專利名稱：包括具有導(dǎo)電涂層的集電器的電化學(xué)導(dǎo)電制品及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可用于例如電化學(xué)電容器或電化學(xué)電池的儲(chǔ)能裝置的電化學(xué)導(dǎo)電制
品O
背景技術(shù)：
由于擔(dān)心可用的化石燃料日益減少，對(duì)于使用自然能源例如風(fēng)能和太陽(yáng)能以滿足未來(lái)能源需求的關(guān)注日益增加。這些能源中的一些不能連續(xù)產(chǎn)生能量。例如，風(fēng)不能一直吹并且太陽(yáng)也不能一直照耀。因此，對(duì)儲(chǔ)能裝置和系統(tǒng)的需求日益增加，以允許在不產(chǎn)生能量的間歇期使用從這些自然能源收集的能量。例如鋰離子電化學(xué)電池的電化學(xué)電池和被稱為“超級(jí)電容器”的電化學(xué)電容器作為潛在的儲(chǔ)能裝置在前沿領(lǐng)域中備受關(guān)注。然而，需要顯著提高這些儲(chǔ)能裝置的性能以滿足從便攜式電子器件到混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和大型工業(yè)設(shè)備的未來(lái)電子系統(tǒng)的更高需求。鋰離子電化學(xué)電池盡管昂貴但可以提供高能量密度。然而，鋰離子電池輸出功率相對(duì)較慢且再充電緩慢。最近，開發(fā)可在數(shù)秒內(nèi)完全充電或放電但能量密度比鋰離子電池低的電化學(xué)電容器一直受到關(guān)注?！る娀瘜W(xué)電容器可能在儲(chǔ)能領(lǐng)域的某些應(yīng)用中在補(bǔ)充或替換鋰離子電化學(xué)電池上扮演著重要角色，所述應(yīng)用諸如不間斷供電、用于防止電力中斷的備用電源和負(fù)荷調(diào)平。鋰離子電化學(xué)電池和電化學(xué)電容器均包括具有集電器的電極。鋰離子電化學(xué)電池的電極通常包括金屬箔，例如鋁或銅箔。電化學(xué)活性的復(fù)合材料然后被設(shè)置在箔上以形成電極。然后高表面積或孔隙度的復(fù)合材料允許鋰離子遷移到大部分活性材料中，從而為儲(chǔ)能提供大容量。電化學(xué)電容器通過利用高表面積集電器(例如蝕刻鋁)獲得其高容量。通常，可用于電化學(xué)電容器的常規(guī)電極可通過將集電器氣相沉積或粘合到活性炭上而制得。為了將用于電化學(xué)電容器的電極制造得更小和更輕，美國(guó)專利N0.7，046，503 (Hinoki等人)公開了通過涂覆操作在集電器上形成含有導(dǎo)電粒子和粘結(jié)劑的底漆層，并且隨后通過涂覆操作在底漆層上形成含有碳材料和粘結(jié)劑的電極層。用于包括導(dǎo)電金屬條的鋰聚合物或鋰離子電化學(xué)電池的集電器(所述導(dǎo)電金屬條又具有加強(qiáng)與集電器的電接觸的導(dǎo)電涂層)已在例如美國(guó)專利申請(qǐng)公布N0.2010/0055569 (Divigalpitiya等人)中進(jìn)行了公開。本發(fā)明所公開的集電器包括基本上均勻的納米級(jí)碳涂層，該涂層具有小于約200納米的最大厚度。

發(fā)明內(nèi)容
需要用于(例如)鋰離子電化學(xué)電池或電化學(xué)電容器中的具有高導(dǎo)電性和高表面積的導(dǎo)電制品，例如導(dǎo)電電極。還需要簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)地制備此類導(dǎo)電制品的方法。最后，還需要能夠用于儲(chǔ)能系統(tǒng)中以提供高能量容量和高功率輸出率的導(dǎo)電制品。在一個(gè)方面，提供了包括集電器和與集電器接觸的碳涂層的導(dǎo)電制品，其中碳涂層不含粘結(jié)劑，并且其中集電器包含多孔金屬。多孔金屬可包括鋁，并且鋁可被蝕刻。碳涂層可包括石墨，并且電化學(xué)導(dǎo)電制品可包括可為電化學(xué)雙電層電容器的電化學(xué)電容器。在另一方面，提供了包括集電器和基本上由碳組成的與集電器接觸的涂層的導(dǎo)電制品，其中集電器包括多孔鋁。碳可為石墨，并且電化學(xué)導(dǎo)電制品可包括可為電化學(xué)雙電層電容器的電化學(xué)電容器。在又一個(gè)方面，提供了制備電極的方法，包括:提供具有第一表面和第二表面的多孔金屬箔、向多孔金屬箔的第一表面施加碳粉，以及用振蕩墊拋光多孔金屬箔的第一表面。多孔金屬可包括蝕刻的鋁，并且碳粉可包括石墨。碳粉可通過如下方式施加:將粉末撒在多孔金屬的第一表面上，拋光第一表面，拋光方式在一個(gè)實(shí)施例中為用手來(lái)回移動(dòng)振蕩墊，或在另一個(gè)實(shí)施例中為使用電動(dòng)工具。提供的方法還包括將碳粉施加到多孔金屬薄膜的第二表面，并且用振蕩墊拋光多孔金屬箔的第二表面。在本發(fā)明中:“活性”或“電化學(xué)活性”是指鋰可以通過電化學(xué)方式可逆地插入其中和從中移除的材料。提供的導(dǎo)電制品及其制備方法·可提供可用于鋰離子電化學(xué)電池或電化學(xué)電容器的具有高導(dǎo)電性和高表面積的導(dǎo)電電極。提供的方法簡(jiǎn)單易行、僅需要低成本的設(shè)備(例如打磨墊和石墨粉)，且經(jīng)濟(jì)合算。提供的導(dǎo)電制品能夠用于儲(chǔ)能系統(tǒng)中以提供高能量容量和高功率輸出率。以上內(nèi)容并非意圖描述本發(fā)明每種實(shí)施方式的每一個(gè)公開實(shí)施例。


和隨后的具體實(shí)施方式
更具體地對(duì)示例性實(shí)施例進(jìn)行了舉例說(shuō)明。

圖1為商用超級(jí)電容器的示意圖。圖2為可用于所提供方法的幅材涂覆線的平面圖。圖3為圖2中所示幅材涂覆線的側(cè)視圖。圖4a為蝕刻的鋁集電器的俯視圖，而圖4b為其掠射角視圖。圖5a為由提供的方法制備的所提供電化學(xué)導(dǎo)電制品的俯視圖，而圖5b為其掠射角視圖。
具體實(shí)施例方式在以下說(shuō)明中，參考形成本說(shuō)明的一部分的附圖，并且其中以圖示方式示出了若干具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的范圍或精神的前提下，可以設(shè)想出其他實(shí)施例并進(jìn)行實(shí)施。因此，以下的具體實(shí)施方式
不具有限制性意義。除非另外指明，否則在所有情況下，本說(shuō)明書和權(quán)利要求書中用來(lái)表述特征尺寸、數(shù)量和物理性能的所有數(shù)字均應(yīng)理解為由術(shù)語(yǔ)“約”來(lái)修飾。因此，除非有相反的指示，否則上述說(shuō)明書和所附權(quán)利要求書中提出的數(shù)值參數(shù)均為近似值，并且根據(jù)本領(lǐng)域的技術(shù)人員利用本文所公開的教導(dǎo)內(nèi)容獲得的所需特性，這些近似值可有所不同。通過端值表示的數(shù)值范圍包括該范圍內(nèi)的所有數(shù)字(如，I到5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)以及該范圍內(nèi)的任何范圍。
鋰離子電化學(xué)電池越來(lái)越多地用于為例如電動(dòng)工具、手機(jī)、個(gè)人顯示設(shè)備、攝錄機(jī)、玩具和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的電子設(shè)備提供電力。雖然鋰電化學(xué)電池可以具有用于儲(chǔ)能的高容量，但由于需要鋰離子擴(kuò)散進(jìn)入電化學(xué)活性材料并從中擴(kuò)散出來(lái)，所以它們的放電和再充電往往較慢。典型的電化學(xué)活性材料可包括用于陰極的混合金屬氧化物以及用于陽(yáng)極的石墨碳或硅或錫的合金。電化學(xué)電容器(也稱為超級(jí)電容器)還能夠存儲(chǔ)能量。電化學(xué)電容器的能量密度比鋰離子電化學(xué)電池低，但是其能夠非?？焖俚爻潆姾头烹?。這些設(shè)備已顯示出可用于需要不間斷電源的情況或可用于負(fù)荷調(diào)平。電化學(xué)電容器可通過離子吸收起作用。這些電化學(xué)電容器被稱為電化學(xué)雙電層電容器(EDLC)。還有另一類以快速的表面氧化還原反應(yīng)著稱的電化學(xué)電容器。這些電化學(xué)電容器被稱為擬電容器。電化學(xué)電容器以及其中所用材料的綜述可在(例如)P.Simon and Y.Gogotsi,Nature Materials, 7,845-854 (2008) (P.Simon和Y.Gogotsi,《自然材料》·第7卷第845-854頁(yè)，2008年)的綜述中找到。電化學(xué)雙電層電容器或EDLC利用電解質(zhì)離子可逆吸收到活性材料上來(lái)以靜電方式儲(chǔ)存電荷，所述活性材料是電化學(xué)穩(wěn)定的并具有高的可觸及比表面積。在EDLC中，電荷分離在形成雙電層電容器的電極-電解質(zhì)界面處發(fā)生極化時(shí)出現(xiàn)。電容器遵循Helmholtz公式:C = ε r ε oA/d公式(I)其中ε ^為電解質(zhì)的介電常數(shù)，ε。為真空的介電常數(shù)，d為雙電層的有效厚度(電荷分離距離)，并且A為電極表面積。電容C的量與電極表面積成正比，并與電荷分離距離成反比。在EDLC中，由于離子靠近電極表面聚積而形成電解質(zhì)中的擴(kuò)散層。因此，分離的電荷之間的距離d可近似于擴(kuò)散層的尺寸，這是因?yàn)閿U(kuò)散層可位于非?？拷姌O表面的位置處。因而，在EDLC中，距離d可能非常小，即僅為納米級(jí)。在電解質(zhì)中存儲(chǔ)能量的電場(chǎng)由電荷分離產(chǎn)生。EDLC可以存儲(chǔ)的能量的量與電容直接相關(guān)。電極的表面積A越高，可存儲(chǔ)在EDLC中的能量就越多。通過在EDLC中加入雙電層以達(dá)到高電容的關(guān)鍵是通過使用高比表面積的導(dǎo)電電極材料。鑒于此，典型的電化學(xué)電容器使用碳，或更具體地講石墨碳。石墨碳具有高的導(dǎo)電性、電化學(xué)穩(wěn)定性和開孔率。通常，活性碳和碳化物合成碳、碳纖維織物、纖維、納米管和其他形式的碳由于具有高比表面積且成本低而用于EDLC。超級(jí)電容器(也稱為超級(jí)電容)或電化學(xué)電容器(EC)或雙電層電容器(EDLC)通過在兩層涂覆有高表面積碳的導(dǎo)電箔之間夾入隔板、離子導(dǎo)電膜來(lái)制備。將該夾層結(jié)構(gòu)充滿電解質(zhì)，所述電解質(zhì)通常為有機(jī)電解質(zhì)，諸如乙腈和類似四乙基四氟硼酸銨(TEA BF4)的離子導(dǎo)體的混合物。在高表面積的碳上形成的雙電層提供高電容。導(dǎo)電金屬箔用于將電容器連接在一起并將電荷轉(zhuǎn)移到外界。集電器、活性材料(高表面積碳)和電解質(zhì)通過離子和電子電連接，并且每個(gè)界面處的阻抗均必須減小到最低限度以有效地轉(zhuǎn)移電荷(功率)。在阻抗方面最弱的界面之一位于集電器箔和活性材料之間。提供包括集電器和與集電器接觸的碳涂層的導(dǎo)電制品。碳涂層不含粘結(jié)劑并且集電器包括多孔金屬。如在上述公式⑴中所表示，導(dǎo)電制品(例如電化學(xué)電容器)的電容與集電器(稱為電容板)的表面積成正比。集電器(例如金屬箔)的表面積可通過蝕刻顯著增大。通常金屬箔可以為銅、鎳、不銹鋼或鋁。鋁通常用于電化學(xué)電容器中。鋁在用作集電器之前已進(jìn)行了蝕刻，以便移除可能由其表面上的原始氧化物層引起的絕緣高界面阻抗。例如，美國(guó)專利N0.5，591，544 (Fanteux等人)教導(dǎo)了蝕刻鋁集電器的方法:采用例如鹽酸和氯化銅的蝕刻劑移除原始氧化物層，然后用底漆在集電器的經(jīng)蝕刻表面上涂底漆(底漆可包含碳和過渡金屬氧化物)以使表面鈍化并在集電器表面上提供親水性表面?？捎糜陔娀瘜W(xué)電容器的蝕刻鋁箔可從(例如)美國(guó)馬薩諸塞州波士頓的日立化成美國(guó)有限公司(Hitachi Chemical C0.,America, Ltd.(Boston,ΜΑ.))商購(gòu)獲得或從日本東京的日本蓄電器工業(yè)公司 JCC 集團(tuán)(JCC group of Japan Capacitor Industrial C0., Ltd.(Tokyo,Japan))以商品名30CB商購(gòu)獲得。蝕刻鋁具有納米多孔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的孔的平均尺寸小于約100納米、小于約50納米，或甚至小于約10納米。提供的導(dǎo)電制品還具有與集電器接觸的碳涂層。該碳涂層不含粘結(jié)劑。該碳涂層可以包含碳和附加組分。碳可以是任何形式或者類型的碳?？捎糜谒峁┑碾姌O的示例性的碳包括導(dǎo)電性碳，例如石墨、炭黑、燈黑或者其他本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的導(dǎo)電性碳材料。通常，使用可剝落碳粒(即，·在施加剪切力后破裂為薄片、鱗片、薄板或?qū)拥哪切??？捎玫目蓜兟涮剂５囊粋€(gè)例子是HSAG300,其可得自瑞士博迪奧的特密高石墨和碳公司(TimcalGraphite and Carbon (Bodio, Switzerland))。其他可用的材料包括(但不限于)SUPER P和ENSACO (特密高公司(Timcal))。碳涂層可以作為干燥組合物(基本上沒有溶劑存在)施用。將碳涂層作為干燥組合物施用的示例性方法可存在于(例如)美國(guó)專利N0.6，511，701 (Divigalpitiya等人)中。該方法(其隨后被更詳細(xì)地描述)可以在蝕刻的金屬基板上提供非常薄的納米級(jí)碳涂層。出人意料地，當(dāng)將碳涂層作為干燥組合物施加到具有納米級(jí)孔隙性的蝕刻的金屬基板(例如蝕刻鋁)上時(shí)，基板的納米級(jí)孔隙性在施加碳涂層之后基本上保持原狀。在另一方面，導(dǎo)電制品可以包括具有上述特征的集電器和與集電器接觸的涂層，其中該涂層基本上由碳組成。該涂層中可不存在其他活性材料或粘結(jié)劑。該涂層可包括石墨，并且該制品可包括在電化學(xué)電容器例如電化學(xué)雙電層電容器中。圖1為市售的電化學(xué)電容器的示意圖。電化學(xué)電容器100包括鋁箔基板102，該鋁箔基板具有涂覆在基板兩側(cè)上的碳涂層104a和104b。將可為對(duì)于電解質(zhì)多孔的任何絕緣材料的隔板106設(shè)置在碳涂覆的基底的一側(cè)頂部。通常，可使用聚(偏二氟乙烯)。然后可將層狀結(jié)構(gòu)卷起而形成隨后可放置在包括電解質(zhì)的筒或罐中的線軸108。為了便于操作，需要將導(dǎo)電引線(未示出)附接到電容器的合適零件上。在另一方面，提供制備電極的方法，包括提供多孔金屬箔例如鋁或蝕刻鋁。多孔金屬箔具有第一表面和第二表面。通常，由于金屬為箔，故第一表面和第二表面彼此相對(duì)。將碳粉施加到金屬箔的第一表面?？赏ㄟ^用手灑粉末、用機(jī)器施加粉末或任何其他施加方式施加碳粉，其中粉末被弓I入到多孔金屬薄膜的表面上。在一些實(shí)施例中，可將粉末隨機(jī)噴灑到多孔金屬箔的第一表面上。在所有實(shí)施例中，碳粉在不存在涂布溶劑或粘結(jié)劑的情況下作為干燥粉末施加。碳粉可以為上述石墨。在將碳粉施加到金屬箔的第一表面后，用振蕩墊對(duì)其進(jìn)行拋光。振蕩墊可在其上噴灑有碳粉的金屬箔的第一表面上方移動(dòng)。該墊可在金屬箔表面上來(lái)回移動(dòng)或可繞垂直于金屬箔第一表面的軸線旋轉(zhuǎn)地移動(dòng)。在一些實(shí)施例中，振蕩墊可采用軌道運(yùn)動(dòng)方式移動(dòng)并且可在拋光操作期間朝多個(gè)方向移動(dòng)。振蕩墊或磨光涂覆器可以軌道模式平行于基板的表面移動(dòng)，其旋轉(zhuǎn)軸垂直于基板的平面。磨光運(yùn)動(dòng)可以是簡(jiǎn)單的軌道運(yùn)動(dòng)或者隨機(jī)的軌道運(yùn)動(dòng)。所使用的通常的軌道運(yùn)動(dòng)在每分鐘1，000-10，000軌道的范圍內(nèi)。可通過在包含碳粉的金屬箔表面上通過手的運(yùn)動(dòng)來(lái)回移動(dòng)振蕩墊而手動(dòng)完成拋光?；蛘呖墒褂秒妱?dòng)工具完成拋光。出于所提供方法的目的，可使用電動(dòng)工具例如磨光機(jī)。磨光機(jī)可從包括美國(guó)加利福尼亞州拉米拉達(dá)牧田美國(guó)公司(Makita USA (La Mirada,CA.))和美國(guó)馬里蘭州巴爾的摩百得集團(tuán)公司(Black and Decker (Baltimore, MD))在內(nèi)的多個(gè)制造商處商購(gòu)獲得。用于所提供方法的振蕩墊可以是用于將粒子施加到表面的任何合適材料。例如，振蕩墊可為織造或非織造織物或纖維素材料?；蛘?，墊可以是閉孔或開孔泡沫材料。在又一個(gè)替代形式中，墊可以為刷子或一組刷毛。優(yōu)選地，此類刷子的刷毛具有約0.2-lcm的長(zhǎng)度和約30-100微米的直徑。刷毛優(yōu)選地由尼龍或聚氨酯制成。典型的磨光涂覆器包括施加油漆的工具，該工具包括短纖維或馬海毛(例如在美國(guó)專利N0.3，369，268 (Burns等人)中所述的那些)、羔羊·毛墊、3M PERFECT-1T拋光墊(得自美國(guó)明尼蘇達(dá)州圣保羅市3M公司(3M (St.Paul, MN)))。提供的方法還包括上述方法并且進(jìn)一步包括將碳粉施加到多孔金屬箔的第二表面，然后用振蕩墊拋光多孔金屬箔。涂覆和拋光操作可以自動(dòng)化并在幅材涂覆線上進(jìn)行。所提供方法的示例性的幅材涂覆線在圖2和圖3中示出，其中磨光程序?yàn)橛糜谝痪砘?多孔金屬箔)的離合退繞站10、將待磨光的材料呈現(xiàn)在幅材基材上的粉末進(jìn)料站12、磨光站30、以規(guī)定速度驅(qū)動(dòng)幅材的幅材定速驅(qū)動(dòng)站60，以及離合器驅(qū)動(dòng)的收卷輥70。該系統(tǒng)還包括各種導(dǎo)輥和無(wú)載托輥(未示出)，同時(shí)還可包括用于未磨光的幅材表面的磨光后擦拭裝置和/或用于改善磨光材料在幅材上的熔化的加熱設(shè)備。例示的幅材涂覆線包括粉末分配站12、磨光站30、幅材擦拭站50。將30: I齒輪減速添加到幅材定速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)60以提供對(duì)較慢幅材速度的更為精確的控制。大多數(shù)控件相互獨(dú)立，從而允許在確定過程控制參數(shù)時(shí)具有最大限度的靈活性。將即將拋光到多孔金屬幅材8上的粉末材料從進(jìn)料器系統(tǒng)12沉積在幅材上，該進(jìn)料器系統(tǒng)12具有極大的遞送能力范圍。進(jìn)料器系統(tǒng)12由附接有粉末貯存器16的管14和安裝在管內(nèi)的螺旋刷(未示出)組成。刷子聯(lián)接到齒輪傳動(dòng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(未示出)。粉末進(jìn)料器通常具有控制粉末貯存器16旋轉(zhuǎn)的速率和持續(xù)時(shí)間的兩個(gè)計(jì)時(shí)器。將材料裝載到安裝在粉末進(jìn)料器上的貯存器16中。該貯存器可包含安裝在管內(nèi)的管。兩個(gè)管均包含用于分配粉末的孔口。至少一個(gè)孔口或一組孔口位于幅材8上方，以將粉末以所需的濃度在整個(gè)幅材寬度上進(jìn)行分配。可將目篩網(wǎng)包括在管之間以有助于控制粉末分配，或者可單獨(dú)地通過網(wǎng)孔分配粉末?；蛘?，可采用改進(jìn)的振動(dòng)進(jìn)料器來(lái)分配粉末。例如，使用得自美國(guó)賓夕法尼亞州荷馬城FMC公司(FMC Corporation (Homer City, PA.))的F-T0型儀器?？蓪?duì)該振動(dòng)進(jìn)料器進(jìn)行改進(jìn)以增加粉末施加的均勻度?？蓪⒄駝?dòng)器的偏置彈簧動(dòng)作更改為豎直地對(duì)準(zhǔn)以在分配管中來(lái)回?fù)u動(dòng)粉末，從而避免粉末堆積。振動(dòng)器動(dòng)作的垂直分量在兩個(gè)沖程方向上是相同的。旋轉(zhuǎn)的磨光動(dòng)作平行于幅材表面并且通過軌道磨砂設(shè)備32完成，該設(shè)備已經(jīng)過改進(jìn)以接納特定構(gòu)造和材料的磨光墊34。這在工藝原型中受一系列三臺(tái)氣動(dòng)軌道磨砂設(shè)備32和相關(guān)的磨光墊34的影響?；蛘撸梢允褂秒娮榆壍滥ド皺C(jī)(例如Black and Decker 5710型，其具有每分鐘4000個(gè)軌道操作和0.1英寸的同心行程(總體為0.2英寸))。通常，墊的同心行程大于約
0.05英寸(總體為0.1英寸)。用于該工藝原型的氣動(dòng)軌道磨砂機(jī)具有類似于Black andDecker 5710型的可操作速度和同心行程，并且其為得自愛爾蘭共和國(guó)都柏林(Dublin，Ireland)的Ingersol_Rand312型軌道磨砂機(jī),其自由速度為在621千帕(kPa)氣壓下每分鐘8000個(gè)操作。在供應(yīng)的氣壓降低和施加壓力增大的情況下，實(shí)際操作速度在每分鐘O至4000個(gè)操作的范圍內(nèi)。三個(gè)磨砂機(jī)由共用空氣管線(未示出)進(jìn)料，該空氣管線連接至允許操作者調(diào)節(jié)磨光速度的可調(diào)式(O至689kPa psi)空氣調(diào)節(jié)器(未示出)。存在開關(guān)氣動(dòng)控件以啟動(dòng)這些磨砂機(jī)/磨光機(jī)。所述的所有磨砂機(jī)具有大約9cmX 15.25cm的矩形的軌道墊。在幅材磨光操作時(shí)，以磨光墊的短邊平行于幅材方向來(lái)移動(dòng)幅材。因此，磨光墊的
15.25cm的長(zhǎng)邊橫對(duì)加工方向。將三個(gè)軌道磨砂機(jī)32固定就位。在這些磨砂設(shè)備下方為光滑板40，可將該光滑板向上驅(qū)動(dòng)以將幅材夾在磨·光墊和板之間，從而將磨光壓力施加到幅材。精密氣壓調(diào)節(jié)器(O至345kPa)向連接至板以驅(qū)動(dòng)其向上的氣缸42提供空氣。板重量由氣壓補(bǔ)償，使得在大約241kPa的壓力下，板向幅材和磨光墊施加最小(接近零)的壓力。在345kPa下，施加到幅材的壓力相當(dāng)于在常規(guī)磨砂機(jī)操作中將要施加的壓力，其中在常規(guī)磨砂機(jī)操作中使用磨砂機(jī)的重量加上幾磅向下的手壓壓力。該類型壓力的原因?yàn)槟ス夤に嚥恍枰蚍氖┘痈邏阂詫?shí)現(xiàn)所需結(jié)果。過大的壓力可能會(huì)損壞幅材表面，造成包括諸如劃痕的缺陷和因摩擦生熱導(dǎo)致的幅材熔融或翹曲。一般來(lái)講，磨砂機(jī)/磨光墊對(duì)幅材的過大壓力導(dǎo)致無(wú)法生成幅材的均勻涂層。兩個(gè)精密導(dǎo)向軸承有助于保持板豎直移動(dòng)并且使板穩(wěn)定，使得磨光動(dòng)作和能量不會(huì)在板移動(dòng)過程中丟失。開關(guān)氣動(dòng)控件允許操作者啟動(dòng)板。所例示工藝中所用的軌道磨砂機(jī)32用于拋光或磨光幅材。不使用磨料。對(duì)較低的磨砂機(jī)軌道臺(tái)板進(jìn)行改進(jìn)以接納同樣經(jīng)過改進(jìn)的磨光墊34。振蕩墊34在美國(guó)專利N0.3，369，268 (Burns等人)中有所描述。它們?yōu)榇蠹s20cm長(zhǎng)和9cm寬，并且它們?yōu)楸〗饘俦骋r、1.27cm厚的開孔聚氨酯泡沫層與0.5cm厚的柔軟且極細(xì)的密集堆積尼龍刷毛的活性表面的層合構(gòu)造。這些墊被設(shè)計(jì)為油漆涂敷器并由此推向市場(chǎng)。這些墊經(jīng)過改進(jìn)使得它們可輕易地安裝到軌道磨砂機(jī)上。該工藝設(shè)計(jì)已包括將Ingersol-Rand磨砂機(jī)的橫向沖程增加至1.27cm的維度能力。通常，將大約0.3cm寬、3.8cm長(zhǎng)的凹槽沿幅材行進(jìn)方向切入到墊34的前緣刷毛中以有利于結(jié)合入墊34。凹槽間隔開大約1.6cm，從而在墊的下表面生成類似梳子的外觀。對(duì)采用該墊制備的已磨光幅材進(jìn)行光學(xué)掃描，顯示出涂層重量非常均勻且在整個(gè)幅材上無(wú)明顯的變化。另外，可通過將墊34的前緣向上彎曲對(duì)墊進(jìn)行改進(jìn)，以生成從刷毛到幅材表面的更為平緩的界面。將這種改進(jìn)結(jié)合到“梳子”樣式的墊中。為將墊轉(zhuǎn)變?yōu)槟ス鈮|而對(duì)其進(jìn)行的這些改進(jìn)僅在工藝中所用的第一個(gè)墊上需要。未對(duì)工藝中的后續(xù)墊進(jìn)行改進(jìn)，因?yàn)樗鼈冎饕糜谕瓿赡ス膺^程?；蛘?，可以在軌道墊和粉末分配器之間安裝靜止的墊。用靜止的墊，在粉末有機(jī)會(huì)散開之前，快速地將分配的粉末施加到幅材上，從而保證了過量的粉末保持在基板上。
在定速輥60前提供油漆滾筒50，用于從已磨光的幅材8的表面擦除任何過量的粉末。定速輥60在其驅(qū)動(dòng)表面上滾花。滾花時(shí)存在刮傷幅材表面的可能性。用橡膠涂覆定速輥60以緩解該問題。通過所提供方法制備的所提供的電化學(xué)導(dǎo)電制品允許采用快速、經(jīng)濟(jì)的方法制備高表面積集電器，所述集電器具有碳涂層并且良好地充當(dāng)電化學(xué)電容器中的電極。施加的碳基本上涂覆了集電器的納米多孔結(jié)構(gòu)而不會(huì)顯著降低表面形貌。該涂層非常薄，在多數(shù)位置可能為大約IOOnm或更小。石墨可能具有可類似于層狀碳的結(jié)構(gòu)并且可能包含碳納米管或石墨烯的片段。在任何情況下，所提供的電化學(xué)導(dǎo)電制品具有用于電化學(xué)電容器所需的高導(dǎo)電性和高表面積。通過以下實(shí)例進(jìn)一步說(shuō)明了本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)，但是這些實(shí)例中敘述的特定材料及其用量、以及其他條件和細(xì)節(jié)不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明進(jìn)行不當(dāng)限制。SM實(shí)例1:用膠帶將20微米厚的蝕刻的鋁箔片(15.3cmX26.7cm，得自日本東洋鋁業(yè)株式會(huì)社(Toyo Aluminum K.K, Japan))附接到玻璃板。將HSAG300石墨粉(得自瑞士博迪奧特密高公司(Timcal,Bodio,Switzerland))隨機(jī)撒在箔上。使用Makita片材磨光機(jī)(B04900V型，得自加拿大安大略省惠特比牧田公司(Makita Company, Whitby.0ntario, Canada)),其配有漆墊(EZ PAINTR，得自美國(guó)北卡羅來(lái)納州亨特斯維爾易事刷具公司(Shur-Line，Huntesville,NC.))并且速度設(shè)置為2，通過來(lái)回移動(dòng)磨砂機(jī)而手動(dòng)對(duì)箔進(jìn)行拋光。8秒后從箔上移除磨砂機(jī)時(shí)可觀察到均勻的灰色涂層沉積在箔上。將樣品作為集電器進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其發(fā)揮作用時(shí)性能合格。使用掃描電鏡(SEM)對(duì)類似的樣品成像并與未經(jīng)石墨處理的樣品比較以確定所得涂層的形態(tài)。圖4a、4b示出納米多孔鋁集電器。通過將圖4b中的樣品彎曲180°而有意使其破裂，以便露出表面的側(cè)緣。觀察到納米多孔集電器的孔隙度從表面延伸至少365nm。圖5a和5b示出根據(jù)所提供的方法將粉末石墨拋光(經(jīng)8秒)到納米多孔箔上之后納米多孔鋁集電器的圖像。這些SEM圖像顯示出石墨的施加和拋光看起來(lái)并沒有改變樣品的形貌特征，如在圖5a和5b中所看到的。集電器表面的納米多孔結(jié)構(gòu)得以保留。并且樣品良好地充當(dāng)電化學(xué)電容器中的電極。實(shí)例2:使用與實(shí)例中相同的方法涂覆蝕刻鋁，使用不同持續(xù)時(shí)間(8秒、15秒和30秒)的磨光涂層。所有樣品均作為集電器進(jìn)行正向測(cè)試。以下為根據(jù)本發(fā)明各個(gè)方面的包括具有導(dǎo)電性涂層的集電器的電化學(xué)導(dǎo)電制品及其制備方法的示例性實(shí)施例。實(shí)施例1為導(dǎo)電制品，包括:集電器；以及與集電器接觸的碳涂層，其中碳涂層不含粘結(jié)劑，并且其中集電器包含多孔金屬。實(shí)施例2為根據(jù)實(shí)施例1的導(dǎo)電制品，其中多孔金屬包括鋁。實(shí)施例3為根據(jù)實(shí)施例2的導(dǎo)電制品，其中多孔金屬包括蝕刻鋁。實(shí)施例4為根據(jù)實(shí)施例1的導(dǎo)電制品，其中碳涂層包括石墨。實(shí)施例5為根據(jù)實(shí)施例1的導(dǎo)電制品，其中制品包括電化學(xué)電容器。實(shí)施例6為根據(jù)實(shí)施例5的導(dǎo)電制品,其中電化學(xué)電容器為電化學(xué)雙電層電容器。
實(shí)施例7為導(dǎo)電制品，包括:集電器；以及基本上由碳組成的與集電器接觸的涂層，其中集電器包括多孔鋁。實(shí)施例8為根據(jù)實(shí)施例7的導(dǎo)電制品，其中碳包括石墨。實(shí)施例9為根據(jù)實(shí)施例7的導(dǎo)電制品，其中電化學(xué)導(dǎo)電制品包括電化學(xué)電容器。實(shí)施例10為根據(jù)實(shí)施例9的導(dǎo)電制品,其中電化學(xué)電容器為電化學(xué)雙電層電容器。實(shí)施例11是一種制備電極的方法，其包括:提供具有第一表面和第二表面的多孔金屬箔；向多孔金屬箔的第一表面施加碳粉；以及用振蕩墊拋光多孔金屬箔的第一表面。實(shí)施例12為根據(jù)實(shí)施例11制備電極的方法，其中多孔金屬箔包括鋁。實(shí)施例13為根據(jù)實(shí)施例12制備電極的方法，其中多孔金屬包括蝕刻鋁。實(shí)施例14為根據(jù)·實(shí)施例11制備電極的方法，其中碳粉包括石墨。實(shí)施例15為根據(jù)實(shí)施例14制備電極的方法，其中施加石墨粉包括將石墨粉撒在多孔金屬的第一表面上。實(shí)施例16為根據(jù)實(shí)施例11制備電極的方法，其中拋光包括用手來(lái)回移動(dòng)振蕩墊。實(shí)施例17為根據(jù)實(shí)施例11制備電極的方法，其中拋光包括使用電動(dòng)工具。實(shí)施例18為根據(jù)實(shí)施例11制備電極的方法，其還包括向多孔金屬箔的第二表面施加碳粉；以及用振蕩墊拋光多孔金屬箔的第二表面。不偏離本發(fā)明的范圍和精神的前提下，對(duì)本發(fā)明的各種改進(jìn)和改變對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不旨在不恰當(dāng)?shù)叵抻诒疚奶峁┑氖纠詫?shí)施例和實(shí)例，這些實(shí)例和實(shí)施例僅以舉例的方式提出，而且本發(fā)明的范圍旨在僅受所附權(quán)利要求書的限制。在本公開中引用的所有參考文獻(xiàn)都以引用的方式全文并入本申請(qǐng)。
權(quán)利要求
1.一種導(dǎo)電制品,包括: 集電器；和 與所述集電器接觸的碳涂層， 其中所述碳涂層不含粘結(jié)劑，并且 其中所述集電器包括多孔金屬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電制品，其中所述多孔金屬包括鋁。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的導(dǎo)電制品，其中所述多孔金屬包括蝕刻鋁。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電制品，其中所述碳涂層包括石墨。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電制品，其中所述制品包括電化學(xué)電容器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的導(dǎo)電制品，其中所述電化學(xué)電容器為電化學(xué)雙電層電容器。
7.—種導(dǎo)電制品,包括 : 集電器；和 基本上由碳組成的與所述集電器接觸的涂層， 其中所述集電器包括多孔鋁。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的導(dǎo)電制品，其中所述碳包括石墨。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的導(dǎo)電制品，其中電化學(xué)導(dǎo)電制品包括電化學(xué)電容器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的導(dǎo)電制品，其中所述電化學(xué)電容器為電化學(xué)雙電層電容器。
11.一種制備電極的方法，包括: 提供具有第一表面和第二表面的多孔金屬箔； 向所述多孔金屬箔的所述第一表面施加碳粉；以及 用振蕩墊拋光所述多孔金屬箔的所述第一表面。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的制備電極的方法，其中所述多孔金屬箔包括鋁。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的制備電極的方法，其中所述多孔金屬包括蝕刻鋁。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的制備電極的方法，其中所述碳粉包括石墨。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的制備電極的方法，其中施加石墨粉包括將所述石墨粉撒在所述多孔金屬的所述第一表面上。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的制備電極的方法，其中所述拋光包括用手來(lái)回移動(dòng)所述振蕩墊。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的制備電極的方法，其中所述拋光包括使用電動(dòng)工具。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的制備電極的方法，還包括 向所述多孔金屬箔的所述第二表面施加碳粉；以及 用振蕩墊拋光所述多孔金屬箔的所述第二表面。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種導(dǎo)電制品，其包括具有導(dǎo)電涂層(104a，104b)的集電器(102)。集電器(102)具有例如來(lái)自蝕刻金屬的納米多孔結(jié)構(gòu)和與所述集電器(102)接觸的碳涂層(104a，104b)。所述碳涂層(104a，104b)不含粘結(jié)劑。在一些實(shí)施例中，所述集電器(102)包括蝕刻鋁。所述提供的導(dǎo)電制品可為電化學(xué)電容器或鋰離子電化學(xué)電池。
文檔編號(hào)H01G11/86GK103222090SQ201180055303
公開日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2011年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月17日
發(fā)明者蘭吉特·迪維加爾皮提亞 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司