一种基于三维立体凸起集流体的电化学电源电极的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于三维立体凸起集流体的电化学电源电极，由活性物质层（1）和集流体（2）复合构成。所述集流体（2）表面有三维立体凸起（3）；所述凸起为两端开口的中空结构；所述凸起底端的开口与集流体开放连接，并在集流体上形成贯穿的孔隙（4）；所述凸起在集流体两侧交错排布。三维立体凸起结构增大了活性物质层和集流体的结合力，增加了电极密度，提高容量，降低内阻，延长了电化学电源的使用寿命。
【专利说明】
一种基于三维立体凸起集流体的电化学电源电极
技术领域
[0001]本实用新型涉及电化学领域，具体地，本实用新型涉及一种基于三维立体凸起集流体的电化学电源电极，该电极可应用于多种电化学电源，包括超级电容器、锂离子电容器、混合电容器、燃料电池和锂离子电池。【背景技术】
[0002]电化学电源是一种能量存储和释放装置，它通过物理或化学的方式进行能量的转化，为各种用电设施提供能源动力，涉及社会生活的多个方面，具有便携性和使用方便性， 广泛应用于电子产品、电动工具、风能、太阳能、汽车、航空等领域。这种电化学电源包括超级电容器、锂离子电容器、混合电容器、燃料电池和锂离子电池等。
[0003]电极是电化学电源的核心元件，是影响电化学电源性能的关键因素。电极由活性物质层和集流体复合而成。活性物质层包括活性物质、导电剂和粘结剂，其中活性物质是电极的主材料，用于提供容量;导电剂用于改善电极的导电性能;粘结剂用于把活性物质、导电剂以及集流体粘结在一起，集流体用于支撑活性物质层并提供电子迀移通道。
[0004]现有技术一般都是把活性物质层复合在表面光滑的集流体上制成电极，这种技术存在以下缺陷:1、活性物质层与集流体的粘结强度不够，随使用时间的延长，充放电循环次数增多，部分活性物质会从集流体脱落，影响电极性能和寿命;2、集流体与活性物质为表面接触，接触面积有限，内阻偏大;3、电极装配成电化学电源时，需要把电极卷绕或叠加成接触较为紧密的极组，就会造成注液时电解液很难渗入极组内部，随着充放电循环的进行，电极内部电解液匮乏，导致电化学电源性能降低或损坏;4、现有技术中，为解决活性物质与集流体粘结强度和内阻问题，有的工艺是在两者中间再引入一层导电胶，但导电胶的引入增加了制造工序和材料、设备等成本，并增加引入杂质的机会;5、现有技术中，有的工艺是在集流体上通过物理或化学手段制作出贯穿或不贯穿的孔，对上述问题有一定改善，但效果不是太明显。【实用新型内容】
[0005]为了解决现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种基于三维立体凸起集流体的电化学电源电极，其活性物质层与集流体结合力强，电极密度大，容量高，内阻低，循环寿命长，能更好的应用于超级电容器、锂离子电容器、混合电容器、燃料电池和锂离子电池等领域。
[0006]本实用新型通过以下方式实现:一种基于三维立体凸起集流体的电化学电源电极，由活性物质层和集流体复合构成。所述集流体表面有三维立体凸起;所述凸起为两端开口的中空结构;所述凸起底端的开口与集流体开放连接，并在集流体上形成贯穿的孔隙;所述凸起在集流体两侧交错排布。
[0007]作为优选，所述孔隙的面积占集流体面积的比例为10-80%。集流体上孔隙的存在利于注液时电解液的快速渗透，并能使电解液充分进入电极组内部，防止随充放电循环的进行而出现的电解液匮乏现象。孔隙结构还能减轻集流体的质量，从而减轻电化学电源质量，利于电化学电源的轻型化和小型化。
[0008]作为优选，所述孔隙之间的中心距为0.05-lmm。位于集流体上下两侧的活性物质可以通过开放的凸起实现直接接触，利于离子传导，降低内阻。
[0009]作为优选，所述凸起垂直于集流体表面的高度为活性物质层厚度的5%_50%。复合时部分活性物质进入凸起的中空部分，增大活性物质与集流体接触面积，增大电极密度，并提高结合力，延长电极使用寿命，减少粘结剂用量，降低内阻。
[0010]本实用新型技术适用于超级电容器、锂离子电容器、混合电容器、燃料电池和锂离子电池等电化学电源。需要说明的是，本实用新型技术尤其适用于锂离子电容器。锂离子电容器预嵌锂的工艺要求其集流体必须开有通孔以给锂离子提供迀移通道，现有技术都是对集流体额外加工形成通孔，而本实用新型技术的锂离子可以直接通过三维立体凸起开放的中空部位传输，完成预嵌锂。
[0011]本实用新型的有益效果:提高活性物质层和集流体的结合力，延长电化学电源使用寿命;增加单位面积的活性物质质量，增加电极密度，提高容量，增大能量密度;减少粘结剂用量，降低内阻，提高功率密度;减轻集流体质量，减小电化学电源质量或体积;减少电源模块数量或体积，利于电源模块轻型化和小型化，降低成本;利于电解液迅速渗入电极内部，防止电解液匮乏;本实用新型技术尤其适用于锂离子电容器。【附图说明】
[0012]图1为本实用新型的一种基于三维立体凸起集流体的电化学电源电极剖视结构示意图；
[0013]图2为现有技术电极的剖视结构示意图。
[0014]图中；1、活性物质层，2、集流体，3、凸起，4、孔隙，5、普通集流体。【具体实施方式】
[0015]下面结合说明书附图和【具体实施方式】对本实用新型的实质性特点作进一步的说明。
[0016]如图1所示的一种基于三维立体凸起集流体的电化学电源电极，由活性物质层1和集流体2复合构成。所述集流体2表面有三维立体凸起3;所述凸起为两端开口的中空结构； 所述凸起底端的开口与集流体开放连接，并在集流体上形成贯穿的孔隙4;所述凸起在集流体两侧交错排布。所述凸起是中空的立方体，可以有规则或不规则的形状，可以举例如山峰状、纤维状等。所述凸起两端开口可以是规则的和不规则的各种几何形状，可以举例如圆形、椭圆形等。
[0017]图2为现有技术电极的剖视结构示意图。普通集流体为表面光滑的平板结构。对比图1和图2,可以明显看到，本实用新型技术的电极，活性物质可以进入集流体上的中空突起内部，增加单位面积的活性物质，增大电极密度，提高容量和能量密度。而且位于集流体上下两侧的活性物质可以通过凸起开放的两端直接接触，利于离子的传导，降低内阻。
[0018]所述孔隙的面积占集流体面积的比例优选为10-80%。集流体上孔隙的存在利于注增加单位面积活性物质质量，并能使电解液快速充分进入电极内部。同时，孔隙结构还能减轻集流体的质量，从而减轻电化学电源质量，利于电化学电源的轻型化和小型化。
[0019]所述凸起垂直于集流体表面的高度优选为活性物质层厚度的5%-50%，具体的高度数值优选为5-80um。高度的具体数值可以根据实际生产情况调整确定，均应视为本实用新型的具体实施例。
[0020]本实用新型的一种基于三维立体凸起集流体的电化学电源电极适用于电化学电源领域，包括超级电容器、锂离子电容器、混合电容器、燃料电池和锂离子电池等领域。本实用新型的技术方案尤其适用于锂离子电容器领域。锂离子电容器由于其预嵌锂工艺的特殊要求，在装配时需要预先在极组一侧装入锂片，然后锂离子要穿过集流体嵌入每层活性物质中，这就要求集流体必须开有通孔从而为锂离子提供迀移通道。现有技术都是对集流体额外加工形成通孔，而本实用新型技术的锂离子可以直接通过三维立体凸起开放的中空部位传输，无需额外加工即可完成预嵌锂。
[0021]本实用新型不限于上述实施方式，而是可以在如权利要求所述的本实用新型的范围内进行各种改进。这些改进包含在本实用新型的范围之内。实施例[〇〇22] 实施例1[〇〇23]活性炭与导电碳黑和聚四氟乙烯混合搅拌，压制成厚度lOOum的碳膜。集流体采用孔隙率为80%，孔隙中心距为0.05mm，厚度为20um的铝箱，凸起的垂直高度为50um。把碳膜通过碾压机压在铝箱上，得到活性炭电极。[〇〇24] 实施例2
[0025]钛酸锂与导电碳黑和聚偏氟乙烯混合加入到甲基吡咯烷酮溶剂中搅拌成浆料。集流体采用孔隙率为50%，孔隙中心距为1mm，厚度为8um的铜箱，凸起的垂直高度为20um。把浆料涂覆在铜箱上，得到活性物质层厚度为80um的钛酸锂电极。
[0026]实施例3
[0027]石墨烯与导电炭黑和丙烯酸树脂混合形成均匀的颗粒混合物。集流体采用孔隙率为60%，孔隙中心距为0 ? 4mm，厚度为30um的镍箱，凸起的垂直高度为16um。把颗粒混合物通过静电作用喷涂在镍箱上，形成活性物质层厚度为160um的石墨烯电极。
[0028]实施例4
[0029]石墨、导电剂、聚乙烯吡咯烷酮混合加入到水中搅拌成浆料。集流体采用孔隙率为 10%，孔隙中心距为0 ? 8mm，厚度为15um的铝箱，凸起的垂直高度为5um。把浆料印刷转移在铝箱上，得到活性物质层厚度为20um的石墨电极。
[0030]实施例5[〇〇31]活性炭与导电碳黑和聚四氟乙烯混合搅拌，先压制成厚度200um的碳膜。集流体采用孔隙率为80%，孔隙中心距为0? 1mm，厚度为30um的不锈钢，凸起的垂直高度为10um。预先在不锈钢表面涂布5um厚的中间过渡层。然后把碳膜通过210°C的高温辊热合在涂有中间过渡层的铝箱上，得到活性炭电极。
【主权项】
1.一种基于三维立体凸起集流体的电化学电源电极，由活性物质层(1)和集流体(2)复 合构成，所述集流体(2)表面有三维立体凸起(3);所述凸起为两端开口的中空结构;所述凸 起底端的开口与集流体开放连接，并在集流体上形成贯穿的孔隙(4);所述凸起在集流体两 侧交错排布。2.如权利要求1所述的一种基于三维立体凸起集流体的电化学电源电极，其特征是所 述孔隙的面积占集流体面积的比例为10-80%。3.如权利要求1所述的一种基于三维立体凸起集流体的电化学电源电极，其特征是所 述孔隙之间的中心距为0.05-lmm。4.如权利要求1所述的一种基于三维立体凸起集流体的电化学电源电极，其特征是所 述凸起垂直于集流体表面的高度为活性物质层厚度的5%-50%。
【文档编号】H01G11/70GK205582739SQ201620154013
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年3月1日
【发明人】薛龙均
【申请人】东阳市元江电工有限公司