CN1046816A - 复合型导电橡胶电池集电体 - Google Patents

Abstract

一种电池集电体，本发明属化学电池或物理电池的电极集电体的改进。本发明提出采用复合型导电橡胶作为电池集电体的技术方案以及该复合型导电橡胶电池集电体的结构特点及具体制作方法，复合型导电橡胶电池集电体由于其导电性好、有柔韧性、耐腐蚀、重量轻、与金属及电池活性物质有较好的粘合力、易于制成各种形状，和加工容易等特点，特别有利于使电池薄型化、轻型化，并提高电池的电气性能。

Description

本发明属化学电池或物理电池中电极集电体的改进。

迄今为止，大多数电池采用金属材料或石墨作为集电体，如锌-锰干电池的正极集电体为碳棒、负极集电体为金属负极本身即锌，铅酸蓄电池的集电体为铅-锑或铅-钙合金，镍-镉蓄电池的集电体为镀镍的特殊钢板，还有一些电池采用贵金属如金、银、铂等作集电体。由于目前电池正向轻型化、薄型化发展，用金属材料和石墨作为集电体就存在明显的缺点。例如石墨质脆，不易加工成型，难于薄型化，金属材料或者较沉重（如铅、合金等），或者价格昂贵（如贵金属等）。虽然在层叠电池中，电池的内层集电体也有采用复合型导电塑料的，但因其使用温度范围窄，较难加工，粘合力和导电性较差，也存在不尽人意之处。

本发明为克服现有电池集电体的缺点，而提出一种制造工艺简单、易于制成各种形状，并具有重量轻、导电性好、有柔韧性、与金属及电池活性物质有较好粘合力、耐腐蚀且制造成本低等良好综合性能的复合型导电橡胶电池集电体。

本发明电池集电体的材质为复合型导电橡胶，所说的复合型导电橡胶是由橡胶基体和导电填充剂经混炼、硫化构成。

复合型导电橡胶的橡胶基体可为合成橡胶或（和）天然橡胶，也可为橡胶（包括合成橡胶和天然橡胶，下同）的化学改性物，也可为橡胶或橡胶的化学改性物与塑料或热固性树脂等聚合物的共混物。所说的化学改性包括氯磺化、卤化、硝化、接枝、半互穿和互穿等。

作为复合型导电橡胶的橡胶基体的合成橡胶可为包括顺丁胶、丁苯胶、丁基胶、硅橡胶、氟橡胶、氯丁胶、氯醇胶、丁腈胶、乙丙胶、氯磺化聚乙烯、聚氨酯、聚醋酸乙烯酯等的一种或若干种的共混物。

与橡胶基体混炼的导电填充剂可以是炭黑、合成石墨、改性石墨、天然石墨、碳纤维、石墨纤维、金属粉、合金粉、金属纤维、合金纤维、金属氧化物粉、合金氧化物粉、金属复合物粉、合金复合物粉、有机金属化合物粉等的单组分或多组分的混合物。

在橡胶基体中，还可加入必要的助剂、偶联剂和导电填充剂一起混炼。所说的助剂可包括硫化剂、硫化促进剂、硫化促进助剂、软化分散剂、补强填充剂、增塑剂、防老剂、抗氧剂等。

复合型导电橡胶电池集电体可采用各种常规方法制造。常用的方法有：（1）将橡胶素炼后，混入各类助剂、导电填充剂混炼后压出成形、硫化;（2）将橡胶素炼后顺次加入各种助剂、导电填充剂，混炼均匀后压出片，再用溶剂打胶浆，然后浇铸成形，待溶剂挥发后硫化;（3）将橡胶素炼后，加入各种助剂进行混炼、压片，以一层混炼胶、一层导电填充剂地叠成三文治的夹心形式，然后在模压中加压加热硫化。上述三种制法都可在橡胶混炼时加入各种助剂、导电填充剂的同时加入偶联剂，或者将导电填充剂先用偶联剂进行预处理，再混炼到橡胶基体之中。

本发明可在复合型导电橡胶的一面贴合一层金属箔片或一层金属膜。金属箔片可在复合型导电橡胶电池集电体硫化之前将其贴合在导电橡胶的一面，然后一起硫化，使金属箔片紧贴在复合形导电橡胶上。也可在硫化后的复合型导电橡胶的一面涂上导电浆，然后粘上金属箔片。金属膜则可以在复合型导电橡胶上通过真空蒸镀或离子溅射的方法形成。

对于采用固态电极合剂的电池，还可通过硫化或用导电浆粘贴等方法，使复合型导电橡胶集电体和固态电极合剂贴合成一体。

本发明可用作电池的正极集电体或（和）负极集电体，该集电体适用于化学电池，也适用于物理电池，特别适用于薄型电池和固体电解质二次电池。

由于复合型导电橡胶本身具有优异的物理化学性能，例如橡胶基体中能混进大量的导电填充剂，可得到导电性能优良并具有足够机械强度的产品;橡胶硫化时对所附物会产生良好的粘着力，从而与金属乃至电极活性物质可形成良好的结合;导电橡胶复合体本身制造工艺简单、易于制成各种形状，如能制成各种厚度甚至薄型集电体，有利于产品的薄型化;由于复合型导电橡胶具有高弹性，所以能满足制造柔性电池及充放电时负极和正极有体积变化的二次电池，如全固态二次电池的需要，此外复合型导电橡胶，耐腐蚀、重量轻。作为电池集电体具有良好的综合性能。

以下结合附图介绍本发明的若干实施例。

图1为镀铝的复合型导电橡胶电池集电体示意图;

图2为具有复合型导电橡胶正极集电体的平板形锌-锰干电池示意图;

图3为正、负极集电体均为复合型导电橡胶的铅-酸蓄电池的结构示意图;

图4为正、负极集电体均为复合型导电橡胶的镉-镍碱性蓄电池的结构示意图;

图5为薄型层叠电池结构剖面示意图;

图6为正、负极集电体均为复合型导电橡胶的固体锂-聚苯胺二次电池结构示意图;

图7为正、负极集电体均为复合型导电橡胶的硅太阳能电池结构示意图。

实施例一

在炼胶机中顺次加入乙丙胶（橡胶基体）、氧化锌、硬脂酸（硫化促进助剂）、硫化促进剂M、防老剂4010、机油（软化剂）、乙块炭黑（导电填充剂）、硫磺（硫化剂）混炼后，在平板硫化机中加热加压硫化成约0.5毫米的薄片（1），然后在其一面用真空蒸镀的方法镀上一层铝膜（约10微米）（2），即成为复合型导电橡胶电池集电体，（如图1）。

由该镀铝复合型导电橡胶作为电池正极集电体的平板型锌-锰干电池的结构如图2所示，该电池中复合型导电橡胶正极集电体（1）的镀铝面（2）接正极引线铜盖（3），导电橡胶面下面依次为膏状正极合剂（5）（包括MnO₂去极剂、NH₄cl水溶液电解质，炭黑导电填料等），浸有NH₄Cl、ZnCl₂水溶液电解质的新闻纸隔层（6），锌板负极（7）（兼作负极集电体）。在电池正极集电体顶面封有ABS塑料上盖（4），边缘有沥青封口环（4.a）。

实施例二

本实施例为正负极集电体均为复合型导电橡胶的铅-酸蓄电池（如图3），其构造包括复合型导电橡胶正极集电体（8）、由PbO₂粉和聚偏二氟乙烯压成的片状正极合剂（9）、多孔橡胶隔膜（10）、由Pb粉和聚偏二氟乙烯压成的片状负极合剂（12）、复合型导电橡胶负极集电体（13）、电解质（11）为稀硫酸。复合型导电橡胶正、负集电体是这样制作的：用实施例二的方法混炼好导电胶（未硫化）后，加入甲苯、醋酸丁酯等组成的混合溶剂溶解成胶浆，分别涂布于正极合剂片及负极合剂的一个面上，放于模具内加温加压硫化，使正极合剂片及负极合剂片分别和复合型导电橡胶集电体结合成一体。此结构的铅-酸蓄电池突出的优点是重量轻。

实施例三

本实施例为正、负极集电体均为复合型导电橡胶的镍-镉碱性蓄电池（如图4），其结构包括筒状的复合型导电橡胶负极集电体（14），负极集电体的内壁贴附海棉状镉负极合剂（15），筒中有隔膜（可用聚乙烯醇缩甲醛）套（17）、套中放置复合型导电橡胶棒（19）作正极集电体，隔膜套和正极集电体之间填正极合剂羟基氧化镍（NiOOH，海棉状）（18），电解质（16）为氢氧化钾溶液。蓄电池的外壳（20）用ABS树脂密封。

实施例四

本实施例为薄型层叠电池（如图5）该电池为四组平型式电池层叠的薄型电池组，每层平型式电池均包括上、下层复合型导电橡胶集电体（21）、正极合剂（22）、隔膜（23）、负极合剂（24）、电池的正、负极集电体和层间集电体均为复合型导电橡胶。

电池以钢箔（25）作外壳及正、负极接头，（26）为橡胶或塑料绝缘薄膜，对正、负极接头作绝缘隔离，（27）为粘合材料。

实施例五

本实施例为正、负极集电体均为复合型导电橡胶的固体锂-聚苯胺二次电池，其结构示意图如图6所示。该电池包括不锈钢正极端子（33）、复合型导电橡胶正极集电体（28）、压成片状的导电聚苯胺正极（29）、电解质（30）为聚氧化乙烯与高氯酸锂的共混物（Li⁺导体），Li-Al合金负极（31）、复合型导电橡胶负极集电体（32）、不锈钢负极端于（34）。复合型导电橡胶正、负极集电体均有一面镀有铝层，铝层分别与正、负极端子接触。电池的外壳（35）和（36）为ABS树脂，壳外用绝缘胶（37）进行粘接。

实施例六

本实施例为正、负极集电体均为复合型导电橡胶的硅太阳能电池，如图7所示。该电池包括n型硅单晶（40）、p型外延薄层（39）、防反射透明导电膜（38）、正、负极集电体（41）、（42）均为复合型导电橡胶。该电池可这样制作：将厚度为0.3-0.5毫米的n型硅单晶进行表面处理后，用高温处理法使氧化硼扩散到单晶表面，使之成为p型薄层，在离硅片表面2微米左右深处制成pn结。p型表面经覆盖防反射透明导电膜（ITO玻璃）、在正、负极位置涂上复合型导电胶浆（导电胶浆的制法如实施例二），用SCl₂蒸汽常温硫化胶浆后，即成为复合型导电橡胶集电体

Claims (11)

1、一种电池集电体，其特征在于其材质为复合型导电橡胶，该复合型导电橡胶由橡胶基体和导电填充剂经混炼、硫化构成。

2、按权利要求1所述的电池集电体，其特征在于所说的橡胶基体为合成橡胶或（和）天然橡胶，也可为橡胶的化学改性物，也可为橡胶或橡胶化学改性物与塑料或热固性树脂的共混物。

3、按权利要求2所述的电池集电体，其特征在于所说的合成橡胶可为顺丁胶、丁苯胶、丁基胶、硅橡胶、氟橡胶、氯丁胶、氯醇胶、丁腈胶、乙丙胶、氯磺化聚乙烯、聚氨酯、聚醋酸乙烯酯的一种或若干种的共混物。

4、按权利要求1所述的电池集电体，其特征在于所说的导电填充剂可以是炭黑、合成石墨、天然石墨、改性石墨、碳纤维、石墨纤维、金属粉、合金粉、金属纤维、合金纤维、金属氧化物粉、合金氧化物粉、金属复合物粉、合金复合物粉、有机金属化合物粉的单组分或多组分的混合物。

5、按权利要求1所述的电池集电体，其特征在于橡胶基体中还加有助剂以及偶联剂，所说的助剂包括硫化剂、硫化促进剂、硫化促进助剂、软化分散剂、补强填充剂、增塑剂、防老剂、抗氧剂。

6、按权利要求1所述的电池集电体，其特征在于复合型导电橡胶的一面可粘贴一层金属膜或金属箔片。

7、按权利要求6所述的电池集电体，其特征在于所说的金属膜可在复合型导电橡胶上通过真空蒸镀或离子溅射形成。

8、按权利要求6所述的电池集电体，其特征在于所说的金属箔片可与导电橡胶一起硫化而紧粘在复合型导电橡胶上，也可以通过导电浆把金属箔片粘贴在已硫化的复合型导电橡胶上。

9、按权利要求1所述的电池集电体，其特征在于复合型导电橡胶集电体可通过硫化或用导电浆粘贴的方法与固态电极合剂贴合成一体。

10、按权利要求1所述的电池集电体，其特征在于所说的复合型导电橡胶可用作电池的正极集电体或（和）负极集电体。

11、按权利要求1所述的电池集电体，其特征在于所说的复合型导电橡胶集电体适用于化学电池，也适用于物理电池，特别适用于薄型电池和固态电解质电池。

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