電化學(xué)電源用電極及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電化學(xué)領(lǐng)域，具體地，本發(fā)明涉及一種電化學(xué)電源用電極及制造方法，以及由該方法制造的電極，該電極可應(yīng)用于多種電化學(xué)電源，包括超級(jí)電容器、鋰離子電池、燃料電池、混合電容器和鋰離子電容器。
【背景技術(shù)】
[0002]電化學(xué)電源是一種環(huán)保的能量存儲(chǔ)和釋放裝置，它通過(guò)物理或化學(xué)的方式進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)化，為各種用電設(shè)施提供能源動(dòng)力，涉及社會(huì)生活的多個(gè)方面，具有便攜性和使用方便性，廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品、電動(dòng)工具、風(fēng)能、太陽(yáng)能、汽車(chē)、航空等領(lǐng)域。這種電化學(xué)電源包括超級(jí)電容器、鋰離子電池、燃料電池、混合電容器和鋰離子電容器等。
[0003]電極是電化學(xué)電源的核心元件，電極的制造方法決定了電極質(zhì)量，是影響電化學(xué)電源性能的關(guān)鍵因素。電極材料一般由活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑組成。電極材料與集流體復(fù)合構(gòu)成電極?；钚晕镔|(zhì)是電極的主材料，提供容量；導(dǎo)電劑用于改善電極的導(dǎo)電性能；粘結(jié)劑用于把電極材料及集流體粘結(jié)在一起，集流體用于支撐電極材料并提供電子迀移通道。
[0004]目前電極的制造方法主要有涂覆工藝和無(wú)溶劑工藝兩種。涂覆工藝，即先把活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑與大量溶劑混合，制成具有一定固含量的漿料，然后把漿料涂覆在集流體上，再烘干去除溶劑。然而這種工藝存在一系列問(wèn)題。首先由于各種電極材料物理結(jié)構(gòu)上存在差異性，尤其是有的材料顆粒粒徑很小，僅為微米甚至納米級(jí)別，難于分散，后續(xù)加工處理困難，因此即使經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間攪拌，仍然難以在漿料中實(shí)現(xiàn)混合均勻，從而影響電極性能和導(dǎo)致電極水平和電源性能存在批次性差異，而在某些應(yīng)用領(lǐng)域電源串并聯(lián)組合應(yīng)用時(shí)對(duì)單體電源的一致性要求很高，否則會(huì)影響性能和使用壽命；其次制造過(guò)程中采用先引入大量溶劑然后再烘干去除的方法，步驟繁瑣，耗費(fèi)能源，增加了制造時(shí)間和成本，并且有機(jī)溶劑對(duì)環(huán)境和人體有較大危害。采用這種工藝制造的電極，電極材料與集流體間的粘結(jié)性也容易隨著充放電循環(huán)的進(jìn)行而變差，導(dǎo)致電極材料脫落，電化學(xué)電源失效，影響壽命。
[0005]另外一種電極的制造方法是無(wú)溶劑工藝，即制造過(guò)程中不使用大量溶劑，而是直接把活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑混合，纖絲化粘結(jié)劑，然后壓實(shí)形成具有自支撐功能的膜，再把膜與集流體壓合，形成電極。相對(duì)而言，這種工藝避免了涂覆工藝使用大量溶劑帶來(lái)的一系列問(wèn)題，但這種工藝制造過(guò)程較為復(fù)雜，而且制造過(guò)程中對(duì)設(shè)備的精度、壓力、張力等參數(shù)控制要求較高，而且電極厚度仍存在一定誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]基于此，有必要提供一種新的電極制造方法，解決以上問(wèn)題。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:電化學(xué)電源用電極的制造方法，其包括以下步驟:
[0007]1)、造粒?；钚晕镔|(zhì)、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑分別篩分、干燥后進(jìn)行預(yù)混合，然后造粒，得到造粒料；
[0008]2)、靜電噴涂。造粒料經(jīng)靜電噴涂，形成帶有電荷的高速粒子流，沉積吸附在帶有相反電荷的集流體上，形成電極涂層；
[0009]3)、層壓。對(duì)附有電極涂層的集流體進(jìn)行層壓。
[0010]本發(fā)明中，所述活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的質(zhì)量份數(shù)比為80?97:0.1?15:1?15 ;優(yōu)選為80?97:0.1?10:1?10。
[0011]其中，所述活性物質(zhì)包括活性炭、碳納米管、石墨烯、碳?xì)饽z、活性炭纖維、石墨、硅、金屬氧化物、含鋰化合物中的一種或幾種。
[0012]所述導(dǎo)電劑包括石墨、碳黑、乙炔黑、碳納米管、碳纖維、金屬纖維中的一種或幾種。
[0013]所述粘結(jié)劑包括含氟聚合物、烯烴聚合物、聚碳酸酯、丙烯酸樹(shù)脂、丁苯橡膠和羧甲基纖維素中的一種或幾種。
[0014]所述活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑優(yōu)選為粉體顆粒。
[0015]所述步驟1)造粒過(guò)程是通過(guò)顆粒的碰撞、聚集作用力實(shí)現(xiàn)。造粒步驟所述篩分目數(shù)是10?200目。所述干燥溫度是20?200°C。所述造粒料的粒徑是5?90um。造粒過(guò)程可以加入橋連液體。橋連液體可以是水、有機(jī)溶劑中的一種或混合物。橋連液體的質(zhì)量占活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑總質(zhì)量的比例是0.1?30%。
[0016]所述步驟2)靜電噴涂的電壓是30?90KV。所述高速粒子流的載氣是壓縮氣體。壓縮氣體可以是空氣或惰性氣體。壓縮氣體的壓力是0.6?0.8MPa。
[0017]所述步驟2)集流體包括鋁箔、銅箔、鎳箔、不銹鋼、鋁網(wǎng)、銅網(wǎng)、鎳網(wǎng)或不銹鋼網(wǎng)等；集流體在噴涂前可以進(jìn)行預(yù)處理；預(yù)處理可以是在集流體上預(yù)涂有中間過(guò)渡層。另外，集流體也可以不進(jìn)行預(yù)處理而直接使用。
[0018]所述步驟3)層壓次數(shù)是1?5次。每次電極涂層厚度減少量是5?30%。
[0019]本發(fā)明的方法應(yīng)用于一種電化學(xué)電源用電極和一種包含有電極的電化學(xué)電源。
[0020]本發(fā)明中，所述電化學(xué)電源可以是超級(jí)電容器、鋰離子電池、燃料電池、混合電容器和鋰離子電容器等。
[0021]本發(fā)明提供的電化學(xué)電源用電極的制造方法，優(yōu)勢(shì)在于:
[0022]1、通過(guò)采用造粒的方法，保證電極材料混合均勻，易于后續(xù)連續(xù)生產(chǎn)加工，電極批次一致性好，且性能優(yōu)異。
[0023]2、制造過(guò)程沒(méi)有使用大量溶劑，節(jié)約能源，減少環(huán)境污染，制造時(shí)間短，生產(chǎn)效率尚ο
[0024]3、制造過(guò)程中的造粒料可回收再使用，材料利用率高，制造成本低。
[0025]4、除了原材料現(xiàn)有的粘結(jié)劑外，還可以依靠電荷吸引作用和層壓步驟增加粘結(jié)力，從而可以使得需要的粘結(jié)劑的量幾乎降到最低，有利于減小電極內(nèi)阻，提高電化學(xué)電源的功率密度。
[0026]5、電極涂層厚度控制簡(jiǎn)單精確，且一致性高；本發(fā)明提供的方法，主要是是通過(guò)造粒料和集流體電荷吸引實(shí)現(xiàn)電極涂層沉積，可以簡(jiǎn)單地通過(guò)調(diào)節(jié)靜電噴涂時(shí)的工作參數(shù)改變電荷電量以得到期望厚度的電極涂層，并嚴(yán)格保證其一致性，其簡(jiǎn)便性和精確性是其他電極制造工藝所不可比擬的。
[0027]6、電極壓實(shí)密度大。通過(guò)靜電控制可以提高造粒料在集流體上的堆積密度，還可以通過(guò)后續(xù)多次層壓步驟，增加電極壓實(shí)密度，提高電化學(xué)電源的能量密度。
[0028]7、電極壓實(shí)密度一致性高。本發(fā)明提供的方法，是通過(guò)造粒料電荷與集流體電荷相互吸引，造粒料堆積形成電極涂層，隨著電極涂層增厚，電荷吸引作用減弱，電極涂層表面堆積的造粒料比內(nèi)部要疏松，造成電極涂層致密性隨距離集流體越遠(yuǎn)而呈減小趨勢(shì)。而在層壓時(shí)，乳輥壓力首先作用在電極涂層表面，把表面較為疏松的造粒料壓實(shí)，并經(jīng)多次層壓，最終得到內(nèi)外部壓實(shí)密度一致性良好的電極。而其他工藝制造的電極，在層壓時(shí)都會(huì)導(dǎo)致電極表面密度比內(nèi)部密度大，不利于電解液向電極內(nèi)部的滲透，影響電極性能和壽命。本發(fā)明的方法有效解決了這一問(wèn)題。
[0029]8、該方法對(duì)集流體的選擇范圍更加廣泛，除普通集流體外，網(wǎng)狀集流體也較為適用。網(wǎng)狀集流體與普通的集流體相比，質(zhì)量輕，與電極涂層的接觸面積更大，可容納的活性物質(zhì)更多，從而在減輕電化學(xué)電源質(zhì)量、提高容量和能量密度方面有較大優(yōu)勢(shì)。然而若采用其他如涂覆工藝制造電極時(shí)，集流體在多個(gè)涂覆輥間擠壓并與刮刀接觸，很有可能在一定程度上破壞集流體的結(jié)構(gòu)，因此對(duì)網(wǎng)狀集流體的使用存在限制，影響電源性能提升。而本發(fā)明的方法不存在該類(lèi)問(wèn)題。
[0030]本發(fā)明提供的電化學(xué)電源用電極的制造方法該方法制造的電極應(yīng)用于電化學(xué)電源，使得電化學(xué)電源在綜合性能上比原有工藝制得的產(chǎn)品有了大幅度的提高。
【附圖說(shuō)明】
[0031]圖1是電化學(xué)電源用電極的制造流程示意圖。
[0032]圖2是造粒過(guò)程狀態(tài)示意圖。
[0033]圖3是靜電噴涂步驟的設(shè)備流程示意圖。
[0034]圖4是靜電噴涂設(shè)備的工作原理示意圖。
[0035]圖5是本發(fā)明實(shí)施例1的電極形貌圖。
[0036]圖6是本發(fā)明實(shí)施例2的電極形貌圖。
[0037]圖7(a)是一電化學(xué)電源電極的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038]圖7(b)是采用本發(fā)明的方法制造的電極的密度示意圖。
[0039]圖7(c)是采用其方法制造的電極的密度示意圖。
[0040]圖8是一電化學(xué)電源的正負(fù)極結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041]其中:21為活性物質(zhì)，22為導(dǎo)電劑，23為粘結(jié)劑，24為核粒子，25為凝集體，26為造粒顆粒，31為空壓機(jī)，32為壓縮氣體儲(chǔ)罐，33為冷干機(jī)，34為造粒料儲(chǔ)罐，35為噴涂室，36為噴涂設(shè)備，37為靜電發(fā)生器，38為除塵設(shè)備，39為引風(fēng)機(jī)，41為放電電極，42為負(fù)電荷，43為集流體，44為造粒料，45為壓縮氣體氣流，46為粒子流，71為電極涂層。81為正極涂層，82為正極集流體，83為負(fù)極涂層，84為負(fù)極集流體，85為隔膜。
【具體實(shí)施方式】
[0042]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)
【發(fā)明內(nèi)容】
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