一種電極涂覆的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電極涂覆的方法，屬于電化學(xué)儲(chǔ)能【技術(shù)領(lǐng)域】。該方法是用蒸涂法把電極活性物質(zhì)、導(dǎo)電物質(zhì)和粘接劑的分散液涂覆到電極上。蒸涂法涂覆的電極表面平整，具有大量錯(cuò)落的細(xì)紋。從側(cè)面觀察，電極材料與電極基材結(jié)合牢固，不易脫落，而電極材料內(nèi)部則相對(duì)疏松，更有利于電解液的浸入。這樣的結(jié)構(gòu)有利于電極高效的重復(fù)利用。蒸涂法具有易操作、低成本的優(yōu)點(diǎn)，用該方法制備的電極擁有相對(duì)較高的電化學(xué)性能。
【專利說(shuō)明】一種電極涂覆的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電極涂覆的方法，屬于電化學(xué)儲(chǔ)能【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]作為電化學(xué)裝置的重要部件，電極需要具有良好的穩(wěn)定性，這關(guān)系到電化學(xué)裝置的使用壽命。電極材料是否能在電極上穩(wěn)定存在而不脫落決定了電極能否長(zhǎng)期使用。所以，改進(jìn)電極的制備工藝，增強(qiáng)電極的循環(huán)穩(wěn)定性，提高電極的使用壽命是一個(gè)值得研究的方向。
[0003]把活性物質(zhì)涂覆到電極基材上，制備牢固有效，可長(zhǎng)期使用的電極板是電極能夠在實(shí)際應(yīng)用中穩(wěn)定使用的關(guān)鍵步驟。目前，電極活性物質(zhì)通常是通過(guò)聚四氟乙烯、聚偏四氟乙烯等粘接劑粘接到電極基材上的。添加的粘接劑過(guò)少時(shí)，活性物質(zhì)與電極基材粘接不牢，在使用過(guò)程中容易脫落，這不僅造成原材料的浪費(fèi)，而且會(huì)污染設(shè)備，并造成二次污染。然而使用過(guò)量的粘接劑又會(huì)使電極板的內(nèi)阻增大，這會(huì)在電化學(xué)設(shè)備使用中消耗大量的能量，并造成效率低下。另外，添加過(guò)多的粘接劑還會(huì)使活性物質(zhì)容易粘接成塊，使電解液能接觸到的電極活性物質(zhì)的量大大降低，導(dǎo)致電極板的適用性降低。從制備工藝上說(shuō)，要使過(guò)量的粘接劑分散開(kāi)來(lái)，大量的溶劑是必須的，這不但增加了電極制備的成本而且也使得電極制備工藝復(fù)雜，耗時(shí)長(zhǎng)。因此，急需找到一種合適的電極制備方法，在加入較少的粘接劑情況下，保證電極材料能牢固的粘接在基材上，同時(shí)可以使得電極的制備相對(duì)容易，具有較低的電極制備成本和較高的電極性能。
[0004]目前把電極活性物質(zhì)涂覆到基材上有很多種方法。典型的有壓覆法和噴涂法。壓覆法即采用壓力將活性物質(zhì)壓到基材上。該方法要求壓覆的混合物具有一定的粘稠度，因此溶劑不能過(guò)多，這就導(dǎo)致粘接劑在混合物中不容易分散好。另外，在向電極施加壓力時(shí)容易使電極活性物質(zhì)與電極基材之間的結(jié)合力變?nèi)跎踔林苯臃蛛x。而噴涂法是將電極活性物質(zhì)與粘接劑的混合物汽化后噴到電極基材上。這種方法的局限性較大，在汽化過(guò)程中，溶劑揮發(fā)過(guò)快會(huì)導(dǎo)致活性物質(zhì)在空氣中直接被干燥，并被氣流吹走，噴涂到基材的活性物質(zhì)很少，浪費(fèi)原料。另外，這個(gè)方法對(duì)設(shè)備要求相對(duì)過(guò)高，且噴槍噴嘴在使用過(guò)程中容易堵塞，難以清洗。最后，噴涂過(guò)程中需要施加高壓，設(shè)備要求復(fù)雜，操作也很麻煩?；诖?，為了制備高性能的，可多次使用的電極，急需一種有效的，方便的電極涂覆方式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有電極制備技術(shù)中電極材料與電極極板結(jié)合不夠好的問(wèn)題，提供一種電極涂覆的方法。
[0006]本發(fā)明目的是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0007]一種電極涂覆的方法，具體步驟如下:
[0008]步驟一、將活性物質(zhì)和導(dǎo)電材料加入到溶劑中混合均勻；活性物質(zhì)和導(dǎo)電材料的質(zhì)量比為10?90:5?50 ;然后再加入粘接劑懸浮液，超聲分散，混合均勻，得到活性物質(zhì)懸浮液；活性物質(zhì)、導(dǎo)電材料、粘接劑的質(zhì)量比為10?90:5?50:0.5?20 ;
[0009]步驟二、將電極基材置于平板上方，平板下方配有加熱裝置或平板自加熱裝置；
[0010]步驟三、將步驟一所得的活性物質(zhì)懸浮液逐漸滴加到電極基材上，每次滴加后待溶劑揮發(fā)完全后繼續(xù)滴加，直至滴完；干燥后得到涂覆好的電極片；
[0011]所述活性物質(zhì)為:活性炭、石墨烯、碳納米管、碳?xì)饽z、碳復(fù)合材料；
[0012]所述導(dǎo)電材料為:乙炔黑、導(dǎo)電碳黑、導(dǎo)電高分子材料；
[0013]所述基材為:碳紙、碳布以及鋁板；
[0014]有益效果
[0015]1、本發(fā)明所述的電極涂覆的方法，采用了邊涂覆邊蒸發(fā)的原理將電極材料涂覆到電極基材上。該方法可有效地提高電極材料與電極基板之間的結(jié)合力，很好地解決了電極制備中電極材料與電極極板結(jié)合不夠好的問(wèn)題，使電極材料不至于因過(guò)度使用而脫落，提高了電極的循環(huán)使用壽命。
[0016]2、本發(fā)明所述的電極涂覆的方法，采用的是逐步滴加的方式，制備所得的電極表面電極材料相對(duì)疏松，這有利于電化學(xué)過(guò)程中電解液的滲入，減少了電極材料因堆疊過(guò)于緊密而難與電解液接觸的現(xiàn)象，使更多的電極材料在電化學(xué)應(yīng)用中發(fā)揮了作用。
[0017]3.本方法設(shè)備簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單。由于添加的分散劑較少，所以后期溶劑揮發(fā)時(shí)間較短。節(jié)約了電極制備的時(shí)間，提高了制備效率。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為A電極表面照片；
[0019]圖2為B電極表面照片；
[0020]圖3為C電極表面照片；
[0021 ]圖4為A電極側(cè)面的掃描電鏡照片；
[0022]圖5為B電極側(cè)面的掃描電鏡照片；
[0023]圖6為C電極側(cè)面的掃描電鏡照片；
[0024]圖7為A電極進(jìn)行500次循環(huán)伏安測(cè)試后的表面照片；
[0025]圖8為B電極進(jìn)行500次循環(huán)伏安測(cè)試后的表面照片；
[0026]圖9為C電極進(jìn)行500次循環(huán)伏安測(cè)試后的表面照片；
[0027]圖10為A、B、C三種電極的循環(huán)伏安曲線圖；
[0028]圖11為A、B、C三種電極的電吸附曲線圖；
[0029]圖12為D電極表面照片；
[0030]圖13為D電極循環(huán)伏安曲線圖；
[0031]圖14為E電極表面照片；
[0032]圖15為E電極循環(huán)伏安曲線圖；
[0033]圖16為F電極表面照片；
[0034]圖17為F電極循環(huán)伏安曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。[0036]實(shí)施例1
[0037]稱取425mg活性碳(TF-B818，上海合達(dá)炭素材料有限公司)和50mg導(dǎo)電炭黑，并使其均勻分散于30mL乙醇中。向上述分散液中加入404mL的16%的聚四氟乙烯懸浮液，然后超聲分散0.5h使其均勻；裁剪IOcmX 5cm的碳纖維紙(北京吉興盛安工貿(mào)有限公司)作為電極基材；將電極基材水平放置在一清潔的玻璃板上，玻璃板下采用水蒸汽方式加熱，溫度控制在80?90°C。把配制好的分散液逐滴滴加到電極基材上，每次滴加后待溶劑揮發(fā)完全后繼續(xù)滴加，直至滴完。滴加面積控制為5cmX5cm ;將涂覆好的電極片放入60°C的真空干燥箱中干燥48h。得到涂覆好的電極片(記為A電極)。
[0038]為了更好的說(shuō)明本發(fā)明所述的蒸涂法的優(yōu)越性，我們另外還采用傳統(tǒng)的壓覆法和噴涂法制備了電極。
[0039]壓覆法的制備:稱取與上述方法相同質(zhì)量比的活性碳和導(dǎo)電炭黑加入研缽中，并使其分散于25mL的乙醇中，然后加入與上述方法相同比例的粘接劑。最后微熱，濃縮混合液直至濃漿液狀態(tài)，然后逐漸涂覆到電極基材上，壓實(shí)。同樣在60°C的真空干燥箱中干燥48h，備用(記為B電極)。
[0040]噴涂法的制備:稱取與上述方法相同質(zhì)量比的活性碳和導(dǎo)電炭黑，分散于50mL以上的乙醇中，并按上述方法中的比例加入粘接劑。然后分步倒入噴槍的容器中，在一定壓力下，將活性物質(zhì)噴涂到電極基材上。并在60°C的真空干燥箱中干燥48h，備用(記為C電極)。
[0041]以上三種方法均制備一對(duì)電極以供測(cè)試使用。
[0042]1、表面形貌
[0043]米用三種不同方法制備的電極表面形貌相差較大，如圖1?3所不。C電極表面致密，沒(méi)有任何裂紋，這不利于電解液浸入到電極內(nèi)部，不能使電極上的電極材料得到充分利用電極表面相對(duì)致密，存在少許裂紋，且裂紋分布不均勻，電極相對(duì)致密的地方，電解液滲入相對(duì)困難，裂紋分布不均容易導(dǎo)致電極材料的大面積脫落；而A電極表面有大量分布均勻的裂紋，這使得電極可能在電化學(xué)應(yīng)用中獲得更好的性能。
[0044]2.微觀結(jié)構(gòu)
[0045]從圖4?6可以看出，C電極的電極材料與碳纖維紙黏合的很緊，從電極片的厚度可以看出該電極相對(duì)較薄，這表明電極材料之間結(jié)合相對(duì)緊密。B電極具有明顯的碳纖維紙和電極材料的粘接面，表明兩者結(jié)合不好。另外電極材料之間相對(duì)疏松，但由于制備過(guò)程中施加壓力致使其上表面相對(duì)致密。A電極的側(cè)面照片中沒(méi)有明顯的碳纖維紙和電極材料的粘接面，顯示了兩者之間良好的結(jié)合性。更為重要的是，其電極表面的電極材料具有疏松的結(jié)構(gòu)。綜上，本發(fā)明提供的蒸涂法可以使電極材料與電極基板結(jié)合的更好，但又不使電極材料相對(duì)致密。
[0046]3.電極穩(wěn)定性
[0047]電極材料在電極上的穩(wěn)定性關(guān)系到電極的使用壽命。為了探討用三種方法制備的電極的穩(wěn)定性，我們把三個(gè)電極在溶液中做了 500次循環(huán)伏安測(cè)試，然后取出，烘干。圖7?9為三個(gè)電極在電化學(xué)測(cè)試后的表觀形貌照片。與圖1?3相比，A電極和C電極在測(cè)試前后表觀形貌沒(méi)有明顯變化，而B(niǎo)電極在測(cè)試后有部分脫落。這是因?yàn)樵陔姌O制備過(guò)程中電極材料與石墨片之間結(jié)合力較弱的緣故，另外其表面也增加了許多裂紋。電極穩(wěn)定性的分析說(shuō)明A電極和C電極具有較好的穩(wěn)定性，這有利于電極的長(zhǎng)期使用。[0048]4.超級(jí)電容器性能
[0049]為了說(shuō)明蒸涂法作為電極的制備方法在電化學(xué)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)，我們把用三種方法制備的電極做了超級(jí)電容器性能的比較。圖10是三個(gè)電極在0.5mol/L的NaCl溶液中活化12~48h后，以0.01V/s的掃描速度測(cè)試的循環(huán)伏安曲線，其中曲線1，2，3分別表示A，B和C電極測(cè)試的曲線。根據(jù)比電容公式:
[0050]錯(cuò)誤！未找到引用源。Cs = 1 [IVdr
VW (Va — Vc ) jVa
[0051](其中V為掃描速率，w為活性物質(zhì)質(zhì)量，Va和Vc分別表示起始電位和終止電位，I為電流，V為電壓)。三種方法制備的電極的比容量分別為14.54mAh/g(A電極)，10.27mAh/g (B電極)和6.42mAh/g (C電極)。A電極具有最大的比電容，這是因?yàn)锳電極表面的電極材料相對(duì)疏松，內(nèi)部能形成更多的雙電層，進(jìn)而產(chǎn)生更大的比電容。
[0052]5.電吸附性能
[0053]為了探討該電極的電吸附能力，我們配制了初始電導(dǎo)率為2020μ S/cm的NaCl溶液，用于進(jìn)行電吸附離子測(cè)試。測(cè)試的鹽溶液體積為25mL，極板間距離為1mm，操作電壓為
1.5V，流速為8mL/min。將用三種方法制備的電極插入電容除鹽裝置，給兩極板加上1.5V的外加電壓，測(cè)試溶液電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化。當(dāng)電吸附達(dá)到飽和后，把正、負(fù)極板短接，接著測(cè)試離子從電極脫附過(guò)程中電導(dǎo)率的變化。圖11給出了使用三種方法制備的電極進(jìn)行電容除鹽測(cè)試時(shí)，溶液的電導(dǎo)率在130min內(nèi)的變化圖。其中曲線1，2，3分別表示利用A電極，B電極和C電極測(cè)試的曲線。
[0054]從圖6中可得不同電極除鹽的最低電導(dǎo)率；從開(kāi)始測(cè)試到電導(dǎo)率第一次回復(fù)到初始電導(dǎo)率時(shí)間記為一次除鹽周期；并計(jì)算單位質(zhì)量的活性碳吸附的離子質(zhì)量。所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。
[0055]表1
【權(quán)利要求】
1.一種電極涂覆的方法，其特征在于:具體步驟如下: 步驟一、將活性物質(zhì)和導(dǎo)電材料加入到溶劑中混合均勻；活性物質(zhì)和導(dǎo)電材料的質(zhì)量比為10?90:5?50 ;然后再加入粘接劑懸浮液，超聲分散，混合均勻，得到活性物質(zhì)懸浮液；活性物質(zhì)、導(dǎo)電材料、粘接劑的質(zhì)量比為10?90:5?50:0.5?20 ; 步驟二、將電極基材置于平板上方，平板下方配有加熱裝置或平板自加熱裝置； 步驟三、將步驟一所得的活性物質(zhì)懸浮液逐漸滴加到電極基材上，每次滴加后待溶劑揮發(fā)完全后繼續(xù)滴加，直至滴完；干燥后得到涂覆好的電極片。
2.如權(quán)利要求1所述的一種電極涂覆的方法，其特征在于:所述活性物質(zhì)為:活性炭、石墨烯、碳納米管、碳?xì)饽z、碳復(fù)合材料。
3.如權(quán)利要求1所述的一種電極涂覆的方法，其特征在于:所述導(dǎo)電材料為:乙炔黑、導(dǎo)電碳黑、導(dǎo)電高分子材料。
4.如權(quán)利要求1所述的一種電極涂覆的方法，其特征在于:所述基材為:碳紙、碳布以及招板。
【文檔編號(hào)】H01M4/04GK103915601SQ201410158175
【公開(kāi)日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年4月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月18日
【發(fā)明者】嚴(yán)乙銘, 陸國(guó)乾, 金林劍, 楊志宇 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)