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CN105609703B - 一体化电极及制造方法 - Google Patents

一体化电极及制造方法 Download PDF

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CN105609703B CN201510997602.3A CN201510997602A CN105609703B CN 105609703 B CN105609703 B CN 105609703B CN 201510997602 A CN201510997602 A CN 201510997602A CN 105609703 B CN105609703 B CN 105609703B
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Abstract

本发明涉及蓄电池领域，目的是提供一种一体化电极及制造方法。一种一体化电极，包括：复合集流体和多孔电极；复合集流体包括：基材，基材的单面或双面涂覆的导电粘结过渡层，导电粘结过渡层上连接的导电聚合物膜；所述的多孔电极与导电聚合物膜通过设于位于多孔电极和一个导电聚合物膜之间的导电碳浆层连接，或多孔电极与导电聚合物膜连接。该一体化电极装配方便且复合集流体和多孔电极连接质量稳定。一体化电极的制造方法能满足复合集流体和多孔电极制成一体化电极的需要。

Description

一体化电极及制造方法
技术领域
本发明涉及蓄电池领域，尤其是一种一体化电极及制造方法。
背景技术
电动汽车采用电能驱动，与燃油汽车相比，节能环保，是一种具有很大发展前景的新能源汽车；锂离子电池相对于铅酸电池和镍氢电池，虽然具有较高的比能量和循环寿命，但是大容量锂离子电池在多次充、放电后，会出现电池不可逆的容量衰减，大幅缩短使用寿命，甚至出现安全问题，因此，单独应用锂离子电池难以满足电动大巴或混合动力大巴对动力电池的要求；由薄液层超级电容器或者钒离子电池与铅酸电池或镍氢电池或锂离子电池等组成的复合电源可以很好满足电动大巴或混合动力大巴对动力电池的需求；电极是薄液层超级电容器或钒离子电池的关键部件；电极包括复合集流体和多孔电极；中国专利申请号CN201410553033.9的发明公开了一种耐腐蚀高导电性的赝电式超级电容器用复合集流体及其制备方法，复合集流体包括基材，所述基材的单面或者双面涂覆有导电粘结过渡层，导电粘结过渡层上粘接有导电防腐层。导电防腐层即导电聚合物膜。多孔电极的结构可从中国专利申请号CN201410632296.9的发明公开的一种高孔隙率高电导率多孔电极、其批量制造工艺及采用该多孔电极的赝电式超级电容器获得了解。传统电极的复合集流体和多孔电极分开设置并在装配时堆叠在一起，存在装配不方便且复合集流体和多孔电极之间的接触电阻大的不足，因此，设计一种装配方便且复合集流体和多孔电极连接质量稳定的一体化电极及制造方法，成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服目前的电极的复合集流体和多孔电极分开设置并在装配时进行堆叠，存在装配不方便且复合集流体和多孔电极之间的接触电阻大的不足，提供一种装配方便且复合集流体和多孔电极连接质量稳定的一体化电极及制造方法。
本发明的具体技术方案是：
一种一体化电极，包括：复合集流体和多孔电极；复合集流体包括：基材，基材的单面或双面涂覆的导电粘结过渡层，导电粘结过渡层上连接的导电聚合物膜；所述的多孔电极与导电聚合物膜通过设于位于多孔电极和导电聚合物膜之间的导电碳浆层连接，或多孔电极与导电聚合物膜连接。该一体化电极装配方便且复合集流体和多孔电极连接质量稳定。
所述的一体化电极的制造方法，（1）将多孔电极置于模具的定位凹陷中；（2）在复合集流体的导电聚合物膜表面涂10μm~50μm厚的导电碳浆层；（3）将涂有导电碳浆层的复合集流体置于多孔电极上，导电碳浆层朝向多孔电极；（4）对多孔电极上端施加0.2MPa~0.6MPa的压力，保压时间5 s ~20s；（5）将通过导电碳浆层连接成一体的复合集流体和多孔电极从模具中取出，置于40~60℃的加热箱中12 h ~24h，制成一体化电极；或（1）将多孔电极置于模具的定位凹陷中；（2）在复合集流体的导电聚合物膜表面涂10μm~50μm厚的导电碳浆层；（3）将涂有导电碳浆层的复合集流体置于多孔电极上，导电碳浆层朝向多孔电极；（4）对多孔电极上端施加0.2MPa~0.6MPa的压力，同时将模具加热至60℃~120℃，保压5min ~60min，导电碳浆层固化；（5）将通过导电碳浆层连接成一体的复合集流体和多孔电极从模具中取出，即得一体化电极。一体化电极的制造方法能满足复合集流体和多孔电极制成一体化电极的需要。
作为优选，所述的导电碳浆层按重量份计，由2~3重量份导电组分、2~4重量份粘结剂组分、4~6重量份分散剂组分混合制成。导电碳浆层导电性好、粘结强度高。
作为优选，所述的导电组分选自活性炭、活性炭纤维、碳短切纤维、碳纤维粉、碳纳米管、石墨、乙炔黑、石墨烯、富勒烯C60、炭黑、聚苯胺、聚吡咯、PEDOT中的一种或几种；粘结剂组分选自环氧树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂、乙酸-醋酸乙烯树脂、聚氨酯中的一种或几种；分散剂组分选自苯、甲苯、二甲苯、二氯甲烷、N-甲基吡咯烷酮、聚苯乙烯磺酸中的一种或者几种。导电碳浆层导电组分、粘结组分和分散剂组分选用的材料为常用材料，成本低且效果好。
作为优选，所述的基材选择金属箔、金属网、金属板栅、金属冲孔网、金属丝编织网中的一种，基材的厚度为0.01mm~2mm。基材选择的材料兼顾导电性和强度。
所述的一体化电极的制造方法的模具，其特征是，所述的模具包括：围框，底板，上端设有定位凹陷的下活动板，上活动板和设有加热器的上压板；下活动板下端设有至少一个导孔；底板的上端设有个数与导孔个数相同的导柱；使用时，底板、下活动板、上活动板、上压板从下至上依次排列；围框位于底板和上压板之间且套设在下活动板和上活动板外。用于一体化电极的制造方法的模具能满足复合集流体和多孔电极通过通过固化的导电碳浆层连接成一体一体化电极的需要；围框、下活动板和上活动板可以根据一体化电极的不同规格调换。
所述的一体化电极的制造方法，其特征是，（1）将复合集流体加热至160℃~180℃；（2）将多孔电极置于复合集流体的导电聚合物膜上；（3）对多孔电极施加0.1MPa~0.4MPa压力并保压5 s~10s，多孔电极嵌入导电聚合物膜连接；（4）将连接成一体的多孔电极和复合集流体冷却，制成一体化电极；或（1）将多孔电极置于复合集流体的导电聚合物膜上，（2）将复合集流体加热至160℃~180℃；（3）对多孔电极施加0.1MPa~0.4MPa压力并保压5 s ~10s，多孔电极嵌入导电聚合物膜连接；（4）将连接成一体的多孔电极和复合集流体冷却，制成一体化电极。一体化电极的制造方法能满足复合集流体和多孔电极制成一体化电极的需要。
作为优选，所述的导电聚合物膜按重量份计，导电聚合物膜由1~6重量份导电剂、1~2重量份防腐粘结剂和60~70重量份溶剂混合制成。导电聚合物膜具有良好的导电性、耐强酸性和耐强氧化还原性。
作为优选，所述的导电剂选自活性炭、活性炭纤维、短切碳纤维、碳纤维粉、碳纳米管、石墨、乙炔黑、石墨烯、富勒烯C60、炭黑、聚苯胺、聚吡咯、PEDOT中的一种或几种；防腐粘结剂选自乙烯-醋 酸乙烯共聚物、聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯中的一种或几种；溶剂为乙酸正戊酯。导电聚合物膜的导电剂、防腐粘结剂和溶剂选用的材料为常用材料，成本低且效果好。
一种薄液层超级电容器或者乏液型钒离子电池，包括权利要求1所述的一体化电极；所述的一体化电极由权利要求2或3或7或8所述的一体化电极的制造方法制成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该一体化电极装配方便且复合集流体和多孔电极连接质量稳定。一体化电极的制造方法能满足复合集流体和多孔电极制成一体化电极的需要。导电碳浆层按重量份计，由2~3重量份导电组分、2~4重量份粘结剂组分、4~6重量份分散剂组分混合制成，导电碳浆层导电性好、粘结强度高。导电碳浆层导电组分、粘结组分和分散剂组分选用的材料为常用材料，成本低且效果好。采用该配方的导电碳浆，在保证涂覆工艺顺利进行的同时，还能保证多孔电极与导电聚合物膜之间的粘结强度，以及电极的大电流充放电需求。基材选择的材料兼顾导电性和强度。用于一体化电极的制造方法的模具能满足复合集流体和多孔电极通过通过固化的导电碳浆层连接成一体一体化电极的需要；围框、下活动板和上活动板可以根据一体化电极的不同规格调换。导电聚合物膜按重量份计，导电聚合物膜由1~6重量份导电剂、1~2重量份防腐粘结剂和60~70重量份溶剂混合制成，导电聚合物膜具有良好的导电性、耐强酸性和耐强氧化还原性。导电聚合物膜的导电剂、防腐粘结剂和溶剂选用的材料为常用材料，成本低且效果好；采用该配方的导电聚合物浆料，在保证涂覆工艺顺利进行的同时，还能保证多孔电极与导电聚合物膜之间的粘结强度，以及电极的大电流充放电需求。包括所述的一体化电极及由所述的一体化电极的制造方法制成的薄液层超级电容器或者乏液型钒离子电池装配方便和一体化电极质量稳定，且降低了电芯的装配难度。
附图说明
图1是本发明的模具、导电碳浆层、复合集流体和多孔电极的一种结构示意图。
图中：多孔电极1、复合集流体2、基材21、导电粘结过渡层22、导电聚合物膜23、导电碳浆层3、模具4、定位凹陷41、围框42、底板43、下活动板44、上活动板45、加热器46、上压板47、导孔48、导柱49。
具体实施方式
下面结合附图所示对本发明进行进一步描述。
实施例1，如附图1所示：一种一体化电极，包括：复合集流体2和多孔电极1；复合集流体2包括：基材21，基材21的双面涂覆的导电粘结过渡层22，导电粘结过渡层22上粘接的导电聚合物膜23；所述的多孔电极1与导电聚合物膜23通过设于位于多孔电极1和一个导电聚合物膜23之间的导电碳浆层3粘接。
所述的一体化电极的制造方法，（1）将多孔电极1置于模具4的定位凹陷41中；（2）在复合集流体2的导电聚合物膜23表面涂一层30μm厚的导电碳浆层3；（3）将涂有导电碳浆层3的复合集流体2置于多孔电极1上，导电碳浆层3朝向多孔电极1；（4）对多孔电极1上端施加0.4MPa的压力，保压时间15s；（5）将通过导电碳浆层3粘接成一体的复合集流体2和多孔电极1从模具中取出，置于50℃的加热箱中18h，制成一体化电极；或（1）将多孔电极1置于模具的定位凹陷中；（2）在复合集流体2的导电聚合物膜23表面涂一层30μm厚的导电碳浆层3；（3）将涂有导电碳浆层3的复合集流体2置于多孔电极1上，导电碳浆层3朝向多孔电极1；（4）对多孔电极1上端施加0.4MPa的压力，同时将模具加热至90℃，保压10min，导电碳浆层3固化；（5）将通过导电碳浆层3连接成一体的复合集流体2和多孔电极1从模具中取出，即得一体化电极。
所述的导电碳浆层3按重量份计，由1.5重量份导电组分、3重量份粘结剂组分、5重量份分散剂组分混合制成。
所述的导电组分选自活性炭、活性炭纤维、碳短切纤维、碳纤维粉、碳纳米管、石墨、乙炔黑、石墨烯、富勒烯C60、炭黑、聚苯胺、聚吡咯、PEDOT中的一种或几种；粘结剂组分选自环氧树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂、乙酸-醋酸乙烯树脂、聚氨酯中的一种或几种；分散剂组分选自苯、甲苯、二甲苯、二氯甲烷、N-甲基吡咯烷酮、聚苯乙烯磺酸中的一种或者几种。
所述的基材21选择金属箔、金属网、金属板栅、金属冲孔网、金属丝编织网中的一种，基材21的厚度为1mm。
本实施例中，所述的导电组分为活性炭；粘结组分为环氧树脂；分散剂组分为N-甲基吡咯烷酮；所述的基材21选择金属箔，基材21的厚度为1mm。
一种用于一体化电极的制造方法的模具4；所述的模具4包括：围框42，底板43，上端设有定位凹陷41的下活动板44，上活动板45和设有加热器46的上压板47；加热器46为电加热器46；下活动板44下端设有两个导孔48；底板43的上端设有个数与导孔48个数相同的导柱49；使用时，底板43、下活动板44、上活动板45、上压板47从下至上依次排列；围框42位于底板43和上压板47之间且套设在下活动板44和上活动板45外。
实施例2，一种一体化电极，包括：复合集流体2和多孔电极1；复合集流体2包括：基材21，基材21的双面涂覆的导电粘结过渡层22，导电粘结过渡层22上粘接的导电聚合物膜23；所述的多孔电极1与导电聚合物膜23热压嵌入连接。
所述的一体化电极的制造方法，（1）将复合集流体2加热至170℃；（2）对多孔电极1施加0.3MPa压力并保压8s，多孔电极1嵌入导电聚合物膜23连接；（3）将连接成一体的多孔电极1和复合集流体2冷却，制成一体化电极；或（1）将多孔电极1置于一个导电聚合物膜23上，（2）将复合集流体2加热至170℃；（3）对多孔电极1施加0.3MPa压力并保压8s，多孔电极1嵌入导电聚合物膜23连接；（4）将连接成一体的多孔电极1和复合集流体2冷却，制成一体化电极。
所述的导电聚合物膜23按重量份计，导电聚合物膜23由3重量份导电剂、1.5重量份防腐粘结剂和65重量份溶剂混合制成。
所述的导电剂选自活性炭、活性炭纤维、短切碳纤维、碳纤维粉、碳纳米管、石墨、乙炔黑、石墨烯、富勒烯C60、炭黑、聚苯胺、聚吡咯、PEDOT中的一种或几种；防腐粘结剂选自乙烯-醋 酸乙烯共聚物、聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯中的一种或几种；溶剂为乙酸正戊酯；本实施例中，所述的导电剂为活性炭；防腐粘结剂为聚乙烯；溶剂为乙酸正戊酯。
经试验，采用未一体化的电极（多孔电极1尺寸80×80×1mm，电解液注液量：正负极均为5.2ml，下同）组装成的1.2V 450F薄液层超级电容器单电芯，以9A的充放电电流进行循环寿命测试，5000次循环（100% DOD）后，电芯鼓包，吸附在多孔电极1中的电解液被部分挤出，出现容量损失，10000次循环后电芯寿命终止（以80%初始容量为判定标准）；采用本发明的一体化电极组装成的1.2V 450F薄液层超级电容器单电芯，以9A的充放电电流进行循环寿命测试，10000次循环（100% DOD）后，电芯不鼓包，无容量损失，电芯循环寿命可达30000次以上（以80%初始容量为判定标准）。
本发明的有益效果是：该一体化电极装配方便且复合集流体和多孔电极连接质量稳定。一体化电极的制造方法能满足复合集流体和多孔电极制成一体化电极的需要。导电碳浆层按重量份计，由1.5重量份导电组分、3重量份粘结组分、5重量份分散剂组分混合制成，导电碳浆层导电性好、粘结强度高。导电碳浆层导电组分、粘结组分和分散剂组分选用的材料为常用材料，成本低且效果好。基材选择的材料兼顾导电性和强度。用于一体化电极的制造方法的模具能满足复合集流体和多孔电极通过通过固化的导电碳浆层连接成一体一体化电极的需要；围框、下活动板和上活动板可以根据一体化电极的不同规格调换。导电聚合物膜按重量份计，导电聚合物膜由3重量份导电剂、1.5重量份防腐粘结剂和65重量份溶剂混合制成，导电聚合物膜具有良好的导电性、耐强酸性和耐强氧化还原性。导电聚合物膜的导电剂、防腐粘结剂和溶剂选用的材料为常用材料，成本低且效果好。
本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。

Claims (7)

1.一种一体化电极的制造方法，所述的一体化电极包括：复合集流体和多孔电极；复合集流体包括：基材，基材的单面或双面涂覆的导电粘结过渡层，导电粘结过渡层上连接的导电聚合物膜；多孔电极与导电聚合物膜通过设于位于多孔电极和导电聚合物膜之间的导电碳浆层连接，或多孔电极与导电聚合物膜连接；其特征是，(1)将多孔电极置于模具的定位凹陷中；(2)在复合集流体的导电聚合物膜表面涂10μm～50μm厚的导电碳浆层；(3)将涂有导电碳浆层的复合集流体置于多孔电极上，导电碳浆层朝向多孔电极；(4)对多孔电极上端施加0.2MPa～0.6MPa的压力，保压时间5s～20s；(5)将通过导电碳浆层连接成一体的复合集流体和多孔电极从模具中取出，置于40～60℃的加热箱中12h～24h，制成一体化电极；或(1)将多孔电极置于模具的定位凹陷中；(2)在复合集流体的导电聚合物膜表面涂10μm～50μm厚的导电碳浆层；(3)将涂有导电碳浆层的复合集流体置于多孔电极上，导电碳浆层朝向多孔电极；(4)对多孔电极上端施加0.2MPa～0.6MPa的压力，同时将模具加热至60℃～120℃，保压5min～60min，导电碳浆层固化；(5)将通过导电碳浆层连接成一体的复合集流体和多孔电极从模具中取出，即得一体化电极。
2.根据权利要求1所述的一体化电极的制造方法，其特征是，所述的导电碳浆层按重量份计，由2～3重量份导电组分、2～4重量份粘结剂组分、4～6重量份分散剂组分混合制成。
3.根据权利要求2所述的一体化电极的制造方法，其特征是，所述的导电组分选自活性炭、活性炭纤维、碳短切纤维、碳纤维粉、碳纳米管、石墨、乙炔黑、石墨烯、富勒烯C60、炭黑、聚苯胺、聚吡咯、PEDOT中的一种或几种；粘结剂组分选自环氧树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂、乙酸-醋酸乙烯树脂、聚氨酯中的一种或几种；分散剂组分选自苯、甲苯、二甲苯、二氯甲烷、N-甲基吡咯烷酮、聚苯乙烯磺酸中的一种或者几种。
4.一种用于权利要求1所述的一体化电极的制造方法的模具，其特征是，所述的模具包括：围框，底板，上端设有定位凹陷的下活动板，上活动板和设有加热器的上压板；下活动板下端设有至少一个导孔；底板的上端设有个数与导孔个数相同的导柱；使用时，底板、下活动板、上活动板、上压板从下至上依次排列；围框位于底板和上压板之间且套设在下活动板和上活动板外。
5.一种一体化电极的制造方法，所述的一体化电极包括：复合集流体和多孔电极；复合集流体包括：基材，基材的单面或双面涂覆的导电粘结过渡层，导电粘结过渡层上连接的导电聚合物膜；多孔电极与导电聚合物膜通过设于位于多孔电极和导电聚合物膜之间的导电碳浆层连接，或多孔电极与导电聚合物膜连接；其特征是，(1)将复合集流体加热至160℃～180℃；(2)将多孔电极置于复合集流体的导电聚合物膜上；(3)对多孔电极施加0.1MPa～0.4MPa压力并保压5s～10s，多孔电极嵌入导电聚合物膜连接；(4)将连接成一体的多孔电极和复合集流体冷却，制成一体化电极；或(1)将多孔电极置于复合集流体的导电聚合物膜上，(2)将复合集流体加热至160℃～180℃；(3)对多孔电极施加0.1MPa～0.4MPa压力并保压5s～10s，多孔电极嵌入导电聚合物膜连接；(4)将连接成一体的多孔电极和复合集流体冷却，制成一体化电极。
6.根据权利要求5所述的一体化电极的制造方法，其特征是，所述的导电聚合物膜按重量份计，导电聚合物膜由1～6重量份导电剂、1～2重量份防腐粘结剂和60～70重量份溶剂混合制成。
7.根据权利要求6所述的一体化电极的制造方法，其特征是，所述的导电剂选自活性炭、活性炭纤维、短切碳纤维、碳纤维粉、碳纳米管、石墨、乙炔黑、石墨烯、富勒烯C60、炭黑、聚苯胺、聚吡咯、PEDOT中的一种或几种；防腐粘结剂选自乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯中的一种或几种；溶剂为乙酸正戊酯。
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