CN101425394A - 一种电极和设备的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制造电极的方法，该方法包括：在一集电器表面涂覆包含碳材料、不溶于水性溶液的粘合剂以及水溶性聚合物的混合物，以形成一模板；烘干该模板；最后将烘干的模板与水性溶液接触，以去除水溶性聚合物，从而形成一个较大表面积的多孔电极。
Description
技术领域
本发明有关一种电极的制造方法以及一种包含该电极的设备的制造方法。
背景技术
电容器被广泛地用作能量储存设备。在双电层电容器中，一对极性相反的电极相对设置，其间由离子可以通过的电绝缘隔离层分开，并共同置于电解液中，在两个电极和电解液的临界处分别积聚一层电荷。在电容器的充电阶段，电解液中的离子在外电场的作用下向相反极性的电极迁移，并吸附在相反极性的电极表面，从而在电容器中储存能量。在电容器的放电阶段，吸附在电极表面的电荷被重新释放回电解液中，先前储存的能量也同时通过外部电路释放出来。在充电阶段，电解液中的离子浓度逐渐降低；在放电阶段，离子从电极表面释放出来。通过切换充电和放电阶段流过电极的水流，可以分别得到淡水和浓水，用这种方法使用电容器来去除液体中矿物质，例如水的脱盐和淡化。充电模式下流入电容器的电解液可以是含盐浓度较高的液体，称为原液；放电模式下流出电容器的液体含有更高浓度的离子，称为浓缩液。
静电电容是电容器的重要特性之一，代表了电容器的离子吸附能力。电容器的静电电容随电极表面积的增大而增大。
设计储能电容器时，理想的状态是使两电极的表面积最大且其间的距离最短。但是这并不适用于为矿物质脱除的应用而设计的电容器。原因是电极的表面积越大，电极表面上的孔越小，通常只有几纳米大小，从而离子通过这些纳米孔时形成了扩散限制。另一方面，电极之间的距离必须足够大，以使得液体流动而不增加过多额外的压强。因此，需要提供一种性能特征不同于现今商业或工业应用的电容器的制造方法，以及一种包括该电容器的装置的制成方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种低成本且易应用的多孔电极制造方法，以及一种使用这种多孔电极的水淡化装置的制造方法。
本发明多孔电极的制造方法包括：在集电器表面覆盖一层由碳材料、不溶于水性溶液的粘合剂、水溶性聚合物组成的涂层，形成一个模版；然后将其烘干；最后，将其浸入水溶液中，去除其中的水溶性聚合物以形成至少一个拥有大量孔隙的电极。
附图说明
通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1是本发明的超极电容脱盐(SCD)装置的一个实施方式在充电阶段的示意图；
图2所示为图1中SCD装置在放电阶段的示意图；
图3所示为制造一个多孔含碳电极的步骤；
图4为一个SCD设备的示意图；
图5所示为图4中一个SCD组的分解图。
具体实施方式
本发明包括涉及一种多孔电极制造方法的多个实施例；本发明包括涉及一种包含该电极的脱盐设备的制造方法的多个实施例。
说明书和权利要求中的近似用语用来修饰数量，表示本发明并不限定于该具体数量，还包括与该数量接近的可接受的修正的部分，而不会导致相关基本功能的改变。相应的，用“大约”等修饰一个数值，意为本发明不限于该精确数值。在某些例子中，近似用语可能对应于测量数值的仪器的精度。
超级电容与普通电容器相比，具有相对更高的能量密度。本发明中的超级电容一词，是多种高效电容器的统称。电容器包括一对设置在电场中的导体(以下称为“电极”)，该两电极相对设置且相隔较小的间距，并在其间储存能量。当在电容器的两个电极施加电压时，该两电极上会产生电量相等，极性相反的电荷。
超级电容脱盐(SCD)装置是指一个用于脱盐的超级电容，可用于实现海水淡化或其他半咸水的去离子化，以将盐分的含量降低至生活和工业用水允许的标准。该SCD装置也可以用于去除或减少液体中其他带电的或离子态的杂质，例如处理工农业生产、市政生活中产生的废水或污水。
参见图1和图2分别显示一个SCD***200的充电和放电阶段。SCD***200包括一个SCD装置20和一个为该SCD装置20供电的电源201。电源201也作为一台能量回收转换器，也可以和一台换能器配合使用。SCD装置20包括第一、第二电极21、22。在图示的实施例中，第一电极21与电源201的正极接线柱相连，作为阳极；第二电极22与电源201的负极接线柱相连，作为阴极。一块允许离子通过的绝缘隔片23位于第一、第二电极21、22之间。携带有电荷的原液30流经SCD装置20的第一、第二电极21、22之间，而输出液33由SCD装置20流出。
如图1所示，在充电阶段，第一、第二电极21、22从原液30中吸附离子或电荷。当携有带电物质的原液30流经电极21、22之间时，原液30中的带电物质或离子积聚在极性相反的电极21、22上。阳离子31向阴极(第二电极)22运动，阴离子32向阳极(第一电极)21运动。从而，在SCD装置20的充电阶段，流经其中的原液30内的电荷积聚在电极21、22表面，流出SCD装置20的输出液33为含有离子或电荷浓度较低的稀释液。作为一个实施例中，稀释液33可以作为另一个SCD装置20的原液30，再经过一次去离子的过程，以使其中的离子或电荷浓度再进一步降低。
如图2所示，在充电阶段之后的放电阶段，第一和第二电极21、22表面所吸附的离子释放出来。图2所示的实施例中，在SCD装置20的放电阶段，第一和第二电极21、22的极性维持不变，但第一、第二电极21、22之间的电位差相较充电阶段时小，使得阴、阳离子32、31从第一、第二电极21、22上释放出来。其他可选择的实施例中，在SCD装置20的放电阶段，第一、第二电极21、22的极性相互交换，即第一电极21与电源201的负极接线柱相连，作为阴极；第二电极22与电源201的正极接线柱相连，作为阳极。从而积聚在第二电极22上的阳离子31向第一电极21运动，同时积聚在第一电极21表面的阴离子32向第二电极22运动。从而，输出液33为离子或电荷浓度较原液30高的浓缩液。同时，SCD装置20释放的能量可以通过一台能量回收装置再生或回收，该能量回收装置可以是一台双向直流-直流转换器或类似的设备。
图3所示为本发明多孔电极制造方法的一个示意性流程图，可以用于制备所述第一、第二电极21、22。该方法大致包括以下步骤：在一集电器表面覆盖一层由碳材料、不溶于水性液体的粘合剂和水溶性聚合物组成的涂层，形成一个模板；将该模板烘干；最后，将所述模板与水性溶液接触，以去除其中的水溶性聚合物，从而形成一个拥有大量孔隙的电极。
步骤40为制备一种包含碳材料、不溶于水的粘合剂和水溶性聚合物的混合物，作为本发明的一个实施方式，该混合物为浆状。该浆状混合物的制作流程如下：首先步骤401，在水中或水性液体中加入碳材料的粉末，并搅拌以得到第一混合液。所述的碳材料可以从以下材料中选择：任意种类的活性炭、碳黑、碳纳米管、石墨、碳素纤维、碳布、碳气凝胶或者以上任意一种或多种的混合。所述碳材料可以是平均直径介于1微米至100微米之间的颗粒状。
步骤402，在第一混合液中加入不溶于水性溶液的粘合剂，并搅拌以得到一第二混合液。本实施例中，所述不溶于水性溶液的粘合剂是一种高分子氟化物，例如，聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、羧甲基纤维素或聚丙烯酰胺等等。该粘合剂以乳浊液的形态滴入第一混合液中，其重量百分浓度介于0.1％至60％之间，而其中粘合剂颗粒大小介于100纳米至800纳米之间。
步骤403，将一水溶性聚合物加入所述第二混合液，搅拌后得到所述浆状混合物。所述水溶性聚合物可以是：聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯、聚乙二醇、或聚乙烯醇及其他。所述水溶性聚合物的分子量介于500道尔顿至1000,000道尔顿之间。
在所得到的浆状混合物中，不溶于水性溶液的粘合剂跟碳材料的重量比约为4～10:100；水溶性聚合物跟碳材料的重量比约为5～100:100。
作为一种实施方式，所述经步骤40得到的浆状混合物在步骤41中直接涂在一集电器上以形成一个模板。作为另一种可选择的方法，在步骤41，将浆状混合物在涂到集电器上之前先经过烘干以去除其中的水分，然后浸入酒精溶液中，例如乙醇或异丙醇，重新形成浆状混合物。将浆状混合物涂在集电器上，可以通过浇铸、丝网印刷或其他类似方法来实施。所述集电器可以是金属或金属合金制成的金属板、网格、金属箔或者金属片等等形式。合适的金属包括钛、铂、铱或铑等；而合适的金属合金可以是不锈钢等等。在其他可选择的实施例中，该集电器可是由石墨材料制成的。在可选择的又一个实施例中，集电器是由导电塑料材料制成的。合适的塑料材料可以是聚烯烃，比如聚乙烯，其中混合导电的碳黑或金属微粒。
在步骤42中，将步骤41所得到的模板烘干。本一个实施例中，将步骤41后准备好的模板曝置于空气中并控制局部环境下的温度与湿度。在其他实施例中，采用更高的温度烘干该模板。然后模板可经由压床压制或滚轧机滚轧。
在步骤43中，将干燥后的模板与水溶液接触，以去除水溶性聚合物并形成大量孔隙。本一个实施例中，将干燥的模板浸入水或水与酒精的混合溶液中，使得水溶性聚合物溶于水或水与酒精的混合溶液。在步骤43中，搅拌水溶液或水与酒精的混合溶液有助于更快、更彻底地去除水溶性聚合物。作为可选择的实施方式，水溶性聚合物也可以在将电极组装在SCD装置20或者SCD组2后，由流经其中的溶液去除。
通过上述步骤制成的电极具有较高的表面积，采用氮吸附比表面积测试法测量，电极单位重量的表面积可以达到500-2000m2/g。形成的孔隙是均匀分布的并且平均直径介于100纳米至1微米之间。
图1、2所述的实施例中，电极21、22彼此平行放置。在其他实施例中，第一、第二电极21、22可以采用多种形状，例如薄片、块状或柱状。同样，这些电极也可以组合成多种构造。例如，第一、第二电极21、22可以共中心、螺旋状放置，其间的间隔为连续的空间。
绝缘隔片23可以是由绝缘聚合物制造，例如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、特氟纶、尼龙以及前述两种或多种材料的组合。绝缘隔片23的形态可以是薄膜、网格、垫子、薄片、胶片或者织物，而其厚度介于10-6厘米至1厘米之间。绝缘隔片23被置于第一、第二电极21、22之间，其与第一、第二电极21、22之间的间距大约为0毫米至1毫米。在一个实施例中，绝缘隔片23与第一、第二电极21、22之间的距离不等。绝缘隔片23的两个表面分别与对应第一和第二电极21、22的表面等宽。
作为一个实施方式，在第一、第二电极21、22(正极、负极21、22)的表面附近分别设置离子交换介质(未图示)。在正极21附近设置阴离子交换介质，在负极22附近设置阳离子交换介质。阴离子、阳离子交换介质分别仅容许阴离子、阳离子通过，从而可以更进一步提高电流效率。这些阴离子、阳离子交换介质可以是分别相对阳极、阴极21、22独立设置的薄膜，且分别贴近阳极、阴极21、22表面；也可以涂在阴极、阴极21、22表面；又或者是部分渗透进阳极、阴极21、22内。所述阳离子交换介质可以是带有负电荷的离子聚合物或者交叉连接离子聚合物，比如磺酸基。而阴离子交换介质可以是带有正电荷的离子聚合物或者交叉连接离子聚合物，比如季胺基。
图4所示是一SCD设备100，该SCD设备100包括一个容器1和一个置于该容器1中的SCD组2。容器1包含原液30的入口10和输出液33流出的出口11。原液30可借由外力导入容器1，如采用泵入方式。
如图5所示，SCD组2包括若干个叠放的SCD装置20。每个SCD装置20包括第一、第二电极21、22以及位于第一、第二电极21、22之间的绝缘隔片23。在一个实施例中，若干个绝缘隔离片24被分别置于两个相邻的SCD装置20之间，使得每两个相邻的SCD装置20之间互相电绝缘。
SCD组2进一步包括支撑板29。图示的实施例中，支撑板29、第一、第二电极21、22、隔片23以及绝缘隔离板24均设有孔25，以在各SCD装置20之间形成供原液30直流通的流道。如图，原液30由箭头26所示方向直接进入SCD装置20，再经由流道28导向流经第一、第二电极21和22表面。所述原液30尽可能流经第一、第二电极21、22的全部表面积。随后，输出液33按箭头27所示方向流出SCD组2。在一个实施例中，原液30可以不止一次地通过SCD组2。
虽然结合特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。例如，本发明的实施例是针对脱盐的应用，但是其也可以适用于去除液体中的离子，例如水净化、废水处理和矿物质脱除。工业应用包括但不限于水处理、医药品以及食品饮料行业。
Claims (13)
1.一种电极的制造方法，包括：
在一集电器表面涂覆包含碳材料、不溶于水性溶液的粘合剂和水溶性聚合物的混合物，以形成一模板；
烘干所述模板；以及
使烘干的模板与水性溶液接触，以去除模板的水溶性聚合物。
2.如权利要求1所述的电极的制造方法，其中所述包含碳材料、不溶于水性溶液的粘合剂和水溶性聚合物的混合物的制备过程包括：在水性溶液中加入粉末状碳材料并搅拌以制成一第一混合液；将不溶于水的粘合剂加入第一混合液以制成第二混合液；将水溶性聚合物加入第二混合液以制成浆状混合物。
3.如权利要求1所述的电极的制造方法，其中所述碳材料是选择自活性炭、碳黑、碳纳米管、石墨、碳素纤维、碳布或碳气凝胶中的一种或若干种的组合。
4.如权利要求1所述的电极的制造方法，其中所述混合物中所选择的碳材料微粒的平均直径介于大约1微米至100微米之间。
5.如权利要求1所述的电极的制造方法，所述不溶于水性溶液的粘合剂以乳浊液的形态滴入混合液中，且乳浊液中不溶于水性溶液的粘合剂的重量百分浓度介于0.1％至60％之间。
6.如权利要求1所述的电极的制造方法，其中的碳材料与不溶于水性溶液的粘合剂的重量比约为100:4～10，碳材料与水溶性聚合物的重量比约为100:5～100。
7.如权利要求1至5中任何一项所述的电极的制造方法，所述水溶性聚合物是选择自聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯、聚乙二醇、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、或聚丙烯酰胺中至少一种。
8.如权利要求1所述的电极的制造方法，其中混合物通过浇铸、辊压或丝网印刷的方法涂在集电器表面。
9.如权利要求1所述的电极的制造方法，其中烘干模板包括将模板曝置于空气中并控制温度与湿度。
10.如权利要求1所述的电极的制造方法，其中将模板与水性溶液接触包括将模板浸入水或水与酒精的混合溶液中。
11.如权利要求10所述的电极的制造方法，其中将模板浸入水或水与酒精的混合溶液中的同时，搅拌所述水或水与酒精混合溶液以利于去除水溶性聚合物。
12.一种超级电容脱盐装置的制造方法，包括：
制备一对多孔电极，每个多孔电极的制备方法包括：在一集电器表面涂覆包含碳材料、不溶于水性溶液的粘合剂和水溶性聚合物的混合物，以形成一模板，烘干所述模板，以及使烘干的模板与水性溶液接触，以去除模板中的水溶性聚合物；以及
在第一多孔电极和第二多孔电极之间安放一个绝缘且离子可通透的隔片。
13.如权利要求12所述的超级电容脱盐装置的制造方法，进一步包括在所述一对电极的表面附近分别设置离子交换介质。
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