本發(fā)明涉及材料、化學(xué)電源領(lǐng)域，特別是涉及一種金屬/碳復(fù)合集流體材料及其制備方法，屬于材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

盡管不同種類的電池體系會采用截然不同的集流體材料，但一般都基于以下的特點要求進行選取和改進：穩(wěn)定、高導(dǎo)電性、與電極活性物質(zhì)相容性好、輕質(zhì)、可焊接的金屬或準(zhǔn)金屬材質(zhì)。然而，現(xiàn)有的集流體材料尚不能完全滿足上述要求，特別是體現(xiàn)在析氫、析氧副反應(yīng)難以避免的非堿性水溶液電池體系。恩力公司的戴翔等申請了一種用于水溶液電池體系的復(fù)合集流體材料專利(CN 2014106584942)。該專利在金屬材料的上下兩面附著導(dǎo)電碳膜，以“三明治”的形式融合為一體，將碳材料的高穩(wěn)定性與金屬材料的可焊接性有機地結(jié)合，以提高金屬集流體材料在水溶液中的抗腐蝕性。但是，該專利中的導(dǎo)電碳膜由導(dǎo)電碳材料均勻分散于諸如聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、氟碳樹脂等普通常用的高聚物中吹塑或拉伸而成。使用此類粘合劑，粘附力不足以使金屬與碳導(dǎo)電膜完全融為一體，達到覆蓋導(dǎo)電膜的金屬材料與外部完全隔絕的目的，也不具有提高電極活性材料電化學(xué)活性的作用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決非堿性水溶液中工作的金屬集流體材料析氧腐蝕的問題，提供一種可以穩(wěn)定、高效地在非堿性水溶液中工作的金屬/碳復(fù)合集流體材料及其制備方法，通過采用高粘附性、對金屬離子具有強吸附作用的高聚物粘合劑使金屬與碳導(dǎo)電保護層完全融為一體，將碳材料的高穩(wěn)定性與金屬材料的可焊接性有機地結(jié)合，并引入了電容特性，以解決非堿性水溶液電池中金屬集流體材料的腐蝕性難題，同時顯著提高了電極活性材料的電化學(xué)活性，且制備方法簡便易行，易于規(guī)?；a(chǎn)。

本發(fā)明一種金屬/碳復(fù)合集流體材料及制備方法，其特征在于，金屬/碳復(fù)合集流體材料制備方法步驟如下：

在導(dǎo)電碳材料中加入高聚物粘合劑，用40％-98％溶劑調(diào)成漿料，導(dǎo)電碳材料與高聚物粘合劑的質(zhì)量比為40～95∶5～60；將漿料涂覆或噴涂在除極耳以外的集流體表面，形成碳導(dǎo)電保護涂層，集流體表面和邊緣均被碳導(dǎo)電保護層覆蓋，碳導(dǎo)電保護涂層與除極耳以外的集流體表面在5MPa～40MPa經(jīng)室溫冷壓或500C～2000C熱壓0.1S～60S融合成一體，制成金屬/碳復(fù)合集流體材料；

碳導(dǎo)電保護涂層厚度為0.01～0.08mm；

導(dǎo)電碳材料為石墨、石墨烯、碳黑、乙炔黑、碳纖維、納米碳纖維或碳納米管中的一種以上；

高聚物粘合劑為聚丙烯酸、聚丙烯酸鋰、聚丙烯酸鈉、聚丙烯酸鉀、明膠、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂中的一種以上；

溶劑為水、乙醇、丙醇、丙二醇、丙三醇、N-甲基吡咯烷酮、N-甲基甲酰胺、N，N-二甲基甲酰胺中的一種以上；

集流體包括金屬、合金箔材、網(wǎng)材或泡沫，金屬為鋁、銅、鈦、銅、鎳、不銹鋼或鎳鉬、銅鋅合金中的一種以上；金屬的形狀為箔材、網(wǎng)材或泡沫。

本發(fā)明的有益效果：所述的金屬/碳復(fù)合集流體材料除極耳部分外，導(dǎo)電碳材料中加入高粘附性、對金屬離子具有強吸附作用的高聚物粘合劑和溶劑調(diào)漿，金屬集流體表面、邊緣在高粘附性的高聚物粘合劑作用之下均被所述的碳導(dǎo)電保護層覆蓋，被覆蓋的金屬集流體與外部完全隔絕，保持原有高的電子導(dǎo)電性的同時具有耐強腐蝕的高穩(wěn)定性，且粘合劑對離子的螯合和吸附作用有助于電極活性材料電化學(xué)活性的顯著改善。

附圖說明

圖1 不銹鋼網(wǎng)集流體材料表面涂覆導(dǎo)電碳層和未涂覆導(dǎo)電碳層的俯視圖

圖2 表觀面積為1cm²的316不銹鋼網(wǎng)和覆蓋導(dǎo)電碳層的316不銹鋼網(wǎng)在1M Li₂SO₄+2M ZnSO₄水溶液中的Tafel曲線對比(電位相對于金屬鋅電極)

1. 316不銹鋼網(wǎng)；2.覆蓋導(dǎo)電碳層的316不銹鋼網(wǎng)。

橫坐標(biāo)：電位，單位：V；縱坐標(biāo)：電流密度的對數(shù)，單位：A cm^-2。

圖3以覆蓋導(dǎo)電碳層的316不銹鋼網(wǎng)為集流體，以1M Li₂SO₄+2M ZnSO₄水溶液為電解液，LiMn₂O₄正極對金屬鋅負(fù)極組裝扣式電池，2C的倍率下充放電的循環(huán)性能曲線(電位相對于金屬鋅電極)

橫坐標(biāo)：循環(huán)次數(shù)；縱坐標(biāo)：比容量，單位：mAh g^-1。

圖4以316不銹鋼網(wǎng)為集流體、以1M Li₂SO₄+2M ZnSO₄水溶液為電解液、LiMn₂O₄正極對金屬鋅負(fù)極組裝扣式電池、2C的倍率下充放電的循環(huán)性能曲線(電位相對于金屬鋅電極)

橫坐標(biāo)：循環(huán)次數(shù)；縱坐標(biāo)：比容量，單位：mAh g^-1。

具體實施方式

以下實施例針對一種金屬/碳復(fù)合集流體材料及其制備方法作進一步詳細(xì)說明。

實施例1

在導(dǎo)電碳黑中加入15％的高聚物粘結(jié)劑聚丙烯酸鈉(分子量10000)，然后加入有機溶劑一N-甲基吡咯烷酮，真空攪拌混合調(diào)制成漿料。采用涂布機將長和寬分別為100mm和50mm的316不銹鋼網(wǎng)雙面反復(fù)刷涂上述導(dǎo)電碳漿料，使316不銹鋼網(wǎng)的雙面和邊緣部分皆覆蓋碳導(dǎo)電漿料，置于烘箱中60℃去除溶劑干燥，附著碳導(dǎo)電保護層的316不銹鋼網(wǎng)置于油壓機上，室溫下調(diào)節(jié)壓力至20MPa，壓制1～3S，以增強碳導(dǎo)電保護層與316不銹鋼網(wǎng)之間的結(jié)合力。將覆蓋碳導(dǎo)電保護層的316不銹鋼網(wǎng)裁切成所需尺寸，焊接極耳。316不銹鋼網(wǎng)和覆蓋碳導(dǎo)電保護層的316不銹鋼網(wǎng)在1M Li₂SO₄+2M ZnSO₄水溶液中的線性極化Tafel曲線如圖1所示。對比可知，雖然覆蓋碳導(dǎo)電保護層的316不銹鋼網(wǎng)交換電流密度有明顯提高，但其腐蝕電位大幅度正移，表明析氧腐蝕得以有效抑制；其交換電流密度增大是由于粘合劑本身的還原性和對金屬離子的吸附作用所致，由此也進一步增強了集流體的抗腐蝕性。以覆蓋導(dǎo)電碳層的316不銹鋼網(wǎng)為集流體，LiMn₂O₄正極對金屬鋅負(fù)極組裝扣式電池，在1M Li₂SO₄+2M ZnSO₄水溶液2C的倍率下充放電循環(huán)200次未見明顯衰減，循環(huán)性能曲線如圖3所示。以316不銹鋼網(wǎng)為集流體，LiMn₂O₄正極對金屬鋅負(fù)極組裝扣式電池，同樣在1M Li₂SO₄+2M ZnSO₄水溶液中2C的倍率下充放電，比容量不斷降低，且循環(huán)60次之后即出現(xiàn)突降，循環(huán)性能曲線對比圖如圖4所示。

實施例2

在導(dǎo)電石墨粉中加入20％的高聚物粘結(jié)劑聚丙烯酸(分子量2000)，然后加入水和乙醇混合溶劑，真空攪拌混合調(diào)制成漿料。用噴槍將上述漿料反復(fù)噴涂到長和寬分別為80mm和40mm的鎳網(wǎng)(100目)上，使上述漿料完全覆蓋鎳網(wǎng)表面，室溫初步晾干后將附著碳導(dǎo)電保護層的鎳網(wǎng)置于油壓機上，調(diào)節(jié)上下不銹鋼板的溫度至150℃，壓力調(diào)至20MPa，熱壓1～3S，以增強碳導(dǎo)電保護層與鎳網(wǎng)之間的結(jié)合力。覆蓋碳導(dǎo)電保護層的鎳網(wǎng)在1M Li₂SO₄+2M ZnSO₄水溶液中的Tafel曲線測試結(jié)果顯示，覆蓋碳導(dǎo)電保護層的鎳網(wǎng)在中性水溶液中腐蝕電位明顯正移，析氧腐蝕得以有效抑制。