一种PTFE粘结剂与电极关键组分材料均匀分布的方法及在电池行业中的应用技术

本发明专利技术公开了一种PTFE粘结剂与电极关键组分材料均匀分布的方法及在电池行业中的应用，PTFE乳液的水稀释液，经超声分散或高速机械搅拌，得溶液1；将导电碳粉、电极活性组分、表面活性剂、水混合后经超声分散或高速机械搅拌，得溶液2；分别将溶液1和溶液2预加热后混合，得溶液3；恒温条件下，将溶液3进行高速搅拌1‑6小时后，静止冷却至室温，得分层的固液混合物；将所述固液混合物的上清液移除后，得所述PTFE‑导电碳粉‑电极活性材料三元复合物。实现了粘结剂、导电碳粉及电极活性材料各组分在电极内的均匀分布，避免单一组分的团聚现象，提高电极活性材料的利用率，改善电池的放电性能及运行稳定性；制备电极浆液所获得电极结构中各组分均匀分布，无明显二次团聚，且电极表面光滑平整，无明显裂纹。

【技术实现步骤摘要】
一种PTFE粘结剂与电极关键组分材料均匀分布的方法及在电池行业中的应用
技术介绍
聚四氟乙烯(PTFE)的结构简式为[CF2-CF2]n，具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，是当今世界上耐腐蚀性能最佳材料之一，此外，PTFE具有良好的抗老化能力，耐温优异，可在-180℃和250℃的温度区间内长期稳定工作，可广泛应用于航天、化学、化工、电池等行业。PTFE是各种电池正、负极的重要组成部分。(1)镍氢电池、锂离子等二次电极电池及超级电容器中PTFE的主要功能是将电极活性组分与电极集体粘合连接在一起，减少电极阻抗，同时使电极片具有良好的机械性能和可加工性能，满足实际生产的需要。(2)燃料电池中，PTFE的主要功能除了用作粘结剂用于电极成型外，由于其较低的表面能而具有的强疏/憎水特性是其在多孔气体扩散电极构筑高效气体传输通道的关键所在。电极制浆是各类电池包括锂离子、燃料电池及电容器等能源转化器件中电极成型工艺过程中非常重要的一环，电极浆液的好坏直接影响电池性能。基于PTFE乳液的制浆工艺通常是将商用PTFE分散乳液(四氟乙烯聚合后在非离子表面活性剂和乳化剂如全氟辛酸铵作用下分散在水中获得，PTFE乳液中聚四氟乙烯树脂的固含量一般在60wt％左右)与粉末状电极材料在一定溶剂(如水、乙醇或其它有机溶剂)中进行物理搅拌混合，获得电极浆液，然后采用涂布、丝印或超声喷涂的方法将电极浆液涂覆在电极支撑层。如燃料电池气体扩散电极制浆过程中通常是粉末电催化剂与PTFE乳液分散在乙醇或异丙醇溶液中，通过物理混合机械搅拌获得一定固含量、一定粘度的浆液，而锂离子正极电极浆液则多通过将正极活性组分钴酸锂、导电石墨碳与粘结剂乳液经高速机械搅拌分散在NMP中。上述基于物理混合搅拌制备电极浆液的过程中，由于PTFE分子结构及分散乳液的物理化学性质与电极粉料自身性质的差异，基于物理搅拌混合制备电极浆液路线获得的电极难以实现兼具粘结剂和憎水剂的PTFE与电极材料在微观尺度内的均匀分布，PTFE树脂与电极材料在高速机械搅拌过程中易发生二次团聚，浆液中多为发生团聚后的PTFE颗粒与电极材料团聚体的不均匀混合分布，浆液中易出现团块状颗粒，分散效果差，不但影响电极涂覆质量，还极大的影响电池放电性能及能量转化效率。因此，亟待开发一种用作电极粘结剂的PTFE与电极材料实现均匀分布的方法，并将其用在电化学能源器件中，以解决现有不同电池电极结构中PTFE粘结剂与电极关键组分之间难以实现均匀分布的技术现状。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供电极粘结剂PTFE与电极关键组分材料均匀分布的方法，并将其用在各种电化学能源转化器件。为了实现粘结剂PTFE与电极关键组分在纳、微米尺度上的均匀分布，本专利技术一方面提供一种制备PTFE-导电碳粉-电极活性组分三元复合物的方法，包括如下步骤：(1)PTFE乳液的水稀释液，经超声分散或高速机械搅拌，得溶液1；(2)将导电碳粉、电极活性组分、表面活性剂、水混合后经超声分散或高速机械搅拌，得溶液2；(3)分别将溶液1和溶液2预加热后混合，得溶液3；(4)恒温条件下，将溶液3进行高速搅拌1-6小时后，静止冷却至室温，得分层的固液混合物；(5)将所述固液混合物的上清液移除后，得所述PTFE-导电碳粉-电极活性材料三元复合物；所述步骤(3)中所述预加热和步骤(4)中恒温的温度，不低于30℃且不高于90℃；优选为50～80℃。本专利技术所述PTFE乳液的水稀释是指基于商品60wt％的PTFE乳液，利用去离子水稀释获得。本专利技术所述电极活性组分包括燃料电池用碳担载的Pt和Pt基多组元纳米电催化剂/非担载型的Pt和Pt基多组元电催化剂；超级电容器用纳米碳颗粒；锂离子电池用钴酸锂、磷酸铁锂、钴酸锂等正极材料；金属-空气电池阴极的非Pt氧还原电催化剂材料如MnO2、AgMnO2、碳载FeNx电催化剂等。上述制备PTFE-导电碳粉-电极活性材料三元复合物过程中，如何有效优化控制合成参数，设计优化三元复合物中电极材料、导电碳粉与粘结剂的界面结构及组成是实现电极浆液中各组分包括粘结剂PTFE、导电碳粉和电极活性材料均匀分布并各自发挥其功能特性的关键所在。如果粘结剂含量过高且吸附包裹在电极材料和导电碳粉表面，会大大影响电极反应的反应活性且阻断电极反应过程中的电子传导通道；粘结剂含量过低，电极材料及导电碳粉会发生微区聚结，制备的电极易粉化，进而从电极支撑体表面脱落，影响电池的反应活性及寿命。通过合理控制三元复合物过程中反应参数及合成条件并优化其相对含量，不但可实现三者在纳、微米区域内的均匀分布，并可弱化粘结剂在催化剂表面的吸附强度，保证高效电极反应顺利进行，提高电池放电性能。作为优选的技术方案，步骤1中，PTFE乳液的水稀释液的的质量浓度不高于1wt％；优选为0.1～1wt％。作为优选的技术方案，步骤(1)中，导电碳粉包括导电炭黑、石墨粉、碳纳米管、碳纳米纤维、中孔碳、石墨烯、还原的氧化石墨烯中的一种或两种以上的混合物；步骤(2)中，表面活性剂为水溶性表面剂，包括十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基氯化铵、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基磺酸钠、硬脂酸钾、油酰基多缩氨基酸钠、十二烷基氨基丙酸钠、月桂基硫酸钠、月桂酸失水山梨醇酯、油酸二乙醇酰胺、十二烷基二甲基甜菜碱、十四烷基二甲基磺乙基甜菜碱、硬脂酸、聚氧乙氧醚类化合物及上述表面活性剂的衍生物及类似物中的一种或两种以上的混合物。优选地，水溶性表面活性剂在空气中的分解温度低于300℃。作为优选的技术方案，步骤(2)中，导电碳粉与电极活性组分的质量范围为9:1～1:9；导电碳粉及电极活性组分在溶液2中的浓度不高于2mg/mL；优选地为0.5mg/mL～2mg/mL。作为优选的技术方案，步骤(3)中，预热后溶液1与溶液2的混合时间不超过30min；优选为1-10min。作为优选的技术方案，所述复合物中PTFE的质量含量不低于3％，且不高于50％；优选为5％-30％；所述复合物中电极活性组分的质量含量不低于20％，且不高于90％；优选为30％-60％。本专利技术另一方面提供采用上述PTFE-导电碳粉-电极活性组分三元复合物制备电极浆液的方法：将所述PTFE-导电碳粉-电极活性组分三元复合物加入水及小分子醇的混合溶剂中，室温下超声分散或机械搅拌得所述电极浆液；所述混合溶剂的质量是PTFE-导电碳粉-电极活性材料三元复合物质量的20-100倍。作为优选的技术方案，所述混合溶剂中水与乙醇的体积比为1:1～1:3。混合溶剂中水与小分子醇相对含量与三元复合物中PTFE含量与导电碳粉的相对含量有关。三元复合物中PTFE相对含量高，导电碳粉相对含量低，混合溶剂中水/醇比例就高；三元复合物中PTFE相对含量低，导电碳粉相对含量高，混合溶剂中水/醇比例就低。本专利技术再一方面提供上述PTFE-导电碳粉-电极活性组分三元复合物或电极浆液在燃料电池、镍氢电池、锂离子电池或超级电容器中的应用。作为优选的技术方案，采用超声喷涂或丝网印刷将所述PTFE-导电碳粉-电极活性组分三元复合物或电极浆液涂覆在电极支撑体上。本专利技术基于PTFE分子结构及相应分散乳液与电极关键组分材料的物理化学性质的差异，提出基于液相水热合成法制备PTFE-石墨-电极活性组分三元复合物，实现电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备PTFE‑导电碳粉‑电极活性组分三元复合物的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)PTFE乳液的水稀释液，经超声分散或高速机械搅拌，得溶液1；(2)将导电碳粉、电极活性组分、表面活性剂、水混合后经超声分散或高速机械搅拌，得溶液2；(3)分别将溶液1和溶液2预加热后混合，得溶液3；(4)恒温条件下，将溶液3进行高速搅拌1‑6小时后，静止冷却至室温，得分层的固液混合物；(5)将所述固液混合物的上清液移除后，得所述PTFE‑导电碳粉‑电极活性材料三元复合物；所述步骤(3)中所述预加热和步骤(4)中恒温的温度，不低于30℃且不高于90℃。

【技术特征摘要】
1.一种制备PTFE-导电碳粉-电极活性组分三元复合物的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)PTFE乳液的水稀释液，经超声分散或高速机械搅拌，得溶液1；(2)将导电碳粉、电极活性组分、表面活性剂、水混合后经超声分散或高速机械搅拌，得溶液2；(3)分别将溶液1和溶液2预加热后混合，得溶液3；(4)恒温条件下，将溶液3进行高速搅拌1-6小时后，静止冷却至室温，得分层的固液混合物；(5)将所述固液混合物的上清液移除后，得所述PTFE-导电碳粉-电极活性材料三元复合物；所述步骤(3)中所述预加热和步骤(4)中恒温的温度，不低于30℃且不高于90℃。2.根据权利要求1所述的制备PTFE-导电碳粉-电极活性组分三元复合物的方法，其特征在于，步骤1中，PTFE乳液的水稀释液的的质量浓度不高于1wt％。3.根据权利要求1所述的制备PTFE-导电碳粉-电极活性组分三元复合物的方法，其特征在于，步骤(1)中，导电碳粉包括导电炭黑、石墨粉、碳纳米管、碳纳米纤维、中孔碳、石墨烯、还原的氧化石墨烯中的一种或两种以上的混合物；步骤(2)中，表面活性剂为水溶性表面剂，包括十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基氯化铵、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基磺酸钠、硬脂酸钾、油酰基多缩氨基酸钠、十二烷基氨基丙酸钠、月桂基硫酸钠、月桂酸失水山梨醇酯、油酸二乙醇酰胺、十二烷基二甲基甜菜碱、十四烷基二甲基磺乙基甜菜碱、硬脂酸、聚氧乙氧醚类化合物及上述表面活性剂的衍生物及类似物中的一种或...

【专利技术属性】
技术研发人员：王素力，李焕巧，孙公权，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21