CN103093969A - 一种全程无污染的含有电解液盐的电极制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种全程无污染的含有电解液盐的电极制造方法。在电极生产过程中没有任何水或者溶剂的引入，从而能最大程度上保证电极材料的纯度，提高电化学器件的性能；在所有的全自动粉体输送过程中管道内壁均为高稳定性、高耐磨性无机非金属材料，避免由于电极粉体材料与金属接触造成污染。在所有的包括粉体处理和膜处理的过程中，电极材料与金属全程无接触。此外，在电极制造过程中把电解液盐均匀分布到电极中，而在后续注液过程中只注入电解液溶剂，避免了电解液盐结晶的问题。同时，注液后电解液溶剂在溶解电解液盐的过程中在电极内部形成了高速离子运动通道，大大提高电化学储能器件的功率密度。

Description

一种全程无污染的含有电解液盐的电极制造方法
技术领域
本发明涉及一种全程无污染的含有电解液盐的电极制造方法。 
背景技术
随着我国动力电源产业的发展，对电化学储能器件的需求量越来越大，对其性能要求也越来越高。而具体的储能器件例如燃料电池、锂离子电池、锂离子电容和超级电容器等也取得了一定的进步。但随着对电化学储能器件的不断发展一些技术难题不断出现，成为制约其发展的技术瓶颈。这些问题包括：能量密度提升、等效串联内阻降低、循环寿命增加、电极材料/电解液的相容性问题等。 
影响单个器件性能的最关键的还是器件的核心-电极，电极制作方法及配方是所有电化学储能器件生产企业的核心技术。即使微量的杂质在电化学储能器件工作时也会对其性能产生很大的影响。例如一些溶剂或者水分子电场的作用下会分解产生气体影响器件的；含有硫元素或者氯元素的杂质会腐蚀集流体；一些金属杂质例如含有铁元素的杂质会大大增加器件的漏电流和自放电等；上述这些杂质都会影响电化学器件的容量、内阻和循环性能等重要参数。因此电极的材料的纯度、均匀性和加工工艺至关重要。 
目前在电极制造的原材料上纯度已经得到了很大的提高，例如超级电容器的活性炭电极材料中铁元素含量已经做到3ppm以下、所有杂质含量不高于20ppm，超级电容器电解液中铁离子含量也降低到1ppm以下、硫酸根含量降到5ppm以下、氯离子含量降到1ppm以下。然而目前超级电容器的生产工艺，尤其是电极的生产工艺往往会引入杂质而使得电极纯度大幅下降。 
国内外大多数电化学储能器件生产厂家的电极制造技术采用基于溶剂的涂布式电极生产方法，该生产方法均使用粘结剂溶液或乳液将所有粉料制作成浆料，再进行涂布成膜、干燥、压实处理。这种制造方法由于引进其他溶剂进入电极活性材料的微孔机构中很难在后道工序完全去除而或多或少的留下溶剂残留。同时，涂布电极在浆料的制备过程中需要长时间的搅拌，在搅拌过程中浆料运动与桨叶及容器的运动摩擦也容易引入金属或者油污杂质等。 
目前国外有少数企业采用干法电极成型技术。其技术路线是用干法V型混粉机对活性物质、导电剂和粘结剂混粉，然后利用高压气流对混合粉料中的粘结剂进行纤维化，再对纤维化好的混合粉料碾压成活性物质膜，最后直接复合在预处理过的集流体上形成电极，其与电极活性物质接触表面大多为金属部件如不锈钢或硬铬等。然而此种方法电极成型过程引入很多高速度、高压力、高温度的电极活性物质与设备的相对运动，非常大的摩擦力与剪切力容易使活性物质中引入金属杂质。 
此外，目前所有的电极制造方法形成的电极后主要成分都是电极活性物质、导电剂和粘结剂的混合物，在后续的把电极组装成电化学储能器件的过程中都需要注入电解液。电解液由电解液盐和溶剂组成，而传统电化学储能器件的溶剂例如碳酸丙烯酯和乙腈等挥发性很强，那么在真空注液的过程中电解液盐十分溶液结晶导致堵塞注液管路、弄脏手套箱等问题。 
发明内容
针对上述目前电化学储能器件加工工艺容易引入杂质的缺点，本发明需要解决的技术问题是提供一种全程无污染的电极制造方法，在电极加工工程没有任何水或者溶剂的引入从而最大程度的保证材料的纯度。同时，本发明一种全程无污染的电极制造方法，由于在电极制造过程之中电极活性物质全程不与金属接触，从而大大降低了金属污染的概率。 
针对上述电化学储能器件注液工序容易产生电解液盐结晶的问题，本发明需要解决的技术问题是提供一种含有电解液盐的电极制造方法，在电极制造过程中把电解液盐均匀分布到电极中，而在后续注液过程中只注入电解液溶剂，避免了电解液盐结晶的问题。同时，注液后电解液溶剂在溶解电解液盐的过程中在电极内部形成了高速离子运动通道，大大提高电化学储能器件的功率密度。 
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案： 
一种全程无污染的含有电解液盐的电极制造方法，包括以下步骤：
（1）将活性物质、导电剂、粘结剂和电解液盐粉料通过定量计量输送设备输送至混合机进行混粉，混粉时用氮气保护控制水分含量；其中所有输送管道均为高稳定性、高耐磨性非金属管道或者具有高稳定性、高耐磨性非金属衬里；混粉机为内部结构简单无高速桨叶等运动部件，具有高稳定性、高耐磨性非金属衬里；活性物质、导电剂、粘结剂和电解液盐四者的质量比分别为58-97%、1-40%、1-40%和1-40%。
（2）将步骤（1）中混合好的粉体通过定量给料机输送到低温粉碎机中进行粉碎，粉碎机由旋转分级轮控制出料，得到均匀分布的活性物质、导电剂和粘结剂的粉体混合物；其中所有输送管道均为高稳定性、高耐磨性非金属管道或者具有高稳定性、高耐磨性非金属衬里；低温粉碎机中内部所有表面均覆有高稳定性、高耐磨性非金属涂层。 
（3）将步骤（2）中粉碎处理过的粉体混合物通过定量给料机输送到双螺杆挤出机或者开炼机形成片材，然后将片材送入具有加热功能的两辊或者多辊压延机进行压延，得到达到目标厚度的电极膜并收卷；其中双螺杆挤出机、开炼机和压延机与混粉混合物接触部分全部为高稳定性、高耐磨性、高硬度的非金属材料。 
（4）采用金属箔、金属网或者导电高分子薄膜作为电极的集流体，对集流体预处理，然后在预处理过的集流体上印刷含有热塑性粘结剂的水性或溶剂型导电胶，最后烘干并收卷。 
（5）将两卷步骤（3）中得到的电极膜与一卷步骤（4）中的印刷好的集流体在加热复合机上进行三层复合定型并收卷，复合后的半成品电极具有电极膜/集流体/电极膜的三明治结构；加热复合机与电极膜物接触部分为高稳定性、高耐磨性、高硬度的非金属材料制成。 
（6）将步骤（5）中复合好的半成品电极使用冷轧机进行冷轧处理提高压实密度，形成成品电极；冷轧机表面为高稳定性、高耐磨性、高硬度的非金属材料。 
所述活性物质为锂离子电池使用的含锂元素的正极粉体材料、锂离子电池负极使用的改性天然石墨粉体材料、锂离子电池负极使用的改性人造石墨粉体材料、锂离子电池负极使用的碳微球粉体材料、硬碳粉体材料、燃料电池材料、超级电容器用活性炭粉体材料、超级电容器用碳纤维粉体材料、超级电容器用碳纳米管粉体材料、超级电容器用石墨烯粉体材料、超级电容器用导电聚合物材料、超级电容器用过度金属氧化物材料、锂离子电容器用含锂负极材料的一种。 
所述粘结剂为聚甲基丙烯酸粉体、聚甲基丙烯酸甲酯粉体、聚四氟乙烯粉体、聚乙烯吡咯烷酮或聚偏二氟乙烯粉体中的一种；所述粘结剂分子量为100万到2000万。 
所述导电剂为导电石墨、导电碳黑或导电科琴黑的一种或几种。 
所述电解液盐为LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3、TEABF4、TEMABF4、SBPBF4和PSPBF4等电池用或超级电容器用电解液盐的一种或几种，所述电解液盐粉体D50小于1微米。 
所述步骤（3）中双螺杆挤出机具有高剪切力并且具有自动控温功能，温度控制在所述步骤（1）中所用粘结剂的熔点之下。开炼机自动控温将温度控制在所述步骤（1）中所用粘结剂的熔点之下。压延机具有两辊或者多辊，所有辊轮的加热温度依次递减并且全部控制在所述步骤（1）中所用粘结剂的软化温度和熔点之间；相邻的两辊具有一定的速比1：1-1：1.2。 
所述步骤（4）中集流体为铜箔、铝箔、镍箔或导电高分子薄膜中的一种。预处理为清洗、化学腐蚀、电化学腐蚀或电晕中的一种或几种。导电胶为含有热塑性粘结剂水性或者溶剂性导电胶。 
所述步骤（5）中复合温度控制在步骤（4）中导电胶含有的热塑性粘结剂软化温度和熔点之间。 
所述步骤（6）中使用的冷轧机具有强压力，线压力大于200kg/cm。 
本发明的优点是： 
一种全程无污染的含有电解液盐的电极制造方法，生产过程中没有任何水或者溶剂的引入，从而能最大程度上保证电极材料的纯度，提高电化学器件的性能。
一种全程无污染的含有电解液盐的电极制造方法，在所有的全自动粉体输送过程中管道内壁均为高稳定性、高耐磨性无机非金属材料，避免由于电极粉体材料与金属接触造成污染。 
一种全程无污染的含有电解液盐的电极制造方法，其中一些先进粉体机械和橡胶加工机械的采用大大提高了成品电极的均匀性和工艺路线的高效性。在所有的包括粉体处理和膜处理的过程中，电极材料与金属全程无接触。 
一种全程无污染的含有电解液盐的电极制造方法，在电极制造过程中把电解液盐均匀分布到电极中，而在后续注液过程中只注入电解液溶剂，避免了电解液盐结晶的问题。同时，注液后电解液溶剂在溶解电解液盐的过程中在电极内部形成了高速离子运动通道，大大提高电化学储能器件的功率密度。 
附图说明
图1为本发明具体实例超级电容器电极的生产工艺流程图。 
图2为发明方法制造的超级电容器的电化学性能图。 
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例（实例1）和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。 
 如图1所示，一种全程无污染的超级电容器电极制造方法，包括以下步骤： 
（1）选取美国EnerG2公司的V2系列活性炭、特密高公司的Super P Li导电剂、杜邦公司的聚四氟乙烯粘结剂、新宙帮公司的TEABF4电解液盐，通过定量计量输送到三维混合机中混粉20分钟；四种粉体质量比为70：5：5：20；输送管道为高耐磨聚四氟乙烯管道；三维混合机开口法兰和腔体内壁为高耐磨聚酰亚胺涂层，内部无机械运动部件；混粉工作时内部有氮气保护。
（2）将步骤（1）中混合好的粉体通过聚四氟乙烯定量给料机输送到低温机械粉碎机中，进行粉碎得到颗粒均匀分布的粉体混合物；低温粉碎机腔体内壁和机械运动部件表面均有高耐磨聚酰亚胺涂层。 
（3）将步骤（2）中粉碎处理过的粉体通过聚四氟乙烯定量给料机输送到开炼机上形成厚度为500微米的片材，温度为60摄氏度；开炼机辊轮基材为冷硬铸铁，表面喷涂高硬度高耐磨碳化钨涂层。 
（4）将步骤（3）中开炼好的片材利用三辊压延机在80到120摄氏度热压成型，成型后电极膜厚度为120微米；压延机辊轮基材为九铬二钼材质，表面喷涂高硬度高耐磨碳化钨涂层。 
（5）采用20微米厚的铝箔作为集流体，对铝箔进行电晕处理，然后再铝箔上双面印刷导电胶并烘干，单面印刷厚度为5微米。 
（6）将两卷步骤（4）中压延成型的电极膜与一卷步骤（5）中印刷导电胶的铝箔进行三层复合，复合后半成品电极具有电极膜/铝箔/电极膜的三明治结构。复合温度为120摄氏度，复合后电极厚度约为250微米。 
（7）将步骤（6）中的半成品电极使用冷轧机以300kg/cm的线压力进行冷轧处理，形成成品电极，成品电极厚度约为230微米；冷轧机辊轮基材为冷硬铸铁，表面喷涂高硬度高耐磨碳化钨涂层。 
利用传统的湿法工艺无法制造含有电解液盐的电极，为了体现本发明的先进性，特利用传统湿法涂布工艺按照制备了活性炭、导电剂和粘结剂比例为90：5：5的配方制备了超级电容器电极（传统1），以及按照本发明实例的配方，利用传统干法工艺采用不锈钢粉体输送管道、不锈钢混合机械部件、表面为冷硬铸铁镀、合金或者硬铬材质的辊轮进行开炼、压延和冷轧的传统干法工艺制备了超级电容器电极（传统2），并与本发明实例1制备的超级电容器电极进行杂质元素分析和电化学性能对比。 
主要杂质分析对比如表1所示，可以看出传统1电极S和Cl元素杂质明显高于干法电极，而传统2电极由于电极材料与金属的接触造成了金属污染，本发明实例1制备的电极杂质含量明显优于传统方法，能有效的提高电化学储能器件的性能。 
杂质元素 实例1 传统1 传统2
Fe 3.6ppm 7.9ppm 10.7ppm
Cr 1.3ppm 1.7ppm 3.2ppm
S 1.2ppm 8.6ppm 1.0ppm
Cl 0.8ppm 4.7ppm 1.3ppm
制备的三种电极厚度均为230微米，裁成1×2平方厘米的片材，组装成超级电容器采用Arbin充放电设备进行电化学性能测试。测试结果由图2所示，在0.05A电流的充放电条件测试下，湿法制被的传统1电极由于具有更多的活性炭材料而具有1.39F的容量，大于实例1和传统2的容量，如果按照实例1和传统2非房中70%活性炭计算，传统1的折算容量为1.08F，略大于传统2而小于实例1。在内阻方面由于本发明实例1的电极纯度高没有副反应远远小于其他两种方法制备的传统1电极和传统2电极。电化学测试证明了本发明的先进性。 

Claims (9)

1.一种全程无污染的含有电解液盐的电极制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将活性物质、导电剂、粘结剂和电解液盐粉料通过定量计量输送设备输送至混合机进行混粉，混粉时用氮气保护控制水分含量，低速混粉；活性物质、导电剂、粘结剂和电解液盐四者的质量比分别为58-97%、1-40%、1-40%和1-40%；
（2）将步骤（1）中混合好的粉体通过定量给料机输送到低温粉碎机中进行粉碎，粉碎机由旋转分级轮控制出料，得到均匀分布的活性物质、导电剂、粘结剂和电解液盐的粉体混合物；
（3）将步骤（2）中粉碎处理过的粉体混合物通过定量给料机输送到双螺杆挤出机或者开炼机形成片材，然后将片材送入具有加热功能的两辊或者多辊压延机进行压延，得到达到目标厚度的电极膜并收卷；
（4）采用金属箔、金属网或者导电高分子薄膜作为电极的集流体，对集流体预处理，然后在预处理过的集流体上印刷含有热塑性粘结剂的水性或溶剂型导电胶，最后烘干并收卷；
（5）将两卷步骤（3）中得到的电极膜与一卷步骤（4）中的印刷好的集流体在加热复合机上进行三层复合定型并收卷，复合后的半成品电极具有电极膜/集流体/电极膜的三明治结构；
（6）将步骤（5）中复合好的半成品电极使用冷轧机进行冷轧处理提高压实密度，形成成品电极。
2.根据权利要求1所述的全程无污染的含有电解液盐的电极制造方法，其特征在于：所述整个加工制造过程中与物料相接触的设备部件和管道表面均采用高稳定性、高耐磨性、高硬度的非金属材料。
3.根据权利要求1所述的全程无污染的含有电解液盐的电极制造方法，其特征在于：所述活性物质为锂离子电池使用的含锂元素的正极粉体材料、锂离子电池负极使用的改性天然石墨粉体材料、锂离子电池负极使用的改性人造石墨粉体材料、锂离子电池负极使用的碳微球粉体材料、硬碳粉体材料、燃料电池材料、超级电容器用活性炭粉体材料、超级电容器用碳纤维粉体材料、超级电容器用碳纳米管粉体材料、超级电容器用石墨烯粉体材料、超级电容器用导电聚合物材料、超级电容器用过度金属氧化物材料、锂离子电容器用含锂负极材料中的一种。
4.根据权利要求1所述的全程无污染的含有电解液盐的电极制造方法，其特征在于：所述粘结剂为聚甲基丙烯酸粉体、聚甲基丙烯酸甲酯粉体、聚四氟乙烯粉体、聚乙烯吡咯烷酮或聚偏二氟乙烯粉体中的一种；所述粉体粘结剂分子量为100万到2000万。
5.根据权利要求1所述的全程无污染的含有电解液盐的电极制造方法，其特征在于：所述电解液盐为LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3、TEABF4、TEMABF4、SBPBF4和PSPBF4电池用或超级电容器用电解液盐的一种或几种，所述电解液盐粉体D50小于1微米。
6.根据权利要求1所述的全程无污染的含有电解液盐的电极制造方法，其特征在于：所述步骤（3）中双螺杆挤出机具有高剪切力并且具有自动控温功能，温度控制在所述步骤（1）中所用粘结剂的熔点之下；所述步骤（3）中开炼机自动控温将温度控制在所述步骤（1）中所用粘结剂的熔点之下；所述步骤（3）中压延机具有两辊或者多辊，所有辊轮的加热温度依次递减并且全部控制在所述步骤（1）中所用粘结剂的软化温度和熔点之间；相邻的两辊具有一定的速比1：1-1：1.2。
7.根据权利要求1所述的全程无污染的含有电解液盐的电极制造方法，其特征在于：所述步骤（4）中集流体为铜箔、铝箔、镍箔或导电高分子薄膜中的一种；所述步骤（4）中预处理为清洗、化学腐蚀、电化学腐蚀或电晕中的一种或几种；所述步骤（4）中的导电胶为含有热塑性粘结剂水性或者溶剂性导电胶。
8.根据权利要求1所述的全程无污染的含有电解液盐的电极制造方法，其特征在于：所述步骤（5）中复合温度控制在步骤（4）中导电胶含有的热塑性粘结剂软化温度和熔点之间。
9.根据权利要求1所述的全程无污染的含有电解液盐的电极制造方法，其特征在于，所述步骤（6）中使用的冷轧机具有强压力，线压力大于200kg/cm。
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