CN113892203A - 碳毡基电极组件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的各种实施例提供一种无需任何黏合剂添加物而制造碳毡基电极的方法。将导电聚合物黏合剂的涂层施加在集电器上。将碳毡放置在集电器的任一侧以得到组件。在预定条件下将包括集电器和碳毡的组件放置在热压机的板材之间，以固化施加在集电器表面的黏合剂，并获得电极的夹层结构。根据电极所需的厚度和孔隙率，将电极的夹层结构置于滚柱下并加压。在裁剪程序中使用电极切割模具将电极切割成所需的形状。与基于黏合剂且性质易碎的碳毡电极相比，所制备的碳毡基电极表现出较高的柔性和机械强度。

Description

碳毡基电极组件及其制造方法
本申请主张2018年11月16日提交的序号第201811043134号的印度临时专利申请案的优先权，并在6个月后的2019年5月16日以发明名称为“碳毡基电极组件及其制造方法”提交，其内容作为参考文献完整地并入本文。本申请进一步将2018年11月15日提交的序号201811043051的印度临时专利申请案内容作为参考文献完整地并入本文，其发明名称为“制备石墨毡的方法”。
技术领域
本发明的实施例一般涉及电极组件。本发明的实施例具体涉及一种用于电化学应用的碳毡基电极，如燃料电池、超级电容器、金属空气电池、金属离子电池、氧化还原液流电池等。本发明的实施例更具体地涉及一种碳毡基电极结构或组合物，以及一种制造具有增强的电流收集能力的柔性、无支撑并具机械强度的碳毡基电极的方法。
背景技术
对于任何储能技术，电极材料都是重要的组成，因为它直接影响能量和功率密度。适用且合格的电极材料应具有良好的导电性、高比表面积、优异的电化学活性，以及低成本。传统的金属电极具有较差的电化学可逆性，并且容易因电解质介质而钝化/不反应。虽然含有铂、铱、硒、锆和钌的贵金属基电极具有较高的电化学活性、良好的催化性能和良好的化学稳定性，但由于成本过高，这些材料在大规模的应用受到限制。
一般用于电化学应用的现有形式的碳毡电极由于其易脆且易碎，因此机械稳定性较差，高电阻率转化为高欧姆损失，以及差的润湿性导致电化学活性不足。
为了实现大规模应用及成本效益，需要生产具有高电导率、高比表面积、良好的电化学稳定性和在强酸/碱条件下(硫酸、氢氧化钠/氢氧化钾支持电解质)具稳定性的电极，并大规模生产。具体而言，碳毡被选为最广泛使用的电极材料，因为其具有高电导率、高比表面积、良好的电化学稳定性，以及在强酸/碱条件下(硫酸、氢氧化钠/氢氧化钾支持电解质)具稳定性。将各种碳粉与聚合物黏合剂材料混合以获得这些碳毡电极材料。但这些聚合物黏合剂实际上对碳基材料的电催化性能、导电性和电流收集能力产生很大的负面影响。
基于有机/无机黏合剂的聚合物并由碳纺布碳化形成的的碳毡电极，常常被发现具易碎性。当将这些易碎性碳毡制成的碳毡电极组装到燃料电池、金属空气电池，或是氧化还原液流电池中时，会由于柔性差和机械稳定性低而导致电极的泄漏和退化等诸多问题。
这些碳毡支撑电极的改性和改变是非常需要的研究领域，以提高其电化学和催化活性及其在各种储能应用中的利用，如燃料电池、超级电容器、金属空气电池、金属离子电池，以及氧化还原液流电池等。
因此，需要一种无需任何黏合剂添加物而制造碳毡基电极的方法。此外，需要制造与其他市售碳毡相比具有柔性、机械强度并表现出优异电流收集能力的碳毡基电极。再进一步，需要具有高表面积、可调的孔结构和表面形态以及电化学活性的碳毡基电极。在诸如金属空气电池、燃料电池、氧化还原液流电池和超级电容器的储能应用中也需要碳毡基电极。
在本文中解决了上述缺点、劣势和问题，通过阅读以下说明书就可理解。
发明内容
本发明的主要目的是提供制造碳毡基电极组合物或碳毡基电极组件结构，以及制造碳毡基电极的方法，以用于电化学应用，如燃料电池、超级电容器、金属空气电池、金属离子电池，以及氧化还原液流电池等。
本发明的另一目的是提供一种制造碳毡基电极的方法，选自由发泡石墨、膨胀石墨、薄片化石墨、石墨烯泡沫、石墨烯3D结构、3D石墨烯、石墨烯薄片、石墨烯片、活性碳、单壁和多壁碳纳米管、碳黑及其衍生物所组成的群组中的多种碳基材料。
本发明的又一目的是提供一种无需任何黏合剂添加物而制造碳毡基电极的方法。
本发明的另一目的是提供一种碳毡基电极组件结构，该结构具柔性和机械强度。
本发明的又一目的是提供一种具有增强电流收集能力的碳毡基电极组件。
本发明的另一目的是提供一种碳毡基电极组件，其包括碳毡与诸如金属网、金属筛网、金属箔、金属泡沫、穿孔金属片、无纺金属纤维，以及导电聚合物等各种形式的集电器之间形成的牢固黏合。
本发明的又一目的是提供一种碳毡基电极组件结构，其包括碳毡和选自由铝、银、镍、金、铁铂所组成的群组的金属集电器之间的牢固黏合。
本发明的另一目的是提供一种导电黏合剂，以提高碳毡基电极的电流收集能力，并且其中黏合剂选自由石墨烯基黏合剂、碳纳米管基黏合剂、碳黑基黏合剂、银胶、导电环氧树脂、金属那米颗粒基的黏合剂，以及其组合所组成的群组。
本发明的又一目的是提供一种加工技术，以制造所述碳毡基电极组件，其中集电器夹在两个碳毡之间。
本发明的另一目的是提供一种加工技术，以制造所述碳毡基电极组件，并且其中加工技术选自由热压、冷压，以及液压压缩所组成的群组。
本发明的又一目的是提供一种轧制程序，用于制造碳毡基电极，包括但不限于热轧，使用两台高轧机、三台高轧机和两台可逆式轧机的冷轧。
本发明的另一目的是提供一种碳毡基电极组件，其中通过轧制程序将碳毡基电极组件的厚度优化在0.4mm至5mm的范围内。
本发明的又一目的是提供一种碳毡基电极组件，其中通过轧制程序将碳毡基电极的孔隙率优化在5至150pm的范围内。
本发明的另一目的是提供一种碳毡基电极组件，其中通过轧制程序将碳毡基电极的密度优化在0.3g/cm3至2g/cm3的范围内。
本发明的又一目的是提供具有可调的表面形态的碳毡基电极。
本发明的另一目的是提供一种碳毡基电极组件的裁剪程序，以提供所述碳毡基电极所需的形状。
从以下详细的描述并结合附图，将更清楚的理解本发明上述及其他目的和优点。
本文的各种实施例提供了碳毡基电极组件，其中金属集电器结合在两个碳毡之间用于机械支撑。本发明的实施例提供一种用于制造碳毡基电极组件的方法，所述电极组件具有承受高压、提高电极的电流收集效率的能力，从而减少以欧姆损耗形式损失的一部分能量。本发明的实施例还提供一种无需任何黏合剂添加物而制造碳毡基电极的方法。
根据本发明的一实施例，一种无需任何黏合剂添加物而制造碳毡基电极的方法包括以下步骤。将导电聚合物黏合剂的涂层施加在集电器上。将碳毡放置/定位在集电器的任一侧以完成碳毡和集电器的组件。将包括集电器和碳毡的组件放置在热压机板材之间，并在预定条件下进行加工，以固化施加在集电器表面的黏合剂，以促进/增加集电器和碳毡之间的黏合，从而获得电极的夹层结构。根据碳毡基电极所需的厚度和孔隙率，将电极的夹层结构置于滚柱下并加压。通过裁剪程序，使用电极切割模具将电极切割成所需的形状。
根据本发明的一实施例，在热压机中用于固化施加在集电器表面的黏合剂的预定条件是压力和温度。预定的施加压力在0.1Mpa至200MPa的范围内。热压机的预定温度在25℃至200℃的范围内。热压机将碳毡的厚度降低到原始值的5％至25％。
根据本发明的一实施例，金属集电器赋予碳毡基电极机械强度。金属集电器的设计是为了承受压力，并达到增强碳毡基电极的电流收集能力。集电器是选自由铝、银、镍、金、铁、铂和合金所组成的群组中的金属制成。集电器的结构形式选自由网、筛网、箔、泡沫、穿孔金属片、无纺金属纤维所组成的群组。
根据本发明的一实施例，导电聚合物黏合剂选自由碳纳米管(CNT)基黏合剂、碳黑基黏合剂、银胶、导电环氧树脂，以及金属纳米颗粒基黏合剂所组成的群组。导电聚合物黏合剂增强金属集电器和碳毡之间的黏合。
根据本发明的一实施例，用于制造碳毡基电极的轧制技术选自由热轧程序和冷轧程序所组成的群组。轧制程序/技术使碳毡基电极的厚度优化在0.4至5mm的范围内，并且其中轧制程序/技术使碳毡基电极的孔隙率优化在5至150pm的范围内。轧制程序/技术使碳毡基电极的密度优化在0.3g/cm3至2g/cm3的范围内。
根据本发明的一实施例，与基于黏合剂的碳毡基电极相比，所制造的碳毡基电极表现出增强的柔性和机械强度。碳毡和金属集电器之间的黏合导致高功率输出。
当结合以下描述和附图来考虑时，将更好地理解和认识本发明实施例的这些和其他方面。然而，应该注意的是，尽管以下描述指出优选实施例及其许多具体细节，但只是以说明的方式指出，而非限制性的。在不脱离本实施例的精神的情况下，可在本实施例的范围内进行多种变化和修改，并且本发明的实施例包括所有这样的修改。
附图说明
本领域技术人员将从以下优选实施例的描述以及附图想到其他目的、特征和优点，其中：
图1示出根据本文的一实施例说明无需任何黏合剂添加物而制造碳毡基电极的方法的流程图。
图2示出根据本文的一实施例的碳毡基电极组件的分解组装图。
本发明的特征在附图中进行了描述，并且其中的一些特征没有全部示出。这些特征可与本发明中存在的任何或所有其他特征组合。
具体实施方式
以下的详细说明中，参照构成其一部分的附图，其中通过说明的方式示出可实施的具体实施例。对这些实施例进行足够详细的说明，以使本领域技术人员能够实践这些实施例，需注意的是，在不脱离这些实施例的范围的情况下，可做出逻辑、机械和其他改变。因此，以下详细的说明不应被视为限制性的。
本文的各种实施例提供碳毡基电极组件，其中金属集电器结合在两个碳毡之间，用于机械支撑。本发明的实施例提供一种用于制造碳毡基电极组件的方法，所述电极组件具有承受高压、提高电极的电流收集效率能力，从而减少以欧姆损耗形式损失的一部分能量。本发明的实施例还提供一种无需任何黏合剂添加物而制造碳毡基电极的方法。
根据本发明的一实施例，一种无需任何黏合剂添加物而制造碳毡基电极的方法包括以下步骤。将导电聚合物黏合剂的涂层施加在集电器上。将碳毡放置/定位在集电器的任一侧以完成碳毡和集电器的组件。将包括集电器和碳毡的组件放置在热压机板材之间，并在预定条件下进行加工，以固化施加在集电器表面的黏合剂，以促进/增加集电器和碳毡之间的黏合，从而获得电极的夹层结构。根据碳毡基电极所需的厚度和孔隙率，将电极的夹层结构置于滚柱下并加压。通过裁剪程序，使用电极切割模具将电极切割成所需的形状。
根据本发明的一实施例，在热压机中用于固化施加在集电器表面的黏合剂的预定条件是压力和温度。预定的施加压力在0.1Mpa至200MPa的范围内。热压机的预定温度在25℃至200℃的范围内。热压机将碳毡的厚度降低到原始值的5％至25％。
根据本发明的一实施例，金属集电器赋予碳毡基电极机械强度。金属集电器的设计是为了承受压力，并达到增强碳毡基电极的电流收集能力。集电器是选自由铝、银、镍、金、铁、铂，以及合金所组成的群组中的金属制成。集电器的结构形式选自由网状、筛网、箔、泡沫、穿孔金属片，以及无纺金属纤维所组成的群组。
根据本发明的一实施例，导电聚合物黏合剂选自由碳纳米管(CNT)基的黏合剂、碳黑基黏合剂、银胶、导电环氧树脂，以及金属纳米颗粒基黏合剂所组成的群组。导电聚合物黏合剂增强金属集电器和碳毡之间的黏合。
根据本发明的一实施例，用于制造碳毡基电极的轧制技术选自由热轧程序和冷轧程序所组成的群组。轧制程序/技术使碳毡基电极的厚度优化在0.4至5mm的范围内，并且其中轧制程序/技术使碳毡基电极的孔隙率优化在5至150pm的范围内。轧制程序/技术使碳毡基电极的密度优化在0.3g/cm3至2g/cm3的范围内。
根据本发明的一实施例，与基于黏合剂的碳毡基电极相比，所制造的碳毡基电极表现出增强的柔性和机械强度。碳毡和金属集电器之间的黏合导致高功率输出。
根据本发明的一实施例，无需任何黏合剂添加物而制造碳毡基电极的整个过程包括以下步骤。第一步包括在集电器上施加导电聚合物或黏合剂的涂层。第二步包括将碳毡放置在集电器的任一侧。第三步包括将整个组件放置在热压机的板材之间，并对其施加压力以固化施加在集电器上的黏合剂。施加的压力在0.1MPa至200MPa的范围内。在25℃至200℃的温度范围内施加压力。固化确保碳毡和集电器之间的牢固黏合。固化后，根据电极所需的厚度和孔隙率，在预定压力下将夹层结构通过滚柱进行轧制。在称为裁剪程序的最后一步中，根据多种应用，使用模具将电极切割成所需的形状。
根据本发明的一实施例，碳毡基电极包括金属集电器、碳毡，以及导电黏合剂。
根据本发明的一实施例，将金属集电器结合在碳毡基电极中，以赋予其机械强度/坚固性。碳毡基电极增强的机械强度可承受高压，增强电极的电流收集能力并减少以欧姆损耗形式损失的能量比例。
根据本发明的一实施例，集电器的结构形式选自由网、筛网、箔、泡沫、穿孔金属片，以及无纺金属纤维所组成的群组。集电器是选自由铝、银、镍、金、铁、铂，以及其合金所组成的群组中的金属制成。
根据本发明的一实施例，导电聚合物黏合剂选自由碳纳米管(CNT)基黏合剂、碳黑基黏合剂、银胶、导电环氧树脂，以及金属纳米颗粒基黏合剂所组成的群组。上述导电聚合物黏合剂在金属集电器和碳毡之间提供牢固的黏合。此外，增强的导电性确保碳毡和金属集电器之间的电荷转移阻力更小。
根据本发明的一实施例，导电聚合物黏合剂是聚合物基。典型的导电聚合物黏合剂由聚合物基体组成，其在恒温器、弹性体或热塑性塑料中有所不同，并且包含导电填料，如金属薄片、金属纳米颗粒或任何导电碳同素异形体，包括碳黑、碳纳米管和石墨烯。
根据本发明的一实施例，碳毡或石墨毡是由申请人在2018年11月15日提交的序号201811043051的印度临时专利申请案“制备石墨毡的方法”中的已知方案合成。
根据本发明的一实施例，无黏合剂石墨毡由选自碳泡沫、膨胀石墨、薄片化石墨、石墨烯片、石墨烯带、石墨烯薄片、石墨烯泡沫、石墨烯海绵、石墨烯气凝胶、石墨烯3D结构、高度膨胀石墨、交联石墨烯片、洋葱状石墨烯、石墨烯球，以及其衍生物所组成的群组中的石墨烯材料合成。
根据本发明的一实施例，石墨毡通过石墨烯材料的解聚，随后对石墨毡/碳毡进行模塑来合成。
图1示出根据本文的一实施例说明无需任何黏合剂添加物而制造碳毡基电极的方法的流程图。在集电器上施加导电聚合物黏合剂的涂层(101)。将碳毡放置在集电器的任一侧以获得碳毡和集电器的组件(102)。将包括集电器和碳毡的组件放置在热压机板材之间，用于固化施加在集电器表面的黏合剂，以促进集电器和碳毡之间的黏合，从而获得电极的夹层结构(103)。根据电极所需的厚度和孔隙率，将电极的夹层结构置于滚柱下进行轧制(104)。通过裁剪程序，使用电极切割模具将电极切割成所需的形状(105)。
根据本发明的一实施例，压制技术用于制造碳毡基电极，其中将集电器夹在两个碳毡之间。
根据本发明的一实施例，压制技术是热压、冷压和液压压缩中的一种，其将碳毡的厚度减少到原始值的5至25％。
根据本发明的一实施例，用于制造碳毡基电极的轧制技术选自由热轧和冷轧所组成的群组。轧制技术使用两台高轧机、三台高轧机，或是两台可逆式轧机进行。
根据本发明的一实施例，轧制技术使碳毡基电极的厚度优化在0.4mm至5mm的范围内。轧制程序/技术使碳毡基电极的孔隙率优化在5至150pm的范围内，此种可调的孔隙率适用于燃料电池、金属空气，以及氧化还原液流电池，以实现高效的催化反应。经过轧制技术/程序后的碳毡基电极的密度在0.3g/cm3至2g/cm3的范围内。
根据本发明的一实施例，碳毡基电极具有可调的表面形态，其中此种可调的形态与燃料电池、金属离子、金属空气，以及氧化还原液流电池相关，以实现高效的电子迁移率和电流收集能力。
根据本发明的一实施例，使用裁剪程序赋予碳毡基电极预定的形状。将切割模具用于裁剪程序。
图2示出根据本文的一实施例的碳毡基电极组件的分解组装图。图2示出分别在碳毡(201和202)之间的集电器(203)。将导电聚合物黏合剂的涂层施加在集电器(203)的表面上。导电聚合物黏合剂涂层的施加用于促进集电器(203)和碳毡(201和202)之间的黏合。
根据本发明的一实施例，提供了由各种碳基材料制备碳毡基电极的方法，所述碳基材料是选自由发泡石墨(carbon foam)、膨胀石墨、薄片化石墨、石墨烯泡沫、石墨烯3D结构、3D石墨烯、石墨烯薄片、石墨烯片、活性碳、单壁和多壁碳纳米管、碳黑，以及其衍生物所组成的群组中的至少一种。
根据本发明的一实施例，与其他基于黏合剂且具易碎性的碳毡电极相比，所制备的碳毡基电极表现出高柔性和机械坚固性。
根据本发明的一实施例，碳毡基电极具有优良的电流收集能力。此外，电极涉及与各种形式的集电器诸如金属网、金属筛网、金属箔、金属泡沫、穿孔金属片、无纺金属纤维和导电聚合物形成牢固的黏合。
根据本发明的一实施例，碳毡基电极涉及碳毡和金属集电器之间牢固的黏合。由于碳毡和金属集电器的这种协同电流收集能力，牢固的黏合导致高功率输出。
根据本发明的一实施例，碳毡基电极显示出高比表面积、可控的表面形态、可调的孔结构，从而导致高电流收集性能和非常高的导电性，最终导致高能量和功率输出，适用于各种能量存储和收集应用，如燃料电池、金属空气电池、金属离子电池、超级电容器，以及氧化还原液流电池等。
上述对具体实施例的说明将充分地公开本文实施例的一般性质，使其他人可通过应用现有知识，在不脱离一般概念的情况下，容易地修改和/或适应这些具体实施例的各种应用，因此，这样的适应和修改应该并且旨在所公开的实施例的均等物的含义和范围内被理解。
需要注意的是，本发明所用的措辞或术语是为了说明而非限制。因此，虽然已根据优选实施例说明本文的实施例，但所属技术领域中具有通常知识者将认识到，本文实施例的实践可在精神和范围内进行修改。
尽管通过各种具体的实施例来说明本文的实施例，但是对于所属技术领域中具有通常知识者来说，显然可通过修改来实践本文的实施例。尽管通过各种具体的实施例来说明本文的实施例，但是对于所属技术领域中具有通常知识者来说，显然可通过修改来实践本文的实施例。
需要注意的是，本发明所用的措辞或术语是为了说明而非限制。因此，虽然已根据优选实施例说明本文的实施例，但所属技术领域中具有通常知识者将认识到，本文实施例的实践可在以下提交的权利要求的精神和范围内进行修改。本发明的范围将由以下权利要求确定。

Claims (6)

1.一种无需任何黏合剂添加物而制造碳毡基电极的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
将导电聚合物黏合剂的涂层施加到集电器上；
在所述集电器的任一侧放置/定位碳毡，以获得碳毡和集电器的组件；
在预定条件下将包括集电器和碳毡的组件放置在一热压机的板材之间，以固化施加在集电器表面的黏合剂，并且其中所述热压机促进集电器和碳毡之间的黏合，以获得电极的夹层结构；
根据碳毡基电极所需的厚度和孔隙率，将电极的夹层结构在滚柱下进行轧制；以及
通过裁剪程序，使用电极切割模具将电极切割成所需的形状。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在热压机中用于固化施加在集电器表面的黏合剂的预定条件是压力和温度，并且其中所施加的压力在0.1MPa至200MPa的范围内，且其中热压机的温度在25℃至200℃的范围内，并且其中热压机将碳毡的厚度降低到原始值的5％至25％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属集电器赋予所述碳毡基电极机械强度，且其中所述金属集电器承受压力，提高所述碳毡基电极的电流收集能力，且其中所述集电器选自由铝、银、镍、金、铁、铂和合金所组成的群组中的金属制成，并且其中集电器的结构形式选自由网、筛网、箔、泡沫、穿孔金属片和以及无纺金属纤维所组成的群组。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导电聚合物黏合剂选自由碳纳米管(CNT)基黏合剂、碳黑基黏合剂、银胶、导电环氧树脂，以及金属纳米颗粒基黏合剂所组成的群组，并且其中所述导电聚合物黏合剂增强金属集电器和碳毡之间的黏合。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用于制造所述碳毡基电极的轧制技术选自由热轧和冷轧所组成的群组，并且其中轧制程序/技术使所述碳毡基电极的厚度优化在0.4至5mm的范围内，并且其中所述轧制程序/技术使所述碳毡基电极的孔隙率优化在5至150pm的范围内，并且其中所述轧制程序/技术使所述碳毡基电极的密度优化在0.3g/cm3至2g/cm3的范围内。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，与基于黏合剂的碳毡基电极相比，所制备的碳毡基电极表现出增强的柔性和机械强度，并且其中碳毡和金属集电器之间的黏合导致高功率输出。
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