[发明专利]碳多孔电极的制备方法

说明书

本发明的目的是提供一种新的碳多孔电极制备方法，在保证碳多孔电极优良性能的同时实现简单的制备工艺过程。所述碳多孔电极的制备方法包括：将包含碳材料，粘结剂以及导电剂的电极原料涂覆到集流体表面，干燥，形成特定厚度的电极片；在惰性气氛以及大于等于400摄氏度的温度条件下对所述电极片进行炭化处理，形成碳多孔电极。通过本发明的方法，所获得碳多孔电极具有更好的导电性能，碳颗粒间电阻减小，有利于降低碳电极使用中电极上的欧姆压降，提高电极实际工作性能。依据本发明方法可以获得具有较好结构强度的碳多孔电极，提高了碳电极材料的有效反应面积。

技术领域

本发明属于电化学技术领域，特别是采用碳多孔电极的电化学技术。本发明是有关碳多孔电极的制备方法，尤其是涉及采用高比表面积碳制备碳多孔电极的方法。

背景技术

碳电极是电化学技术中常用电极。在很多电化学技术及器件，例如电容器、电吸附装置等技术及装置中，碳电极均得到应用。碳电极具有较为稳定的电化学性质，不易被氧化或还原。并且碳材料一般成本低廉，在工业中有较多应用。在实际应用中，碳电极一般采用碳多孔电极形式(也可称为多孔碳电极)，它具有较高的表面积，增大了电极材料与电解液之间的接触面积，可以降低电极材料表面在充放电过程中的电流密度，进而减小电化学过程的极化电压，有利于提高电极实际工作性能。而碳多孔电极的制备方法对其实际工作性能具有很大的影响。不同的碳多孔电极制备方法所获得的电极，在电导性、表面积等方面具有较大差异。同时，某些方法虽然能够获得较好的电极性能，但在大规模工业生产中应用中存在成本较高、效率较低等问题，例如粉末热压烧结法。因此碳多孔电极的制备技术进步，对于获得高性能的电化学装置十分重要。

在以往的报道及研究中，制备碳多孔电极的方法主要有三种。第一种是浆料涂片法，也就是将具有一定粒度分布的碳材料与粘结剂溶液(如聚四氟乙烯PTFE、聚乙烯醇PVA等)混合，如果需要也可加入一定比例的导电剂，如石墨粉，乙炔黑等，将上述混合物制成浆料后涂布到集流载体上，经自然干燥或低温烘干(一般不超过300℃)，获得碳多孔电极。该方法过程较为简单，需要的设备也较为简单，生产过程投资较小，电极制备可以较容易地实现规模化生产。这种方法的不足之处是粘接剂成分存留于碳多孔电极中，而这些粘接剂通常为有机高分子物质，这些有机高分子物质会吸附在碳材料表面，阻碍了碳材料与电解液的接触；对于活性炭类碳材料，存留的粘结剂物质还会存在于活性炭的孔隙中，从而大幅降低了活性炭材料的表面积和孔容，降低了活性炭材料在电极工作过程中的性能；同时几乎不导电的粘接剂处于碳材料颗粒以及碳材料颗粒与集流体之间，阻碍了电子在碳材料以及集流体之间的传递，降低了碳多孔电极的电子电导性能；同时对于某些粘接剂在长期使用过程中，会出现缓慢的溶解或失效现象，电极强度在长期使用中逐渐降低。

虽然可以通过加入高导电性物质，如石墨粉等，来提高电极的导电性，但起作用往往有限，并且导电剂加入过多就降低了主成分碳材料的比例，这也对电极性能有副作用。例如以活性炭为主成分的碳多孔电极往往要求最终获得的电极具有尽可能高的表面积，但随着导电剂比例的提高，高比表面积活性炭比例下降，最终获得电极表面积也会下降。

第二种方法是膏状料压膜型法。首先将碳材料、粘结剂(例如PTFE等)以及一定比例的导电剂，均匀混合成膏状形态，然后用压机将膏状料压制成所需厚度的片状或膜状电极。该方法需要有压机设备，同时由于粘结剂成分留存于电极中，因而存在于第一种碳多孔电极制备方法相似的缺点：降低了电极的导电性能，减小碳材料的有效面积和孔容。