CN107680823A - 一种适用于超级电容器的电极材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于超级电容器的电极材料的制备方法，其包括如下步骤如下：步骤a，浆料制备：将改性钛酸钡陶瓷粉体与胶粘剂按一定比例通过分散机作用混合得到均匀的浆料，浆料中改性钛酸钡陶瓷粉体的质量占比为40%～70%；步骤b，涂布工艺：利用涂布机将步骤a中得到的浆料均匀涂覆到导电基材的正面以及反面，干燥后得到初步的两面涂层材料；步骤c，压光工艺：将步骤b中得到的两面涂层材料通过压光工艺处理，得到表面光滑、无漏点、平整、均匀的电极材料；本发明具有制作出来的电极无污染、不分解、不氧化、不燃烧，并且原材料来源丰富。
Description
技术领域
本发明提供一种电气性能优良、介电特性高、储能因数大、温度特性稳定、无污染，适用于生产固态极化电极的超级电容器专用材料。
背景技术
超级电容器是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。现有的超级电容器结构如下：参见公开号为CN10691064A，专利名称为一种超级电容器及其制备方法的文献，其公开了一种超级电容器，其包括正极、负极、隔膜和电解液，正极包括正极集流体和涂覆在正极集流体上的正极活性材料，所述负极包括负极集流体和涂覆在负极集流体上的负极活性材料；所述正极活性材料为含锂的金属含化合物；其中，正极活性材料经过脱锂预处理，所述超级电容器正极Vs.Li+/Li的电极电位为3.2-6伏特。
此种结构的超级电容器又称双电层电容器，其储能的原理是在充电时在电极/电解液界面发生电子和离子或偶极子的定向排布，形成双电层电容，并将能量储存起来。因此，由于该超级电容器如果脱离电解液以及隔膜，单独利用正负电极是无法实现储蓄电能。
综上所述，上述超级电容器存在以下缺陷：1、结构较为复杂造成生产时候所需的工序颇多，即，从上至下依次为铝箔、导电涂层、正极活性材料、电解液、薄膜、电解液、负极活性材料、导电涂层以及铝箔；2、电解液存在污染环境的可能性，即在生产时需要充入电解液容易污染环境，在使用过程中如果电解液发生泄露会造成环境污染以及安全隐患；3、极易燃烧，由于薄膜为可燃物质，超级电容器在储能时会发热极易烧毁薄膜导致超级电容器损坏。
因此，如何制作一种新型的便于储能的电极材料就成为了急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无污染、不易燃、结构简单的适用于超级电容器的电极材料的制备方法。
本发明所采用的技术手段为一种适用于超级电容器的电极材料的制备方法，其包括如下步骤如下：
步骤a，浆料制备：将改性钛酸钡陶瓷粉体与胶粘剂按一定比例通过分散机作用混合得到均匀的浆料，浆料中改性钛酸钡陶瓷粉体的质量占比为40%～70%。
步骤b，涂布工艺：利用涂布机将步骤a中得到的浆料均匀涂覆到导电基材的正面以及反面，干燥后得到初步的两面涂层材料。
步骤c，压光工艺：将步骤b中得到的两面涂层材料通过压光工艺处理，得到表面光滑、无漏点、平整、均匀的电极材料。
其中，步骤a中，改性钛酸钡陶瓷粉体的化学通式为a（BaxTiy）O3-bCaSnO3，其中，x：y（摩尔比）为1：1-1.05；CaSnO3占改性钛酸钡陶瓷粉料总质量的7%-15%。
其中，步骤a中改性钛酸钡陶瓷粉体由如下方式制得：将BaCO3和TiO2按摩尔比1:1-1.05混合后经过烧结工艺，破碎、细粉工艺得到陶瓷粉体，然后在陶瓷粉体中加入CaSnO3进行烧结、细粉工艺得到改性钛酸钡陶瓷粉料；其中CaSnO3占改性钛酸钡陶瓷粉料总质量的7%-15%。
采用此种改性钛酸钡粉料的设计，主要考虑到此种改性钛酸钡粉料的介电系数较高，有利于对电荷的储备。
其中，步骤b中在对导电基材的正面以及反面的涂布过程中，导电基材的正、反两面均具有涂布留边量，使得导电基材部分超出所涂的涂层，涂布留边量为4.8-5.2mm；两面涂层材料经压光处理后，涂布留边量缩减0.1-0.2mm。
留边量的设计，有利于电极材料与导线相连。
其中，步骤a中胶粘剂为环氧树脂胶粘剂或丙烯酸胶粘剂或聚酰胺胶粘剂。
其中，导电基材的厚度为6~30μm，导电基材为铝箔或铜箔或银箔或合金材料。
采用上述导电基材，主要考虑到上述材质具有较好的导电性能以及良好的延展性。
其中，步骤b中导电基材在涂布前经电晕处理。
经过电晕后，有利于涂布材料吸附在导电基材上，提高涂布的稳定性。
其中，步骤b中，涂布机为刮板式涂布机或喷涂式涂布机或网辊式涂布机，涂布平均厚度为3～50μm。
其中，在进行步骤b的涂布过程中，浆料始终处于循环状态。
浆料始终处于循环状态，可以防止浆料在涂布时发生沉淀，使得涂布过程中所涂的浆料更加均匀、混合更加充分。
其中，压光工艺中压力范围为6～14吨。
本发明的有益效果：
1、将两层电极材料相叠进行使用，可以构成超级电容器的內芯，将其中一层电极材料的导电基材与正极相连，另一层电极材料的导电基材与负极相连，充电时，利用所涂布的改性钛酸钡陶瓷粉体材料实现对电荷的储备，因此此种电极材料构成的超级电容器勿须充电液，并且结构简单。
2.本发明材料生产工艺简单，成本低，生产所用的原材料来源丰富、无污染、不分解、不氧化、不燃烧，并且容易回收，为批量生产提供良好的基础。
3.本发明所述的固态极化电极超级电容器专用材料介电系数高，在常温下介电系数相比聚丙烯薄膜类、聚酯类薄膜介电系数提高了几十倍，在-30℃～130℃的温度范围内满足容温变化-15%～+15%，满足生产超级电容器的基本要求。
4.本发明固态极化电极超级电容器专用材料是电容器实现小型化、集成化生产，最需要的原材料之一，是一种新材料的创新，实现了以“新思路、新技术、新工艺、新材料、新产品”为理念，为我国新材料新能源发展奠定一定的基础。
具体实施方式
实施例一：
一种适用于超级电容器的电极材料的制备方法，其包括如下步骤如下：
步骤a，浆料制备：将10.0kg的改性钛酸钡陶瓷粉料和10.0kg的丙烯酸胶粘剂混合均匀的浆料。所采用的改性钛酸钡陶瓷粉料化学通式为a（BaxTiy）O3-b CaSnO3,其中x：y=1：1.02，a=0.9，b=0.1）。
改性钛酸钡陶瓷粉料与丙烯酸胶粘剂具体混合的方式如下：依次经过普通混料机、隔膜泵、超细分散均质机、隔膜泵、HTP型不锈钢磁性过滤桶以及HPTC型在线脱气缓存罐，最终得到分散均匀而且无气泡的浆料。
步骤b，涂布工艺：选用宽度为136±1mm、厚度为12um的铝箔作为导电基材，铝箔在涂布前先进行电晕处理。然后采用网辊式涂布机进行涂布，涂布过程中网辊刻度为12um，涂布速度为30m/min，并利用敏压电阻、气缸气压变化来微调放卷、收卷速度并控制局部拉力。在通过涂布机放卷、涂布、加热烘干、收卷工序后，得到两面涂层材料，其表面较光滑，经过测试其厚度为36um，铝箔厚度为12um，涂布单层厚度为12um，涂布留边量为5mm（即，导电基材的一边裸露在涂层外，裸露的长度为5mm）。在涂布工艺过程中，为了防止浆料沉淀，须建立一个浆料循环系统，使得在涂布时浆料始终处于循环。
步骤c，压光工艺：对步骤b中得到双面涂层材料进行压光处理，压光时压力为8吨，压辊为陶瓷辊，压光结束后得到电极材料，其材料表面光滑，无漏点、厚度均匀，且涂布留边量缩减为4.8mm，记为材料样品一，对样品一进行各方面性能测试。
实施例二：
一种适用于超级电容器的电极材料的制备方法，其包括如下步骤如下：
步骤a，浆料制备：将11.0kg的改性钛酸钡陶瓷粉料和9.0kg的丙烯酸胶粘剂混合均匀的浆料。所采用的改性钛酸钡陶瓷粉料化学通式为a（BaxTiy）O3-b CaSnO3,其中x：y=1：1，a=0.85，b=0.15）；所采用的胶粘剂为丙烯酸类胶粘剂。
改性钛酸钡陶瓷粉料与丙烯酸胶粘剂具体混合的方式如下：依次经过普通混料机、隔膜泵、超细分散均质机、隔膜泵、HTP型不锈钢磁性过滤桶以及HPTC型在线脱气缓存罐，最终得到分散均匀而且无气泡的浆料。
步骤b，涂布工艺：选用宽度为136±1mm、厚度为12um的铝箔作为导电基材，铝箔在涂布前先进行电晕处理。然后采用网辊式涂布机进行涂布，涂布过程中网辊刻度为12um，涂布速度为30m/min，并利用敏压电阻、气缸气压变化来微调放卷、收卷速度并控制局部拉力。在通过涂布机放卷、涂布、加热烘干、收卷工序后，得到两面涂层材料，其表面较光滑，经过测试其厚度为36um，铝箔厚度为12um，涂布单层厚度为12um，涂布留边量为5mm（即，导电基材的一边裸露在涂层外，裸露的长度为5mm）。在涂布工艺过程中，为了防止浆料沉淀，须建立一个浆料循环系统，使得在涂布时浆料始终处于循环。
步骤c，压光工艺：对步骤b中得到双面涂层材料进行压光处理，压光时压力为8吨，压辊为陶瓷辊，压光结束后得到电极材料，其材料表面光滑，无漏点、厚度均匀，且涂布留边量缩减为4.8mm，记为材料样品二，对样品二进行各方面性能测试。
实施例三：
一种适用于超级电容器的电极材料的制备方法，其包括如下步骤如下：
步骤a，浆料制备：将10.5kg的改性钛酸钡陶瓷粉料和9.5kg的丙烯酸胶粘剂混合均匀的浆料。所采用的改性钛酸钡陶瓷粉料化学通式为a（BaxTiy）O3-b CaSnO3,其中x：y=1：1.05，a=0.93，b=0.07）；所采用的胶粘剂为丙烯酸类胶粘剂。
改性钛酸钡陶瓷粉料与丙烯酸胶粘剂具体混合的方式如下：依次经过普通混料机、隔膜泵、超细分散均质机、隔膜泵、HTP型不锈钢磁性过滤桶以及HPTC型在线脱气缓存罐，最终得到分散均匀而且无气泡的浆料。
步骤b，涂布工艺：选用宽度为136±1mm、厚度为12um的铝箔作为导电基材，铝箔在涂布前先进行电晕处理。然后采用网辊式涂布机进行涂布，涂布过程中网辊刻度为12um，涂布速度为30m/min，并利用敏压电阻、气缸气压变化来微调放卷、收卷速度并控制局部拉力。在通过涂布机放卷、涂布、加热烘干、收卷工序后，得到两面涂层材料，其表面较光滑，经过测试其厚度为36um，铝箔厚度为12um，涂布单层厚度为12um，涂布留边量为5mm（即，导电基材的一边裸露在涂层外，裸露的长度为5mm）。在涂布工艺过程中，为了防止浆料沉淀，须建立一个浆料循环系统，使得在涂布时浆料始终处于循环。
步骤c，压光工艺：对步骤b中得到双面涂层材料进行压光处理，压光时压力为8吨，压辊为陶瓷辊，压光结束后得到电极材料，其材料表面光滑，无漏点、厚度均匀，且涂布留边量缩减为4.8mm，记为材料样品三，对样品三进行各方面性能测试。
无论是哪个样品，将相同的两层电极材料相叠即可形成超级电容器的元件，用于储存电能。
样品一、样品二以及样品三的测试结果如下表1所示：
表1 电极材料测试数据表
上表中，介电系数直接影响生产后的电容器的储电性能，介电系数越高代表储电性能越好。介电损耗影响生产后的电容器寿命，介电损耗越低电容器的使用寿命越长。直流下耐压决定了生产后的电容器的适用电压，耐压越高电容器适用电压就越高。
Claims (10)
1.一种适用于超级电容器的电极材料的制备方法，其包括如下步骤如下：
步骤a，浆料制备：将改性钛酸钡陶瓷粉体与胶粘剂按一定比例通过分散机作用混合得到均匀的浆料，浆料中改性钛酸钡陶瓷粉体的质量占比为40%～70%；
步骤b，涂布工艺：利用涂布机将步骤a中得到的浆料均匀涂覆到导电基材的正面以及反面，干燥后得到初步的两面涂层材料；
步骤c，压光工艺：将步骤b中得到的两面涂层材料通过压光工艺处理，得到表面光滑、无漏点、平整、均匀的电极材料。
2.根据权利要求1所述的一种适用于超级电容器的电极材料的制备方法，其特征在于，步骤a中，改性钛酸钡陶瓷粉体的化学通式为a（BaxTiy）O3-bCaSnO3，其中，x：y（摩尔比）为1：1-1.05；CaSnO3占改性钛酸钡陶瓷粉料总质量的7%-15%。
3.根据权利要求2所述的一种适用于超级电容器的电极材料的制备方法，其特征在于：步骤a中改性钛酸钡陶瓷粉体由如下方式制得：将BaCO3和TiO2按摩尔比1:1-1.05混合后经过烧结工艺，破碎、细粉工艺得到陶瓷粉体，然后在陶瓷粉体中加入CaSnO3进行烧结、细粉工艺得到改性钛酸钡陶瓷粉料；其中CaSnO3占改性钛酸钡陶瓷粉料总质量的7%-15%。
4.根据权利要求2所述的一种适用于超级电容器的电极材料的制备方法，其特征在于：步骤b中在对导电基材的正面以及反面的涂布过程中，导电基材的正、反两面均具有涂布留边量，使得导电基材部分超出所涂的涂层，涂布留边量为4.8-5.2mm；两面涂层材料经压光处理后，涂布留边量缩减0.1-0.2mm。
5.根据权利要求1所述的一种适用于超级电容器的电极材料的制备方法，其特征在于：步骤a中胶粘剂为环氧树脂胶粘剂或丙烯酸胶粘剂或聚酰胺胶粘剂。
6.根据权利要求1所述的一种适用于超级电容器的电极材料的制备方法，其特征在于：导电基材的厚度为6~30μm，导电基材为铝箔或铜箔或银箔或合金材料。
7.根据权利要求1所述的一种适用于超级电容器的电极材料的制备方法，其特征在于：步骤b中导电基材在涂布前经电晕处理。
8.根据权利要求1所述的一种适用于超级电容器的电极材料的制备方法，其特征在于：步骤b中，涂布机为刮板式涂布机或喷涂式涂布机或网辊式涂布机，涂布平均厚度为3～50μm。
9.根据权利要求1所述的一种适用于超级电容器的电极材料的制备方法，其特征在于：在进行步骤b的涂布过程中，浆料始终处于循环状态。
10.根据权利要求1所述的一种适用于超级电容器的电极材料的制备方法，其特征在于：压光工艺中压力范围为6～14吨。
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