一种超薄钛酸锂电极的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明具体涉及一种超薄钛酸锂电极的制备方法，具体涉及一种混合超级电容器用超薄钛酸锂电极的制备方法，属于超级电容器技术领域。
【背景技术】
[0002]超级电容器因其具有功率密度高(大于lkW/kg)、使用寿命长(> 10万次)以及较高的能量密度等特点，使其在众多的储能器件中受到广泛的关注，目前已成功应用于轨道交通、混合动力大巴、重型机械、风力发电等领域。虽然超级电容器在功率密度和循环使用寿命方面具有突出的表现，但是能量密度偏低的缺点却限制了其大规模应用。为此，兼具有双电层超级电容器高功率特性和锂离子电池高能量特性的新型混合电容器成为重点研发方向。
[0003]混合电容器是将电池材料和高导电性电容材料以内部“并联”的方式进行产品研制，最终达到克服现有双电层电容器能量密度的限制且不需要牺牲太多超级电容器的功率密度与循环寿命特性的目的。目前，对于混合电容器的研究主要集中在负极金属氧化物的研制上，具体包括有Li4Ti5012、Ru02、Mn02、Ni0、Co304等，其中Li 4Ti5012因具有充放电循环时接近于100%的高库仑效率；四倍于活性炭的高理论容量(175mAh.g ^ ;无SEI膜损耗、无锂枝晶形成以及“零应变”结构等特性，成为了新一代超级电容器负极材料的研究热点。
[0004]在混合电容器中，正负极材料配比的优化对电容器电化学性能研究至关重要，若正极活性物质过量，容易造成电极片厚度太厚，活性物质易于剥落从而影响电容器的循环稳定性；若正极活性物质含量过低时，则不能够充分发挥负极材料的理论容量，造成器件在单位体积内的容量下降。据相关文献报道(中国科学科学技术，2014，11(44):1197-1201,《双电层电容器电极平衡技术的研究》，阮殿波等人)，电容器中正极厚度为240 μπι时，电容器具有最佳的循环稳定性。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供一种制备过程简单，超薄电极表面颗粒分布均匀的超薄钛酸锂电极的制备方法。
[0006]为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案:一种超薄钛酸锂电极的制备方法，所述的制备方法包括如下步骤:
[0007]S1、按比例称取原料负极钛酸锂材料、导电剂和粘结剂，并将原料混合均匀成混合物粉体；其中负极钛酸锂材料、导电剂和粘结剂的质量百分比分别为80-92 %、5-15 %和3-10% ；
[0008]S2、将混合物粉体加入到供粉器中，采用粉末静电喷涂法进行电极涂覆，使混合物粉体均匀地吸附于集流体上，然后进行加热固化形成双面涂覆的负极电极材料；
[0009]S3、将负极电极材料碾压得超薄钛酸锂负极电极。
[0010]粉末静电喷涂是利用高压静电电晕电场的原理，将粉末喷涂至工件上，由于它接上高压负极产生的电晕放电，在其附近产生了密集的负电荷，使粉末带上负电荷，进入了电场强度很高的静电场，在静电力和运载气体推动力的双重作用下，粉末均匀地飞向接地工件表面形成厚薄均匀的粉尘，再加热固化转化为耐久的涂膜。本发明采用粉末静电喷涂工艺制备负极电极材料，净化后的压缩空气将混合物从供粉器经输粉管送到喷枪的导流杯时，其周围产生密集的电荷，混合物粉体带上负电荷，在静电场与压缩空气的作用下，粉体均匀地吸附于集流体上，之后通过干燥加热系统进行加热固化、形成均匀连续的负极电极材料。
[0011]在上述一种超薄钛酸锂电极的制备方法中，作为优选，步骤S1中所述的导电剂为导电炭黑、石墨烯、碳纳米管或纳米碳纤维的一种或几种。
[0012]在上述一种超薄钛酸锂电极的制备方法中，作为优选，步骤S1中所述的粘结剂为聚四氟乙烯、丁苯橡胶、丙烯酸树脂、聚偏氟乙烯中的一种或几种。
[0013]在上述一种超薄钛酸锂电极的制备方法中，作为优选，步骤S2中粉末静电喷涂时的静电压为40_80kV。静电压的大小影响着喷涂电极的厚度，若静电压过高，则会导致电极厚度太厚。
[0014]在上述一种超薄钛酸锂电极的制备方法中，作为优选，步骤S2中所述的集流体为厚度为20-40 μ m的腐蚀铝箔。经不断试验发现，若集流体的厚度低于18 μ m，集流体的韧性较差，在制备过程中容易断裂；若集流体的厚度大于40 μπι，不仅增加了电极整体的重量，还严重影响产品的性能，尤其影响产品的比能量、比功率等。
[0015]在上述一种超薄钛酸锂电极的制备方法中，作为优选，步骤S2中加热固化分三阶段进行，第一阶段的温度为82-88°C，第二阶段的温度为89-92°C，第三阶段的温度为98-103°C。喷涂后急剧加热会严重收缩，导致活性材料与集流体之间产生间隙，甚至导致活性物质脱落，本发明将加热固化分三阶段进行，并在电极传输的过程中一起完成，使涂覆更加均匀，效果更好。
[0016]再进一步优选，加热固化的三阶段温度分布为85°C、90°C、100°C。
[0017]在上述一种超薄钛酸锂电极的制备方法中，作为优选，步骤S3中所述的碾压为在100-150°C下进行的高温碾压。通过高温碾压可进一步固化活性物质，同时将涂层致密化，进而提高产品的质量。但是若温度过高(大于155°C)，会导致粘结剂挥发，影响粘结性，甚至导致活性物质脱落。
[0018]在上述一种超薄钛酸锂电极的制备方法中，作为优选，步骤S3中制得的超薄钛酸锂负极电极的总厚度为40-80 μπι。正负极的厚度有一个容量匹配的关系，负极的比容量远大于正极材料的，因此在一定范围内负极的厚度相对低一点较好。但在本发明中若负极电极的厚度低于38 μ m，则不利于喷涂，集流体容易断裂。若负极材料太厚的话，负极的容量过多并不能真正利用起来。又由于试验发现，电容器中正极厚度为240 μπι时，电容器具有最佳的循环稳定性，因此，综合各方面因素，本发明将负极电极的总厚度控制在40-80 μπι范围内。
[0019]本发明与现有技术相比，本发明超薄钛酸锂电极的制备方法中涂覆过程简单，快速高效，粉末利用率高，避免了能源的浪费。同时超薄电极表面颗粒分布均匀，改善了在常规湿法涂覆中分散不均匀以及涂覆超薄电极过程困难的问题。另外，将本发明制得的超薄钛酸锂负极电极用于混合电容器中，可使混合电容器具有较高的容量、较强的稳定性。
【具体实施方式】
[0020]以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
[0021]实施例1
[0022]按比例称取原料负极钛酸锂材料、导电剂和粘结剂，并将原料经超高速剪切分散处理后得混合物；其中负极钛酸锂材料、导电剂和粘结剂的质量百分比分别为85%、10%和5% ；
[0023]将混合物加入到供粉器中，采用粉末静电喷涂法进行电极涂覆，喷涂时采用60kV的静电压，在静电压和压缩空气的作用下，将混合物粉体吸附于集流体上，然后进行加热固化形成双面涂覆的负极电极材料；加热固化分三阶段进行，第一阶段的温度为85°C，第二阶段的温度为90°C，第三阶段的温度为100°C ;
[0024]将负极电极材料在120°C下进行高温碾压得双面涂覆的总厚度为60 μπι的超薄钛酸锂负极电极，该电极的密度为1.86g/cm3。
[0025]