[发明专利]包括具有导电涂层的集电器的电化学导电制品及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及可用于例如电化学电容器或电化学电池的储能装置的电化学导电制品。

背景技术

由于担心可用的化石燃料日益减少，对于使用自然能源例如风能和太阳能以满足未来能源需求的关注日益增加。这些能源中的一些不能连续产生能量。例如，风不能一直吹并且太阳也不能一直照耀。因此，对储能装置和系统的需求日益增加，以允许在不产生能量的间歇期使用从这些自然能源收集的能量。

例如锂离子电化学电池的电化学电池和被称为“超级电容器”的电化学电容器作为潜在的储能装置在前沿领域中备受关注。然而，需要显著提高这些储能装置的性能以满足从便携式电子器件到混合动力电动汽车和大型工业设备的未来电子系统的更高需求。

锂离子电化学电池尽管昂贵但可以提供高能量密度。然而，锂离子电池输出功率相对较慢且再充电缓慢。最近，开发可在数秒内完全充电或放电但能量密度比锂离子电池低的电化学电容器一直受到关注。电化学电容器可能在储能领域的某些应用中在补充或替换锂离子电化学电池上扮演着重要角色，所述应用诸如不间断供电、用于防止电力中断的备用电源和负荷调平。

锂离子电化学电池和电化学电容器均包括具有集电器的电极。锂离子电化学电池的电极通常包括金属箔，例如铝或铜箔。电化学活性的复合材料然后被设置在箔上以形成电极。然后高表面积或孔隙度的复合材料允许锂离子迁移到大部分活性材料中，从而为储能提供大容量。电化学电容器通过利用高表面积集电器(例如蚀刻铝)获得其高容量。通常，可用于电化学电容器的常规电极可通过将集电器气相沉积或粘合到活性炭上而制得。

为了将用于电化学电容器的电极制造得更小和更轻，美国专利No.7,046,503(Hinoki等人)公开了通过涂覆操作在集电器上形成含有导电粒子和粘结剂的底漆层，并且随后通过涂覆操作在底漆层上形成含有碳材料和粘结剂的电极层。用于包括导电金属条的锂聚合物或锂离子电化学电池的集电器(所述导电金属条又具有加强与集电器的电接触的导电涂层)已在例如美国专利申请公布No.2010/0055569(Divigalpitiya等人)中进行了公开。本发明所公开的集电器包括基本上均匀的纳米级碳涂层，该涂层具有小于约200纳米的最大厚度。

发明内容

需要用于(例如)锂离子电化学电池或电化学电容器中的具有高导电性和高表面积的导电制品，例如导电电极。还需要简单经济地制备此类导电制品的方法。最后，还需要能够用于储能系统中以提供高能量容量和高功率输出率的导电制品。

在一个方面，提供了包括集电器和与集电器接触的碳涂层的导电制品，其中碳涂层不含粘结剂，并且其中集电器包含多孔金属。多孔金属可包括铝，并且铝可被蚀刻。碳涂层可包括石墨，并且电化学导电制品可包括可为电化学双电层电容器的电化学电容器。

在另一方面，提供了包括集电器和基本上由碳组成的与集电器接触的涂层的导电制品，其中集电器包括多孔铝。碳可为石墨，并且电化学导电制品可包括可为电化学双电层电容器的电化学电容器。

在又一个方面，提供了制备电极的方法，包括：提供具有第一表面和第二表面的多孔金属箔、向多孔金属箔的第一表面施加碳粉，以及用振荡垫抛光多孔金属箔的第一表面。多孔金属可包括蚀刻的铝，并且碳粉可包括石墨。碳粉可通过如下方式施加：将粉末撒在多孔金属的第一表面上，抛光第一表面，抛光方式在一个实施例中为用手来回移动振荡垫，或在另一个实施例中为使用电动工具。提供的方法还包括将碳粉施加到多孔金属薄膜的第二表面，并且用振荡垫抛光多孔金属箔的第二表面。

在本发明中：

“活性”或“电化学活性”是指锂可以通过电化学方式可逆地插入其中和从中移除的材料。

提供的导电制品及其制备方法可提供可用于锂离子电化学电池或电化学电容器的具有高导电性和高表面积的导电电极。提供的方法简单易行、仅需要低成本的设备(例如打磨垫和石墨粉)，且经济合算。提供的导电制品能够用于储能系统中以提供高能量容量和高功率输出率。

以上内容并非意图描述本发明每种实施方式的每一个公开实施例。附图说明和随后的具体实施方式更具体地对示例性实施例进行了举例说明。

附图说明

图1为商用超级电容器的示意图。

图2为可用于所提供方法的幅材涂覆线的平面图。

图3为图2中所示幅材涂覆线的侧视图。

图4a为蚀刻的铝集电器的俯视图，而图4b为其掠射角视图。

图5a为由提供的方法制备的所提供电化学导电制品的俯视图，而图5b为其掠射角视图。