自立电极及其制造方法技术

本公开涉及制造可以用作柔性电极的复合产品的方法。在多孔基材(例如过滤器)上收集纳米管和电极活性材料的雾化混合物，直到其达到期望的厚度。然后可以将所得自立电极从多孔基材上移除并且可以作为电池电极工作。

【技术实现步骤摘要】
自立电极及其制造方法联合研究协议目前要求保护的专利技术是由以下列出的联合研究协议的各方或代表以下列出的联合研究协议的各方做出的。该联合研究协议在做出要求保护的专利技术当日或之前生效，并且所要求的专利技术是在联合研究协议范围内开展的活动的结果。联合研究协议的各方是1)HondaResearchInstituteUSA，Inc.；和2)NanoSynthesisPlus，Ltd.
本专利技术涉及自立电极及其制造方法。
技术介绍
在各种基质中作为添加剂的单壁碳纳米管(SWNT)由于其优异的电学特性和机械特性以及高纵横比(对于复合材料而言至关重要)已成为应用领域中研究最深入的领域之一。在各种应用中，SWNT作为用于增强电池电极性能的添加剂材料的开发是非常有前景的。混合技术的核心是基于液体工艺，混合技术的核心包括五个必需的步骤：a)纳米管的合成，b)纳米管在适当溶剂中的分散(解聚集作用)，c)纳米管表面的官能化(防止聚集)，d)与粘合剂混合，和e)与活性材料混合(制备浆料)。这些工艺不仅价格昂贵，而且降低了纳米管的性能，例如，通过球磨、声波降解法等方法进行分散，这导致纵横比不可避免地降低并引入缺陷，于是需要更多纳米管负载(wt％)以改善性能。
技术实现思路
在一些实施例中，本公开针对一种生产自立电极的方法。该方法包括提供纳米管和电极活性材料粉末的雾化混合物，并在多孔基材上收集混合物以形成自立电极。在一些实施例中，本公开针对一种生产自立电极的方法。该方法包括提供纳米管和电极活性材料粉末的雾化混合物，至少提供第一多孔基材，将雾化混合物导向第一多孔基材，并且在第一多孔基材上收集混合物以形成自立电极，其中自立电极不含粘合剂和金属基集电器。在一些实施例中，本公开针对生产自立电极的方法，所述方法包括：雾化电极活性材料以产生雾化的电极活性材料粉末；在载体气体中使雾化的电极活性材料粉末与单壁碳纳米管接触以形成单壁碳纳米管和雾化的电极活性材料粉末的混合物；在表面上收集混合物；并去除载体气体，形成自立电极材料，该自立电极材料是单壁碳纳米管与电极活性材料的复合物，其中自立电极不含粘合剂和金属基集电器。在一些实施例中，本公开针对用于制造自立电极的装置，其包括：单壁碳纳米管合成反应器，其产生单壁碳纳米管；雾化反应器，其被构造成将电极活性材料雾化成雾化的电极活性材料粉末并连接到碳纳米管合成反应器，使得在载体气体中使雾化的电极活性材料粉末与单壁碳纳米管接触以形成单壁碳纳米管和雾化的电极活性材料粉末的混合物；以及具有表面的收集室，其被构造成收集混合物并去除载体气体，从而形成作为单壁碳纳米管和电极活性材料的复合物的自立电极材料。在一些实施例中，本公开针对自立电极，其包含电极活性材料和单壁碳纳米管的复合物；其中自立电极不包含粘合剂材料或金属基集电器材料。附图说明图1是示出根据本公开的实施例制造自立电极的示例性方法的示意性框图。图2是示出根据本公开的实施例制造自立电极的示例性装置的流程图。图3是示出根据本公开的实施例的容器的示意图。图4是示出根据本公开的实施例制造自立电极的示例性装置的流程图。图5是根据本公开的实施例的装置的示意图。图6表示根据本公开的实施例合成的碳纳米管的衍生热重分析(DTG)。图7表示从多孔表面收集的自立电极。图8表示在增加密度处理之后的自立电极。图9是经处理的自立电极的放大侧视图。图10是经处理的自立电极的放大俯视图。具体实施方式本公开提供了用于生产自立电极的方法和装置。还提供了包含纳米管和电极活性材料的混合物的自立电极。在一个实施例中，通过提供纳米管和电极活性材料的雾化混合物并将雾化混合物引导至多孔基材以在其上形成自立电极来制备自立电极，所述自立电极包含混合的碳纳米管和电极活性材料。在一些实施例中，本公开涉及生产自立电极的方法，所述方法包括：雾化电极活性材料以产生雾化电极活性材料粉末；使雾化电极活性材料粉末与单壁碳纳米管在载体气体中接触以形成单壁碳纳米管和雾化电极活性材料粉末的混合物；在表面上收集混合物；去除载体气体，形成单壁碳纳米管与电极活性材料复合而成的自立电极材料。如本文所用，“电极活性材料”是指电极中的导电材料。术语“电极”是指其中离子和电子与电解质和外部电路交换的电导体。“正极”和“阴极”在本说明书中同义地使用，并且指的是在电化学电池中具有较高电极电位(即高于负极)的电极。在本说明书中，“负电极”和“阳极”同义地使用，并且指的是在电化学电池中具有较低电极电位(即低于正电极)的电极。阴极还原是指化学物质的电子增益，阳极氧化是指化学物质的电子损失。在如图1所示的非限制性示例中，通过在步骤S100中提供碳纳米管和电极活性材料的雾化混合物并且在步骤S101将雾化混合物引导到多孔基材以形成具有期望厚度的复合自立电极(其上包含混合的碳纳米管和电极活性材料)，来制备用于锂离子电池的自立电极。可选地，可以在步骤S102处理自立电极以例如增加自立电极的密度。自立电极是自支撑的、柔性的，并且可以可选地被切割成电池电极的期望尺寸。自立电极可选地不含粘合剂，并且可选地可以在没有金属基集电器的情况下使用(通常是取决于电极类型的氧化铝或铜)。用于提供碳纳米管和电极活性材料的雾化混合物的装置不受任何限制。在如图2所示的说明性示例中，提供了用于制造自立电极的装置5。碳纳米管和电极活性材料被添加到容器10。碳纳米管和电极活性材料可以从它们各自的制造过程中被单独收集，并且从这样的过程直接或间接地以期望的比例引入容器10用于自立电极。然后可以将一种或多种载体气体20引入到容器10中以雾化纳米管和电极活性材料的混合物。将包含夹带在载体气体中的纳米管和电极活性材料的所得混合雾化流30引导至多孔基材40，例如过滤器。载体气体作为气流50通过多孔基材40，同时纳米管和电极活性材料的混合物被捕获在多孔基材40的表面上以形成自立电极60。自立电极60可以在其达到所需厚度时被从多孔基材40上去除。可选地，装置5可以包括多个多孔基材40、41以允许自立电极60、61的连续生产。虽然仅示出了两个多孔基材，但应理解的是，装置5中可以包括任何数量的多孔基材。在非限制性示例中，当混合雾化流30流过多孔基材40产生具有期望厚度的自立电极60时，可将阀33调节至将混合雾化流30的流动转移到第二多孔基材41。在多孔基材41上形成自立电极61期间，自立电极60可从第一多孔基材40移除。当混合雾化流30流过第二多孔基材41产生具有期望厚度的自立电极61时，可以调节阀33以将混合雾化流30的流动转移回第一多孔基材40。自立电极61的厚度和/或横截面面积可以与自立电极60的横截面面积相同或不同。例如，自立电极61可以具有比自立电极60更大的厚度和/或横截面面积。应当理解，可以使用各种不同的方法来自动切换阀33以将混合雾化流30的流动从一个多孔基材重新引导到另一个多孔基材。可用于调节阀33以重新引导混合雾化流30的流动的系统的说明性示例包括：用于检测自立电极60和61的厚度的一个或多个传感器，用于监测跨越多孔基材40和41的压力下降(对应于自立电极60和61的期望厚度)的一个或多个压力传感器，对于混合雾化流30的规定流速在对应于自立电极60和61的期望厚度的设定时间之后切换阀33的计时器，以及它们本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生产自立电极的方法，所述方法包括：使电极活性材料雾化以生成雾化的电极活性材料粉末；使所述雾化的电极活性材料粉末与单壁碳纳米管在载体气体中接触以形成所述单壁碳纳米管和所述雾化的电极活性材料粉末的混合物；在表面上收集所述混合物；和去除载体气体，以形成作为所述单壁碳纳米管与所述电极活性材料的复合物的所述自立电极材料，其中所述自立电极不含粘合剂和金属基集电器。

【技术特征摘要】
2017.07.31 US 15/665,1711.一种生产自立电极的方法，所述方法包括：使电极活性材料雾化以生成雾化的电极活性材料粉末；使所述雾化的电极活性材料粉末与单壁碳纳米管在载体气体中接触以形成所述单壁碳纳米管和所述雾化的电极活性材料粉末的混合物；在表面上收集所述混合物；和去除载体气体，以形成作为所述单壁碳纳米管与所述电极活性材料的复合物的所述自立电极材料，其中所述自立电极不含粘合剂和金属基集电器。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电极活性材料的雾化包括在雾化反应器中将雾化气体穿过第一多孔玻璃料和电极活性材料床分布以产生所述雾化的电极活性材料粉末。3.根据权利要求1所述的方法，还包括从碳纳米管合成反应器提供所述单壁碳纳米管。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述混合物被收集在收集室中的多孔玻璃料上。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述电极活性材料选自石墨、硬碳、锂金属氧化物和磷酸铁锂。6.根据权利要求1所述的方法，还包括在碳纳米管合成反应器中合成所述单壁碳纳米管。7.根据权利要求6所述的方法，其中所述雾化的电极活性材料粉末与所述单壁碳纳米管的接触发生在所述碳纳米管合成反应器的下游和所述表面的上游。8.一种用于生产自立电极的装置，包括：制造单壁碳纳米管的单壁碳纳米管合成反应器；雾化反应器，其被构造成将电极活性材料雾化成雾化的电极活性材料粉末并连接到所述碳纳米管合成反应器，使得所述雾化的电极活性材料粉末与所述单壁碳纳米管在载体气体中接触以形成所述单壁碳纳米管和所述雾化的电极活性材料粉末的混合物；和具有表面的收集室，其被构造成收集所述混合物并去除所述载体气体，以形成作为所述单壁碳纳米管和所述电极活性材料的复合物的所述自立电极材料。9.根据权利要求8所述的装置，其中所述雾化反应器包括垂直振荡器、一个或多个气体入口、一个或多个出口以及第一多孔玻璃料。10.根据权利要求9所述的装置，其中所述雾化反应器位于所述碳纳米管合成反应器的下游和所述收集室的上游。11.根据权利要求9所述的装置，其中所述雾化反应器位于所述碳纳米管合成反应器的上游和所述收集室的上游。12.一种自立电极，包括：电极活性材料和单壁碳纳米管的复合物；其中所述自立电极不包含粘合剂材料或金属基集电器材料。13.根据权利要求12所述的电极，其中所述复合物具有网状形态。14.根据权利要求12所述的电极，其中所述复合物包含0.2至1重量％的所述单壁碳纳米管。15.根据权利要求12所述的电极，其中所述复合物具有约50至约200微米的厚度。16.根据权利要求12所述的电极，其中所述电极活性材料选自石墨、硬碳、锂金属氧化物和磷酸铁锂。17.一种生产自立电极的方法，所述方法包括：提供纳米管和电极活性材料粉末的雾化混合物；至少提供第一多孔基材；将所述雾化混合物导向所述第一多孔基材；和在所述第一多孔基材上收集所述混合物以形成所述自立电极，其中所述自立电极不含粘合剂和金属基集电器。18.根据权利要求17所述的方法，其中所述雾化混合物包含当所述混合物被收集在所述多孔基材上时穿过所述多孔基材的至少一种载体气体。19.根据权利要求18所述的方法，其中所述混合物被收集在所述多孔基材上，直到所述自立电极具有达750μm的厚度。20.根据权利要求19所述的方法，其中所述混合物被收集在所述多孔基材上，直到所述自立电极具有100μm至45...

【专利技术属性】
技术研发人员：N·皮尔斯，A·哈鲁特尤亚恩，
申请(专利权)人：本田技研工业株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP