電化學電源用電極及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電化學領域，具體地，本發明涉及一種電化學電源用電極及制造方法，以及由該方法制造的電極，該電極可應用于多種電化學電源，包括超級電容器、鋰離子電池、燃料電池、混合電容器和鋰離子電容器。
【背景技術】
[0002]電化學電源是一種環保的能量存儲和釋放裝置，它通過物理或化學的方式進行能量的轉化，為各種用電設施提供能源動力，涉及社會生活的多個方面，具有便攜性和使用方便性，廣泛應用于電子產品、電動工具、風能、太陽能、汽車、航空等領域。這種電化學電源包括超級電容器、鋰離子電池、燃料電池、混合電容器和鋰離子電容器等。
[0003]電極是電化學電源的核心元件，電極的制造方法決定了電極質量，是影響電化學電源性能的關鍵因素。電極材料一般由活性物質、導電劑和粘結劑組成。電極材料與集流體復合構成電極。活性物質是電極的主材料，提供容量；導電劑用于改善電極的導電性能；粘結劑用于把電極材料及集流體粘結在一起，集流體用于支撐電極材料并提供電子迀移通道。
[0004]目前電極的制造方法主要有涂覆工藝和無溶劑工藝兩種。涂覆工藝，即先把活性物質、導電劑和粘結劑與大量溶劑混合，制成具有一定固含量的漿料，然后把漿料涂覆在集流體上，再烘干去除溶劑。然而這種工藝存在一系列問題。首先由于各種電極材料物理結構上存在差異性，尤其是有的材料顆粒粒徑很小，僅為微米甚至納米級別，難于分散，后續加工處理困難，因此即使經過長時間攪拌，仍然難以在漿料中實現混合均勻，從而影響電極性能和導致電極水平和電源性能存在批次性差異，而在某些應用領域電源串并聯組合應用時對單體電源的一致性要求很高，否則會影響性能和使用壽命；其次制造過程中采用先引入大量溶劑然后再烘干去除的方法，步驟繁瑣，耗費能源，增加了制造時間和成本，并且有機溶劑對環境和人體有較大危害。采用這種工藝制造的電極，電極材料與集流體間的粘結性也容易隨著充放電循環的進行而變差，導致電極材料脫落，電化學電源失效，影響壽命。
[0005]另外一種電極的制造方法是無溶劑工藝，即制造過程中不使用大量溶劑，而是直接把活性物質、導電劑和粘結劑混合，纖絲化粘結劑，然后壓實形成具有自支撐功能的膜，再把膜與集流體壓合，形成電極。相對而言，這種工藝避免了涂覆工藝使用大量溶劑帶來的一系列問題，但這種工藝制造過程較為復雜，而且制造過程中對設備的精度、壓力、張力等參數控制要求較高，而且電極厚度仍存在一定誤差。

【發明內容】

[0006]基于此，有必要提供一種新的電極制造方法，解決以上問題。本發明采用的技術方案是:電化學電源用電極的制造方法，其包括以下步驟:
[0007]1)、造粒。活性物質、導電劑和粘結劑分別篩分、干燥后進行預混合，然后造粒，得到造粒料；
[0008]2)、靜電噴涂。造粒料經靜電噴涂，形成帶有電荷的高速粒子流，沉積吸附在帶有相反電荷的集流體上，形成電極涂層；
[0009]3)、層壓。對附有電極涂層的集流體進行層壓。
[0010]本發明中，所述活性物質、導電劑和粘結劑的質量份數比為80?97:0.1?15:1?15 ;優選為80?97:0.1?10:1?10。
[0011]其中，所述活性物質包括活性炭、碳納米管、石墨烯、碳氣凝膠、活性炭纖維、石墨、硅、金屬氧化物、含鋰化合物中的一種或幾種。
[0012]所述導電劑包括石墨、碳黑、乙炔黑、碳納米管、碳纖維、金屬纖維中的一種或幾種。
[0013]所述粘結劑包括含氟聚合物、烯烴聚合物、聚碳酸酯、丙烯酸樹脂、丁苯橡膠和羧甲基纖維素中的一種或幾種。
[0014]所述活性物質、導電劑和粘結劑優選為粉體顆粒。
[0015]所述步驟1)造粒過程是通過顆粒的碰撞、聚集作用力實現。造粒步驟所述篩分目數是10?200目。所述干燥溫度是20?200°C。所述造粒料的粒徑是5?90um。造粒過程可以加入橋連液體。橋連液體可以是水、有機溶劑中的一種或混合物。橋連液體的質量占活性物質、導電劑和粘結劑總質量的比例是0.1?30%。
[0016]所述步驟2)靜電噴涂的電壓是30?90KV。所述高速粒子流的載氣是壓縮氣體。壓縮氣體可以是空氣或惰性氣體。壓縮氣體的壓力是0.6?0.8MPa。
[0017]所述步驟2)集流體包括鋁箔、銅箔、鎳箔、不銹鋼、鋁網、銅網、鎳網或不銹鋼網等；集流體在噴涂前可以進行預處理；預處理可以是在集流體上預涂有中間過渡層。另外，集流體也可以不進行預處理而直接使用。
[0018]所述步驟3)層壓次數是1?5次。每次電極涂層厚度減少量是5?30%。
[0019]本發明的方法應用于一種電化學電源用電極和一種包含有電極的電化學電源。
[0020]本發明中，所述電化學電源可以是超級電容器、鋰離子電池、燃料電池、混合電容器和鋰離子電容器等。
[0021]本發明提供的電化學電源用電極的制造方法，優勢在于:
[0022]1、通過采用造粒的方法，保證電極材料混合均勻，易于后續連續生產加工，電極批次一致性好，且性能優異。
[0023]2、制造過程沒有使用大量溶劑，節約能源，減少環境污染，制造時間短，生產效率尚ο
[0024]3、制造過程中的造粒料可回收再使用，材料利用率高，制造成本低。
[0025]4、除了原材料現有的粘結劑外，還可以依靠電荷吸引作用和層壓步驟增加粘結力，從而可以使得需要的粘結劑的量幾乎降到最低，有利于減小電極內阻，提高電化學電源的功率密度。
[0026]5、電極涂層厚度控制簡單精確，且一致性高；本發明提供的方法，主要是是通過造粒料和集流體電荷吸引實現電極涂層沉積，可以簡單地通過調節靜電噴涂時的工作參數改變電荷電量以得到期望厚度的電極涂層，并嚴格保證其一致性，其簡便性和精確性是其他電極制造工藝所不可比擬的。
[0027]6、電極壓實密度大。通過靜電控制可以提高造粒料在集流體上的堆積密度，還可以通過后續多次層壓步驟，增加電極壓實密度，提高電化學電源的能量密度。
[0028]7、電極壓實密度一致性高。本發明提供的方法，是通過造粒料電荷與集流體電荷相互吸引，造粒料堆積形成電極涂層，隨著電極涂層增厚，電荷吸引作用減弱，電極涂層表面堆積的造粒料比內部要疏松，造成電極涂層致密性隨距離集流體越遠而呈減小趨勢。而在層壓時，乳輥壓力首先作用在電極涂層表面，把表面較為疏松的造粒料壓實，并經多次層壓，最終得到內外部壓實密度一致性良好的電極。而其他工藝制造的電極，在層壓時都會導致電極表面密度比內部密度大，不利于電解液向電極內部的滲透，影響電極性能和壽命。本發明的方法有效解決了這一問題。
[0029]8、該方法對集流體的選擇范圍更加廣泛，除普通集流體外，網狀集流體也較為適用。網狀集流體與普通的集流體相比，質量輕，與電極涂層的接觸面積更大，可容納的活性物質更多，從而在減輕電化學電源質量、提高容量和能量密度方面有較大優勢。然而若采用其他如涂覆工藝制造電極時，集流體在多個涂覆輥間擠壓并與刮刀接觸，很有可能在一定程度上破壞集流體的結構，因此對網狀集流體的使用存在限制，影響電源性能提升。而本發明的方法不存在該類問題。
[0030]本發明提供的電化學電源用電極的制造方法該方法制造的電極應用于電化學電源，使得電化學電源在綜合性能上比原有工藝制得的產品有了大幅度的提高。
【附圖說明】
[0031]圖1是電化學電源用電極的制造流程示意圖。
[0032]圖2是造粒過程狀態示意圖。
[0033]圖3是靜電噴涂步驟的設備流程示意圖。
[0034]圖4是靜電噴涂設備的工作原理示意圖。
[0035]圖5是本發明實施例1的電極形貌圖。
[0036]圖6是本發明實施例2的電極形貌圖。
[0037]圖7(a)是一電化學電源電極的結構示意圖。
[0038]圖7(b)是采用本發明的方法制造的電極的密度示意圖。
[0039]圖7(c)是采用其方法制造的電極的密度示意圖。
[0040]圖8是一電化學電源的正負極結構示意圖。
[0041]其中:21為活性物質，22為導電劑，23為粘結劑，24為核粒子，25為凝集體，26為造粒顆粒，31為空壓機，32為壓縮氣體儲罐，33為冷干機，34為造粒料儲罐，35為噴涂室，36為噴涂設備，37為靜電發生器，38為除塵設備，39為引風機，41為放電電極，42為負電荷，43為集流體，44為造粒料，45為壓縮氣體氣流，46為粒子流，71為電極涂層。81為正極涂層，82為正極集流體，83為負極涂層，84為負極集流體，85為隔膜。
【具體實施方式】
[0042]下面結合附圖和【具體實施方式】對
【發明內容】
提供詳