CN103151183B - 一种电极的制作方法、储能装置及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电极的制作方法，包括：步骤1，以活性炭为活性物质；导电炭黑或导电石墨或二者混合物作为导电剂，PTFE分散树脂作为粘结剂，在混合机中干混；步骤2，将混合料在密炼机中密炼；步骤3，将密炼后的物料多次过开炼机；步骤4，将开炼后的物料放入辊压机中，辊压成为自支撑膜片；步骤5，将铝箔集流体涂布导电胶，在导电胶未干燥前与自支撑膜片贴合，并且烘干得到电极。本发明还公开了一种电能储存器件，并具体公开了电能储存器件的制作方法。本发明电极片具有压实密度高、容量大、内阻小和更好的寿命特性。同样制备的储能装置也具有类似效果特征。本发明电极片制作过程中，不需要加入水或溶剂，减少了环境污染并且节省了能源。
Description
技术领域
本发明涉及一种电极的制作方法，也涉及一种电能储存装置的制作方法，属于储存电能器件的制造领域。
背景技术
通常电能储存器件包括电池与电容。
超级电容器是介于电解电容器与二次电池之间的储能器件，超级电容器的电荷储存发生在电极、电解质形成的双电层上以及在电极表面进行欠电位沉积、电化学吸附、脱附和氧化还原产生的电荷的迁移。它的容量是传统电容器的20～200倍，可达法拉级甚至千法拉级，比功率是电池的10倍以上，它兼有常规电容器功率密度大和充电电池能量密度高的优点，并具有充放电速度快、对环境无污染、循环寿命长、使用的温限范围宽等特点，是一种实用、高效的新型能源。超级电容器填补了电池和传统的物理电容之间的空白，这种电容器是本世纪最具有希望的一种新型绿色能源。以其大容量，高能量密度，大电流，多次充放电等性能，使其在工业、消费电子、电信通讯、医疗器械、国防、航空航天等领域得到越来越广泛的应用。根据放电量、放电时间以及电容量大小，主要用作后备电源、替换电源和主电源。
根据储能机理,可以将超级电容器分为双电层电容器和法拉第准电容器两大类。双电层电容器是建立在双电层理论基础上。充电时，电解质发生离解，阴阳离子分别向着正负极运动并吸附在电极表面，形成双电层，电荷储存在双电层中。放电时，电子通过外负载运动到正极，与正极的阳离子发生了电中和，同时电极表面的阴阳离子发生了解吸，重新回到电解质主体中。本发明涉及的活性炭双电层电容器就是超级电容器的一种。
目前双电层电容器的应用对能量密度、功率密度、寿命要求越来越高，就需要提高极片压实密度、降低内阻。商品化的双电层电容器多采用活性炭粉作为电极材料，如何提高活性炭粉之间以及活性炭粉和集电极之间的接触性，从而增加密度、减小内阻是关键问题。另一个问题就是如何增加双电层电容器的使用寿命，双电层电容器气涨是一个普遍存在的问题，其中一个主要的原因是因为电极片加工过程中引入了粘结剂，而粘结剂通常含有各种杂质且粘结剂本身在使用过程中老化分解，引起涨气，从而严重的降低双电层电容器的使用寿命。
目前已经商品化的双电层电容器多采用高比表面积多孔的活性炭作为活性物质，比表面积一般在1500m2/g以上。导电剂采用导电炭黑和导电石墨的混合物。通常以活性炭为原料制作电极片的方法是涂布法，即活性炭与粘结剂、导电剂、溶剂混合制作浆料，再涂布、烘干、辊压，比如中国专利CN101699589A。
粘结剂通常使用SBR，比如中国专利CN101635202B，使用水性粘结剂LA132，比如中国专利CN101656155。传统的电极制作，是采用涂布方法，先将浆料涂布在铝箔集流体上，然后辊压，缺点是辊压时由于铝箔集流体受到辊压力，会延展变形，从而极片强度变差，易折断，易产生蛇形等，不利于后续工序。且因为辊压力越大，集流体变型会越严重，所以极片压实密度不可能做高。
另一方面，由于储能装置的电解液采用有机溶液，电极片中残留的水分会严重影响储能装置的电化学性能和使用寿命，去除水分通用方法是高温烘烤，烘烤温度越高，去除水分越彻底。一般涂布方法采用的粘结剂SBR、LA132在150℃以上粘结性能下降，所以烘烤温度在150℃以下，这样造成烘烤时间较长，且水分去除不充分。由于极片制作过程中加入大量水或者别的溶剂，烘烤过程中消耗大量能源，且造成环境污染。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种储能装置的制造方法，能够提高电极片压实密度、充分去除电极片中的水分且减少烘烤时间，提高生产效率，达到提高储能装置的容量、降低内阻、增加使用寿命的目的。且由于制造过程不加入水或别的溶剂，节省了能源且对环境无污染。
本发明是这样实现的：
本发明首先包括一种储能装置的基础元器件——电极的制作方法。
一种电极的制作方法，包括如下步骤：
步骤1，以比表面积1500m2/g以上的活性炭为活性物质；导电炭黑或导电石墨或二者混合物作为导电剂，PTFE分散树脂作为粘结剂，在混合机中干混，活性炭与导电剂、PTFE树脂的重量比为8：1：1；
步骤2，将混合料在密炼机中密炼；
步骤3，将密炼后的物料多次过开炼机；
步骤4，将开炼后的物料放入辊压机中，经多次加热辊压成为自支撑膜片；
步骤5，将铝箔集流体涂布导电胶，在导电胶未干燥前与自支撑膜片贴合，并且烘干得到电极。
更进一步的方案是：所述混合机为V型混合机、螺旋混合机、气流混合机或犁刀式混合机，混合时间为30分钟。
更进一步的方案是：所述混合机为V型混合机，混合时间为30分钟。
更进一步的方案是：所述密炼机为加压式密炼机，叶片为双Z型。
更进一步的方案是：所述开炼机为对辊式加热开炼机，开炼次数为3次。
更进一步的方案是：所述辊压机为四辊加热辊压机。
更进一步的方案是：所述导电胶为导电炭黑、导电石墨或二者混合物作为导电剂，溶剂为水或有机溶剂，制作成的导电胶。
更进一步的方案是：所述贴合为先在铝箔集流体上其中一面涂布导电胶，在溶剂未挥发前贴合自支撑膜片，烘干，然后在铝箔集流体另一面重复上面的工序，得到双面贴合自支撑膜片的电极片。
本发明的另一个目的在于提供一种储能装置，所述储能装置包括前述的电极的制作方法制作的电极。
本发明的再一个目的在于提供一种储能装置的制作方法，包括：
步骤6，将前述电极的制作方法制作的电极分切，按隔膜纸、电极片、隔膜纸、电极片顺序叠放好，在卷绕机上卷绕成电容器芯子；
步骤7，将电容器芯子真空干燥除水，干燥温度为120至180℃，时间3至6小时；
步骤8，在干燥气氛下取出并且将电容器芯子在抽真空条件下含浸有机电解液，真空度为1000Pa，含浸5分钟，放入铝壳中辊压上密封盖，封装成为成品储能装置。
更进一步的方案是：所述电容器芯子真空干燥除水，干燥温度为180℃，时间3小时。
传统的电极制作，是采用涂布方法，先将浆料涂布在铝箔集流体上，然后辊压，缺点是辊压时由于铝箔集流体受到辊压力，会延展变形，从而极片强度变差，易折断，易产生蛇形等，不利于后续工序。且因为辊压力越大，集流体变型会越严重，所以极片压实密度不可能做高。
而本方法是将电极料先制成自支撑膜片，然后贴合到铝箔集流体上，铝箔集流体上不会受到辊压力，不会变型。而自支撑膜片可以承受大的辊压力，经过多次辊压，可以将压实密度提高，从而电极片具有压实密度高、容量大、内阻小的特征。同时，本发明的电极片粘结剂使用PTFE，而PTFE俗称“塑料王”，具有良好的耐腐蚀、耐温、抗老化能力。传统涂布方式采用SBR、LA132等常规粘结剂，耐腐蚀、耐温、抗老化能力远差于PTFE，所以本发明的储能装置具有更好的寿命特性。另一方面，由于电解液采用有机溶液，电极片中残留的水分会严重影响储能装置的电化学性能和使用寿命，去除水分通用方法是高温烘烤，烘烤温度越高，去除水分越彻底。一般涂布方法采用的粘结剂SBR、LA132在150℃以上粘结性能下降，所以烘烤温度在150℃以下，这样造成烘烤时间较长，且水分去除不充分。本发明采用PTFE分散树脂作为粘结剂，相比涂布方法，加工过程中不需要加入水或其他溶剂，不需要烘干去除水或溶剂，减少了环境污染和节省能源。且PTFE耐高温长期使用温度为200至260℃，但由于隔膜纸耐温180℃，所以电极片芯子可采用180℃烘烤温度，减少烘烤时间，提高效率，且去除水分更充分。从而提高储能装置的使用寿命。
本发明储能装置由电极片、隔膜纸、有机电解液、铝壳、密封盖组成。
由活性炭、导电碳黑、导电石墨、PTFE分散树脂干混，然后经过密炼、开炼后供料给四辊辊压机，辊压成自支撑膜片。电极片由自支撑膜片利用导电胶粘结在铝箔集流体上构成。电极片烘干后，分切，按隔膜纸、电极片、隔膜纸、电极片顺序叠放好卷绕成芯子，干燥除去水分后，含浸电解液，放入铝壳，滚压密封盖，电解液为有机电解液。
现有技术是将铝箔集流体涂布活性物料后形成的电极片辊压，以此提高压实密度，从而提高容量、降低内阻，但是存在辊压压力越大，铝箔集流体变形越严重的问题，不利于后续工序。且传统的粘结剂耐温性能差，导致极片去除水分不充分，电化学性能差，寿命降低。
本发明的极片制作方法，极片压实密度大于现有方法，且使用稳定性、耐温性、抗老化性好的PTFE作为粘结剂，能够充分去除水分，提高产品容量、内阻、使用寿命。另一方面，本发明在极片制作过程中，不需要加入溶剂或水，不需要烘干去除溶剂或水，减少了环境污染，并且节省能源。
附图说明
图1为电容器芯子结构示意图。
图2为储能装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
实施例一
本发明储能装置的制作方法：
步骤1，以比表面积1500m2/g以上的活性炭为活性物质；导电炭黑或导电石墨或二者混合物作为导电剂，PTFE分散树脂作为粘结剂，在混合机中干混，活性炭与导电剂、PTFE分散树脂的重量比为8：1：1；
步骤2，将混合料在加压密炼机中密炼1分钟；
步骤3，将密炼后的物料过加热式开炼机，开炼3次；
步骤4，将开炼后的物料经传送带进料，在四辊辊压机中经三次加热辊压成为自支撑膜片；
步骤5，将铝箔集流体涂布导电胶，在导电胶未干燥前与自支撑膜片贴合，并且烘干得到极片；
步骤6，如附图1所示，将极片分切，按隔膜纸6、电极片5、隔膜纸6、电极片5顺序叠放好，在卷绕机上卷绕成电容器芯子1。电容器芯子1上有导针4；
步骤7，将芯子真空干燥除水，温度180℃，时间3小时；
步骤8，如附图2所示，在干燥气氛下取出并且真空含浸有机电解液，有机电解液为1mol/L的四乙基四氟硼酸铵的碳酸丙烯酯溶液。含浸后的电容器芯子1放入铝壳2中滚压上密封盖3，封装成为成品。产品尺寸为φ18×40。
对比例一：
步骤1，以1500m2/g以上的活性炭为活性物质、导电炭黑与导电石墨作为导电剂，活性炭与导电剂的重量比为8：1，LA132为粘结剂、水为溶剂，混合成浆料；
步骤2，采用涂布机将浆料涂布在集电极上并且烘干；
步骤3，将电极片在辊压机中辊压；
步骤4，电极片分切，按隔膜纸、电极片、隔膜纸、电极片顺序叠放好，在卷绕机上卷绕成电容器芯子；
步骤5，将电容器芯子真空干燥除水，温度150℃，时间14小时。在干燥气氛下取出并且真空含浸有机电解液，电解液为1mol/L的四乙基四氟硼酸铵的碳酸丙烯酯溶液。含浸后的芯子放入铝壳中滚压上密封盖，封装成为成品。产品尺寸为φ18×40。
按照国际标准IEC61960测试容量、交流内阻（1KHz）。寿命测试的方法如下：将储能装置放入恒温箱中加热，同时在正负极两端加上额定电压。1000小时后测试铝壳高度，并与恒温加压前的高度比较，得到高度变化，根据高度变化评价涨气的程度。
测试结果如下：
。
Claims (6)
1.一种储能装置的制作方法，其特征在于：
步骤1，以比表面积1500m2/g以上的活性炭为活性物质；导电炭黑或导电石墨或二者混合物作为导电剂，PTFE分散树脂作为粘结剂，在混合机中干混，活性炭与导电剂、PTFE分散树脂的重量比为8：1：1；
步骤2，将混合料在密炼机中密炼；
步骤3，将密炼后的物料多次过开炼机；
步骤4，将开炼后的物料经传送带进入辊压机中，经多次加热辊压成为自支撑膜片；
步骤5，将铝箔集流体涂布导电胶，在导电胶未干燥前与自支撑膜片贴合，并且烘干得到电极；
步骤6，将电极分切，按隔膜纸、电极片、隔膜纸、电极片顺序叠放好，在卷绕机上卷绕成电容器芯子；
步骤7，将电容器芯子真空干燥除水，干燥温度为180℃，时间3小时；
步骤8，在干燥气氛下取出并且将电容器芯子在抽真空条件下含浸有机电解液，真空度为1000Pa，含浸5分钟，放入铝壳中辊压上密封盖，封装成为成品；
所述的有机电解液为1mol/L的四乙基四氟硼酸铵的碳酸丙烯酯溶液。
2.根据权利要求1所述储能装置的制作方法，其特征在于所述混合机为V型混合机、螺旋混合机、气流混合机或犁刀式混合机，混合时间为30分钟。
3.根据权利要求1所述储能装置的制作方法，其特征在于所述密炼机为加压式密炼机，叶片为双Z型，密炼时间为1分钟。
4.根据权利要求1所述储能装置的制作方法，其特征在于所述开炼机为对辊式加热开炼机，开炼次数为3次。
5.根据权利要求1所述储能装置的制作方法，其特征在于所述导电胶为导电炭黑、导电石墨或二者混合物作为导电剂，溶剂为水或有机溶剂，制作成的导电胶。
6.根据权利要求1所述储能装置的制作方法，其特征在于所述贴合为先在铝箔集流体上其中一面涂布导电胶，在溶剂未挥发前贴合自支撑膜片，烘干，然后在铝箔集流体另一面重复上面的工序，得到双面贴合自支撑膜片的电极片。
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