CN110690453A - 栅格集电器及相关的装置和方法 - Google Patents

栅格集电器及相关的装置和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110690453A
CN110690453A CN201910604918.XA CN201910604918A CN110690453A CN 110690453 A CN110690453 A CN 110690453A CN 201910604918 A CN201910604918 A CN 201910604918A CN 110690453 A CN110690453 A CN 110690453A
Authority
CN
China
Prior art keywords
current collector
grid
substrate
coating
polymer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910604918.XA
Other languages
English (en)
Inventor
皮埃尔·吉夏尔
西蒙·贝托梅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
A Ermo
Original Assignee
A Ermo
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by A Ermo filed Critical A Ermo
Publication of CN110690453A publication Critical patent/CN110690453A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/665—Composites
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/668—Composites of electroconductive material and synthetic resins
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32—Carbon-based
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/46—Metal oxides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/48—Conductive polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/66—Current collectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/66—Current collectors
    • H01G11/68—Current collectors characterised by their material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/66—Current collectors
    • H01G11/70—Current collectors characterised by their structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/84—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/661—Metal or alloys, e.g. alloy coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/661—Metal or alloys, e.g. alloy coatings
    • H01M4/662—Alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/663—Selection of materials containing carbon or carbonaceous materials as conductive part, e.g. graphite, carbon fibres
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/665—Composites
    • H01M4/667—Composites in the form of layers, e.g. coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/70—Carriers or collectors characterised by shape or form
    • H01M4/72—Grids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)
  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)

Abstract

本发明涉及一种集电器(20)，其包括：基板(22)，该基板(22)由第一材料制成，第一材料包括聚合物；以及与基板(22)接触的栅格(24)，该栅格(24)由第二材料制成，第二材料包括金属粒子。

Description

栅格集电器及相关的装置和方法
技术领域
本发明涉及集电器。本发明还涉及包括这样的集电器的组件、电化学蓄能器或超级电容器。本发明还提供了用于制造集电器的方法。
背景技术
电化学蓄能器通常包括至少四个元件：正电极、负电极、电解质以及用于每个电极的集电器。包括负电极和集电器的组件形成阳极，而包括正电极和集电器的组件形成阴极。
这些蓄能器的工作原理是基于通过两个分开和耦合的电化学反应的有效实施将电能转化为化学能的可逆存储。正电极和负电极浸在电解质中，该电解质充当被称为法拉第反应的电化学反应的场所。特别地，电极由可以通过氧化和还原反应储存和释放离子的活性材料制成。
在放电期间，负电极处的活性材料被氧化，并且一方面释放电子，另一方面释放阳离子，电子由集电器的中间体引导到外部电路，阳离子通过电解质朝向正电极迁移。然后，已经穿过电路的电子由此用作能量，并且处于正电极处的活性材料捕获阳离子，并被还原。蓄能器可以释放的能量密度是电化学电池的电势和容量的函数，电化学电池的电势和容量都与系统的化学性质直接相关。电池的电势由在正电极和负电极处同时发生的氧化还原反应的电势之间的差决定。
由于电池的发展，对于许多应用，希望改善电池的导电性以及它们随时间的耐久性。
为此，应该改进电池的每个部分的生产。
通常，集电器由足够导电以确保电子传输的材料制成，集电器重量轻、薄且具有机械抗性，以便用作电极的基板。例如，集电器是由铁、铜、铝、镍、钛或不锈钢或其他相关合金制成的金属板。
然而，金属集电器的厚度通常受到在用于生产蓄能器电极或超级电容器的大规模涂层和砑光期间它们的柔性和机械性能的限制。另外，这样的集电器在这些使用条件下会破裂、起皱或撕裂，这使它们的生产变得困难。
发明内容
需要用于蓄能器的更容易制造的集电器。
为此，提供了一种集电器。集电器包括基板和与基板接触的栅格，基板由第一材料制成，第一材料包括聚合物，栅格由第二材料制成，第二材料包括金属粒子。
根据特定的实施方式，集电器包括单独考虑或根据任何技术上可能的组合考虑的一个或多个下述特征：
-第二材料至少包含粒子。
-第二材料至少包含聚合物和粒子。
-第二材料至少由聚合物和粒子组成。
-第二材料至少包含粘合剂和粒子。
-第二材料至少由粘合剂和粒子组成。
-第二材料包含至少分散在粘合剂中的粒子。
-第二材料由至少分散在粘合剂中的粒子组成。
-第二材料包括从下述组成的列表中选择的至少一种成分：导电金属和合金，特别是金、银、铜、铝、镍、钯、铂和钛；以及金属氧化物，例如氧化铟锡、氟化氧化锡、氧化锡和氧化锌。
-栅格由图案的重复构成；
-集电器还包括涂层，涂层与栅格接触并形成沿层叠方向与基板叠置的层叠物。
-涂层根据第二组合物制成，第二组合物包含导电材料和粘合剂材料，导电材料包括从由下述组成的列表中选择的至少一种成分：碳、炭黑、石墨、石墨烯、碳纳米管、活性碳纤维、非活性碳纳米纤维、金属片、金属粉末、金属纤维和导电聚合物。
-粘合剂材料的重量含量大于或等于30％，优选小于80％。
-导电材料的重量含量大于或等于20％，优选小于70％。
-粘合剂材料由一种或多种聚合物组成；
-涂层和栅格的整个组件的厚度小于或等于15微米，优选小于或等于3微米；
-由栅格和涂层构成的层叠物的厚度小于或等于15微米，优选小于或等于3微米。
-第一材料选自于由下列组成的组：包含至少一个酰胺官能团的聚合物；包含至少一个酰亚胺官能团的聚合物；包含至少一个酰亚胺官能团和一个酰胺官能团的聚合物；聚(苯醚醚酮)；以及聚(萘二甲酸乙二醇酯)。
本说明书还涉及形成阳极或阴极的组件，其包括电极以及如上所述的集电器。
本说明书还涉及一种包括如上所述的组件的用于存储电能的储能装置、电化学蓄能器或超级电容器。
还提出了一种用于制造集电器的方法，其包括：提供基板的步骤，基板由第一材料制成，第一材料包括聚合物；以及沉积与基板接触的栅格的步骤，栅格由第二材料制成，第二材料包括金属粒子。
根据特定的实施方式，制造方法包括单独考虑或根据任何技术上可能的组合考虑的一个或多个以下特征：
-该方法包括另外的用于沉积与栅格的接触的涂层的步骤，该涂层通过沉积包含导电材料和粘合剂材料的组合物形成。
-上述沉积步骤中的至少一个通过印刷技术进行。
附图说明
通过阅读仅通过举例并参照附图给出的本发明的上述方式的以下描述，本发明的其他特征和优点将变得清楚，在附图中：
-图1是蓄能器的例子的示意图；
-图2是图1所示的包括栅格的蓄能器的集电器形成部分的例子的示意性剖视图；
-图3至图8是从上方观察的图2的集电器的栅格的例子的示意图；以及
-图9是图1所示的蓄能器的集电器形成部分的另一个例子的示意性剖视图。
具体实施方式
图1中示出了电力蓄能器10。
蓄能器10旨在连接至其他电力蓄能器以形成具有所需电压和电容的发电机。这样的发电机被称为蓄电池组或简称为电池组。
蓄能器10利用可逆的能量转换技术来存储能量并随后将其释放。
所描述的蓄能器10利用电化学反应，即，蓄能器10是电化学蓄能器。
在所提供的例子中，蓄能器10是用于锂离子电池组的锂离子蓄能器。
作为变型，蓄能器10与另一种技术对应并且是以下类型的蓄能器：铅酸、镍镉(NiCd)、镍-金属氢化物(NiMH)、镍锌(NiZn)、钠-硫(Na S)、钠离子(Na离子)、锂金属聚合物(LMP)、锂聚合物(Li-Po)、锂-硫(Li-S)或镍-锂(Ni-Li)。这样的列表旨在是非限制性的。
在图1的情况下，蓄能器10包括电解质12、阳极14和阴极16。
电解质12、阳极14和阴极16之间的相互作用使蓄能器10可以用作电化学蓄能器。
电解质12由产生用于法拉第或电荷存储反应的离子的不同离子盐、碳酸盐和用于使离子能够溶解的溶剂或溶剂混合物构成。
在锂离子蓄能器中，离子盐例如为六氟磷酸锂(LiPF6)、双(三氟甲烷磺酰基)酰亚胺锂盐(LiTFSI)、四氟硼酸锂(LiBF4)和双(草酸)硼酸锂(LiBOB)、二氟(草酸)硼酸锂(LiDFOB)。
碳酸盐例如为碳酸丙烯酯(PC)、碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)或碳酸二乙酯(DEC)。
还可以以较小的比例找到乙酸甲酯或甲酸甲酯、乙腈、四氢呋喃或γ-丁内酯以及后者的二元或三元或甚至四元混合物以及离子液体。
在下文中，仅更具体地描述阴极16，理解所描述的所有元件通过仅调整阳极的组合物而也都对阳极14同样有效。
阴极16包括电极18和集电器20。
电极18是沉积在集电器20上的层。
电极18与电解质12接触。
在图2中示意性示出了集电器20的例子。
集电器20包括基板22和与基板22接触的栅格24。
基板22是平面层，也就是说主要在一个平面中延伸的层。
垂直于上述平面的方向是层叠方向。在图2中通过Z轴表示层叠方向。此外，下面将层叠方向表示为层叠方向Z。为了方便起见，在图2中还定义了与X和Y轴对应的两个横向方向，每个横向方向都垂直于层叠方向Z并且彼此垂直。第一横向方向X垂直于图2的平面，而第二横向方向Y在图2的平面中。
此外，根据定义，层或元件的厚度是沿层叠方向Z的尺寸。
基板22的厚度小于或等于18微米(μm)。
基板22是柔性的。
在本文中，术语“柔性”应理解为基板22比金属基板更具柔性。
基板22由第一材料M1制成。
第一材料M1包括聚合物或聚合物的混合物。
在下文中，为了简单起见，术语“聚合物”被用于表示单种聚合物和多种聚合物的混合物。
第一材料M1是聚合物或由聚合物组成。
在一些实施方式中，聚合物是多孔的。
作为变型，第一材料M1是纸或织物。
举例来说，第一材料M1是聚(对苯二甲酸乙二醇酯)，也称为PET。
更一般地，第一材料M1是从由以下化合物组成的组中选择的至少一种材料：聚丙烯酸酯(AA)；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)；乙烯乙烯醇(E/VAL)；氟化乙烯丙烯(FEP)；全氟烷氧树脂(perfluoroalkoxy，PFA)；三氟氯乙烯(CTFE)；高抗冲聚苯乙烯(HIPS)；三聚氰氨甲醛(MF)；液晶聚合物(LCP)；聚缩醛(POM)；丙烯腈(PAN)；苯酚-甲醛塑料(PF)；聚酰胺(PA)；聚酰胺-酰亚胺(PAI)；聚芳醚酮(PAEK)；聚醚醚酮(PEEK)；顺式1,4-聚丁二烯(PBD)；反式1,4-聚丁二烯(PBD)；聚1-丁烯(PB)；聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)；聚己内酰胺；聚碳酸酯(PC)；聚碳酸酯/丙烯腈丁二烯苯乙烯(PC/ABS)；聚2,6-二甲基-1,4-亚苯基醚(PPE)；聚双环戊二烯(PDCP)；聚酯(PL)；聚醚醚酮(PEEK)；聚醚酰亚胺(PEI)；聚乙烯(PE)；低密度聚乙烯(LDPE)；中密度聚乙烯(MDPE)；高密度聚乙烯(HDPE)；超高密度聚乙烯(UHDPE)；氯化聚乙烯(PEC)；聚(乙二醇)(PEG)；聚乙烯六亚甲基二氨基甲酸酯(PEHD)；聚环氧乙烷(PEO)；聚醚砜(PES)；聚乙烯硫化物(PES)；聚对苯二甲酸乙二酯(PET)；酚醛塑料(PF)；聚己二酰己二胺(PHMA)；聚亚乙基癸二酰胺(PHMS)；聚甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)；聚酰亚胺(PI，例如KAPTON)；聚异丁烯(PM)；聚酮(PK)；聚乳酸(PLA)；聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；聚甲基戊烯(PMP)；聚间甲基苯乙烯(PMMS)；聚对甲基苯乙烯(PPMS)；聚甲醛(POM)；聚亚戊基六亚甲基二氨基甲酸酯(PPHD)；间聚苯(poly(m-phenylene))；间苯二甲酰胺(PMIA)；聚苯醚(PPO)；对聚苯硫(PPS)；聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)；聚邻苯二酰胺(PTA)；聚丙烯(PP)；聚环氧丙烷(PPDX)；聚苯乙烯(PS)；聚砜(PSU)；聚四氟乙烯(PTFE)；聚(对苯二甲酸亚丙基酯)(PTT)；聚氨酯(PU)；聚乙烯醇缩丁醛(PVB)；聚氯乙烯(PVC)；聚偏二氯乙烯(PVDC)；聚偏二氟乙烯(PVDF)；聚乙烯基甲基醚(PVME)；聚(乙烯基吡咯烷酮)(PVP)；有机硅(SI)；苯乙烯-丙烯腈树脂(SAN)；热塑性弹性体(TPE)；热塑性聚合物(TP)；以及脲甲醛(UF)。
有利地，第一材料M1可用于高达160℃的温度。
其他第一材料M1的使用可以增强在高温(例如，高达300℃的温度)下的这种稳定性。
例如，第一材料M1是包含至少一个酰胺官能团和/或至少一个酰亚胺官能团的聚合物。
从功能的观点来看，栅格24用作导电网络。
在结构上，栅格24是界定内部区域的元件。
根据所示的例子，上述区域对应于孔。
作为变型，上述区域由与栅格24相同的材料制成并且具有的厚度小于栅格24的厚度。
栅格24是由基本图案构成的铺设结构(tiling)，也就是说，基本图案在栅格的整个扩展区域上的重复。
参照图3至图8，可以想到多个形状的栅格24，特别是多个基本图案。
图3中的基本图案是正方形，图4中的基本图案是三角形，图5中的基本图案是蜂窝，图6中的基本图案是其相对的顶点通过线段连接的蜂窝，图7中的基本图案是其对边的中间通过线段连接的正方形，并且图8中的基本图案是具有对角线的正方形。
更一般地，基本图案是一组有限的点，其中一些点通过线段连接。
栅格24的厚度小于或等于15微米，有利地小于5微米，优选小于3微米。
栅格24由第二材料M2制成。
栅格24以液体油墨或第一组合物C1的形式沉积。
因此栅格24沉积在基板22上。
第一组合物C1包含第二材料M2(第二材料M2可以存在另外的成分，例如粘合剂，它们的整体形成第一组合物C1)，第二材料M2选自：
·导电金属和合金，特别是金、银、铜、铝、镍、钯、铂、钛、铁、锌、锰、铬、钒或不锈钢；以及
·金属氧化物，例如氧化铜、氧化铝、氧化铟和氧化锡、氟化氧化锡、氧化锡和氧化锌或它们的混合物。
更优选地，第一组合物C1包含金属粒子。
根据描述的例子，第一组合物C1包含金属粒子。
这样的粒子可以具有任何类型的形状。优选地，粒子是球形的。
对于每个粒子，直径定义为粒子表面上两点之间的最大距离。
直径例如通过激光粒度测定技术测量。
激光衍射粒度测定技术通过测量激光束通过分散粒子的样品时散射光强度的角度变化来测量粒度分布。大粒子对激光束以小角度散射光，小粒子以较大的角度散射光。
在第一组合物C1的粒子中，每个粒子的直径小于或等于100微米。
优选地，粒子是纳米粒子。
纳米粒子是每个尺寸都小于100纳米的粒子。
第一组合物C1通过印刷方法沉积在基板22上，印刷方法尤其包括丝网印刷、苯胺印刷、凹版印刷、胶版印刷或喷墨印刷，这可以施加基于金属粒子的组合物涂层。
蓄能器10的操作与现有技术的电化学蓄能器的操作一致。
作为简要概述，收集器20由相对较薄的聚合物基板22和金属纳米粒子的导电层构成，金属纳米粒子的导电层呈栅格24的形式并且具有相对较小的厚度。
结果，这样的集电器20能够节省沉积在基板22上的材料，这可以减小质量。
关于质量的增益也来自基板22，基板22是聚合物材料而不是金属板。实际上，金属的密度是聚合物材料密度的至少两倍。例如，铜的密度为8.9g/cm3(克每立方厘米)，而PET的密度是1.3g/cm3。
这可以获得比标准集电器更薄、更轻和更具柔性的集电器20，同时还保持集电器20的良好导电性。
另外，通过使用印刷的聚合物基板提供的柔性可以想到更薄且更耐与其使用相关的约束的基板。
金属粒子的使用还可以减小质量，因为组合物C1中的金属密度较低。
另外，结果是栅格24的厚度减小，特别是相对于没有小于3μm的厚度的可设置且足够导电的金属板而言。
仍然相对于金属板，所提出的沉积模式和金属粒子的使用提供了更大的灵活性。一方面，栅格24可以存在具有不同形状或网孔的多种图案，另一方面，可获得更多类型的材料和组合物C1。
这可以想到通过简单地改变栅格24的性质来优化集电器20的性质，特别是在导电性、对基板22的粘附性或重量方面。
此外，应该注意的是，形成用于粘合金属粒子的粘合材料的一种或多种粘合剂也可以有利于栅格24对基板22的粘附。
因此，可以获得适合于以更高能量密度操作的集电器20。
这种性质已由申请人通过试验进行了证明，如“试验”部分所示。
另外，这样的集电器易于制造。这尤其是在描述用于制造收集器20的方法的例子的示例性操作实施方式时变得明显。
制造方法包括通过使用印刷技术、特别是旋转丝网印刷在基板上沉积栅格。
图9中示出了集电器20的另一个例子。
集电器20还包括基板22和栅格24。
关于图2中所示的集电器20的基板22和栅格24的说明也适用于图9中所示的集电器20的基板22和栅格24。这些说明在下面不再重复。
集电器20还包括涂层26，涂层26与栅格24接触并形成沿着层叠方向Z与基板22叠置的层叠物。
涂层26的厚度小于或等于10μm，有利地小于5μm，优选小于2μm。
在一些情况下，涂层26的厚度小于栅格24的厚度，使得栅格24是明显的。
该层叠物由栅格24和叠置在其上的涂层26构成，该层叠物的厚度小于或等于15μm，优选小于3μm。
涂层26根据或基于第二组合物C2制成。
第二组合物C2包含导电材料MC和粘合剂材料ML。
第二组合物C2由导电材料MC和粘合剂材料ML组成。
只要粘合剂材料ML相对于第二组合物C2的其他材料是惰性的，粘合剂材料ML的选择可以显著变化。粘合剂材料ML包含选自热塑性聚合物、热固性聚合物、弹性体及它们的混合物的一种或多种聚合物。
热塑性聚合物的例子包括但不限于：由脂族或脂环族乙烯基单体的聚合得到的聚合物，例如聚烯烃(包括聚乙烯或聚丙烯)；由乙烯基芳族单体的聚合得到的聚合物，例如聚苯乙烯；由丙烯酸单体和/或(甲基)丙烯酸酯的聚合得到的聚合物；聚酰胺；聚醚酮；聚酰亚胺；聚乙烯醇；氟化聚合物；以及聚丙烯腈。
热固性聚合物的例子包括但不限于热固性树脂(例如环氧树脂、聚酯树脂)，其任选地与聚氨酯或与聚醚多元醇混合，或反之亦然。
弹性体聚合物的例子包括但不限于天然橡胶、合成橡胶、苯乙烯-丁二烯共聚物(也已知缩写“SBR”)、乙烯-丙烯共聚物(也已知缩写“EPM”)、有机硅。
粘合剂材料ML包含或是热塑性聚合物、热固性聚合物和/或弹性体聚合物的混合物。
其他合适的粘合剂材料ML包括交联聚合物，例如由具有羧基的聚合物和交联剂制成的那些。
应当注意，刚刚对第二组合物C2的粘合材料ML所作的说明对于第一组合物C1包含金属粒子和粘合剂材料的情况也是有效的，包括在没有涂层的实施方式中。
特别地，这样的第一组合物C1的粘合剂材料包括选自热塑性聚合物、热固性聚合物、弹性体及它们的混合物的一种或多种聚合物。
粘合剂材料ML的含量大于或等于30重量％。混合物中元素X的重量含量或按重量计的含量是元素X的重量与混合物中所有元素的重量之间的比率。
优选地，粘合剂材料ML的含量小于或等于80重量％。
有利地，粘合剂材料ML的含量在40重量％与70重量％之间。
导电材料MC包括一种或多种类型的导电元素以增强电子导电性。
导电元素的例子包括但不限于导电碳、炭黑、石墨、石墨烯、碳纳米管、活性碳纤维、非活性碳纳米纤维(纳米纤维是尺寸小于1μm的纤维)、金属片、金属粉末、金属纤维和导电聚合物。
第二导电材料MC的含量大于或等于20重量％。
优选地，第二导电材料MC的含量小于或等于70重量％。
有利地，第二导电材料MC的含量在30重量％与60重量％之间。
根据第二实施方式的集电器20的操作类似于根据第一实施方式的集电器20的操作。
涂层26是用于保护栅格24的层。
更确切地说，涂层26防止金属粒子与腐蚀性组分如电解质、活性电荷或溶剂接触而分解。
这也尤其可以防止金属粒子溶解在蓄能器的其他部件中。
另一方面，涂层26可以改善活性材料层与集电器20之间的粘附性和界面。
这种接触的改善可以增加电极的导电性。这意味着可以进一步减小栅格24的内部区域的厚度或增大其表面积，从而减少了制造集电器20所涉及的材料量，由此降低了制造成本。
还应该注意的是，涂层26的保护能力可以想象由于腐蚀风险而在没有涂层26的情况下不能使用的用于栅格24的材料。
因此，可以受益于使用具有增强性能的金属粒子所提供的额外优点。
还可以想到提出栅格24由多种金属材料制成，这可以降低材料的成本价格，同时还保持或甚至改善集电器20的导电性。
涂层26的使用还可以由涂覆或镀有另一种金属的金属粒子制造栅格24。特定的例子是涂有银的铝或铜粒子。这样的金属粒子具有改善的导电性。
这样的集电器20易于制造，因为这在描述用于制造集电器20的方法的例子的示例性实施方式中变得明显。
除了前述步骤之外，制造方法还包括另外用于形成涂层26的步骤。
形成步骤包括提供第二组合物C2的步骤和施加涂层的步骤。
形成步骤例如通过将第二组合物C2施加到设置有栅格24的基板22上的涂覆技术进行。涂层26的形成步骤优选通过使用湿法的辊涂或印刷技术、特别是选自狭缝型模(slotdie)、轮转凹版印刷、丝网印刷和苯胺印刷的技术进行。
制造方法快速且经济。
还可以想到其他实施方式。
作为变型，集电器20是超级电容器的一部分，而不是电化学蓄能器的一部分。
特别地，超级电容器是具有基于水性的有机和离子液体的电解质的超级电容器。
更一般地，集电器20有利地用于电能储存装置。
试验
申请人进行了试验来比较两个集电器。
第一集电器是包括厚度为20微米的涂覆有涂层的铝板的集电器。涂层由碳基材料制成。更具体地，涂层材料包含70重量％的热塑性聚合物和30重量％的炭黑。涂料干燥后的涂层厚度在1μm和1.5μm之间。
第一集电器没有栅格。
第二集电器20是根据图9的集电器20。
基板22的第一材料M1是PET。基板22的厚度为18μm。
栅格24由图8的图案形成。第二材料M2是包含50重量％至60重量％的银纳米粒子和粘合剂的油墨。
第二组合物C2与在第一集电器的情况下用于形成涂层的组合物相同。
栅格24和涂层26的厚度为3.5微米。
利用每个集电器，形成电化学电池。
因此，第一电化学电池由第一集电器、正电极、隔膜、负电极、铝集电器构成。
类似地，第二电化学电池由第二集电器，正电极，隔膜，负电极、铝集电器构成。
在每种情况下，正电极都由涂覆有碳的活性材料和粘合剂制成。活性材料是涂覆有碳黑的LiFePO4，粘合剂是聚偏二氟乙烯，也称为PVDF。
隔膜是聚丙烯膜。该膜用在碳酸亚乙酯和碳酸二乙酯中的六氟磷酸锂电解质(也称为LiPF6EC DEC)浸渍。
负电极由Li4Ti5O12(LTO)制成。
铝集电器是板状。
因此，这可以获得与第二电化学电池进行比较的第一电化学电池。
每个电化学电池都是应变袋型，并且都位于镀铝的柔性封套型容器内。
通过VMP3多通道恒电位仪(Biologic)表征两种电池的电化学性能。
在C/10速度(C/n对应于在n小时内用于将电池加载(放空)到其最大容量的电流水平)下，进行2.05伏(V)和1.0伏之间的三个训练周期，以在负电极上形成固体电解质界面层(也称为SEI)并确保两个电极都能完全正常工作。使用理论容量计算C/10速度。
然后，将两个电池以50％的电荷状态(通常称为“SOC”，这是指“充电状态”)再循环并静置1小时以确保稳定的电势。
然后，记录在5毫伏(mV)的幅度下在500千赫兹(kHz)至10毫赫兹(mHz)的频率范围内的电化学阻抗谱(也称为EIS)。
电化学阻抗谱是用于研究电化学电池的电流/电极/电解质收集器界面处的电化学和物理现象等的技术。
电化学阻抗谱是基于这些电化学系统在稳定和线性条件下的转移功能的研究。为了置于具有非线性系统的这样的条件下，在所谓的稳定工作点(平衡系统)周围施加小幅度扰动。
在申请人进行的试验中，通过在电化学电池的平衡电压附近施加幅度为5mV的正弦电势扰动来进行阻抗测量，该平衡电压对应于电池静止时两个电极之间的电势差。
应该注意，奈奎斯特平面中阻抗的表示可以突出所研究的电池中涉及的各种现象。
实际上，阻抗谱对应于电化学电池内的不同影响，因此是几种现象存在的标志：由电化学电池和集电器的组件产生的接触电阻、电极内Li+离子的电荷转移或扩散的电阻。为了比较集电器的最终电阻，测量了与通过上述所有影响获得的半圆的宽度对应的两个不同的频率点之间的差值，这使得获得了也称为阻抗的电阻。
然后，通过使电池在C/10和C之间放电来进行放电容量的研究，电池的充电相应地以与放电相同的方式固定。
试验方案得到了如下结果。
第二电池的阻抗(16.64Ω.cm2)低于第一电池的阻抗(24.72Ω.cm2)。由于电解质、正电极层和负电极是相同的，只有集电器20的影响可以解释阻抗的改善。
另外，电学测量是根据C/10和C之间的容量研究的结果进行的。
获得的值在下面进行了再现：
Figure BDA0002120390770000131
上表(给出了Ragone图的值)表明，与第一电池相比，第二电池的质量能量密度更好。这突出了由集电器10的轻质提供的益处。在阳极和阴极都使用集电器10的情况下，优点可能更明显。
此外，结果证明了通过集电器10所获得的质量方面的增益引起的包含集电器10的电化学电池的电化学性能的改善。

Claims (15)

1.一种集电器(20)，其包括：
-基板(22)，所述基板(22)由第一材料(M1)制成，所述第一材料(M1)材料(M1)包括聚合物，以及
-沉积在所述基板(22)上的栅格(24)，所述栅格(24)由第二材料(M2)制成，所述第二材料(M2)包括金属粒子。
2.根据权利要求1所述的集电器，其中，所述第二材料(M2)包括从由下述组成的列表中选择的至少一种成分：
-导电金属和合金；以及
-金属氧化物。
3.根据权利要求1所述的集电器，其中，所述栅格(24)是图案的重复。
4.根据权利要求1所述的集电器，其中，所述集电器(20)还包括涂层(26)，所述涂层(26)与所述栅格(24)接触并形成沿层叠方向与所述基板(22)叠置的层叠物。
5.根据权利要求4所述的集电器，其中，所述涂层(26)根据第二组合物(C2)制成，所述第二组合物(C2)包含导电材料(MC)和粘合剂材料(ML)，所述导电材料(MC)包括从由下述组成的列表中选择的至少一种：
-碳，
-碳黑，
-石墨，
-石墨烯，
-碳纳米管，
-活性碳纤维，
-非活性碳纳米纤维，
-金属片，
-金属粉末，
-金属纤维，以及
-导电聚合物。
6.根据权利要求5的集电器，其中，所述粘合剂材料(ML)的重量含量大于或等于30％。
7.根据权利要求5的集电器，其中，所述导电材料(MC)的重量含量为大于或等于20％。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的集电器，其中，所述粘合剂材料(ML)由一种或多种聚合物组成。
9.根据权利要求5至7中任一项所述的集电器，其中，所述涂层(26)和所述栅格(24)的整个组件的厚度小于或等于15微米，或者由所述栅格(24)和所述涂层(26)构成的所述层叠物的厚度小于或等于15微米。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的集电器，其中，所述第一材料(M1)选自于由下述组成的组：
-包含至少一个酰胺官能团的聚合物；
-包含至少一个酰亚胺官能团的聚合物；
-包含至少一个酰亚胺官能团和一个酰胺官能团的聚合物；
-聚(苯醚醚酮)；以及
-聚(萘二甲酸乙二酯)。
11.一种形成阳极或阴极的组件，其包括：
-电极，以及
-根据权利要求1至7中任一项所述的集电器(20)。
12.一种电能存储装置、电化学蓄能器或超级电容器，其包括根据权利要求11所述的组件。
13.一种用于制造集电器(20)的方法，其包括：
-提供基板(22)的步骤，所述基板(22)由第一材料(M1)制成，所述第一材料(M1)包括聚合物，以及
-在所述基板(22)上沉积栅格(24)的步骤，所述栅格(24)由第二材料(M2)制成，所述第二材料(M2)包括金属粒子。
14.根据权利要求13所述的用于制造集电器(20)的方法，其包括另外用于沉积与所述栅格(24)接触的涂层(26)的步骤，所述涂层(26)通过沉积组合物(C2)来制备，所述组合物(C2)包含导电材料(MC)和粘合剂材料(ML)。
15.根据权利要求13的用于制造集电器(20)的方法，其中，所述沉积步骤中的至少一个通过印刷技术进行。
CN201910604918.XA 2018-07-05 2019-07-05 栅格集电器及相关的装置和方法 Pending CN110690453A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1856207 2018-07-05
FR1856207A FR3083649B1 (fr) 2018-07-05 2018-07-05 Collecteur de courant a grille et dispositifs et procedes associes

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110690453A true CN110690453A (zh) 2020-01-14

Family

ID=65951615

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910604918.XA Pending CN110690453A (zh) 2018-07-05 2019-07-05 栅格集电器及相关的装置和方法

Country Status (8)

Country Link
US (1) US11133509B2 (zh)
EP (1) EP3591750A1 (zh)
JP (1) JP2020009764A (zh)
KR (1) KR20200005494A (zh)
CN (1) CN110690453A (zh)
AU (1) AU2019204813A1 (zh)
BR (1) BR102019013896A2 (zh)
FR (1) FR3083649B1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114156485A (zh) * 2020-09-07 2022-03-08 黄炳照 复合修饰层及其于无阳极锂电池的应用

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021171999A1 (ja) * 2020-02-26 2021-09-02 株式会社村田製作所 導電性基体および二次電池
KR102325918B1 (ko) 2020-04-01 2021-11-15 중앙대학교 산학협력단 유연성과 높은 축전용량을 갖는 고종횡비 슈퍼커패시터 전극 및 그 제조방법
CN115911396A (zh) * 2021-09-30 2023-04-04 比亚迪股份有限公司 集流体、电极片以及集流体的制备方法

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5554459A (en) * 1996-01-23 1996-09-10 Bell Communications Research, Inc. Material and method for low internal resistance LI-ion battery
US8722235B2 (en) * 2004-04-21 2014-05-13 Blue Spark Technologies, Inc. Thin printable flexible electrochemical cell and method of making the same
JP2009533831A (ja) * 2006-04-18 2009-09-17 コモンウェルス サイエンティフィック アンド インダストリアル リサーチ オーガニゼイション 可撓性エネルギー貯蔵素子
FR2961637B1 (fr) * 2010-06-16 2012-07-27 Commissariat Energie Atomique Collecteur de courant avec moyens d'etancheite integres, batterie bipolaire comprenant un tel collecteur
JP5977236B2 (ja) * 2010-08-09 2016-08-24 エルジー・ケム・リミテッド プライマーでコーティングされたカソード集電体及びそれを備えたマグネシウム二次電池
WO2014182064A1 (ko) * 2013-05-07 2014-11-13 주식회사 엘지화학 이차전지용 전극, 그의 제조방법, 그를 포함하는 이차전지 및 케이블형 이차전지
KR101661174B1 (ko) * 2015-05-22 2016-10-10 한국과학기술연구원 플렉시블 박막형 리튬이차전지 및 그 제조방법
KR20170089083A (ko) * 2016-01-25 2017-08-03 성균관대학교산학협력단 금속 격자구조체의 제조방법 및 그로부터 제조된 금속 격자구조체
KR101782973B1 (ko) * 2016-02-19 2017-09-28 (주)플렉스파워 고출력 인쇄 전지
US20170271678A1 (en) * 2016-03-15 2017-09-21 GM Global Technology Operations LLC Primer Surface Coating For High-Performance Silicon-Based Electrodes
GB2554367B (en) * 2016-09-22 2021-02-24 Dst Innovations Ltd Flexible supercapacitors and manufacture thereof
US10418662B2 (en) * 2016-12-20 2019-09-17 Nanotek Instruments, Inc. Flexible and shape-conformal cable-type alkali metal batteries

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114156485A (zh) * 2020-09-07 2022-03-08 黄炳照 复合修饰层及其于无阳极锂电池的应用
TWI771125B (zh) * 2020-09-07 2022-07-11 國立臺灣科技大學 複合修飾層及其於無陽極鋰電池之應用

Also Published As

Publication number Publication date
BR102019013896A2 (pt) 2020-02-18
US11133509B2 (en) 2021-09-28
US20200014032A1 (en) 2020-01-09
JP2020009764A (ja) 2020-01-16
EP3591750A1 (fr) 2020-01-08
FR3083649B1 (fr) 2020-06-26
FR3083649A1 (fr) 2020-01-10
KR20200005494A (ko) 2020-01-15
AU2019204813A1 (en) 2020-01-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11133509B2 (en) Grid current collector and associated devices and methods
JP6014021B2 (ja) リチウム含有電解質を有する電気化学キャパシタ
US8004823B2 (en) Lithium ion capacitor
US8232009B2 (en) Electric storage device
JP5292676B2 (ja) 双極型電池用電極
US9496541B2 (en) Accumulator device
JP2012517660A (ja) 電力−及びエネルギー密度が最適化された、電気化学的なエネルギー貯蔵要素のための平坦な電極
JPWO2016159058A1 (ja) リチウムイオン二次電池及びその製造方法
KR20160114587A (ko) 비수계 이차전지용 세퍼레이터 및 비수계 이차전지
WO2017104583A1 (ja) 全固体二次電池、全固体二次電池用電極シート及びこれらの製造方法
JP2018106984A (ja) 全固体リチウムイオン電池
KR101863399B1 (ko) 축전 디바이스
CN110741493B (zh) 锂二次电池的负极及包括该负极的锂二次电池
JP2014060125A (ja) リチウムイオン二次電池
US11081761B2 (en) Flexible electrode-separator elements and processes for their preparation
EP2838144A1 (en) Collector, electrode structure, nonaqueous electrolyte battery, and electricity storage component
WO2019022063A1 (ja) 電極、蓄電素子、及び電極の製造方法
JP2015023001A (ja) 蓄電デバイス用多孔質集電体、電極および蓄電デバイス
JP2014216452A (ja) 蓄電デバイス
JP2018018760A (ja) 二次電池
JP6995579B2 (ja) 二次電池用不織布集電体
JP2008016381A (ja) 電池用電極
JP2011222258A (ja) リチウムイオン二次電池
KR20200036519A (ko) 전기화학소자의 제조방법
JP2021157900A (ja) リチウムイオン二次電池

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20200114