[發明專利]一種多孔電極及其導電化處理的方法

有效

• 申請號: 201910064017.6
• 申請日: 2019-01-23
• 公開（公告）號: CN109786119B
• 公開（公告）日: 2020-01-07
• 發明（設計）人: 周昌林;汪磊;劉楊;陳衛豐;李永雙;李德江
• 申請（專利權）人: 三峽大學
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/30;H01G11/32;H01G11/38;H01G11/46;H01G11/86
• 代理公司: 42103 宜昌市三峽專利事務所
• 代理人: 成鋼

本發明涉及一種多孔電極及其導電化處理的制備方法和應用，在常規電極制漿涂覆工藝過程中引入植物纖維及納米纖維素，利用植物纖維和納米纖維素優良的吸水性和保水性，在電極材料干燥過程中形成三維網孔結構。并采用導電漿料進一步對多孔電極做浸潤涂覆處理，沿多孔電極三維孔網結構形成導電通路，提高電極導電性，顯著提升電容器或鋰離子電容器的能量密度與功率密度。其解決了電化學沉積、水熱法沉積等電極形貌控制技術與規模化生產之間的矛盾，解決了常規制漿涂覆工藝無法控制電極形貌等技術難題，同時制備過程具有高效、簡單等優點。

技術領域

本發明涉及一種提高超級電容器及鋰離子電容器能量密度及功率密度的方法，具體為采用纖維素及納米纖維素控制電極形貌及導電化處理方法。

背景技術

超級電容器基于雙電層和贗電容儲能機制，是一類功率密度高、充放電速率快的新型儲能器件，具有高功率(1000-10000W/kg)、長壽命(10000次循環后容量保持率仍達80％以上)、無污染等優點，但較低的能量密度(10Wh/kg)制約其發展。根據E＝1/2CV²，其E為能量密度，C為電極容量，V為電容電壓，對于提高超級電容器能量密度，目前大多數研究工作主要集中在提高電極活性材料的容量值和電容器的電壓。而在提高電極活性材料容量值方面，一方面合成新的活性物質來增加電容器的能量密度，另一方面通過水熱法、電化學沉積等方法直接在電極片上生長一維納米棒或晶須等控制電極形貌增加材料的有效比表面積來提高電容器能量密度等。雖然采用無粘結劑方法直接在惰性金屬電極采用沉積法、濺射法、模板法、燒結法等制備的電極形貌可控，但是電極活性材料負載量很小，且規模化生產困難。目前工業化生產電極一般采用制漿涂布工藝，但傳統制漿涂布電極制備方法對電極形貌控制性差。同時傳統制漿過程中，一般只采用活性材料、導電炭黑、PVDF及溶劑(NMP、DMF等)幾種原材料，無分散助劑等，很難保證電極材料的分散等性能。

對于納米結構導電性差的過渡氧化物等電極活性材料所面臨的最大問題就是高負載量與實際容量的矛盾。對于實際運用而言，活性物質負載量一般在2-10mg/cm²(20-100μm厚)，但在一些研究中，為了過多體現活性物質的容量值，單位面積活性物質負載量非常少，有些甚至低至0.009mg/cm²(僅0.06μm)，如此低的活性物質負載量雖然可以明顯增加活性物質與電解質的接觸界面，降低電極電阻，充分體現納米尺寸范圍的活性物質大比表面特性等，但是犧牲的是電容器的體積能量密度。往往在實際使用過程中儲能設備的體積是受到限制的。因此，解決電極活性材料導電性差、嚴重依賴電極厚度等問題，電極活性材料的導電化修飾及構建電極增強型電子傳送通路降低電極內阻是解決問題的關鍵，人們一直在尋找更好的解決方法。

發明內容

本發明目的就是為了解決現有制漿涂覆工藝中無法對電極形貌進行控制的難題，同時解決過渡金屬氧化物、氮摻雜碳材料及活性炭導電性差，電極內阻大等問題，提供一種簡單、有效的電極三維孔網形貌控制及降低電極內阻的方法。

本發明中，多孔電極的制備方法，具體技術方案是在常規電極制漿涂覆工藝過程中引入植物纖維和納米纖維素，利用植物纖維和納米纖維素優良的吸水性和保水性，在電極材料干燥過程中形成三維網孔結構。電極材料漿料含有如下質量份數比的組分：電極活性物質50～70份、導電炭黑5～10份、植物纖維1～20份、納米纖維素0.5～10份、聚乙烯醇0～5份、羧甲基纖維素0～5份、聚合物乳液0～10份、水200～5000份。

其中電極活性物質包括過渡金屬氧化物如二氧化錳、五氧化二釩、二氧化鈦、氧化鎳等，還包括碳材料如活性炭、石墨及氮摻雜活性炭及石墨材料等。植物纖維及納米纖維素是將木漿、草漿、蔗漿、棉漿、竹漿、回收廢紙漿中的任意一種經分散處理得到；或在處理過程中經水溶性聚合物如羧甲基纖維素、聚乙烯醇及疏水性乙烯基單體-(甲基)丙烯酸酯-丙烯酰胺共聚物接枝改性得到植物纖維或納米纖維素，改善植物纖維或納米纖維素的分散性及粘接特性。