具有織構化涂層的集電器的制作方法

專利名稱：具有織構化涂層的集電器的制作方法
具有織構化涂層的集電器優先權本申請要求2009年9月M日提交的題為“具有織構化涂層的集電器(⑶RRENT COLLECTORS HAVING TEXTURED COATIMi) ” 的美國專利申請第 12/566147 號的優先權。
背景技術：
集電器被用于各種裝置，包括電化學電池(例如電池和燃料電池)和電容器(例如雙電層電容器(EDLC)和混和電容器)。如果能夠提供一種集電器，該集電器可以以高效的方式制造，并且改進裝置的性能，那么將是有益的。

發明內容
集電器包括導電層和織構化涂層，所述導電層包括朝向電極的表面和相反的第二表面，每個表面具有一定的面積，所述織構化涂層形成在所述朝向電極的表面的至少大部分面積上，與所述朝向電極的表面的至少大部分面積接觸，所述織構化涂層包括峰和谷。形成集電器的方法包括提供導電層，所述導電層具有朝向電極的表面和相反的第二表面，每個表面具有一定的面積；在所述朝向電極的表面的至少大部分之上形成織構化涂層，并且所述織構化涂層與所述朝向電極的表面的至少大部分接觸，所述織構化涂層具有峰和谷。雙電層電容器包括與第一電極電接觸的第一集電器，與第二電極電接觸的第二集電器，設置在所述第一電極和第二電極之間并且與所述第一電極和第二電極各自物理接觸的分隔器，以及在所述第一電極、第二電極和分隔器中各處結合的電解質，所述第一集電器和第二集電器中的至少ー個包括導電層和織構化涂層，所述導電層具有朝向電極的表面和相反的第二表面，每個表面具有一定的面積，所述織構化涂層包括峰和谷，形成在所述朝向電極的表面的至少大部分面積之上，并且與所述朝向電極的表面的至少大部分面積接觸。—種形成EDLC組件的方法，所述方法包括提供第一導電層，所述第一導電層包括朝向電極的表面和相反的第二表面，每個表面具有一定的面積，在所述第一導電層的朝向電極的表面的至少大部分之上形成第一織構化涂層，并且所述第一織構化涂層與所述第 ー導電層的朝向電極的表面的至少大部分物理接觸，所述第一織構涂層包括峰和谷，在所述第一織構化涂層上形成第一電極，所述第一電極與所述第一織構化涂層基本連續地物理接觸，從而形成第一集電器電極組件，在所述第一電極上形成分隔器層，所述分隔器層與所述第一電極物理接觸，提供第二導電層，所述第二導電層具有朝向電極的表面和相反的第 ニ表面，這兩個表面各自具有一定的面積，在所述第二導電層的朝向電極的表面的至少大部分之上形成第二織構化涂層，并且所述第二織構化涂層與所述第二導電層的朝向電極的表面的至少大部分接觸，所述第二織構化涂層包括峰和谷，在所述第二織構化涂層上形成第二電極，所述第二電極與所述第二織構化涂層基本連續地物理接觸，從而形成第二集電器電極組件，將所述第二電極放置在所述隔離器層之上，使得第二電極與所述隔離器層物理接觸，從而形成EDLC組件。


可以通過以下對各種實施方式以及附圖的詳細說明更全面地理解本發明的內容， 其中圖1A-1C顯示根據各種實施方式的示例性集電器的示意圖；圖2是根據本發明實施方式的織構化涂層的一部分的示意圖；圖3A和;3B是根據本發明實施方式的雙電層電容器(EDLC)的示意圖；圖4是用來測量通過平面面比電阻的實驗設備的示意圖；圖5是織構化涂層的光學照片。
具體實施例方式本發明涉及集電器、形成集電器的方法以及包括所述集電器的裝置。集電器被用于各種裝置，包括電化學電池(例如電池和燃料電池)和電容器(例如雙電層電容器 (EDLC)和混和電容器)。集電器通常用來收集和/或分配由電極累積或傳輸的電流。可以通過降低集電器和電極之間的界面電阻來對包括至少ー個集電器的裝置進行改進。通過降低集電器/電極界面的界面電阻可以降低裝置的等效串聯電阻(ESR)，由此可以提高功率密度。實際上，由此可以制造更高功率的裝置。本發明各個實施方式所述的集電器能夠提供改進的界面阻杭，同時在電極和集電器之間提供良好的粘著性。通過使用具有至少ー個織構化涂層的集電器實現了所述界面導電性和粘著性的同時提高。圖1A-1C顯示了示例性的集電器的示意圖。圖IA顯示了集電器100。所述集電器 100包括導電層112，所述導電層112包括朝向電極的表面113以及相反的第二表面114。 在所述朝向電極的表面113上形成織構化涂層116。所述織構化涂層116可以覆蓋所述朝向電極的表面113的至少大部分面積。在一些實施方式中，所述織構化涂層116可以基本上覆蓋全部的朝向電極的表面113。在一些實施方式中，如圖IB所示，所述導電層112和織構化涂層116設計成使得所述織構化涂層116與電極122直接接觸。在一些實施方式中，所述電極122形成在所述織構化涂層116之上，所述電極122與所述織構化涂層116基本連續地物理接觸。圖IC顯示根據另ー個實施方式的示例性集電器150。所述集電器150包括導電層152，所述導電層152包括朝向電極的表面153以及相反的第二表面154。在圖IC的實施方式中，在朝向電極的表面153上形成第一織構化涂層156a，在相反的表面巧4上形成第 ニ織構化涂層156b。所述第一織構化涂層156a可以處于所述朝向電極的表面153的至少大部分之上，所述第二織構化涂層156b可以處于所述相反表面154的至少大部分之上。在所述第一織構化涂層156a上形成電極122，所述電極122與所述第一織構化涂層156a基本連續地物理接觸。所述導電層112，152大體可以由任何導電材料制造。在一些實施方式中，所述導電層112，152可以由導電金屬材料制造，例如由導電金屬箔制造。具體的金屬材料的例子包括例如鉬、鋁、銅、鎳、不銹鋼，以及它們的合金和它們的組合。 對于所述裝置具有超過ー個集電器的實施方式，每個導電層可以由相同的材料或CN 102549691 A
者不同的材料制造。在一些實施方式中，導電層的平均厚度可以約為5-100微米(例如約為15-35微米，例如約為25微米)。在導電層的至少ー個表面上形成織構化涂層，所述織構化涂層具有至少ー個峰和至少ー個谷。在一些實施方式中，織構化涂層可以包括多個峰和多個谷。峰可以表示為厚度大于織構化涂層的平均厚度的所述涂層的ー個部分，而谷可以表示為厚度小于所述織構化涂層的平均厚度的所述涂層的ー個部分。因此，峰通常對應于織構化涂層的較厚的部分， 而谷對應于織構化涂層的較薄的部分。通過將織構化涂層設計成同時包括峰和谷，所述織構化涂層可以提供非織構化的厚涂層和薄涂層(即平整涂層)的優點和缺點的平衡。例如，如果電極和集電器之間的非織構化涂層太薄，則集電器將直接暴露于(例如通過涂層中的針孔)裝置內的電解質。由此可能會導致集電器的腐蝕，這會導致不利的電化學反應。另ー方面，如果電極和集電器之間的非織構化涂層太厚，則整體裝置的ESR會増大，導致裝置的填充效率發生不利的降低。 織構化涂層可以主要通過將非織構化的薄涂層和厚涂層的特征組合到單個涂層中，從而在這兩種極端情況之間提供平衡。織構化涂層的谷的優點在干，使得顆粒(例如電極中的活性炭顆粒)直接沖擊到導電層上，在電極和集電器之間提供電接觸。峰和谷的結構的優點在干，它們可以結合起來増大電極和導電層之間的表面積(例如接觸面積)，由此可以提高兩個相應的表面之間的粘著性，從而提高機械穩定性，有利于裝置的熱耐用性。在一些實施方式中，織構化涂層包括峰和谷，所述峰和谷各自具有平均高度(即局部厚度)。除了各峰和谷的高度以外，需要注意織構化涂層還可以具有整體平均厚度。在一些實施方式中，所述織構化涂層的平均厚度可以至少約為1微米(例如2-5微米)。所述平均厚度范圍可以在ESR增大和填充效率之間提供良好的折衷。各個峰高度大于織構化涂層的平均厚度，各個谷高度小于織構化涂層的平均厚度。織構化涂層內的厚度可以直接測量或者通過經驗方式確定。圖2顯示了導電層212上的一個示例性的織構化涂層215。圖中顯示了兩個峰20 ，20 和兩個谷210a，210b。峰 205a具有高度hi和長度χ。谷210b具有高度h2和長度y。織構化涂層215的平均厚度是 h平均。可以看到，峰20 和20 的高度(hi)大于平均高度(h平。，谷210a和210b的高度(h2)小于平均高度0ι，δ)。在一些實施方式中，所述峰的平均高度約為5-20微米(例如約為5-10微米)。在一些實施方式中，所述谷的平均高度約為0. 3-3微米(例如約為0. 3-2微米，約為1-3微米， 或者約為2-3微米)。在一些實施方式中，所述平均峰高度至少為織構化涂層的平均厚度的150% (例如至少大1.5倍，或者至少大2倍)。在其它的實施方式中，所述平均谷高度小于織構化涂層的平均厚度的75% (例如小于織構化涂層的平均厚度的一半)。在一些實施方式中，所述平均峰高度至少約為平均谷高度的兩倍(例如至少為平均谷高度的3倍、5倍、10倍或40 倍)。可以通過對包括峰和/或谷的涂層面積的相對分數進行定量，從而對織構化涂層進行表征。一種示例性的織構化涂層包括100%的峰和谷。在一些實施方式中，所述織構化涂層包括大約30%至70%的被峰覆蓋的面積，以及大約70%至30%的被谷覆蓋的面積。在一些實施方式中，所述織構化涂層包括大約60%的谷和40%的峰。再來看圖2，可以通過沿著一個維度的峰和谷的長度來預測織構化涂層215中的峰面積和谷面積的分數。具體來說，可以通過用所有的峰的總長度00除以峰的總長度和谷的總長度之和，確定峰的分數。類似地，可以通過用所有的谷的總長度(y)除以峰的總長度和谷的總長度之和，確定谷的分數。在這些計算中，忽略掉非峰和非谷的貢獻。織構化涂層可以包括峰和/或谷的圖案，或者可以包括在織構化涂層上無規或者隨機分布的峰和/或谷。示例性的圖案包括棱紋狀圖案，菱形圖案，交叉狀圖案，包括點的圖案，包括微坑的圖案，之字形圖案，螺旋圖案，圓形圖案，正方形圖案，三角形圖案，六邊形圖案，矩形圖案，或者這些圖案的組合。一般來說，可以根據本領域技術人員已知的方式制造圖案化的涂層。例如，可以沿著新近形成的涂層的表面吹氣而形成無規或者隨機的圖案。本發明的織構化涂層與非織構化涂層的最鮮明特征在干，本發明織構化涂層的表面內規則地或者無規則地分布著峰和谷。類似地，所述織構化涂層與僅僅具有表面粗糙結構(例如由于在涂料中存在顆粒而造成)的涂層也明顯不同。在本發明中，通過對形成涂層的材料進行外部加工，從而使得涂層表面中具有峰和谷，由此形成織構化涂層，而不是采用對涂料進行內部操作，在涂料內結合能夠產生表面粗糙結構的第二相顆粒的方式。可以由導電性或者電絕緣性的材料形成織構化涂層。在一些實施方式中，如果使用導電性材料的話，該導電性材料在25微米干厚度條件下的電阻率約小于50歐姆/平方。在一些實施方式中，可以在織構化涂層中結合電導性促進劑。電導性促進劑能夠使得原本應當呈現電絕緣性的材料變為導電性。示例性的電導性促進劑可以包括導電材料，例如炭黒，天然石墨或者人造石墨，石墨狀碳，碳納米管，碳納米線，金屬纖維，金屬納米線，以及這些材料的組合。織構化涂層可以包含聚合物組分和電導性促進劑。聚合物組分的例子包括聚合物粘合剤，例如羧甲基纖維素、聚四氟乙烯、聚乙烯醇橡膠化的聚合物和聚乙烯基吡咯烷酮。所述聚合物組分和電導性促進劑可以由單獨的組分混和得到，或者作為市售混合物得到。包括聚合物組分和電導性促進劑的市售組合物的例子包括 DAG EB-012，DAG EB-023或DAG 冊-815，這些產品購自美國密歇根州麥迪遜高地市(Madison Heights, MI)的艾徹森エ業有限公司(Acheson Industries, Inc.)。可以使用已知的方法形成織構化涂層，例如可以采用照相凹版涂覆法，狹縫模頭涂覆法，噴涂法，浸涂法，絲網印刷法，噴墨印刷法以及帶材澆鑄法。可以直接在合適的導電層上形成織構化涂層，或者在另外的基材上形成，然后轉移到合適的導電層上。較佳的是，本發明不需要對導電層進行預處理，而與之相反的是，在現有的涂層中，經常需要在所述導電層上形成織構化涂層之前對導電層進行精整(例如清潔和/或蝕刻)。本發明描述了在不需要任何預處理步驟的情況下，形成包括織構化涂層的集電器的方法。一旦將涂料施涂于導電層，便可使得涂料固化。固化條件可以至少部分地取決于涂料的組成。在一些實施方式中，可以通過在室溫下對涂層進行干燥而完成固化。在另ー 些實施方式中，可以通過在較高溫度下進行加熱來完成固化。在一些實施方式中，可以通過在烘箱中，在合適的溫度下，例如在100°c對涂覆后的導電層進行加熱而進行固化。包括導電層和織構化涂層的集電器可以用通過平面的面比電阻進行表征。可以通過本領域技術人員已知的方式進行通過平面的面比電阻的測量。在實施例1中描述了ー種示例性的測量方法。可以用測得的電阻來確定集電器對包括該集電器的裝置的總體功率密度的影響。通過將織構化涂層結合入集電器中，可以降低集電器和活性材料(電極)之間的界面電阻，由此改進包括集電器的裝置的效率。需要注意的是，通過降低集電器/電極界面的界面電阻將會使得裝置的ESR降低，由此會提高其功率密度。因此，所述織構化涂層使得可以制得高能量密度和高功率密度的裝置。所述織構化涂層還可以改進集電器和所得的裝置的高溫穩定性。較高溫度下的穩定性表示所述集電器在制造過程中可以經受較高的溫度。例如，由此可以在組裝最終裝置之前，使得構成所述裝置的材料在較高溫度下干燥。較高溫度的干燥可以最大程度地減少吸附的水，由此促進裝置的長期穩定性，所述吸附的水會對裝置的性能造成不利影響。可以通過使用包括織構化涂層的集電器而獲得益處的ー種示例性裝置是雙電層電容器(EDLC)。EDLC也被稱為超級電容器。在一些實施方式中，EDLC可以包括兩個集電器，每個集電器與相應的電極相連。這兩個電極被多孔分隔器隔開，在所述電極和分隔器中各處結合電解質溶液。當對EDLC施加電勢的時候，由于陰離子被吸引到正扱，陽離子被吸引到負極，產生離子電流。所述離子電流產生電荷，所述電荷儲存在各個極化的電極與電解質溶液之間的界面處。EDLC的具體設計可以根據預期的應用變化，可以包括例如標準的膠凍卷或圓柱形設計，棱柱設計，蜂窩狀設計，混合型或偽電容性設計，超電容器或者超級電容器設計，或者本領域已知的其它設計。圖3A顯示了在一種示例性EDLC組件中的元件的設置。裝置組件300包括第一電極321和第二電極322。分隔器340設置在第一電極321和第二電極322之間。在ー些實施方式中，所述分隔器340同時與第一電極321和第二電極322物理接觸。所述分隔器340 大體是多孔的絕緣材料，與電解質之間沒有反應活性，較薄，以便最大程度地減小所得裝置的內部電阻。能夠用來形成分隔器的示例性材料包括由玻璃纖維、聚乙烯、聚丙烯和/或纖維素制成的布料、無紡材料、或者多孔主體。在一些實施方式中，可以使用纖維素紙。第一導電層311和第二導電層312分別與第一電極321和第二電極322緊鄰。各個導電層具有ー對相反的表面，朝向電極的表面311a和312a，以及第二表面311b和312b。 如圖3A所示，在第一導電層311的朝向電極的表面311a上形成第一織構化涂層315，并且該第一織構化涂層315與所述第一導電層311的朝向電極的表面311a相接觸，在所述第二導電層312的朝向電極的表面311b上形成第二織構化涂層316，該第二織構化涂層316與所述第二導電層312的朝向電極的表面311b接觸。在一些實施方式中，所述第一織構化涂層315覆蓋所述第一導電層311的朝向電極的表面311a的至少大部分，所述第二織構化涂層316覆蓋所述第二導電層312的朝向電極的表面31 的至少大部分。各個電極321，322 與相應的織構化涂層315，316基本連續地物理接觸。在各第一和第二電極321、322之間設置有分隔器340，所述分隔器340與所述第一和第二電極321、322相接觸。在下文中將會更進ー步提到，可以在電極321、322和分隔器340中各處結合電解質。圖加顯示了另ー個示例性EDLC組件中的元件的設置。在圖加中，裝置組件350 包括如上文結合圖3討論的部件。在第一和第二導電層311、312的朝向電極的表面上形成織構化涂層31 和316a。另外，織構化涂層31 和316b形成在相應的導電層的第二表面311b，312b之上。在一些實施方式中，各個織構化涂層315a，315b, 316a和316b覆蓋相應的導電層表面的大部分。所述第一電極321和第二電極322大體是多孔電極，可以由相同的材料或者不同的材料形成。例如，所述第一電極321和第二電極322中的任ー種或者兩種可以包含碳。在一些實施方式中，所述第一電極321和第二電極322都包含活性炭。在本文中，將主要(以重量計)包含活性炭的電極稱作活性炭電極。在一些實施方式中，所述第一電極和第二電極中的ー種或兩種可以是活性炭電極。可以用來形成電極(例如活性炭電極)的活性炭的ー種形式可以具有較高的表面積。具有較高表面積的活性炭可以使得裝置具有較高的能量密度。在一些實施方式中，所述活性炭的表面積可以至少約為100米2/克(例如至少約為1000米2/克，或者至少約為 1500 米2/克)。活性炭的具體例子包括基于椰殼的活性炭，基于石油焦炭的活性炭，基于浙青的活性炭，基于聚偏ニ氯乙烯的活性炭，基于多并苯的活性炭，基于酚醛樹脂的活性炭，基于聚丙烯腈的活性炭，來自天然來源(例如煤炭或者木炭)的活性炭，以及源自其他天然有機來源的活性炭。在一些實施方式中，電極可以大部分是活性炭，例如包含約大于50，60，70， 80或90重量％的活性炭。電極可以包含大約80-95重量％的活性炭。任選地，電極可以包含ー種或多種粘合剤。粘合劑可以通過例如在原本松散集合的微粒材料之內促進粘著性來提供機械穩定性。示例性的粘合劑包括能夠將活性炭和其他任選的組分粘合起來的聚合物、共聚物或者其他高分子量物質。粘合劑的具體例子包括聚四氟乙烯(PTFE)，聚偏ニ氟乙烯，或者其他含氟聚合物顆粒，熱塑性樹脂(例如聚丙烯或聚乙烯)，基于橡膠的粘合劑例如苯乙烯-丁ニ烯橡膠(SBR)，以及它們的組合。在一些實施方式中，可以將PTFE或纖絲化的PTFE用作粘合剤。本領域技術人員可以確定粘合劑的含量，但是可以包括例如約5-20重量％ (例如約10重量％或15重量％ )。在一些實施方式中，電極可以包含最高約20重量％的粘合劑 (例如最高約10，15或20重量％ )。任選地，電極可以包含一種或多種電導性促進劑。示例性的電導性促進劑可以包括導電材料，例如炭黒，天然石墨或者人造石墨，石墨狀碳，碳納米管，碳納米線，金屬纖維， 金屬納米線，以及這些材料的組合。在一些實施方式中，炭黑可以用作電導性促進劑。在一些實施方式中，電極可以包含最高約10重量％ (例如約1-10%)的一種或多種電導性促進劑。一種示例性的電極可以包含大約5重量％的電導性促進劑。在一些實施方式中，ー個或多個電極可以包含活性炭、電導性促進劑和粘合劑。例如，電極可以包含大約80-95重量％的活性炭，約1-10重量％的電導性促進劑，約5-15重量％的粘合剤。ー種這樣的電極可以包含大約85重量％的活性炭，約5重量％的電導性促進劑，以及約10重量％的粘合剤。一種示例性的電極可以包含大約85重量％的活性炭，約 5重量％的炭黒，以及約10重量％的纖絲化的PTFE。在一些實施方式中，所述第一電極和第二電極可以包含這些(或其它的)相對量的組分。可以采用已知的方法和技術形成電極。一種示例性的形成電極的方法使用包含電
10極的組分(例如活性炭、電導性促進劑和粘合剤)的組合物。所述組合物與溶劑混和，形成漿液或者糊料，然后可以將所述漿液或者糊料形成所需的結構(例如通過施加壓カ)。一旦形成了所需的結構，所述電極可以在合適的溫度下干燥，以除去殘余的溶劑和/或水。干燥溫度可以至少部分地取決于構成電極的溶劑和材料的種類。在一些實施方式中，電極可以在至少約100°C (例如至少約150°C )的溫度下干燥大約8-16小吋。在一些實施方式中，電極可以由包含所需組分(活性炭、電導性促進劑和粘合剤) 的糊料形成。然后可以利用由砑光或者輥壓施加的剪切壓カ和壓縮作用力將所述糊料形成為片材。例如，示例性的片材的厚度可以約為5密耳(0.005”)。然后可以將由此形成的電極與裝置的其他部件合并。制造包含活性炭的示例性電極的方法可以參見共同轉讓的美國專利申請公開第2009/0109599號，其內容參考結合入本文中。在導電層上形成織構化涂層的方法和在織構化涂層的表面上結合電極的方法包括層壓。例如，可以將電極材料層壓在織構化涂層的表面上，所述織構化涂層之前已經層壓在導電層上。可以通過本領域技術人員已知的方式完成所述層壓。示例性的條件可以包括使用砑光機，在大約200°C、大約150-500pli (磅/線性英寸)的壓カ條件下進行層壓。所述施加的壓カ可以提高織構化涂層的某些優點，其原因是通過容納活性炭(來自電極的活性炭)或者使得活性炭沖擊到織構化涂層和/或導電層之內。在本文中，將包括電極、織構化涂層和導電層的結構稱作電扱/集電器組件。可以通過將分隔器與兩個或更多個電極/集電器組件結合，形成EDLC組件。因此，EDLC組件的一個例子包括導電層/織構化涂層/電極/分隔器/電極/織構化涂層/ 導電層。一旦形成，可以對EDLC組件進行加熱以除去任何吸附的水。加熱EDLC組件的步驟可以在至少約100°C (例如至少約120°C )的溫度下進行。如上文所述，可操作的裝置包括電解質。所述電解質可以是液體，結合在第一電極 321、第二電極322和分隔器340中各處。可以通過將所述電極和分隔器浸泡在電解質中的方式，將液體電解質結合在這些結構中各處。可以使用任何常用的電解質材料。電解質通常是良好的離子導體。示例性的電解質包括溶解在合適溶劑中的一種或多種鹽。示例性的鹽包括例如四氟硼酸四乙基銨 (TEABF4),四氟硼酸三乙基甲基銨(TEMABF4)，六氟磷酸鋰(LiPF6)，四氟硼酸鋰(LiBF4),六氟砷酸鋰(LiAsF6)，高氯酸鋰(LiClO4),三氟甲磺酸鋰(LiCF3SO3), ニ (三氟甲磺酰)亞胺鋰(LiN(SO2CF3)2), ニ (全氟乙磺酰)亞胺鋰(LiN(SO2CF2CF3)2),以及它們的組合。所述電解質溶劑是具有以下性質的那些溶劑能夠溶解鹽，并且不會對電極、分隔器或其他填充材料造成不利影響。在一些實施方式中，可以使用的溶劑包括有機溶剤，例如非水性有機溶剤，或者質子惰性有機溶劑。溶劑的例子包括水、丙烯腈、1，3-ニ氧戊環、碳酸亞乙酷、碳酸亞丙酷、碳酸亞丁酷、碳酸ニ甲酷、碳酸ニ乙酷、碳酸乙基甲酷、ニ甲氧基乙烷、 碳酸丙基甲酷，以及它們的組合。在一些實施方式中，包括丙烯腈，碳酸亞丙酷，碳酸亞乙酷，碳酸ニ甲酷和它們的混合物。所述電解質可以具有任何有用的鹽濃度。在一些實施方式中，所述電解質中鹽的濃度至少約為0. 5M(例如至少約為1. 0M，例如約為0. 5M至2. 0M)。可以將電解質加入EDLC組件中以形成功能性EDLC裝置。可以使用已知的技術將電解質加載入EDLC組件。示例性的方法包括例如真空填充或者重力填充。一旦加入了電解質之后，可以將EDLC裝置密封，以將電解質保持在裝置之內。可以使用本領域技術人員已知的方法對所述裝置進行密封。對高功率應用，可以將大量単獨的EDLC串聯，以顯著提高輸出電壓。為了實現這一點，可以將單獨的EDLC裝置形成多電池疊、電池組、干電池或者串聯的一系列電池。EDLC 電池組表示包括多個EDLC裝置或者結構的裝置。EDLC陣列的具體尺寸和幾何結構可以根據預期的用途變化。示例性的構造是本領域技術人員已知的，可以將任意這些構造用于本發明的EDLC裝置。在一些實施方式中，電池組可以是包括2個、3個、4個、5個、10個、20個或更多個獨立的裝置的EDLC ニ維陣列，或者是以單行或者多行設置的多個EDLC。在一些實施方式中，EDLC電池組可以是EDLC組的三維陣列，其中包括具有相同或者不同幾何結構的多個ニ維陣列。在一些實施方式中，可以對所采用的具體構造進行選擇，以最大程度提高EDLC電池組每單位體積的能量。多電池組的一種示例性的構造可以參見美國專利申請公開第2009/0109600號，其內容參考結合入本文中。本文所述的EDLC裝置和電池可以用于很多種不同的用途，包括需要脈沖功率的應用。用途的例子從小尺寸裝置(例如手機)到大尺寸裝置(例如混合動カ車輛)。本發明所述的織構化涂層還可以有益地用于使用鋰離子磷酸鹽和鋰-氧化鈦電極材料的高功率電池。集電器可以包含鋁和銅之類的金屬，特別是用于鋰離子電池的時候。實施例1-包括織構化涂層的鋁導電層的通過平面面比電阻的測量將未進行過清潔或者處理的1密耳厚的鋁箔(1145H19)送入輥到輥照相凹版壓紋印刷単元，條件為30°角度，70pli (每線性英寸的小室的列數或者行數)和30bcm(十億立方微米)。將DAG EB-012(美國密歇根州麥迪遜高地市(Madison Heights, MI)的艾徹森エ業有限公司(Acheson Industries, Inc.))涂覆在鋁箔的ー側上。鋁箔的已涂覆側面用紅外加熱燈干燥大約2秒，然后將鋁箔重新卷繞在印刷単元上。鋁箔的未涂覆側按照相同的方式進行涂覆和干燥。該形成的集電器具有織構化涂層，在兩側具有棱紋狀的圖案。然后將涂覆過的集電器放在100°C的烘箱中處理至少10分鐘，然后進行進一歩加工。通過對樣品以及樣品的照片進行觀察，發現織構化涂層包括大約60%的谷和40%的峰。由涂層的橫截面掃描電子顯微照片測得，谷的近似厚度為0. 3至3微米，峰的近似厚度為5-10微米。按照以下方式制造活性炭電極。制備了包含以下組分的85 5(重量比)的混合物YP50F活性炭(日本大阪的可樂麗化學株式會社(Kuraray Chemical Co. , LTD, Osaka, Japan))和BLACK PEARLS 2000炭黑(美國馬薩諸塞州波士頓的卡波特公司(Cabot Corporation，Boston，ΜΑ))。加入聚四氟乙烯(PTFE)以使得組合物的最終組成為活性炭 炭黒PTFE = 85 5 10(重量比)。將1重量份該混合物加入2. 6重量份的異丙醇。 對該混合物進行充分混和，使其在烘箱中半干燥。然后將半干燥的材料預成形為厚約10密耳的片材，通過系統性輥壓致密化形成5密耳的片材。將兩個活性炭電極(如上所述制造)在200°C、最小150磅/線性英寸(pli)的條件下熱層壓在具有織構化涂層的上文所述形成的集電器的兩側之上。然后如下文所述測量該結構的通過平面的面比電阻。使得13/16英寸的圓盤從所述層壓結構穿出。該樣品用于hstron 4202臺式電力機械測試系統(美國馬薩諸塞州坎頓市的因卓公司anstron Corp.，Canton, MA))(圖4)。對樣品610施加100磅的受控制的負荷(如箭頭620所示)，所述樣品610放置在兩個陶瓷圓柱體60 和60 之間。每個陶瓷圓柱體的直徑約為1英寸，在其與樣品610接觸的位置覆蓋了銀箔接觸件61 和61恥。使用Keithley 2700萬用表(美國俄亥俄州，克里夫蘭市，凱瑟利設備公司(Keithley Instruments, Inc. , Cleveland, OH))進行直流(DC) 四線電阻測量，然后用電阻值計算面比電阻。結果示于表1。一旦測量樣品的通過平面的面比電阻之后，將整個樣品在大約150°C的烘箱中放置大約16小吋。使所述樣品冷卻，然后再次測量通過平面的面比電阻。結果示于表1。比較例1在室溫下，將如實施例1所述制造的活性炭電極層壓在愛克斯派克公司 (Exopack, LLC)(美國南卡羅來納州的斯巴達堡(Spartanburg，SC))制造的市售集電器的兩側之上。在150°C加熱16小時之前和之后測量通過平面的面比電阻。比較例的這些結果列于表1。實施例1和比較例1的鋁箔集電器具有相同的厚度和組成，活性炭電極通過相同的方式制造。這些控制的特征允許將實施例1的織構化涂層與愛克斯派克集電器(比較例 1)的平滑涂層進行比較。實施例2按照與實施例1相同的方式制造具有織構化涂層的鋁集電器，區別在干，照相凹版壓紋涂覆器設定在ISOpli和16bcm。形成在兩側上具有菱形圖案的涂層。在圖5中可以看到具有織構化涂層的集電器的ー個表面的圖像。根據對樣品和照片的觀察預測，織構化涂層包括約40%的谷和60%的峰。由涂層的橫截面掃描電子顯微照片測得，谷的近似厚度約為0. 5至3微米，峰的近似厚度約為8-13微米。在150°C加熱16小時之前和之后如實施例1所述測量通過平面的面比電阻。結果參見表1。通過平面的面比電阻比目標值小0. 25歐姆-厘米2或更小。比較例2，3或4為了確定最大谷厚度對通過平面的面比電阻的影響，對三個鋁集電器(1145 H19) 浸涂不同厚度的導電涂層(收到的原樣DAG EB-012(美國密歇根州麥迪遜高地市 (Madison Heights, MI)的艾徹森エ業有限公司(Acheson Industries，Inc.)，在經受升高的溫度之前和之后測量通過平面的面比電阻。比較例2是一次性涂覆至總厚度約3微米的鋁集電器。比較例3是兩次性涂覆至總厚度約4微米的鋁集電器。比較例4是三次性涂覆至總厚度約8微米的鋁集電器。這些涂覆的集電器如實施例1所述層壓活性炭電極。在150°C加熱16小時之前和之后如實施例1所述測量通過平面的面比電阻。比較例2-4的這些結果列于表1。表 1.
權利要求
1.一種集電器，其包括導電層，該導電層包括朝向電極的表面和相反的第二表面，每個表面具有面積；以及織構化涂層，所述織構化涂層形成在所述朝向電極的表面的至少大部分面積上，與所述朝向電極的表面的至少大部分面積接觸，所述織構化涂層包括峰和谷。
2.如權利要求1所述的集電器，其特征在干，所述導電層包含選自以下的金屬鉬、鋁、 銅、鎳、不銹鋼和它們的組合。
3.如權利要求1所述的集電器，其特征在干，所述導電層是平均厚度約小于0.5毫米的箔層。
4.如權利要求1所述的導電層，其特征在干，所述織構化涂層包含導電材料。
5.如權利要求1所述的集電器，其特征在干，所述織構化涂層包含炭黑、天然石墨、人造石墨、石墨狀碳、碳納米管、碳納米線、金屬纖維、金屬納米線和它們的組合。
6.如權利要求1所述的集電器，其特征在干，所述織構化涂層的平均厚度至少約為1微米。
7.如權利要求1所述的集電器，其特征在干，所述峰的平均高度約為5-10微米，所述谷的平均高度約為0. 3-2微米。
8.如權利要求1所述的集電器，其特征在干，平均峰高度與平均谷高度之比至少約為3。
9.如權利要求1所述的集電器，其特征在干，所述峰覆蓋了所述導電層的朝向電極的表面的大約30-70%的面積。
10.如權利要求1所述的集電器，其特征在干，所述谷覆蓋了所述導電層的朝向電極的表面的大約30-70%的面積。
11.如權利要求1所述的集電器，其特征在干，所述織構化涂層包括圖案化的表面。
12.如權利要求11所述的集電器，其特征在干，所述圖案化的表面包括以下結構的陣列棱紋，菱形，交叉，點，微坑，之字形，螺旋，圓形，正方形，三角形，六邊形，矩形，以及這些結構的組合。
13.如權利要求1所述的集電器，其特征在于，該集電器還包括第二織構化涂層，該第 ニ織構化涂層形成在所述導電層的第二表面上，與所述導電層的第二表面相接觸。
14.ー種形成集電器的方法，該方法包括提供導電層，該導電層包括朝向電極的表面和相反的第二表面，每個表面具有面積；以及在所述朝向電極的表面的至少大部分之上形成織構化涂層，并且所述織構化涂層與所述朝向電極的表面的至少大部分接觸，所述織構化涂層包括峰和谷。
15.如權利要求14所述的方法，其特征在干，所述導電層是平均厚度約小于0.5毫米的箔層。
16.如權利要求14所述的方法，其特征在干，使用選自以下的方法形成所述織構化涂層照相凹版涂覆，狹縫模頭涂覆，噴涂，絲網印刷，噴墨印刷，帶材澆鑄，以及它們的組合。
17.如權利要求14所述的方法，其特征在干，所述織構化涂層的平均厚度至少約為1微米，平均峰高與平均谷高之比至少約為3。
18.如權利要求14所述的方法，其特征在于，該方法還包括在所述織構化涂層之上形成第一電極，所述第一電極與所述織構化涂層基本連續地物理接觸。
19.如權利要求18所述的方法，其特征在干，所述第一電極層壓在織構化涂層上。
20.如權利要求14所述的方法，其特征在于，該方法還包括在所述導電層的第二表面上形成織構化涂層。
21.—種形成EDLC組件的方法，所述方法包括提供第一導電層，該第一導電層包括朝向電極的表面和相反的第二表面，每個表面具有面積；在所述第一導電層的朝向電極的表面的至少大部分上形成第一織構化涂層，并且所述第一織構化涂層與所述第一導電層的朝向電極的表面的至少大部分物理接觸，所述第一織構化涂層包括峰和谷；在所述第一織構化涂層上形成第一電極，所述第一電極與所述第一織構化涂層基本連續地物理接觸，以形成第一集電器-電極組件；在所述第一電極上形成分隔器層，所述分隔器層與所述第一電極物理接觸； 提供第二導電層，該第二導電層包括朝向電極的表面和相反的第二表面，每個表面具有面積；在所述第二導電層的朝向電極的表面的至少大部分上形成第二織構化涂層，并且所述第二織構化涂層與所述第二導電層的朝向電極的表面的至少大部分接觸，所述第二織構化涂層包括峰和谷；在所述第二織構化涂層上形成第二電極，所述第二電極與所述第二織構化涂層基本連續地物理接觸，以形成第二集電器-電極組件；將第二電極設置在所述分隔器層之上，并與所述分隔器層物理接觸，從而形成EDLC組件。
22.ー種雙電層電容器，它包括 第一集電器，其與第一電極電接觸； 第二集電器，其與第二電極電接觸；分隔器，其設置在所述第一電極和第二電極之間，并與所述第一電極和第二電極各自物理接觸；以及結合在所述第一電極、第二電極和分隔器中各處的電解質，所述第一集電器和第二集電器中的至少ー個包括導電層，所述導電層具有朝向電極的表面和相反的第二表面，每個表面具有面積；以及織構化涂層，所述織構化涂層形成在所述朝向電極的表面的至少大部分面積上，與所述朝向電極的表面的至少大部分面積接觸，所述織構化涂層包括峰和谷。
23.如權利要求22所述的雙電層電容器，其特征在干，所述導電層包含選自以下的金屬鉬、鋁、銅、鎳、不銹鋼和它們的組合。
24.如權利要求22所述的雙電層電容器，其特征在干，所述導電層是平均厚度約小于 0.5毫米的箔層。
25.如權利要求22所述的雙電層電容器，其特征在干，所述織構化涂層包含導電材料。
26.如權利要求22所述的雙電層電容器，其特征在干，所述織構化涂層包含炭黑、天然石墨、人造石墨、石墨狀碳、碳納米管、碳納米線、金屬纖維、金屬納米線和它們的組合。
27.如權利要求22所述的雙電層電容器，其特征在干，所述織構化涂層的平均厚度至少約為1微米。
28.如權利要求22所述的雙電層電容器，其特征在干，所述峰的平均高度約為5-10微米，所述谷的平均高度約為0. 3-2微米。
29.如權利要求22所述的雙電層電容器，其特征在干，所述峰覆蓋了所述導電層的朝向電極的表面的大約30-70%的面積。
30.ー種包括如權利要求1所述集電器的電化學電池。
全文摘要
集電器和包括集電器的雙電層電容器。所述集電器包括導電層和織構化涂層，所述導電層具有朝向電極的表面和相反的第二表面，每個表面具有面積，所述織構化涂層形成在所述朝向電極的表面的至少大部分之上，與所述朝向電極的表面的至少大部分接觸。
文檔編號H01G9/00GK102549691SQ201080043262
公開日2012年7月4日 申請日期2010年9月24日 優先權日2009年9月24日
發明者F·M·約斯, J·E·圖施, J·R·里姆, K·P·加德卡里, K·P·雷迪 申請人:康寧股份有限公司