源自混合碳組合物的用于電容器的電極的制作方法
【專利說明】源自混合碳組合物的用于電容器的電極
[0001]致相關(guān)人士:
[0002]我們是居住在密歇根州英厄姆郡東蘭辛市的韓國公民Inhwan Do和居住在密歇根州英厄姆郡東蘭辛市的韓國公民Hyunjoong Kim，發(fā)明了由混合碳物質(zhì)組合物制備的新型且新穎的裝置，其為在本說明書中描述的源自混合碳組合物的用于電容器的電極。
[0003]本申請要求2013年3月15日提交的序列號為61/786，745的美國臨時申請的優(yōu)先權(quán)。
[0004]在本文中描述的發(fā)明涉及濕碳紙加工、由混合碳組合物制備的濕碳紙和由這樣的濕碳紙制備的電極，以及由這樣的電極制備的電容器。
[0005]在本文中公開的部分工作是根據(jù)美國空軍研究實驗室合同#FA9453-12-M-0032來進(jìn)行的。
[0006]發(fā)明背景
[0007]對石墨烯/碳或石墨烯/石墨電化學(xué)雙層電極進(jìn)行了現(xiàn)有技術(shù)檢索。僅一篇參考文獻(xiàn)建議用石墨烯涂覆碳。幾篇參考文獻(xiàn)分別包括石墨烯、活性炭和石墨作為電化學(xué)雙層電極的可能組分，但是并未建議其的組合，或者這樣的組合的任何益處。另外，現(xiàn)有技術(shù)參考文獻(xiàn)均未涉及使用這樣的碳組合制備用于電極的碳紙的濕法工藝。
[0008]在名稱為METHODFOR MANUFACTURING POSITIVE ELECTROD ACTIVE MATERIAL FORENERGY STORAGE DEVICE AND ENERGY STORAGE DEVICE 的美國專利公開2012/0088156A 中，教導(dǎo)了一種制備電極的多步驟方法，包括將石墨烯氧化物添加至電極混合物和將石墨烯氧化物還原為石墨烯。從屬權(quán)利要求之一包括添加小于1%的導(dǎo)電助劑，其可以是炭黑。
[0009]名稱為ELECTRODE FOR ENERGY STORAGE SYSTEMS, PRODUCT1N METHOD THEREOFAND ENERGY STORAGE SYSTEM COMPRISING SAID ELECTRODE 的美國專利 7，907，387 教導(dǎo)了使用碳活性材料的漿料或墨水來形成片，干燥和添加用于電化學(xué)雙層電容器的鋁網(wǎng)集流體。
[0010]美國專利6，768，631教導(dǎo)了用于制備多孔碳材料的方法，多孔碳材料和使用該多孔碳材料的雙電層電容器。這篇專利教導(dǎo)了被壓延至用于電容器的鋁網(wǎng)集流體上的干燥的碳材料混合物。
[0011]Http://di Ritaleprints.um.edu.m/1978/7/CH6.pdf 教導(dǎo)了在施加至用于電容器的鋁網(wǎng)的漿料中使用炭黑。
[0012]本發(fā)明的方法和電極材料不同于任何現(xiàn)有技術(shù)材料。從未建議活性材料為用石墨烯增強(qiáng)的活性炭。將碳材料與鋁網(wǎng)一起使用不是獨特的，但是被壓延至鋁網(wǎng)上的半干膜的制造是獨特的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]在本文中公開并要求保護(hù)的發(fā)明涉及制作極高重量和體積電容(> 200F/g)、能量密度(+30Wh/kg)和功率密度(+15kW/kg)的電化學(xué)雙層電容器，其由安裝或涂覆在作為集流體的鋁網(wǎng)上的用高表面碳例如活性炭、碳納米纖維、炭黑、碳?xì)饽z和石墨烯制得的獨立紙、漿料或干燥混合物構(gòu)成。使用濕碳紙工藝來進(jìn)行該方法。石墨烯為納米尺寸石墨烯納米管和納米尺寸石墨烯納米片。
[0014]通過將獨立碳紙安裝在鋁網(wǎng)集流體上隨后壓縮或壓延來制作用于電容器的電極。還可以通過將高表面積碳漿料涂覆在鋁網(wǎng)集流體上來制作該電極。還可以通過將高表面積碳粉末混合物干法涂覆在鋁網(wǎng)集流體上來制備該電極。將這樣的電極與聚合物分隔體和電解質(zhì)例如離子液體或溶解在有機(jī)溶劑中的季銨鹽組裝在一起。其在基于離子液體電解質(zhì)的電化學(xué)雙層電容器中可產(chǎn)生> 200F/g的電極電容、200Wh/kg的電極能量密度、15KW/kg的電極功率密度和50%的電極孔隙率，這使得開發(fā)具有30Wh/kg的能量密度和15KW/kg的功率密度的裝置成為可行的。
[0015]因此，在本文中公開了包含活性炭與石墨烯的組合的物質(zhì)組合物。“組合”意味著將材料混合，并不僅僅是在彼此上涂覆。此外，這種組合可以進(jìn)一步與碳納米纖維，炭黑，碳?xì)饽z，納米纖維、炭黑或碳?xì)饽z與活性炭和石墨烯的組合的任何組合進(jìn)行組合。另外，可存在上文剛剛提到的碳的活化衍生物。
[0016]在本發(fā)明的第一實施方案中，存在電化學(xué)雙層電容器。所述電容器包含:兩個招網(wǎng)集流體，每個所述鋁網(wǎng)集流體在其上沉積有活性炭與石墨烯的組合；位于集流體之間的分隔體；和電解質(zhì)，假設(shè)每個電容器具有與之相連的外殼。
[0017]另外，存在電化學(xué)雙層電容器的實施方案，其中所述電容器包含兩個鋁網(wǎng)集流體，每個所述鋁網(wǎng)集流體在其上沉積有活性炭、石墨烯與選自由碳納米管、碳納米纖維、炭黑和碳?xì)饽z構(gòu)成的組的任何碳組合的組合。存在位于集流體之間的分隔體，和電解質(zhì)。
[0018]進(jìn)一步還存在一種用于制備電極的方法，所述方法包含提供處于溶劑中的碳漿料，過濾所述漿料以分離溶劑并提供濕片形式，并且隨后將濕片形式安裝在鋁網(wǎng)基材上，并壓延和干燥所述濕片形式至預(yù)定厚度、孔隙率和表面光潔度。
[0019]還提供了一種由上文剛剛描述的方法制備的濕碳紙。另外，存在用于制備電極的方法的實施方案，其中所述方法包含提供處于溶劑中的碳漿料，將漿料涂覆在鋁網(wǎng)上，并壓延和干燥涂層至預(yù)定厚度、孔隙率和表面光潔度，通常使用刮刀進(jìn)行涂覆。這種方法也提供了濕碳紙。
[0020]發(fā)明詳述
[0021]通常來說，現(xiàn)有技術(shù)方法提供了通過施加包含活性炭、聚合物粘合劑和導(dǎo)電劑的配制劑經(jīng)由涂覆在鋁箔上的漿料來制備用于電化學(xué)雙層電容器的電極。通常來說，由于鋁箔的高電導(dǎo)率、低密度和高電壓下的高穩(wěn)定性，已將其用作集流體。然而，基于鋁箔的電極具有二維結(jié)構(gòu)，因此電流收集能力不夠高。金屬泡沫可以提供三維結(jié)構(gòu)，但是由于其高密度而不適合商業(yè)化。作為集流體的鋁網(wǎng)可以提供半三維結(jié)構(gòu)并且具有類似于鋁箔密度的密度。基于鋁網(wǎng)的電極的電化學(xué)性質(zhì)由于相對于箔和泡沫的電流收集能力的改進(jìn)而增加。
[0022]適用于本發(fā)明的碳包括平均尺寸介于1nm和100 μ m之間并且BET表面積大于約300m2/g的碳。理解的是，碳與石墨烯的組合為本發(fā)明的主要組合，并且這種組合可以與其它碳結(jié)構(gòu)例如碳納米纖維、炭黑、碳?xì)饽z和這些碳的活化衍生物組合。
[0023]在本文中用作集流體的鋁網(wǎng)具有介于100目和大于400目之間的篩目大小，優(yōu)選的實施方案為從100目至400目。鋁網(wǎng)集流體的厚度小于0.015英寸，并且鋁網(wǎng)集流體的直徑小于約0.005英寸。
[0024]適用于本發(fā)明的分隔體可以由本領(lǐng)域已知的聚丙烯、聚乙烯、丙烯/聚乙烯組合、聚四氟乙烯等形成。適用于本發(fā)明的電解質(zhì)選自離子液體電解質(zhì)和有機(jī)電解質(zhì)等。
實施例
[0025]實施例1
[0026]使用商業(yè)活性炭(YP-50F,1500m2/g, Kurary Chemical Company)作為活性材料。使用多壁碳納米管(230m2/g，Hanwha Nanotech)作為共同材料。使用浴型超聲處理器在異丙醇中分散活性炭60分鐘，并且在異丙醇中單獨超聲處理碳納米管I小時。將經(jīng)分散的材料溶液合并，隨后超聲處理另外60分鐘。然后，使用膜過濾系統(tǒng)過濾混合物(墨水)。將所形成的獨立紙壓延在鋁網(wǎng)上，隨后在80°C下于真空下干燥2小時。用安裝在鋁網(wǎng)上的兩個紙電極和玻璃微纖維Whatman過濾器來制作電化學(xué)雙層電容器。采用在O和2.5V之間變化的電勢在IM TEABF4/AN電解質(zhì)中完成電極的電化學(xué)測試。TEABF=四氟硼酸四乙胺。結(jié)果在圖1和2中示出。鋁網(wǎng)集流體具有約小于0.005英寸的平均直徑和約小于0.015英寸的平均厚度。
[0027]在沒有任何聚合物粘合劑的情況下容易