專利名稱：雙極性電極和超級電容器脫鹽裝置以及制造方法
雙極性電極和超級電容器脫鹽裝置以及制造方法公開背景本發(fā)明主要涉及電極和使用電極的超級電容器脫鹽裝置，以及用于制造電極和超級電容器脫鹽(SCD)裝置的方法。更特別地，本發(fā)明涉及雙極性電極和使用雙極性電極的超級電容器脫鹽裝置，以及制造雙極性電極和SCD裝置的方法。SCD裝置通常是指用于海水的脫鹽或其他微咸水的去離子化的超級電容器，以將鹽的量減少到家庭和工業(yè)用途可允許的水平。通常，超級電容器單元(cell)具有雙層結(jié)構(gòu)，其中雙極性電極對通常包含被多微孔、電子絕緣的離子傳導(dǎo)性間隔物元件分隔的顆?；钚蕴?，包含均勻分散的電解質(zhì)組分。典型的超級電容器單元結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包含與相應(yīng)電極緊密接觸的導(dǎo)電集流體元件。對于某些應(yīng)用，一些用于脫鹽的超級電容器單元堆疊在一起以形成S⑶裝置。由于每個這樣的超級電容器單元包括電極對和與相應(yīng)的單獨(dú)電極接觸的導(dǎo)電集流體元件對， 組裝這樣的SCD裝置是復(fù)雜的，且制造這樣的SCD裝置的成本可能是高的。因此，存在對新型及改進(jìn)的電極和使用電極的超級電容器脫鹽裝置及其制造方法的需求。公開概述本發(fā)明的一個實(shí)施方案提供雙極性電極。雙極性電極包含含有一種或多種碳材料的中間層。雙極性電極進(jìn)一步包括布置在中間層的對立表面上且被設(shè)置為起陽極和陰極作用的第一層和第二層。第一和第二層包含一種或多種導(dǎo)電碳材料和一種或多種導(dǎo)電聚合物中的至少一種。本發(fā)明的另一實(shí)施方案提供超級電容器脫鹽裝置。超級電容器脫鹽裝置包含第一電極、第二電極，以及布置在第一和第二電極之間的一個或多個雙極性電極。第一和第二電極以及一個或多個雙極性電極被設(shè)置以在充電狀態(tài)吸附離子并在放電狀態(tài)解吸附離子。另外，超級電容器脫鹽裝置包含布置在每對相鄰電極之間的一個或多個電子絕緣和離子傳導(dǎo)性間隔物、被設(shè)置以與第一電極接觸的第一集流體，和被設(shè)置以與第二電極接觸的第二集流體。本發(fā)明的又一實(shí)施方案提供制造雙極性電極的方法。方法包含提供并攪拌混合物，所述混合物包含一種或多種碳材料以及一種或多種導(dǎo)電聚合物中的至少一種和溶劑， 以形成一種或多種碳材料和一種或多種導(dǎo)電聚合物中的至少一種在溶劑中的分散體，向分散體中加入至少一種粘合劑以提供產(chǎn)物混合物并攪拌產(chǎn)物混合物，處理產(chǎn)物混合物以形成多個電極片，和將電極片附著在中間層的對立表面上。由以下結(jié)合附圖提供的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述，這些和其他優(yōu)點(diǎn)和特征將得到更多的理解。附圖簡述

圖1是本發(fā)明的一個實(shí)施方案的超級電容器脫鹽裝置的示意圖；圖2是本發(fā)明的一個實(shí)施方案的雙極性電極的示意圖；圖3是示意性說明制備本發(fā)明的一個實(shí)施方案的雙極性電極的流程圖4是本發(fā)明的另一實(shí)施方案的超級電容器脫鹽裝置的示意圖；和圖5是本發(fā)明的一個實(shí)施方案的超級電容器的示意圖。發(fā)明詳述本公開的優(yōu)選實(shí)施方案將在以下參考附圖進(jìn)行描述。在以下描述中，熟知的功能或結(jié)構(gòu)沒有被詳細(xì)地描述，以避免在不必要的細(xì)節(jié)上使本公開不清楚。圖1是本發(fā)明的一個實(shí)施方案的超級電容器脫鹽(S⑶)裝置10的示意圖。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，SCD裝置10用于海水的脫鹽或其他微咸水的去離子化，以將鹽的量減少到家庭和工業(yè)用途可允許的水平。另外，S⑶裝置10可從液體(諸如來自于農(nóng)業(yè)、工業(yè)或市政過程的廢水或廢液)中去除或減少其他荷電或離子雜質(zhì)。對于圖1中描繪的實(shí)例排列，S⑶裝置10包含第一集流體11、第二集流體12、第一電極13、第二電極14、雙極性電極15和一對間隔物16。第一和第二電極13和14分別與第一和第二集流體11和12緊密接觸。雙極性電極15布置在第一和第二電極13和14之間。兩個間隔物16分別布置在第一電極13和雙極性電極15之間，以及雙極性電極15和第二電極14之間。在某些實(shí)施方案中，集流體11和12可被設(shè)置為板、網(wǎng)、箔或片，且由金屬或金屬合金形成。金屬可包括例如鈦、鉬、銥或銠。金屬合金可包括例如不銹鋼。在其他實(shí)施方案中， 集流體11和12可包含石墨或塑性材料諸如聚烯烴，聚烯烴可包括聚乙烯。在某些應(yīng)用中， 塑性集流體11和12可與導(dǎo)電炭黑或金屬顆粒混合，以獲得一定水平的導(dǎo)電性。對于圖1中的實(shí)例實(shí)施方案，第一和第二電極13和14以及雙極性電極15為板的形式，它們互相平行布置以形成堆疊結(jié)構(gòu)。在某些實(shí)施方案中，電極13、14和15可具有不同的形狀，諸如片、塊或圓柱。另外，這些電極可以不同的構(gòu)型排列。例如，第一和第二電極以及雙極性電極可同軸布置，其間有螺旋形和連續(xù)的空間。在某些應(yīng)用中，第一和第二電極13和14可包括導(dǎo)電材料，其可以是或可以不是導(dǎo)熱的，且可具有較小尺寸和大表面積的顆粒。在某些實(shí)例中，導(dǎo)電材料可包括一種或多種碳材料。碳材料的非限制性實(shí)例包括活性碳顆粒、多孔碳顆粒、碳纖維、碳?xì)饽z、多孔中間碳微珠或其組合。在其他實(shí)例中，導(dǎo)電材料可包括導(dǎo)電復(fù)合物，諸如錳或鐵的氧化物或兩者， 或鈦、鋯、釩、鎢的碳化物，或其組合。在某些實(shí)施方案中，通過使用一種或多種沉積技術(shù)，諸如濺射、噴霧、旋涂、壓延或印刷，可將電極13和14的導(dǎo)電材料沉積在集流體11和12上。另外，間隔物16可包含任何離子可滲透的非導(dǎo)電材料，包括膜、多孔和非多孔材料，以分隔第一電極13和雙極性電極15，以及分隔第二電極14和雙極性電極15。在非限制性實(shí)例中，間隔物16可具有空間或它們本身為這種空間，以在第一電極13和雙極性電極 15之間以及在第二電極14和雙極性電極15之間形成脫鹽液體通過的流動通道。在某些應(yīng)用中，如圖1所描繪的，第一和第二集流體11和12可分別與電源(未顯示)的正極和負(fù)極端子連接。由于第一和第二電極13和14與第一和第二集流體11和12 接觸，第一和第二電極13和14可分別起陽極和陰極作用。因此，雙極性電極15與第一電極13相鄰的一面17可起陰極作用，雙極性電極15與一面17相反且與第二電極14相鄰的另一面18可起陽極作用。在某些實(shí)例中，雙極性電極15可導(dǎo)電并防止離子滲透。另外，在某些排列中，可采用液體源(未顯示)提供通過S⑶裝置10脫鹽的輸入液體(如圖1中的箭頭19所示)。因此，在充電狀態(tài)期間，當(dāng)來自于液體源的具有荷電物質(zhì)的輸入液體19(諸如氯化鈉溶液)通過第一電極13和雙極性電極15之間以及第二電極 14和雙極性電極15之間時，陽離子向雙極性電極15的面17和陰極14移動，陰離子向陽極 13和雙極性電極15的面17移動。作為SCD裝置10內(nèi)部電荷積累的結(jié)果，輸出流(如圖1 中的箭頭100所示)，其為從SCD裝置10出來的稀釋液體，荷電物質(zhì)濃度低于輸入液體。在某些實(shí)施方案中，稀釋液體也可進(jìn)料通過另一 SCD裝置而再次經(jīng)受去離子化。在放電狀態(tài)期間，吸附的離子從第一和第二電極13和14以及雙極性電極15的表面分離。在某些應(yīng)用中，在該狀態(tài)下，第一和第二電極13和14的極性可被反轉(zhuǎn)，使得在充電狀態(tài)吸附的離子向反轉(zhuǎn)的極移動，結(jié)果是，輸出流的荷電物質(zhì)濃度可比輸入液體高。在其他應(yīng)用中，在放電狀態(tài)中荷電物質(zhì)中的陰離子和陽離子可被吸附到相應(yīng)電極，且在雙極性電極15的充電狀態(tài)中從相應(yīng)電極分離。應(yīng)注意圖1的例示性排列僅是說明性的。在某些應(yīng)用中，第一和第二電極13和14 可分別起陰極和陽極作用。因此，雙極性電極15與第一電極13相鄰的面17可起陽極作用， 雙極性電極15與面17相反且與第二電極14相鄰的另一面18可起陰極作用。圖2是本發(fā)明的一個實(shí)施方案的雙極性電極15的示意圖。對于該實(shí)例實(shí)施方案， 雙極性電極15包含中間層20，和布置在中間層20的對立表面(未標(biāo)出)的第一和第二層 21 禾口 22。在某些實(shí)施方案中，中間層20可為電子傳導(dǎo)性和離子非傳導(dǎo)性的。在某些實(shí)例中，中間層20可包含一種或多種碳材料，諸如炭黑和石墨。在其他實(shí)例中，中間層20可進(jìn)一步包含聚合物，諸如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚偏二氯乙烯(PVC)及其組合，以散布有該一種或多種碳材料。在某些應(yīng)用中，中間層20可為膜形式。應(yīng)注意術(shù)語〃膜〃可與〃層〃、〃片〃、“ 板"、或"薄片"的含義相似，且可能不表示材料的特別的厚度。在非限制性實(shí)例中，中間層20可包含石墨膜。在某些實(shí)例應(yīng)用中，中間層20可包含以商品名3M 1704由Mint Paul, Minnesota的3M出售的導(dǎo)電膜?；蛘?，中間層20可包含以商品名htelicoat 2252 由 South Hadley, Massachusetts 的 Intelicoat 出售的膜。在某些實(shí)施方案中，第一和第二層21和22可分別充當(dāng)負(fù)電層和正電層，由此起陽極和陰極作用?；蛘撸谝缓偷诙?1和22可分別充當(dāng)正電層和負(fù)電層，由此起陰極和陽極作用。第一和第二層21和22可包含相同或不同的材料。在非限制性實(shí)例中，第一和第二層可包含導(dǎo)電材料，該導(dǎo)電材料包括一種或多種碳材料和一種或多種導(dǎo)電聚合物中的至少一種。一種或多種碳材料可包含活性碳顆粒、多孔碳顆粒、碳纖維、碳?xì)饽z、多孔中間碳微珠或其組合。一種或多種導(dǎo)電聚合物可包含聚苯胺、聚吡咯及其組合。在某些實(shí)例中，第一和第二層21和22可進(jìn)一步包含其他材料，諸如添加劑，包括但不限于聚四氟乙烯(PTFE)。在某些實(shí)例中，雙極性電極15可進(jìn)一步包含布置在第一層21和中間層20之間以及第二層22和中間層20之間的一對粘合層(未顯示)，以將第一和第二層穩(wěn)定地附著在中間層20上?；蛘?，可不提供粘合層。在某些實(shí)施方案中，粘合層可包含石墨基聚合物膜、炭黑基聚合物膜、導(dǎo)電石墨粘合劑和炭黑粘合劑中的至少一種?？刹捎靡环N或多種沉積技術(shù)， 諸如濺射、噴霧或旋涂，將粘合層布置在中間層20的兩個對立表面上(未標(biāo)出)。對于某些排列，可提供一對增強(qiáng)層23以增強(qiáng)雙極性電極15的機(jī)械性能。增強(qiáng)層 23可布置在第一和第二層21和22上和/或內(nèi)。在非限制性實(shí)例中，增強(qiáng)層23可包含一種或多種聚合物，包括聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚偏二氯乙烯(PVC)及其組合。PET層可為網(wǎng)狀構(gòu)造或其他形狀。在某些應(yīng)用中，也可在第一和第二電極13和14中采用PET層。在某些應(yīng)用中，S⑶裝置10可進(jìn)一步包含一種或多種離子選擇性材料(未顯示)， 諸如附著于和/或延伸進(jìn)入相應(yīng)電極13、14和15的陽離子和陰離子選擇性材料，以促進(jìn)離子的傳輸。在非限制性實(shí)例中，陽離子選擇性材料可包含胺基團(tuán)、吡啶鐺基團(tuán)或其組合。在某些實(shí)例中，胺基團(tuán)可包含伯胺、仲胺、叔胺和/或季胺。陰離子選擇性材料可包含磺酸基團(tuán)、羧酸基團(tuán)、磷酸根基團(tuán)或其組合。圖3是示意性說明本發(fā)明的一個實(shí)施方案的雙極性電極15的制備的流程圖。如圖 2所說明的，在步驟30中，提供并攪拌第一溶劑與一種或多種碳材料和一種或多種導(dǎo)電聚合物中至少一種的混合物，由此形成碳顆粒在第一溶劑中的分散體。在某些應(yīng)用中，溶劑可包含去離子水、乙醇或任何其他合適的溶劑。在步驟31中，將包括但不限于未原纖化PTFE 乳液的至少一種粘合劑加入以上混合物中并混合以提供產(chǎn)物混合物，直至至少部分PTFE 已原纖化。隨后混合并干燥產(chǎn)物混合物。在步驟32中，將產(chǎn)物混合物加入第二溶劑中以形成混合糊狀物。隨后混合糊狀物被處理，諸如干燥和壓延，以形成壓延片。在某些實(shí)例中，步驟31中干燥混合的產(chǎn)物混合物的過程可能不采用，由此步驟32中的混合糊狀物可由產(chǎn)物混合物直接形成。在步驟33中， 壓延片被成型為具有期望尺寸和形狀的多個電極片，且電極片被壓在電子傳導(dǎo)性膜的兩個對立表面上以形成雙極性電極15。在某些實(shí)例中，在步驟31中，氣相生長碳纖維(VGCF)和/或?qū)щ娞亢诳杉尤胩疾牧虾偷谝蝗軇┑幕旌衔镏?，以提高所形成的雙極性電極15的導(dǎo)電性?；蛘?，可不使用 VGCF和炭黑。在一個非限制性實(shí)例中，導(dǎo)電炭黑可包含商標(biāo)為SUPER P由瑞士的Timcal Graphite & Carbon 出售的炭黑。在步驟32中，一種或多種造孔劑諸如氯化鈉粉末可與干燥的產(chǎn)物混合物混合，且隨后將第二溶劑加入氯化鈉造孔劑和干燥的產(chǎn)物混合物的混合物中形成混合糊狀物，由此提高形成的雙極性電極15的孔隙度。在某些實(shí)例中，可不將氯化鈉造孔劑加入產(chǎn)物混合物中，且第一溶劑可與第二溶劑相同或不同。在非限制性實(shí)例中，在步驟33中，粘合層和/或離子選擇性元素可與電極片一起提供，以形成雙極性電極15。在某些實(shí)例中，造孔劑可包含其他材料，諸如氯化銨、氯化鉀、氯化鈣、碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸鈣、碳酸銨、酸式碳酸銨、氧化鈦、氧化鋅或其組合。另外，在某些應(yīng)用中，電極片也可分別布置在集流體11和12上以形成第一和第二電極13和14?，F(xiàn)描述一個制備雙極性電極15的非限制性實(shí)例。實(shí)施例1將800g活性碳顆粒、16gVGCF、40g SUPER P導(dǎo)電炭黑和3500ml去離子水混合并攪拌約15分鐘，以致形成活性碳顆粒在去離子水中的分散體。將53g 60% (w/w)的PTFE膠乳加入60ml去離子水中稀釋，以形成未原纖化的PTFE乳液，且隨后將未原纖化的PTFE乳液加入以上混合物并一起攪拌約4小時以形成產(chǎn)物混合物，直至至少部分PTFE已原纖化。隨后，將產(chǎn)物混合物在約100-130°C的溫度干燥約多于48小時。然后，為了簡單的制備，稱量約200g產(chǎn)物混合物并與60g氯化鈉粉末和1升乙醇混合約5分鐘以形成液體混合物。液體混合物在約60°C的溫度干燥，以致形成重約650g的混合糊狀物。隨后，壓延混合糊狀物以形成壓延片。對于壓延，使用兩輥壓延機(jī)(未顯示)。兩輥間的距離設(shè)置為約4mm，使混合糊狀物通過這些輥以形成薄片，且隨后將薄片折疊并再插入壓延機(jī)中約3-5次。那之后，在某些應(yīng)用中，兩輥間的距離可依次設(shè)置為約3. 5mm,3. 0mm、 2. 5mm,2. 0mm、l. 5mm、l. Omm和0. 75mm以壓延薄片，由此形成壓延片。隨后，將壓延片成型為具有期望尺寸和形狀的多個電極片，且電極片在約40°C的溫度干燥約半個小時。在某些應(yīng)用中，可不干燥電極片。那之后，將電極片浸入去離子水中約3小時以從電極片溶解和去除氯化鈉。隨后，將電極片放入溫度約45°C的通風(fēng)烘箱(未顯示)中約3小時以去除水。最后，中間導(dǎo)電膜、電極片和PET層在約15Mpa的壓力下一起壓制約40秒以形成雙極性電極15，如圖2所示。在非限制性實(shí)例中，電極片可重約25-30g，且厚度為約0. 8mm。 雙極性電極15可重約55-60g，且厚度為約1. 6mm。在某些實(shí)例中，粘合層和/或離子選擇性材料也壓制在雙極性電極15內(nèi)。另外， 對于某些排列，電極片可以約15Mpa的壓力壓在Ti網(wǎng)上約40秒以形成第一和第二電極13 和14?；蛘?，第一和第二電極13和14也可由除制備的電極片之外的其他材料形成。應(yīng)注意描繪的實(shí)施例僅是說明性的。描繪的實(shí)施例中步驟的順序可為可變的，例如，氯化鈉的去除可在將壓延片成型為多個電極片之前。另外，一些步驟，包括但不限于加入和去除氯化鈉的步驟，可能不是嚴(yán)格地需要的。因此，如圖1所描繪的，S⑶裝置10的實(shí)例組裝方法包含提供第一和第二電極11 和12，提供第一和第二集流體13和14以與相應(yīng)的電極11和12接觸，將雙極性電極15布置在第一和第二電極11和12之間，和將間隔物16布置在兩個相鄰的電極之間。在非限制性實(shí)例中，實(shí)例方法步驟的順序可為可變的，且方法可進(jìn)一步包含其他步驟，例如將PET層壓在第一和第二電極11和12上。對于某些排列，S⑶裝置10可包含多于一個雙極性電極15，可為用于相對大量液體脫鹽的堆疊形式。圖4是堆疊SCD裝置10的示意圖。圖1和4中相同的數(shù)字可表示相似元素。對于圖解的排列，S⑶裝置包含第一集流體11、第二集流體12、附著在集流體11上的第一電極13、附著在集流體12上的第二電極14、布置在第一和第二電極13和14之間的多個雙極性電極15，和布置在各相鄰電極對之間的多個間隔物16。在某些實(shí)例應(yīng)用中，S⑶裝置10可用作能量儲存的超級電容器。圖5是本發(fā)明的一個實(shí)施方案的超級電容器40的示意圖。圖1、4和5中的相同數(shù)字可表示同類相似元素。 如圖5所描繪的，該圖解的排列與圖1中的排列相似。圖1和5中的兩個排列的不同之處在于電解質(zhì)41 (諸如氯化鈉)封入結(jié)構(gòu)中以致形成用于能量儲存的超級電容器30。對于圖5說明的實(shí)施方案，第一和第二集流體11和12可與電源(未顯示)連接以對超級電容器30充電。在放電期間，由于吸附的離子從超級電容器30的相應(yīng)電極13、14 和15的表面分離所產(chǎn)生的釋出能量可用于驅(qū)動電氣裝置(未顯示)諸如電燈泡，或通過能量回收裝置(未顯示)諸如雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器回收。另外，在其他實(shí)例中，超級電容器30 可包含多個雙極性電極15和多個間隔物16，與圖4描繪的結(jié)構(gòu)相似。雖然本公開已在典型的實(shí)施方案中說明和描述，由于可作出各種變體和替代而不以任何方式脫離本公開的精神，因此其不意欲限制于所顯示的細(xì)節(jié)。同樣，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可使用不超過常規(guī)的實(shí)驗(yàn)想到本文公開的公開內(nèi)容的其他變體和等價物，認(rèn)為所有這樣的變體和等價物在所附權(quán)利要求定義的公開內(nèi)容的精神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種雙極性電極，其包含含有一種或多種碳材料的中間層；和第一層和第二層，它們布置在所述中間層的對立表面上并被設(shè)置起陽極和陰極作用， 其中所述第一和第二層包含一種或多種導(dǎo)電碳材料和一種或多種導(dǎo)電聚合物中的至少一種。
2.權(quán)利要求1所述的雙極性電極，其進(jìn)一步包含布置在所述第一層上的一種或多種陽離子選擇性材料和布置在所述第二層上的一種或多種陰離子選擇性材料。
3.權(quán)利要求2所述的雙極性電極，其中所述一種或多種陰離子選擇性材料選自胺基團(tuán)、吡啶鐺基團(tuán)及其組合，其中所述胺基團(tuán)包含伯胺、仲胺、叔胺和季胺中的一種或多種，且其中所述一種或多種陰離子選擇性材料選自磺酸基團(tuán)、羧酸基團(tuán)、磷酸根基團(tuán)及其組合。
4.權(quán)利要求1所述的雙極性電極，其中所述中間層是電子傳導(dǎo)性和離子非傳導(dǎo)性的， 其中形成中間層的碳材料包含炭黑和石墨中的一種或多種。
5.權(quán)利要求1所述的雙極性電極，其中所述中間層進(jìn)一步包含選自聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氯乙烯及其組合的聚合物。
6.權(quán)利要求1所述的雙極性電極，其中所述第一層和所述第二層包含相同的一種或多種導(dǎo)電碳材料。
7.權(quán)利要求1所述的雙極性電極，其中形成所述第一和第二層的所述一種或多種導(dǎo)電碳材料選自活性碳顆粒、多孔碳顆粒、碳纖維、碳?xì)饽z、多孔中間碳微珠、碳納米管、碳籠及其組合，其中一種或多種導(dǎo)電聚合物選自聚苯胺、聚吡咯及其組合。
8.權(quán)利要求7所述的雙極性電極，其中形成所述第一和第二層的所述一種或多種導(dǎo)電碳材料包含活性碳顆粒，其中所述第一和第二層進(jìn)一步包含聚四氟乙烯。
9.權(quán)利要求1所述的雙極性電極，其進(jìn)一步包含布置在所述第一和第二層中的至少一個上的一個或多個增強(qiáng)層，其中所述一個或多個增強(qiáng)層選自聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、 聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚偏二氯乙烯(PVC)及其組合。
10.權(quán)利要求1所述的雙極性電極，其進(jìn)一步包含分別布置在所述第一層和所述中間層之間以及在所述第二層和所述中間層之間的多個粘合層，其中所述粘合層包含石墨基聚合物膜、炭黑基聚合物膜、導(dǎo)電石墨粘合劑和炭黑粘合劑中的至少一種。
11.超級電容器脫鹽裝置，其包含第一電極；第二電極；布置在所述第一和第二電極之間的一個或多個雙極性電極；布置在每一對相鄰電極之間的一個或多個電子絕緣和離子傳導(dǎo)性間隔物；被設(shè)置與所述第一電極接觸的第一集流體；和被設(shè)置與所述第二電極接觸的第二集流體。
12.權(quán)利要求11所述的超級電容器脫鹽裝置，其中所述第一電極、所述第二電極和所述雙極性電極中的每一個被設(shè)置為在充電狀態(tài)吸附離子和在放電狀態(tài)解吸附離子。
13.權(quán)利要求11所述的超級電容器脫鹽裝置，其中所述第一電極、所述第二電極和所述雙極性電極中的每一個被設(shè)置為在放電狀態(tài)吸附離子和在充電狀態(tài)解吸附離子。
14.權(quán)利要求11所述的超級電容器脫鹽裝置，其中所述雙極性電極包含含有一種或多種碳材料的中間層和布置在所述中間層的兩個對立表面上并被設(shè)置起電極作用的第一層和第二層，其中所述第一和第二層包含一種或多種導(dǎo)電碳材料和一種或多種導(dǎo)電聚合物中的至少一種。
15.權(quán)利要求14所述的超級電容器脫鹽裝置，其中所述一種或多種導(dǎo)電碳材料選自活性碳顆粒、多孔碳顆粒、碳纖維、碳?xì)饽z、碳納米管、碳籠、多孔中間碳微珠及其組合，其中所述一種或多種導(dǎo)電聚合物選自聚苯胺、聚吡咯及其組合。
16.權(quán)利要求14所述的超級電容器脫鹽裝置，其中所述第一和第二層進(jìn)一步包含聚四氟乙烯。
17.權(quán)利要求14所述的超級電容器脫鹽裝置，其中所述雙極性電極進(jìn)一步包含布置在所述第一和第二層中的至少一個上的一個或多個增強(qiáng)層，其中所述一個或多個增強(qiáng)層選自聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚偏二氯乙烯(PVC)及其組合。
18.權(quán)利要求14所述的超級電容器脫鹽裝置，其中所述雙極性電極進(jìn)一步包含分別布置在所述第一層和所述中間層之間以及在所述第二層和所述中間層之間的多個粘合層，其中所述粘合層包含碳基聚合物膜和導(dǎo)電碳粘合劑中的至少一種。
19.權(quán)利要求14所述的超級電容器脫鹽裝置，其中所述第一和第二電極包含與所述第一和第二層相同的導(dǎo)電材料。
20.權(quán)利要求14所述的超級電容器脫鹽裝置，其進(jìn)一步包含布置在所述第一層上的一種或多種陽離子選擇性材料以及布置在所述第二層上的一種或多種陰離子選擇性材料。
21.權(quán)利要求20所述的超級電容器脫鹽裝置，其中所述一種或多種陰離子選擇性材料選自胺基團(tuán)、吡啶鐺基團(tuán)及其組合，其中所述胺基團(tuán)包含伯胺、仲胺、叔胺和季胺中的一種或多種，且其中所述一種或多種陰離子選擇性材料選自磺酸基團(tuán)、羧酸基團(tuán)、磷酸根基團(tuán)及其組合。
22.制造功能性電極的方法，所述方法包含提供并攪拌包含一種或多種碳材料和一種或多種導(dǎo)電聚合物中的至少一種與溶劑的混合物，以形成所述一種或多種碳材料和一種或多種導(dǎo)電聚合物中的至少一種在所述溶劑中的分散體；將至少一種粘合劑加入所述分散體中以提供產(chǎn)物混合物并攪拌所述產(chǎn)物混合物；處理所述產(chǎn)物混合物以形成多個電極片；和將所述電極片附著在中間層的對立表面上。
23.權(quán)利要求22所述的方法，其中所述功能性電極包含雙極性電極，其中所述粘合劑包含未原纖化的聚四氟乙烯。
24.權(quán)利要求22所述的方法，其中所述混合物進(jìn)一步包含碳纖維、導(dǎo)電炭黑和碳納米管中的一種或多種。
25.權(quán)利要求22所述的方法，其中所述溶劑包含水、乙醇及其組合。
26.權(quán)利要求22所述的方法，其中處理所述產(chǎn)物混合物包含將粒徑不同的一種或多種造孔劑和所述產(chǎn)物混合物與另一溶劑混合以形成混合糊狀物，和處理所述混合糊狀物以形成所述電極片。
27.權(quán)利要求沈所述的方法，其中所述一種或多種造孔劑選自氯化鈉、氯化銨、氯化鉀、氯化鈣、碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸鈣、碳酸銨、酸式碳酸銨、氧化鈦、氧化鋅及其組合。
28.權(quán)利要求沈所述的方法，其中處理所述混合糊狀物包含壓延所述混合糊狀物以形成壓延片、將所述壓延片浸入去離子水中以去除所述一種或多種造孔劑、在去除所述一種或多種造孔劑后干燥所述壓延片，和在干燥后將所述壓延片成型為電極片。
29.權(quán)利要求22所述的方法，其進(jìn)一步包含將布置在至少一個電極片上的一個或多個增強(qiáng)層附著，其中所述一個或多個增強(qiáng)層選自聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)、 聚丙烯(PP)、聚偏二氯乙烯(PVC)及其組合。
30.權(quán)利要求22所述的方法，其進(jìn)一步包含將一種或多種陰離子選擇性材料和一種或多種陽離子選擇性材料布置在相應(yīng)電極片上。
31.權(quán)利要求30所述的方法，其中所述一種或多種陰離子選擇性材料選自胺基團(tuán)、吡啶鐺基團(tuán)及其組合，其中所述胺基團(tuán)包含伯胺、仲胺、叔胺和季胺中的一種或多種，且其中所述一種或多種陰離子選擇性材料選自磺酸基團(tuán)、羧酸基團(tuán)、磷酸根基團(tuán)及其組合。
32.權(quán)利要求22所述的方法，其中所述一種或多種碳材料選自活性碳顆粒、碳?xì)饽z、 碳納米管、碳籠、碳纖維、多孔碳顆粒、多孔中間碳微珠及其組合，其中所述一種或多種導(dǎo)電聚合物選自聚苯胺、聚吡咯及其組合。
33.權(quán)利要求22所述的方法，其中所述中間層包含炭黑、石墨和聚合物中的一種或多種，且其中所述聚合物選自聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氯乙烯及其組I=I ο
全文摘要
一種雙極性電極，其包含含有一種或多種碳材料的中間層。雙極性電極進(jìn)一步包含布置在中間層對立表面上的第一和第二層，它們被設(shè)置起陽極和陰極作用。第一和第二層包含一種或多種導(dǎo)電碳材料和一種或多種導(dǎo)電聚合物中的至少一種。還提出了超級電容器脫鹽裝置和用于制備該雙極性電極的方法。
文檔編號C02F1/461GK102574708SQ201080045013
公開日2012年7月11日 申請日期2010年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月29日
發(fā)明者劉建允, 劉輝, 喻獻(xiàn)國, 楊海, 蔡巍, 鄧志剛, 鄭立平, 陳林 申請人:通用電氣公司