一种电极涂覆的方法
【专利摘要】本发明涉及一种电极涂覆的方法，属于电化学储能【技术领域】。该方法是用蒸涂法把电极活性物质、导电物质和粘接剂的分散液涂覆到电极上。蒸涂法涂覆的电极表面平整，具有大量错落的细纹。从侧面观察，电极材料与电极基材结合牢固，不易脱落，而电极材料内部则相对疏松，更有利于电解液的浸入。这样的结构有利于电极高效的重复利用。蒸涂法具有易操作、低成本的优点，用该方法制备的电极拥有相对较高的电化学性能。
【专利说明】一种电极涂覆的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电极涂覆的方法，属于电化学储能【技术领域】。
【背景技术】
[0002]作为电化学装置的重要部件，电极需要具有良好的稳定性，这关系到电化学装置的使用寿命。电极材料是否能在电极上稳定存在而不脱落决定了电极能否长期使用。所以，改进电极的制备工艺，增强电极的循环稳定性，提高电极的使用寿命是一个值得研究的方向。
[0003]把活性物质涂覆到电极基材上，制备牢固有效，可长期使用的电极板是电极能够在实际应用中稳定使用的关键步骤。目前，电极活性物质通常是通过聚四氟乙烯、聚偏四氟乙烯等粘接剂粘接到电极基材上的。添加的粘接剂过少时，活性物质与电极基材粘接不牢，在使用过程中容易脱落，这不仅造成原材料的浪费，而且会污染设备，并造成二次污染。然而使用过量的粘接剂又会使电极板的内阻增大，这会在电化学设备使用中消耗大量的能量，并造成效率低下。另外，添加过多的粘接剂还会使活性物质容易粘接成块，使电解液能接触到的电极活性物质的量大大降低，导致电极板的适用性降低。从制备工艺上说，要使过量的粘接剂分散开来，大量的溶剂是必须的，这不但增加了电极制备的成本而且也使得电极制备工艺复杂，耗时长。因此，急需找到一种合适的电极制备方法，在加入较少的粘接剂情况下，保证电极材料能牢固的粘接在基材上，同时可以使得电极的制备相对容易，具有较低的电极制备成本和较高的电极性能。
[0004]目前把电极活性物质涂覆到基材上有很多种方法。典型的有压覆法和喷涂法。压覆法即采用压力将活性物质压到基材上。该方法要求压覆的混合物具有一定的粘稠度，因此溶剂不能过多，这就导致粘接剂在混合物中不容易分散好。另外，在向电极施加压力时容易使电极活性物质与电极基材之间的结合力变弱甚至直接分离。而喷涂法是将电极活性物质与粘接剂的混合物汽化后喷到电极基材上。这种方法的局限性较大，在汽化过程中，溶剂挥发过快会导致活性物质在空气中直接被干燥，并被气流吹走，喷涂到基材的活性物质很少，浪费原料。另外，这个方法对设备要求相对过高，且喷枪喷嘴在使用过程中容易堵塞，难以清洗。最后，喷涂过程中需要施加高压，设备要求复杂，操作也很麻烦。基于此，为了制备高性能的，可多次使用的电极，急需一种有效的，方便的电极涂覆方式。
【发明内容】
[0005]本发明目的是为了解决现有电极制备技术中电极材料与电极极板结合不够好的问题，提供一种电极涂覆的方法。
[0006]本发明目的是通过下述技术方案实现的。
[0007]一种电极涂覆的方法，具体步骤如下:
[0008]步骤一、将活性物质和导电材料加入到溶剂中混合均匀；活性物质和导电材料的质量比为10?90:5?50 ;然后再加入粘接剂悬浮液，超声分散，混合均匀，得到活性物质悬浮液；活性物质、导电材料、粘接剂的质量比为10?90:5?50:0.5?20 ;
[0009]步骤二、将电极基材置于平板上方，平板下方配有加热装置或平板自加热装置；
[0010]步骤三、将步骤一所得的活性物质悬浮液逐渐滴加到电极基材上，每次滴加后待溶剂挥发完全后继续滴加，直至滴完；干燥后得到涂覆好的电极片；
[0011]所述活性物质为:活性炭、石墨烯、碳纳米管、碳气凝胶、碳复合材料；
[0012]所述导电材料为:乙炔黑、导电碳黑、导电高分子材料；
[0013]所述基材为:碳纸、碳布以及铝板；
[0014]有益效果
[0015]1、本发明所述的电极涂覆的方法，采用了边涂覆边蒸发的原理将电极材料涂覆到电极基材上。该方法可有效地提高电极材料与电极基板之间的结合力，很好地解决了电极制备中电极材料与电极极板结合不够好的问题，使电极材料不至于因过度使用而脱落，提高了电极的循环使用寿命。
[0016]2、本发明所述的电极涂覆的方法，采用的是逐步滴加的方式，制备所得的电极表面电极材料相对疏松，这有利于电化学过程中电解液的渗入，减少了电极材料因堆叠过于紧密而难与电解液接触的现象，使更多的电极材料在电化学应用中发挥了作用。
[0017]3.本方法设备简单，操作简单。由于添加的分散剂较少，所以后期溶剂挥发时间较短。节约了电极制备的时间，提高了制备效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为A电极表面照片；
[0019]图2为B电极表面照片；
[0020]图3为C电极表面照片；
[0021 ]图4为A电极侧面的扫描电镜照片；
[0022]图5为B电极侧面的扫描电镜照片；
[0023]图6为C电极侧面的扫描电镜照片；
[0024]图7为A电极进行500次循环伏安测试后的表面照片；
[0025]图8为B电极进行500次循环伏安测试后的表面照片；
[0026]图9为C电极进行500次循环伏安测试后的表面照片；
[0027]图10为A、B、C三种电极的循环伏安曲线图；
[0028]图11为A、B、C三种电极的电吸附曲线图；
[0029]图12为D电极表面照片；
[0030]图13为D电极循环伏安曲线图；
[0031]图14为E电极表面照片；
[0032]图15为E电极循环伏安曲线图；
[0033]图16为F电极表面照片；
[0034]图17为F电极循环伏安曲线图。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。[0036]实施例1
[0037]称取425mg活性碳(TF-B818，上海合达炭素材料有限公司)和50mg导电炭黑，并使其均匀分散于30mL乙醇中。向上述分散液中加入404mL的16%的聚四氟乙烯悬浮液，然后超声分散0.5h使其均匀；裁剪IOcmX 5cm的碳纤维纸(北京吉兴盛安工贸有限公司)作为电极基材；将电极基材水平放置在一清洁的玻璃板上，玻璃板下采用水蒸汽方式加热，温度控制在80?90°C。把配制好的分散液逐滴滴加到电极基材上，每次滴加后待溶剂挥发完全后继续滴加，直至滴完。滴加面积控制为5cmX5cm ;将涂覆好的电极片放入60°C的真空干燥箱中干燥48h。得到涂覆好的电极片(记为A电极)。
[0038]为了更好的说明本发明所述的蒸涂法的优越性，我们另外还采用传统的压覆法和喷涂法制备了电极。
[0039]压覆法的制备:称取与上述方法相同质量比的活性碳和导电炭黑加入研钵中，并使其分散于25mL的乙醇中，然后加入与上述方法相同比例的粘接剂。最后微热，浓缩混合液直至浓浆液状态，然后逐渐涂覆到电极基材上，压实。同样在60°C的真空干燥箱中干燥48h，备用(记为B电极)。
[0040]喷涂法的制备:称取与上述方法相同质量比的活性碳和导电炭黑，分散于50mL以上的乙醇中，并按上述方法中的比例加入粘接剂。然后分步倒入喷枪的容器中，在一定压力下，将活性物质喷涂到电极基材上。并在60°C的真空干燥箱中干燥48h，备用(记为C电极)。
[0041]以上三种方法均制备一对电极以供测试使用。
[0042]1、表面形貌
[0043]米用三种不同方法制备的电极表面形貌相差较大，如图1?3所不。C电极表面致密，没有任何裂纹，这不利于电解液浸入到电极内部，不能使电极上的电极材料得到充分利用电极表面相对致密，存在少许裂纹，且裂纹分布不均匀，电极相对致密的地方，电解液渗入相对困难，裂纹分布不均容易导致电极材料的大面积脱落；而A电极表面有大量分布均匀的裂纹，这使得电极可能在电化学应用中获得更好的性能。
[0044]2.微观结构
[0045]从图4?6可以看出，C电极的电极材料与碳纤维纸黏合的很紧，从电极片的厚度可以看出该电极相对较薄，这表明电极材料之间结合相对紧密。B电极具有明显的碳纤维纸和电极材料的粘接面，表明两者结合不好。另外电极材料之间相对疏松，但由于制备过程中施加压力致使其上表面相对致密。A电极的侧面照片中没有明显的碳纤维纸和电极材料的粘接面，显示了两者之间良好的结合性。更为重要的是，其电极表面的电极材料具有疏松的结构。综上，本发明提供的蒸涂法可以使电极材料与电极基板结合的更好，但又不使电极材料相对致密。
[0046]3.电极稳定性
[0047]电极材料在电极上的稳定性关系到电极的使用寿命。为了探讨用三种方法制备的电极的稳定性，我们把三个电极在溶液中做了 500次循环伏安测试，然后取出，烘干。图7?9为三个电极在电化学测试后的表观形貌照片。与图1?3相比，A电极和C电极在测试前后表观形貌没有明显变化，而B电极在测试后有部分脱落。这是因为在电极制备过程中电极材料与石墨片之间结合力较弱的缘故，另外其表面也增加了许多裂纹。电极稳定性的分析说明A电极和C电极具有较好的稳定性，这有利于电极的长期使用。[0048]4.超级电容器性能
[0049]为了说明蒸涂法作为电极的制备方法在电化学应用中的优势，我们把用三种方法制备的电极做了超级电容器性能的比较。图10是三个电极在0.5mol/L的NaCl溶液中活化12~48h后，以0.01V/s的扫描速度测试的循环伏安曲线，其中曲线1，2，3分别表示A，B和C电极测试的曲线。根据比电容公式:
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VW (Va — Vc ) jVa
[0051](其中V为扫描速率，w为活性物质质量，Va和Vc分别表示起始电位和终止电位，I为电流，V为电压)。三种方法制备的电极的比容量分别为14.54mAh/g(A电极)，10.27mAh/g (B电极)和6.42mAh/g (C电极)。A电极具有最大的比电容，这是因为A电极表面的电极材料相对疏松，内部能形成更多的双电层，进而产生更大的比电容。
[0052]5.电吸附性能
[0053]为了探讨该电极的电吸附能力，我们配制了初始电导率为2020μ S/cm的NaCl溶液，用于进行电吸附离子测试。测试的盐溶液体积为25mL，极板间距离为1mm，操作电压为
1.5V，流速为8mL/min。将用三种方法制备的电极插入电容除盐装置，给两极板加上1.5V的外加电压，测试溶液电导率随时间的变化。当电吸附达到饱和后，把正、负极板短接，接着测试离子从电极脱附过程中电导率的变化。图11给出了使用三种方法制备的电极进行电容除盐测试时，溶液的电导率在130min内的变化图。其中曲线1，2，3分别表示利用A电极，B电极和C电极测试的曲线。
[0054]从图6中可得不同电极除盐的最低电导率；从开始测试到电导率第一次回复到初始电导率时间记为一次除盐周期；并计算单位质量的活性碳吸附的离子质量。所得数据见表1。
[0055]表1
【权利要求】
1.一种电极涂覆的方法，其特征在于:具体步骤如下: 步骤一、将活性物质和导电材料加入到溶剂中混合均匀；活性物质和导电材料的质量比为10?90:5?50 ;然后再加入粘接剂悬浮液，超声分散，混合均匀，得到活性物质悬浮液；活性物质、导电材料、粘接剂的质量比为10?90:5?50:0.5?20 ; 步骤二、将电极基材置于平板上方，平板下方配有加热装置或平板自加热装置； 步骤三、将步骤一所得的活性物质悬浮液逐渐滴加到电极基材上，每次滴加后待溶剂挥发完全后继续滴加，直至滴完；干燥后得到涂覆好的电极片。
2.如权利要求1所述的一种电极涂覆的方法，其特征在于:所述活性物质为:活性炭、石墨烯、碳纳米管、碳气凝胶、碳复合材料。
3.如权利要求1所述的一种电极涂覆的方法，其特征在于:所述导电材料为:乙炔黑、导电碳黑、导电高分子材料。
4.如权利要求1所述的一种电极涂覆的方法，其特征在于:所述基材为:碳纸、碳布以及招板。
【文档编号】H01M4/04GK103915601SQ201410158175
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年4月18日 优先权日:2014年4月18日
【发明者】严乙铭, 陆国乾, 金林剑, 杨志宇 申请人:北京理工大学