一種柔性超級電容器電極及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超級電容器，尤其涉及一種柔性超級電容器電極及其制作方法。
[0002]
【背景技術】
[0003]隨著市場對于超級電容器性能要求的不斷提高，用戶要求超級電容的能量密度更高，特別是在小型卷繞超級電容器領域。制造廠家針對以上客戶要求，不斷進行技術改進，提高超級電容能量密度的一個有效方法是減少電池的無效空間，來增加活性物質(正負極材料)的填充量，由于卷繞結構的天生優(yōu)勢，內部空閑體積很小，減少無效空間的最直接方法是將集流體的體積占用降低，現階段卷繞電極采用涂布的方式制成，涂布厚度有限，現有技術條件下一般集流體的體積可以占到電極體積的20%以上，提高涂布厚度可以將集流體體積減少，但現有的技術條件下涂布電極是通過粘性物料使電極物質和集流體粘接，過高的涂布厚度很容易使涂層在輥壓時脫落或掉層，同時電極無柔韌性，卷繞時很容易使涂層脫落，因此現有的成熟卷繞電極的單面涂層輥壓后厚度一般不超過lOOum，以常規(guī)的30um的鋁箔集流體計算，集流體的體積占用約為1/7~1/8，假如電極上的活性物質的單層厚度達到300um，集流體的體積占用將降低至1/20，同時相同的容量下電極面積的減少也減少了隔膜的用量，因此可以大大提高電容的整體容量。當然電極厚度增加和面積的減少帶來內阻的增加，電極的多孔結構有助于減輕此類的影響。有鑒于此，如何在提高電極厚度的同時保證電極柔韌性和孔隙率，是超級電容器制造領域一個迫切需解決的問題。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明提供了在提高電極厚度的同時保證電極柔韌性和孔隙率，具體是通過具有纖維纏繞粘接作用的PTFE作為電極膜的粘結劑，電極厚度的增加也能保證電極的柔韌性，同時孔隙率可通過高沸點分散劑的含量進行控制，大大增加了電極的有效比表面積，提高了離子的傳質速率，制得的電極內阻低、容量高，特別適用于小型卷繞型超級電容器，有效提升了其電化學性能的一種柔性超級電容器電極及其制作方法，
為實現上述目的，本發(fā)明提供的完整解決方法是:
一種柔性超級電容器電極，其特征在于:將超級電容用高比表面積活性炭、導電劑和PTFE用低沸點的溶劑混合均勻，并經干燥得到粉狀混合物，再用一種高沸點溶劑將粉狀混合物適量分散后壓制得到電極薄膜，充分干燥后將此電極薄膜貼合到經過處理后的金屬集流體表面即得柔性電極。
[0005]其特征是:制備過程如下:
步驟1:制備楽料
將導電劑加入到低沸點溶劑中，在常規(guī)的行星式真空攪拌機中以500~4000rpm的高速分散攪拌5~60min后得到導電漿料，在此導電漿料中加入超級電容用活性炭繼續(xù)高速分散使?jié){料混合均勻，將漿料溫度冷卻至10~25°C范圍內再加入PTFE乳液高速攪拌5~30min，維持攪拌并將漿料加熱至30~70°C，充分混和均勻30~300min即得到混合物漿料；
步驟2:干燥漿料
將混合后的漿料用常壓鼓風干燥、真空干燥或離心干燥中的一種或兩種以上的方式充分干燥，干燥溫度50~120°C，得到粉狀混合物；
步驟3:制備電極膜
將干燥后的粉狀混合物加入高沸點溶劑中，在多功能攪拌器中低速30~120rpm分散攪拌得到泥團狀物質，將此物質在高沸點溶劑蒸汽壓飽和的氣氛中經對輥機反復對輥碾壓，得到一定厚度的柔韌性充分的電極，將此電極薄膜常規(guī)抽真空干燥，干燥溫度100~180°C，充分干燥后用對輥機對輥至工藝厚度即得多孔柔性電極膜；
步驟4:制備柔性電極
將金屬箔或多孔金屬網表面利用噴涂或浸涂的方式單面或雙面均勻涂覆一層超級電容用導電漿料，同時將上述電極膜與之通過對輥機進行輥壓貼合，充分干燥后即得到柔性超級電容器電極。
[0006]其特征是:
步驟1中的PTFE乳液中的固含量質量分數為5~70% ;
步驟1中混和活性性物質和導電劑的低沸點溶劑為無水乙醇或無水乙醇與去離子水的混合溶劑，其中混合溶劑中乙醇的含量不低于20% ；
步驟1中導電劑為導電石墨、導電炭黑、導電碳纖維或碳納米管等的一種或兩種以上； 步驟1中混合物漿料中的低沸點溶劑的含量為20%~80% ;
步驟3中分散混合物的溶劑為高沸點溶劑，為NMP、PC的一種或兩種；
步驟3中泥團狀物質中高沸點溶劑的體積含量比為10%~60% ；
步驟3中干燥前電極膜的厚度與干燥后對輥的最終厚度(工藝厚度)比為1.10-1.03:1，亦即干燥后的電極對輥時的壓縮比不高于10% ;
步驟3中所成的干燥后的電極膜，PTFE的含量為1%~10%，導電劑的含量為0.5%~20%，活性物質含量為70%~98.5% ；
步驟4中的集流體材質為鋁、不銹鋼、鎳等，集流體厚度為5~40um，集流體網孔規(guī)格10-300 目；
步驟4中的電極膜與金屬集流體的復合后的厚度變化比不高于10% (復合前電極膜+集流體的總厚度:復合后電極膜+集流體的總厚度《1.1)。
[0007]其特征是:
(1)漿料的制備:將導電劑加入到低沸點溶劑中，在常規(guī)的行星式真空攪拌機中以500~4000rpm的高速分散攪拌5~60min后得到導電漿料，在此導電漿料中加入超級電容用活性炭繼續(xù)高速分散使?jié){料混合均勻，將漿料溫度冷卻至10~25°C范圍內再加入PTFE乳液高速攪拌5~30min。維持攪拌并將漿料加熱至30~70°C，充分混和均勻30~300min即得到混合物漿料；其中PTFE乳液中的固含量質量分數為5~70% ;混和活性性物質和導電劑的低沸點溶劑為無水乙醇或無水乙醇與去離子水的混合溶劑，其中混合溶劑中乙醇的含量不低于20% ;導電劑為導電石墨、導電炭黑、導電碳纖維或碳納米管等的一種或兩種以上；混合物漿料中的低沸點溶劑的含量為20%~80% ;
(2 )漿料的干燥:將混合后的漿料用常壓鼓風干燥、真空干燥或離心干燥等一種或兩種以上的方式充分干燥，干燥溫度50~120°C，得到粉狀混合物；
(3)電極膜的制備:將干燥后的粉狀混合物加入高沸點溶劑中，在多功能攪拌器中低速30~120rpm分散攪拌得到泥團狀物質，將此物質在高沸點溶劑蒸汽壓飽和的氣氛中經對輥機反復對輥碾壓，得到一定厚度的柔韌性充分的電極，將此電極薄膜常規(guī)抽真空干燥，干燥溫度100~180°C，充分干燥后用對輥機對輥至工藝厚度即得多孔柔性電極膜；其中分散混合物的溶劑為高沸點溶劑，如NMP、PC等的一種或兩種以上；泥團狀物質中高沸點溶劑的體積含量比為10°/『60%;干燥前電極膜的厚度與干燥后對輥的最終厚度(工藝厚度)比為1.10-1.03:1，亦即干燥后的電極對輥時的壓縮比不高于10%;所成的干燥后的電極膜，PTFE的含量為1%~10%，導電劑的含量為0.5%~20%，活性物質含量為70%~98.5% ；
(4)柔性電極的制備:將金屬箔或多孔金屬網表面利用噴涂或浸涂的方式單面或雙面均勻涂覆一層超級電容用導電漿料，同時將上述電極膜與之通過對輥機進行輥壓貼合，充分干燥后即得到柔性超級電容器電極。其中集流體材質為鋁、不銹鋼、鎳等，集流體厚度為5~40um，集流體網孔規(guī)格10~300目；電極膜與金屬集流體的復合后的厚度變化比不高于10% (復合前電極膜+集流體的總厚度:復合后電極膜+集流體的總厚度《1.1)。
[0008]其特征是:將一份質量的superP導電劑加入到15份質量的低沸點溶劑無水乙醇中，用行星式攪拌機以2000rpm的高速分散30min形成均勻的導電漿料后加入8.4份質量的超級電容用活性炭YP50F，繼續(xù)以同樣的攪拌速度均勻攪拌60min后得到的含活性物質和導電劑的漿料，再加入一份質量的60%固含量的PTFE乳液，使活性物質:導電劑:ptfe的固體質量比為84%:10%:6%，再次進行高速分散lOmin后打開攪拌機的加熱功能，使?jié){料溫度升溫至60 °C，攪拌60min后待用；
將制得的漿料傾倒于平板加熱盤中，置于真空干燥箱中，緩慢抽真空至-0.1MPa并加熱至80°C，使?jié){料中的無水乙醇揮發(fā)完全，得到干燥的粉末狀材料；
將此粉末狀材料中加入1.3倍質量的高沸點溶劑N-甲基吡咯烷酮(NMP)，用多功能攪拌器低速60rpm的速度剪輯攪拌至混合物呈團料狀，將此團料用對輥機對輥并反復對折碾壓，使ptfe再次纖維化，直至物料粘接牢固表面光滑后對輥至0.42mm厚度，形成含NMP的電極膜片，將此膜片平鋪于網狀干燥盤中，抽真空180°C使電極中的NMP完全去除，將干燥后的電極膜片用對輥機進行整平，對輥至0.4mm即得到合格的多孔柔性電極膜；
將電容用15um厚度的金屬鋁箔穿過對輥機輥軸的兩輥縫隙，輥縫調節(jié)間距為0.41mm，通過收張卷進行張力整平后在表面噴涂一層電容用導電漿料Dag EB-012，將裁切好的電極膜粘附于鋁箔上，使兩者通過對輥機輥縫進行復合碾壓，復合后的電極進行加熱干燥使導電漿料固固化即得到合格的多孔柔性電極片。
[0009]其特征是:
將一份質量的superP導電劑加入到15份質量的含50%無水乙醇的去離子水中，用行星式攪拌機以2500rpm的高速分散30min形成均勾的導電楽料后加入8.