CN101710537B - 一种超级电容器用电极及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超级电容器用电极及其制造方法，包括浆料制备、浆料涂敷、预处理电极的烘干和碾压。浆料由电极活性物质、导电剂、粘结剂和水混合并搅拌均匀，以控制浆料粘度值的方式得到。浆料以喷涂的方式涂敷于集流体上即为预处理电极，将预处理电极在干燥设备中除去水分，并碾压至某一厚度即为本发明制备的超级电容器用电极。本发明工艺流程简单，生产成本低，环境污染小，适合在更广泛温、湿度范围的作业环境加工，特别适于制造均一性高的高面密度电极，以此电极组装的超级电容器电化学性能优异。

Description

一种超级电容器用电极及其制造方法
技术领域
本发明属于电化学储能元器件领域，特别是涉及一种电化学超级电容器用电极及其制造方法。
背景技术
随着全球化石能源危机日益显现和全球气候显著变化，发展循环经济愈来愈受到重视，高效、节能、环保的高科技领域已成为世界各国竞相占领的高地，其中现阶段表现最突出也最亟待解决的当属能源问题。目前主要被开发的能源形式有风能、太阳能和核能等。在所有能源形式的开发利用中，能量储存和转换装置都扮演着重要角色，其中最重要的是二次电池(如锂离子电池)和超级电容器。和二次电池相比，超级电容器的显著优势是具有极高的功率密度和超长的循环寿命，特别适合用作启动电源，因此在世界能源开发的浪潮中超级电容器逐渐扮演起重要角色，尤其在电动交通工具、大中型移动电子终端和超大型装备中的重要性越来越明显。
超级电容器的电化学性能主要取决于电极和电解液的性质，而目前电解液的质量已达到了较高的水平。就目前发展水平看，电极中活性物质的涂敷主要有三种方式，即：辊涂、碾涂和喷涂，其中辊涂和碾涂较成熟，喷涂在能量转换装置中的应用是正处于研发阶段的一种涂敷方式。辊涂是将粘附于辊上的活性物质浆料通过辊与集流体之间预留的缝隙将活性物质浆料涂敷到集流体上，这种涂敷方式不适于涂敷太薄和太厚的电极，太薄的电极受限于浆料中团聚的活性物质颗粒尺寸限制，太厚则受限于浆料的流动性限制，因此，涂敷太薄和太厚的电极都存在设备上的缺陷，且该涂敷方式制作的电极厚度偏差较大，超过设计厚度的8％以上。碾涂是首先将活性物质浆料、导电剂和粘结剂通过干法混合制作成具有一定粘性的干电极层，然后将干电极层在辊压机中直接碾压到集流体上，该电极制作方法的优点是电极制作过程中不会引进其他杂质，也适于制作不同厚度的电极，且电极性能优异，但是这种涂敷方式也存在电极厚度偏差大的缺点，厚度偏差超过设计厚度的3％以上。而喷涂则是首先将高粘度的浆料雾化，然后将浆料沉积于集流体上，该涂敷方式既适于制作超薄的电极也适于制作超厚的电极，均不存在设备上的缺陷，而且这种涂敷方式最主要的优点是电极厚度偏差小，一般不超过设计厚度的0.5％，优势非常明显。
由于电极厚度的均一性会影响超级电容器的诸多电化学性能，而喷涂在电极厚度和电极均一性方面具有独特优势，因此该涂敷方式将有明显的应用前景。
发明内容
针对现有技术中的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提出一种环境污染小、生产成本低、适于加工超薄和超厚电极且电极厚度均一性高的电极制造方法，以提高超级电容器的电化学性能。
一种超级电容器用电极的制造方法，包括如下步骤：
浆料制备，将粘结剂加入一定量的去离子水中搅拌，直至粘结剂充分溶解并且液体粘度值不随时间的延长而发生改变；再将混合均匀的活性物质和导电剂加入到配制好的液体中充分搅拌，直至浆料的粘度值不随时间的延长而发生改变；
浆料涂敷，将上述制备好的浆料转移至密闭容器中雾化并喷涂于集流体上，成为预处理电极；
烘干，将预处理电极放置于干燥箱中烘烤除去其中的水分；
碾压，将除去水分后的预处理极片碾压至一定厚度。
其中，所述浆料配制中所需水的量由浆料粘度决定，浆料动力粘度值介于14000～19000mPa·s。
其中，所述浆料中各固体物质质量百分比分别为：活性物质65～90％，导电剂8～20％，粘结剂5～15％。
其中，所述电极活性物质为活性炭、尖晶石锰酸锂或橄榄石型磷酸铁锂中的一种或几种。
其中，所述导电剂为石墨、导电炭黑或碳纳米管中的一种或几种。
其中，所述粘结剂为聚丙烯腈或丁苯橡胶和羟甲基纤维素。
其中，所述水为去离子水或纯水，电导率小于0.1μS/cm。
其中，所述集流体为铝箔或铜箔。
其中，所述浆料通过压力、气体或声波雾化后以喷涂的方式涂敷于集流体上。
由于采用了以上的技术方案，本发明所具有的有益效果是：
1、本技术采用喷涂工艺，生产工艺流程简单。预处理电极烘干过程中仅仅是把其中的水分除去，对环境没任何污染。
2、活性物质浆料采用水溶性体系，电极加工时对作业环境的温、湿度要求不严格。
3、本技术既适于加工超薄的电极也适于加工超厚的电极，且无论超薄还是超厚的电极，电极厚度均一性高。保证了以此电极制作的超级电容器的优良的电化学性能。
具体实施方式
下面结合优选的实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：
首先称取15份重量以固含量计的粘结剂(丁苯橡胶和羟甲基纤维素的水乳液)加入一定量的去离子水中，高速剪切搅拌6小时。加入20份重量球磨干混4小时的导电剂(8份重量碳纳米管，8份重量石墨，4份重量超级导电炭黑)，再充分高速剪切搅拌3小时。再加入65份重量的活性炭充分剪切搅拌6小时，控制浆料粘度14000μS/cm，之后将浆料喷涂至40微米厚的铝箔上。再在110℃高温烘箱中烘烤24小时。将该电极组装成对称型2.7V 150F超级电容器。
实施例2：
首先称取12份重量以固含量计的粘结剂(聚丙烯腈水乳液)加入一定量的去离子水中，高速剪切搅拌4小时。加入15份重量球磨干混4小时后的导电剂(6份重量碳纳米管，6份重量石墨，3份重量超级导电炭黑)，再充分高速剪切搅拌3小时。再加入73份重量的活性炭高速剪切搅拌6小时，控制浆料粘度17000μS/cm，之后将浆料喷涂至40微米厚的铝箔上。再在110℃高温烘箱中烘烤24小时。将该电极组装成对称型2.7V 150F超级电容器。
实施例3：
首先称取10份重量以固含量计的粘结剂(聚丙烯腈水乳液)加入一定量的去离子水中，充分高速剪切搅拌4小时。加入9份重量球磨干混4小时的导电剂(4份重量碳纳米管，3份重量石墨，2份重量超级导电炭黑)，再充分高速剪切搅拌3小时。加入81份重量的活性炭充分搅拌6小时，控制浆料粘度18500μS/cm，之后将浆料喷涂至40微米厚的铝箔上。在110℃高温烘箱中烘烤24小时。将该电极组装成对称型2.7V 150F超级电容器。
实施例4：
首先称取9份重量以固含量计的粘结剂(丁苯橡胶和羟甲基纤维素的水乳液)加入一定量的去离子水中，充分高速剪切搅拌4小时。加入5份重量球磨干混4小时的导电剂(3份重量石墨，2份重量超级导电炭黑)，再充分高速剪切搅拌3小时。再加入86份重量的活性炭充分搅拌6小时，控制浆料粘度19000μS/cm，之后将浆料喷涂至40微米厚的铝箔上。在110℃高温烘箱中烘烤24小时。将电极组装成对称型2.7V 150F超级电容器。
实施例5：
首先称取5份重量以固含量计的粘结剂(聚丙烯腈水乳液)加入一定量的去离子水中，充分高速剪切搅拌4小时。加入5份重量球磨干混4小时的导电剂(5份重量超级导电炭黑)，再充分高速剪切搅拌3小时。再加入90份重量的尖晶石锰酸锂充分搅拌6小时，控制浆料粘度17500μS/cm，之后将浆料喷涂至40微米厚的铝箔上。以上述实施例3中浆料的制作过程将浆料喷涂到铜箔上，再将电极在110℃高温烘箱中烘烤24小时。将这两种电极组装成不对称型2.7V150F电化学超级电容器。
实施例6：
首先称取7份重量以固含量计的粘结剂(丁苯橡胶和羟甲基纤维素的水乳液)加入一定量的去离子水中，充分高速剪切搅拌6小时。加入5份重量球磨干混4小时的导电剂(3份重量碳纳米管，2份重量超级导电炭黑)，再充分高速剪切搅拌3小时。再加入88份重量的橄榄石型磷酸亚铁锂充分搅拌6小时，控制浆料粘度18000μS/cm，之后将浆料喷涂至40微米厚的铝箔上。在110℃高温烘箱中烘烤24小时。以上述实施例3中浆料的制作过程将浆料喷涂到铜箔上，再将电极在110℃高温烘箱中烘烤24小时。将这两种电极组装成不对称型2.7V 150F电化学超级电容器。
以上实施例中制备的2.7V 150F超级电容器的电极参数和超级电容器电化学性能如下表：
表 不同实施例中电极参数及其超级电容器电化学性能表
Figure G2009102001629D00041
从上表可以看出，电极面密度可达到较高，几乎是目前超级电容器电极面密度的两倍，电极厚度偏差较小，均小于0.4％，在容量相同的情况下，内阻有较小，高温负荷寿命性能指标均明显提高，超级电容器单体一致性好，整体性能较高。
本说明书中所述的只是本发明的几种较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种超级电容器用电极的制造方法，其特征在于包括如下步骤：
浆料制备，将粘结剂加入一定量的去离子水中搅拌，直至粘结剂充分溶解并且液体粘度值不随时间的延长而发生改变；再将混合均匀的活性物质和导电剂加入到配制好的液体中充分搅拌，直至浆料的粘度值不随时间的延长而发生改变；
浆料涂敷，将上述制备好的浆料转移至密闭容器中雾化并喷涂于集流体上，成为预处理电极；
烘干，将预处理电极放置于干燥箱中烘烤除去其中的水分；
碾压，将除去水分后的预处理电极碾压至一定厚度。
2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于所述浆料制备中所需水的量由浆料粘度决定，浆料动力粘度值介于14000～19000mPa·s。
3.如权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于所述浆料通过压力、气体或声波雾化后以喷涂的方式涂敷于集流体上。
4.如权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于所述浆料中各固体物质质量百分比分别为：活性物质65～86％，导电剂8～20％，粘结剂5～15％。
5.如权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于所述活性物质为活性炭、尖晶石锰酸锂或橄榄石型磷酸铁锂中的一种或几种。
6.如权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于所述导电剂为石墨、导电炭黑或碳纳米管中的一种或几种。
7.如权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于所述粘结剂为聚丙烯腈，或丁苯橡胶和羟甲基纤维素。
8.如权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于所述水为去离子水，电导率小于0.1μS/cm。
9.如权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于所述集流体为铝箔或铜箔。
10.一种使用权利要求1-9之一所用的方法制造的超级电容器用电极。
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