连续生产用于锂电池的无粘合剂和集电器的自立电极制造技术

本发明专利技术涉及一种用于从单独的源连续生产碳纳米管和电极活性材料的方法和装置。这样制备的复合物可以用作没有粘合剂或集电极的电极。此外，本发明专利技术的方法能够实现更具成本效益的生产，同时提供对纳米管负载和复合物厚度的控制。

【技术实现步骤摘要】
连续生产用于锂电池的无粘合剂和集电器的自立电极联合研究协议要求保护的本专利技术是由以下列出的联合研究协议的各方做出的或代表其进行的。联合研究协议在做出要求保护的专利技术之日或之前生效，并且做出要求保护的专利技术是在联合研究协议范围内进行的活动的结果。联合研究协议的各方是：1)HondaResearchInstituteUSA,Inc.；以及2)NanoSynthesisPlus,Ltd.。
技术介绍
由于其电学和机械性能优异且对于复合材料是至关重要的纵横比高，单壁碳纳米管(SWNT)作为各种基质中的添加剂已经成为最深入研究的应用领域之一。在各种应用中，开发SWNT作为用于增强电池电极性能的添加材料是非常有前途的。混合技术的核心是基于液体工艺并且包括五个必要步骤：a)合成纳米管，b)纳米管在适当溶剂中分散(解聚集)，c)纳米管表面功能化(防止聚集)，d)与粘合剂混合，以及e)与活性材料混合(制备浆料)。这些偏好不仅昂贵，而且会降低纳米管的性能；例如，通过球磨、超声处理等分散会导致纵横比不可避免的减小并带来缺陷，因而需要更多的纳米管负载(重量％)以改善性能。
技术实现思路
在一些实施例中，本专利技术涉及一种制备自立(self-standing)电极的方法，所述方法包括：流化电极活性材料；以及将流化的电极活性材料与单壁碳纳米管共沉积到可移动多孔柔性基板上以形成自立电极，所述自立电极是电极活性材料与单壁碳纳米管的复合物。在一些实施例中，本专利技术涉及一种用于制备自立电极的装置，所述装置包括：碳纳米管合成反应器，其构造用于合成碳纳米管；活性材料容器，其构造用于流化电极活性材料；可移动多孔柔性基板，其构造用于收集碳纳米管和流化的电极活性材料，并形成包括碳纳米管与电极活性材料的复合物的自立电极。附图说明图1示出根据本专利技术一个实施例的制造自立电极的示例性方法的示意性框图。图2示出根据本专利技术一个实施例的用于制造自立电极的示例性装置的流程图。图3示出根据本专利技术一个实施例的容器的示意图。图4示出根据本专利技术一个实施例的装置的实例的示意图。图5示出根据本专利技术一个实施例的装置的替代实例的示意图。图6示出根据本专利技术一个实施例合成的碳纳米管的拉曼表征(A＝633nm)。图7示出根据本专利技术一个实施例合成的碳纳米管的拉曼表征(A＝532nm)。图8示出根据本专利技术一个实施例合成的碳纳米管的导数热重分析(DTG)。具体实施方式本专利技术提供一种用于生产自立电极的方法和装置。此外，还提供包括纳米管与电极活性材料的混合物的自立电极。在一个实施例中，为了制备自立电极，分别提供雾化的纳米管和雾化的电极活性材料，并将雾化的纳米管和雾化的电极活性材料引导至可移动多孔基板以在基板上形成包括混合碳纳米管与电极活性材料的自立电极。本专利技术涉及一种通过使用在移动多孔基板上共沉积碳纳米管和电极活性材料的单个步骤连续生产用于锂电池的自立电极的方法和装置。来自合成反应器的碳纳米管及流化的活性材料粉末可以直接从容器沉积到附接至卷带式系统(roll-to-rollsystem)的多孔柔性基板上(图4和5)。得到的沉积层包括在活性电极材料中良好分散的纳米管。独立控制纳米管和活性材料的沉积速率允许调节纳米管与活性材料的比例(重量％)。例如通过改变基板的运动速度以达到给定沉积速率，可以控制所获得的复合物的厚度。复合物可以从多孔基板上移除，并且层是自支撑的柔性的，并且可以切割成任何期望尺寸。复合物可用作电极而无需任何额外的粘合剂或集电器(根据电极类型为氧化铝或铜)。开发这种电极有机会增加电池的能量和功率密度。此外，使用用于纳米管和活性材料粉末沉积的单独的源并采用卷带式系统，可以允许控制纳米管负载(重量％)和复合物厚度。此外，本专利技术的方法可以连续运行，并且具有成本效益。在一些实施例中，本专利技术涉及一种制备自立电极的方法，所述方法包括：流化电极活性材料；以及将流化的电极活性材料与单壁碳纳米管共沉积到可移动多孔柔性基板上以形成自立电极，所述自立电极是电极活性材料与单壁碳纳米管的复合物。在本文中，“电极活性材料”是指电极中的导电材料。术语“电极”是指离子和电子与电解质和外部电路发生互换的电导体。“正极”和“阴极”在本说明书中同义地使用，是指电化学电池中具有较高电极电位的电极(即高于负极)。“负极”和“阳极”在本说明书中同义地使用，是指电化学电池中具有较低电极电位的电极(即低于正极)。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所示的非限制性实例中，为了制备用于锂离子电池的自立电极，在步骤S100中，分别提供雾化碳的纳米管和雾化的电极活性材料，以及在步骤S101中，将雾化的碳纳米管和雾化的电极活性材料引导至多孔基板以在多孔基板上形成具有期望厚度的、复合的自立电极，其包括混合碳纳米管和电极活性材料。可选地，可以在步骤S102中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。可选地，自立电极不含粘合剂，并且可选地可以在没有金属基电流集电器(根据电极类型为氧化铝或铜)的情况下使用。提供雾化的碳纳米管和雾化的电极活性材料的装置不以任何方式受到限制。在如图2所示的说明性实例中，提供用于制造自立电极的装置5。将碳纳米管和电极活性材料添加至分开的容器10A、10B中。碳纳米管和电极活性材料可以从其各自的制造工艺中单独收集并从该工艺直接或间接地以自立电极所需的比例引入容器10A、10B中。之后，可以将一种或多种载气20A、20B引入容器10A、10B以雾化纳米管和电极活性材料。得到的雾化流30A、30B包括(分别)夹带在载气中的纳米管及电极活性材料，其被引导至可移动多孔基板40，如过滤器。载气作为气流50通过可移动多孔基板40，同时纳米管和电极活性材料的混合物被捕捉在可移动多孔基板40的表面上以形成自立电极60。当自立电极60达到期望的厚度时，其可以从可移动多孔基板40上移除。可选地，装置5可以包括多个可移动多孔基板40、41，以允许连续生产自立电极60、61。尽管图中仅示出两个多孔基板，但应当理解的是，装置5中可以包括任意数量的多孔基板。在非限制性实例中，当流经可移动多孔基板40的雾化流30A、30B的流动产生具有期望厚度的自立电极60时，可以调节阀33A、33B以将雾化流30A、30B的流动转移至第二可移动多孔基板41。在可移动多孔基板41上形成自立电极61期间，可以从第一可移动多孔基板40移除自立电极60。当流经第二可移动多孔基板41的雾化流30A、30B的流动产生具有期望厚度的自立电极61后，可以调节阀33A、33B以将雾化流30A、30B的流动转移回第一可移动多孔基板40。自立电极61的厚度和/或横截面积可以与自立电极60的厚度和/或横截面积相同或不同。例如，自立电极61可以具有大于自立电极60的厚度和/或横截面积。应当理解的是，可以使用各种不同方法自动切换阀33A、33B，以将雾化流30A、30B的流动从一个可移动多孔基板重新引导至另一个。可用于调节阀33A、33B以重新引导雾化流30A、30B的流动的系统的说明性实例包括：一个或多个用于检测自立电极60和61的厚度的传感器，一个或多个用于监测可移动多孔基板40和41上对应于自立电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备自立电极的方法，所述方法包括：流化电极活性材料；以及将流化的所述电极活性材料与单壁碳纳米管共沉积到可移动多孔柔性基板上以形成自立电极，所述自立电极是所述电极活性材料与所述单壁碳纳米管的复合物。

【技术特征摘要】
2017.07.31 US 15/665,1421.一种制备自立电极的方法，所述方法包括：流化电极活性材料；以及将流化的所述电极活性材料与单壁碳纳米管共沉积到可移动多孔柔性基板上以形成自立电极，所述自立电极是所述电极活性材料与所述单壁碳纳米管的复合物。2.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。3.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、磷酸铁锂、和金属氧化物。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述碳纳米管和所述电极活性材料在共沉积到所述基板上之前彼此不接触。5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述流化电...

【专利技术属性】
技术研发人员：N·皮尔斯，A·哈鲁特尤亚恩，E·M·皮格思，
申请(专利权)人：本田技研工业株式会社，纳米综合加有限公司，
类型：发明
国别省市：日本,JP