專利名稱：一種粉末電極的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種粉末電極，屬于電化學技術領域。
背景技術：
現有技術大多數類型的超級電容器、一次和二次電池均采用固體粉末材料作為電 極活性物質。在化學電源領域，評價這些粉末活性材料電化學性能的優劣是生產和科研的 重要環節。當采用堿性電解液時，常見的粉末活性物質包括氧化鎳、氧化銀、氧化亞鈷、二氧 化錳、儲氫合金和活性炭等。為了評估它們的電化學性能，人們引入了多種電極測試技術， 常見的有粘結式電極、粉末微電極、單顆粒微電極和碳糊電極等。粘結式電極的結構與相應的電容器或電池產品中使用的電極結構大體相同，在實 際工作中被廣泛的研究。但其測試結果常不同程度受多種因素的影響，包括電極內部電勢 和電流分布的不均勻性，粉末活性材料尺寸的不均一性和電極制作工藝的不同等，因此，往 往不能真實地反映粉末活性材料本身的性質。采用粉末微電極技術(C.S.Cha，C.M.Li，H. X.Yang，P.F.Liu. Journal ofElectroanalytical Chemistry (1994)，368，47-54)來研究粉末活性材料時,具有簡便迅 速、清晰明了的特點。在粉末層較薄時，粉末微電極較易實現全部厚度中的均勻極化，同時 可完全消除添加劑的影響，使實驗結果相對較為可靠。可是，在堿性電解液中，較正的電位 區間通常伴隨著氧氣的析出，較負的電位區間通常伴隨著氫氣的析出，而氣體的析出很容 易導致粉末微電極微坑中活性材料的脫落。因此，粉末微電極只能在適當的電勢范圍和較 短的時間內研究粉末活性材料。此外，粉末活性材料在填入粉末微電極的微坑中時不可避 免的受到擠壓，這樣很容易破壞其外形和結構，使實驗結果失真。單顆粒微電極技術(Ho-SungKim, T. Itoh, M. Nishizawa, M. Mohamedi, M. Umeda, I. Uchida. International Journal of Hydrogen Energy (2002),27,295-300)禾U用—L 電極作集流體去接觸待研究的粉末活性材料，通過這一集流體來實現對單個顆粒的電化學 激勵和收集顆粒的電化學響應信號。單顆粒微電極技術能夠排除顆粒尺寸的不一致性對電 化學檢測信號的影響，可以對其電化學響應進行定量分析和數值模擬。但是，單顆粒微電極 技術的實驗裝置較為復雜，也很難研究粒徑在5 u m以下的顆粒和外形不規則的顆粒。而 且，在單顆粒微電極上獲得的電化學信號很容易受到氣體析出、震動等外界因素的干擾，整 個體系的穩定性低、數據重新性差。因此，在堿性電解液中，單顆粒微電極技術也不適合在 較寬的電勢范圍和較長的時間內使用。中國專利第CN101251505A和CN1138138C號報道的碳糊電極適合研究粉末活性材 料在電極表面的電化學過程，具有制備工藝簡單、背景電流低、響應時間短、易于更新和適 用電位范圍寬的特點。但在碳糊電極的制備過程中，金屬集流體和碳糊之間往往留有氣泡， 不僅造成接觸電阻增加，而且在使用過程中還容易出現因氣泡體積變化而引起的電極表面 形狀改變的現象，這些都會造成測試結果失真甚至導致實驗失敗。此外，在研究不同性質的 粉末活性材料時，碳糊必須重新制備，這樣一來增加了繁瑣的實驗步驟。發明內容本實用新型目在于，克服現有技術的不足，提供一種粉末電極。當采用堿性電解液 時，該電極適合在較寬的電勢范圍和較長的時間內使用，能夠快速、穩定而真實地反映粉末 活性材料本身的電化學性質。本實用新 型一種粉末電極的技術方案是它包括絕緣外殼、具有導電絲的集流體、 及用于將導電絲和集流體固定在絕緣外殼中孔中的密封絕緣芯；所述絕緣外殼有集流體的 一端上有空腔；所述空腔其底部是集流體的表面；空腔中嵌入有防水導電膜。進一步的技術方案為所述絕緣外殼為聚四氟乙烯絕緣材料制成的外殼；導電絲為金屬材料制成的導電 絲，并與集流體焊接，或導電絲與集流體為一整體；集流體為鉬制成的集流體；防水導電膜 和集流體面接觸；密封絕緣芯由密封絕緣膠注入后凝固而成。所述防水導電膜為防水導電碳膜，組成材料包括導電碳材料、石蠟及PTFE ；所述 密封絕緣膠為環氧樹脂；所述導電絲為鉬絲或銅絲或銀絲。所述導電碳材料選自于導電石墨、導電碳黑、導電碳纖維中的至少一種；所述石蠟 為微晶石蠟或固體石蠟。所述絕緣外殼中孔為通孔，空腔位于絕緣外殼有集流體的一端的端面上，孔深為 集流體端面與絕緣外殼的端面距離，孔徑大于或等于集流體的直徑；安裝導電絲的孔徑小 于或等于集流體的直徑。所述絕緣外殼直徑為5 50毫米、長度為40 110毫米；空腔孔深為0. 3 5毫 米；導電絲的直徑為0. 1 1毫米；集流體的直徑為0. 4 5毫米、長度為5 20毫米。所述空腔位于絕緣外殼有集流體的一端的側面上，該空腔與安裝集流體的孔連 通；絕緣外殼有集流體的一端的端面有工藝孔，或為實心。本實用新型的有益效果在于(1)本實用新型粉末電極可避免導電劑、粘結劑等添加材料對粉末活性材料電化 學性質的影響，從而真實準確地反映電極材料本身的性質；(2)將粉末活性材料部分嵌入防水導電膜表面能防止其在反應過程中脫落，通過 外界壓力使防水導電膜和鉬集流體緊密接觸可避免電極內部氣泡的產生，因此，當采用堿 性電解液時，該電極技術抗氣體析出、震動等外界因素的能力強，適合在較寬的電勢范圍和 較長的時間內使用；(3)本實用新型粉末電極技術對粉末活性材料的外形和尺寸沒有特殊要求，實驗 過程簡單迅速，單次實驗所需的樣品少，在研究不同性質的粉末活性材料時，無需重新制備 電極，僅需更換防水導電膜。
圖1是空腔5’位于絕緣外殼3有集流體4的一端的端面上的粉末電極的結構示 意圖；圖2是嵌入粉末活性材料后圖1所示的粉末電極的表面示意圖；圖3是空腔5’位于絕緣外殼3有集流體4的一端的側面上的粉末電極的結構示意圖。圖中標記對應的構件名稱為1-導電絲，2-密封絕緣芯，3-絕緣外殼，4-集流體， 5-防水導電膜，5’ -空腔，6-粉末活性材料，7-工藝孔。
具體實施方式為能進一步了解本實用新型的發明內容、特點和有益效果，茲通過實施例并結合 附圖對本實用新型作詳細說明。實施例1 如圖1、2所示，是空腔5’位于絕緣外殼3有集流體4的一端的端面上的粉末電極 的結構。它有一個絕緣外殼3，還有一個具有導電絲1的集流體4、及用于將導電絲1和集 流體4固定在絕緣外殼3中孔中的密封絕緣芯2 ；所述絕緣外殼3有集流體4的一端上有空 腔5’ ；所述空腔5’其底部是集流體4的表面；空腔5’中嵌入有防水導電膜5。所述絕緣外 殼3為聚四氟乙烯絕緣材料制成的外殼；導電絲1為金屬材料制成的導電絲，并與集流體4 焊接，或導電絲1與集流體4為一整體；導電絲1的直徑小于集流體4的直徑；集流體4為 鉬制成的集流體；防水導電膜5和集流體4面接觸；密封絕緣芯2由密封絕緣膠注入后凝固 而成。所述防水導電膜5為防水導電碳膜，組成材料包括導電碳材料、石蠟及PTFE ；所述密 封絕緣膠為環氧樹脂；本實施例所述導電絲1選為銅絲并與集流體焊接，也可以選銀絲或 鉬絲。所述導電碳材料選自于導電石墨、導電碳黑、導電碳纖維中的至少一種；所述石蠟為 微晶石蠟或固體石蠟，本實施例選為固體石蠟。所述絕緣外殼3中孔為通孔，空腔5’位于 絕緣外殼3有集流體4的一端的端面上，孔深為集流體4端面與絕緣外殼3的端面距離，孔 徑大于或等于集流體4的直徑；安裝導電絲1的孔徑小于或等于集流體4的直徑。所述絕 緣外殼3直徑為5 50毫米、長度為40 110毫米；空腔5’孔深為0. 3 5毫米；導電絲 1的直徑為0. 1 1毫米，長度為30 100毫米；集流體4的直徑為0. 4 5毫米、長度為 5 20毫米。本實施例所選參數為空腔5’孔深為2毫米，直徑為2毫米；導電絲1的直 徑為0. 5毫米、長度為50毫米；集流體4的直徑為2毫米，長度為10毫米；絕緣外殼3直徑 為20毫米、長度為52毫米，中孔靠導電絲1 一端的直徑為1. 5毫米；導電絲1露出絕緣外 殼3端面外10毫米。實施例2 與上述實施例不同的是或導電絲1與集流體4為一整體，導電絲為鉬絲；導電碳 材料為導電碳纖維，石蠟為微晶石蠟；空腔5’孔深為0. 5毫米，直徑為0. 5毫米；導電絲1 的直徑為0. 1毫米、長度為30毫米；集流體4的直徑為0. 4毫米，長度為5毫米；絕緣外殼 3直徑為5毫米、長度為30毫米，中孔等直徑通孔，直徑為0. 5毫米；導電絲1有一小段露 出絕緣外殼3端面外。實施例3 與上述實施例1不同的是或導電絲1為銀絲，與集流體4焊接；導電碳材料為導 電碳纖維，石蠟為微晶石蠟；空腔5’孔深為5毫米，直徑為5毫米；導電絲1的直徑為1毫 米、長度為100毫米；集流體4的直徑為4. 5毫米，長度為20毫米；絕緣外殼3直徑為50毫 米、長度為110毫米，中孔靠導電絲1的一端直徑為3毫米，靠集流體4的一端直徑為5毫 米；導電絲1有一小段露出絕緣外殼3端面外。[0031]實施例4:與上述實施例1不同的是參考圖3，所述空腔5’位于絕緣外殼3有集流體4的 一端的側面上，與安裝集流體4的孔連通；集流體4的直徑小于或等于安裝導電絲1的孔的 直徑。絕緣外殼3有集流體4的一端的端面為實心，即無工藝孔7 ；絕緣外殼3整個中孔大 于或等于集流體4的直徑；空腔5’有一個或若干個，本實施例選為4個，橫向對穿鉆孔，裝 入集流體4后灌注密封絕緣膠，凝固后再修整空腔5’，深度至露出集流體4的接觸面。實施例5 與上述實施例4不同的是如圖3所示，絕緣外殼3有集流體4的一端的端面有安 裝工藝孔7，導電絲1與集流體4安裝完成后，工藝孔7即用防水絕緣膠密封，或嵌入防水導 電膜5，作為又一個防水導電膜。以下舉出綜合實施例并說明工作原理和效果本實用新型一種防水導電膜，其絕緣外殼3為聚四氟乙烯材料制成，焊有金屬的 導電絲1的鉬集流體4和嵌入電極的防水導電膜5，導電絲1與絕緣外殼3之間的空隙由環 氧樹脂2填充密封。防水導電膜5和鉬集流體4直接接觸，防水導電膜5主要組成為導電 碳黑、固體石蠟和PTFE，且不含有任何額外的添加材料。具體的制備步驟是將導電碳黑和 PTFE乳液按固體重量6 4的比例均勻混合，并在紅外燈下烘至半干，然后再用輥筒溫度在 40 50°C的雙筒輥碾機反復碾壓；把制得的碳膜置于丙酮溶液中抽提2分鐘，并于60°C干 燥4小時；在50 60°C下加熱使固體石蠟完全熔化，把處理過的導電碳膜浸入該溶液中20 秒，再將制得防水導電膜在室溫下冷卻；將直徑為2毫米、長度為8毫米的圓柱形鉬集流體 4的一端焊上直徑為0. 2毫米、長度為90毫米的鉬絲、銀絲或銅絲1 ；將直徑為10毫米、長 度為80毫米的圓柱形用聚四氟乙烯棒兩端打孔制成絕緣外殼3，前端孔徑為2毫米，長度約 為20 30毫米，后端孔徑為1毫米；將焊有金屬的導電絲1的鉬集流體4從絕緣外殼3的 前端穿入，并使導電絲1從絕緣外殼3的后端穿出，直至鉬集流體4固定為止；通過注射器 從絕緣外殼3后端將環氧樹脂注入直至其從絕緣外殼3后末端溢出；環氧樹脂固化后，形成 密封絕緣芯2，再對絕緣外殼3前端進行打磨，直至鉬集流體4端面與絕緣外殼3構成深度 約0.5毫米的空腔5’ ；再將防水導電膜5填入空腔5’中，將該膜壓實后即制得粉末電極。如圖2所示，在粉末電極的使用過程中，粉末活性材料6直接粘附在防水導電膜5 的表面，這樣即使電極受到強烈震動或粉末活性材料表面有氣體析出，粉末活性材料也不 容易脫落。前一次實驗結束后將使用過的防水導電膜從電極中取出，然后填入新防水導電 膜并負載相應的粉末活性材料，即可迅速進行下一次實驗。本實用新型的權利要求保護范圍不限于上述實施例。
權利要求一種粉末電極，其特征在于它包括絕緣外殼(3)、具有導電絲(1)的集流體(4)、及用于將導電絲(1)和集流體(4)固定在絕緣外殼(3)中孔中的密封絕緣芯(2)；所述絕緣外殼(3)有集流體(4)的一端上有空腔(5’)；所述空腔(5’)其底部是集流體(4)的表面；空腔(5’)中嵌入有防水導電膜(5)。
2.如權利要求1所述的粉末電極，其特征在于所述絕緣外殼(3)為聚四氟乙烯絕緣 材料制成的外殼；導電絲(1)為金屬材料制成的導電絲，并與集流體(4)焊接，或導電絲 (1)與集流體⑷為一整體；集流體⑷為鉬制成的集流體；防水導電膜(5)和集流體(4) 面接觸；密封絕緣芯(2)由密封絕緣膠注入后凝固而成。
3.如上述權利要求1或2所述的粉末電極，其特征在于所述絕緣外殼(3)中孔為通 孔，空腔(5’ )位于絕緣外殼(3)有集流體(4)的一端的端面上，孔深為集流體(4)端面與 絕緣外殼(3)的端面距離，孔徑大于或等于集流體(4)的直徑；安裝導電絲(1)的孔徑小于 或等于集流體(4)的直徑。
4.如權利要求3所述的粉末電極，其特征在于所述絕緣外殼(3)直徑為5 50毫米、 長度為40 110毫米；空腔(5’ )孔深為0. 3 5毫米；導電絲(1)的直徑為0. 1 1毫 米；集流體⑷的直徑為0. 4 5毫米、長度為5 20毫米。
5.如上述權利要求1或2所述的粉末電極，其特征在于所述空腔(5’)位于絕緣外 殼(3)有集流體(4)的一端的側面上，該空腔(5，)與安裝集流體(4)的孔連通；絕緣外殼 (3)有集流體(4)的一端的端面有工藝孔(7)，或為實心。
專利摘要本實用新型涉及一種粉末電極它包括絕緣外殼、具有導電絲的集流體、及用于將導電絲和集流體固定在絕緣外殼中孔中的密封絕緣芯；所述絕緣外殼有集流體的一端上有空腔；所述空腔其底部是集流體的表面；空腔中嵌入有防水導電膜。本實用新型優點是當采用堿性電解液時，能夠快速、穩定而真實地反映電化學粉末活性材料本身的電化學性質，適合在較寬的電勢范圍和較長的時間內使用，電極主體可反復使用，成本低。
文檔編號G01N27/30GK201600349SQ20092022895
公開日2010年10月6日 申請日期2009年10月21日 優先權日2009年10月21日
發明者丁剛強, 宋朝文, 管道安, 范晶, 郭麗 申請人:中國船舶重工集團公司第七一二研究所