化学性能可知:添加有15%~20%LNO的复合正极电极在10 A电流下仍具有75%以上容量保持率,且循环10000次后(电流为3A,电压区间为2.2~3.8V)仍具有91%左右的容量保持率。此外,当LNO添加量为20%时,样品在1 A条件下具有400 F的容量,并具有15.5 W˙h/kg的能量密度和11.3 kW/kg的功率密度,展现出良好的电化学性能,是一种工程化制备工艺简单,性能优异的新型锂离子电容器。

原标题:以高富锂Li2NiO2/活性炭为正极的锂离子电容器电化学性能研究


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