[发明专利]一种可控孔径的多孔电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及多孔电极，尤其涉及用于高充放电倍率液相储能电池的一种可控孔径的多孔电极及其制备方法。

背景技术

随着社会经济的快速发展，资源和环境形势日趋严峻，急需发展清洁、高效的能源利用形式。化学电源可以直接将化学能转变成电能，具有清洁高效的特点，将在未来可再生能源发电、智能电网、电动汽车等领域发挥重要作用。而化学电源的核心部件—电极决定着电池的性能。电极有多种类型，不同的电池体系对电极又有不同的要求。从应用角度而言，多孔电极可分为两类，一类是多孔电极材料本身参与电化学氧化还原反应，作为化学能储存物质，如离子在化合物中的嵌入和脱出、晶相结构的改变等；一类是仅提供材料表面作为电化学反应场所，本身不参与电化学氧化还原反应。相对于平板电极多孔电极具有较大的真实表面积，可降低工作电流密度，减小极化电位。同时，多孔电极的三维结构使电解质溶液中离子到电极表面的传输距离缩短，近似为薄层电极，离子的扩散由二维电极的半无限扩散变为有限扩散，大大降低了电化学反应过程中扩散控制的影响。

目前商品化的化学电源使用的电极多属第一类，即电极本身又是活性材料的电极体系。例如孙伟在中国专利CN102176389A以及黄文正在中国专利CN1581545A中公开的锂离子电池多孔电极，是将活性物质填充或者直接烧结的办法形成电极，多孔电极本身参与了电池的电化学氧化还原反应，其中中国专利CN102176389A提供了一种直接将粘结剂包覆活性材料和导电剂，进行静电喷涂、烧结、热辊成型的多孔电极制备方法，工艺简单，成本较低，同时提高了工作速度。

双电层超级电容器的电极材料可分为三类：金属氧化物、高分子聚合物以及碳基电极材料，其中碳基电极材料属于上述的第二类多孔电极材料，具有多孔、大比表面积、高孔隙率以及化学稳定性好等特点。目前碳基多孔材料的制备方法较多，有流延法、等离子喷涂法、热辊成型以及压制法等，其中流延法工艺复杂，孔径不可控，溶剂用量大，存在一定的环境污染，例如谭强强等在中国专利CN1753116A中提供一种碳基多孔电极制备方法，将碳材料、导电剂、有机单体和交联剂等调制成浆料，再将引发剂和催化剂加入浆料后进行流延，经过固化、脱膜后进行弱氧化气氛热处理制成多孔电极薄膜。等离子喷涂成本较高，工艺较为复杂，较为适合较薄的电极薄膜。罗伯特·古斯塔沃维奇·阿华兹等人在中国专利CN1203694A中利用压制法制备一种双电层超级电容器多孔电极，是将金属碳化物与有机粘结剂通过模压成电极半成品，再通过化学热处理制成多孔电极材料。但该工艺较为繁琐，制备条件苛刻，因此成本较高，不适合连续化生产。

Someya Masao等人在美国专利US6967013上提供一种可以制备大尺寸均匀的碳纳米管薄膜，以镀铝陶瓷片为基体，在上面制备金属氧化物催化剂，然后分解碳化合物在金属氧化物催化剂材料上形成碳纳米管多孔薄膜，碳纳米管均匀的垂直排列在基体之上。但该工艺成本较高，电极薄膜中的活性物质含量相对较少，不适合用于制备超级电容器的电极薄膜。

除了双电层超级电容器，氧化还原液流电池也是采用碳基多孔电极，液相氧化还原体系以碳基多孔电极作为电化学反应场所，同时要求多孔电极材料孔隙较大，流体阻力小，适合电解液的流动，所用材料多为石墨毡或碳毡。例如韩希在中国专利CN102299348A中提供一种多孔电极结构，以石墨毡、碳毡或复合导电塑料作为多孔材料，在其表面切割出凸起与凹陷相间的表面结构，利于电解液在多孔电极中分配均匀。

发明内容

本发明的目的在于提供孔隙率较高，同时适合于双电层超级电容器、燃料电池以及其他含有多孔电极作为组件的电池的一种可控孔径的多孔电极及其制备方法。

所述可控孔径的多孔电极由碳材料组成，呈3D网络骨架薄膜，平均孔径集中在0.1～5μm之间，可控孔径的多孔电极的厚度可为50～0.1mm；可控孔径的多孔电极的孔隙率大于80%。

所述可控孔径的多孔电极的制备方法，包括以下步骤：

1）将碳材料粉末与粘结剂、造孔剂共混，加入分散剂，搅拌直至变为颗粒状，得颗粒状湿粉；

2）利用滚轴对步骤1）得到的颗粒状湿粉进行反复滚压成片状薄膜，折叠后继续滚压，直至电极薄膜成型后，烘烧，即得可控孔径的多孔电极。