一種基于三維立體凸起集流體的電化學(xué)電源電極的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種基于三維立體凸起集流體的電化學(xué)電源電極，由活性物質(zhì)層（1）和集流體（2）復(fù)合構(gòu)成。所述集流體（2）表面有三維立體凸起（3）；所述凸起為兩端開口的中空結(jié)構(gòu)；所述凸起底端的開口與集流體開放連接，并在集流體上形成貫穿的孔隙（4）；所述凸起在集流體兩側(cè)交錯(cuò)排布。三維立體凸起結(jié)構(gòu)增大了活性物質(zhì)層和集流體的結(jié)合力，增加了電極密度，提高容量，降低內(nèi)阻，延長了電化學(xué)電源的使用壽命。
【專利說明】
一種基于三維立體凸起集流體的電化學(xué)電源電極
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及電化學(xué)領(lǐng)域，具體地，本實(shí)用新型涉及一種基于三維立體凸起集流體的電化學(xué)電源電極，該電極可應(yīng)用于多種電化學(xué)電源，包括超級(jí)電容器、鋰離子電容器、混合電容器、燃料電池和鋰離子電池。【背景技術(shù)】
[0002]電化學(xué)電源是一種能量存儲(chǔ)和釋放裝置，它通過物理或化學(xué)的方式進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)化，為各種用電設(shè)施提供能源動(dòng)力，涉及社會(huì)生活的多個(gè)方面，具有便攜性和使用方便性， 廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品、電動(dòng)工具、風(fēng)能、太陽能、汽車、航空等領(lǐng)域。這種電化學(xué)電源包括超級(jí)電容器、鋰離子電容器、混合電容器、燃料電池和鋰離子電池等。
[0003]電極是電化學(xué)電源的核心元件，是影響電化學(xué)電源性能的關(guān)鍵因素。電極由活性物質(zhì)層和集流體復(fù)合而成?；钚晕镔|(zhì)層包括活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑，其中活性物質(zhì)是電極的主材料，用于提供容量;導(dǎo)電劑用于改善電極的導(dǎo)電性能;粘結(jié)劑用于把活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑以及集流體粘結(jié)在一起，集流體用于支撐活性物質(zhì)層并提供電子迀移通道。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)一般都是把活性物質(zhì)層復(fù)合在表面光滑的集流體上制成電極，這種技術(shù)存在以下缺陷:1、活性物質(zhì)層與集流體的粘結(jié)強(qiáng)度不夠，隨使用時(shí)間的延長，充放電循環(huán)次數(shù)增多，部分活性物質(zhì)會(huì)從集流體脫落，影響電極性能和壽命;2、集流體與活性物質(zhì)為表面接觸，接觸面積有限，內(nèi)阻偏大;3、電極裝配成電化學(xué)電源時(shí)，需要把電極卷繞或疊加成接觸較為緊密的極組，就會(huì)造成注液時(shí)電解液很難滲入極組內(nèi)部，隨著充放電循環(huán)的進(jìn)行，電極內(nèi)部電解液匱乏，導(dǎo)致電化學(xué)電源性能降低或損壞;4、現(xiàn)有技術(shù)中，為解決活性物質(zhì)與集流體粘結(jié)強(qiáng)度和內(nèi)阻問題，有的工藝是在兩者中間再引入一層導(dǎo)電膠，但導(dǎo)電膠的引入增加了制造工序和材料、設(shè)備等成本，并增加引入雜質(zhì)的機(jī)會(huì);5、現(xiàn)有技術(shù)中，有的工藝是在集流體上通過物理或化學(xué)手段制作出貫穿或不貫穿的孔，對(duì)上述問題有一定改善，但效果不是太明顯?！緦?shí)用新型內(nèi)容】
[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型的目的是提供一種基于三維立體凸起集流體的電化學(xué)電源電極，其活性物質(zhì)層與集流體結(jié)合力強(qiáng)，電極密度大，容量高，內(nèi)阻低，循環(huán)壽命長，能更好的應(yīng)用于超級(jí)電容器、鋰離子電容器、混合電容器、燃料電池和鋰離子電池等領(lǐng)域。
[0006]本實(shí)用新型通過以下方式實(shí)現(xiàn):一種基于三維立體凸起集流體的電化學(xué)電源電極，由活性物質(zhì)層和集流體復(fù)合構(gòu)成。所述集流體表面有三維立體凸起;所述凸起為兩端開口的中空結(jié)構(gòu);所述凸起底端的開口與集流體開放連接，并在集流體上形成貫穿的孔隙;所述凸起在集流體兩側(cè)交錯(cuò)排布。
[0007]作為優(yōu)選，所述孔隙的面積占集流體面積的比例為10-80%。集流體上孔隙的存在利于注液時(shí)電解液的快速滲透，并能使電解液充分進(jìn)入電極組內(nèi)部，防止隨充放電循環(huán)的進(jìn)行而出現(xiàn)的電解液匱乏現(xiàn)象。孔隙結(jié)構(gòu)還能減輕集流體的質(zhì)量，從而減輕電化學(xué)電源質(zhì)量，利于電化學(xué)電源的輕型化和小型化。
[0008]作為優(yōu)選，所述孔隙之間的中心距為0.05-lmm。位于集流體上下兩側(cè)的活性物質(zhì)可以通過開放的凸起實(shí)現(xiàn)直接接觸，利于離子傳導(dǎo)，降低內(nèi)阻。
[0009]作為優(yōu)選，所述凸起垂直于集流體表面的高度為活性物質(zhì)層厚度的5%_50%。復(fù)合時(shí)部分活性物質(zhì)進(jìn)入凸起的中空部分，增大活性物質(zhì)與集流體接觸面積，增大電極密度，并提高結(jié)合力，延長電極使用壽命，減少粘結(jié)劑用量，降低內(nèi)阻。
[0010]本實(shí)用新型技術(shù)適用于超級(jí)電容器、鋰離子電容器、混合電容器、燃料電池和鋰離子電池等電化學(xué)電源。需要說明的是，本實(shí)用新型技術(shù)尤其適用于鋰離子電容器。鋰離子電容器預(yù)嵌鋰的工藝要求其集流體必須開有通孔以給鋰離子提供迀移通道，現(xiàn)有技術(shù)都是對(duì)集流體額外加工形成通孔，而本實(shí)用新型技術(shù)的鋰離子可以直接通過三維立體凸起開放的中空部位傳輸，完成預(yù)嵌鋰。
[0011]本實(shí)用新型的有益效果:提高活性物質(zhì)層和集流體的結(jié)合力，延長電化學(xué)電源使用壽命;增加單位面積的活性物質(zhì)質(zhì)量，增加電極密度，提高容量，增大能量密度;減少粘結(jié)劑用量，降低內(nèi)阻，提高功率密度;減輕集流體質(zhì)量，減小電化學(xué)電源質(zhì)量或體積;減少電源模塊數(shù)量或體積，利于電源模塊輕型化和小型化，降低成本;利于電解液迅速滲入電極內(nèi)部，防止電解液匱乏;本實(shí)用新型技術(shù)尤其適用于鋰離子電容器?！靖綀D說明】
[0012]圖1為本實(shí)用新型的一種基于三維立體凸起集流體的電化學(xué)電源電極剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2為現(xiàn)有技術(shù)電極的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖中；1、活性物質(zhì)層，2、集流體，3、凸起，4、孔隙，5、普通集流體。【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合說明書附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)作進(jìn)一步的說明。
[0016]如圖1所示的一種基于三維立體凸起集流體的電化學(xué)電源電極，由活性物質(zhì)層1和集流體2復(fù)合構(gòu)成。所述集流體2表面有三維立體凸起3;所述凸起為兩端開口的中空結(jié)構(gòu)； 所述凸起底端的開口與集流體開放連接，并在集流體上形成貫穿的孔隙4;所述凸起在集流體兩側(cè)交錯(cuò)排布。所述凸起是中空的立方體，可以有規(guī)則或不規(guī)則的形狀，可以舉例如山峰狀、纖維狀等。所述凸起兩端開口可以是規(guī)則的和不規(guī)則的各種幾何形狀，可以舉例如圓形、橢圓形等。
[0017]圖2為現(xiàn)有技術(shù)電極的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。普通集流體為表面光滑的平板結(jié)構(gòu)。對(duì)比圖1和圖2,可以明顯看到，本實(shí)用新型技術(shù)的電極，活性物質(zhì)可以進(jìn)入集流體上的中空突起內(nèi)部，增加單位面積的活性物質(zhì)，增大電極密度，提高容量和能量密度。而且位于集流體上下兩側(cè)的活性物質(zhì)可以通過凸起開放的兩端直接接觸，利于離子的傳導(dǎo)，降低內(nèi)阻。
[0018]所述孔隙的面積占集流體面積的比例優(yōu)選為10-80%。集流體上孔隙的存在利于注增加單位面積活性物質(zhì)質(zhì)量，并能使電解液快速充分進(jìn)入電極內(nèi)部。同時(shí)，孔隙結(jié)構(gòu)還能減輕集流體的質(zhì)量，從而減輕電化學(xué)電源質(zhì)量，利于電化學(xué)電源的輕型化和小型化。
[0019]所述凸起垂直于集流體表面的高度優(yōu)選為活性物質(zhì)層厚度的5%-50%，具體的高度數(shù)值優(yōu)選為5-80um。高度的具體數(shù)值可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況調(diào)整確定，均應(yīng)視為本實(shí)用新型的具體實(shí)施例。
[0020]本實(shí)用新型的一種基于三維立體凸起集流體的電化學(xué)電源電極適用于電化學(xué)電源領(lǐng)域，包括超級(jí)電容器、鋰離子電容器、混合電容器、燃料電池和鋰離子電池等領(lǐng)域。本實(shí)用新型的技術(shù)方案尤其適用于鋰離子電容器領(lǐng)域。鋰離子電容器由于其預(yù)嵌鋰工藝的特殊要求，在裝配時(shí)需要預(yù)先在極組一側(cè)裝入鋰片，然后鋰離子要穿過集流體嵌入每層活性物質(zhì)中，這就要求集流體必須開有通孔從而為鋰離子提供迀移通道?，F(xiàn)有技術(shù)都是對(duì)集流體額外加工形成通孔，而本實(shí)用新型技術(shù)的鋰離子可以直接通過三維立體凸起開放的中空部位傳輸，無需額外加工即可完成預(yù)嵌鋰。
[0021]本實(shí)用新型不限于上述實(shí)施方式，而是可以在如權(quán)利要求所述的本實(shí)用新型的范圍內(nèi)進(jìn)行各種改進(jìn)。這些改進(jìn)包含在本實(shí)用新型的范圍之內(nèi)。實(shí)施例[〇〇22] 實(shí)施例1[〇〇23]活性炭與導(dǎo)電碳黑和聚四氟乙烯混合攪拌，壓制成厚度lOOum的碳膜。集流體采用孔隙率為80%，孔隙中心距為0.05mm，厚度為20um的鋁箱，凸起的垂直高度為50um。把碳膜通過碾壓機(jī)壓在鋁箱上，得到活性炭電極。[〇〇24] 實(shí)施例2
[0025]鈦酸鋰與導(dǎo)電碳黑和聚偏氟乙烯混合加入到甲基吡咯烷酮溶劑中攪拌成漿料。集流體采用孔隙率為50%，孔隙中心距為1mm，厚度為8um的銅箱，凸起的垂直高度為20um。把漿料涂覆在銅箱上，得到活性物質(zhì)層厚度為80um的鈦酸鋰電極。
[0026]實(shí)施例3
[0027]石墨烯與導(dǎo)電炭黑和丙烯酸樹脂混合形成均勻的顆?；旌衔铩＜黧w采用孔隙率為60%，孔隙中心距為0 ? 4mm，厚度為30um的鎳箱，凸起的垂直高度為16um。把顆?；旌衔锿ㄟ^靜電作用噴涂在鎳箱上，形成活性物質(zhì)層厚度為160um的石墨烯電極。
[0028]實(shí)施例4
[0029]石墨、導(dǎo)電劑、聚乙烯吡咯烷酮混合加入到水中攪拌成漿料。集流體采用孔隙率為 10%，孔隙中心距為0 ? 8mm，厚度為15um的鋁箱，凸起的垂直高度為5um。把漿料印刷轉(zhuǎn)移在鋁箱上，得到活性物質(zhì)層厚度為20um的石墨電極。
[0030]實(shí)施例5[〇〇31]活性炭與導(dǎo)電碳黑和聚四氟乙烯混合攪拌，先壓制成厚度200um的碳膜。集流體采用孔隙率為80%，孔隙中心距為0? 1mm，厚度為30um的不銹鋼，凸起的垂直高度為10um。預(yù)先在不銹鋼表面涂布5um厚的中間過渡層。然后把碳膜通過210°C的高溫輥熱合在涂有中間過渡層的鋁箱上，得到活性炭電極。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于三維立體凸起集流體的電化學(xué)電源電極，由活性物質(zhì)層(1)和集流體(2)復(fù) 合構(gòu)成，所述集流體(2)表面有三維立體凸起(3);所述凸起為兩端開口的中空結(jié)構(gòu);所述凸 起底端的開口與集流體開放連接，并在集流體上形成貫穿的孔隙(4);所述凸起在集流體兩 側(cè)交錯(cuò)排布。2.如權(quán)利要求1所述的一種基于三維立體凸起集流體的電化學(xué)電源電極，其特征是所 述孔隙的面積占集流體面積的比例為10-80%。3.如權(quán)利要求1所述的一種基于三維立體凸起集流體的電化學(xué)電源電極，其特征是所 述孔隙之間的中心距為0.05-lmm。4.如權(quán)利要求1所述的一種基于三維立體凸起集流體的電化學(xué)電源電極，其特征是所 述凸起垂直于集流體表面的高度為活性物質(zhì)層厚度的5%-50%。
【文檔編號(hào)】H01G11/70GK205582739SQ201620154013
【公開日】2016年9月14日
【申請(qǐng)日】2016年3月1日
【發(fā)明人】薛龍均
【申請(qǐng)人】東陽市元江電工有限公司