[发明专利]N-乙基吡咯烷酮在双电层电容器的电极制备中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种在双电层电容器的电极制备中用于涂覆含铝的载体的方法，包括如下步骤：提供含有至少一种溶剂和/或分散介质以及至少一种高分子粘合剂的组合物，并且使用该组合物涂覆所述的载体。

背景技术

双电层电容(或者电化学双电层电容器-EDLCs，超级电容器或者超级电容)是电化学能量存储器。它们包括两个相同的电极，均由电解液润湿。当在电极上施加电压时，具有相应极性的带电粒子(例如电子或者离子)在电极处聚集。为了将电极互相靠近来节省空间，可使用离子传导的隔离物将电极互相分离，以避免短路。

双电层电容器与同样属于电化学能量存储器一类的蓄电池(二次电池)不同，其中带电的粒子仅仅在电极处聚集。在蓄电池中，离子被吸收到电极中。而且，蓄电池具有由不同的材料制备成的两个电极。

在双电层电容器的电极制备中，根据现有技术，在湿化学方法中，含有活性材料、导电添加剂和粘合剂的涂覆组合物或者分散液(也叫做电极浆料)被涂覆到导电金属箔上。这些分散液是使用基于水性的或者有机溶剂的系统制备的。在基于水的系统的情况下，粘合剂以斑点粘合物的形式分散在粒子之间。

在基于有机溶剂的系统中，表现是不同的，其中粘合剂完全溶解在溶剂中，并且粘合剂包裹着粒子。为了涂覆操作，必须保证粘合剂在总的分散液内的完全溶解。已经发现了用于电极制备的特别合适的有机溶剂，即N-甲基吡咯烷酮(NMP)。

典型地，通过测量分散液或者溶液的粘度来检查涂覆组合物的质量。应当注意，如涂覆组合物在制备后没有直接使用，涂覆组合物的粘度经过几个小时后可能改变。NMP的另外一个问题是被归类为有毒物(致畸)。为了工作时健康和安全的原因，以及为了环境的原因，因此需要代替该种NMP。另外的需要是提供用于制备这种分散液的基于溶剂的系统，其与使用NMP的情况相比，需要较少的溶剂或者分散剂。

在现有技术中，在蓄电池领域，众所周知，首先的尝试是使用较不令人讨厌的NEP(N-乙基吡咯烷酮)代替NMP：

因此US 2009/0123841A1公开了活性材料分散液，其可以使用喷墨技术应用于锂离子蓄电池的电极金属薄片上，所述分散液包括溶解在NEP中的PVDF粘合剂。为了使适合于喷墨印刷，该分散液，具有相对低的6到10mPas的粘度。

EP 1978056A1描述了用于蓄电池的活性材料的含有NEP的粘合剂。报道粘度在1到10000mPas的范围内。

发明内容

根据现有技术，本发明基于的目标是详细说明用于制备在开始时说明的通用类型的双电层电容器的电极的方法，其分散介质或者溶剂足够安全和环保，而且，展现出好的存储稳定性，或者与NMP相比存储稳定性得到提高。而且，双电层电容器的活性材料和添加剂能够以较小量的分散介质或者溶剂而得以应用，因此允许电极浆液中具有较高的固态含量。

在使用N-乙基吡咯烷酮(NEP)作为溶剂和/或分散介质时实现了该目标。

因此本发明提供一种在双电层电容器的电极制备过程中，用于涂覆含铝的载体的方法，包括如下步骤：

a)提供含有至少一种溶剂和/或分散介质以及另外至少一种高分子粘合剂的组合物，

b)使用该组合物涂覆载体，

其中

所述溶剂和/或分散介质是N-乙基吡咯烷酮，或含有N-乙基吡咯烷酮。

令人惊奇的发现是，与分散在NMP中的活性材料相比，分散在NEP中的双电层电容器的活性材料展现出明显优异的加工特性：尽管具有高的固态含量，却能具有低的剪切速率，因此该电极浆液易于处理。特别令人惊奇的是，原则上，与蓄电池的活性材料通常具有的比表面积相比，双电层电容器目前的活性材料(特别是活性碳)必须具有大得多的比表面积。那么，活性材料的高比表面积明显地增加了电极浆液的粘度。

在其尽可能宽的应用中，根据本发明的涂覆方法提供用至少含有N-乙基吡咯烷酮和高分子粘合剂的组合物涂覆的载体。典型地，所述的涂覆组合物包含，除了作为溶剂和/或分散介质的N-乙基吡咯烷酮和高分子粘合剂之外，还含有至少一种叫做活性材料和导电添加剂的成分。随后将这样的用涂覆组合物涂覆的载体用于进一步地制备电极，电极又接着用于制备双电层电容器。电极的制备典型地还包括干燥经涂覆的载体的步骤。更具体地，所述的溶剂和/或分散介质被移除，在载体上形成固态的、导电的层，该层在完成电能储存后是“活性的”。凭借其所含的铝，载体本身也是导电的。更多细节的内容将在下文中结合使用的各个成分以及本发明的不同方面来说明。