专利名称：用于制造基于纤维状聚合物材料和碳材料的混合物的用于双层电气装置的电极的方法
技术领域：
本发明涉及制造适合用于电气装置(例如双电层电容器)中的电极和其它部件的 碳和纤维状聚合物组合物的方法。
背景技术：
高密度储能装置，例如双电层电容器已经成为重要的研究课题。双电层电容器或 EDLC是一种通常包括以下组成的电容器被多孔分隔件分隔的碳电极、集电器和电解质溶 液。当对EDLC施加电势的时候，由于阴离子被吸引到正电极，阳离子被吸引到负电极，产生 离子电流。所述离子电流产生电荷，所述电荷储存在各个极化的电极与电解质溶液之间的 界面处。EDLC的设计可以根据预期的应用变化，可以包括例如标准的胶冻卷设计，棱柱设 计，蜂窝状设计，混合型设计，或者本领域已知的其它设计。EDLC的能量密度以及具体的功 率会受到构成EDLC的部件的性质的影响，所述部件包括所用的电极和电解质。对于电极， 通常在所述装置的制造中使用大表面积碳，碳纳米管，其它形式的碳，以及复合材料。通常将用于EDLC电极的碳材料涂覆和/或沉积在集电器或其它基材上。为了制 备稳定而均一的分散体，通常将所述碳材料与聚偏二氟乙烯(PVDF)之类的粘结剂混合。例 如，在一种常规的方法中，可以将碳材料与粘结剂(例如PVDF)的浆液涂覆在施涂有石墨的 铝集电器上，通常对所述浆液涂层进行加热和/或施加真空，以除去任何存在的液体。通过 使用粘结剂材料，例如PVDF，会延长制造电极所需的加工时间，造成污染，可能导致大的内 部电阻，从而降低特定电极结构可以实现的性能。因此，人们希望解决常规双电层电容器存在的上述问题以及其它的缺陷。通过本 发明的碳组合物和方法可以满足这些需要和其他的需要。
发明内容
本发明涉及制造适合用于电气装置(例如双电层电容器)中的电极和其它部件的 碳和纤维状聚合物组合物的方法。本发明通过使用一种新颖的碳和纤维状聚合物组合物， 解决了上述问题中的至少一部分。在第一方面，本发明提供了一种方法，该方法包括使得纤维状聚合物材料与碳材 料接触，形成混合物，使得该混合物与液体接触，形成浆液，然后形成包含所述浆液的层。在第二方面，本发明提供了一种如上所述的方法，其中纤维状聚合物材料包括聚四氟乙烯。在第三方面，本发明提供采用上述方法制造的层。在第四方面，本发明提供一种电极和/或装置，其包含通过上述方法制备的层状 的组合物。在以下详细描述和任意权利要求中部分地提出了本发明的另外一些方面和优点， 它们部分源自详细描述，或可以通过实施本发明来了解。通过所附权利要求中特别指出的 要素和组合将会认识和获得下述优点。应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都只 是示例和说明性的，不构成对所揭示的本发明的限制。附图简要说明被纳入此说明书并构成说明书的一部分的
说明了下述的数个方面。在所 有的附图中相同的附图标记表示相同的要素。图1是根据本发明的各个方面，碳和纤维状PTFE材料的混合物的电子显微照片。发明详述参考以下详细描述、实施例、权利要求以及之前和以下的描述，可以更容易地理解 本发明。但是，在揭示和描述本发明的组合物、制品、装置和方法之前，应理解，本发明不限 于所揭示的具体组合物、制品、装置和方法，除非另有说明，因此它们当然是可以改变的。应 当理解本文所使用的术语仅为了描述特定的方面而不是限制性的。提供以下对本发明的描述，作为按其目前已知方面来揭示本发明内容。因此，相关 领域的普通技术人员会认识并理解，可以对本文所述的本发明的各方面作出许多变化，同 时仍能获得本发明的有益的结果。还显而易见的是，本发明所需的有益结果中的一部分可 以通过选择本发明的一些特征而不利用其他的特征来获得。因此，本领域普通技术人员会 认识到，对本发明的许多更改和修改都是可能的，在某些情况下甚至是希望的，并且是本发 明的一部分。因此，提供的以下描述作为对本发明原理的说明不构成对本发明的限制。揭示了可用于所揭示的方法和组合物、可结合所揭示的方法和组合物使用、可用 于所揭示的方法和组合物的制备或者是所揭示的方法和组合物的产物的材料、化合物、组 合物以及组分。在本文中揭示了这些和其它的材料，应当理解，当揭示了这些材料的组合、 子集、相互关系、组等等而未明确地具体提及这些化合物的每个不同的单独的和集合的组 合以及这些化合物的排列组合时，在本文中具体设想和描述了它们中的每一种情况。因此， 如果揭示了一类取代物A、B、和C且揭示了一类取代物D、E、和F和组合方面的实施例即A-D 的实例，则可单独地和集合地设想每一个。因此，在本实例中，具体设想了以下组合A-E， A-F，B-D, B-E, B-F, C-D, C-E和C-F中的每一个，应认为以上这些都是从A，B和C ；D，E和F ； 以及实例组合A-D的内容揭示的。同样，也具体设想并揭示了上述的任何子集或组合。因 此，例如，具体设想了 A-E，B-F和C-E的亚组，并应认为它们是从A，B禾Π C ；D, E和F ；以及 实例组合A-D的内容揭示的。这种概念应用于本内容的所有方面，包括但不限于组合物的 任何组分以及所揭示组合物的制备方法和使用方法中的各步骤。因此，如果存在可执行的 多个附加步骤，应当理解，可通过所揭示方法的任一特定方面或各方面的组合来执行这些 附加步骤的每一个，而且可具体构想每一个这样的组合且应当认为已对其进行了揭示。在本说明书和下面的权利要求书中提到许多术语，这些术语具有以下含义如本文中所用，单数形式的“一个”、“一种”和“该”包括复数指代形式，除非文中另有明确说明。因此，例如，提到“化合物”包括具有两种或更多种这类化合物的方面，除非 文本中有另外的明确表示。“任选的”或“任选地”表示随后描述的事件或情形会或不会发生，而且该描述包括 事件或情形发生的实例和事件或情形不发生的实例。在本文中，范围可以表述为自“约” 一个具体值始和/或至“约”另一个具体值止。 当表示这样一个范围的时候，另一个方面包括从一个特定值和/或到另一特定值。类似地， 当使用前缀“约”表示数值为近似值时，应理解，具体数值形成另一个方面。应该进一步理 解，范围的各端点不管与另一个端点相关还是独立于该另一个端点，都是有意义的。如本文所用，除非有相反的具体陈述，否则，组分的“重量％ ”或“重量百分数”或 “重量百分比”表示组分的重量相对于包含该组分的组合物的总重量的百分比。在本文中，双电层电容器，8卩"EDLC“表示任意的设计用来储存电荷的装置，其包 括例如超级电容器(supercapacitor)，超高电容器(ultracapacitor)，具有标准胶冻卷设 计、棱柱设计、蜂窝状设计、混合型设计或者本领域已知的其它设计的装置。在本文中，术语“混合”或“掺混”用来表示使得材料接触，以提供混合物。并未要 求混合物是均一的，或者混合物的任意组分以均勻的方式分散在混合物中。在本文中，术语“粉末”表示大量离散的颗粒。并不要求粉末或者形成所述粉末的 一种或多种离散的颗粒包含任意特定的组成，具有任意特定的形貌或能够自由流动。在本文中，术语“网络”表示一种或多种纤维状要素相互间隔地结合，由此可以至 少部分地缠住颗粒。在各种方面，网络可以形成和/或类似于网，例如蜘蛛网或蛛网，并且/ 或者可以具有网格状结构。网络不一定包括任意给定的形状或形式，或者任意的一种或多 种要素可以以规则的间隔连接。如上文简单介绍的，本发明揭示了一种用来制造碳和纤维状聚合物组合物的方 法，所述组合物适合用于例如电气装置中的电极和其它部件，所述电气装置是例如双电层 电容器。用来制造电极的常规方法可以包括形成碳材料、液体和粘结剂(例如PVDF)的浆 液。可以将所述浆液涂覆在市售的涂覆有石墨的铝集电器上，然后进行加热和/或施加真 空，从而除去液体。其它的方法包括使用微粒状PTFE材料，该材料需要进行很强的加热处 理，例如加热至250°C，从而烧结PTFE材料，并为电极结构提供足够的强度。所述常规制备 的电极通常具有高孔隙率，而且制备所述电极需要高温，这些都是人们所不希望的，这样可 能导致相对于本发明的组合物和方法获得较低的能量密度。另外，通常使用粘合剂将电极 带粘合于集电器。所述粘合剂会导致电极结构内具有高内部电阻。其它常规的方法包括使 用一些技术对微粒状PTFE和碳的干混合物进行制纤，但是这些方法会制得聚集的颗粒和 不均勻的电极，需要进行高温加热而将电极与集电器连接。在各种方面，本发明的方法包括使得纤维状聚合物材料与碳材料接触，形成混合 物，使得该混合物与液体接触，形成浆液，然后形成包含所述浆液的层。如本文所述，根据 所得的材料具体的组分以及预期的应用，可以将其它的变化和任选的步骤结合入所述方法 中。通过在本文所述的方法中使用纤维状聚合物材料可以提供缠结的碳块，其适合用于例 如电极结构，同时不需要使用其它的粘结剂材料和/或加工步骤，所述其它的粘结剂材料 和/或加工步骤可能会带来加工和/或性能方面的问题。5
本发明的纤维状聚合物材料可以是适合用于本文所述方法的任何纤维状聚合物 材料。在一个方面，所述纤维状聚合物材料可以在与碳材料接触的时候形成网络。在一个方面，所述纤维状聚合物材料可以包含大量独立的纤维和/或纤维束。在 另一个方面，大量独立的纤维的至少一部分的纵横比约大于1。在另一个方面，纤维中相当 一部分，例如约20，30，40，50，60，70，80，90，95或99重量％的纤维的长宽比约大于1。在另 外的方面中，任意一种或多种独立的纤维的长宽比可以约大于1，2，4，5，8，10，20，30，50或 更多。尽管不希望被理论所限制，但是认为具有高长宽比(例如约大于1)的纤维在与例如 碳材料接触(例如研磨)的时候，可以形成缠结。相反地，不满足长宽比约大于1的纤维可 以形成无缠结的自由流动的物质。在另一个方面，所述纤维状聚合物材料可以包含其中大 量独立的部分发生互连和/或缠结从而形成网络和/或网的聚合物材料。应当注意，纤维 状聚合物材料不一定包含离散的和/或分离的独立纤维，纤维状聚合物材料中的至少一部 分可以是成束的。在一个方面，本发明的纤维状聚合物材料不含或基本不含聚合物材料的聚集体和 /或团块。在另一个方面，至少一部分纤维状聚合物材料不含或基本不含聚合物材料的聚集 体和/或团块。本发明的纤维状聚合物材料可以包括适合用于例如电极的任何聚合物材料。 在一个方面，所述纤维状聚合物材料包含聚四氟乙烯(PTFE)。在一个具体的方面，所 述纤维状聚合物材料包含购自Ε. I.杜邦内穆尔公司(E. I.du Pont de Nemours and Company)的TEFLON 613A(例如美国特拉华州威名顿市的杜邦含氟产品公司(DuPont Fluoroproducts, Wilmington, Delaware, USA))。在另外的方面，所述纤维状聚合物材料可 以包含其它的聚合物材料。在另外的方面，所述纤维状聚合物材料可以任选地是包含其它 组分的组合物，例如包含粘结剂、加工助剂、无机填料、涂料或其组合。根据所用的具体组分以及制得的组合物的预期应用，本发明的纤维状聚合物材料 可以为任意合适的量。在一个方面，所述纤维状聚合物材料的含量足以与至少一部分的碳 材料形成网络和/或缠结。在另一个方面，所述纤维状聚合物材料的含量足以与全部或基 本上全部的碳材料形成网络和/或缠结。应当注意，任意的一种或多种碳颗粒的密度、长 宽比和尺寸可以变化，因此至少部分地与碳材料缠结所需的纤维状聚合物材料的量可以变 化。在各种方面，所述纤维状聚合物材料可以占所述碳和纤维状聚合物组合物的大约 2-50重量％，例如约2，3，4，5，8，10，15，20，25，30，35，40，45或50重量％。在其它的方面，所 述纤维状聚合物材料占所述碳和纤维状聚合物组合物的量可以约小于2重量％或约大于 50重量％。在其它的方面，所述碳与纤维状聚合物材料的比例可以约为20 1至1 20， 例如约为 20 1,18 1,15 1,12 1,9 1,6 1,3 1,1 1,1 3,1 6,1 9, 1 12，1 15，1 18 或 1 20;或者约为 12 1 至 6 1，例如约为 12 1,11 1， 10 1,9 1，8 1，7 1或6 1。在其它的方面，所述碳与纤维状聚合物材料的比例 可以约大于20 1或约小于1 20，本发明不限于任何特定的纤维状聚合物材料的比例或 浓度。纤维状聚合物材料可以在市场上购得，本领域技术人员可以很容易地选择适当的 纤维状聚合物材料，用于本发明的方法。
本发明的碳材料可以包括适合用于例如电极的任何碳材料。在各种方面，碳材料 可以包括炭黑，乙炔黑，活性碳，石墨材料，无定形碳，或其组合。在一个方面，碳材料包括活 性碳和/或活性碳与炭黑例如90 10或80 20的混合物。在另一个方面，所述碳材料 包括无定形碳。在其它的方面，所述碳材料包括任意一种或多种至少具有最低导电性的碳 材料。在另一个方面，所述碳材料可以包含其它的组分，例如添加剂、粘结剂、改性剂、涂料、 加工助剂、或其组合。本发明的碳材料可以包括用于制得的组合物预期用途的任意合适的形式和/或 形貌。如果碳材料或者一部分的碳材料包括粉末，则不一定该粉末能够自由流动或者具有 任意特定的松散性质。在另一个方面，所述碳材料的任意一种或多种独立的部分和/或颗 粒可以具有适合用于本发明方法的任意长宽比。在一个具体的方面，所述碳材料或其至少 一部分的长宽比适合在接触后至少部分地缠结在纤维状聚合物材料中。在各个方面，碳材 料或其一部分的粒度和/或平均粒度可以约为0. 1-100微米，例如0. 1,0. 2,0. 3,0. 5,1.0, 1.1，1.2，1.3，1.5,2,3,4,5,8,10，12，14，16，18，20，25，30，35，40，45，50，55，60，65，70，75， 80，85，90，95 或 100 微米；或者约为 1-50 微米，例如 1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，12，14，16，18， 20，25，30，35，40，45或50微米。在其它的方面，碳材料或其一部分的粒度和/或平均粒度 可以约小于0. 1微米，或者约大于100微米，本发明不限于任何特定的尺寸和/或平均尺 寸。根据所用的具体组分以及制得的组合物的预期应用，本发明的碳材料可以为任意 合适的量。在一个方面，本发明的碳材料的量能够在接触之后缠结或至少部分缠结在纤维 状聚合物材料中。在各种方面，所述碳材料可以占所述碳和纤维状聚合物组合物的大约 2-50重量％，例如约2，3，4，5，8，10，15，20，25，30，35，40，45或50重量％。在其它的方面，所 述纤维状聚合物材料占所述碳和纤维状聚合物组合物的量可以约小于2重量％或约大于 50重量％。在其它的方面，所述碳与纤维状聚合物材料的比例可以约为20 1至1 20， 例如约为 20 1,18 1,15 1,12 1,9 1，6 1，3 1，1 1，1 3，1 6，1 9， 1 12，1 15，1 18 或 1 20;或者约为 12 1 至 6 1，例如约为 12 1,11 1， 10 1,9 1,8 1，7 1或6 1。在其它的方面，所述碳与纤维状聚合物材料的比例 可以约大于20 1或约小于1 20，本发明不限于任何特定的碳材料的比例或浓度。碳材料可以在市场上购得，本领域普通技术人员可以很容易地选择适当的碳材 料，用于本发明的方法。在本发明各种方法的第一步中，使得碳材料和纤维状聚合物材料接触。在一个方 面，将至少一部分碳材料和至少一部分纤维状聚合物材料混合。在另一个方面，将所有的或 基本上所有的碳材料和纤维状聚合物材料混合。在各种方面，如果进行混合步骤，则混合步 骤可以包括用来提供具有适于预期应用的性质的碳和纤维状聚合物组合物所需的任意程 度的混合。在一个具体的方面，例如在球式混合器中将碳材料和纤维状聚合物材料混合一 段时间，使得至少一部分碳材料缠结在纤维状聚合物材料中。在各种具体的方面，如果进行 混合步骤，则所述混合步骤的时间可以变化，可以例如约为10秒至2小时。在其它的方面， 如果进行混合步骤，则混合步骤的时间可以约小于10秒或约大于2小时，这取决于具体使 用的组分和制得的组合物预期的应用。类似地，混合和其中施加的作用力(例如剪切力)的 种类可以变化。在一个方面，可以在球磨机中，使用例如玛瑙介质，对碳材料和纤维状聚合物材料进行混合，例如混合速度约为10-1，OOOrpm，例如约为10，20，50，100，200，300，400， 500，700,900 或 1，OOOrpm ；约 200-500rpm,例如约 200，250，300，350，400，450 或 500rpm ；或 者约 300-400rpm,例如约 300，310，320，330，340，350，360，370，380，390 或 400rpm。在一个方面，所述使得碳材料和纤维状聚合物材料接触的步骤是在不存在任何液 体的情况下进行的。在另一个方面，碳材料和纤维状聚合物材料中的至少一种在接触的时 候是干的，或者基本上是干的。在另一个方面，当接触的时候，碳材料和纤维状聚合物材料 都是干的或者基本上是干的，在没有加入液体的情况下进行所述接触步骤。作为本文所述的任意具体的接触和/或混合技术的补充或替代，可以使用其它的 接触和/或混合技术，例如搅拌、研磨、球磨和介质研磨分散。在接触之后，至少一部分碳材料会被缠结在所述纤维状聚合物材料的一部分之 内。在一个方面，所述缠结可以形成网络。在另一个方面，至少很大一部分的碳材料会被缠 结在纤维状聚合物材料的网络内，因此在例如组合物的处理过程中无法自由流动。在各种方面，本发明方法的第二步包括使得碳材料和纤维状聚合物材料的混合物 与液体接触。所述液体可以是任何适合用于本发明所述方法的液体。在一个方面，所述液 体包括极性分散介质，非极性分散介质，或者它们的组合。在另一个方面，液体的蒸气压和 /或沸点使得能够通过例如蒸发很容易地从混合物中除去全部或至少一部分的液体。在一 个具体的方面，所述液体包括异丙醇。在另一个方面，所述液体包括异丙醇和水。与所述碳和纤维状聚合物材料的混合物接触的液体的量可以根据以下因素变 化例如具体的组分及其性质(例如碳材料的表面积)，化学相容性，所需的分散水平，以 及制得的组合物预期的应用。在一个方面，液体的含量可以使得固体和液体的重量比约为 10 1至 1 10，例如约为 10 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1， 1 1，1 2，1 3，1 4，1 5，1 6，1 7，1 8，1 9 或 1 10 ；或者约为 1 2 至1 4，例如约为1 2，1 3或1 4。在一个具体的方面，液体的含量使得固体和液 体的重量比约为1 3。在一个方面，可以任选地对所述液体以及碳和纤维状聚合物材料的混合物进行另 外的混合步骤，例如球磨一段时间。在一个方面，尽管不希望被理论限制，通过在碳和纤维 状聚合物材料的混合物中加入例如异丙醇之类的液体，可以有助于碳材料和纤维状聚合物 材料的分散。在各种方面，通过向碳和纤维状聚合物材料的混合物中加入液体可以提供高 水平的分散并且/或者使得碳和纤维状聚合物材料均勻或基本均勻地分散在液体中。在与液体接触之后，可以将制得的碳、纤维状聚合物材料和液体的混合物形成一 个层。所述制得的混合物的层可以具有任意适于预期应用的厚度和/或几何学性质。在一 个方面，层包含带状形式的所得的组合物。形成所得的混合物的层的机理可以根据预期的应用变化。在一个方面，可以对制 得的混合物进行挤出。在另一个方面，可以通过机械方式和/或自动化方式将制得的混合 物铺展。在一个方面，所述层或其至少一部分可以具有均勻的或者基本均勻的厚度、宽度和 组成。在另一个方面，所述层或其至少一部分可以具有厚度、宽度、组成中的至少一种或其 组合的梯度。在另一个方面，在层的任意部分上，厚度、宽度和/或组成中的至少一种可以 例如随机变化。形成制得的混合物的层的步骤可以任选包括将至少一部分制得的混合物沉积在基材上。如果使用基材的话，基材可以包含适合用于预期应用的任意材料和尺寸。在一个 方面，基材包含吸收介质。在一个具体的方面，基材包含多孔介质，例如纸带。在另一个方 面，基材能够从制得的混合物吸收至少一部分液体。在另一个方面，基材能够从制得的混合 物吸收所有的或者基本上所有的液体。在一个方面，可以将一部分制得的混合物铺展在基材的一部分上。在另一个方面， 具有相同或不同的组成和尺寸的第二基材可以设置在铺展的未与基材接触的混合物的表 面上。在此方面中，所述基材和第二基材可以以至少部分重叠对齐的方式设置，一部分铺展 混合物设置在它们之间。在将一部分制得的混合物沉积在基材和任选的第二基材上之后，可以任选地对层 叠的组合物进行压制和/或机械处理，例如用辊处理，以使其具有至少一种物理性质，或者 对其至少一种物理性质进行调节。在一个方面，可以使用机械辊形成具有均勻的厚度的层 叠组合物。在一个方面，层叠的结构的厚度最高约为12密耳，例如为1，2，3，4，5，6，7，9，10 或12密耳。在一个具体的方面，可以使用机械辊形成厚度约为5密耳的层叠结构。应当注 意，层叠结构的任意部分的具体厚度可以根据所需的应用变化，本发明不仅限于任意特定 的厚度。在另一个方面，如果进行压制和/或机械处理步骤，则所述压制和/或机械处理步 骤可以有助于将液体从碳和纤维状聚合物材料层吸收入基材和任选的第二基材中。图1的 电子显微照片显示了示例性的碳和纤维状PTFE聚合物的辊压混合物。在另一个方面，可以使用至少一个集电器，可以形成层叠的结构的一部分。在一个 具体的方面，可以将集电器设置在与制得的混合物的至少一部分接触的位置。如果使用集 电器，则集电器可以包含任意合适的材料。在一个方面，集电器包含铝。在另一个方面，集 电器包含涂覆了石墨的铝材料。集电器和集电器材料可以在市场上购得，本领域普通技术 人员可以很容易地选择合适的集电器和/或集电器材料。在一个具体的方面，所述基材和第二基材都是纸，随后可以将其除去，使得沉积和 /或设置在基材和第二基材之间的混合物可以例如辊压在集电器上。在另一个具体的方面， 基材和第二基材中的至少一种可以是纸，剩下的基材是集电器。在另一个具体的方面，基材 和第二基材中的至少一种可以是集电器，剩下的基材是分隔件。需要注意的是，如果存在基 材和/或第二基材，则基材和第二基材的称呼可以互换使用，任何包括在基材上进行沉积 的具体方法步骤可以包括例如在第二基材上进行沉积。在另一个方面，可以任选地对包括集电器的层叠结构进行辊压处理，例如在两个 辊之间进行辊压处理，从而例如在碳和纤维状聚合物材料电极以及一个或多个集电器之间 建立和/或改进粘着性。由本发明的碳和纤维状聚合物材料制备的电极在例如操作条件下的热学性质和 机械性质可以比常规制备的电极更稳定。在其它的方面，根据本文所述的各种方法制备的 电极当用于电气装置的时候可以提供一种或多种性能上的优点。本文所述的方法还可以提 供一种或多种优于常规制备方法的优点，例如改进的碳分散，均勻或基本均勻的电极结构， 碳的有效利用，电极的低的内部电阻和接触电阻，无需对组合物进行加热以烧结PTFE颗 粒，电极材料和集电器之间良好的粘着性，或者这些情况的组合。根据本发明的方法制备的电极可以用于任意合适的电气装置，例如用于双电层电 容器。可以将如本文所述制造的电极结合入EDLC中，获得提高的电能密度以及特定的功9率。如前文所讨论，EDLC可以包括任何设计用来储存电荷的装置，包括例如标准胶冻卷设 计，棱柱设计，蜂窝状设计，混合型设计(例如一个电极是碳，另一个电极是准(pseudo)电 容材料，例如金属氧化物，导电性聚合物等)，超级电容器，超高电容器，或者本领域已知的 其它设计。另外，本文所述的使用碳材料的EDLC可以通过任何种类的常规方法构建。所述 电极可以任选地浸渍在电解质溶液中。所述电解质溶液可以包含i)溶解在有机液体(即 乙腈(AN)，碳酸丙烯酯(PC))中的盐(即Me3EtN+, MeEt3N+, EtN—，BF4_，PF6O或其它本领域 已知的物质， )水性液体中的盐(即KOH或无机酸，例如H2SO4)或iii)离子性液体(即 TEA-TFB)和本领域已知的其它电解质。可以将电极与两个金属集电器接触，置于两个金属 集电器之间。对于流体或可压缩的电解质，可以在电极之间设置分隔件或者隔离件，电解质 可以从该分隔件或隔离件中渗透过，以防止短路。如以下实施例所示，用包含通过本文所述的方法制造的碳材料的电极组装的EDLC 可以制得能量密度至少约为9Wh/l、最高约为例如14-16Wh/l或更高的EDLC。所述EDLC的 具体功率可以约大于3，000瓦/千克，可以大于7，000瓦/千克。虽然详细描述说明了本发明的一些方面，但是应理解，本发明不限于揭示的方面， 在不偏离由以下权利要求书提出和限定的本发明的精神条件下能够进行各种重排、修改和替换。实施例为进一步说明本发明的原理，提供以下实施例，以向本领域普通技术人员提供对 本发明要求保护以及评价的组合物、制品、装置和方法的完整说明和描述。这些实施例仅用 来提供对本发明的示例，并不是要限制本发明人视为其发明的内容的范围。已经努力保证 数字(如，量，温度等)的准确性，但是应说明存在一些误差和偏差。除非另有说明，否则， 温度按。C表示或是环境温度，压力为大气压或接近大气压。可以采用的工艺条件有许多变 化或组合，以达到最佳的产品质量和性能。仅需要合理的和常规的实验方法来优化这样的 工艺条件。实施例1-层叠结构的制备在第一实施例中，根据本发明由PTFE材料和碳材料制备层叠结构。可以根据美国 专利公开第2008/0024%4号所述的方法制备碳材料，该文献全文参考结合入本文中，具体 描述了碳材料及其制备方法。PTFE高长宽比材料和碳材料以9 1的比例(碳ΡΤ^)混 合，然后使用玛瑙介质在大约340rpm的转速下研磨大约10分钟，从而允许将碳颗粒机械结 合入PTFE材料中。然后向混合物中加入异丙醇，使得固体与液体的比例约为1 3。然后 所述混合物再次在大约340rpm的转速下研磨大约10分钟，以制得稠糊料。然后将所述糊 料铺展在纸基材上，用另一个纸基材覆盖。然后用机械辊对所述纸和糊料组合物进行辊压。 异丙醇部分吸收在纸中，制得薄的带材。所述带材在辊之间辊压多次，以控制其厚度，将厚 度缩小到5密耳。制备了两个所述带材，将涂覆有石墨的市售antellicoat)铝集电器置于 两个带材之间，所述组件在两个辊之间进行辊压，从而在电极带和集电器之间产生粘着性。 由此形成的电极表现出极佳的均一性以及带材与集电器之间的良好粘着性。通过将所述电 极带浸没在TETA-TFB的乙腈电解质溶液中浸泡五天，从而检测带材与集电器之间的粘着 性。所述浸没测试不会导致带材从集电器分层或者碳颗粒从带材上分离。带材和集电器之间保持牢固的键合。由该电极制造了钮扣电池样品，用来测量能量密度和ESR，以评价电极的性能。获 得的能量密度为17Wh/l，ESR为0.8欧姆。这些性能值表明电极能够良好地工作。实施例2-层叠结构的另一种制备在第二实施例中，利用另一种制备方法来制备层叠结构。利用以上实施例1所述 的方法制造层叠结构，不同之处在于，使用的液体介质是异丙醇与蒸馏水重量比2 1的混 合物。该方法也能够与实施例1的电极一样良好地工作和加工。能量密度和ESR性质分别 为16. 5ffh/l和1欧姆，再次表明其具有极佳的性能。实施例3-层叠结构的第二替代制备在第三实施例中，利用另一种制备方法来制备层叠结构。使用以上实施例1所述 的方法制备层叠结构，不同之处在于，所述固体包含比例为8 1的活性碳材料和炭黑。可 以根据美国专利公开第2008/0024%4号所述的方法制备活性碳材料，该文献全文参考结 合入本文中，具体描述了碳材料及其制备方法。再次以碳炭黑PTFE = S 1 1的比 例加入PTFE。通过该方法制造的电极的能量密度为17Wh/l，ESR为1欧姆。该实施例表明 电极可以包含提高导电性的添加剂。实施例4-第三种替代的制备方法在第四实施例中，对一种用来制备层叠结构的方法进行了放大。在研磨机中对 PTFE和碳的混合物进行干态处理，然后与液体混合，形成上文所述的浆液。然后在两个吸收 基材之间对浆液进行处理，形成预成形体，对该预成形体进行辊压，以进一步控制电极带的 厚度、宽度和其它的参数。在吸收基材之间进行第一次辊压之后，例如在金属箔和/或塑料 膜之间进行随后的辊压。然后将带材辊压在金属集电器上，使得带材与集电器机械粘合起 来。对本文描述的组合物、制品、装置和方法可作出各种修改和变化。考虑到本文揭示 的组合物、制品、装置和方法的说明和实施，本文描述的组合物、制品、装置和方法的其它方 面将是显而易见的。本发明人的意图是，本说明书和实施例被认为是示例性的。
权利要求
1.一种方法，其包括a)使得纤维状聚合物材料与碳材料接触，形成混合物；b)使得a)中形成的混合物与液体接触，形成浆液；然后c)形成包含所述浆液的层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述b)中的接触包括球磨。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成包含所述浆液的层的步骤包括将 至少一部分所述浆液沉积在基材上。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将第二基材按照与所述基 材至少部分重叠对齐，并且相反设置的方式定位，从而形成层叠的结构。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基材、第二基材、或其组合中的至少一 种包含吸收材料。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基材、第二基材、或其组合中的至少一 种包括纸。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基材或第二基材中的至少一种包括纸， 所述基材或第二基材中的至少一种包括集电器。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基材或第二基材中的至少一种包括集 电器，所述基材或第二基材中的至少一种包括分隔件。
9.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括对层叠的结构进行辊压。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a)中形成的混合物包含位于聚合 物材料的互连网络中的大量碳颗粒。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a)中形成的混合物是干的或者基本上 是干的。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维状聚合物材料包含大量独立分开 的纤维。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维状聚合物材料不含聚集体或者基 本不含聚集体。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维状聚合物材料包括聚四氟乙烯。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液体包括异丙醇。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳材料包括炭黑、石墨、乙炔黑、活性 碳或其组合。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳材料包括由未固化的、合成的、不可 石墨化的碳前体形成的组合物。
18.—种通过如权利要求1所述的方法制造的层。
19.一种电极，其包括如权利要求18所述的层。
20.一种双电层电容器，其包括如权利要求4所述的层叠的结构。
全文摘要
本发明提供了一种方法，该方法包括使得纤维状聚合物材料与碳材料接触，形成混合物，使得所述混合物与液体接触，形成浆液，然后形成包含所述浆液的层。本发明还揭示了由所述方法形成的层，包含所述层的电极，以及包含所述层和/或电极的电气装置。
文档编号H01G9/058GK102047360SQ200980120174
公开日2011年5月4日 申请日期2009年5月14日 优先权日2008年5月29日
发明者J·F·麦齐, K·P·加德卡里 申请人:康宁股份有限公司