CN107768145A - 一种储能电极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种储能电极的制作方法，所述储能电极由固态炭膜和涂有导电层的铝箔复合而成；所述固态炭膜由活性炭、聚四氟乙烯、导电剂和溶剂经均匀搅拌混合、高速旋转粉碎、高温滚轧形成；通过预先向铝箔表面喷涂导电胶形成的具有导电涂层的铝箔，将固态炭膜粘贴在导电涂层上，高温滚压复合，最终得到成卷的电极。本发明的储能电极的制作方法，杜绝了因铝箔在承受巨大压力时会产生变形褶皱现象，可获得了具有能量密度高、功率密度高、循环寿命长的高性能储能电极，适用于锂电容正电极或超电容正负电极等，可广泛推广于新能源汽车、风力发电、备用电源等领域，市场潜力巨大。

Description

一种储能电极及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种电极，尤其涉及一种储能电极及其制备方法。
背景技术
典型的锂离子电池和超电容的电极是通过在粘合剂的存在下将活性材料用涂布的方法涂在金属集电板上而构成的，该粘合剂能使活性材料粘结在一起和活性材料粘结在集电体板表面。粘合剂通常与炭黑结合用于提高导电性。在锂离子电池中常用的负极活性材料是炭(石墨)或硅，而用于正极的常用材料为锂金属氧化物、混合金属氧化物。负极的集电极通常是铜箔，正极的集电极通常是铝箔。所述电解质可以是含有锂盐的有机碳酸盐的混合物和有机碳酸酯。有机碳酸酯可以包括碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯或它们的组合。锂盐LiPF6可以包括，LiAsF6，LiCF3SO3、Li(SO2CF3)2或其组合。隔膜通常由聚乙烯、聚丙烯或其组合的拉伸的微孔多层膜制成。在传统的超电容中的正极和负极活性材料都是活性炭。集电体板材料通常是铝箔。电解质一般是不含锂的盐的溶解在有机溶液中。
锂离子电池和超电容的电极性能主要取决于所用的活性材料种类以及电极中所含的粘结剂种类。例如，它们的循环寿命、功率、容量和低温特性都可能取决于粘合剂的类型。在理想的电极组合物中，粘合剂不仅在活性物质颗粒之间提供机械结合，而且还允许离子在电解液中能有效地向活性物质迁移。因此，粘合剂是双重功能，并提供机械结合和离子运输。通过对粘合剂的量进行调整，以达成妥协。
传统双电层电容器的能量密度只有不到锂离子电池的10％，所以人们在如何提高双电层电容器的能量密度上投入了大量的研究。在过去所有研发的储能设备中，锂离子电容表现出了最大的潜力，因为锂离子电容有着比双电层电容器更高的能量密度，而在功率和循环寿命的表现上又明显优于锂离子电池。因此，锂离子电容适用于需要高能量密度、高功率密度和长循环寿命的应用，如电动车、风力发电、备用电源等。锂离子电容的核心组件包括预先嵌锂的锂离子电池负极、双电层电容器的正极和带有锂盐的有机电解质。传统活性炭电极多采用在铝箔表面直接涂覆活性碳浆料的方法制备，该方法与锂离子电池电极制备方法类似，具有工艺成熟、简单等优点，但是其电极密度受到了限制，因为铝箔在承受巨大压力时会变形褶皱。
发明内容
本发明的目的针对现有技术中缺陷，为此提供一种储能电极，该储能电极解决了现有电极无法承受高温挤压，最终使得储能电极密度和能量密度等性能参数受到限制，以至于限制锂电容或超电容的应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种储能电极，所述储能电极由固态炭膜和涂有导电层的铝箔高温滚压复合而成，所述固态炭膜由活性炭、聚四氟乙烯、导电剂和溶剂经均匀搅拌混合、高速旋转粉碎、高温滚轧形成。
进一步地，所述固态炭膜厚度为50-200μm，密度为0.5-0.8g/cm3。
进一步地，所述导电剂包含碳纳米管、石墨烯、导电炭黑或石墨中的一种或多种。
进一步地，所述溶剂为去离子水、甲醇、乙醇或丙酮中的一种。
进一步地，所述活性炭为比表面积为1600-2400㎡/g，平均粒径为3-8μm的高性能活性碳。
进一步地，所述导电层的厚度为3-12μm。
进一步地，一种储能电极的制备方法，其制备步骤如下：
(1)按下述质量份称取原材料：活性炭85-95份、粘结剂聚四氟乙烯3-12份、导电剂2-5份和溶剂，其中溶剂所加的质量为活性炭质量的25％-100％；
(2)称重完成后，将活性炭、聚四氟乙烯、导电剂和溶剂倒入混料机中进行均匀搅拌混合5-10min，然后经高速旋转粉碎机形成固态混合物，再将所得固态混合物进行高温滚轧，温度为80-150℃，经过多次高温滚轧后得到固态炭膜；
(3)先对铝箔表面进行腐蚀处理，然后在腐蚀的铝箔表面涂一层导电胶，在铝箔上形成导电涂层，将步骤(2)中所得的固态炭膜和涂有导电层的铝箔进行高温滚压复合，复合温度为100-200℃，使导电涂层融化并经滚压复合，最终得到成卷的干法电极。
有益效果：本发明的储能电极的制作方法，杜绝了因铝箔在承受巨大压力时会产生变形褶皱现象，可获得了具有能量密度高、功率密度高、循环寿命长的高性能储能电极，适用于锂电容正电极或超电容正负电极等，可广泛推广于新能源汽车、风力发电、备用电源等领域，市场潜力巨大。
具体实施方式
实施例1
一种储能电极，所述储能电极由固态炭膜和涂有导电层的铝箔高温滚压复合而成，所述固态炭膜由活性炭、聚四氟乙烯、导电剂和溶剂组成，所述固态炭膜由活性炭、聚四氟乙烯、导电剂和溶剂经均匀搅拌混合、高速旋转粉碎、高温滚轧形成，所述固态炭膜厚度为50μm，密度为0.5g/cm3，所述导电剂包含碳纳米管、石墨烯、导电炭黑或石墨中的一种或多种，所述溶剂为去离子水、甲醇、乙醇或丙酮中的一种，所述活性炭为比表面积为1600㎡/g，平均粒径为3μm的高性能活性碳，所述导电层的厚度为3μm，其制备步骤如下：
(1)按下述质量份称取原材料：活性炭85份、粘结剂聚四氟乙烯3份、导电剂2份和溶剂，其中溶剂所加的质量为活性炭质量的25％；
(2)称重完成后，将活性炭、聚四氟乙烯、导电剂和溶剂倒入混料机中进行均匀搅拌混合5min，然后经高速旋转粉碎机形成固态混合物，再将所得固态混合物进行高温滚轧，温度为80℃，经过多次高温滚轧后得到固态炭膜；
(3)先对铝箔表面进行腐蚀处理，然后在腐蚀的铝箔表面涂一层导电胶，在铝箔上形成导电涂层，将步骤(2)中所得的固态炭膜和涂有导电层的铝箔进行高温滚压复合，复合温度为100℃，使导电涂层融化并经滚压复合，最终得到成卷的干法电极。
实施例2
一种储能电极，所述储能电极由固态炭膜和涂有导电层的铝箔高温滚压复合而成，所述固态炭膜由活性炭、聚四氟乙烯、导电剂和溶剂组成，所述固态炭膜由活性炭、聚四氟乙烯、导电剂和溶剂经均匀搅拌混合、高速旋转粉碎、高温滚轧形成，所述固态炭膜厚度为100μm，密度为0.65g/cm3，所述导电剂包含碳纳米管、石墨烯、导电炭黑或石墨中的一种或多种，所述溶剂为去离子水、甲醇、乙醇或丙酮中的一种,所述活性炭为比表面积为2000㎡/g，平均粒径为5.5μm的高性能活性碳，所述导电层的厚度为7.5μm，其制备步骤如下：
(1)按下述质量份称取原材料：活性炭90份、粘结剂聚四氟乙烯7.5份、导电剂3.5份和溶剂，其中溶剂所加的质量为活性炭质量的72％；
(2)称重完成后，将活性炭、聚四氟乙烯、导电剂和溶剂倒入混料机中进行均匀搅拌混合7.5min，然后经高速旋转粉碎机形成固态混合物，再将所得固态混合物进行高温滚轧，温度为115℃，经过多次高温滚轧后得到固态炭膜；
(3)先对铝箔表面进行腐蚀处理，然后在腐蚀的铝箔表面涂一层导电胶，在铝箔上形成导电涂层，将步骤(2)中所得的固态炭膜和涂有导电层的铝箔进行高温滚压复合，复合温度为150℃，使导电涂层融化并经滚压复合，最终得到成卷的干法电极。
实施例3
一种储能电极，所述储能电极由固态炭膜和涂有导电层的铝箔高温滚压复合而成，所述固态炭膜由活性炭、聚四氟乙烯、导电剂和溶剂组成，所述固态炭膜由活性炭、聚四氟乙烯、导电剂和溶剂经均匀搅拌混合、高速旋转粉碎、高温滚轧形成，所述固态炭膜厚度为200μm，密度为0.8g/cm3，所述导电剂包含碳纳米管、石墨烯、导电炭黑或石墨中的一种或多种，所述溶剂为去离子水、甲醇、乙醇或丙酮中的一种,，所述活性炭为比表面积为2400㎡/g，平均粒径为8μm的高性能活性碳，所述导电层的厚度为12μm，其制备步骤如下：
(1)按下述质量份称取原材料：活性炭95份、粘结剂聚四氟乙烯12份、导电剂5份和溶剂，其中溶剂所加的质量为活性炭质量的100％；
(2)称重完成后，将活性炭、聚四氟乙烯、导电剂和溶剂倒入混料机中进行均匀搅拌混合10min，然后经高速旋转粉碎机形成固态混合物，再将所得固态混合物进行高温滚轧，温度为150℃，经过多次高温滚轧后得到固态炭膜；
(3)先对铝箔表面进行腐蚀处理，然后在腐蚀的铝箔表面涂一层导电胶，在铝箔上形成导电涂层，将步骤(2)中所得的固态炭膜和涂有导电层的铝箔进行高温滚压复合，复合温度为200℃，使导电涂层融化并经滚压复合，最终得到成卷的干法电极。
所有步骤在恒湿条件下进行，湿度控制在20-40％。溶剂的作用在于使得活性炭、聚四氟乙烯粉末、导电剂能充分接触，从而混合得更均匀，并减少粘结剂的使用量。在本技术方案中，通过采用高速粉碎混合技术实现了在溶剂帮助下固态粉末颗粒之间的均匀混合，同时借助于聚四氟乙烯在高速剪切条件下的形变结构实现了活性物质、粘结剂、导电剂和溶剂之间的混合，并对固态炭膜充分滚轧，形成了高材料密度和高能量密度的高性能锂电容或超电容用的电极片。
本发明的储能电极的制作方法，杜绝了因铝箔在承受巨大压力时会产生变形褶皱现象，可获得了具有能量密度高、功率密度高、循环寿命长的高性能储能电极，适用于锂电容正电极或超电容正负电极等，可广泛推广于新能源汽车、风力发电、备用电源等领域，市场潜力巨大。
上面所述的实施例子仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应纳入到本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种储能电极，其特征在于，所述储能电极由固态炭膜和涂有导电层的铝箔高温滚压复合而成，所述固态炭膜由活性炭、聚四氟乙烯、导电剂和溶剂经均匀搅拌混合、高速旋转粉碎、高温滚轧形成。
2.如权利要求1所述的储能电极，其特征在于，所述固态炭膜厚度为50-200μm，密度为0.5-0.8g/cm3。
3.如权利要求1所述的储能电极，其特征在于，所述导电剂包含碳纳米管、石墨烯、导电炭黑或石墨中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的储能电极，其特征在于，所述溶剂为去离子水、甲醇、乙醇或丙酮中的一种。
5.如权利要求1所述的储能电极，其特征在于，所述活性炭为比表面积为1600-2400㎡/g，平均粒径为3-8μm的高性能活性碳。
6.如权利要求1所述的储能电极，其特征在于，所述导电层的厚度为3-12μm。
7.一种如权利要求1-8中任一项所述的储能电极的制备方法，其特征在于，其制备步骤如下：
(1)按下述质量份称取原材料：活性炭85-95份、粘结剂聚四氟乙烯3-12份、导电剂2-5份和溶剂，其中溶剂所加的质量为活性炭质量的25％-100％；
(2)称重完成后，将活性炭、聚四氟乙烯、导电剂和溶剂倒入混料机中进行均匀搅拌混合5-10min，然后经高速旋转粉碎机形成固态混合物，再将所得固态混合物进行高温滚轧，温度为80-150℃，经过多次高温滚轧后得到固态炭膜；
(3)先对铝箔表面进行腐蚀处理，然后在腐蚀的铝箔表面涂一层导电胶，在铝箔上形成导电涂层，将步骤(2)中所得的固态炭膜和涂有导电层的铝箔进行高温滚压复合，复合温度为100-200℃，使导电涂层融化并经滚压复合，最终得到成卷的电极。
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