[发明专利]一种高性能铝/碳复合电极箔及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铝/碳复合电极箔及其制备方法。具体而言，本发明涉及可作为铝电解电容器、超级电容器、锂离子电池等器件所用的电极材料或电极集电体材料的一种铝/碳复合电极箔的制造方法，属于能源材料领域。

背景技术

常用储能器件如电容器、电池为了保证其使用性能都具有高容量、低内阻的性能要求，以获得更大的能量储量和输出效率。储能器件如电容器（电池）的主要构造是阳极/介电材料（电解质）/阴极/集电极。电极材料对储能器件的容量、内阻具有极其重大的影响。要使储能器件得到高容量，电极材料必须具有较大的表面积。同时电极材料的电阻是储能器件的等效串联电阻（ESR）的重要构成部分。

铝电解电容器的阳极材料是表面生成绝缘氧化铝的化成铝箔，阴极是电解液、无机半导体、导电高分子，与阴极连接的集电极多使用扩大了面积的铝箔，称为电极箔。传统的扩大电极箔表面积的方法是对铝箔进行腐蚀。但是腐蚀会降低电极箔的强度，在保证一定的机械强度下腐蚀法提高容量的程度有限，此外，腐蚀法对铝箔的杂质含量有特殊要求，因而对其生产加工有特殊限制。基于腐蚀法扩大容量的这些不足，近年开发了在铝箔表面涂覆含碳材料提高容量的方法。双电层电容器的极化电极是将含碳活性物质包覆在铝箔集电极表面制成。锂离子电池常用的负极材料石墨一般负载在箔材上基体上构成电极。以上的应用均要求涂碳铝箔具有低内阻和高比表面积。同时为满足制作工艺及稳定性要求，涂碳铝箔还应具有较高的密接性，以防止碳层从电极上剥落。

   作为在铝箔基体上施加碳层的方法，日本东洋铝株式会社的吕明哲、足高善也等在专利CN101027736A、和CN1777965A中提出一种包含铝箔、含碳层以及二者之间形成的铝/碳化合物作为媒介物的电极构件，特征制备方法是将含碳物质通过粘接剂、水、溶剂等手段涂覆在铝箔基体上，干燥后在含烃物质的密闭空间进行热处理生成铝/碳化物媒介提高铝基体和碳层的密接性，并降低内阻，但该方法加热步骤中必须使用可燃易爆的烃类物质，烃类物质资源有限，价格高昂，生产过程中的安全控制要求高，对设备及厂房都有特殊的防爆要求，大大增加了生产成本。

   潘应君在申请专利CN 101923961 A中提出将导电炭黑、分散剂、有机粘接剂 混合后加入溶剂搅拌均匀制成浆料涂覆在经过NaOH溶液预处理的铝箔表面，然后放入真空炉，在真空度10-4~10-1Pa、温度300-660℃条件下热处理1-40h，自然冷却到室温制成铝碳复合箔。该法克服了东洋铝公司使用易燃易爆气氛的限制，且取得了较高的容量，但是该法以炭黑为导电剂，由于炭黑的导电性能比石墨差，因此其产品的电阻较高；并且其工艺需要对铝箔进行预处理，工艺流程复杂，且热处理后需要在真空炉内自然冷却至室温，耗时过长，大大降低了生产效率。

    近藤敬一、岛本秀树在专利CN 1910711 B 中通过将碳施加在铝箔上并加热到合金化温度以上来形成低内阻铝碳电极，其中包括以下步骤：1、将所用铝箔进行等离子预处理；2、涂在铝箔上覆氟化铝层；3、通过真空沉积、溅镀和化学气相沉积法将碳施加在铝箔上；4、加热涂覆了碳层的铝碳极片到铝、碳合金化温度以上形成电极。但该法要用到等离子预处理、真空沉积、溅镀和化学气相沉积等高能处理手段，设备昂贵、工艺控制过程复杂，成本极高。

   Seiji Nonaka,  Ibaraki-shi  等在美国专利US 2002/0080558 A1中采用压入和涂层结合的方法制作电容器的电极材料，具体做法如下：1）用爆破或刻蚀的方法使铝箔表面粗化；2）将碳粒子均匀涂于铝箔表面，或通过溶入挥发性溶剂（如水、甲醇）中充分分散后涂于铝箔表面后干燥的方法来均布，活性炭粒子和铝箔的重量比约为1：2，然后通过滚压机垂直于铝箔表面施力，将碳粒子压入铝箔内制成含碳铝箔；3）再次对铝箔施以刻蚀或爆破的方法使碳粒子部分暴露于表面；4）用活性碳和粘结剂纤维素，辅以适当的挥发性溶剂（如水和甲醇）制成浆料浸渍或涂于铝箔表面，低温干燥后加热，形成一活性碳层。但此法工序复杂繁多，难以控制，通过碳粒子和碳层的键合形成的粘接强度有限，且最后的活性炭层的涂覆使用粘接剂纤维素会大大增加电极材料的内阻。

日本专利特开2000-164466号公报中揭示了一种在铝箔基体上设置碳的中间膜或贵金属中间膜，再涂覆碳等活性物质层的方法，但此法的碳中间膜或贵金属中间层通过溅射、气相沉积等高能方法形成，控制复杂，成本高昂且生产效率较低。