CN1742350A - 电化学电池的电极、电极卷包、电化学电池和制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含有液态电解质(3)的电化学电池的电极(1)，该电极设置有槽(2)，一种电解液可在槽中流动。这种电极(1)的优点是可大大缩短电化学电池的浸渍时间。

Description

电化学电池的电极、电极卷包、电化学电池和制造方法

本发明涉及一种含有电解质的电化学电池的电极。此外，本发明涉及一种电极卷包，本发明还涉及一种带有该卷包的电化学电池。

文献DE 100 60 653 A1提出了例如双层电容器形式的电化学电池。该文描述的电化学双层电容器具有由活性炭构成的电极层的形状，这些电极层与供电层例如与一层铝箔接触。为了制造电化学双层电容器，必须把总是具有交替极性的叠置的电极层叠装入一个外壳中，并在该处用一种液态的电解质进行浸渍，为了形式卷包，或者将多个单独的电极叠成层叠，或者将不同极性的两个电极沿一个纵向卷绕。在这两种情况中，不同极性的电极通过一层隔膜相互电隔离。

这种已知电极具有这样的缺点：浸渍过程需要很长的时间，这是因为电解液渗入布置在电极之间的隔膜并排出该处积蓄的空气需要很长时间的缘故。例如一个分别由大约6.5米阳极箔和6.5米阴极箔以及位于其间的同样尺寸的一层隔膜组成的、容量为5000法拉的电容器卷包需要大约72小时的时间，才能使电解液完全浸透卷包，并把电极的活性炭和隔膜的孔隙中的全部气体通过浸渍孔从电容器中排出来。

此外，在气体被电解质不完全置换的情况下，往往在电容器封闭后仍在继续释放气体，这在极端情况下会导致电容器爆裂。

为了缩短浸渍时间，文献JP 11339770-A提出了一种在负压下使电解质浸入卷包的方法。但这种方法存在这样的缺点：一方面没有完全解决浸渍时间的问题，另一方面需要增加卷包浸渍的设备费用。

所以，本发明的目的是提出一种可快速浸渍的电化学电池的电极。

这个目的是通过权利要求1所述的一种电极来实现的。而该电极的诸多优选结构、用该电极制成的一种卷包以及一种电化学电池则可从其他权利要求中得知。

本发明基于这样的构思：通过在该电极内设置槽可较快地实现电解质对气体的置换，因为槽有利于少量气体或气泡从卷包的内部快速向外输出，或通过槽向电容器的内部提供足够量的电解制，所以，浸渍比足够量的电解质只从卷包的这两端面浸入进行得快。

本发明相应地提出了一种具有电解质的电化学电池的电极，该电极有槽，在槽中可流动一种电解液。

这种电极具有这样的优点，在浸渍过程中，通过槽可较快地进行电解液与卷包内的气体的置换。

在电极的一种结构型式中，槽在电极的表面上做成小沟的形状。其优点是，可大大简化槽的制作，因为在第一道工序中可制造电极，并在第二道工序中，通过电极的补充加工可从外部例如通过滚压在电极上制作沟。

在电极的一种结构型式中，该电极具有一种涂覆的箔，而小沟则通过箔的未涂覆的部分区域来形成。这种电极的一个优点是，在制作电极时可同时产生小沟，这样就可明显减少电极的制作时间。这种电极还有一个优点：小沟的深度通过涂层的厚度自动形成。

此外，如果这些槽具有0.1和0.5毫米之间的宽度，则是有利的，这样就可同时保证这些槽不低于一定的宽度最小尺寸，否则就会对电解液的输送造成困难。此外，可同时达到不因槽的构成而失去电极的太多的体积，从而避免了对例如作为电化学电池用的电化学双层电容器的容量的负面影响。

这里应当指出，“电化学电池”的概念指的是通过一个电极和通过一种液态电解质的存在来达到某种电效应的全部装置。例如这里所指的铝电解质电容器、电化学双层电容器或电池。

此外，如果这些槽具有50和100微米之间的深度，则是有利的。这个尺寸具有这样的优点，它相当于一般涂层选用的厚度，从而可把槽作为沟在涂层内简便构成。

其次，如果电极沿一个纵向延伸，则是有利的，这时槽沿垂直于纵向延伸。这种电极的优点是，它在纵向内可卷绕成一个卷包，这样通过槽垂直于纵向布置，电解液就可从卷包的端面沿着槽浸入卷包的内部。

在这种情况下，这些槽最好大致沿等距离相互平行的直线延伸。这样就可简化槽的制作，例如可通过滚压来产生间距相等的横槽。即可通过一个压辊来实现，该压辊具有平行于压辊旋转轴的直线凸起部。

根据电极的另一种结构型式，槽可倾斜于电极的纵向延伸。这种结构型式又是在槽的制作方面具有优点，亦即不同于上述其他制作方式，这里不再需要设置平行于压辊的旋转轴延伸的凸部，须知该凸部在电极上滚动时会引起压辊轴的不连续的机械载荷。所以，每当该凸部把电极压到一个支座上来在电极上产生压印时，这种机械载荷就引起一个相应的不连续的力作用到压辊上。

在另一种结构型式中，槽可沿相互平行错开的曲线延伸。

这种电极结构型式的优点是，又是可通过一个设置有一个或多个凸部的压辊来制作。

根据又一种结构型式，槽相互交叉。所以槽可沿两个不同的、例如相互夹成一个90°角度的择优方向集成在电极内。

此外，如果电极含有一层用炭粉末涂覆的金属箔，则对一些特定的电池例如EDLC(使用寿命长的电池)或锂离子电池来说是特别有利的。作为金属箔例如可用铝箔。

其次，本发明提出了这样一个电极卷包，它由上述各种电极之一的若干层叠置而成。这种电极卷包的优点是，它可作为双层电解电容器的卷包使用。

这里应当指出，为了达到体积的充分利用，在制作卷包时，通常要把它做得很紧凑。卷包的这种紧凑性附加地造成电解质浸入卷包内部的困难。这就是说，恰恰在很紧凑的卷包的情况下，不是把叠置成层叠状的电极层压合成层叠式结构，便是在很严格卷制卷包的情况下最好使用上述的槽。

一个卷包最好相应地用不同极性的两个电极卷制而成。

此外，本发明还提出一种电化学电池，这种电池含有一种液态电解质和含有上述卷包的一种，这种电化学电池的优点是，可用液态电解质很快进行卷包的浸渍。

相应地提出了一种具有一种液态电解质的电化学双层电容器的电极，该电极含有一种涂覆活性炭粉的金属箔。在活性炭涂层中设置槽，在槽中可流动一种电解液，槽用来改进电解液和炭涂层的孔隙内含有的气体之间的置换。

此外，本发明涉及一种制造上述电极的方法。本发明的沟和槽例如可用下述方法制作：

a)在升高温度的情况下，压延已涂覆的、尚未浸渍的电极、这个过程也可结合到绕制过程中；

b)用活性炭涂覆一种已经浸渍过的金属铂(例如铝箔)；

c)在一个未处理过的电极的活性炭涂层内刻制沟和槽，例如用一把振动的尖刀在同时吸走刻下的涂层的情况下进行刻制；

d)在用活性炭涂覆金属箔的过程中，通常用一种掩模的形式掩盖未浸渍的金属箔的要构成沟或槽的区域，从而产生电极的未涂覆的区域，这些区域按本发明起上述槽的作用。

下面结合一些实施例及其附图来详细说明本发明：

图1示范性地表示一个电极的示意纵断面；

图2A、2B示范性地表示另一种电极的示意纵断面；

图3示范性地表示一个电极的俯视图；

图3A、3B、3C表示另一种电极的俯视图；

图4表示一个卷包的示意横截面；

图5表示一个电化学电池的示意横截面；

图5A表示另一个电化学电池的示意横截面；

这里应当指出，在所有附图中，相同的或作用相同的部分分别用相同的附图标记表示。

图1表示一个用一种箔5制成的电极1，该箔在其上侧和下侧分别涂覆一层涂层41、42。箔5指的是一种铝箔，其厚度dF介于10和100微米之间。涂层41、42的厚度dB一般选用30和300微米之间的尺寸。这种涂层例如涉及一种活性炭粉末，这种粉末通过粉末涂层涂覆到该电极上。活性炭粒子的平均直径例如在0.2～5微米的范围。电极的密度大约为0.6至0.8克/厘米³。电极的孔隙率大约为35％至65％。电容密度大约为10至25法拉/厘米³。

上下涂层41、42分别设置有槽2。这些槽通过箔5的涂层的中断来形成。槽2呈沟状。它们也可看成是涂层41、42的凹坑，亦即涂层41、42在槽2的部位不必完全中断，确切地说，只要涂层41、42在槽2的部位比在其余区域薄即可。

槽2的宽度b为0.1和1毫米之间。这个尺寸只是优选的尺寸。亦即也可选用槽2的别的宽度。箔5同一侧上的两个槽之间的距离a最好选用30和100毫米之间的尺寸。如果箔5上侧的槽2相对于其下侧的槽2错开布置，则有利于槽2均匀分布在由电极1构成的卷包中。

除了通过涂层4的中断来产生槽2外，也可通过材料削减来制作槽2。

图2A表示一个通过压入电极1来制作槽2的电极1。从图中可以看出，这里的槽2的深度t是可变可调节的，亦即这里的槽不象图1实施例通过涂层4的中断来制成的槽2那样受到涂层厚度的限制。确切地说，深度t可选用不同的尺寸。深度t最好为10和200微米之间。

此外，按图2通过压印制作的槽2还具有这样的优点，在槽2对面的箔的一侧上产生箔的凸部，该凸部在稍后把电极绕制成一个卷包时在叠置的电极层之间形成附加的间隔，并由此产生输送电解液的其他槽。

图2B表示又是按图2A通过压印来制作槽2的电极1，但这里在槽2之间不再有明显的间距，确切地说，这些槽是一个挨着一个的。所以最大限度地增加这些槽的密度，从而可把浸渍的持续时间缩短到最小。

图3表示沿一个纵向(箭头所示方向)延伸的电极1。该电极包括一种铝箔5，该铝箔部分地有涂层4。在左边缘上，箔5具有一自由边缘7，该自由边缘可通过它与电化学电池的一个外部连接的接通连接卷包。从图3可以看出，槽2沿曲线延伸，这些曲线例如可相互平行错开。从图3还可看出，槽2相互交叉并形成交叉点6。

图3所示的电极一方面具有这样的优点，即槽2很均匀地分布在电极的整个面积上并在稍后制成的卷包中相应地均匀分布在卷包的体积上；另一方面，这些槽可用一个压辊滚压制成，并通过沿该压辊的圆周延伸的凸部几乎可避免压辊滚动时的不连续性。

图3A、3B和3C分别表示槽2的另一种布置方案。电极1又是在一个纵向内(箭头所示的方向)延伸并特别适合制作图4的卷包。在图3A时，槽2沿相互平行延伸的等距直线段布置。这种槽2例如可通过刻入涂层4制成。

按图3B，槽2沿相互平行延伸的直线布置。其中，每个槽2从电极1的一个边缘开始并从该处向内延伸，但不延伸到对面的边缘。这些槽2分别交替从电极1的上边缘或下边缘开始。通过槽2的这种造型可实现电解质从电极上侧和下侧的流入呈三维相互错开输送。

按图3C，槽2布置成直线段，这些直线段沿电极1的中心线形成一个大致90°的角度。这样就可达到由电极1的层叠或卷包构成的整个卷包的均匀的浸渍。特别是可这样减小槽2之间的间距，使电极1的纵段无不存在一个槽2。

图4表示一个卷包8，该卷包由两个电极11、12和两个隔膜91、92构成。隔膜91、92的作用是，容纳对电化学电池的功能必不可少的液态电解质。隔膜91、92还有这样的作用，即避免不同极性的直接对置的电极11、12之间的短路。作为隔膜91、92例如可用纸或多孔塑料。在用纸的情况下，隔膜91、92最好由两层构成，以避免由于隔膜91、92的总厚度的一连串连续的孔隙可能引起的短路危险。隔膜91、92的厚度dS一般为10和100微米之间。由电极11、12和隔膜91、92组成的卷围绕卷轴10卷成一个卷包8。在制成的卷包8中，电极1的槽2呈均匀分布的状态。

图4中的层厚状态还表明，为什么这些槽制作在箔的涂层中是有利的。亦即箔的涂层在层叠中具有最大厚度，所以该处可产生最大的槽。

槽越大，卷包中的液态电解质和气体之间的置换作用越好。

此外，如果除电极外，隔膜9也设置用来改善浸渍的槽，则是有利的。

图5表示浸渍过程，其中，图4的卷包8装入一个圆柱形的外壳11中，外壳11的对称轴和卷轴10重合。在外壳11的上侧设置有一个注入孔12，在该处用一个漏斗13可把液态电解质3注入该外壳中。弯曲的箭头表示电解质3在卷包8内的流动方向。用一个无槽的图4卷包和结合图3A带有大约5厘米间距的槽的一个图4卷包用相同的电解质浸渍进行比较试验，求出的浸渍时间至少缩短60倍。这些槽也可相隔大约4至6厘米或大约1至10厘米。为了不损害电极的电气和机械性能，槽之间的距离最好大于0.1厘米。为了改善浸渍性能，这些槽之间的距离最好小于30厘米。槽之间的距离最好介于0.5和25厘米之间。

图5A表示一个类似图5的浸渍装置，但前者的注入孔12直接布置在卷包8的中管14上方，并相应地从卷包8的下侧进行浸渍，如弯曲的箭头所示。

在这里还要指出一点，作为在这些例子中所述的电化学双层电容器的电解质最好在乙腈中设置0.5米至1.6米的四乙铵四氟硼酸盐。

电解质的粘度越大，需要的槽越多或需要越宽的槽。

本发明不限于电化学双层电容器以及不限于带有铝箔和炭涂层的电极，而是可用于含有液态电解质的全部电化学电池的所有电极。

            附图标记

1，11，12   电极

2           槽

3           电解质

41，42      涂层

5           箔

6           交叉点

7           自由边缘

8           卷包

91，92      隔膜

10          卷绕轴

11          外壳

12          注入孔

13          漏斗

14          中管

dB          涂层厚度

dF          箔的厚度

dS          膜的厚度

b           槽的宽度

t           槽的深度

a           两个槽的间距

Claims (22)

1.一种用于带有液态电解质(3)的电化学电池的电极，带有槽(2)，在这些槽中可流动一种电解液。

2.按权利要求1的电极，该电极含有一个带涂层的箔(5)，该涂层含有槽(2)。

3.按权利要求1或2的电极，其中槽(2)做成在电极(1)表面上的沟的形状。

4.按权利要求1至3任一项的电极，其中槽(2)压印在电极(1)内。

5.按权利要求1至3任一项的电极，

-该电极含有一个带涂层的箔(5)，

-槽(2)由箔(5)的未涂覆的部分区域构成。

6.按权利要求1至5任一项的电极，

其中槽(2)具有介于0.1和1毫米之间的宽度(b)。

7.按权利要求1至6任一项的电极，

其中槽(2)具有介于10和200微米之间的深度(t)。

8.按权利要求1至7任一项的电极，

该电极沿一个纵向延伸，而槽(2)则垂直于纵向延伸。

9.按权利要求1至8任一项的电极，

其中槽(2)基本上沿等距离的、相互平行的直线延伸。

10.按权利要求1至7任一项的电极，

该电极沿一个纵向延伸，而槽(2)则倾斜于纵向延伸。

11.按权利要求1至8任一项的电极，

其中槽(2)沿相互平行错开的曲线延伸。

12.按权利要求1至7任一项或10的电极，

其中槽(2)相互交叉。

13.按权利要求1至12任一项的电极，

该电极含有涂覆炭粉的金属箔。

14.电极卷包，该卷包由权利要求1至13任一项的电极(11、12)的若干层叠置而成。

15.按权利要求14的电极卷包，

其中两个电极(11、12)按权利要求1至13任一项卷绕。

16.一种带有液态电解质的电化学电池，含有一个按权利要求14或15所述的卷包(8)。

17.按权利要求1至13任一项所述的电极的制造方法，

其中在高温的情况下对已涂覆的尚未浸渍的电极进行压延。

18.按权利要求17的方法，

其中电极的压延被结合到电极卷包制作的卷绕过程中。

19.按权利要求1至13任一项所述的电极的制造方法，

其中用活性炭涂覆已浸渍的金属箔。

20.按权利要求1至13任一项所述的电极的制造方法，

其中通过用活性炭均匀涂覆未浸渍的金属箔来制作电极，

在同时吸走刻下的涂层的情况下在电极的活性炭层内刻制槽(2)。

21.按权利要求20的方法，

其中用一种振动尖刀来进行槽(2)的刻制。

22.按权利要求1至13任一项所述的电极的制造方法，

其中在用活性炭涂覆金属箔的过程中，按节拍掩盖未浸渍的金属箔的要构成槽(2)的区域，从而产生电极的未涂覆的区域，并由此形成槽(2)。

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