CN103346290A - 一种高效电极制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高效电极制造方法，适用于储能器件电极的规模化生产。该电极由活性电极材料、导电剂、粘结剂和集流体组成。该电极制造方法包括：通过干法或者湿法混合活性电极材料，导电剂和粘结剂，以获得分布均匀的混合材料的至少一个步骤；通过干法或者湿法混炼以获得可成膜的塑性材料至少一个步骤；通过一步压延复合形成具有电极膜/集流体/电极膜三明治结构电极的一个步骤。本发明使得传统的电极成膜工艺与复合工艺在同一机构上实现，避免了反复收卷放卷过程以及过程中的不稳定因素，提高生产效率的同时提升了产品质量的稳定性。

Description

一种高效电极制造方法
技术领域
本发明属于储能器件技术领域，特别是涉及一种高效电极制造方法。
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：产品一致性、能量和功率密度、循环寿命、生产效率和能耗等。
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。
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。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。此外，利用涂布工艺生产电极后续需要长时间的烘干工艺和辊轧压实工艺，能耗高，生产效率较低。
目前国外有少数企业采用混合-混炼-压延-复合技术。例如申请号为CN102484242A和CN100550237C的专利，其技术路线是把活性电极材料、导电剂和粘结剂用湿法混料再塑化，然后压延成膜收卷，最后把电极膜与集流体复合成电极。一般容量和内阻是储能器件的最终要得两个因素，分别决定了器件的能量密度和功率密度，减少粘结剂的含量会导致最终产品的内阻降低和容量升高。然而，由于电极膜的强度与粘结剂中固含量的质量分数成正比，减少粘结剂的含量会减弱电极膜的强度，导致在压延工序后的收卷和复合工序前的放卷过程中尤其是纠偏过程中容易断料，造成生产的不稳定性。
发明内容
一种高效电极制造方法，该电极由复合材料组成，所述复合材料包含以下组分：
至少一种活性电极材料；
至少一种导电剂；
至少一种粘结剂；和
至少一种集流体，
所述方法包括：通过干法或者湿法混合活性电极材料、导电剂和粘结剂，以获得分布均匀的混合材料的至少一个步骤；通过干法或者湿法混炼以获得可成膜的塑性材料至少一个步骤；通过一步压延复合形成具有电极膜/集流体/电极膜三明治结构电极的一个步骤。
其特征在于：所述活性电极材料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或几种。
所述导电剂为炭黑、乙炔黑、石墨、科琴黑、碳纳米管、石墨烯粉末或溶液的一种或几种。
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或溶液的一种或几种。
所述混合步骤中活性电极材料、导电剂（固含量）、粘结剂（固含量）的质量分数分别为70-98%，1-10%和1-20%。
所述集流体为铜箔、铝箔、镍箔或导电高分子薄膜中的一种，所述集流体表面可以经过处理以增加后序复合时的粘结力。
所述混炼步骤采用高剪切力混炼设备实现，高剪切力通过材料与材料之间或材料与设备之间的高速相对运动或高压力摩擦产生。
上述高剪切力混炼设备为多辊筒混炼机，所述多辊筒混炼机具有四个辊或四个以上辊，用于同时进行混炼和压延。
所述多辊筒混炼机每只辊筒上具有预负荷装置。
所述多辊筒混炼机每只辊筒表面温度在20-200摄氏度范围内均匀可控。
本发明的优点是：本发明采用混合-混炼-压延复合的工艺路线进行电极加工，与涂布式电极生产方法相比，提高了产品的一致性和品质、降低能耗、提高生产效率；与传统的混合-混炼-压延-复合工艺相比，本发明把压延和复合两道工序集成在一道工序和一台设备上，提高生产效率的同时，避免了多次收放卷对电极膜强度的要求和电极容量内阻等性能要求的矛盾，大大提升了产品规模化生产的稳定性。
附图说明
图1为传统混合-混炼-压延-复合工艺电极生产的混合与混炼步骤。
图2为传统混合-混炼-压延-复合工艺电极生产的压延步骤。
图3为传统混合-混炼-压延-复合工艺电极生产的复合步骤。
图4为本发明实施例1的四辊压延复合步骤。
图5为本发明实施例1生产的电极扫描电镜图。
图6为本发明实施例1的六辊压延复合步骤。
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。
为了对比本发明和传统混合-混炼-压延-复合工艺的区别，先介绍传统混合-混炼-压延-复合工艺。混合与混炼步骤如图1所示：电极活性材料10、导电剂11、粘结剂12均匀混合形成混合好的材料20；混合好的材料20通过高剪切力混炼形成混炼好的材料30。压延步骤如图2所示，混炼好的材料30经过两压延辊701和702压实形成电极膜31并收卷。复合步骤如图3所示，两卷电极膜31与一卷集流体50通过两复合辊801和802复合形成成品电极503。
在上述过程中，由于电极膜31的强度较差，0.1mm厚500mm宽的电极膜的拉伸机械强度一般小于0.5MPa，因此在压延收卷和复合放卷的过程中对张力系统的稳定性要求很高。此外，电极膜31在成卷存放（尤其在卷径较大例如大于400mm时）的过程中容易由于自身重力导致电极膜出现裂纹等缺陷，影响复合步骤的放卷。
实施例1：
一种高效超级电容器电极制造方法，包括以下步骤：
（1）选取活性炭活性电极材料、炭黑导电剂和聚四氟乙烯粘结剂粉料，通过定量计量输送到提升式混合机中混粉20分钟；三种粉体质量比为90：5：5。
（2）将步骤（1）中混合好的粉体通过机械磨高速混炼使其塑化形成混炼好的材料30，混合和混炼步骤与传统混合-混炼-压延-复合工艺类似。
（3）如图4所示，将步骤（2）中混炼好的材料30分别通过定量给料机构加入到辊筒401和402之间，以及403和404之间，四只辊筒具有预负荷装置，四只辊筒的温度均为120摄氏度；两对辊筒401和402，以及403和404压延形成的电极膜31分别随着辊筒402和403的转动给进入辊筒402和403之间，并处于集流体50的两面，即在辊筒402和403之间复合形成电极膜31/集流体50/电极膜31的成品三明治结构的超级电容器电极501。
电极的厚度可通过调节四只辊筒的辊间距调节0.2mm-1mm。
按照上述方法制造的电极电镜图如图5所示，电极膜和集流体集合紧密，大大提高了电极质量。
本发明的一步压延过程还可以采用如图6所示的设备来完成，该设备具有六只辊筒，辊筒间根据要求设定预复合装置。混炼好的材料30分别通过定量给料机构加入到辊筒601和602之间，以及605和606之间，六只辊筒的温度均为100摄氏度；其中两对辊筒601和602，以及603和604形成初步压延得到一定厚度的电极膜，然后分别进入辊筒602和603之间以及辊筒604和605之间进一步压延、压光形成达到厚度要求的均匀致密的电极膜31，并处于集流体50的两面，即在辊筒603和604之间复合形成电极膜31/集流体50/电极膜31的成品三明治结构的超级电容器电极502。

Claims (10)

1.一种高效电极制造方法，该电极由复合材料组成，所述复合材料包含以下组分：
至少一种活性电极材料；
至少一种导电剂；
至少一种粘结剂；和
至少一种集流体，
所述方法包括：通过干法或者湿法混合活性电极材料、导电剂和粘结剂，以获得分布均匀的混合材料的至少一个步骤；通过干法或者湿法混炼以获得可成膜的塑性材料至少一个步骤；通过一步压延复合形成具有电极膜/集流体/电极膜三明治结构电极的一个步骤。
2.根据权利要求1所述的高效电极制造方法，其特征在于：所述活性电极材料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或几种。
3.根据权利要求1所述的高效电极制造方法，其特征在于：所述导电剂为炭黑、乙炔黑、石墨、科琴黑、碳纳米管、石墨烯粉末或溶液的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的高效电极制造方法，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或溶液的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的高效电极制造方法，其特征在于：所述混合步骤中活性电极材料、导电剂（固含量）、粘结剂（固含量）的质量分数分别为70-98%，1-10%和1-20%。
6.根据权利要求1所述的高效电极制造方法，其特征在于：所述集流体为铜箔、铝箔、镍箔或导电高分子薄膜中的一种，所述集流体表面可以经过处理以增加后序复合时的粘结力。
7.根据权利要求1所述的高效电极制造方法，其特征在于：所述混炼步骤采用高剪切力混炼设备实现，高剪切力通过材料与材料之间或材料与设备之间的高速相对运动或高压力摩擦产生。
8.根据权利要求7所述的高效电极制造方法，其特征在于：所述高剪切力混炼设备为多辊筒混炼机，所述多辊筒混炼机具有四个辊或四个以上辊，用于同时进行混炼和压延。
9.根据权利要求8所述的高效电极制造方法，其特征在于：所述多辊筒混炼机每只辊筒上具有预负荷装置。
10.根据权利要求8所述的高效电极制造方法，其特征在于：所述多辊筒混炼机每只辊筒表面温度在20-200摄氏度范围内均匀可控。
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