CN101442119A - 一种电极材料及包括该材料制作的电极以及包括该电极制作的电化学储能器件 - Google Patents

一种电极材料及包括该材料制作的电极以及包括该电极制作的电化学储能器件 Download PDF

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Abstract

一种电极材料及包括该材料制作的电极以及包括该电极制作的电化学储能器件。钛白粉碱液中超声波处理，洗涤中和，真空干燥得产物1；产物1空气中热处理得产物2；产物1与有机小分子物质交换浸渍，真空干燥，空气中热处理得产物3；产物3氢氧化锂溶液中加热，洗涤，真空干燥，空气中热处理得产物4；产物1在氢氧化锂溶液中加热，洗涤，真空干燥，在空气中热处理得产物5。取产物1、2、3、4、5中的一种或其组合100份，粘结剂10～20份，溶剂10～15份，导电剂1～20份制成电极浆料；再涂布于导电基体材料上构成正电极或负电极。最后制成的电化学储能器件具有低温下可高倍率反复充放电和高功率的技术特性，具有节约成本、安全可靠、循环寿命长的特点。

Description

一种电极材料及包括该材料制作的电极以及包括该电极制作的电化学储能器件
技术领域
本发明涉及一种采用新材料制作、具有新结构的电化学储能器件，可以用作电池，也可以用作不对称电容。
背景技术
目前，市场上电池的种类很多，用途广泛。但现有可反复充放电的电池其问题也很突出：常温下，高倍率反复充电严重损失寿命，不能快速充电；低温下充放电库仑效率很低，经历低温循环后，其容量和快速充放电能力都不能恢复到原来的水平。正、负电极和安全阀设置在同一个平面上，高功率使用时，存在安全隐患。
发明内容
本发明的目的是提出一种电极材料、及包括该材料制作的电极、以及包括该电极制作的电化学储能器件和用途。本发明采用纳米管、纳米线和纳米颗粒材料制作的正、负电极组成的电化学储能器件，能有效解决上述技术问题，具有低温下可高倍率反复充放电和高功率的技术特性。
本发明的技术解决方案是：
一种电极材料，该材料用下述方法制备：
(1.1)将钛白粉在碱液中进行超声波处理，加热，洗涤中和到偏酸性，放置6-9小时，真空干燥得产物1；
(1.2)将产物1在空气中热处理得产物2；将产物1与有机小分子物质交换浸渍数次，真空干燥，在空气中热处理得产物3；将产物3在氢氧化锂溶液中加热，洗涤，真空干燥，在空气中热处理得产物4；将产物1在氢氧化锂溶液中加热，洗涤，真空干燥，在空气中热处理得产物5；
所述产物1、产物2、产物3、产物4或产物5表征为由薄片卷绕形成的两端开口纳米管、或在较高温度下为两端不开口的纳米线、或在高温度下为纳米颗粒。
上述电极材料中，所述钛白粉采用工业级的锐钛矿型或金红石型钛白粉。
上述电极材料中，(1.1)步骤中碱液加热温度为100～200℃；(1.2)步骤中所述有机小分子物质为有机醇类；所述空气中热处理温度均为200～800℃；(1.1)和(1.2)步骤中所述真空干燥加热温度均为60～500℃。
一种包括上述电极材料制作的电极，该电极采用以下重量配比的电极浆料制备：
(4.1)所述产物1、产物2、产物3、产物4、产物5中的一种或其组合，100份；
(4.2)粘结剂PVDF，10～20份；
(4.3)溶剂NMP，10～15份；
(4.4)导电剂，1～20份；
所述导电剂采用碳黑、石墨、碳纤维、碳纳米管中的一种或其组合。
上述电极中，电极浆料采用下述方法制备：将产物1、产物2、产物3、产物4、产物5中的一种或其组合(4.1)放入定量的溶剂NMP(4.3)中分散后成为混合液，将粘结剂PVDF(4.2)放入溶剂NMP(4.3)中搅拌溶解后，依次加入导电剂(4.4)搅拌均匀，加入所述混合液搅拌均匀后过筛。
上述电极采用以下方法制备：将上述电极浆料流延涂布在金属箔上，或流延在塑料薄膜上，将电极膜与塑料薄膜分离后热粘合在金属网上；真空除水后，通过对辊压实后，冲切成各种形状的电极片。所述金属箔采用铝箔、铜箔、不锈钢箔、或铁箔。所述金属网采用铝网、铜网、不锈钢网、铁网、以及铝箔或铜箔上冲孔制成的网其中的一种。
一种包括上述电极制作的电化学储能器件，包括安全阀，其内部结构组成如下：
(7.1)正、负电极配对方式采用以下三种方式之一：
方式1：负电极采用上述电极，正电极浆料流延涂布或热粘合导电基体材料同负电极，但表面涂覆的电极浆料采用层状结构的锂盐；
方式2：正电极采用上述电极，负电极浆料流延涂布或热粘合导电基体材料同正电极，但表面涂覆的电极浆料采用碳、或碳锂复合材料；
方式3：正电极采用上述电极，负电极采用锂片；
(7.2)隔离膜：采用微孔塑料薄膜、或超细玻璃纤维毡；
(7.3)电解液：含锂盐的PC溶液、或含锂盐的PC+PA溶液。
上述电化学储能器件中，所述正电极、负电极的引出端与安全阀不在同一个平面内。电化学储能器件的外表面上设有圆形、方形、矩形、或椭圆形等几何形状的凸台。电化学储能器件上设有1个或2个安全阀。电化学储能器件的外壳材料采用金属、金属类合金、各类塑料、塑料和金属的复合材料(如铝箔、铜箔、或不锈钢箔分别与塑料薄膜复合)中的一种或其组合。
上述电化学储能器件可以用作电池或不对称电容。
本发明的有益效果是：
(1)本发明电极浆料的原料(即产物1、产物2、产物3、产物4和产物5)采用工业级的钛白粉即可制备，而且是新型的纳米级材料，可以大幅节约成本。
(2)本发明电极浆料既可以用于正电极又可以用于负电极，因此具有低温下可高倍率反复充放电和高功率的技术特性。
(3)本发明电极的浆料流延涂布或热粘合导电基体材料相同，可以大幅节约成本。
(4)本发明电化学储能器件中正电极、负电极的引出端与安全阀不在同一个平面内，高功率使用时，安全可靠。
(5)本发明电化学储能器件的外观平面上设有几何形状凸台，可使多个电化学储能器件联接时相互之间留有间隙，有利于器件的散热。
(6)本发明的电化学储能器件具有超长的循环寿命。
附图说明
图1是本发明电化学储能器件的一种实施例的示意图；
图2是本发明电化学储能器件的另一种实施例的示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例来进一步地说明本发明，下述实施例仅用于说明本发明而非对本发明的限制。
实施例1
1、先用下述方法制备电极材料：
(1)将工业级的金红石型钛白粉在碱液中进行超声波处理，加热温度为140℃，洗涤中和到偏酸性，放置8小时左右，真空干燥(加热温度为90℃)得产物1；(2)将产物1在空气中热处理(温度为250℃)得产物2；将产物1与有机醇类如无水乙醇交换浸渍数次，真空干燥(加热温度为400℃)，在空气中热处理(温度为300℃)得产物3；将产物3在氢氧化锂溶液中加热，洗涤，真空干燥(加热温度为130℃)，在空气中热处理(温度为350℃)得产物4；将产物1在氢氧化锂溶液中加热140℃，洗涤，真空干燥(加热温度为90℃)，在空气中热处理(温度为600℃)得产物5。产物1、产物2、产物3、产物4或产物5表征为由薄片卷绕形成的两端开口纳米管、或在较高温度下为两端不开口的纳米线、或在高温度下为纳米颗粒。
2、用上述电极材料采用以下方法制备电极浆料：
选取所述产物1、100份，粘结剂PVDF10份，溶剂NMP12份，导电剂碳纤维20份。
将产物1放入定量的溶剂NMP中分散后成为混合液，将粘结剂PVDF放入溶剂NMP中搅拌溶解后，依次加入导电剂碳纤维搅拌均匀，加入所述混合液搅拌均匀后过筛即可。此时分散用的乙醇自然挥发。
3、再用上述电极浆料采用下述方法制备电极：
将上述电极浆料流延涂布在金属箔上，金属箔可以采用铝箔、铜箔、不锈钢箔、或铁箔；真空除水后，通过对辊压实后，冲切成各种形状的电极片。
4、最后用上述电极制作电化学储能器件，包括安全阀，其内部结构组成如下：
(1)正、负电极配对方式：负电极采用上述电极，正电极其机体材料同负电极，但表面涂覆的电极浆料采用层状结构的锂盐；(2)隔离膜：采用微孔塑料薄膜；(3)电解液：含锂盐的PC+PA溶液。
实施例2
1、先用下述方法制备电极材料：
(1.1)将工业级的锐钛矿型钛白粉在碱液中进行超声波处理，加热温度为200℃，洗涤中和到偏酸性，放置7小时左右，真空干燥(加热温度为90℃)得产物1；(1.2)将产物1在空气中热处理(温度为200℃)得产物2；将产物1与有机醇类如无水乙醇交换浸渍数次，真空干燥(加热温度为380℃)，在空气中热处理(温度为400℃)得产物3；将产物3在氢氧化锂溶液中加热，洗涤，真空干燥(加热温度为300℃)，在空气中热处理(温度为700℃)得产物4；将产物1在氢氧化锂溶液中加热，洗涤，真空干燥(加热温度为500℃)，在空气中热处理(温度为800℃)得产物5。产物1、产物2、产物3、产物4或产物5表征为由薄片卷绕形成的两端开口纳米管、或在较高温度下为两端不开口的纳米线、或在高温度下为纳米颗粒。
2、用上述电极材料采用以下方法制备电极浆料：
选取所述产物2、100份，粘结剂PVDF15份，溶剂NMP15份，导电剂碳黑10份。
将产物2放入定量的溶剂NMP中分散后成为混合液，将粘结剂PVDF放入溶剂NMP中搅拌溶解后，依次加入导电剂碳黑搅拌均匀，加入所述混合液搅拌均匀后过筛即可。
3、再用上述电极浆料采用下述方法制备电极：
将上述电极浆料流延涂布在不锈钢箔金属箔上，真空除水后，通过对辊压实后，冲切成各种形状的电极片。
4、最后用上述电极制作电化学储能器件，包括1个安全阀，其内部结构组成如下：
(1)正、负电极配对方式：正电极采用上述电极，负电极其机体材料同正电极，但表面涂覆的电极浆料采用碳；(2)隔离膜：采用超细玻璃纤维毡；(3)电解液：含锂盐的PC溶液。
实施例3
1、先用下述方法制备电极材料：
(1.1)将工业级的金红石型钛白粉在碱液中进行超声波处理，加热温度为100℃，洗涤中和到偏酸性，放置6小时左右，真空干燥(加热温度为60℃)得产物1；(1.2)将产物1在空气中热处理(温度为350℃)得产物2；将产物1与有机醇类物质交换浸渍数次，真空干燥，在空气中热处理(温度为320℃)得产物3；将产物3在氢氧化锂溶液中加热，洗涤，真空干燥(加热温度为280℃)，在空气中热处理(温度为500℃)得产物4；将产物1在氢氧化锂溶液中加热，洗涤，真空干燥(加热温度为460℃)，在空气中热处理(温度为200℃)得产物5。产物1、产物2、产物3、产物4或产物5表征为由薄片卷绕形成的两端开口纳米管、或在较高温度下为两端不开口的纳米线、或在高温度下为纳米颗粒。
2、用上述电极材料采用以下方法制备电极浆料：
选取所述产物3和产物4共100份，粘结剂PVDF20份，溶剂NMP10份，导电剂石墨2份。
将产物3和产物4放入定量的溶剂NMP中分散后成为混合液，将粘结剂PVDF放入溶剂NMP中搅拌溶解后，依次加入导电剂石墨搅拌均匀，加入所述混合液搅拌均匀后过筛。
3、再用上述电极浆料采用下述方法制备电极：
将上述电极浆料流延在塑料薄膜上，将电极膜与塑料薄膜分离后热粘合在金属网上，金属网采用铝网、铜网、不锈钢网、铁网中的一种，如铜网；真空除水后，通过对辊压实后，冲切成各种形状的电极片。
4、最后用上述电极制作电化学储能器件，包括2个安全阀，其内部结构组成如下：
(1)正、负电极配对方式：正电极采用上述电极，负电极其机体材料同正电极，但表面涂覆的电极浆料采用碳锂复合材料；(2)隔离膜：采用超细玻璃纤维毡；(3)电解液：含锂盐的PC+PA溶液。
实施例4
1、先用下述方法制备电极材料：
(1)将工业级的钛白粉在碱液中进行超声波处理，加热温度为150℃，洗涤中和到偏酸性，放置9小时左右，真空干燥(加热温度为80℃)得产物1；(2)将产物1在空气中热处理(温度为280℃)得产物2；将产物1与有机小分子物质交换浸渍数次，真空干燥(加热温度为200℃)，在空气中热处理(温度为380℃)得产物3；将产物3在氢氧化锂溶液中加热，洗涤，真空干燥(加热温度为180℃)，在空气中热处理(温度为490℃)得产物4；将产物1在氢氧化锂溶液中加热150℃，洗涤，真空干燥(加热温度为80℃)，在空气中热处理(温度为680℃)得产物5。产物1、产物2、产物3、产物4或产物5表征为由薄片卷绕形成的两端开口纳米管、或在较高温度下为两端不开口的纳米线、或在高温度下为纳米颗粒。
2、用上述电极材料采用以下方法制备电极浆料：
选取所述产物5、100份，粘结剂PVDF12份，溶剂NMP13份，导电剂碳纳米管1份。
将产物5放入定量的溶剂NMP中分散后成为混合液，将粘结剂PVDF放入溶剂NMP中搅拌溶解后，依次加入导电剂碳纳米管搅拌均匀，加入所述混合液搅拌均匀后过筛。
3、再用上述电极浆料采用下述方法制备电极：
将上述电极浆料流延在塑料薄膜上，将电极膜与塑料薄膜分离后热粘合在金属网上，金属网采用铝箔或铜箔上冲孔制成的网其中的一种，如铝箔冲压制成的网；真空除水后，通过对辊压实后，冲切成各种形状的电极片。
4、最后用上述电极制作电化学储能器件，包括安全阀，其内部结构组成如下：
(1)正、负电极配对方式：正电极采用上述电极，负电极采用锂片；(2)隔离膜：采用微孔塑料薄膜；(3)电解液：含锂盐的PC溶液。
实施例5
1、先用下述方法制备电极材料：
(1.1)将工业级的锐钛矿型钛白粉在碱液中进行超声波处理，加热温度为160℃，洗涤中和到偏酸性，放置8.5小时左右，真空干燥(加热温度为100℃)得产物1；(1.2)将产物1在空气中热处理(温度为230℃)得产物2；将产物1与有机醇类交换浸渍数次，真空干燥(加热温度为480℃)，在空气中热处理(温度为600℃)得产物3；将产物3在氢氧化锂溶液中加热，洗涤，真空干燥(加热温度为300℃)，在空气中热处理(温度为750℃)得产物4；将产物1在氢氧化锂溶液中加热，洗涤，真空干燥(加热温度为500℃)，在空气中热处理(温度为780℃)得产物5。产物1、产物2、产物3、产物4或产物5表征为由薄片卷绕形成的两端开口纳米管、或在较高温度下为两端不开口的纳米线、或在高温度下为纳米颗粒。
2、用上述电极材料采用以下方法制备电极浆料：
选取所述产物1、产物2和产物5共100份，粘结剂PVDF18份，溶剂NMP14份，导电剂碳黑和碳纤维共10份。
将产物2放入定量的溶剂NMP中分散后成为混合液，将粘结剂PVDF放入溶剂NMP中搅拌溶解后，依次加入导电剂碳黑和碳纤维搅拌均匀，加入所述混合液搅拌均匀后过筛即可。
3、再用上述电极浆料采用下述方法制备电极：
将上述电极浆料流延涂布在铝箔金属箔上，真空除水后，通过对辊压实后，冲切成各种形状的电极片。
4、最后用上述电极制作电化学储能器件，包括1个安全阀，其内部结构组成如下：
(1)正、负电极配对方式：正电极采用上述电极，负电极其机体材料同正电极，但表面涂覆的电极浆料采用碳；(2)隔离膜：采用超细玻璃纤维毡；(3)电解液：含锂盐的PC溶液。
实施例6
选取产物4、100份代替产物1，导电剂采用碳黑和碳纳米管共15份代替导电剂碳纤维。其它与实施例1相同。
实施例7
选取产物3、100份代替产物2，导电剂采用石墨和碳纳米管18份代替导电剂碳黑。其它与实施例2相同。
实施例8
选取产物1、产物2、产物3、产物4和产物5共100份代替产物5，导电剂采用碳黑、石墨和碳纤维15份代替导电剂碳纳米管。其它与实施例4相同。
实施例9
选取产物1、产物2、产物4和产物5共100份代替产物2，导电剂采用石墨和碳纳米管10份代替导电剂碳黑。其它与实施例2相同。
参照图1，采用上述实施例1～9任一制作的电化学储能器件10中，正电极105、负电极104的引出端在同一侧面，与安全阀103不在同一个平面内。电化学储能器件10的外观平面102上设有圆形的凸台101、106。电化学储能器件上设有1个或2个安全阀103。电化学储能器件的外壳材料采用金属、金属类合金、各类塑料、塑料和金属的复合材料(如铝箔、铜箔、或不锈钢箔分别与塑料薄膜复合)中的一种或其组合。
参照图2，采用上述实施例1～9任一制作的电化学储能器件20中，正电极、负电极204的引出端不在同一平面内，且与安全阀203也不在同一个平面内。电化学储能器件20的外观平面202上设有圆形的凸台201、206、207，凸台也可以是方形、矩形、或椭圆形等其它几何形状。电化学储能器件上设有1个或2个安全阀203。
上述电化学储能器件10、20可以用作电池或不对称电容。

Claims (10)

1、一种电极材料，其特征在于，该材料用下述方法制备：
(1.1)将钛白粉在碱液中进行超声波处理，加热，洗涤中和到偏酸性，放置6-9小时，真空干燥得产物1；
(1.2)将产物1在空气中热处理得产物2；将产物1与有机小分子物质交换浸渍数次，真空干燥，在空气中热处理得产物3；将产物3在氢氧化锂溶液中加热，洗涤，真空干燥，在空气中热处理得产物4；将产物1在氢氧化锂溶液中加热，洗涤，真空干燥，在空气中热处理得产物5；
所述产物1、产物2、产物3、产物4或产物5表征为由薄片卷绕形成的两端开口纳米管、或在较高温度下为两端不开口的纳米线、或在高温度下为纳米颗粒。
2、根据权利要求1所述的电极材料，其特征在于，所述钛白粉采用工业级的锐钛矿型或金红石型钛白粉；所述有机小分子物质为有机醇类。
3、根据权利要求1或2所述的电极材料，其特征在于，所述碱液加热温度为100～200℃；所述空气中热处理温度均为200～800℃；所述真空干燥加热温度均为60～500℃。
4、一种包括权利要求1所述电极材料制作的电极，其特征在于，该电极采用以下重量配比的电极浆料制备：
(4.1)所述产物1、产物2、产物3、产物4、产物5中的一种或其组合，100份；
(4.2)粘结剂PVDF，10～20份；
(4.3)溶剂NMP，10～15份；
(4.4)导电剂，1～20份；
所述导电剂采用碳黑、石墨、碳纤维、碳纳米管中的一种或其组合。
5、根据权利要求4所述的电极，其特征在于，该电极浆料采用下述方法制备：
将产物1、产物2、产物3、产物4、产物5中的一种或其组合(4.1)放入定量的溶剂NMP(4.3)中分散后成为混合液，将粘结剂PVDF(4.2)放入溶剂NMP(4.3)中搅拌溶解后，依次加入导电剂(4.4)搅拌均匀，加入所述混合液搅拌均匀后过筛。
6、根据权利要求5所述的电极，其特征在于，该电极采用下述方法制备：
将上述电极浆料流延涂布在金属箔上，或流延在塑料薄膜上，将电极膜与塑料薄膜分离后热粘合在金属网上；真空除水后，通过对辊压实后，冲切成各种形状的电极片；
所述金属箔采用铝箔、铜箔、不锈钢箔、或铁箔；所述金属网采用铝网、铜网、不锈钢网、铁网、以及铝箔或铜箔上冲孔制成的网其中的一种。
7、一种包括权利要求4所述电极制作的电化学储能器件，包括安全阀，其特征在于，其内部结构组成如下：
(7.1)正、负电极配对方式采用以下三种方式之一：
方式1：负电极采用上述电极，正电极浆料流延涂布或热粘合导电基体材料同负电极，但表面涂覆的电极浆料采用层状结构的锂盐；
方式2：正电极采用上述电极，负电极浆料流延涂布或热粘合导电基体材料同正电极，但表面涂覆的电极浆料采用碳、或碳锂复合材料；
方式3：正电极采用上述电极，负电极采用锂片；
(7.2)隔离膜：采用微孔塑料薄膜、或超细玻璃纤维毡；
(7.3)电解液：含锂盐的PC溶液、或含锂盐的PC+PA溶液。
8、根据权利要求7所述的电化学储能器件，其特征在于，电化学储能器件上设有1个或2个安全阀；所述正电极、负电极的引出端与安全阀不在同一个平面内。
9、根据权利要求7或8所述的电化学储能器件，其特征在于，电化学储能器件的外表面上设有圆形、方形、矩形、或椭圆形的凸台；电化学储能器件的外壳材料采用金属、金属类合金、各类塑料、塑料和金属的复合材料中的一种或其组合。
10、根据权利要求7所述的电化学储能器件的用途，其特征在于，该电化学储能器件用作电池或不对称电容。
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CNA200810246634XA Pending CN101442119A (zh) 2008-12-29 2008-12-29 一种电极材料及包括该材料制作的电极以及包括该电极制作的电化学储能器件

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112133883A (zh) * 2020-09-24 2020-12-25 湖南省凯纳方科技有限公司 一种多孔结构锂电池负极电极及制备方法

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PB01 Publication
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Open date: 20090527