一种高能量密度的平板碳电极制造技术

本发明专利技术公开了一种高能量密度的平板碳电极，包括活性物质、三维结构的导电网络和集流体；所述活性物质由活性炭（80～90%）、导电剂（6～13%）和水系粘合剂（4～8%）组成，各组分之和为100%；所述水系粘合剂是PTFE乳液、环氧乳液、PVDF及CMC中的一种或二种以上的混合物。所述导电网络由导电剂（15～35%）和有机粘合剂（65～85%）组成的导电胶；所述有机粘合剂是环氧树脂、聚氨酯、氟橡胶及氯丁橡胶中的一种或二种以上的混合物；所述三维结构的导电网络由与活性物质不同物相的有机系导电粘结剂在混料过程中随着溶剂的挥发逐步被拉成丝状物，最后在压片过程中互相粘连构成导电网络。本发明专利技术的碳电极，兼具高容量和高功率特性。

【技术实现步骤摘要】
一种高能量密度的平板碳电极
本专利技术属于电化学储能器件领域，具体涉及一种新型的高能量密度碳电极及其制备方法。
技术介绍
随着经济的不断发展，能源、资源与环境等成为社会的焦点问题，寻找清洁、可再生及资源节约型的能源是人类社会十分迫切而非常艰巨的任务。目前，在能源领域主要有三种类型的储能器件：电池、物理电容器以及电化学电容器(也称超级电容器)。电化学电容器是近些年来发展起来的介于传统物理电容器和电池特性之间的一种新型绿色储能器件，具有快速充放电特性，功率密度大(为普通电池的几十倍以上)，循环寿命长(循环次数可达10万次以上),使用温度范围宽(在-40℃～75℃之间)。基于这些独特性能，电化学电容器有非常好的应用前景。根据储能机理的不同，电化学电容器可分为双电层电容器和法拉第准电容器两大类。双电层电容器是利用电极和电解质之间形成的界面双电层电容来存储能量，其电极通常采用具有高比表面积的多孔炭材料。法拉第准电容电容器是指在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，电极活性物质进行欠电位沉积，使其发生快速、可逆的化学吸附/脱附或氧化/还原反应，从而产生比双电层电容器更高的比容量，其电极材料主要是金属氧化物和导电聚合物。为了同时获得较高的能量密度和功率密度，近年来发展起来一种新型非对称型电化学电容器(也称混合电化学电容器)，即电容器的一极是双电层电极，另一极为法拉第准电容电极。非对称型电化学超级电容器综合了两类电化学电容器的优点，可更好地满足实际应用中负载对电源系统的能量密度和功率密度的整体要求。在各类金属氧化物/碳非对称型电化学电容器中，PbO2/C体系，由于材料价格低及PbO2电极制造技术成熟，非常适合制造大容量型储能器件。以往文献中提到的PbO2/C非对称型电化学电容器，其正极采用薄型铅酸电池的正极材料，利用PbSO4/PbO2电对的氧化还原反应，负极采用涂膜活性炭或活性炭纤维布，H2SO4水溶液作电解液。由于碳电极的等效串联电阻与电解质离子移动路径等问题，一般认为碳电极的厚度最好不超过0.3mm，即使是薄型正电极，也很难与之匹配。其结果是活性炭负极的电容量远小于氧化铅正极，在充放电过程中，大多数正极材料未被利用，电容器的能量密度低，无法超过20Wh/kg，还不到电池的三分之一。另外，薄型正电极也不适合制造大尺寸极板。专利200910115958.4公布的二氧化铅/活性炭超级电容器，正极为在平板钛电极上脉冲电沉积二氧化铅薄膜，负极为用活性炭、导电剂和粘合剂配置的浆料，在钛网上直接压片制备。专利201210330660.7公布的三维多孔钛基二氧化铅/活性炭的水系非对称超级电容器，正极为在三维多孔钛基电沉积二氧化铅，负极为用稻壳基多孔活性炭、导电剂和粘合剂配置的浆料，在不锈钢网上直接压片制备。这些都是典型的功率型超级电容器设计模式，薄型的正极与薄型的负极组合，容量的匹配非常好，功率密度大但能量密度小，这是由于构成电容器的非活性组分(集流体、汇流排、极柱、隔板和外壳等)将占总质量的更大部分，因此，其能量密度仅为电池的十分之一左右。专利200910221793.9公布的混合电化学电容器，采用多层薄型碳粉末电极与负极隔板交替排布组合的形式制备负极，较好地解决了负极与传统氧化铅正极的容量匹配问题，能量密度也得到了显著提高。但是，负极集流体在负极总质量中的占比依然很高，能量密度提高的范围有限，同时制备工艺复杂的缺点也很明显。专利201610117743.6公布的含胶复合碳粉及其制备方法，即将碳颗粒、导电剂与粘结剂混合均匀，来制备活性物质，按照常识，少量导电剂的加入可以改善活性物质的导电性，但还称不上物理意义上的导电网络，因此，总体而言，降低碳电极等效串联电阻的作用是非常有限的。现有的PbO2/C非对称型电化学电容器，功率密度高，循环寿命长，但其能量密度显著低于蓄电池，还达不到电动车与混合动力汽车动力电池的要求、达不到太阳能与风能发电站储能电池的要求，大大地限制了该类电容器的应用范围。
技术实现思路
本专利技术目的是：为了克服现有的碳电极等效串联电阻大、集流体质量占比大及极板厚度受限等缺点，提供一种不仅能量密度高、功率密度高，而且循环寿命长的碳电极，特别适合于二氧化铅/活性炭混合电化学电容器用，以便满足电动车与混合动力汽车用储能器件的要求以及分布式太阳能与风能发电站储能器件的要求。本专利技术的技术方案是：一种高能量密度的平板碳电极，包括粉体电极层和集流体，粉体电极层由负极活性物质和三维导电网络构成；所述负极活性物质，由活性炭、导电剂和水系粘合剂组成；所述三维导电网络，由与活性物质不同物相的有机系导电粘结剂在混料过程中随着溶剂的挥发逐步被拉成丝状物，最后在压片过程中互相粘连构成导电网络。优选的，所述负极活性物质与三维导电网络，其重量百分比为：负极活性物质65～90％，三维结构导电网络10～35％，各组分之和为100％。优选的，所述活性物质中各组分的重量百分比为：活性炭粉80～90％，导电剂6～13％，水系粘合剂4～8％，各组分之和为100％；其中所述导电剂是炭黑、乙炔黑、石墨、膨胀石墨及碳纤维中的一种或二种以上的混合物；所述水系粘合剂是PTFE乳液、环氧树脂乳液、PVDF及CMC中的一种或两种以上的混合物。优选的，所述有机系导电粘结剂由导电剂和有机系粘合剂组成，中各组分的重量百分比为：导电剂15～35％，有机系粘合剂65～85％，各组分之和为100％；其中所述导电剂是炭黑、乙炔黑、石墨、及膨胀石墨的一种或二种以上的混合物；所述有机系粘合剂是环氧树脂、聚氨酯树脂、氟橡胶、丁苯橡胶及氯丁橡胶中的一种或两种以上的混合物。优选的，所述集流体为铅平板或者带筋的铅平板。优选的，所述集流体的材质为铅或多元铅合金，所述多元铅合金中除元素铅外，还可包含元素Ca、Sn、Al、Sb、As、S、Bi、Si等中的一种或多种元素。优选的，上述方案中所述的三维结构导电网络的制备方法，具体方法如下：第一步：将活性物质组分中的活性炭粉与导电剂加入行星式混料机进行干混，再加入适量水的湿混，然后加入水系粘结剂进一步混合，直至各组分混合均匀；第二步：加入有机系导电粘结剂，与活性物质的粉料混合，配制成悬浊液；第三步：通过控制行星式混料机料桶循环水的温度、料桶的真空度及混料时间，来控制导电胶中稀释剂的挥发程度，进而调控导电胶被拉丝的效果；第四步：混料结束后，分别在集流体两面均匀涂布粉料，并反复地滚压表面干燥，形成致密的物质结构，结过固化、干燥工艺，制备成极板。优选的，上述方案中极板的厚度为2.0～3.8mm，最优为2.9mm。本专利技术的优点是：1、本专利技术所提供的这种高能量密度的平板碳电极，由于有机导电粘结剂在活性物质内部独立形成三维结构的导电网络，成为集流体的延伸与拓展；并通过反复地滚压表面干燥工艺，加强了活性物质与导电网路的接触，有效降低了电极的内电阻，便于制备中型、厚尺寸的大容量碳电极；2、本专利技术中所述的三维结构的导电网络，由于导电粘结剂采用易挥发的有机稀释剂，解决了导电粘结剂的分散问题和网络成形问题，进而实现了导电网路的均匀分布；同时，由于活性物质粘结剂是水体系，而导电粘结剂是有机体系，两物相间互不相溶，可以避免活性物质被包覆的问题，兼顾电极的亲水性和电容性；3、本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高能量密度的平板碳电极，包括粉体电极层(12)和集流体(11)，其特征在于：粉体电极层(12)由负极活性物质(122)和三维导电网络(121)构成；所述负极活性物质(122)，由活性炭、导电剂和水系粘合剂组成；所述三维导电网络(121)，由与活性物质(122)不同物相的有机系导电粘结剂在混料过程中随着溶剂的挥发逐步被拉成丝状物，最后在压片过程中互相粘连构成导电网络。

【技术特征摘要】
1.一种高能量密度的平板碳电极，包括粉体电极层(12)和集流体(11)，其特征在于：粉体电极层(12)由负极活性物质(122)和三维导电网络(121)构成；所述负极活性物质(122)，由活性炭、导电剂和水系粘合剂组成；所述三维导电网络(121)，由与活性物质(122)不同物相的有机系导电粘结剂在混料过程中随着溶剂的挥发逐步被拉成丝状物，最后在压片过程中互相粘连构成导电网络。2.根据权利要求1所述的一种高能量密度的平板碳电极，其特征在于：所述负极活性物质(122)与三维导电网络(121)，其重量百分比为：负极活性物质65～90％，三维结构导电网络10～35％，各组分之和为100％。3.根据权利要求1所述的一种高能量密度的平板碳电极，其特征在于：所述负极活性物质(122)中各组分的重量百分比为：活性炭粉80～90％，导电剂6～13％，水系粘合剂4～8％，各组分之和为100％；其中所述导电剂是炭黑、乙炔黑、石墨、膨胀石墨及碳纤维中的一种或二种以上的混合物；所述水系粘合剂是PTFE乳液、环氧树脂乳液、PVDF及CMC中的一种或两种以上的混合物。4.根据权利要求1所述的一种高能量密度的平板碳电极，其特征在于：所述有机系导电粘结剂由导电剂和有机系粘合剂组成，其各组分的重量百分比为：导电剂15～35％，有机系粘合剂65～85％，各组分之和为...

【专利技术属性】
技术研发人员：高建峰，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32