一种活性炭电极的制作方法

本实用新型属于电化学技术领域，尤其涉及一种活性炭电极。

背景技术：

超级电容器具有大电容量、可大电流快速充放电和长循环使用寿命等优点，在许多需要高比功率、高循环效率和长寿命电源的领域得到了较广泛的应用。

活性炭以其制备成本低、比容量高且制备工艺成熟的优势，成为应用最为广泛的超级电容电极活性材料。现有技术公开的活性炭的制备方法主要是化学活化法。化学活化法中常用的活化剂有碱金属、碱土金属的氢氧化物、无机盐类以及一些酸类，其中以碱金属氢氧化物作为活化剂制得的超级活性炭性能最优异；例如，中国专利CN01126708.9公开的在碱性活化剂的作用下由石油焦制备高比表面积活性炭的方法。

但是活性炭作为活性材料制备电极时，多采用粉末状活性炭，而粉末状活性炭本身的导电性极差，甚至低于0.1S/cm，进而以活性炭作为活性材料制备得到的电极存在着内阻较大的问题。

现今，多通过涂覆成型的方式制备电极，例如，中国专利CN200610109423.2公开一种涂覆成型电极，采用涂覆的方式解决活性炭颗粒间电子导电性差的问题，但是相比以粉状活性炭制备的电极的电导率提高幅度并不明显。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种活性炭电极，本实用新型提供的活性炭电极具有较低的内阻，提高其电导率。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供以下技术方案：

一种活性炭电极，包括集流体和涂覆在所述集流体表面的活性物质层，所述表面至少包括集流体的工作面，其特征在于，所述集流体的待涂覆表面分布有刺状凸起。

优选的，所述刺状凸起垂直于所述集流体表面；所述刺状凸起在集流体表面的投影为三角形、四边形、星形或圆形。

优选的，所述刺状凸起的高度比所述活性物质层的总高度小。

优选的，所述刺状凸起的高度为5～330μm。

优选的，所述集流体的厚度为2～100μm。

优选的，所述活性物质层单面的厚度独立地为10～330μm。

优选的，所述涂覆为不完全涂覆，在集流体表面形成未有活性物质层的裸露区域。

优选的，所述裸露区域在集流体的一端；所述裸露区域的宽度为3～30mm。

本实用新型提供的活性炭电极，包括集流体和涂覆在所述集流体表面的活性物质层，所述表面至少包括集流体的工作面，其中，所述集流体的待涂覆表面分布有刺状凸起。本实用新型以所述刺状凸起有助于缩短活性物质层和集流体主体的导电距离，使得活性物质层中活性炭具有更短的导电距离而进一步降低电子电阻，进而提高电极的电导率。

实施例结果表明，本实用新型所提供的活性炭电极的内阻降低幅度达20～30％，导电性能得到大幅提升。

附图说明

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型提供的活性炭电极结构示意图；

图2为本实用新型提供的活性炭电极中集流体的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型提供了一种活性炭电极，包括集流体和涂覆在所述集流体表面的活性物质层，所述表面至少包括集流体的工作面；所述集流体的待涂覆表面分布有刺状凸起。

本实用新型提供的活性炭电极包括集流体。在本实用新型中，所述集流体优选为箔材；本实用新型对所述箔材的具体尺寸没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的箔材尺寸即可。

本实用新型提供的活性炭电极包括涂覆在所述集流体表面的活性物质层，所述表面至少包括集流体的工作面。作为本实用新型的一个实施例，如图1本实用新型提供的活性炭电极的结构示意图，所述集流体1的工作面及工作面对侧面上涂覆有活性物质层。

本实用新型对涂覆方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的电极材料中活性物质层在集流体表面的涂覆方式即可。

在本实用新型中，所述集流体的厚度优选为2～100μm，进一步优选为10～50μm，更优选为15～25μm。

在本实用新型中，所述活性物质层单面的厚度独立的优选为10～330μm，进一步优选为20～300μm，更优选为50～250μm，最优选为100～150μm。在本实用新型中，所述活性物质层两面的厚度可以相同也可以不同。

作为本实用新型优选的实施例，所述活性炭电极包括厚度为2μm的集流体、在集流体的工作面以及工作面对侧面分别涂覆的厚度为330μm的活性物质层。

在本实用新型中，所述活性物质层包括粉状活性炭、粘结剂和导电剂。本实用新型对所述活性物质层中粉末活性炭、粘结剂和导电剂的种类和用量没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的电极用活性物质层即可。

在本实用新型中，所述集流体的待涂覆表面分布有刺状凸起。在本实用新型中，分布于所述集流体工作面的刺状凸起和分布于对侧面的刺状凸起优选错位排列。如图1本实用新型提供的集流体的结构示意图所示，在本实用新型中，所述集流体1上分布有刺状凸起2。作为本实用新型优选的实施例，所述刺状凸起2呈矩形阵列形式排布；所述矩形阵列的行间距优选为0.5～2mm，所述矩形阵列的列间距优选为0.5～2mm。

在本实用新型中，所述刺状凸起的高度优选比所述活性物质层的总高度小，使得刺状凸起被活性物质层涂覆包裹住；所述刺状凸起的高度进一步比所述活性物质层的总高度小5～30μm，更优选为10～15μm。在本实用新型中，所述刺状凸起的高度优选为5～300μm，进一步优选为10～200μm，更优选为20～150μm，更优选为30～100μm。

在本实用新型中，所述刺状凸起优选垂直于所述集流体表面；所述刺状凸起在集流体表面的投影优选为三角形、四边形、星形或圆形。在本实用新型中，所述刺状凸起的分布密度优选为(6～25)个/cm²；所述刺状凸起优选以平行纵列的形式分布在所述集流体的表面。

在本实用新型中，所述刺状凸起有助于缩短活性物质层和集流体主体的导电距离，使得活性物质层中活性炭具有更短的导电距离而进一步降低电子电阻，进而提高电极的电导率。

在本实用新型中，当所述集流体表面包括刺状凸起时，所述集流体的制备方法优选包括：采用冲模对基体材料进行冲压处理，得到包括刺状凸起的集流体。在本实用新型中，所述冲模上优选镶嵌钢针，所述钢针优选为圆柱形；所述钢针的端面包括凸起，所述凸起优选为三角形凸起、四边形凸起、星形凸起或圆形凸起。在本实用新型中，所述圆柱形钢针的直径优选为0.2～0.6mm，所述钢针端面凸起的高度优选为5～100μm，进一步优选为10～30μm。本实用新型对所述冲压处理的方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的冲压处理方式即可。

在本实用新型中，所述集流体的作用除作为活性物质载体和通常集流作用外，其凸起具有增加活性物质层导电性的作用。

活性物质层可以是全涂覆，也可以是不完全涂覆，当采用不完全涂覆的方式时，在集流体表面形成未有活性物质层的裸露区域，即所述集流体上还包括工作面和工作面对侧面均未涂覆活性物质层的裸露区域。

在本实用新型中，所述裸露区域优选在集流体的一端；所述裸露区域的宽度优选为3～30mm，进一步优选为5～25mm，更优选为10～20mm，最优选为15mm。如图1本实用新型提供的集流体的结构示意图所示，本实用新型提供的集流体1包括裸露区域4；所述裸露区域4上未分布刺状凸起2。在本实用新型中，所述裸露区域的作用是作为极耳在后续器件组装中连接极柱等。

如图2本实用新型提供的活性炭电极的工作面垂直侧面的截面结构示意图所示，本实用新型实施例提供的活性炭电极包括集流体1、刺状凸起2、工作面及工作面对侧面的活性物质层3和裸露区域4；其中裸露体区域在集流体1的一端。

下面结合实施例对本实用新型提供的一种活性炭电极进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本实用新型保护范围的限定。

实施例1

用直径0.6mm的圆柱钢针排成一排镶嵌在冲模上、针端面为尖锐的五角星形凸起、凸起高度为100微米，对模为直径0.61mm的圆柱孔。取20微米厚的铝箔，采用上述冲模在铝箔上冲出圆柱形孔，在铝箔一侧表面形成五角星形刺状凸起，刺状凸起的高度约300微米。

在有刺状凸起的集流体的工作面上为厚度为330μm的活性物质层。其中，以比表面积约500m²/g，密度约0.90g/cm3且比电导约0.1S/cm的常规活性炭85g、采用活性炭、炭黑10g作为导电剂和聚偏氟乙烯5g作为粘接剂，三者均匀混合后用氮甲基吡咯烷酮调浆成活性物质浆料。上述活性物质浆料涂覆在上述有刺状凸起的铝箔集流体上，涂覆厚度为均匀360微米左右。在180℃条件下烘干30min后，辊压到活性物质层厚度为330微米，得到活性炭电极。

对比例1

选取常规活性炭，比表面积约500m²/g，密度约0.90g/cm³，比电导约0.1S/cm。采用活性炭85g、炭黑10g作为导电剂、聚偏氟乙烯5g作为粘接剂，三者均匀混合后用氮甲基吡咯烷酮调浆成活性物质浆料。上述活性物质浆料涂覆在常规光面铝箔集流体上，涂覆厚度为均匀360微米左右。在180℃条件下烘干30min后，辊压到活性物质层厚度为330微米，得到活性炭电极。

对实施例1的活性炭电极和对比例1的电极进行电化学性能和内阻进行测试，电解液为1mol/L的四氟硼酸四乙基铵的乙腈溶液。

电化学测试结果表明，实施例1制备得到的活性炭电极的1A/g比容量为71F/g(0.1A/g电流密度时约82F/g)，对比例1制备得的的电极的1A/g比容量为65F/g(0.1A/g电流密度时约78F/g)，活性炭电极的1A/g比容量比常规电极的电容高出幅度达20％左右；实施例1制备得到的活性炭电极20000次循环充放电后容量仅衰减2.5％。

内阻测试表明，在交流阻抗1000Hz的条件下，实施例1活性炭电极的内阻为1.6Ω·cm²，对比例1中电极内阻为2.4Ω·cm²；活性炭电极的内阻为常规电极内阻的67％，即比功率提高30％以上[P＝V²/4R]。

实施例2

采用直径0.6mm的圆柱钢针排成一排镶嵌在冲模上、针端面为尖锐的五角星形凸起、凸起高度为100微米，冲模上还有对应于对模的直径为0.7mm的圆柱孔，对模为对应冲模直径0.7mm的圆柱孔及交错的圆柱钢针。

取50微米厚的镍箔，用上述冲模在镍箔的双面上冲出圆柱形孔，在镍箔双侧表面形成五角星形刺状凸起，刺状凸起的高度约300微米，镍箔幅宽大于100mm、预留单侧白边30mm、冲孔区宽度大于70mm。

在有刺状凸起的集流体的工作面及工作面对侧面的冲孔区域为厚度330μm的活性物质层。其中，以比表面积约1500m²/g，密度约0.35g/cm³且比电导约0.08S/cm常规活性炭80g、炭黑13g作为导电剂、聚偏氟乙烯7g作为粘接剂，三者均匀混合后用氮甲基吡咯烷酮调浆成活性物质浆料。上述活性物质浆料涂覆在上述有刺状凸起的集流体上，涂覆厚度为均匀360微米左右。在60℃条件下烘干720min后，辊压到活性物质层厚度为330微米，得到活性炭电极。

对比例2

选取常规活性炭80g，比表面积约1500m²/g，密度约0.35g/cm³，比电导约0.08S/cm。炭黑13g作为导电剂、聚偏氟乙烯7g作为粘接剂，三者均匀混合后用氮甲基吡咯烷酮调浆成活性物质浆料。上述活性物质浆料涂覆在常规光面镍箔集流体上，涂覆厚度为均匀360微米左右。在60℃条件下烘干720min后，辊压到活性物质层厚度为330微米，得到活性炭电极。

对实施例2的活性炭电极和对比例2的电极进行电化学性能和内阻进行测试，电解液为7mol/L的氢氧化钾的水溶液。

电化学测试结果表明，实施例2制备得到的活性炭电极的1A/g比容量为265F/g(0.1A/g电流密度时约283F/g)，对比例2制备得的的电极的1A/g比容量为212F/g(0.1A/g电流密度时约250F/g)，活性炭电极的1A/g比容量比常规电极的电容高出幅度达20％左右；实施例2制备得到的活性炭电极20000次循环充放电后容量仅衰减1.5％。

内阻测试表明，在交流阻抗1000Hz的条件下，实施例2制备得到的活性炭电极的内阻为0.24Ω·cm²，对比例2制备的电极内阻为0.48Ω·cm²；活性炭电极的内阻为常规电电极内阻的50％，即比功率提高80％以上[P＝V²/4R]。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。