[发明专利]自支撑碳电极

说明书

一种适于连接到电路的自支撑超级电容器电极，其特征在于包括刚性或机械弹性的导电片，其基本上由70‑90％重量的活性炭和5‑25％重量的导电碳的基质均匀地分散在5‑20％重量的聚合物粘合剂中组成。

本发明涉及一种由自支撑含碳片制成的自支撑电极，它不需要使用相关的金属集流体。该电极尤其适合用作超级电容器的组件。

近年来，超级电容器(有时本领域也称为超大电容器)因其具有长的循环寿命稳定性和它们快速接受和提供电荷的能力而引起了人们将其用于能量存储应用的兴趣。这使得它们具有替代常规锂离子电池或作为常规锂离子电池附加物用于一系列便携式电子设备中(例如智能电话、平板电脑、电钻以及注重再充电时间的应用)的潜在吸引力。然而，迄今为止，存在的技术问题是使用超级电容器可以实现的每单位重量的能量密度较低，这限制了它们在注重尺寸和重量的许多应用中的应用。

典型的超级电容器由包括至少两个电极(负极和正极)的电池组成，其中电极由电解质和离子可透过的绝缘膜隔开。当在电极上施加电压时，电解质中的阳离子和阴离子分别迁移到负极和正极，从而在其表面上产生相对的带电荷的静电双层。在使用超级电容器时这些层被逐渐破坏，在重新充电时又重新构建。因此，每单位重量电极的与这些层相关的电荷容量越高，则超级电容器越有效且越有用。

在我们先前的申请WO2016075431中，我们描述了一种超级电容器，其中电解质是离子液体或离子组分的混合物，其中离子组分中至少一种是离子液体。在该超级电容器中使用的电极各自包括金属集流体(典型的是诸如铝箔的基板)，其涂覆有包括具有大表面积的碳颗粒的电荷携带层。该涂层通过可印刷的“油墨”施加到集流体上，随后可以固化和干燥该油墨。

这种超级电容器设计的一个问题是每单位重量电池的充电容量太高而在许多应用中无法使用。由于这种超级电容器在商业应用中通常串联堆叠以保持必要的总电荷量，因此进一步加剧了这个问题。因此，解决该问题的一种方法是努力消除集流体，其通常占总重量高达50％。因此，我们现在开发了一种改进的多碳组分电极，它是自支撑的、独立的，并且可以仅通过小金属涂层接头而直接连接到外部电路。因此，本发明的一个方面提供了一种适于连接到电路的自支撑超级电容器电极，其特征在于包括刚性或机械弹性的导电片，其基本上由70-90％重量的活性炭和5-25％的重量导电碳的基质均匀地分散在5-20％重量的聚合物粘合剂中组成。

导电片可适当地基本上由75-90％重量的活性炭和5-25％重量的导电碳基质均匀地分散在5-15％重量的聚合物粘合剂中组成。

优选地，导电片具有机械弹性并且具有足够的柔韧性，使得它可以变形成适当的形状而不会发生表面开裂或完全断裂。在一个实施方案中，活性炭与导电碳的重量比大于5:1，合适地为5:1至50:1，优选为8:1至20:1；最优选为8:1至12:1或15:1至20:1，以便在电极存储电荷的能力与其相关的电阻之间获得最佳折衷平衡。

术语活性炭是指表面积通常大于500m²g^-1的碳，合适地为500至4500m²g^-1，更合适地为500至3500m²g^-1，优选为500至3000m²g^-1，最优选为1500至2500m²g^-1或1500至4000m²g^-1。在一个实施方案中，该组分是颗粒状的，颗粒的平均最大尺寸小于25微米；优选地，在6至12微米的范围内或者为小于1微米的有限尺寸。在另一种情况下，它是纤维状的并且由微米或纳米纤维组成，它们可以彼此缠绕并与其他组分缠结。在又一个实施方案中，该组分包括织布，其在制备片材时用其他组分浸润。所有这些材料的特征在于具有高度可接近的微孔性，以使其能够保持大量电荷。