[发明专利]一种PTFE粘结剂与电极关键组分材料均匀分布的方法及在电池行业中的应用

说明书

本发明公开了一种PTFE粘结剂与电极关键组分材料均匀分布的方法及在电池行业中的应用，PTFE乳液的水稀释液，经超声分散或高速机械搅拌，得溶液1；将导电碳粉、电极活性组分、表面活性剂、水混合后经超声分散或高速机械搅拌，得溶液2；分别将溶液1和溶液2预加热后混合，得溶液3；恒温条件下，将溶液3进行高速搅拌1‑6小时后，静止冷却至室温，得分层的固液混合物；将所述固液混合物的上清液移除后，得所述PTFE‑导电碳粉‑电极活性材料三元复合物。实现了粘结剂、导电碳粉及电极活性材料各组分在电极内的均匀分布，避免单一组分的团聚现象，提高电极活性材料的利用率，改善电池的放电性能及运行稳定性；制备电极浆液所获得电极结构中各组分均匀分布，无明显二次团聚，且电极表面光滑平整，无明显裂纹。

背景技术

聚四氟乙烯（PTFE）的结构简式为[CF₂-CF₂]_n，具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，是当今世界上耐腐蚀性能最佳材料之一，此外，PTFE具有良好的抗老化能力，耐温优异，可在-180^oC和250^oC的温度区间内长期稳定工作，可广泛应用于航天、化学、化工、电池等行业。PTFE是各种电池正、负极的重要组成部分。（1）镍氢电池、锂离子等二次电极电池及超级电容器中PTFE的主要功能是将电极活性组分与电极集体粘合连接在一起，减少电极阻抗，同时使电极片具有良好的机械性能和可加工性能，满足实际生产的需要。（2）燃料电池中，PTFE的主要功能除了用作粘结剂用于电极成型外，由于其较低的表面能而具有的强疏/憎水特性是其在多孔气体扩散电极构筑高效气体传输通道的关键所在。

电极制浆是各类电池包括锂离子、燃料电池及电容器等能源转化器件中电极成型工艺过程中非常重要的一环，电极浆液的好坏直接影响电池性能。基于PTFE乳液的制浆工艺通常是将商用PTFE分散乳液（四氟乙烯聚合后在非离子表面活性剂和乳化剂如全氟辛酸铵作用下分散在水中获得，PTFE乳液中聚四氟乙烯树脂的固含量一般在60wt%左右）与粉末状电极材料在一定溶剂（如水、乙醇或其它有机溶剂）中进行物理搅拌混合，获得电极浆液，然后采用涂布、丝印或超声喷涂的方法将电极浆液涂覆在电极支撑层。如燃料电池气体扩散电极制浆过程中通常是粉末电催化剂与PTFE乳液分散在乙醇或异丙醇溶液中，通过物理混合机械搅拌获得一定固含量、一定粘度的浆液，而锂离子正极电极浆液则多通过将正极活性组分钴酸锂、导电石墨碳与粘结剂乳液经高速机械搅拌分散在NMP中。上述基于物理混合搅拌制备电极浆液的过程中，由于PTFE分子结构及分散乳液的物理化学性质与电极粉料自身性质的差异，基于物理搅拌混合制备电极浆液路线获得的电极难以实现兼具粘结剂和憎水剂的PTFE与电极材料在微观尺度内的均匀分布，PTFE树脂与电极材料在高速机械搅拌过程中易发生二次团聚，浆液中多为发生团聚后的PTFE颗粒与电极材料团聚体的不均匀混合分布，浆液中易出现团块状颗粒，分散效果差，不但影响电极涂覆质量，还极大的影响电池放电性能及能量转化效率。

因此，亟待开发一种用作电极粘结剂的PTFE与电极材料实现均匀分布的方法，并将其用在电化学能源器件中，以解决现有不同电池电极结构中PTFE粘结剂与电极关键组分之间难以实现均匀分布的技术现状。

发明内容

本发明的目的在于提供电极粘结剂PTFE与电极关键组分材料均匀分布的方法，并将其用在各种电化学能源转化器件。

为了实现粘结剂PTFE与电极关键组分在纳、微米尺度上的均匀分布，本发明一方面提供一种制备PTFE-导电碳粉-电极活性组分三元复合物的方法，包括如下步骤：

（1）PTFE乳液的水稀释液，经超声分散或高速机械搅拌，得溶液1；

（2）将导电碳粉、电极活性组分、表面活性剂、水混合后经超声分散或高速机械搅拌，得溶液2；

（3）分别将溶液1和溶液2预加热后混合，得溶液3；

（4）恒温条件下，将溶液3进行高速搅拌1-6小时后，静置冷却至室温，得分层的固液混合物；