一種柔性超級電容器電極及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超級電容器，尤其涉及一種柔性超級電容器電極及其制作方法。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]隨著市場對于超級電容器性能要求的不斷提高，用戶要求超級電容的能量密度更高，特別是在小型卷繞超級電容器領(lǐng)域。制造廠家針對以上客戶要求，不斷進行技術(shù)改進，提高超級電容能量密度的一個有效方法是減少電池的無效空間，來增加活性物質(zhì)(正負極材料)的填充量，由于卷繞結(jié)構(gòu)的天生優(yōu)勢，內(nèi)部空閑體積很小，減少無效空間的最直接方法是將集流體的體積占用降低，現(xiàn)階段卷繞電極采用涂布的方式制成，涂布厚度有限，現(xiàn)有技術(shù)條件下一般集流體的體積可以占到電極體積的20%以上，提高涂布厚度可以將集流體體積減少，但現(xiàn)有的技術(shù)條件下涂布電極是通過粘性物料使電極物質(zhì)和集流體粘接，過高的涂布厚度很容易使涂層在輥壓時脫落或掉層，同時電極無柔韌性，卷繞時很容易使涂層脫落，因此現(xiàn)有的成熟卷繞電極的單面涂層輥壓后厚度一般不超過lOOum，以常規(guī)的30um的鋁箔集流體計算，集流體的體積占用約為1/7~1/8，假如電極上的活性物質(zhì)的單層厚度達到300um，集流體的體積占用將降低至1/20，同時相同的容量下電極面積的減少也減少了隔膜的用量，因此可以大大提高電容的整體容量。當然電極厚度增加和面積的減少帶來內(nèi)阻的增加，電極的多孔結(jié)構(gòu)有助于減輕此類的影響。有鑒于此，如何在提高電極厚度的同時保證電極柔韌性和孔隙率，是超級電容器制造領(lǐng)域一個迫切需解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了在提高電極厚度的同時保證電極柔韌性和孔隙率，具體是通過具有纖維纏繞粘接作用的PTFE作為電極膜的粘結(jié)劑，電極厚度的增加也能保證電極的柔韌性，同時孔隙率可通過高沸點分散劑的含量進行控制，大大增加了電極的有效比表面積，提高了離子的傳質(zhì)速率，制得的電極內(nèi)阻低、容量高，特別適用于小型卷繞型超級電容器，有效提升了其電化學(xué)性能的一種柔性超級電容器電極及其制作方法，
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的完整解決方法是:
一種柔性超級電容器電極，其特征在于:將超級電容用高比表面積活性炭、導(dǎo)電劑和PTFE用低沸點的溶劑混合均勻，并經(jīng)干燥得到粉狀混合物，再用一種高沸點溶劑將粉狀混合物適量分散后壓制得到電極薄膜，充分干燥后將此電極薄膜貼合到經(jīng)過處理后的金屬集流體表面即得柔性電極。
[0005]其特征是:制備過程如下:
步驟1:制備楽料
將導(dǎo)電劑加入到低沸點溶劑中，在常規(guī)的行星式真空攪拌機中以500~4000rpm的高速分散攪拌5~60min后得到導(dǎo)電漿料，在此導(dǎo)電漿料中加入超級電容用活性炭繼續(xù)高速分散使?jié){料混合均勻，將漿料溫度冷卻至10~25°C范圍內(nèi)再加入PTFE乳液高速攪拌5~30min，維持攪拌并將漿料加熱至30~70°C，充分混和均勻30~300min即得到混合物漿料；
步驟2:干燥漿料
將混合后的漿料用常壓鼓風干燥、真空干燥或離心干燥中的一種或兩種以上的方式充分干燥，干燥溫度50~120°C，得到粉狀混合物；
步驟3:制備電極膜
將干燥后的粉狀混合物加入高沸點溶劑中，在多功能攪拌器中低速30~120rpm分散攪拌得到泥團狀物質(zhì)，將此物質(zhì)在高沸點溶劑蒸汽壓飽和的氣氛中經(jīng)對輥機反復(fù)對輥碾壓，得到一定厚度的柔韌性充分的電極，將此電極薄膜常規(guī)抽真空干燥，干燥溫度100~180°C，充分干燥后用對輥機對輥至工藝厚度即得多孔柔性電極膜；
步驟4:制備柔性電極
將金屬箔或多孔金屬網(wǎng)表面利用噴涂或浸涂的方式單面或雙面均勻涂覆一層超級電容用導(dǎo)電漿料，同時將上述電極膜與之通過對輥機進行輥壓貼合，充分干燥后即得到柔性超級電容器電極。
[0006]其特征是:
步驟1中的PTFE乳液中的固含量質(zhì)量分數(shù)為5~70% ;
步驟1中混和活性性物質(zhì)和導(dǎo)電劑的低沸點溶劑為無水乙醇或無水乙醇與去離子水的混合溶劑，其中混合溶劑中乙醇的含量不低于20% ；
步驟1中導(dǎo)電劑為導(dǎo)電石墨、導(dǎo)電炭黑、導(dǎo)電碳纖維或碳納米管等的一種或兩種以上； 步驟1中混合物漿料中的低沸點溶劑的含量為20%~80% ;
步驟3中分散混合物的溶劑為高沸點溶劑，為NMP、PC的一種或兩種；
步驟3中泥團狀物質(zhì)中高沸點溶劑的體積含量比為10%~60% ；
步驟3中干燥前電極膜的厚度與干燥后對輥的最終厚度(工藝厚度)比為1.10-1.03:1，亦即干燥后的電極對輥時的壓縮比不高于10% ;
步驟3中所成的干燥后的電極膜，PTFE的含量為1%~10%，導(dǎo)電劑的含量為0.5%~20%，活性物質(zhì)含量為70%~98.5% ；
步驟4中的集流體材質(zhì)為鋁、不銹鋼、鎳等，集流體厚度為5~40um，集流體網(wǎng)孔規(guī)格10-300 目；
步驟4中的電極膜與金屬集流體的復(fù)合后的厚度變化比不高于10% (復(fù)合前電極膜+集流體的總厚度:復(fù)合后電極膜+集流體的總厚度《1.1)。
[0007]其特征是:
(1)漿料的制備:將導(dǎo)電劑加入到低沸點溶劑中，在常規(guī)的行星式真空攪拌機中以500~4000rpm的高速分散攪拌5~60min后得到導(dǎo)電漿料，在此導(dǎo)電漿料中加入超級電容用活性炭繼續(xù)高速分散使?jié){料混合均勻，將漿料溫度冷卻至10~25°C范圍內(nèi)再加入PTFE乳液高速攪拌5~30min。維持攪拌并將漿料加熱至30~70°C，充分混和均勻30~300min即得到混合物漿料；其中PTFE乳液中的固含量質(zhì)量分數(shù)為5~70% ;混和活性性物質(zhì)和導(dǎo)電劑的低沸點溶劑為無水乙醇或無水乙醇與去離子水的混合溶劑，其中混合溶劑中乙醇的含量不低于20% ;導(dǎo)電劑為導(dǎo)電石墨、導(dǎo)電炭黑、導(dǎo)電碳纖維或碳納米管等的一種或兩種以上；混合物漿料中的低沸點溶劑的含量為20%~80% ;
(2 )漿料的干燥:將混合后的漿料用常壓鼓風干燥、真空干燥或離心干燥等一種或兩種以上的方式充分干燥，干燥溫度50~120°C，得到粉狀混合物；
(3)電極膜的制備:將干燥后的粉狀混合物加入高沸點溶劑中，在多功能攪拌器中低速30~120rpm分散攪拌得到泥團狀物質(zhì)，將此物質(zhì)在高沸點溶劑蒸汽壓飽和的氣氛中經(jīng)對輥機反復(fù)對輥碾壓，得到一定厚度的柔韌性充分的電極，將此電極薄膜常規(guī)抽真空干燥，干燥溫度100~180°C，充分干燥后用對輥機對輥至工藝厚度即得多孔柔性電極膜；其中分散混合物的溶劑為高沸點溶劑，如NMP、PC等的一種或兩種以上；泥團狀物質(zhì)中高沸點溶劑的體積含量比為10°/『60%;干燥前電極膜的厚度與干燥后對輥的最終厚度(工藝厚度)比為1.10-1.03:1，亦即干燥后的電極對輥時的壓縮比不高于10%;所成的干燥后的電極膜，PTFE的含量為1%~10%，導(dǎo)電劑的含量為0.5%~20%，活性物質(zhì)含量為70%~98.5% ；
(4)柔性電極的制備:將金屬箔或多孔金屬網(wǎng)表面利用噴涂或浸涂的方式單面或雙面均勻涂覆一層超級電容用導(dǎo)電漿料，同時將上述電極膜與之通過對輥機進行輥壓貼合，充分干燥后即得到柔性超級電容器電極。其中集流體材質(zhì)為鋁、不銹鋼、鎳等，集流體厚度為5~40um，集流體網(wǎng)孔規(guī)格10~300目；電極膜與金屬集流體的復(fù)合后的厚度變化比不高于10% (復(fù)合前電極膜+集流體的總厚度:復(fù)合后電極膜+集流體的總厚度《1.1)。
[0008]其特征是:將一份質(zhì)量的superP導(dǎo)電劑加入到15份質(zhì)量的低沸點溶劑無水乙醇中，用行星式攪拌機以2000rpm的高速分散30min形成均勻的導(dǎo)電漿料后加入8.4份質(zhì)量的超級電容用活性炭YP50F，繼續(xù)以同樣的攪拌速度均勻攪拌60min后得到的含活性物質(zhì)和導(dǎo)電劑的漿料，再加入一份質(zhì)量的60%固含量的PTFE乳液，使活性物質(zhì):導(dǎo)電劑:ptfe的固體質(zhì)量比為84%:10%:6%，再次進行高速分散lOmin后打開攪拌機的加熱功能，使?jié){料溫度升溫至60 °C，攪拌60min后待用；
將制得的漿料傾倒于平板加熱盤中，置于真空干燥箱中，緩慢抽真空至-0.1MPa并加熱至80°C，使?jié){料中的無水乙醇揮發(fā)完全，得到干燥的粉末狀材料；
將此粉末狀材料中加入1.3倍質(zhì)量的高沸點溶劑N-甲基吡咯烷酮(NMP)，用多功能攪拌器低速60rpm的速度剪輯攪拌至混合物呈團料狀，將此團料用對輥機對輥并反復(fù)對折碾壓，使ptfe再次纖維化，直至物料粘接牢固表面光滑后對輥至0.42mm厚度，形成含NMP的電極膜片，將此膜片平鋪于網(wǎng)狀干燥盤中，抽真空180°C使電極中的NMP完全去除，將干燥后的電極膜片用對輥機進行整平，對輥至0.4mm即得到合格的多孔柔性電極膜；
將電容用15um厚度的金屬鋁箔穿過對輥機輥軸的兩輥縫隙，輥縫調(diào)節(jié)間距為0.41mm，通過收張卷進行張力整平后在表面噴涂一層電容用導(dǎo)電漿料Dag EB-012，將裁切好的電極膜粘附于鋁箔上，使兩者通過對輥機輥縫進行復(fù)合碾壓，復(fù)合后的電極進行加熱干燥使導(dǎo)電漿料固固化即得到合格的多孔柔性電極片。
[0009]其特征是:
將一份質(zhì)量的superP導(dǎo)電劑加入到15份質(zhì)量的含50%無水乙醇的去離子水中，用行星式攪拌機以2500rpm的高速分散30min形成均勾的導(dǎo)電楽料后加入8.