CN113963958A - 一种梯度电极及其制备方法及超级电容 - Google Patents

一种梯度电极及其制备方法及超级电容 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种梯度电极的制备方法，包括：(1)制备第一电极、第二电极和第三电极；(2)将所述第一电极、第二电极和第三电极组合，得到预成品；其中，所述预成品中，所述第二电极套设于所述第一电极的外周；所述第三电极套设于第二电极的外周；或所述第一电极和所述第二电极设于第三电极上；(3)将所述预成品压制在集流体上得到电极片；其中，第一电极、第二电极和第三电极由粘结剂和活性物质制成，且第一电极、第二电极和第三电极得粘结剂含量不同。本发明还公开了一种梯度电极，其由上述制备方法制成。本发明还公开一种超级电容，其包括有上述梯度电极。本发明电极结构稳定，使用寿命长，电极粘结剂含量少，电极电容性能良好。

Description

一种梯度电极及其制备方法及超级电容
技术领域
本发明涉及电容电极制造技术领域，尤其涉及一种梯度电极及其制备方法及超级电容。
背景技术
由于世界范围内工业化进程的加速，造成环境恶化和化石燃料储能的减少。因此，寻找新的、有效的、绿色的、环保的能源日益迫切。高效率的储能元件已经成为了可持续发展的新型能源制造工业、消费类和电子产业、运输行业等领域的重要技术支撑和核心力量,受到了前所未有的重视。在众多的储能器件中，电池与超级电容器显示出了巨大的潜力，引起了越来越的研究关注。与电池进行比较，超级电容器具有优异的功率密度、出色的的充放电效率、超长的循环寿命等优点，被广泛应用于各种能源设备中。
多孔炭材料作为最佳的超级电容电极活性材料之一，其具有高表面积、稳定性能好、使用寿命长等优势。然而，传统的均匀电极是将活性物质和均相且单一含量的粘结剂混合制备而成的，这种传统的电极结构设计粘结剂会不可避免堵塞活性物质的微孔上，为了避免活性物质的微孔被堵塞，只能减少粘结剂的含量，但是减少了粘结剂的含量，传统的电极结构会变得不稳定，活性物质容易脱落，进而影响其电容性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种梯度电极的制备方法，其粘结剂用量少和制备方法简单。
本发明还提供了一种梯度电极，其比表面积和微孔率高，电极结构稳定不易膨胀粉化。
本发明还提供了一种超级电容，其内部结构安全稳定，使用寿命长。为了解决上述问题，本发明提出了一种梯度电极的制备方法，其包括：
(1)制备第一电极、第二电极和第三电极；
(2)将所述第一电极、第二电极和第三电极组合，得到预成品；其中，所述预成品中，所述第二电极套设于所述第一电极的外周；
所述第三电极套设于第二电极的外周；或
所述第一电极和所述第二电极设于第三电极上；
(3)将所述预成品压制在集流体上得到电极片；
其中，第一电极、第二电极和第三电极由粘结剂和活性物质制成，且第一电极、第二电极和第三电极得粘结剂含量不同。
作为上述技术方案的改进，所述第一电极、第二电极、第三电极为圆形片状或多边形片状或不规则性片状。
作为上述技术方案的改进，所述第一电极为圆形片状；
所述第二电极为圆环状，其内径与第一电极的直径相等；
所述第三电极为圆环状，其内径与第二电极的外径相等；或
所述第三电极为圆形片状，其直径与第二电极的外径相等。
作为上述技术方案的改进，所述第一电极、第二电极和第三电极由粘结剂和活性物质进行擀膜制备而成，且第一电极、第二电极和第三电极的粘结剂含量依次递增。
作为上述技术方案的改进，所述第一电极的粘结剂含量为1-3wt％，所述第二电极的粘结剂含量为3-4wt％，所述圆环状第三电极的粘结剂含量为5-6wt％。
作为上述技术方案的改进，所述第一电极的粘结剂含量为1-3wt％，所述第二电极和所述圆片状第三电极的粘接剂含量为5-7wt％。
作为上述技术方案的改进，所述粘接剂为PVDF、PTFE、CMC中的一种或多种。
作为上述技术方案的改进，将所述预成品在14-16Mpa压力下与集流体压制成电极片；
所述集流体为泡沫镍、铝网、泡沫铝、铜箔、钛箔中的一种或多种。
相应的，本发明还提供一种梯度电极，其由上述任一项所述的梯度电极的制备方法制成。
相应的，本发明还提供一种超级电容，其包括上述所述的梯度电极。
实施本发明具有以下有益效果：
首先，本发明改进了梯度电极组装的方法，是指将电极划分成第一电极、第二电极、第三电极和集流体，将第二电极套设于第一电极的外周，第三电极套设于第二电极的外周；或第一电极和第二电极设于第三电极上，得到预成品，将预成品压制在集流体上得到电极片，采用这种新的组装方法，可在保证电极结构稳定的前提下，适当调节各电极的粘结剂含量，进而合理地减少电极片成品的粘接剂含量，避免粘结剂堵塞活性物质上的孔隙，使电极片的比表面积和微孔率提高，进而使电极的比电容增大。
其次，本发明重新设计的电极结构具有高的结构稳定性，减少了电极膨胀带来的粉化和活性物质脱落的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明梯度电极的制备流程图；
图2是本发明梯度电极制备示意图；
图3是实施例1循环前后梯度电极的电镜扫描图；其中，(a)是实施例1循环前的电镜扫描图，(b)是实施例1循环后的电镜扫描图；
图4是实施例3循环前后梯度电极的电镜扫描图；其中，(c)是实施例3循环前的电镜扫描图，(d)是实施例3循环后的电镜扫描图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
传统的均匀电极，采用均相且单一含量的粘结剂，这种传统的电极结构会导致电极上容易添加过量的粘结剂，堵塞电极活性物质的孔隙，导致比表面积和微孔率都有所下降，进而电容性能下降。
因此，参见图1和图2，本发明提供一种梯度电极的制备方法，包括：
S1：制备第一电极、第二电极和第三电极；
其中，第一电极、第二电极和第三电极由粘结剂和活性物质制成，且第一电极、第二电极和第三电极得粘结剂含量不同。
具体的，粘接剂是维持电极结构稳定的关键部分，其作用是将活性物质粘结在集流体上，防止活性物质从集流体上脱落。活性物质是多孔碳材料，其具有高表面积和大量的孔隙。粘结剂示例性的为，PVDF、PTFE、CMC，但不限于此。优选的，粘结剂为PTFE。
具体的，第一电极为片状，其形状示例性为，多边形片状、圆形片状、椭圆形片状、不规则形片状，但不限于此。第二电极为片状，其形状示例性为，多边形片状、圆形片状、椭圆形片状、不规则形片状，但不限于此。第二电极上设有与第一电极形状相适配的挖孔，以使第一电极套设在该挖孔内。第三电极为片状，其形状示例性为，多边形片状、圆形片状、椭圆形片状、不规则形片状，但不限于此。在一个实施例中，第三电极的外径(边长)大于第二电极，且第三电极设有与第二电极形状相适配的挖孔，以使第二电极套设在该挖孔内；在另一个实施例中，第三电极的形状与第二电极相同，以使第一电极和第二电极设置在第三电极上。
优选的，在一个实施例中，第一电极为圆形片状，第二电极为圆环状，第二电极的内径与第一电极直径相等，第三电极为圆环状，第三电极的内径与第二电极的外径相等；在另一个实施例中，第一电极为圆形片状，第二电极为圆环状，第二电极的内径与第一电极直径相等，第三电极为圆形片状，第三电极的直径与第二电极的外径相等。
其中，在一个实施例中，第一电极的粘结剂含量为1-3wt％，示例性为，1wt％、1.5wt％、2wt％、3wt％，但不限于此；第二电极的粘结剂含量为3-4wt％，示例性为，3wt％、3.5wt％、3.7wt％、4wt％，但不限于此。第三电极的粘结剂含量为5-6wt％，示例性为5wt％、5.4wt％、5.7wt％、6wt％，但不限于此。在另一个实施例中，第一电极的粘结剂含量为1-3wt％，示例性为，1wt％、1.5wt％、2wt％、3wt％，但不限于此。第二电极和第三电极的粘接剂含量为5-7wt％，示例性为，5wt％、5.5wt％、6wt％、7wt％，但不限于此。由于上述步骤重新设计了电极结构，可以在保证电极结构稳定的情况下，降低粘结剂含量，可避免粘结剂堵塞活性材料上的微孔，影响电极的安全性能。
S2：将所述第一电极、第二电极和第三电极组合，得到预成品；
其中，在一个实施例中，第二电极套设于所述第一电极的外周，第三电极套设于第二电极的外周。在另一个实施例中，所述第二电极套设于所述第一电极的外周；所述第一电极和所述第二电极设于第三电极上。
S3：将所述预成品压制在集流体上得到电极片；
具体的，将预成品在14-16Mpa压力下与集流体压制成电极片，示例性为14Mpa、15Mpa、16Mpa，但不限于此。需要控制预成品与集流体的压制压力，当其压制压力小于14Mpa时，无法确保预成品与集流体压制稳固，容易脱落分离，当其压制压力高于16Mpa时，预成品容易在压制过程中断裂损坏。
具体的，集流体为泡沫镍、铝网、泡沫铝、铜箔、钛箔中的一种或多种。由于集流体的作用是将电池活性物质产生的电流汇集起来，以便形成较大的电流对外输出，因此集流体应与活性物质充分接触，并且其内阻应尽可能小。优选的，集流体为泡沫镍。
相应的，本发明还提供一种梯度电极，其由上述任一项技术方案制备而成。
相应的，本发明还提供一种超级电容，其含有上述梯度电极。
实施例1
(1)制备圆形片状的第一电极，其PTFE含量为1wt％，直径为6mm；制备圆环状的第二电极，其PTFE含量为3wt％，内径为6mm，外径为8mm；制备圆环状的第三电极，其PTFE含量为5wt％，内径为8mm，外径为10mm；
(2)将第二电极套设于第一电极的外周上，将第三电极套设于第二电极的外周上，制得预成品；
(3)将预成品在15Mpa的压力下压制在泡沫镍上制得电极片。
实施例2
(1)制备圆形片状的第一电极，其PTFE含量为3wt％，直径为6mm；制备圆环状的第二电极，其PTFE含量为4wt％，内径为6mm，外径为8mm；制备圆环状的第三电极，其PTFE含量为5wt％，内径为8mm，外径为10mm；
(2)将第二电极套设于第一电极的外周上，将第三电极套设于第二电极的外周上，制得预成品；
(3)将预成品在15Mpa的压力下压制在泡沫镍上制得电极片。
实施例3
(1)制备圆形片状的第一电极，其PTFE含量为1wt％，直径为8mm；制备圆环状的第二电极，其PTFE含量为5wt％，内径为8mm，外径为10mm；制备圆形片状的第三电极，其PTFE含量为5wt％，直径为10mm；
(2)将第二电极套设于第一电极的外周上，将第一电极和第二电极设于第三电极上；
(3)将预成品在15Mpa的压力下压制泡沫镍上制得电极片。
实施例4
(1)制备圆形片状的第一电极，其PTFE含量为3wt％，直径为8mm；制备圆环状的第二电极，其PTFE含量为5wt％，内径为8mm，外径为10mm；制备圆片状的第三电极，其PTFE含量为5wt％，直径为10mm；
(2)将第二电极套设于第一电极的外周上，将第一电极和第二电极设于第三电极上；
(3)将预成品在15Mpa的压力下压制泡沫镍上制得电极片。
对比例1
(1)制备圆形片状的电极，其PTFE含量为5wt％，直径为10mm；
(2)将步骤(1)中的电极，在15Mpa的压力下压制泡沫镍上制得电极片。
(一)电极性能测试实验：
将实施例1-4以及对比例1制作出来的电极，作为正负极、6mol L-1KOH作为电解液，一张隔膜，制备成对称超级电容器。
表一：实施例1-4和对比例1电极的使用效果
项目 电容性能(F/g) 电容性能增加(％)
实施例1 208 14.2
实施例3 215 18.1
实施例2 205 12.6
实施例4 196 7.6
对比例1 182 0
(二)电极循环稳定性测试实验：
将实施例1和实施例3所制作出来的电极，作为正负极、6mol L-1KOH作为电解液，一张隔膜，制备成对称超级电容。将制作出来的超级电容进行循环测试，并在循环测试后进行电镜扫描。
测试结果参见图3和图4，循环前后电极膨胀以及粉化率小。
另外，以上对本发明实施例所提供的一种梯度电极及其制备方法及超级电容进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种梯度电极的制备方法，其特征在于，包括：
(1)制备第一电极、第二电极和第三电极；
(2)将所述第一电极、第二电极和第三电极组合，得到预成品；其中，所述预成品中，所述第二电极套设于所述第一电极的外周；
所述第三电极套设于第二电极的外周；或
所述第一电极和所述第二电极设于第三电极上；
(3)将所述预成品压制在集流体上得到电极片；
其中，第一电极、第二电极和第三电极由粘结剂和活性物质制成，且第一电极、第二电极和第三电极的粘结剂含量不同。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一电极、第二电极、第三电极为圆形片状或多边形片状或不规则性片状。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述第一电极为圆形片状；
所述第二电极为圆环状，其内径与第一电极的直径相等；
所述第三电极为圆环状，其内径与第二电极的外径相等；或
所述第三电极为圆形片状，其直径与第二电极的外径相等。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一电极、第二电极和第三电极由粘结剂和活性物质进行擀膜制备而成，且第一电极、第二电极和第三电极的粘结剂含量依次递增。
5.如权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，所述第一电极的粘结剂含量为1-3wt％，所述第二电极的粘结剂含量为3-4wt％，所述第三电极的粘结剂含量为5-6wt％。
6.如权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，所述第一电极的粘结剂含量为1-3wt％，所述第二电极和所述第三电极的粘接剂含量为5-7wt％。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述粘接剂为PVDF、PTFE、CMC中的一种或多种。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将所述预成品在14-16Mpa压力下与集流体压制成电极片；
所述集流体为泡沫镍、铝网、泡沫铝、铜箔、钛箔中的一种或多种。
9.一种梯度电极，其特征在于，其由权利要求1-8任一项所述的梯度电极的制备方法制成。
10.一种超级电容，其特征在于，其包括如权利要求9所述的梯度电极。
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