[发明专利]用盐酸洗涤碳和石墨以制备用于超级电容器的导电油墨

说明书

本申请根据35U.S.C.§120要求2011年9月30日提交的美国申请登记13/250087的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。

技术背景

领域

本发明总体涉及导电油墨及其制备方法，具体来说，涉及水基导电油墨及其制备方法，其中在所述导电油墨中存在小于100百万分之份(ppm)的元素污染物(elemental contaminant)。

技术背景

如导电油墨涂层的聚合物基电气导电复合材料用于如超级电容器的电子器件。油墨涂层通常包括如昂贵且具有高表面积和电导的碳原纤(碳细丝)的导电材料、向基材提供粘附和在结构之间提供结合的粘合剂、和其它添加剂，例如增稠剂、导电率增强剂、抗结垢剂、干燥剂和消泡剂。在导电油墨中使用导电颗粒的显著限制是法拉第反应(faradic reaction)，对于如超级电容器的器件来说尤其如此。因为电化反应，会在电极表面发生电荷转移，从而导致发生法拉第反应。

对导电油墨组合物及其制备方法存在持续的需求，所述方法降低或消除使用所述导电油墨组合物的器件中的法拉第反应。

概述

本文所述的水基导电油墨组合物的实施方式可包括下述作为成分：水性载体、酸洗涤石墨颗粒、炭黑颗粒、以及将所述酸洗石墨颗粒和炭黑颗粒悬浮于所述水性载体中的至少一种稳定成分。所述至少一种稳定成分选自下组：分散剂、粘合剂、消泡剂及其组合。以水基导电油墨组合物的总重量为基准计，水基导电油墨组合物可包括总水平小于100ppm的元素污染物。元素污染物的总水平是下述在水基导电油墨组合物中的浓度总和：铝、钙、钴、铬、铜、铁、钾、镁、锰、镍和锌。在一些实施方式中，以酸洗石墨颗粒和炭黑颗粒的总重量为基准计，至少90重量％的酸洗石墨颗粒和炭黑颗粒的粒度可小于10微米。

用于制备水基导电油墨组合物的方法的实施方式可包括将炭黑颗粒、至少一种聚合物分散剂、至少一种丙烯酸类粘合剂、至少一种聚乙烯吡咯烷酮粘合剂、至少一种消泡剂和水添加到第一容器，以形成炭黑研磨相。可研磨炭黑研磨相，以减小粒度。在一些实施方式中，可研磨该炭黑研磨相，直到至少90％的炭黑颗粒的粒度小于10微米。可将酸洗石墨颗粒、至少一种聚合物分散剂、和水加入第二容器，以形成石墨研磨相。可研磨该石墨研磨相，以减小粒度。在一些实施方式中，可研磨该石墨研磨相，直到至少90％的石墨颗粒的粒度小于10微米。然后，可在第三容器中混合至少一部分的炭黑研磨相和至少一部分的石墨研磨相，以形成导电油墨组合物。以水基导电油墨组合物的总重量为基准计，根据这些方法制备的水基导电油墨组合物可包括总水平小于100ppm的元素污染物。元素污染物的总水平是下述在水基导电油墨组合物中浓度的总和：铝、钙、钴、铬、铜、铁、钾、镁、锰、镍和锌。

详细描述

现在将参考水基导电油墨组合物及其制备方法的实施方式来详细描述。据信，在包括导电油墨组合物的电气器件中的不想要的法拉第反应可能是由元素污染物引起的，该元素污染物是在墨水涂层制备中由未经处理直接使用的组分引入的。例如，在超级电容器电池中，法拉第反应可降低电容和增加等效串联电阻。不限于理论，据信如用铁球进行球磨的加工步骤可能是在未经处理直接使用的石墨和炭黑中元素污染物的来源，所述球磨通常用于将石墨和炭黑的粒度减小到客户的规格。可能将元素污染物引入导电油墨组合物的物理性质组分，不仅可包括导体如石墨和炭黑，还可包括如粘合剂和分散剂的成分。因此，根据本发明的实施方式的水基导电油墨组合物是用已被洗涤以最小化或除去元素污染物的导电颗粒和最少数目的其它成分来制备的，以降低通过其它成分引入的元素污染物的数目。