超级电容器和锂离子电池新型材料

摘要：采用LiCoO2+AC（活性炭）作为超级电容器的正极材料、AC 为负极材料，采用锂离子
电池电解液LB-315 组装成超级电容器，研究了以上锂离子电池材料对超级电容器电化学性能
的影响。研究结果表明，LiCoO2+AC 电极中LiCoO2 与AC 最佳质量比为4︰1，其在电流密度
为3 mA/cm2 进行充放电性能实验时，首次放电比容量为235.0 F/g，经过1 000 次循环后，衰减
到204.1 F/g，具有较好的循环性能。AC/LiCoO2+AC 超级电容器较AC/AC 超级电容器的自放电
性能有所改善。
关键词：超级电容器；活性炭；锂离子电池材料

随着人们环境保护意识的日渐增强，对绿色能源的渴求越来越迫切。

锂离子电池以其工作电压高，体积小、质量轻、比能量高、无记忆效应、
无污染、自放电小，循环寿命长等优点，成为目前所有电池产品中最有
前途的体系之一。目前商品锂离子电池所用的锂盐为 LiPF

6

。LiPF

6

易水

解且热稳定性不好，与大气的水分或溶剂的残余水接触时，会立即形
成氢氟酸 HF，对电池的性能有不利的影响；而且，LiPF

6

通常与碳酸

乙烯酯（EC）合用配成电解液才能在负极形成有效 SEI 膜，但是 EC 的
熔点较高（37

℃），这限制了电池的低温使用性能。

双草酸硼酸锂（LiBOB）是一种新型的锂盐，具有很好的成膜性能

和热稳定性，是一种很有潜力替代现有商品化锂盐 LiPF

6

的物质。本文

创造性地采用固相反应法合成了 LiBOB，并对反应过程进行了动力学
和热力学分析；研究了所得 LiBOB 的基本性质，将其配制成电解液，
研究了 LiBOB 在各种正极材料和石墨负极材料中的应用情况；考察了
LiBOB 的独特成膜性能，研究 LiBOB-PC 基电解液体系在锂离子电池
中的应用性能；测定了不同 LiBOB 电解液的电导率，并引入了质量三
角形模型对 LiBOB 电解液的电导率进行预报计算；采用密度泛函理论
分析了 LiBOB 的分子结构与其物理化学性能之间的关系。此外，还研究
了亚硫酸酯类物质在锂离子电池中的应用。

已有的 LiBOB 合成方法都是在溶液体系中制备，其中采用草酸、氢

氧化锂和硼酸在水相中制备 LiBOB 较具优势，但是，此种合成方式比
较复杂，反应过程不好控制。在此基础上，本研究提出了一种崭新的
LiBOB 合成方法   固相反应法， TG/DTA 曲线表明固相反应合成
LiBOB 经历五个不同的温度段，结合原料草酸、氢氧化锂和硼酸的热重
曲线和 XRD 分析，推测了各温度段发生的化学反应。结合不同温度下
合成产物的红外光谱图和 XRD 谱图，进一步验证了 TG/DTA 的分析结
果。分别采用非等温多重速率扫描法和 XRD 法分析了整个固相反应合
成的速控步骤，分析表明，草酸和草酸氢锂在 80～140

℃左右释放出结

晶水，并且发生熔化，有利于反应物的扩散和充分接触，是合成高质
量 LiBOB 的关键，同时也采用密度泛函理论对 LiBOB 的合成反应进行
了热力学分析。通过上述分析，最终得到固相反应合成 LiBOB 的最佳工
艺条件为：将草酸、硼酸、氢氧化锂以摩尔比 2:1:1 混合均匀，在 80～