一种电极的制备方法及制得的电极和应用技术

本发明专利技术公开了一种电极的制备方法及制得的电极和应用，该制备方法为配制20℃下粘度≤1000mPa.s的浆料；将浆料通过雾化器雾化并喷涂于基板上，控制雾化器的喷口直径为1～20mm，控制浆料通过雾化器的流量为10～200mL/min；对喷涂有浆料的基板进行加热干燥以制得电极，其中，控制加热干燥的温度为25～150℃。本发明专利技术的方法所制备的电极具有面密度高，粘结性好，无掉粉裂纹，电极密度可控，导电性能好，柔韧性好，机械性能好等特点，适用于锂离子电池、超级电容器等电化学器件，尤其适用于电极材料比表面积高、孔容积大、湿法涂布难的电极系统，如：锂离子电池、超级电容器、锂硫电池等。

【技术实现步骤摘要】
一种电极的制备方法及制得的电极和应用
本专利技术属于电化学领域，具体涉及一种电极的制备方法及制得的电极和应用。
技术介绍
电极是锂离子电池、超级电容器等电化学储能器件中最基本的组成部分，电极上活性物质的面密度、孔隙率、导电率、柔韧性等性能指标决定了储能器件的能量密度、功率特性、循环寿命等关键电化学性能。迄今为止，商品化的电极主要是通过涂布工艺制备的，为此，需要将活性物质、导电剂、粘结剂等材料通过高速搅拌分散在溶剂中，再通过涂布工艺，将这些浆料均匀地涂布在导电集流体表面，形成厚度均匀、面密度均匀的电极。但是，传统涂布工艺制备的电极片，由于浆料自重，在烘干过程中会发生沉降、物相分离等问题，同时由于浆料粘度有限，难以形成较厚的涂布层，因此难以获得高面密度的电极，而具有高的面密度能够有效提高活性物质与惰性的集流体的质量比，从而提高能量密度。这些都是在工艺与电极结构上限制电化学储能器件能量密度提高的瓶颈。另外，在湿法刮涂和湿法转移涂布的体系中，浆料中的粘结剂是溶于溶剂中的，在干燥过程中随着溶剂的挥发，粘结剂会随着溶剂收缩到电极材料内部，造成粘结剂分布的不均一性。在锂离子电池体系中，由于锂离子电池浆料的固含量均较高(40％～60％)，电极材料的比表面积和孔容积小，溶剂含量不高，溶剂无法进入到电极材料内部，因此粘结剂分布不均匀的现象并不明显。但对于采用高比表面积和高孔容积电极材料的锂硫电池、超级电容器等器件而言，电极浆料固含量较低，溶剂含量高。在极片干燥过程中，粘结剂会随着溶剂慢慢收缩到多孔电极材料的内部，造成电极材料表面的粘附性差，在宏观上表现为极片的掉料、开裂现象严重。纳米材料是未来的发展方向，为了追求更好的性能，锂离子电池、超级电容器等器件必然会往纳米方向发展，如：具有纳米尺度的电极材料、超级导电炭黑、石墨烯、高比表面积的活性炭等。纳米材料在具有更好的性能的同时，也存在一些问题：高比表面积、低的振实密度、较强的吸湿性等，这些问题会导致涂布困难，最典型的就是极片的开裂和掉粉现象。要想将纳米材料运用在锂离子电池、超级电容器等器件中，如何对纳米材料进行涂布是目前亟待解决的问题。申请公布号CN106663779A，申请公布日2017年5月10日的专利技术专利公开了通过喷涂制备电池电极的方法、通过该方法制备的电极及电池，该方法包括(a)提供电活性粒子；(b)混合电活性粒子与石墨烯基底材料，以形成以复合材料；以及(c)喷涂此复合材料于一基板上，以形成电池电极，其中电活性粒子的重量比石墨烯基底材料的重量的百分比率为40～95％。但是，该专利制得的电极的面密度仍有待提高，且电极仍存在掉料、开裂等现象，在制备锂硫电池时，电极中硫的含量仅为64％，放电电流为50mA/g，换算成倍率约0.029C，严重限制了锂硫电池的实际应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种面密度高的电极的制备方法及制得的电极和应用。为实现上述目的，本专利技术第一方面提供一种电极的制备方法，包括如下步骤：(1)配制20℃下粘度≤1000mPa.s的浆料；(2)将所述的浆料通过雾化器雾化并喷涂于基板上，控制所述的雾化器的喷口直径为1～20mm，控制所述的浆料通过所述的雾化器的流量为10～200mL/min；(3)对喷涂有所述的浆料的基板进行加热干燥以制得所述的电极，其中，控制所述的加热干燥的温度为25～150℃。本专利技术通过控制浆料的粘度、喷口的直径以及浆料的流量，使浆料以雾滴的形态喷涂在基板上，雾滴在加热的条件下迅速干燥，从而使得粘结剂来不及收缩到多孔材料内部，粘结剂最终包覆在材料表面，从而使得颗粒与颗粒之间的粘附性更好，进而提高了电极的面密度，解决了电极掉料、开裂的问题。优选地，所述的浆料在20℃下的粘度为10～1000mPa.s。进一步优选地，所述的浆料在20℃下的粘度为10～100mPa.s。更优选地，所述的浆料在20℃下的粘度为40～70mPa.s。优选地，所述的浆料的固含量为1％～60％。进一步优选地，所述的浆料的固含量为1％～40％。更为优选地，所述的浆料的固含量为1％～10％。优选地，所述的浆料包括粘结剂，其中，所述的粘结剂的质量占所述的浆料中固体物质总质量的1％～20％。进一步优选地，所述的粘结剂的质量占所述的浆料中固体物质总质量的10％及以下。由于采用本专利技术的制备方法，粘结剂不会随着溶剂的蒸发而收缩至材料的孔内，粘结剂最终包覆在材料表面，从而使得浆料中粘结剂的使用量可以大大降低，进而可以进一步提高电极上活性物质或功能性涂料的面密度。优选地，所述的浆料还包括电极活性材料或功能性涂层材料，其中，所述的电极活性材料为活性碳、碳管、硫、硫碳复合材料、三元材料、磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂中的一种或几种，所述的功能性涂层材料为Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3、Li7La3Zr2O12、聚氧化乙烯、Li3N等有机、无机电解质，SiO2、ZrO2、Al2O3等无机氧化物，石墨烯、碳管、PMMA、PEDOT等含功能基团的有机、无机功能材料中的一种或几种。当采用电极活性材料时，所述的基板为集流体，所述的浆料用以形成集流体上的电极材料，此时，浆料中还可以包括导电剂、添加剂等其他成分。当采用功能性涂层材料时，所述的基板可以是集流体或形成有电极材料的集流体等，所述的浆料用以形成基板上的功能性涂层。优选地，所述的浆料还包括电极活性材料或功能性涂层材料，所述的电极活性材料或功能性涂层材料的质量占所述的浆料中固体物质总质量的70％以上。进一步优选地，所述的电极活性材料或功能性涂层材料的质量占所述的浆料中固体物质总质量的80％以上。本专利技术中，由于采用上述制备方法，使得粘结剂的用量能够降低，从而能够提高电极活性材料或功能性涂层材料的含量且不会使得电极的粘结性能降低从而造成掉粉开裂的现象。优选地，所述的浆料还包括溶剂，所述的溶剂为有机溶剂或水，当所述的溶剂为有机溶剂时，所述的粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)、LA系列水性粘结剂、PTFE、PEO、丁苯橡胶、羧甲基纤维素等中的一种或几种，所述的有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮(NMP)、乙腈、乙二醇、乙醇等中的一种或几种；当所述的溶剂为水时，所述的粘结剂为LA系列水性粘结剂(如LA132、LA133)、聚四氟乙烯(PTFE)、丁苯橡胶(SBR)、羧甲基纤维素(CMC)、PEO、PTFE中的一种或几种。优选地，所述的浆料包括电极活性材料或功能性涂层材料、导电剂、粘结剂和溶剂，步骤(1)中，先将所述的粘结剂和所述的溶剂进行机械搅拌，控制搅拌速度为100～5000rpm，然后加入所述的导电剂、所述的电极活性材料或功能性涂层材料，继续搅拌，控制搅拌速度为100～5000rpm，然后采用超声破碎、乳化、研磨中的一种或多种方法制得所述的浆料；其中，采用1000W及以上的超声探头超声分散1～200min；控制乳化时的转速为1000～20000rpm；控制研磨时的转速为150～25本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电极的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：/n(1)配制20℃下粘度≤1000mPa.s的浆料；/n(2)将所述的浆料通过雾化器雾化并喷涂于基板上，控制所述的雾化器的喷口直径为1～20mm，控制所述的浆料通过所述的雾化器的流量为10～200mL/min；/n(3)对喷涂有所述的浆料的基板进行加热干燥以制得所述的电极，其中，控制所述的加热干燥的温度为25～150℃。/n

【技术特征摘要】
1.一种电极的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)配制20℃下粘度≤1000mPa.s的浆料；
(2)将所述的浆料通过雾化器雾化并喷涂于基板上，控制所述的雾化器的喷口直径为1～20mm，控制所述的浆料通过所述的雾化器的流量为10～200mL/min；
(3)对喷涂有所述的浆料的基板进行加热干燥以制得所述的电极，其中，控制所述的加热干燥的温度为25～150℃。


2.根据权利要求1所述的电极的制备方法，其特征在于：所述的浆料在20℃下的粘度为10～100mPa.s。


3.根据权利要求1所述的电极的制备方法，其特征在于：所述的浆料的固含量为1％～60％。


4.根据权利要求3所述的电极的制备方法，其特征在于：所述的浆料的固含量为1％～40％。


5.根据权利要求1所述的电极的制备方法，其特征在于：所述的浆料包括粘结剂，其中，所述的粘结剂的质量占所述的浆料中固体物质总质量的1％～20％。


6.根据权利要求5所述的电极的制备方法，其特征在于：所述的粘结剂的质量占所述的浆料中固体物质总质量的10％及以下。


7.根据权利要求1所述的电极的制备方法，其特征在于：所述的浆料还包括电极活性材料或功能性涂层材料，其中，所述的电极活性材料为活性碳、碳管、硫、硫碳复合材料、三元材料、磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂中的一种或几种，所述的功能性涂层材料为Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3、Li7La3Zr2O12、聚氧化乙烯、Li3N、SiO2、ZrO2、Al2O3、石墨烯、碳管、PMMA、PEDOT中的一种或几种。


8.根据权利要求1所述的电极的制备方法，其特征在于：所述的浆料还包括电极活性材料或功能性涂层材料，所述的电极活性材料或功能性涂层材料的质量占所述的浆料中固体物质总质量的70％以上。


9.根据权利要求1所述的电极的制备方法，其特征在于：所述的浆料还包括溶剂，所述的溶剂为有机溶剂或水，当所述的溶剂为有机溶剂时，所述的粘结剂为聚偏氟乙烯、LA系列水性粘结剂、P...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海洋，孙一平，葛军，曹相斌，沈炎宾，卢威，陈立桅，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32