碳基电极包含活性炭、炭黑和粘合剂。粘合剂是含氟聚合物,其分子量是至少500,000且氟含量是40重量％-70重量％。形成碳基电极的方法包含提供不含粘合剂的导电碳涂覆的集电器,用基于萘基钠的溶液预处理碳涂层,和将包含活性炭、炭黑和粘合剂的浆料沉积到经过处理的碳涂层上。含氟聚合物粘合剂如PVDF由碳原子、氢原子和氟原子组成。基于萘基钠的蚀刻剂包含位于溶液中的金属钠。钠与含氟聚合物中的氟反应,提取氟，这使得分子不平衡。在后续的暴露于环境条件的过程中，氢原子和氧原子修复了分子的平衡。这得到含碳的主链，其富含用于粘合的官能团。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请根据35U.S.C.§119要求2013年08月30日提交的美国申请系列第61/872,192号的优先权，还根据35U.S.C.§120要求2014年01月28日提交的美国申请系列第14/166,494号的优先权，以上各文的全部内容通过引用纳入本文。背景领域本专利技术总体涉及用于储能装置的碳基电极,具体来说，涉及低电阻电极及其制备方法，该低电阻电极包含高分子量含氟聚合物粘合剂。
技术介绍
超级电容器之类的储能装置可以用于许多需要离散的功率脉冲的用途。示例性应用的范围是从手机到混合动力汽车。超级电容器也称作电化学双层电容器(EDLC)，在需要高功率、长保质期和/或长循环寿命的应用中，超级电容器已兴起作为电池的替代物或补充物。超级电容器通常包含夹在一对碳基电极之间的多孔隔膜和有机电解质。能量的储存是通过将在电解质与电极之间的界面处形成的电化学双电层中的电荷分离并储存来实现的。这些装置的重要特性是它们可提供的能量密度和功率密度，所述能量密度和功率密度在很大程度上都取决于结合进入电极的碳的性质。概述根据本专利技术的实施方式，碳基电极，例如用于结合进入超级电容器或其它高功率密度储能装置的碳基电极包含碳垫，该碳垫包含活性炭、炭黑和粘合剂。碳垫是邻近集电器设置的。粘合剂可包含高分子量含氟聚合物，该含氟聚合物具有例如40-70重量％氟。高分子量聚合物的分子量可为至少500,000。含氟聚合物的一个示例是级PVDF。在其它相关实施方式中，可将热生长的高纯碳层用作导电油墨的替代物，作为碳垫和集电器之间的导电层。热生长的碳层不含粘合剂。包括不含粘合剂导电碳层的装置的ESR小于相似装置的ESR，在该相似装置中由市售的导电油墨来形成这种层。形成碳基电极的方法包括用基于萘基钠(sodiumnapthalenide)的溶液预处理不含粘合剂的(热生长的碳)导电层。该溶液改善碳垫和集电器之间的粘合。在以下的详细描述中提出了本专利技术主题的附加特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言根据所作描述即容易理解，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的本专利技术主题而被认识。应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述给出了本
技术实现思路
的实施方式，用来提供理解要求保护的本
技术实现思路
的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本
技术实现思路
的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图以图示形式说明了本专利技术的内容各种实施方式，并与描述一起用来解释本
技术实现思路
的原理和操作。此外，附图和说明仅仅是示例性的，并不试图以任意方式限制权利要求的范围。附图简要说明当结合以下附图阅读下面对本专利技术的具体实施方式的详细描述时，可对其形成最好的理解，附图中相同的结构用相同的附图标记表示，其中：图1是包含PTFE和PVDF的碳基电极的微分电流与相对于Ag/AgCl参比电极的电势的关系图；图2显示热生长的碳层的俯视SEM显微图；图3显示在铝集电器上热生长的碳层的横截面SEM显微图；图4示意性地显示萘基钠和PVDF之间的反应；图5是一个示例性超级电容器的示意图；图6显示0V下包含碳基电极的纽扣电池的奈氏图(Nyquistplot)；图7显示2.7V下包含碳基电极的纽扣电池的奈氏图；和图8显示3V下包含碳基电极的纽扣电池的奈氏图。详细描述下面更详细参考本
技术实现思路
的各种实施方式，这些实施方式中的一部分在附图中示出。在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。适用于结合进入储能装置的碳基电极是已知的。活性炭广泛用作超级电容器中的多孔材料，因为其具有较大的表面积、电子传导率、离子容量、化学稳定性和/或低成本。活性炭可由合成前体材料(例如酚醛树脂)或者天然前体材料(例如煤或生物质)来制备。无论是天然前体还是合成前体，活性碳均可通过先使前体碳化，然后使中间产物活化来形成。活化可以包括在提升的温度下的物理活化(例如，蒸汽)或化学活化(例如KOH)，以增加孔隙率，由此增加碳的表面积。除了活性炭以外,碳基电极可包含导电碳(例如炭黑)和粘合剂(例如聚四氟乙烯(PTFE))。包含活性炭的层(碳垫)通常层压到集电器之上，以形成碳基电极。隔膜和电极材料的选择直接影响装置的性能,包括可获得的能量密度和功率密度。EDLC的能量密度(E)通过E＝1/2CV2来给出,EDCL的功率密度(P)通过P＝V2/R来给出,其中C是电容,V是装置的操作电压,R是装置的等效串联电阻(ESR)。ESR同时包括电子分量和离子分量。前者包括来自碳基电极的电阻,其包括碳垫和集电器之间的界面电阻以及电池封装电阻。后者与电解质的电导率以及电解质和多孔碳之间的相互作用有关。最近，为了增加EDLC装置的能量密度和功率密度，已经开发了改造的碳材料来获得更高的电容。为了获得更高的电容,可使用具有高表面积(500-2500m2/g)的活性炭材料。增加能量密度和功率密度的其它方法是增加电容器的操作电压。就这方面而言，已在用于较低电压(<1V)操作的EDLC中使用水性电解质,而在用于较高电压(2.3-2.7V)的装置中使用有机电解质。然而,为了获得甚至更高的能量密度,需要将电压极限(envelop)从常规的约2.7V的数值增加到约3.0V。这种从2.7V增加到3.0V将导致能量密度增加23％。增加功率密度的又一种方法是最小化电容器的ESR。因此,为了实现更高的能量密度和更高的功率密度,下一代EDLC将很可能在高外加电压下操作。结果，可能需要将粘合剂和液体电解质之间不利的法拉第反应最小化(特别是在较高电势下)并通过优化碳垫和集电器之间的界面电阻来降低装置的ESR。在各种实施方式中,碳基电极包含活性炭、炭黑和粘合剂。碳基电极可包含75-90重量％活性炭,5-10重量％炭黑和5-15重量％粘合剂。已表明粘合剂的选择可影响结合进入EDLC时的电极稳定性,特别是在大于2.7V的操作电压下。适于形成碳基电极的粘合剂材料是高分子量含氟聚合物。高分子量含氟聚合物粘合剂材料的分子量可为至少500,000,例如,至少800,000,且可包含40-70重量％氟(例如,50-70重量％氟)。含氟聚合物的一个示例是聚偏二氟乙烯(PVDF)。PVDF的玻璃化转变温度(Tg)是约-35℃，且通常是50-60％晶体。PVDF...
【技术保护点】
一种碳基电极，其包含:具有相对的第一主要表面和第二主要表面的集电器；邻近第一主要表面设置的第一导电层；邻近第二主要表面设置的第二导电层；和分别邻近第一导电层和第二导电层设置的第一碳基层和第二碳基层，该第一碳基层和第二碳基层各自包含活性炭、炭黑和粘合剂，其中所述粘合剂包括含氟聚合物,该含氟聚合物具有40重量％‑70重量％的氟，且分子量是至少500,000，和第一导电层和第二导电层各自的有机物含量小于1重量％。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.08.30 US 61/872,192;2014.01.28 US 14/166,4941.一种碳基电极，其包含:
具有相对的第一主要表面和第二主要表面的集电器；
邻近第一主要表面设置的第一导电层；
邻近第二主要表面设置的第二导电层；和
分别邻近第一导电层和第二导电层设置的第一碳基层和第二碳基
层，该第一碳基层和第二碳基层各自包含活性炭、炭黑和粘合剂，其中
所述粘合剂包括含氟聚合物,该含氟聚合物具有40重量％-70重量％的
氟，且分子量是至少500,000，和
第一导电层和第二导电层各自的有机物含量小于1重量％。
2.如权利要求1所述的碳基电极，其特征在于，所述含氟聚合物包含
50重量％-70重量％氟。
3.如权利要求1所述的碳基电极，其特征在于，所述含氟聚合物的分
子量是至少800,000。
4.如权利要求1所述的碳基电极，其特征在于，所述含氟聚合物是聚
偏二氟乙烯。
5.如权利要求1所述的碳基电极，其特征在于，第一导电层和第二导
电层各自的有机物含量小于0.5重量％。
6.如权利要求1所述的碳基电极，其特征在于，第一导电层和第二导
电层不含有机物成分。
7.如权利要求1所述的碳基电极，其特征在于，第一导电层和第二导
电层包含热生长的碳。
8.如权利要求1所述的碳基电极，其特征在于，第一碳基层和第二碳
基层的厚度是20微米-500微米。
9.如权利要求1所述的碳基电极，其特征在于，所述活性炭的平均粒
度小于20微米。
10.如权利要求1所述的碳基电极，其特征在于，所述碳基层包含75
重量％-90重量％活性炭、5重量％-10重量％炭黑和5重量％-15重量％
粘合剂。
11.一种形成碳基电极的方法，所述方法包括：
形成浆料，该浆料包含活性炭颗粒、炭黑颗粒和粘合剂；
将所述浆料涂覆到基材的至少一个主要表面上，从而形成薄膜；和
干燥所述薄膜来形成碳...
【专利技术属性】
技术研发人员：K·P·加德卡埃，R·S·卡戴姆，A·库马，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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