CN110323410B - 一种制备超薄电极的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制备超薄电极的装置及方法，属于储能技术领域。本发明中制备超薄电极的装置包括料釜、极片夹持装置和电源；所述料釜采用导电材料制成，具有釜底和上端口，所述釜底设有通气孔，所述釜底一侧与电源负极/正极电连接，所述上端口套设有绝缘套；所述极片夹持装置采用导电材料制成，与电源正极/负极电连接；所述电源为直流电源。采用本发明的装置制备超薄电极，简单易实施，便于规模化生产，可将电极厚度降低至10μm以下。

Description

一种制备超薄电极的装置和方法
技术领域
本发明属于储能技术领域，涉及一种制备超薄电极的装置及方法。
背景技术
随着储能技术的发展，锂离子电池和超级电容越来越受到重视，其已经广泛应用于各储能领域。然而在特殊的超大功率储能系统应用方面，现有储能器件的功率特性仍不能满足使用要求，主要原因是储能器件的功率密度受到其核心部件——电极的厚度的影响，电极越厚，储能器件内阻越大，电化学反应的响应时间越长，器件的功率性能越差，因此研制超薄电极是制备超大功率储能器件的关键。
而现有储能器件的电极厚度均较大，目前电极的制备方法主要分为两种：第一种是湿法涂布，第二种是干法碾压，而前者制备的电极厚度高于30μm，后者制备的电极厚度则高于50μm。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种制备超薄电极的装置及方法，简单易实施，便于规模化生产，可将电极厚度降低至10μm以下。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
一种制备超薄电极的装置，所述制备超薄电极的装置包括：
料釜，所述料釜采用导电材料制成，具有釜底和上端口，所述釜底设有通气孔，所述釜底一侧与电源负极/正极电连接，所述上端口套设有绝缘套；
极片夹持装置，所述极片夹持装置采用导电材料制成，与电源正极/负极电连接；
电源，所述电源为直流电源。
作为优选，所述通气孔的直径为1cm～2cm，相邻两个通气孔的圆心间距为3cm～4cm，所述釜底铺设有多孔隔膜。
作为优选，所述多孔薄膜包括纤维素隔膜、陶瓷隔膜、聚丙烯隔膜、聚乙烯隔膜、聚四氟乙烯膜、聚碳酸酯膜或聚枫膜。
进一步优选，所述多孔薄膜的形状尺寸与釜底一致。
作为优选，所述料釜的材质为高导电金属材料，包括铁、钢、铜、铝及其合金。
作为优选，所述料釜的壁厚为3mm～5mm，内直径为50cm～100cm。
作为优选，所述通气孔连接有绝缘导气管，绝缘导气管位于料釜外部。
作为优选，所述绝缘导气管包括PVC绝缘导气管、热缩绝缘导气管、玻璃纤维绝缘导气管、铁弗龙绝缘导气管、陶瓷绝缘导气管。
作为优选，所述绝缘套的材质为乙丙橡胶或玻纤硅胶，其内直径与料釜内径相同，外径与与料釜外径相同。
作为优选，所述极片夹持装置的材质为高导电金属材料，包括铁、钢、铜、铝及其合金。
作为优选，所述极片夹持装置为极片夹套，其尺寸为(5～10)cm长×(2～3)cm宽×(0.5～1)cm厚，所述极片夹套为中空结构，可使集流体穿过。
进一步优选，所述极片夹套设有2个，分别位于料釜上端口两侧的上方，二者为并联电连接关系。
作为优选，所述制备超薄电极的装置还包括极片干燥装置和/或极片卷收装置。
本发明的另一目的在于提供一种制备超薄电极的方法，所述方法包括以下步骤，
将储能器件的电极浆料置于料釜内，在料釜的上端口套上绝缘套，将集流体穿过极片夹持装置，将气体通过釜底的通气孔通入料釜，待电极浆料出现气泡鼓出后，打开直流电源，调节输出电压，通过气泡在电场能作用下的破裂溅射，在集流体上形成超薄涂层，从而制得超薄电极。
作为优选，所述电极浆料的体积占料釜体积的1/2～4/5。
作为优选，所述通气孔连接有外部绝缘导气管，气体通过外部绝缘导气管后经通气孔通入料釜。
作为优选，使用真空泵将所述气体通入料釜。
作为优选，所述直流电源的输出电压为20kV～100kV、输出功率为10W～500W。
作为优选，所述气体的流量为5mL/min～20mL/min。
作为优选，所述气体包括空气、氩气、氮气中的一种或几种的混合。
作为优选，所述制备超薄电极的装置还包括极片干燥装置和/或极片卷收装置，所述集流体穿过极片夹持装置后，一端通过极片干燥装置，且/或连接极片卷收装置。
作为优选，所述极片干燥装置的干燥温度为120℃～150℃；所述极片卷收装置的收卷速度为50cm/min～100cm/min。
作为优选，所述储能器件包括双电层电容、锂离子电池、电池电容、混合型电容、锂离子电容，所述电极浆料包括上述储能器件的正极电极浆料、负极电极浆料。
作为优选，所述集流体由金属箔制成，所述金属箔包括10μm～20μm厚的铝光箔、10μm～20μm厚的腐蚀铝箔、10μm～20μm厚的多孔铝箔(孔径范围500nm～2μm)、5μm～20μm厚的铜光箔、5μm～20μm厚的多孔铜箔(孔径范围500nm～2μm)。
本发明设置具有通气功能的料釜，将电极浆料置于料釜内，将集流体设置在料釜上方，并在集流体和料釜之间通电形成电场，通过电场能使电极浆料因通气形成的气泡上浮至液相表面后破裂溅射，将电极浆液定向堆积到集流体上，从而形成超薄电极。其中料釜上设有绝缘套，可防止电源正负级导通；通气孔用于产生气泡，气泡大小与所制备的电极厚度相关，本发明将通气孔的大小控制在上述范围内，使制得的电极材料均匀，如果通气孔尺寸太小，则产生气泡太慢，无法形成均匀的电极材料。本发明在料釜釜底还设置有多孔隔膜，并优选天然具有多孔结构的隔膜材质，其具有多孔结构，具有通气功能，且孔径小，以防止电极浆料发生漏液。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明中制备超薄电极的装置结构简单，本发明利用气泡在电场能作用下的破裂溅射，实现了储能器件用超薄电极的制备，本发明的装置和方法易实施，便于规模化生产，可将电极厚度降低至10μm以下，说明书附图
图1为本发明制备超薄电极的装置的结构示意图。
图2为本发明制备超薄电极的装置的料釜的侧视图。
图3为本发明制备超薄电极的装置的料釜的俯视图。
图4为本发明制备超薄电极的装置的料釜的釜底结构示意图。
图中标号分别为，料釜10、极片夹套20、直流电源30、极片干燥箱40、极片卷收机50、釜底11、上端口12、多孔隔膜13、通气孔14、绝缘导气管15、绝缘套16、连接柱17、集流体61、电极浆料62、电极浆料内部的气泡63、上升到电极浆料表面的气泡64、形成在集流体上的超薄涂层65、电极浆料内的颗粒状物质如碳粉颗粒66
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
其中，实施例1～4为制备超薄电极的装置实施例，实施例5～8为制备超薄电极的方法实施例。
实施例1
本实施例中制备超薄电极的装置包括：铝制料釜10、铁制极片夹套20、直流电源30、极片干燥箱40和极片卷收机50。
其中，铝制料釜10(壁厚4mm、内直径60cm、外直径64cm)具有釜底11和上端口12，釜底11铺设有形状尺寸与釜底11一致的陶瓷隔膜13，釜底11设有通气孔14(直径1cm，相邻两孔圆心间距3cm)，通气孔14连接有PVC绝缘导气管15，绝缘导气管15位于铝制料釜10外部，上端口12套设有乙丙橡胶绝缘套16(内直径、外直径尺寸与料釜10相同)，釜底11一侧通过连接柱17与直流电源30的负极电连接；
铁制极片夹套20(7cm长×2cm宽×1cm厚)为中空结构，可使集流体61穿过，设有2个，分别位于料釜10上端口12两侧的上方，二者为并联电连接关系，与直流电源30的正极电连接。
实施例2
本实施例中制备超薄电极的装置包括：铜制料釜10、铝制极片夹套20、直流电源30、极片干燥箱40和极片卷收机50。
其中，铜制料釜10(壁厚3mm、内直径90cm、外直径93cm)具有釜底11和上端口12，釜底11铺设有形状尺寸与釜底11一致的聚碳酸酯隔膜13，釜底11设有通气孔14(直径0.7cm，相邻两孔圆心间距1.2cm)，通气孔14连接有铁弗龙绝缘导气管15，绝缘导气管15位于料釜10外部，上端口12套设有玻纤硅胶绝缘套16(内直径、外直径尺寸与料釜10相同)，釜底11一侧通过连接柱17与直流电源30的负极电连接；
铝制极片夹套20(5cm长×2cm宽×0.5cm厚)为中空结构，可使集流体穿过，设有2个，分别位于料釜10上端口12两侧的上方，二者为并联电连接关系，与直流电源30的正极电连接。
实施例3
本实施例中制备超薄电极的装置包括：钢制料釜10、钢制极片夹套20、直流电源30、极片干燥箱40和极片卷收机50。
其中，钢制料釜10(壁厚3mm、内直径80cm、外直径83cm)具有釜底11和上端口12，釜底11铺设有形状尺寸与釜底11一致的聚四氟乙烯膜13，釜底11设有通气孔14(直径0.7cm，相邻两孔圆心间距2cm)，通气孔14连接有陶瓷绝缘导气管15，绝缘导气管15位于料釜10外部，上端口12套设有乙丙橡胶绝缘套16(内直径、外直径尺寸与料釜10相同)，釜底11一侧通过连接柱17与直流电源30的负极电连接；
钢制极片夹套20(6cm长×2cm宽×0.7cm厚)为中空结构，可使集流体穿过，设有2个，分别位于料釜10上端口12两侧的上方，二者为并联电连接关系，与直流电源30的正极电连接。
实施例4
本实施例中制备超薄电极的装置包括：铝制料釜10、铜制极片夹套20、直流电源30、极片干燥箱40和极片卷收机50。
其中，铝制料釜10(壁厚3mm、内直径100cm、外直径103cm)具有釜底11和上端口12，釜底11铺设有形状尺寸与釜底11一致的聚丙烯隔膜13，釜底11设有通气孔14(直径1cm，相邻两孔圆心间距4cm)，通气孔14连接有PVC绝缘导气管15，绝缘导气管15位于料釜10外部，上端口12套设有玻纤硅胶绝缘套16(内直径、外直径尺寸与料釜10相同)，釜底11一侧与直流电源30的负极电连接；
铜制极片夹套20(8cm长×2cm宽×0.5cm厚)，中空结构，可使集流体穿过，设有2个，分别位于料釜10上端口12两侧的上方，二者为并联电连接关系，与直流电源30的正极电连接。
实施例5
本实施例中制备超薄电极的方法使用实施例1中制备超薄电极的装置，包括以下步骤，
(1)将双电层电容用正极电极浆料62置于料釜10内，电极浆料62的体积占料釜10体积的2/3，在料釜10的上端口12套上乙丙橡胶绝缘套16；
(2)将15μm厚的腐蚀铝箔61前后穿过两个极片夹套20，然后通过干燥箱40，并调节干燥箱40温度至130℃，再将腐蚀铝箔61连接收卷机50；
(3)利用真空泵将空气通过料釜10外部的绝缘导气管15后经釜底11的通气孔14以10mL/min的速度通入料釜10，待电极浆料62出现气泡鼓出后，打开直流电源30，调节输出电压输出电压为70kV、输出功率为200W，同时打开收卷机，调节收卷速度为90cm/min，气泡上升到电极浆料62表面后在电场能作用下破裂溅射，在集流体上形成超薄涂层65，从而制得超薄电极；
(4)收卷，测量制得的超薄电极的厚度为9.4μm。
实施例6
本实施例中制备超薄电极的方法使用实施例2中制备超薄电极的装置，包括以下步骤，
(1)将锂离子电容器用负极电极浆料62置于料釜10内，电极浆料62的体积占料釜10体积的2/3，在料釜10的上端口12套上绝缘套16；
(2)将10μm厚的多孔铜箔(孔径800nm)前后穿过两个极片夹套20，然后通过干燥箱，并调节干燥箱温度至140℃，再将腐蚀铝箔连接收卷机；
(3)利用真空泵将空气通过料釜10外部的绝缘导气管15后经釜底11的通气孔14以5mL/min的速度通入料釜10，待电极浆料62出现气泡鼓出后，打开直流电源30，调节输出电压输出电压为30kV、输出功率为500W，同时打开收卷机，调节收卷速度为60cm/min，气泡上升到电极浆料62表面后在电场能作用下破裂溅射，在集流体上形成超薄涂层65，从而制得超薄电极；
(4)收卷，测量制得的超薄电极的厚度为9.2μm。
实施例7
本实施例中制备超薄电极的方法使用实施例3中制备超薄电极的装置，包括以下步骤，
(1)将锂离子电池用正极电极浆料62置于料釜10内，电极浆料62的体积占料釜10体积的2/3，在料釜10的上端口12套上绝缘套16；
(2)将18μm厚的铝箔(孔径1μm)前后穿过两个极片夹套20，然后通过干燥箱，并调节干燥箱温度至120℃，再将腐蚀铝箔连接收卷机；
(3)利用真空泵将空气通过料釜10外部的绝缘导气管15后经釜底11的通气孔14以16mL/min的速度通入料釜10，待电极浆料62出现气泡鼓出后，打开直流电源30，调节输出电压输出电压为50kV、输出功率为100W，同时打开收卷机，调节收卷速度为70cm/min，气泡上升到电极浆料62表面后在电场能作用下破裂溅射，在集流体上形成超薄涂层65，从而制得超薄电极；
(4)收卷，测量制得的超薄电极的厚度为9.8μm。
实施例8
本实施例中制备超薄电极的方法使用实施例4中制备超薄电极的装置，包括以下步骤，
(1)将电池电容用负极电极浆料62置于料釜10内，电极浆料62的体积占料釜10体积的2/3，在料釜10的上端口12套上绝缘套16；
(2)将8μm厚的铜光箔前后穿过两个极片夹套20，然后通过干燥箱，并调节干燥箱温度至120℃，再将腐蚀铝箔连接收卷机；
(3)利用真空泵将空气通过料釜10外部的绝缘导气管15后经釜底11的通气孔14以20mL/min的速度通入料釜10，待电极浆料62出现气泡鼓出后，打开直流电源30，调节输出电压输出电压为20kV、输出功率为10W，同时打开收卷机，调节收卷速度为50cm/min，气泡上升到电极浆料62表面后在电场能作用下破裂溅射，在集流体上形成超薄涂层65，从而制得超薄电极；
(4)收卷，测量制得的超薄电极的厚度为9.9μm。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种制备超薄电极的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
将储能器件的电极浆料置于料釜内，在料釜的上端口套上绝缘套，将集流体穿过极片夹持装置，将气体通过釜底的通气孔通入料釜，所述气体的流量为5mL/min～20mL/min，待电极浆料出现气泡鼓出后，打开直流电源，调节输出电压为20kV～100kV、输出功率为10W～500W，通过气泡在电场能作用下的破裂溅射，在集流体上形成超薄涂层，从而制得超薄电极；
制备所述超薄电极的装置包括：
料釜，所述料釜采用导电材料制成，具有釜底和上端口，所述釜底设有通气孔，所述釜底一侧与电源负极/正极电连接，所述上端口套设有绝缘套；
极片夹持装置，所述极片夹持装置采用导电材料制成，与电源正极/负极电连接；
电源，所述电源为直流电源；
所述通气孔的直径为1cm～2cm，相邻两个通气孔的圆心间距为3cm～4cm，所述釜底铺设有多孔薄膜；所述多孔薄膜包括纤维素隔膜、陶瓷隔膜、聚丙烯隔膜、聚乙烯隔膜、聚四氟乙烯膜、聚碳酸酯膜或聚砜 膜；
所述通气孔连接有绝缘导气管，绝缘导气管位于料釜外部；
所述制备超薄电极的装置还包括极片干燥装置和/或极片卷收装置；所述集流体穿过极片夹持装置后，一端通过极片干燥装置，且/或连接极片卷收装置；所述极片干燥装置的干燥温度为120℃～150℃；所述极片卷收装置的收卷速度为50cm/min～100cm/min。
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