一種基于三維立體凸起集流體的電化學電源電極的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基于三維立體凸起集流體的電化學電源電極，由活性物質層（1）和集流體（2）復合構成。所述集流體（2）表面有三維立體凸起（3）；所述凸起為兩端開口的中空結構；所述凸起底端的開口與集流體開放連接，并在集流體上形成貫穿的孔隙（4）；所述凸起在集流體兩側交錯排布。三維立體凸起結構增大了活性物質層和集流體的結合力，增加了電極密度，提高容量，降低內阻，延長了電化學電源的使用壽命。
【專利說明】
一種基于三維立體凸起集流體的電化學電源電極
技術領域
[0001]本實用新型涉及電化學領域，具體地，本實用新型涉及一種基于三維立體凸起集流體的電化學電源電極，該電極可應用于多種電化學電源，包括超級電容器、鋰離子電容器、混合電容器、燃料電池和鋰離子電池。【背景技術】
[0002]電化學電源是一種能量存儲和釋放裝置，它通過物理或化學的方式進行能量的轉化，為各種用電設施提供能源動力，涉及社會生活的多個方面，具有便攜性和使用方便性， 廣泛應用于電子產品、電動工具、風能、太陽能、汽車、航空等領域。這種電化學電源包括超級電容器、鋰離子電容器、混合電容器、燃料電池和鋰離子電池等。
[0003]電極是電化學電源的核心元件，是影響電化學電源性能的關鍵因素。電極由活性物質層和集流體復合而成。活性物質層包括活性物質、導電劑和粘結劑，其中活性物質是電極的主材料，用于提供容量;導電劑用于改善電極的導電性能;粘結劑用于把活性物質、導電劑以及集流體粘結在一起，集流體用于支撐活性物質層并提供電子迀移通道。
[0004]現有技術一般都是把活性物質層復合在表面光滑的集流體上制成電極，這種技術存在以下缺陷:1、活性物質層與集流體的粘結強度不夠，隨使用時間的延長，充放電循環次數增多，部分活性物質會從集流體脫落，影響電極性能和壽命;2、集流體與活性物質為表面接觸，接觸面積有限，內阻偏大;3、電極裝配成電化學電源時，需要把電極卷繞或疊加成接觸較為緊密的極組，就會造成注液時電解液很難滲入極組內部，隨著充放電循環的進行，電極內部電解液匱乏，導致電化學電源性能降低或損壞;4、現有技術中，為解決活性物質與集流體粘結強度和內阻問題，有的工藝是在兩者中間再引入一層導電膠，但導電膠的引入增加了制造工序和材料、設備等成本，并增加引入雜質的機會;5、現有技術中，有的工藝是在集流體上通過物理或化學手段制作出貫穿或不貫穿的孔，對上述問題有一定改善，但效果不是太明顯。【實用新型內容】
[0005]為了解決現有技術的不足，本實用新型的目的是提供一種基于三維立體凸起集流體的電化學電源電極，其活性物質層與集流體結合力強，電極密度大，容量高，內阻低，循環壽命長，能更好的應用于超級電容器、鋰離子電容器、混合電容器、燃料電池和鋰離子電池等領域。
[0006]本實用新型通過以下方式實現:一種基于三維立體凸起集流體的電化學電源電極，由活性物質層和集流體復合構成。所述集流體表面有三維立體凸起;所述凸起為兩端開口的中空結構;所述凸起底端的開口與集流體開放連接，并在集流體上形成貫穿的孔隙;所述凸起在集流體兩側交錯排布。
[0007]作為優選，所述孔隙的面積占集流體面積的比例為10-80%。集流體上孔隙的存在利于注液時電解液的快速滲透，并能使電解液充分進入電極組內部，防止隨充放電循環的進行而出現的電解液匱乏現象。孔隙結構還能減輕集流體的質量，從而減輕電化學電源質量，利于電化學電源的輕型化和小型化。
[0008]作為優選，所述孔隙之間的中心距為0.05-lmm。位于集流體上下兩側的活性物質可以通過開放的凸起實現直接接觸，利于離子傳導，降低內阻。
[0009]作為優選，所述凸起垂直于集流體表面的高度為活性物質層厚度的5%_50%。復合時部分活性物質進入凸起的中空部分，增大活性物質與集流體接觸面積，增大電極密度，并提高結合力，延長電極使用壽命，減少粘結劑用量，降低內阻。
[0010]本實用新型技術適用于超級電容器、鋰離子電容器、混合電容器、燃料電池和鋰離子電池等電化學電源。需要說明的是，本實用新型技術尤其適用于鋰離子電容器。鋰離子電容器預嵌鋰的工藝要求其集流體必須開有通孔以給鋰離子提供迀移通道，現有技術都是對集流體額外加工形成通孔，而本實用新型技術的鋰離子可以直接通過三維立體凸起開放的中空部位傳輸，完成預嵌鋰。
[0011]本實用新型的有益效果:提高活性物質層和集流體的結合力，延長電化學電源使用壽命;增加單位面積的活性物質質量，增加電極密度，提高容量，增大能量密度;減少粘結劑用量，降低內阻，提高功率密度;減輕集流體質量，減小電化學電源質量或體積;減少電源模塊數量或體積，利于電源模塊輕型化和小型化，降低成本;利于電解液迅速滲入電極內部，防止電解液匱乏;本實用新型技術尤其適用于鋰離子電容器。【附圖說明】
[0012]圖1為本實用新型的一種基于三維立體凸起集流體的電化學電源電極剖視結構示意圖；
[0013]圖2為現有技術電極的剖視結構示意圖。
[0014]圖中；1、活性物質層，2、集流體，3、凸起，4、孔隙，5、普通集流體。【具體實施方式】
[0015]下面結合說明書附圖和【具體實施方式】對本實用新型的實質性特點作進一步的說明。
[0016]如圖1所示的一種基于三維立體凸起集流體的電化學電源電極，由活性物質層1和集流體2復合構成。所述集流體2表面有三維立體凸起3;所述凸起為兩端開口的中空結構； 所述凸起底端的開口與集流體開放連接，并在集流體上形成貫穿的孔隙4;所述凸起在集流體兩側交錯排布。所述凸起是中空的立方體，可以有規則或不規則的形狀，可以舉例如山峰狀、纖維狀等。所述凸起兩端開口可以是規則的和不規則的各種幾何形狀，可以舉例如圓形、橢圓形等。
[0017]圖2為現有技術電極的剖視結構示意圖。普通集流體為表面光滑的平板結構。對比圖1和圖2,可以明顯看到，本實用新型技術的電極，活性物質可以進入集流體上的中空突起內部，增加單位面積的活性物質，增大電極密度，提高容量和能量密度。而且位于集流體上下兩側的活性物質可以通過凸起開放的兩端直接接觸，利于離子的傳導，降低內阻。
[0018]所述孔隙的面積占集流體面積的比例優選為10-80%。集流體上孔隙的存在利于注增加單位面積活性物質質量，并能使電解液快速充分進入電極內部。同時，孔隙結構還能減輕集流體的質量，從而減輕電化學電源質量，利于電化學電源的輕型化和小型化。
[0019]所述凸起垂直于集流體表面的高度優選為活性物質層厚度的5%-50%，具體的高度數值優選為5-80um。高度的具體數值可以根據實際生產情況調整確定，均應視為本實用新型的具體實施例。
[0020]本實用新型的一種基于三維立體凸起集流體的電化學電源電極適用于電化學電源領域，包括超級電容器、鋰離子電容器、混合電容器、燃料電池和鋰離子電池等領域。本實用新型的技術方案尤其適用于鋰離子電容器領域。鋰離子電容器由于其預嵌鋰工藝的特殊要求，在裝配時需要預先在極組一側裝入鋰片，然后鋰離子要穿過集流體嵌入每層活性物質中，這就要求集流體必須開有通孔從而為鋰離子提供迀移通道。現有技術都是對集流體額外加工形成通孔，而本實用新型技術的鋰離子可以直接通過三維立體凸起開放的中空部位傳輸，無需額外加工即可完成預嵌鋰。
[0021]本實用新型不限于上述實施方式，而是可以在如權利要求所述的本實用新型的范圍內進行各種改進。這些改進包含在本實用新型的范圍之內。實施例[〇〇22] 實施例1[〇〇23]活性炭與導電碳黑和聚四氟乙烯混合攪拌，壓制成厚度lOOum的碳膜。集流體采用孔隙率為80%，孔隙中心距為0.05mm，厚度為20um的鋁箱，凸起的垂直高度為50um。把碳膜通過碾壓機壓在鋁箱上，得到活性炭電極。[〇〇24] 實施例2
[0025]鈦酸鋰與導電碳黑和聚偏氟乙烯混合加入到甲基吡咯烷酮溶劑中攪拌成漿料。集流體采用孔隙率為50%，孔隙中心距為1mm，厚度為8um的銅箱，凸起的垂直高度為20um。把漿料涂覆在銅箱上，得到活性物質層厚度為80um的鈦酸鋰電極。
[0026]實施例3
[0027]石墨烯與導電炭黑和丙烯酸樹脂混合形成均勻的顆粒混合物。集流體采用孔隙率為60%，孔隙中心距為0 ? 4mm，厚度為30um的鎳箱，凸起的垂直高度為16um。把顆粒混合物通過靜電作用噴涂在鎳箱上，形成活性物質層厚度為160um的石墨烯電極。
[0028]實施例4
[0029]石墨、導電劑、聚乙烯吡咯烷酮混合加入到水中攪拌成漿料。集流體采用孔隙率為 10%，孔隙中心距為0 ? 8mm，厚度為15um的鋁箱，凸起的垂直高度為5um。把漿料印刷轉移在鋁箱上，得到活性物質層厚度為20um的石墨電極。
[0030]實施例5[〇〇31]活性炭與導電碳黑和聚四氟乙烯混合攪拌，先壓制成厚度200um的碳膜。集流體采用孔隙率為80%，孔隙中心距為0? 1mm，厚度為30um的不銹鋼，凸起的垂直高度為10um。預先在不銹鋼表面涂布5um厚的中間過渡層。然后把碳膜通過210°C的高溫輥熱合在涂有中間過渡層的鋁箱上，得到活性炭電極。
【主權項】
1.一種基于三維立體凸起集流體的電化學電源電極，由活性物質層(1)和集流體(2)復 合構成，所述集流體(2)表面有三維立體凸起(3);所述凸起為兩端開口的中空結構;所述凸 起底端的開口與集流體開放連接，并在集流體上形成貫穿的孔隙(4);所述凸起在集流體兩 側交錯排布。2.如權利要求1所述的一種基于三維立體凸起集流體的電化學電源電極，其特征是所 述孔隙的面積占集流體面積的比例為10-80%。3.如權利要求1所述的一種基于三維立體凸起集流體的電化學電源電極，其特征是所 述孔隙之間的中心距為0.05-lmm。4.如權利要求1所述的一種基于三維立體凸起集流體的電化學電源電極，其特征是所 述凸起垂直于集流體表面的高度為活性物質層厚度的5%-50%。
【文檔編號】H01G11/70GK205582739SQ201620154013
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年3月1日
【發明人】薛龍均
【申請人】東陽市元江電工有限公司