CN1866430A - 电化学电容器电极的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于增强可极化电极层与底涂层之间的粘合的方法。该方法包括用于在集电器上形成底涂层的第一步骤和用于在所述底涂层上形成可极化电极层的第二步骤。第一步骤通过以用于底涂层的涂布液涂布所述集电器而进行,所述用于底涂层的涂布液包含导电性颗粒、第一粘合剂和第一溶剂。第二步骤通过以用于可极化电极层的涂布液涂布所述底涂层而进行,所述用于可极化电极层的涂布液包含多孔颗粒、第二粘合剂和第二溶剂。第一溶剂能够溶解或分散所述第一粘合剂和第二粘合剂。第二溶剂能够溶解或分散所述第一粘合剂和第二粘合剂。底涂层与可极化电极层之间界面的融合增强了两层之间的粘合。
Description
技术领域
本发明涉及电化学电容器电极的制造方法,更具体地,本发明涉及设置有用于粘合集电器和可极化电极层的底涂层的电化学电容器电极的制造方法。
背景技术
近年来,双电层电容器和其它电化学电容器作为小型的轻量化电池而受到关注,并能够从中获得相对较大的容量。双电层电容器不像常见的二次电池那样利用化学反应,并且其特征是具有非常快速地充放电的能力,这是因为它是直接在电极上存储电荷的一类电池。
通过利用该特征,可以高度期待使用该电池例如作为用于移动设备(小型电子设备)等的备用电源、作为用于电动汽车和混合动力式汽车的辅助电源和作为其它形式的电源,并且正在进行各种形式的研究以改善该类电池的性能。
双电层电容器具有下述基本结构:在其间夹有隔板的一对其中形成有可极化电极层的集电器之间充入电解液。在集电器上形成可极化电极层的最简单的已知方法是将这些部件层压在一起的方法,但该方法的问题在于难以使可极化电极层足够薄,并且无法获得集电器与可极化电极层之间的充分粘合。
为解决上述问题,不将集电器与可极化电极层层压在一起,而是将用于可极化电极层的涂布液涂布于集电器上,优选通过干燥该流体而将可极化电极层形成于集电器上。在该情况中,不是将用于可极化电极层的涂布液直接涂布于集电器上,而是通过首先在集电器上形成底涂层作为粘合层,然后将可极化电极层涂布于底涂层上从而可以极大地改善集电器与可极化电极层之间的粘合。参见日本特开2003-133179和特开2004-47552。
然而,即使可极化电极层是通过涂布而形成于底涂层上,如果底涂层与可极化电极层之间的粘合不够强则当对该结构进行压延以增大可极化电极层的密度时,在底涂层与可极化电极层之间易于出现剥离现象。
发明内容
因而本发明的目的是提供一种电化学电容器电极的制造方法,该方法通过增强可极化电极层与底涂层之间的粘合而使该电化学电容器电极具有良好的特性。
本发明的上述目的和其它目的可以通过电化学电容器电极的制造方法得以实现,该方法包括:用于在集电器上形成底涂层的第一步骤;和用于在所述底涂层上形成可极化电极层的第二步骤,其中所述第一步骤通过以用于底涂层的涂布液涂布所述集电器而进行,所述用于底涂层的涂布液包含导电性颗粒、第一粘合剂和第一溶剂,所述第二步骤通过以用于可极化电极层的涂布液涂布所述底涂层而进行,所述用于可极化电极层的涂布液包含多孔颗粒、第二粘合剂和第二溶剂,所述第一溶剂能够溶解或分散所述第一粘合剂和所述第二粘合剂,所述第二溶剂能够溶解或分散所述第一粘合剂和所述第二粘合剂。
根据本发明,可以使用能够溶解用于可极化电极层的涂布液的粘合剂的溶剂作为所述用于形成底涂层的涂布液的溶剂,并且可以使用能够溶解用于底涂层的涂布液的粘合剂的溶剂作为所述用于可极化电极层的涂布液的溶剂。
因而,当将用于可极化电极层的涂布液涂布于底涂层上时,通过在底涂层表面上的粘合剂的溶解和底涂层与可极化电极层之间的界面的融合可以使所述的两个层一体化,增强了底涂层与可极化电极层之间的粘合。集电器与可极化电极层之间的粘合也因此得到进一步增强。
在本发明的一个优选实施方式中,第一粘合剂和第二粘合剂是相同材料。第一溶剂和第二溶剂优选是相同材料。
在本发明的一个优选实施方式中,第一粘合剂和第二粘合剂都是氟橡胶,并且第一溶剂和第二溶剂都包括甲基异丁基酮。在本发明的另一优选实施方式中,第一粘合剂和第二粘合剂都是聚偏二氟乙烯,并且第一溶剂和第二溶剂都包括N-甲基吡咯烷酮(NMP)。
因此便于处理粘合剂和溶剂并能够确保降低成本及改善双电层电容器的批量生产。
在本发明的一个优选实施方式中,所述第一粘合剂和第二粘合剂是不同的材料,而所述第一溶剂和第二溶剂是相同材料,所述第二粘合剂在所述第一溶剂和所述第二溶剂中的溶解性大于所述第一粘合剂在所述第一溶剂和所述第二溶剂中的溶解性。
特别地,第一粘合剂优选为聚酰胺酰亚胺,第二粘合剂优选为聚偏二氟乙烯,第一溶剂和第二溶剂均优选包括N-甲基吡咯烷酮(NMP)。
因而当将用于可极化电极层的涂布液涂布于底涂层时能够形成优异的涂布膜而不会过度腐蚀底涂层。
根据本发明,可以使用能够溶解用于可极化电极层的涂布液的粘合剂的溶剂作为用于底涂层的涂布液的溶剂,并且可以使用能够溶解用于底涂层的涂布液的粘合剂的溶剂作为用于可极化电极层的涂布液的溶剂。
因而,当将用于可极化电极层的涂布液涂布于底涂层上时,通过在底涂层表面上的粘合剂的溶解和底涂层与可极化电极层之间的界面的融合可以使所述两层一体化,增强了底涂层与可极化电极层之间的粘合。
集电器与可极化电极层之间的粘合可以得到进一步增强,并且能够制造具有良好特性的双电层电容器电极。
附图说明
本发明的上述和其它目的、特征及优点将参考本发明的结合附图的以下详细描述而变得更显而易见,其中:
图1是显示根据本发明的优选实施方式的方法制造的双电层电容器电极的结构的示意性透视图;
图2是说明使用两个如图1中所示的双电层电容器电极制造双电层电容器的方法的示意性透视图;
图3是描述本发明的优选实施方式的制造双电层电容器电极的方法的流程图;
图4是说明制备用于底涂层的涂布液的方法的示意图;
图5是说明制备用于可极化电极层的涂布液的方法的示意图;
图6是显示可极化电极层与底涂层之间的界面的示意性截面图;
图7是说明将图1中所示的双电层电容器电极从电极片上切出的方法的示意图;和
图8是说明使用图1中所示的双电层电容器电极制造高容量双电层电容器的方法的示意图,其中将底涂层和可极化电极层形成于集电器的两侧上。
具体实施方式
下面将参考附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。
图1是显示根据本发明的优选实施方式的方法制造的双电层电容器电极的结构的示意性透视图。
如图1中所示,由本实施方式的方法制造的双电层电容器电极10配有具有电子传导性的集电器12、形成于集电器12上的具有电子传导性的底涂层14和形成于底涂层14上的具有电子传导性的可极化电极层16。集电器12配有作为引线的引出电极12a。
对集电器12的材料不作具体限定,只要该材料是能够将电荷充分传送至可极化电极层16的优良导体即可,可以使用在用于双电层电容器的电极中使用的已知的集电器材料,其例子为铝(Al)。在本发明中,集电器12的表面12b(底涂层14侧的表面)已经进行了粗糙化,底涂层14与可极化电极层16之间的粘合因此得到改善。
对用于对集电器12的表面进行粗糙化的方法不作具体限定,但可以是通过用酸和其它化学品进行化学蚀刻使表面粗糙化的方法。蚀刻深度优选设定为约3μm~7μm。这是因为下述事实,即如果蚀刻得过浅,则基本会丧失改善粘合的效果,相反,如果蚀刻得过深,则难以均匀涂布底涂层14。没有特别要求对集电器12的背面进行粗糙化,但当如下所述将底涂层14和可极化电极层16形成于集电器12的两个表面上时,集电器12的两个表面都必须进行粗糙化。
对集电器12的厚度也不作具体限定,但为了减小所制备的双电层电容器的尺寸,优选在能够确保足够的机械强度的范围内将厚度设定得尽可能小。更具体地,当使用铝(Al)作为集电器12的材料时,厚度优选设定为大于或等于10μm且小于或等于100μm,甚至更优选大于或等于15μm且小于或等于50μm。如果将由铝(Al)构成的集电器12的厚度设定在该范围内,则可以在确保足够的机械强度的同时使最终制得的双电层电容器更小。
底涂层14布置在集电器12与可极化电极层16之间,以用于改善这些部件之间的物理结合和电结合。为了防止内电阻的增加,底涂层14必须使用具有高导电性的材料,并且通过本发明的方法形成的底涂层14包含导电性颗粒和能够将导电性颗粒粘合在一起的粘合剂。构成底涂层14的导电性颗粒和粘合剂的具体材料将在下面进行描述。
优选使底涂层14的总厚度尽可能的小,从防止双电层电容器电极10的内电阻增加的角度考虑,厚度优选在使集电器12与可极化电极层16得以充分粘合的范围内尽可能的小。具体地,厚度优选大于或等于0.2μm且小于或等于10μm。
可极化电极层16是形成于底涂层14上并有助于存贮和释放电荷的层。作为构成材料,可极化电极层16至少包含具有电子传导性的多孔颗粒和能够将多孔颗粒彼此粘合的粘合剂,并优选包含具有电子传导性的导电性辅助剂。构成可极化电极层16的多孔颗粒、粘合剂以及其它成分的具体材料将在下面进行描述。
考虑到确保更小和更轻量化的双电层电容器电极10,可极化电极层16的厚度优选为50μm~200μm,更优选为80μm~150μm。通过将可极化电极层16的厚度设定在上述范围内可以最终制得更小和更轻量化的双电层电容器。
具有该结构的双电层电容器电极10的总厚度(最大膜厚)优选为65μm~250μm,更优选为90μm~150μm。通过将厚度设定在该范围内可以最终制得更小和更轻量化的双电层电容器。
上面描述的是通过本发明的优选实施方式的制造方法制得的双电层电容器电极10的结构。
当使用该双电层电容器电极10制造实际的双电层电容器时,如图2中所示,将隔板20插入至一对双电层电容器电极10之间,将该结构体放入壳体(未示出)中,通过用电解液充满壳体而完成该产品。因此得到端子为引出电极12a(集电器12的一部分)的双电层电容器。
隔板20是将可极化电极层16和16在物理上隔开、同时允许电解液在可极化电极层16和16之间移动的膜。隔板20优选由绝缘的多孔体形成,可以使用的材料的例子包括由聚乙烯、聚丙烯或聚烯烃构成的层积膜;由上述树脂的混合物构成的拉伸膜;或由选自纤维素、聚酯和聚丙烯的至少一种构成材料构成的纤维非织造物。对隔板20的厚度不作具体限定,但优选大于或等于15μm且小于或等于100μm,更优选大于或等于15μm且小于或等于50μm。
在该情况中可以使用在已知的双电层电容器中所使用的电解液。例如,可以使用水性电解液或其中采用有机溶剂的电解液。
然而,由于电容器的耐受电压因低电化学分解电压而受到限制,因此用在双电层电容器中的电解液优选是其中采用有机溶剂的电解液(非水性电解液)。对电解液的具体类型不作限制,但优选考虑溶质的溶解性、离解度以及流体的粘度来选择电解液。
特别优选的是具有高导电性和高电势窗(高分解开始电压)的电解液。典型例子包括将诸如四乙铵四氟硼酸盐等季铵盐溶解在碳酸丙烯酯、碳酸二乙烯酯、乙腈或其它有机溶剂中所得到的溶液。在该情况中,必须严格控制水分所造成的污染。
下面将要详细描述本发明的优选实施方式的制造方法。
图3是描述本发明的优选实施方式的双电层电容器电极10的制造方法的流程图。下面将参考该流程图描述该实施方式的双电层电容器电极10的制造方法。
首先制备作为底涂层14的材料的涂布液,即,用于底涂层的涂布液X,和作为可极化电极层16的材料的涂布液,即,用于可极化电极层的涂布液Y(步骤S10)。
按下述方式制备用于底涂层的涂布液X。首先,如图4所示,将导电性颗粒40、粘合剂42和溶剂44装入配有搅拌单元32的混合设备30中。然后通过使用搅拌单元32搅拌各成分来制备用于底涂层的涂布液X。
制备用于底涂层的涂布液X优选包括捏合操作和/或稀释混合操作。此处所称的术语“捏合”是指通过搅拌将材料与液体以相对较高的粘度状态捏合在一起,术语“稀释混合”是指将溶液等添加至经捏合的液体中并以相对较低的粘度状态将混合物混合。对这些操作的时间和温度不作具体限定,但从获得均匀的分散状态的角度考虑,捏合时间优选约为30分钟~2小时,捏合时的温度优选约为40℃~80℃,稀释混合时间优选约为1小时~5小时,稀释混合时的温度优选约为20℃~50℃。
对用于底涂层的涂布液X中所包含的导电性颗粒40不作具体限定,只要该颗粒具有足以允许电荷在集电器12与可极化电极层16之间移动的电子传导性即可。该颗粒可以由具有电子传导性的碳材料等构成,更具体地优选使用炭黑和石墨。
可以使用的炭黑的例子包括乙炔黑、科琴黑和炉黑,但其中优选乙炔黑。炭黑的平均粒径优选为25nm~50nm。通过使用BET吸附等温线由氮吸附等温线测定的BET比表面积优选大于或等于50m2/g,更优选为50m2/g~140m2/g。
并且,石墨的例子包括天然石墨、人造石墨和膨胀石墨,特别优选使用人造石墨。石墨的平均粒径优选为4μm~6μm。BET比表面积优选大于或等于10m2/g,更优选为15m2/g~30m2/g。通过使用该石墨,可以为底涂层14提供优异的电子传导性,内电阻也趋向于令人满意地减小。
另一方面,对用于底涂层的涂布液X中所包含的粘合剂42不作具体限定,只要它是能够粘合导电性颗粒40的材料即可,其例子包括聚酰胺-酰亚胺、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和氟橡胶。
在这些材料中优选使用聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、氟橡胶或其它氟类粘合剂,特别优选使用氟橡胶。这是由于下述事实,即,使用氟橡胶即使用量很少也能够使导电性颗粒充分粘合,并且可以改善集电器12与可极化电极层16之间的物理结合特性和电结合特性。这还因为下述事实,即氟橡胶是电化学稳定的。
氟橡胶的例子包括偏二氟乙烯-六氟丙烯-四氟丙烯(VDF-HFP-TFE)共聚物、偏二氟乙烯-六氟丙烯(VDF-HFP)共聚物、偏二氟乙烯-五氟丙烯(VDF-PFP)共聚物、偏二氟乙烯-五氟丙烯-四氟乙烯(VDF-PFP-TFE)共聚物、偏二氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚-四氟乙烯(VDF-PFMVE-TFE)共聚物、偏二氟乙烯-氯代三氟乙烯(VDF-CTFE)共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物和丙烯-四氟乙烯共聚物。
其中特别优选为选自由VDF、HFP和TFE组成的组中的至少两种进行共聚的氟橡胶。特别优选为上述组中三种共聚的VDF-HFP-TFE共聚物,原因是粘合性和耐化学性能够得到进一步的改善。
对用于底涂层的涂布液X中所包含的溶剂44不作具体限定,只要其不仅能够溶解或分散粘合剂42而且还能够溶解或分散用于可极化电极层的涂布液Y中所包含的粘合剂即可。溶剂的例子包括甲基乙基酮(MEK)、甲基异丁基酮(MIBK)和其它酮类溶剂,或二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)以及其它含氮的有机溶剂。可以将不能溶解氟橡胶的不良溶剂与溶剂44混合。
不良溶剂的比率优选小于总重量的50重量%。不能溶解氟橡胶的不良溶剂的例子包括酯、饱和烃、芳香烃和醇,但其中优选碳酸丙烯酯和碳酸乙烯酯。当在捏合操作后进行稀释混合操作时,优选使用甲基异丁基酮(MIBK)等作为捏合操作时的溶剂44,而在稀释混合操作时除良溶剂之外还优选使用碳酸丙烯酯或其它不良溶剂。
对该用于底涂层的涂布液X中所包含的导电性颗粒40、粘合剂42和溶剂44的比率不作具体限定,但在本发明中,用于底涂层的涂布液X的粘度优选为0.15Pa·s~0.75Pa·s,导电性颗粒(P)40和粘合剂(B)42的重量比(P/B)必须为20/80~40/60。
这些条件是在集电器12的经粗糙化的表面上恰当地形成底涂层14所需要的条件,通过使用满足上述条件的用于底涂层的涂布液X,能够以高精度调节底涂层14的涂布区域并且减小底涂层14的电阻。并且,集电器12与可极化电极层16之间的粘合也可以通过满足上述条件而得到改善,底涂层14的表面特性和形成于底涂层之上的可极化电极层16的表面特性可以得到改善。
这是由于下述事实,即当用于底涂层的涂布液X的粘度小于0.15Pa·s时,底涂层14的涂布精度由于粘度不足而下降,不能在所需区域恰当地形成涂布膜。并且,当用于底涂层的涂布液X的粘度大于0.75Pa·s时,不仅底涂层14的电阻因粘度过大而增加,而且由于粘合性的下降更易于发生剥离。
当用于底涂层的涂布液X的P/B比率小于20/80时,底涂层14的电阻增大,相反,当用于底涂层的涂布液X的P/B比率大于40/60时,底涂层14的表面特性和形成于底涂层之上的可极化电极层16的表面特性恶化,在薄膜厚度上形成巨大的不均匀性,内电阻增大,粘合性也最终降低。
当大量双电层电容器电极10叠加时在薄膜的厚度上出现可观的尺寸波动。因而,当膜厚的不均匀性较大时,能够被层压的双电层电容器电极10的层数最终受到限制。实际上,为了以其间夹有隔板20的形式层压数百个双电层电容器电极10,厚度差(膜较厚部分与膜较薄部分之间的差)相对于涂布膜的厚度优选保持为7%或更少。
相反,当用于底涂层的涂布液X满足上述条件时,能够抑制此类缺陷的发生,可以形成优异的底涂层14。特别是,用于底涂层的涂布液X的粘度优选为0.3Pa·s~0.4Pa·s,P/B的比率优选约为30/70。由此甚至能够形成更优异的底涂层14。
因而,用于底涂层的涂布液X中所包含的导电性颗粒40、粘合剂42和溶剂44的比率和材料优选满足上述条件。
另一方面,如图5所示,通过将多孔颗粒50、粘合剂52和溶剂54放入配有搅拌单元36的混合设备34中并搅拌各成分可以制备用于可极化电极层的涂布液Y。用于可极化电极层的涂布液Y的制备优选包括捏合操作和/或稀释混合操作。
对用于可极化电极层的涂布液Y中所包含的多孔颗粒50不作具体限定,只要该多孔颗粒具有有助于存贮和释放电荷的电子传导性即可。该颗粒的例子是颗粒或纤维形式的再生炭(reactivated carbon)等。可以使用苯酚类活性炭或椰壳活性炭等。多孔颗粒的平均粒径优选为3μm~20μm,BET比表面积优选大于或等于1500m2/g,更优选为2000m2/g~2500m2/g。使用该多孔颗粒50可以获得较高的体积容量。
对用于可极化电极层的涂布液Y中所包含的粘合剂52不作具体限定,只要它是能够粘合多孔颗粒50的粘合剂即可。粘合剂52的材料可以与用于底涂层的涂布液X中的粘合剂42的材料相同。即,可以用作用于可极化电极层的涂布液Y中的粘合剂52的材料的例子包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和氟橡胶。在该情况中优选使用聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、氟橡胶或其它氟类粘合剂,特别优选使用氟橡胶。
这是由于下述事实,即,使用氟橡胶即使用量很少也能使得多孔颗粒充分粘合。因而可以加强可极化电极层16的涂布膜的强度,可以改善双层界面的尺寸,可以增大体积容量。优选的氟橡胶的具体例子与作为用于底涂层的涂布液X的粘合剂42所给出的优选材料相同。
对用于可极化电极层的涂布液Y中所包含的溶剂54不作具体限定,只要其不仅能够溶解或分散粘合剂52而且还能够溶解或分散用于底涂层的涂布液X中所包含的粘合剂42即可,但优选使用由甲基乙基酮(MEK)、甲基异丁基酮(MIBK)、或其它酮类溶剂或其它良溶剂与碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯或其它不良溶剂构成的混合溶剂。
根据需要优选将导电性辅助剂56添加至用于可极化电极层的涂布液Y中。对导电性辅助剂56不作具体限定,只要其具有允许电荷在集电器12与可极化电极层16之间充分移动的电子传导性即可。该辅助剂的例子是炭黑。可以使用的炭黑的例子包括能够有利地用作用于底涂层的涂布液X的导电性颗粒40的材料;具体地,可以使用乙炔黑、科琴黑和炉黑。
对用于可极化电极层的涂布液Y中所包含的多孔颗粒50、粘合剂52和溶剂54的比例以及可选地添加的导电性辅助剂56的比例不作具体限定,但在使用氟类粘合剂作为粘合剂52的情况中,用于可极化电极层的涂布液Y的粘度优选为0.5Pa·s~3.5Pa·s。优选良溶剂(GS)和不良溶剂(PS)的重量比(GS/PS)为60/40~80/20。
为有效防止可极化电极层16中出现裂纹、并且为使可极化电极层16的表面光滑,这些条件是优选的条件。换言之,如果用于可极化电极层的涂布液Y的GS/PS的比率小于60/40,则由于粘合剂52的溶解不够充分会导致可极化电极层16中出现裂纹的可能性增加,如果用于可极化电极层的涂布液Y的GS/PS的比率大于80/20,或如果用于可极化电极层的涂布液Y的粘度小于0.5Pa·s或超过3.5Pa·s,则可极化电极层16的表面特性会由于涂布条件的恶化而下降,并且易于在膜的厚度上出现可观的不均匀性。
相反,当用于可极化电极层的涂布液Y满足上述条件时,能够抑制此类缺陷的出现,可以形成优异的可极化电极层16。特别是,用于可极化电极层的涂布液Y的粘度优选为1.0Pa·s~1.5Pa·s,GS/PS的比率优选为约70/30。由此能够形成更好的可极化电极层16。
因而,优选选择用于可极化电极层的涂布液Y中所包含的多孔颗粒50、粘合剂52和溶剂54以及可选地添加的导电性辅助剂56的材料和比率以满足上述条件。
用于底涂层的涂布液X的粘合剂与用于可极化电极层的涂布液Y的粘合剂可以相同或不同,但从便于处理粘合剂和确保低成本的角度考虑,优选使用相同的粘合剂。当用于底涂层的涂布液X的粘合剂与用于可极化电极层的涂布液Y的粘合剂相同时,这些粘合剂的溶剂也优选相同。例如,当使用氟橡胶作为粘合剂时,可以使用MIBK作为共用溶剂,而当使用PVDF作为粘合剂时,可以使用NMP作为共用溶剂。
相反,当用于底涂层的涂布液X的粘合剂与用于可极化电极层的涂布液Y的粘合剂不同时,这些粘合剂的溶剂也可以不同,但从便于处理溶剂和确保低成本的角度考虑,优选使用相同的溶剂。当使用聚酰胺酰亚胺作为用于底涂层的涂布液X的粘合剂,并且使用PVDF作为用于可极化电极层的涂布液Y的粘合剂时,可以使用NMP作为共用溶剂。
术语“相同溶剂”是指在仅使用良溶剂的情况中,和使用良溶剂与不良溶剂的混合物的情况中,对于良溶剂使用相同的材料,但并不要求不良溶剂具有相同的特性或良溶剂和不良溶剂的重量比具有相同的性质。
在由此制备了用于底涂层的涂布液X和用于可极化电极层的涂布液Y之后(步骤S10),随后通过在集电器12的经粗糙化的表面12b上涂布用于底涂层的涂布液X以形成涂布膜(步骤S11),将该涂布膜中所包含的溶剂44通过干燥除去(步骤S12)。然后将用于可极化电极层的涂布液Y涂布在上述涂布膜上(步骤S13),之后将涂布膜中所包含的溶剂54通过干燥除去(步骤S14)。
可以采用已知的涂布方法而不作具体限定地来涂布用于底涂层的涂布液X和用于可极化电极层的涂布液Y。可以采用的方法的例子包括挤出喷嘴、挤出层压、刮刀式凹版辊涂、回转辊涂、涂抹器涂布、吻合涂布、棒涂、丝网印刷。在这些方法中,优选使用挤出喷嘴法,这是因为要特别考虑涂布液的粘度、涂布液中的变化(在开放式方法中由于溶液的挥发存在粘度增大的趋势)、以及可极化电极层16的厚度稳定性。
通过加热规定长度的时间可以干燥涂布膜。干燥可以具体地在70℃~130℃进行0.1分钟~10分钟。通过上述过程可以得到其中将底涂层14和可极化电极层16层压在集电器12上的电极片。
由于“融合”由此以图6中所示的方式发生在可极化电极层16与形成于集电器12上的底涂层14的界面处,因此可以确保层间区域的粘合。
由于具有该构造,在下述的压延过程中可极化电极层不会发生剥离。此处使用的术语“融合”是指下述状态:当将用于可极化电极层的涂布液涂布于底涂层的表面上时,由于底涂层的靠近表面的粘合剂的溶解,因此使得两个层之间的界面变得不再清晰。
下面,使用辊压机对电极片进行压延,由此对可极化电极层16进行压制(步骤S15)。设计该步骤是通过对可极化电极层16进行压制来增大体积容量,并且优选将压延工序重复数次以增大体积容量。
然后如图7所示将经压延的电极片60切割成所需尺寸和形状(步骤S16),从而完成图1中所示的双电层电容器电极10。之后如图2所示将隔板20插入至一对这样的双电层电容器电极10之间,并将该单元放入壳体(未示出)中。然后使该壳体充满电解液以完成双电层电容器。
因而,在本实施方式中,可以使用能够溶解用于可极化电极层的涂布液Y的粘合剂的溶剂作为用于底涂层的涂布液X的溶剂,并且可以使用能够溶解用于底涂层的涂布液X的粘合剂的溶剂作为用于可极化电极层的涂布液Y的溶剂。
因而,当将用于可极化电极层的涂布液Y涂布于底涂层时,通过在底涂层表面上的粘合剂的溶解和底涂层与可极化电极层之间的界面的融合使所述两层一体化,增强了底涂层与可极化电极层之间的粘合。
因此,集电器与可极化电极层之间的粘合也可以得到进一步增强,并且能够制造具有优异性质的双电层电容器电极。特别地,如果使用相同材料作为用于底涂层的涂布液X的粘合剂和溶剂及用于可极化电极层的涂布液Y的粘合剂和溶剂,则能够确保降低成本。
即使当用作用于底涂层的涂布液X的粘合剂的材料与用于可极化电极层的涂布液Y的粘合剂的材料不同时,当涂布用于可极化电极层的涂布液Y时底涂层也不会被过度腐蚀,并且当用于底涂层的涂布液X中使用的溶剂与用于可极化电极层的涂布液Y中使用的溶剂相同时,只要在用于可极化电极层的涂布液Y中所使用的粘合剂在该溶剂中的溶解性优于在用于底涂层的涂布液X中所使用的粘合剂,则能够形成优异的涂布膜。
满足该条件的材料的例子包括以聚酰胺酰亚胺作为用于底涂层的涂布液X的粘合剂、以PVDF作为用于可极化电极层的涂布液Y的粘合剂并且以NMP作为共用溶剂。
在上述实施方式中,底涂层14和可极化电极层16仅形成在集电器12的一侧,但如果将这些部件形成在集电器12的两侧,则可以将隔板20插在大量双电层电容器电极10的各层之间,可以交替地引出集电器12的引出电极12a来制造具有更大容量的双电层电容器,如图8中所示。
本发明决不限于上述实施方式,而是可以在如权利要求中所叙述的本发明的范围内进行各种改进,这些改进自然是包含在本发明的范围之内。
例如,通过本发明制得的电化学电容器电极可以用作用于双电层电容器的电极、以及用于准电容电容器(pseudo-capacity capacitor)、准电容器(pseudo capacitor)、氧化还原电容器和各种其它电化学电容器的电极。
实施例
下面将对本发明的实施例进行描述,但本发明决不以任何方式受限于这些实施例。
实施例1
通过使用行星式分散器使33重量份乙炔黑(产品名:Denka Black,Denki Kagaku Kogyo制造)和33重量份石墨混合15分钟来制备用于底涂层的涂布液X中所使用的导电性颗粒。再向全部重量的混合物中添加35重量份作为粘合剂的氟橡胶(产品名:Viton-GF,DuPont Dow Elastomer制造)和140重量份作为溶剂的甲基异丁基酮(MIBK)(良溶剂),并使用行星式分散器将混合物捏合45分钟。
随后再添加119重量份作为粘合剂的上述氟橡胶、1543重量份作为溶剂的MIBK(良溶剂)和297重量份碳酸丙烯酯(不良溶剂)。将混合物搅拌4小时并制备用于底涂层的涂布液X。
通过使用行星式分散器使87重量份粒状活性炭(产品名:RP-20,Kuraray Chemical制造)和3重量份作为导电性辅助剂的乙炔黑(产品名:Denka Black,Denki Kagaku Kogyo制造)混合15分钟以制备用于可极化电极层的涂布液Y中所使用的多孔颗粒。再向全部重量的混合物中添加10重量份作为粘合剂的氟橡胶(产品名:Viton-GF,DuPont Dow Elastomer制造)、51.1重量份作为溶剂的MIBK(良溶剂)和81重量份碳酸丙烯酯(不良溶剂),并使用行星式分散器将混合物捏合45分钟。
此外,将137.9重量份作为溶剂的MIBK(良溶剂)添加至混合物中,将混合物搅拌4小时以制备用于可极化电极层的涂布液Y。
由于在用于底涂层的涂布液X中所使用的粘合剂和在用于可极化电极层的涂布液Y中所使用的粘合剂都是氟橡胶并且溶剂都是MIBK,因此用于底涂层的涂布液X的溶剂能够溶解用于可极化电极层的涂布液Y的粘合剂,而且用于可极化电极层的涂布液Y的溶剂能够溶解用于底涂层的涂布液X的粘合剂。
接下来,利用挤出喷嘴法将所得用于底涂层的涂布液X涂布于作为集电器的铝箔的经粗糙化的表面上以形成厚度为7μm的底涂层。使用厚度为20μm的铝箔并且其表面已通过蚀刻而粗糙化。
接下来,利用挤出喷嘴法将所得用于可极化电极层的涂布液Y涂布于底涂层的表面上以形成厚度为115μm的可极化电极层。
由此完成实施例1的电极片样品。
实施例2
除了在制备实施例1的用于底涂层的涂布液X和用于可极化电极层的涂布液Y时使用PVDF作为两种溶液的粘合剂并使用N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为两种溶液的溶剂之外,以与实施例1相同的方式制造实施例2的电极片样品。
由于在用于底涂层的涂布液X中所使用的粘合剂和在用于可极化电极层的涂布液Y中所使用的粘合剂都是PVDF并且溶剂都是NMP,因此用于底涂层的涂布液X的溶剂能够溶解用于可极化电极层的涂布液Y的粘合剂,而且用于可极化电极层的涂布液Y的溶剂能够溶解用于底涂层的涂布液X的粘合剂。
实施例3
除了在制备实施例1的用于底涂层的涂布液X时使用聚酰胺酰亚胺作为粘合剂并使用NMP作为溶剂,并且在制备用于可极化电极层的涂布液Y时使用PVDF作为添加至混合物中的粘合剂和使用NMP作为溶剂之外,以与实施例1相同的方式制造实施例3的电极片样品。
因而,由于在用于底涂层的涂布液X中所使用的粘合剂是聚酰胺酰亚胺,并且在用于可极化电极层的涂布液Y中所使用的溶剂是NMP,因此,用于可极化电极层的涂布液Y的溶剂能够溶解用于底涂层的涂布液X的粘合剂。并且,由于在用于可极化电极层的涂布液Y中所使用的粘合剂是PVDF,并且在用于底涂层的涂布液X中所使用的溶剂是NMP,因此,用于底涂层的涂布液X的溶剂能够溶解用于可极化电极层的涂布液Y的粘合剂。
比较例1
除了在制备实施例1的用于底涂层的涂布液X时使用PVDF作为粘合剂且使用NMP作为溶剂之外,以与实施例1相同的方式制造比较例1的电极片样品。
在该情况中,用于可极化电极层的涂布液Y的溶剂不能溶解用于底涂层的涂布液X的粘合剂,用于底涂层的涂布液X的溶剂不能溶解用于可极化电极层的涂布液Y的粘合剂。
比较例2
除了在制备实施例1的用于底涂层的涂布液X时使用聚酰胺酰亚胺作为粘合剂且使用NMP作为溶剂之外,以与实施例1相同的方式制造比较例2的电极片样品。
在该情况中,用于可极化电极层的涂布液Y的溶剂不能溶解用于底涂层的涂布液X的粘合剂,用于底涂层的涂布液X的溶剂不能溶解用于可极化电极层的涂布液Y的粘合剂。
比较例3
除了在制备实施例1的用于底涂层的涂布液X时使用聚乙烯醇作为粘合剂且使用水作为溶剂之外,以与实施例1相同的方式制造比较例3的电极片样品。
在该情况中,用于可极化电极层的涂布液Y的溶剂不能溶解用于底涂层的涂布液X的粘合剂,用于底涂层的涂布液X的溶剂不能溶解用于可极化电极层的涂布液Y的粘合剂。
表1显示了实施例1~3和比较例1~3中所使用的底涂层与可极化电极层之间的界面的剥离和融合。
表1
底涂层 | 可极化电极层 | 层间融合 | 粘合性 | |||
粘合剂 | 溶剂 | 粘合剂 | 溶剂 | |||
实施例1 | 氟橡胶 | MIBK | 氟橡胶 | MIBK | 是 | 无剥离 |
实施例2 | PVDF | NMP | PVDF | NMP | 是 | 无剥离 |
实施例3 | 聚酰胺酰亚胺 | NMP | PVDF | NMP | 是 | 无剥离 |
比较例1 | PVDF | NMP | 氟橡胶 | MIBK | 否 | 剥离 |
比较例2 | 聚酰胺酰亚胺 | NMP | 氟橡胶 | MIBK | 否 | 剥离 |
比较例3 | PVA | 水 | 氟橡胶 | MIBK | 否 | 剥离 |
层间融合的评价
对于实施例1~3的电极片样品和比较例1~3的电极片样品,通过切割横断面并使用光学显微镜或扫描电子显微镜等来观察底涂层与可极化电极层之间的界面状态来评价层间融合的存在。
评价结果见表1。如表1中所示,在比较例1~3的电极片样品中未出现层间融合。据认为这是由于下述事实所致:即在比较例1~3中所使用的用于底涂层的涂布液X中所包含的溶剂不能溶解或分散用于可极化电极层的涂布液Y的粘合剂,用于可极化电极层的涂布液Y中所包含的溶剂不能溶解或分散用于底涂层的涂布液X的粘合剂。
相反,在实施例1~3的电极片样品中出现了层间融合。
双电层电容器电极的制造
使用辊压机在9.8×103N/cm的压力下将实施例1~3的电极片样品和比较例1~3的电极片样品压延5次。然后将经压延的电极片样品切割成30mm×56mm的矩形并在180℃真空干燥60小时以从底涂层和可极化电极层中除去水份和溶剂。实施例1~3的电极片样品和比较例1~3的电极片样品根据上述方法完成。
双电层电容器的制造
使用来自各实施例1~3的电极样品和各比较例1~3的电极样品的两个样品来制造双电层电容器。
首先,将2mm宽、10mm长的引线布置在未形成有底涂层和可极化电极层的集电器的周边。将作为阳极的由双电层电容器电极构成的双电层电容器电极、隔板和阴极按上述顺序以接触状态(非连接态)叠加以形成堆叠体(装置)。使用厚度为0.05mm的再生纤维素非织造物(产品名:TF4050,Nippon Kodoshi制造)作为隔板,其尺寸设定为31mm×57mm。
用作电容器壳体材料的是柔韧的复合包装膜,其中由改性聚丙烯构成的内层、由铝箔构成的金属层和由聚酰胺构成的外层按所述顺序依次层压。
复合层压膜的形状为矩形,以由改性聚丙烯构成的内层作为内侧在长边的中点处折叠,将长边的边缘部分互相叠压并加热密封,使短边保持张开从而形成袋状体。将上述堆叠体(装置)放入袋状体中以使引线从中突出。在减压下注入电解液,之后将张开的短边边缘部分在减压下密封以得到双电层电容器。使用1.2mol/L的三乙基甲基铵氟硼酸盐的碳酸丙烯酯溶液作为电解液。
对每一个电极样品均进行上述过程以制造实施例1~3的电容器样品和比较例1~3的电容器样品。
粘合性的评价
通过利用剥离测试来评价实施例1~3的电容器样品和比较例1~3的电容器样品的集电器与可极化电极层之间的粘合性。
利用充/放电测试仪(产品名:HJ-101SM6,Hokuto Denko制造)在60℃的温度下将2.5V的电压施加于实施例1~3的电容器样品和比较例1~3的电容器样品。在5mA/F的电流密度下将CC-CV充电(恒电流-恒电压充电)进行24小时,之后在5mA/F的电流密度下放电至0V。
在进行该充放电之后,将电容器样品拆开,检测可极化电极层中出现的剥离。对实施例1~3的每一个电容器样品和比较例1~3的每一个电容器样品进行10次该测试。计算缺陷率(缺陷样品/样品总数(=10)),其中,对于至少在阳极或阴极中出现剥离的状况,确定为“缺陷样品”,对于在阳极和阴极中都未出现剥离的状况,确定为“良好样品”。
并且,当10个样品中即使只有一个样品存在该缺陷时,也要将样品评为“剥离”,当10个样品中的任何一个都未出现剥离时,可以将样品评为“无剥离”。
如表1中所示,实施例1~3的电容器被确定为“无剥离”,即任何一个样品的可极化电极层中都没有发生剥离。相反,比较例1~3的电容器被确定为“剥离”,即,证实在多个样品中发生了剥离,并且发现集电器与可极化电极层之间的粘合性较低。
据认为这主要是由于以下事实所致,即由于在比较例1~3中所用的用于底涂层的涂布液X的溶剂不能溶解或分散用于可极化电极层的涂布液Y的粘合剂,并且用于可极化电极层的涂布液Y的溶剂不能溶解或分散用于底涂层的涂布液X的粘合剂,所以没有发生层间融合。
总结
因此可以确定如果用于可极化电极层的涂布液Y的溶剂能够溶解或分散用于底涂层的涂布液X的粘合剂,并且用于底涂层的涂布液X的溶剂能够溶解或分散用于可极化电极层的涂布液Y的粘合剂,则通过融合所述两层之间的界面和使两个层一体化能够增强底涂层与可极化电极层之间的粘合并防止可极化电极层的剥离。
另一方面,已经证实当不能满足上述条件时,两个层之间的界面无法融合并且可极化电极层会由于充放电而导致剥离。
Claims (10)
1.一种制造电化学电容器电极的方法,该方法包括:
用于在集电器上形成底涂层的第一步骤;和
用于在所述底涂层上形成可极化电极层的第二步骤,
其中所述第一步骤通过以用于底涂层的涂布液涂布所述集电器而进行,所述用于底涂层的涂布液包含导电性颗粒、第一粘合剂和第一溶剂,所述第二步骤通过以用于可极化电极层的涂布液涂布所述底涂层而进行,所述用于可极化电极层的涂布液包含多孔颗粒、第二粘合剂和第二溶剂,
所述第一溶剂能够溶解或分散所述第一粘合剂和所述第二粘合剂,所述第二溶剂能够溶解或分散所述第一粘合剂和所述第二粘合剂。
2.如权利要求1所述的制造电化学电容器电极的方法,其中所述第一粘合剂和所述第二粘合剂是相同的材料。
3.如权利要求1所述的制造电化学电容器电极的方法,其中所述第一溶剂和所述第二溶剂是相同的材料。
4.如权利要求2所述的制造电化学电容器电极的方法,其中所述第一溶剂和所述第二溶剂是相同的材料。
5.如权利要求2~4任一项所述的制造电化学电容器电极的方法,其中所述第一粘合剂和所述第二粘合剂都是氟橡胶,并且所述第一溶剂和所述第二溶剂都包括甲基异丁基酮。
6.如权利要求2~4任一项所述的制造电化学电容器电极的方法,其中所述第一粘合剂和所述第二粘合剂都是聚偏二氟乙烯,并且所述第一溶剂和所述第二溶剂都包括N-甲基吡咯烷酮。
7.如权利要求1所述的制造电化学电容器电极的方法,其中所述第一粘合剂和所述第二粘合剂是不同的材料,所述第一溶剂和所述第二溶剂是相同的材料,
所述第二粘合剂在所述第一溶剂和所述第二溶剂中的溶解性大于所述第一粘合剂在所述第一溶剂和所述第二溶剂中的溶解性。
8.如权利要求7所述的制造电化学电容器电极的方法,其中所述第一粘合剂是聚酰胺酰亚胺,所述第二粘合剂是聚偏二氟乙烯,并且所述第一溶剂和所述第二溶剂都包括N-甲基吡咯烷酮。
9.如权利要求1~4任一项所述的制造电化学电容器电极的方法,其中所述第二溶剂包含能够溶剂所述第二粘合剂的良溶剂和不能溶解所述第二粘合剂的不良溶剂,
所述良溶剂(GS)与所述不良溶剂(PS)的重量比(GS/PS)设定为60/40~80/20。
10.如权利要求1~4任一项所述的制造电化学电容器电极的方法,其中所述用于可极化电极层的涂布液还包含导电性辅助剂。
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