[發(fā)明專(zhuān)利]一種自支撐復(fù)合電極

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810773291.6
• 申請(qǐng)日: 2018-07-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109244354B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-03-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 方海濤;許春陽(yáng);豐炳梅
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01M4/02
• 分類(lèi)號(hào): H01M4/02;H01M4/66;H01M4/80;B82Y40/00
• 代理公司: 哈爾濱龍科專(zhuān)利代理有限公司 23206
• 代理人: 高媛

一種自支撐復(fù)合電極，屬于電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域。所述的復(fù)合電極在垂直于復(fù)合電極表面的方向貫穿有陣列通孔結(jié)構(gòu)，復(fù)合電極由碳納米片與電化學(xué)儲(chǔ)能活性材料構(gòu)成的復(fù)合納米片組成，其中，碳納米片構(gòu)成復(fù)合電極導(dǎo)電支撐骨架，非碳的電化學(xué)儲(chǔ)能活性材料沉積在碳納米片表面，所述的復(fù)合納米片在垂直于復(fù)合電極表面方向?qū)訉佣讯狻１?a href="http://www.szxzyx.cn" title="鉆瓜專(zhuān)利網(wǎng)">發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：陣列垂直通孔結(jié)構(gòu)為電解液中的離子提供了通暢的擴(kuò)散通道，極大縮短了電解液中的離子在電極中的擴(kuò)散距離。擁有這種陣列通孔結(jié)構(gòu)的碳納米片與電化學(xué)儲(chǔ)能活性材料的復(fù)合致密電極兼顧具有高倍率性能、高面積比容量和高體積比容量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域，尤其涉及一種自支撐復(fù)合電極。

背景技術(shù)

隨著電子產(chǎn)品的高速發(fā)展，對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能器件的性能提出了更高的要求，希望用更小體積的器件儲(chǔ)存更高的能量，即具有高體積能量密度。高致密度電極是實(shí)現(xiàn)高體積能量密度電化學(xué)儲(chǔ)能的重要一環(huán)。

目前，碳納米片與各種電化學(xué)儲(chǔ)能活性材料的復(fù)合納米片(簡(jiǎn)稱(chēng)為碳/活性材料復(fù)合納米片)電極能夠?qū)崿F(xiàn)良好的倍率性能和非常高的質(zhì)量比電容，然而由于堆積密度低，單位體積復(fù)合納米片電極中含活性物質(zhì)較少，難以獲得高體積能量密度的儲(chǔ)能器件。讓碳/活性材料復(fù)合納米片沿電極表面方向平行堆垛，并在與納米片平面垂直方向上進(jìn)行機(jī)械壓實(shí)，可顯著提高碳/活性材料復(fù)合納米片電極的密度，但是由于平鋪堆垛的碳納米片平面與正負(fù)電極之間的電場(chǎng)方向垂直，電解液中的離子在電極內(nèi)的擴(kuò)散過(guò)程中需要繞過(guò)平鋪堆疊的碳納米片層，擴(kuò)散路徑曲折，擴(kuò)散距離顯著加長(zhǎng)，充放電時(shí)碳/活性材料復(fù)合納米片平面嚴(yán)重阻礙電解液中離子的擴(kuò)散，加劇極化，會(huì)顯著降低電極的倍率性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決平行于電極表面方向堆垛的碳/活性材料復(fù)合納米片平面嚴(yán)重阻礙電解液中離子擴(kuò)散，并由此導(dǎo)致倍率性能下降的問(wèn)題，提供一種在垂直于復(fù)合電極表面方向上貫穿有陣列通孔的自支撐復(fù)合電極。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：

一種自支撐復(fù)合電極，所述的復(fù)合電極在垂直于復(fù)合電極表面方向貫穿有陣列通孔結(jié)構(gòu)，復(fù)合電極由碳納米片與電化學(xué)儲(chǔ)能活性材料構(gòu)成的復(fù)合納米片組成，其中，碳納米片構(gòu)成復(fù)合電極導(dǎo)電支撐骨架，非碳的電化學(xué)儲(chǔ)能活性材料沉積在碳納米片表面，所述的復(fù)合納米片在垂直于復(fù)合電極表面方向?qū)訉佣讯狻?/p>

進(jìn)一步地，所述垂直于復(fù)合電極表面的陣列通孔結(jié)構(gòu)的通孔直徑在0.2～50μm范圍內(nèi)，每相鄰兩個(gè)通孔之間的距離在1～800μm范圍內(nèi)。

進(jìn)一步地，所述碳納米片的厚度滿(mǎn)足：100nm≥碳納米片的厚度≥單層石墨烯片的厚度，碳納米片平面方向尺寸≥50nm。

進(jìn)一步地，所述碳納米片在復(fù)合電極中的重量百分含量滿(mǎn)足：99％≥重量百分含量≥1％。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是：

(1)本發(fā)明通過(guò)在碳納米片/電化學(xué)儲(chǔ)能活性材料復(fù)合納米片致密電極中營(yíng)造垂直于電極表面的陣列通孔結(jié)構(gòu)，為電解液中的離子提供從電極表面到電極底部的自由擴(kuò)散通道，使得電解液中的離子在電極內(nèi)部擴(kuò)散路徑變短，能提升電極的倍率性能。即使當(dāng)碳納米片/電化學(xué)儲(chǔ)能活性材料復(fù)合納米片的電極較厚時(shí)，電解液中的離子依然可以途經(jīng)垂直通孔快速擴(kuò)散進(jìn)出電極內(nèi)部，電極的放電比容量不會(huì)隨著電極厚度的增加而迅速衰減，有利于使電極同時(shí)具有高倍率性能、高面積比容量和高體積比容量。

(2)電極設(shè)計(jì)成以碳納米片為骨架的自支撐結(jié)構(gòu)，避免使用常規(guī)電極制備工藝中的粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑和金屬集流體，減少了非活性物質(zhì)的占比，增加了活性物質(zhì)在電池結(jié)構(gòu)中的質(zhì)量占比，有利于提升電池的重量比能量。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的自支撐復(fù)合電極結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實(shí)施例1中石墨烯/TiO₂復(fù)合納米片自支撐復(fù)合電極的掃描電鏡圖；