一种复合集流体材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及物理、化学电源领域，尤其涉及集流体材料领域。
【背景技术】
[0002] 锂离子电池中的正负极集流体分别是铝箔和铜箔；氢镍电池中的正负极集流体分 别是泡沫镍和黄铜网；铅酸电池中的正负极集流体材料分别是铅合金（或电解铅）和铅合 金。人们在长期实践过程中，为不同的电化学体系的物理化学电源选择了截然不同的集流 体材料，主要考虑以下几方面：
[0003] 1.集流体材料在该电化学体系下要稳定，在充放电过程中自身不发生或少发生氧 化还原腐蚀或其它化学腐蚀；
[0004] 2.集流体材料的电子导电性要高；
[0005] 3集流体最终需要和电源内部的汇流条或极柱可靠的连接，而这种连接通常都是 焊接（熔接），因此集流体材料中一般都含有金属或准金属或合金的成分；
[0006] 4.集流体材料和体系中的活性物质电极要有较好的相容性，彼此间的接触电阻要 小；
[0007] 5.集流体材料的密度越小越好。
[0008] 然而，现有技术的集流体材料在上述性能的一个或几个方面尚需改进。
【发明内容】
[0009] 本发明提出一种可以稳定、高效地在水溶液中工作的复合集流体材料。本发明用 以解决水溶液电池中集流体材料的金属腐蚀问题。
[0010] 本发明提供了 一种复合集流体材料，其特征在于，该复合集流体材料是由导电薄 膜、金属或合金箔材或网材、导电薄膜三层以"三明治"方式融合成一体。
[0011] 所述复合集流体材料除所述金属或合金箔材或网材的极耳上部极少部分外，所述 金属或合金箔材或网材的表面、边缘均被所述导电薄膜覆盖，被覆盖的金属或合金部分通 过导电薄膜与外部完全隔绝。
[0012] 导电薄膜是由导电剂均匀分散在高分子聚合物中后吹塑或拉伸成型，导电薄膜的 厚度与集流体长或宽的比值不大于2%，优选为0. 1% -0. 5% ;对于120mm*120mm大小的集 流体材料，导电薄膜优选的厚度为0. 2mm-0. 3mm。所述导电薄膜中的导电剂为含碳原子sp2 杂化共价键的物质，优选为石墨粉、超级导电炭黑、纳米碳管、纳米碳纤维中的一种或几种； 更优选地为超级导电炭黑或石墨粉。所述导电薄膜中的高分子聚合物为聚乙烯、聚丙烯、聚 对苯二甲酸乙二醇、尼龙、聚四氟乙烯、氟碳树脂中的一种或几种；优选为聚乙烯或聚丙烯 材料。所述导电剂在所述导电薄膜中的比例为按质量计30% -95%。
[0013] 本发明复合集流体材料的所述金属或合金箔材或网材为铁箔、铝箔、铜箔、黄铜 箔、钛箔、镍箔、不锈钢箔或铁网、铝网、铜网、黄铜网、钛网、镍网、不锈钢网中的一种；优 选为不锈钢网，金属或合金箔材或网材的厚度和集流体的长或宽的比值不大于1%，优选 为0.01% -0.05% ;对于120mm*120mm大小的集流体材料，金属材料优选的厚度范围为 0. 025mm_0. 045mm。
[0014] 所述导电薄膜的厚度与所述金属或合金箔材或网材的厚度比值为 50. 1% -2000%，优选为 80% -400%。
[0015] 本发明复合集流体材料的导电薄膜、金属或合金箔材或网材、导电薄膜通过加热 加压的方式融合成一体。
[0016] 本发明复合集流体材料的制备方法，其特征在于，将导电薄膜、金属或合金箔材或 网材、导电薄膜三层以"三明治"方式叠放，用两个加热的压板或压块压合而成，其中压板 或压块的加热温度范围为70°c-390°c，压强范围为1N/Cm2-1000N/Cm2,热压时间范围为 0?ls_15s〇
[0017] 在本发明的方法中，所述复合集流体材料除所述金属或合金箔材或网材的极耳上 部极少部分外，所述金属或合金箔材或网材的表面、边缘均被所述导电薄膜覆盖，被覆盖的 金属或合金部分通过导电薄膜与外部完全隔绝。
[0018] 在本发明的方法中，导电薄膜是由导电剂均匀分散在高分子聚合物中后吹塑或 拉伸成型，导电薄膜的厚度与集流体长或宽的比值不大于2 %，优选为0. 1 % -0. 5 % ;对 于120mm*120mm大小的集流体材料，导电薄膜优选的厚度为0? 2mm-0. 3mm。所述导电薄膜 中的导电剂为含碳原子sp2杂化共价键的物质，优选为石墨粉、超级导电炭黑、纳米碳管、 纳米碳纤维中的一种或几种；更优选地为超级导电炭黑或石墨粉。所述导电薄膜中的高 分子聚合物为聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇、尼龙、聚四氟乙烯、氟碳树脂中的一种 或几种；优选为聚乙烯或聚丙烯材料。所述导电剂在所述导电薄膜中的比例为按质量计 30% -95%。
[0019] 在本发明的方法中，本发明复合集流体材料的所述金属或合金箔材或网材为铁 箔、铝箔、铜箔、黄铜箔、钛箔、镍箔、不锈钢箔或铁网、铝网、铜网、黄铜网、钛网、镍网、不锈 钢网中的一种；优选为不锈钢网，金属或合金箔材或网材的厚度和集流体的长或宽的比值 不大于1%，优选为0. 01% -0. 05% ;对于120mm*120mm大小的集流体材料，金属材料优选 的厚度范围为〇. 02Smm-Q. 045mm。
[0020] 在本发明的方法中，所述导电薄膜的厚度与所述金属或合金箔材或网材的厚度比 值为 50. 1% -2000%，优选为 80% -400%。
[0021] 将高分子聚合物导电薄膜，通过加热加压后融合的方法均匀覆盖在金属或合金箔 材或网材的表面，从而形成一种以导电碳薄膜和金属（或合金）混联导电的复合集流体材 料。本发明中使用的导电薄膜，所起的作用是阻止电解液分子、电解质离子以及溶解在电解 液中的各种气体分子对金属（或合金）集流体材料的长期、持续的腐蚀；并兼顾短距离（导 电薄膜的厚度方向）传递电子的作用。金属（或合金）箔（网）材主要起到将由薄膜传递 (或向薄膜传递电子）过来的电子沿箔材表面的方向（长距离）传递到电池极耳的作用。 本发明所述的集流体材料抗腐蚀能力大大优于传统的金属（或合金）集流体，同时集流体 的导电能力却几乎没有变化，可广泛应用于多种水溶液电池，提高电池的长期循环性能。
【附图说明】
[0022] 图Ia示出了复合集流体材料的正视图；图Ib示出了复合集流体材料边缘部分的 放大剖视图。
[0023]图2示出了 304不锈钢基材CV扫描曲线（相对于（VS.)饱和甘汞电极）。
[0024] 图3示出了 304覆导电薄膜基材CV扫描曲线（相对于饱和甘汞电极）。
[0025]图4示出了覆盖导电薄膜的不锈钢网集流体的CV扫描图和不锈钢网集流体的CV扫描图的对照图。
【具体实施方式】
[0026]以下结合附图具体说明本发明的技术方案，但是本发明的保护范围并不局限于以 下的实施例。
[0027]以下具体说明长宽分别为L mm、W_(假定L >W)的带极耳的集流体的制作。
[0028]第一步，选用厚度不超过W*1%mm的铁箔、铝箔、铜箔、黄铜箔、钛箔、镍箔、不锈钢 箔或铁网、铝网、铜网、黄铜网、钛网、镍网、不锈钢网中的一种，并裁切成所需的形状。
[0029]第二步，选用厚度不超过W*2% mm的聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇、尼龙、 聚四氟乙烯、氟碳树脂中的一种或几种为基材的导电薄膜两片，其中的导电添加剂为石墨 粉、超级导电炭黑、纳米碳管、纳米碳纤维等含碳原子Sp2杂化共价键的一种或几种混合体。 所选导电薄膜中的导电剂的质量分数为30%-95%。导电薄膜是由导电剂均匀分散在高分 子聚合物中后吹塑或拉伸成型。将导电薄膜裁切成集流体所需的形状，导电薄膜应比金属 (或合金）箔（网）材的长宽各大3-6_，确保最终制作的复合集流体材料中除金属（或合 金）箔（网）材极耳上部极少部分外，金属（或合金）箔（网）材表面、边缘均被导电薄膜 覆盖，被覆盖的金属（或合金）部分和空气无直接接触。
[0030] 第三步，将导电薄膜、金属（或合金）箔（网）材、导电薄膜三层以"三明治"方式 叠放，并在此确保复合集流体材料中除金属（或合金）箔（网）材极耳上部极少部分外，金 属（或合金）箔（网）材表面、边缘均被导电薄膜覆盖，被覆盖的金属（或合金）部分和空 气无直接接触。
[0031]第四步，利用自制热压机，将压块或压板的温度提升到70°C-390°c中的某一合适 温度，维持30分钟以上时间（例如30分钟至1小时），待温度稳定后