基于干颗粒的电化学装置及其制造方法制造方法及图纸

公开了基于干加工的电化学装置以及制造用于该电化学装置中的自支持干电极膜的方法。能够节省成本地制造电化学装置例如电池、电容器和燃料电池。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于干颗粒的电化学装置及其制造方法相关申请本专利技术涉及并要求享有在2003年7月9日提交的共同转让的美国临时申请#60/486002的优先权，该临时申请通过引用并入本文；和本专利技术涉及并要求享有在2003年8月26日提交的共同转让的美国临时申请#60/498346的优先权，该临时申请通过引用并入本文；和本专利技术涉及并要求享有在2003年7月10日提交的共同转让的美国临时申请#60/485306的优先权，该临时申请通过引用并入本文；和本专利技术涉及并要求享有在2003年8月26日提交的共同转让的美国临时申请#60/498210的优先权，该临时申请通过引用并入本文；和本专利技术涉及并要求享有在2003年10月14日提交的共同转让的美国临时申请#60/511273的优先权，该临时申请通过引用并入本文；本专利技术涉及并要求享有在2004年2月19日提交的共同转让的美国临时申请#60/546093的优先权，该临时申请通过引用并入本文；和本专利技术涉及并要求享有在2004年4月2日提交的共同转让的美国临时申请#10/817701的优先权，该临时申请通过引用并入本文。专利
本专利技术一般涉及电化学装置领域。更具体而言，本专利技术涉及用于诸如电池、燃料电池、电容器等产品中基于干颗粒的膜的结构和制造方法。
技术介绍
电化学装置在整个现代社会中被用来提供能量。这种电化学装置包括电池、燃料电池和电容器。每一种装置均伴随着正面或负面的特性。基于这些特性，决定更适合用于特定应用中的装置。电化学装置的总成本是决定是否使用特定类型的电化学装-->置的重要特性。双层电容器也称为超电容器(ultracapacitors)和超级电容器(super-capacitors)，是每单位重量和单位体积能够储存比传统技术制造的电容器例如电解质电容器更多能量的电化学装置。双层电容器在极化电极/电解质界面层中储存静电能。双层电容器包括由多孔隔板隔离防止接触的两个电极。隔板防止电子(相对于离子)电流使两个电极短路。电极以及多孔隔板均浸在电解质中，这使得电极之间的离子电流流动并穿过隔板。在电极/电解质界面处，形成溶剂偶极的第一层和带电粒种(charged species)的第二层(因此，称为“双层”电容器)。虽然双层电容器理论上可以在高达4.0伏并可以在更高的电压下工作，但是目前的双层电容器制造技术将双层电容器的标称工作电压限制为大约2.5-2.7伏。更高的工作电压是可能的，但是在这样的电压下开始发生所不期望的破坏性击穿，这部分可归因于在制造期间可引入到或粘附于电极的杂质和残余物的相互作用。例如，发现双层电容器的所不期望的破坏性击穿出现在大约2.7-3.0伏之间的电压下。已知的电容器电极制造技术利用基于涂覆和/或挤出方法的加工添加剂。两种方法均使用粘结剂，该粘结剂通常包含聚合物或树脂，其在用于制造电容器的结构之间提供粘附。已知的双层电容器利用电极膜和粘合剂/粘结剂(adhesive/binder)层配方，这些配方一般使用一种或多种加入的加工添加剂(也一直称为“添加剂”)，对本领域技术人员而言已知各种这类添加剂为溶剂、润滑剂、液体、增塑剂等。当这种添加剂被用于制造电容器产品时，通常由于在添加剂残余物与随后使用的电容器电解质之间可发生所不期望的化学相互作用，因此最终电容器产品的工作寿命以及最大的工作电压可能变小。在涂覆方法中，添加剂(通常为有机溶剂、水、或水和有机溶剂的混合物)被用于在所产生的湿浆内溶解粘结剂。通过刮刀或窄缝模具将湿浆涂覆到收集器(collector)上。随后干燥所述浆料以去除溶剂。对于现有技术的基于涂覆的方法，由于层厚减少，实现均匀层变得越来越困难，例如其中希望得到均匀的5微米厚的粘合剂/粘结剂层的涂层。涂覆方法还伴随高成本以及复杂过程。另外，涂覆方法需要-->大的资金投入以及高质量控制以实现所需要的厚度，均匀性、顶部到底部定位等。在现有技术中，第一湿浆层被涂覆到集电器上来为集电器提供粘合剂/粘结剂层功能。具有提供导电电极层功能特性的第二浆层可以涂覆到第一涂层上。在另一个实施例中，可以将挤出层涂覆到第一涂层上以提供导电电极层功能。在现有形成挤出导电电极层的方法中，将粘结剂和碳颗粒与一种或多种添加剂混合到一起。所得材料具有类似于生面团的特性，这使得该材料能够被引入到挤出机设备中。挤出机设备使粘结剂纤丝化并提供挤出膜，随后干燥该挤出膜以去除大部分添加剂，但如下所讨论的，通常不是去除全部添加剂。当纤丝化时，粘结剂用于支撑作为基体的碳颗粒。挤出膜可以压延多次以产生所需厚度和密度的电极膜。已知的用于将基于添加剂/溶剂的挤出电极膜和/或涂覆的浆料粘附到集电器的方法包括前述预涂覆粘合剂/粘结剂浆。粘合剂/粘结剂的预涂覆浆层用于现有技术的电容器中以促进与集电器的电和物理接触，集电器本身提供物理电接触点。在上述涂覆和/或挤出过程中以及在前面和随后的步骤中可引入或本身粘附杂质。正如使用添加剂的情况，杂质残留物可减少电容器的工作寿命以及最大工作电压。为了减少在最终电容器产品中添加剂和杂质的量，通过干燥器加工一个或多个上述各种现有技术的电容器结构。在现有技术中，提供足够生产能力的需求要求将干燥时间限制在小时量级上或更少。但是，对于如此短的干燥时间而言，难于实现添加剂和杂质的充分去除。即使拥有长的干燥时间(天的量级)，残留的添加剂和杂质的量仍可测出，特别是当添加剂和杂质具有高吸热性时。长暂停时间限制生产能力并增加生产和加工设备的成本。添加剂和杂质的残留物残留在市售电容器产品中并且可以测出，并且可能是百万分之几的量级。用于现有技术的基于添加剂的纤丝化步骤中的粘结剂颗粒包括聚合物和类似于聚合物的物质。能够纤丝化的聚合物和类似的超大分子量物质通常称作“可纤丝化粘结剂”或“成纤丝粘结剂”。发现成纤丝粘结剂可与粉状物质一起使用。在一个现有技术方法中，可纤丝化粘结剂和粉状物质与溶剂、润滑剂等混合，并使所得的湿混合物经受高剪切力从而使粘结剂颗粒纤丝化。粘结剂颗粒的纤丝化产生纤丝，其最终形成用于支撑所得组合物物质的基体或网络。在现有技术中，可以通过使包含粘结剂的-->湿混合物经历挤出过程而提供高剪切力。在现有技术中，所得的基于添加剂的挤出产品可以随后在高压压实器中加工，干燥以去除添加剂、成型为所需的形状，以及以其它方式加工从而获得所需应用的最终产品。为了操作性、加工性和耐久性的目的，最终产品的所需特性通常取决于构成产品的组合物物质的一致性和均匀性，具有良好的一致性和均匀性是重要的要求。这种所需要的特性取决于聚合物纤丝化的程度。拉伸强度一般取决于可纤丝化粘结剂的纤丝化程度以及在材料中由粘结剂形成的纤丝网络的一致性。当用作电极膜时，最终产品的内电阻也是重要的。内电阻可取决于制造电极膜的材料的体积电阻率-大尺度(on large scale)体积电阻率。材料的体积电阻率是材料的均匀性的函数；材料中的导电碳颗粒或其它导电填充物的分散越好，材料的电阻率就越低。当电极膜被用于电容器例如双层电容器中时，每单位体积的电容又是另一个重要特性。在双层电容器中，电容随着用于制造电容器电极的电极膜的比表面积的增加而增加。比表面积定义为(1)当电极材料浸在溶液中时暴露于电解质溶液的电本文档来自技高网...

【技术保护点】
制造用于电化学装置产品中的电极的方法，所述方法包括下列步骤：　　　　提供干碳颗粒；　　　　提供干粘结剂；　　　　将所述干碳颗粒和所述干粘结剂干混合；和　　　　干纤丝化所述干粘结剂以在其中产生基体从而支撑作为干材料的所述干碳颗粒。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2003-7-9 60/486,002;US 2003-7-10 60/486,530;US 1.制造用于电化学装置产品中的电极的方法，所述方法包括下列步骤：提供干碳颗粒；提供干粘结剂；将所述干碳颗粒和所述干粘结剂干混合；和干纤丝化所述干粘结剂以在其中产生基体从而支撑作为干材料的所述干碳颗粒。2.权利要求1所述的方法，其中所述干纤丝化步骤包括施加充分的高剪切。3.权利要求2所述的方法，其中在喷射研磨机中施加所述高剪切。4.权利要求2所述的方法，其中施加所述充分高剪切是通过施加高压来完成的。5.权利要求4所述的方法，其中以高压气体的方式来施加所述高压。6.权利要求5所述的方法，其中所述气体包含氧气。7.权利要求5所述的方法，其中压力大于或等于约60PSI。8.权利要求6所述的方法，其中所施加气体的水分含量小于20ppm。9.权利要求1所述的方法，还包括压实干材料的步骤。10.权利要求9所述的方法，其中所述压实步骤在一次经过压实设备之后完成。11.权利要求10所述的方法，其中所述压实设备是辊式研磨机。12.权利要求10所述的方法，其中在一次经过所述压实设备之后，所述干材料包含自支持干膜。13.权利要求12所述的方法，其中所述自支持干膜具有小于250微米的厚度。14.权利要求12所述的方法，其中所述自支持干膜形成为连续片。15.权利要求14所述的方法，其中所述片至少1米长。16.权利要求1所述的方法，其中制造所述干材料基本不使用任何加工添加剂。17.权利要求16所述的方法，其中所述加工添加剂包括：碳氢化合物、高沸点溶剂、消泡剂、表面活性剂、分散助剂、水、吡咯烷酮矿物油精、酮、石脑油、乙酸酯、醇、二元醇、甲苯、二甲苯和Isoparstm。18.权利要求1所述的方法，还包括将所述干材料压延至基板上的步骤。19.权利要求18所述的方法，其中所述基板包含收集器。20.权利要求19所述的方法，其中所述收集器包含铝箔。-->21.权利要求18所述的方法，其中将所述干材料直接压延至所述基板上而不使用中间层。22.权利要求18所述的方法，其中所述干材料压延至经处理的基板上。23.权利要求1所述的方法，其中所述干粘结剂包含可纤丝化的氟聚合物。24.权利要求1所述的方法，其中所述干材料由所述干碳颗粒和所述干粘结剂构成。25.权利要求1所述的方法，其中所述干材料包含约50％-99％的活性碳。26.权利要求1所述的方法，其中所述干材料包含约0％-25％的导电碳。27.权利要求1所述的方法，其中所述干材料包含约0.5％-20％的氟聚合物颗粒。28.权利要求1所述的方法，其中所述干材料包含约80％-95％的活性碳和约0％-15％的导电碳，并且其中所述干粘结剂包含约3％-15％的氟聚合物。29.权利要求1所述的方法，其中所述基体具有大于约0.45gm/cm3的压缩密度。30.权利要求9所述的方法，其中在所述压实步骤之后所述干材料具有大于约0.5gm/cm3的密度。31.制造电极膜的方法，包括下列步骤：混合干碳和干粘结剂颗粒；和由所述混合干颗粒形成自支持膜而基本不使用任何加工添加剂。32.权利要求31所述的方法，其中所述加工添加剂包括：碳氢化合物、高沸点溶剂、消泡剂、表面活性剂、分散助剂、水、吡咯烷酮矿物油精、酮、石脑油、乙酸酯、醇、二元醇、甲苯、二甲苯和Isoparstm。33.权利要求31所述的方法，其中在所述混合步骤之后所述干颗粒具有大于约.45gm/cm3的压缩密度。34.电化学装置产品，包含：由干碳和干粘结剂颗粒的干混合物构成的自支持膜。35.权利要求34所述的产品，其中所述干混合物具有约0.485gm/cm3的压缩密度。36.权利要求34所述的产品，其中所述膜具有大于约0.5-0.7gm/cm3的密度。37.权利要求34所述的产品，其中所述干混合物是干纤丝化的混合物。38.权利要求37所述的产品，其中所述干混合物基本不包含加工添加剂。39.权利要求37所述的产品，其中所述加工添加剂选自下列物质：碳氢化合物、高-->沸点溶剂、消泡剂、表面活性剂、分散助剂、水、吡咯烷酮矿物油精、酮、石脑油、乙酸酯、醇、二元醇、甲苯、二甲苯和Isoparstm。40.权利要求37所述的产品，其中通过施加高压将所述干混合物干纤丝化。41.权利要求40所述的产品，其中用干高压气体来施加所述高压。42.权利要求40所述的产品，其中利用露点为-20°F--40°F的的空气来施加高压。43.电化学装置产品，包含：由干粘结剂和干碳颗粒的干纤丝化混合物组成的一个或多个自支持干膜。44.权利要求43所述的产品，其中所述自支持干膜是压实的膜。45.权利要求43所述的产品，其中所述自支持干膜具有小于250微米的厚度。46.权利要求44所述的产品，其中所述自支持干膜具有至少1米的长度。47.权利要求43所述的产品，其中所述自支持干膜连接到基板上。48.权利要求43所述的产品，其中所述混合物包含约50％-99％的活性碳。49.权利要求43所述的产品，其中所述混合物包含约0％-25％的导电碳。50.权利要求43所述的产品，其中所述混合物包含约0.5％-20％的氟聚合物颗粒。51.权利要求43所述的产品，其中所述混合物包含约80％-95％的活性碳和约0％-15％的导电碳，并且其中所述干粘结剂包含约3％-15％的氟聚合物。52.权利要求43所述的产品，其中所述自支持膜不包含加工添加剂。53.权利要求52所述的产品，其中所述加工添加剂选自下列物质：碳氢化合物、高沸点溶剂、消泡剂、表面活性剂、分散助剂、水、吡咯烷酮矿物油精、酮、石脑油、乙酸酯、醇、二元醇、甲苯、二甲苯和Isoparstm。54.权利要求47所述的产品，其中所述基板包含收集器。55.权利要求54所述的产品，其中所述收集器包含铝箔。56.权利要求43所述的产品，其中所述产品包含收集器，并且其中所述干膜设置为直接贴在所述收集器的表面上。57.权利要求43所述的产品，其中用高压气体将所述干混合物干纤丝化。58.权利要求56所述的产品，其中所述收集器包含两个面，其中一个自支持干膜被直接压延在所述收集器的一面上，并且其中第二自支持干膜被直接压延在所述收集器的另一面上。-->59.权利要求43所述的产品，其中所述粘结剂包含热塑性材料。60.权利要求58所述的产品，其中将所述收集器成型为包括辊的形状。61.权利要求60所述的产品，其中所述辊设置在密封的铝壳中。62.权利要求61所述的产品，其中在所述壳内设置电解质，并且其中所述产品包含双层电容器。63.电化学产品，组成如下：干粘结剂和干导电颗粒的干纤丝化混合物，所述干纤丝化混合物形成为连续自支持电极膜而基本不使用任何加工添加剂。64.权利要求63所述的产品，其中所述加工添加剂包括碳氢化合物、高沸点溶剂、消泡剂、表面活性剂、分散助剂、水、吡咯烷酮矿物油精、酮、石脑油、乙酸酯、醇、二元醇、甲苯、二甲苯和Isoparstm。65.权利要求63所述的产品，其中所述产品是电容器。66.权利要求63所述的产品，其中所述产品是电池。67.权利要求63所述的产品，其中所述产品是燃料电池。68.权利要求63所述的产品，其中所述导电颗粒包含金属。69.电化学装置，包含含有干粘结剂和干碳颗粒的干纤丝化混合物的膜，所述膜连接收集器，所述收集器成型为辊，所述辊被电解质浸渍并被设置在密封的铝壳中。70.权利要求69所述的装置，其中所述膜基本不包含加工添加剂。71.权利要求69所述的装置，其中所述膜由所述干碳颗粒和所述干粘结剂构成。72.权利要求70所述的装置，其中所述膜是长的压实的自支持干膜。73.权利要求72所述的装置，其中所述膜具有约0.50-0.70gm/cm2的密度。74.权利要求69所述的装置，其中作为干纤丝化混合物，所述干颗粒具有大于约0.45gm/cm2的压缩密度。75.电化学装置，包含在电化学装置中提供导电电极功能的基于干加工的电极装置。-->76.制造电化学装置电极的无溶剂方法，包括下列步骤：提供干碳颗粒；提供干粘结剂颗粒；和不使用任何溶剂将所述干碳颗粒和所述干粘结剂颗粒形成为电化学装置电极。77.权利要求71所述的无溶剂方法，其中所述形成步骤包括将所述干碳颗粒和所述干粘结剂颗粒混合以形成电化学装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：波特米切尔，习笑梅，钟黎君，邹斌，
申请(专利权)人：麦斯韦尔技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]