一種復合集流體材料及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及物理、化學電源領域，尤其涉及集流體材料領域。
【背景技術】
[0002] 鋰離子電池中的正負極集流體分別是鋁箔和銅箔；氫鎳電池中的正負極集流體分 別是泡沫鎳和黃銅網；鉛酸電池中的正負極集流體材料分別是鉛合金（或電解鉛）和鉛合 金。人們在長期實踐過程中，為不同的電化學體系的物理化學電源選擇了截然不同的集流 體材料，主要考慮以下幾方面：
[0003] 1.集流體材料在該電化學體系下要穩定，在充放電過程中自身不發生或少發生氧 化還原腐蝕或其它化學腐蝕；
[0004] 2.集流體材料的電子導電性要高；
[0005] 3集流體最終需要和電源內部的匯流條或極柱可靠的連接，而這種連接通常都是 焊接（熔接），因此集流體材料中一般都含有金屬或準金屬或合金的成分；
[0006] 4.集流體材料和體系中的活性物質電極要有較好的相容性，彼此間的接觸電阻要 小；
[0007] 5.集流體材料的密度越小越好。
[0008] 然而，現有技術的集流體材料在上述性能的一個或幾個方面尚需改進。
【發明內容】
[0009] 本發明提出一種可以穩定、高效地在水溶液中工作的復合集流體材料。本發明用 以解決水溶液電池中集流體材料的金屬腐蝕問題。
[0010] 本發明提供了 一種復合集流體材料，其特征在于，該復合集流體材料是由導電薄 膜、金屬或合金箔材或網材、導電薄膜三層以"三明治"方式融合成一體。
[0011] 所述復合集流體材料除所述金屬或合金箔材或網材的極耳上部極少部分外，所述 金屬或合金箔材或網材的表面、邊緣均被所述導電薄膜覆蓋，被覆蓋的金屬或合金部分通 過導電薄膜與外部完全隔絕。
[0012] 導電薄膜是由導電劑均勻分散在高分子聚合物中后吹塑或拉伸成型，導電薄膜的 厚度與集流體長或寬的比值不大于2%，優選為0. 1% -0. 5% ;對于120mm*120mm大小的集 流體材料，導電薄膜優選的厚度為0. 2mm-0. 3mm。所述導電薄膜中的導電劑為含碳原子sp2 雜化共價鍵的物質，優選為石墨粉、超級導電炭黑、納米碳管、納米碳纖維中的一種或幾種； 更優選地為超級導電炭黑或石墨粉。所述導電薄膜中的高分子聚合物為聚乙烯、聚丙烯、聚 對苯二甲酸乙二醇、尼龍、聚四氟乙烯、氟碳樹脂中的一種或幾種；優選為聚乙烯或聚丙烯 材料。所述導電劑在所述導電薄膜中的比例為按質量計30% -95%。
[0013] 本發明復合集流體材料的所述金屬或合金箔材或網材為鐵箔、鋁箔、銅箔、黃銅 箔、鈦箔、鎳箔、不銹鋼箔或鐵網、鋁網、銅網、黃銅網、鈦網、鎳網、不銹鋼網中的一種；優 選為不銹鋼網，金屬或合金箔材或網材的厚度和集流體的長或寬的比值不大于1%，優選 為0.01% -0.05% ;對于120mm*120mm大小的集流體材料，金屬材料優選的厚度范圍為 0. 025mm_0. 045mm。
[0014] 所述導電薄膜的厚度與所述金屬或合金箔材或網材的厚度比值為 50. 1% -2000%，優選為 80% -400%。
[0015] 本發明復合集流體材料的導電薄膜、金屬或合金箔材或網材、導電薄膜通過加熱 加壓的方式融合成一體。
[0016] 本發明復合集流體材料的制備方法，其特征在于，將導電薄膜、金屬或合金箔材或 網材、導電薄膜三層以"三明治"方式疊放，用兩個加熱的壓板或壓塊壓合而成，其中壓板 或壓塊的加熱溫度范圍為70°c-390°c，壓強范圍為1N/Cm2-1000N/Cm2,熱壓時間范圍為 0?ls_15s〇
[0017] 在本發明的方法中，所述復合集流體材料除所述金屬或合金箔材或網材的極耳上 部極少部分外，所述金屬或合金箔材或網材的表面、邊緣均被所述導電薄膜覆蓋，被覆蓋的 金屬或合金部分通過導電薄膜與外部完全隔絕。
[0018] 在本發明的方法中，導電薄膜是由導電劑均勻分散在高分子聚合物中后吹塑或 拉伸成型，導電薄膜的厚度與集流體長或寬的比值不大于2 %，優選為0. 1 % -0. 5 % ;對 于120mm*120mm大小的集流體材料，導電薄膜優選的厚度為0? 2mm-0. 3mm。所述導電薄膜 中的導電劑為含碳原子sp2雜化共價鍵的物質，優選為石墨粉、超級導電炭黑、納米碳管、 納米碳纖維中的一種或幾種；更優選地為超級導電炭黑或石墨粉。所述導電薄膜中的高 分子聚合物為聚乙烯、聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二醇、尼龍、聚四氟乙烯、氟碳樹脂中的一種 或幾種；優選為聚乙烯或聚丙烯材料。所述導電劑在所述導電薄膜中的比例為按質量計 30% -95%。
[0019] 在本發明的方法中，本發明復合集流體材料的所述金屬或合金箔材或網材為鐵 箔、鋁箔、銅箔、黃銅箔、鈦箔、鎳箔、不銹鋼箔或鐵網、鋁網、銅網、黃銅網、鈦網、鎳網、不銹 鋼網中的一種；優選為不銹鋼網，金屬或合金箔材或網材的厚度和集流體的長或寬的比值 不大于1%，優選為0. 01% -0. 05% ;對于120mm*120mm大小的集流體材料，金屬材料優選 的厚度范圍為〇. 02Smm-Q. 045mm。
[0020] 在本發明的方法中，所述導電薄膜的厚度與所述金屬或合金箔材或網材的厚度比 值為 50. 1% -2000%，優選為 80% -400%。
[0021] 將高分子聚合物導電薄膜，通過加熱加壓后融合的方法均勻覆蓋在金屬或合金箔 材或網材的表面，從而形成一種以導電碳薄膜和金屬（或合金）混聯導電的復合集流體材 料。本發明中使用的導電薄膜，所起的作用是阻止電解液分子、電解質離子以及溶解在電解 液中的各種氣體分子對金屬（或合金）集流體材料的長期、持續的腐蝕；并兼顧短距離（導 電薄膜的厚度方向）傳遞電子的作用。金屬（或合金）箔（網）材主要起到將由薄膜傳遞 (或向薄膜傳遞電子）過來的電子沿箔材表面的方向（長距離）傳遞到電池極耳的作用。 本發明所述的集流體材料抗腐蝕能力大大優于傳統的金屬（或合金）集流體，同時集流體 的導電能力卻幾乎沒有變化，可廣泛應用于多種水溶液電池，提高電池的長期循環性能。
【附圖說明】
[0022] 圖Ia示出了復合集流體材料的正視圖；圖Ib示出了復合集流體材料邊緣部分的 放大剖視圖。
[0023]圖2示出了 304不銹鋼基材CV掃描曲線（相對于（VS.)飽和甘汞電極）。
[0024] 圖3示出了 304覆導電薄膜基材CV掃描曲線（相對于飽和甘汞電極）。
[0025]圖4示出了覆蓋導電薄膜的不銹鋼網集流體的CV掃描圖和不銹鋼網集流體的CV掃描圖的對照圖。
【具體實施方式】
[0026]以下結合附圖具體說明本發明的技術方案，但是本發明的保護范圍并不局限于以 下的實施例。
[0027]以下具體說明長寬分別為L mm、W_(假定L >W)的帶極耳的集流體的制作。
[0028]第一步，選用厚度不超過W*1%mm的鐵箔、鋁箔、銅箔、黃銅箔、鈦箔、鎳箔、不銹鋼 箔或鐵網、鋁網、銅網、黃銅網、鈦網、鎳網、不銹鋼網中的一種，并裁切成所需的形狀。
[0029]第二步，選用厚度不超過W*2% mm的聚乙烯、聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二醇、尼龍、 聚四氟乙烯、氟碳樹脂中的一種或幾種為基材的導電薄膜兩片，其中的導電添加劑為石墨 粉、超級導電炭黑、納米碳管、納米碳纖維等含碳原子Sp2雜化共價鍵的一種或幾種混合體。 所選導電薄膜中的導電劑的質量分數為30%-95%。導電薄膜是由導電劑均勻分散在高分 子聚合物中后吹塑或拉伸成型。將導電薄膜裁切成集流體所需的形狀，導電薄膜應比金屬 (或合金）箔（網）材的長寬各大3-6_，確保最終制作的復合集流體材料中除金屬（或合 金）箔（網）材極耳上部極少部分外，金屬（或合金）箔（網）材表面、邊緣均被導電薄膜 覆蓋，被覆蓋的金屬（或合金）部分和空氣無直接接觸。
[0030] 第三步，將導電薄膜、金屬（或合金）箔（網）材、導電薄膜三層以"三明治"方式 疊放，并在此確保復合集流體材料中除金屬（或合金）箔（網）材極耳上部極少部分外，金 屬（或合金）箔（網）材表面、邊緣均被導電薄膜覆蓋，被覆蓋的金屬（或合金）部分和空 氣無直接接觸。
[0031]第四步，利用自制熱壓機，將壓塊或壓板的溫度提升到70°C-390°c中的某一合適 溫度，維持30分鐘以上時間（例如30分鐘至1小時），待溫度穩定后