專利名稱：一種電極和設(shè)備的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)一種電極的制造方法以及一種包含該電極的設(shè)備的制造方法。
背景技術(shù)：
電容器被廣泛地用作能量?jī)?chǔ)存設(shè)備。在雙電層電容器中， 一對(duì)極性相反 的電極相對(duì)設(shè)置，其間由離子可以通過(guò)的電絕緣隔離層分開，并共同置于電 解液中，在兩個(gè)電極和電解液的臨界處分別積聚一層電荷。在電容器的充電 階段，電解液中的離子在外電場(chǎng)的作用下向相反極性的電極遷移，并吸附在 相反極性的電極表面，從而在電容器中儲(chǔ)存能量。在電容器的放電階段，吸 附在電極表面的電荷被重新釋放回電解液中，先前儲(chǔ)存的能量也同時(shí)通過(guò)外
部電路釋放出來(lái)。在充電階段，電解液中的離子濃度逐漸降低；在放電階段， 離子從電極表面釋放出來(lái)。通過(guò)切換充電和放電階段流過(guò)電極的水流，可以 分別得到淡水和濃水，用這種方法使用電容器來(lái)去除液體中礦物質(zhì)，例如水 的脫鹽和淡化。充電模式下流入電容器的電解液可以是含鹽濃度較高的液體， 稱為原液；放電模式下流出電容器的液體含有更高濃度的離子，稱為濃縮液。
靜電電容是電容器的重要特性之一，代表了電容器的離子吸附能力。電 容器的靜電電容隨電極表面積的增大而增大。
設(shè)計(jì)儲(chǔ)能電容器時(shí)，理想的狀態(tài)是使兩電極的表面積最大且其間的距離
的表面積越大，電極表面上的孔越小，通常只有幾納米大小,.從而離子通過(guò) 這些納米孔時(shí)形成了擴(kuò)散限制。另一方面，電極之間的距離必須足夠大，以 使得液體流動(dòng)而不增加過(guò)多額外的壓強(qiáng)。因此，需要提供一種性能特征不同 于現(xiàn)今商業(yè)或工業(yè)應(yīng)用的電容器的制造方法，以及一種包括該電容器的裝置
的制成方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種低成本且易應(yīng)用的多孔電極制造方法，以及一 種使用這種多孔電極的水淡化裝置的制造方法。
本發(fā)明多孔電極的制造方法包括在集電器表面覆蓋一層由碳材料、不 溶于水性溶液的粘合劑、水溶性聚合物組成的涂層，形成一個(gè)模版；然后將 其烘干；最后，將其浸入水溶液中，去除其中的水溶性聚合物以形成至少一 個(gè)擁有大量孔隙的電極。


通過(guò)結(jié)合附圖對(duì)于本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行描述，可以更好地理解本發(fā)明， 在附圖中
圖1是本發(fā)明的超極電容脫鹽(SCD)裝置的一個(gè)實(shí)施方式在充電階段 的示意圖2所示為圖1中SCD裝置在放電階段的示意圖； 圖3所示為制造一個(gè)多孔含碳電極的步驟； . 圖4為一個(gè)SCD設(shè)備的示意圖； 圖5所示為圖4中一個(gè)SCD組的分解圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明包括涉及一種多孔電極制造方法的多個(gè)實(shí)施例；本發(fā)明包括涉及 一種包含該電極的脫鹽設(shè)備的制造方法的多個(gè)實(shí)施例。
說(shuō)明書和權(quán)利要求中的近似用語(yǔ)用來(lái)修飾數(shù)量，表示本發(fā)明并不限定于 該具體數(shù)量，還包括與該數(shù)量接近的可接受的修正的部分，而不會(huì)導(dǎo)致相關(guān) 基本功能的改變。相應(yīng)的，用"大約"等修飾一個(gè)數(shù)值，意為本發(fā)明不限于 該精確數(shù)值。在某些例子中，近似用語(yǔ)可能對(duì)應(yīng)于測(cè)量數(shù)值的儀器的精度。
超級(jí)電容與普通電容器相比，具有相對(duì)更高的能量密度。本發(fā)明中的超 級(jí)電容一詞，是多種高效電容器的統(tǒng)稱。電容器包括一對(duì)設(shè)置在電場(chǎng)中的導(dǎo) 體(以下稱為"電極，，)，該兩電極相對(duì)設(shè)置且相隔較小的間距，并在其間儲(chǔ) 存能量。當(dāng)在電容器的兩個(gè)電極施加電壓時(shí)，該兩電極上會(huì)產(chǎn)生電量相等， 極性相反的電荷。
超級(jí)電容脫鹽(SCD)裝置是指一個(gè)用于脫鹽的超級(jí)電容，可用于實(shí)現(xiàn)海水淡化或其他半咸水的去離子化，以將鹽分的含量降低至生活和工業(yè)用水 允許的標(biāo)準(zhǔn)。該SCD裝置也可以用于去除或減少液體中其他帶電的或離子態(tài) 的雜質(zhì)，例如處理工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、市政生活中產(chǎn)生的廢水或污水。
參見圖1和圖2分別顯示一個(gè)SCD系統(tǒng)200的充電和放電階段。SCD系 統(tǒng)200包括一個(gè)SCD裝置20和一個(gè)為該SCD裝置20供電的電源201 。電源 201也作為一臺(tái)能量回收轉(zhuǎn)換器，也可以和一臺(tái)換能器配合使用。SCD裝置 20包括第一、第二電極21、 22。在圖示的實(shí)施例中，第一電極21與電源201 的正極接線柱相連，作為陽(yáng)極；第二電極22與電源201的負(fù)極接線柱相連， 作為陰極。 一塊允許離子通過(guò)的絕緣隔片23位于第一、第二電極21、 22之 間。攜帶有電荷的原液30流經(jīng)SCD裝置20的第一、第二電極21、 22之間， 而輸出液33由SCD裝置20流出。
如圖l所示，在充電階段，第一、第二電極21、 22從原液30中吸附離 子或電荷。當(dāng)攜有帶電物質(zhì)的原液30流經(jīng)電極21、 22之間時(shí)，原液30中的 帶電物質(zhì)或離子積聚在極性相反的電極21、 22上。陽(yáng)離子31向陰極(第二 電極)22運(yùn)動(dòng)，陰離子32向陽(yáng)極(第一電極)21運(yùn)動(dòng)。從而，在SCD裝置 20的充電階段，流經(jīng)其中的原液30內(nèi)的電荷積聚在電極21、 22表面，流出 SCD裝置20的輸出液33為含有離子或電荷濃度較低的稀釋液。作為一個(gè)實(shí) 施例中，稀釋液33可以作為另一個(gè)SCD裝置20的原液30,再經(jīng)過(guò)一次去離 子的過(guò)程，以使其中的離子或電荷濃度再進(jìn)一步降低。
如圖2所示，在充電階段之后的放電階段，第一和第二電極21、 22表面 所吸附的離子釋放出來(lái)。圖2所示的實(shí)施例中，在SCD裝置20的放電階段， 第一和第二電極21、 22的極性維持不變，但第一、第二電極21、 22之間的 電位差相較充電階段時(shí)小，使得陰、陽(yáng)離子32、 31從第一、第二電極21、 22上釋放出來(lái)。其他可選擇的實(shí)施例中，在SCD裝置20的放電階段，第一、 第二電才及21、 22的才及性相互交換，即第一電極21與電源201的負(fù)極接線柱 相連，作為陰極；第二電極22與電源201的正極接線柱相連，作為陽(yáng)極。從 而積聚在第二電極22上的陽(yáng)離子31向第 一電極21運(yùn)動(dòng)，同時(shí)積聚在第 一電 極21表面的陰離子32向第二電極22運(yùn)動(dòng)。從而，輸出液33為離子或電荷 濃度較原液30高的濃縮液。同時(shí)，SCD裝置20釋放的能量可以通過(guò)一臺(tái)能 量回收裝置再生或回收，該能量回收裝置可以是一臺(tái)雙向直流-直流轉(zhuǎn)換器或 類似的設(shè)備。圖3所示為本發(fā)明多孔電極制造方法的一個(gè)示意性流程圖，可以用于制
備所述第一、第二電極21、 22。該方法大致包括以下步驟在一集電器表面
形成一個(gè)模板；將該模板烘干；最后，將所述模板與水性溶液接觸，以去除 其中的水溶性聚合物，從而形成一個(gè)擁有大量孔隙的電極。
步驟40為制備一種包含碳材料、不溶于水的粘合劑和水溶性聚合物的混 合物，作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，該混合物為漿狀。該漿狀混合物的制作 流程如下首先步驟401,在水中或水性液體中加入碳材料的粉末，并攪拌 以得到第一混合液。所述的碳材料可以從以下材料中選擇任意種類的活性 炭、碳黑、碳納米管、石墨、碳素纖維、碳布、碳?xì)饽z或者以上任意一種 或多種的混合。所述碳材料可以是平均直徑介于l微米至100微米之間的顆粒狀。
步驟402，在第一混合液中加入不溶于水性溶液的粘合劑，并攪拌以得 到一第二混合液。本實(shí)施例中，所述不溶于水性溶液的粘合劑是一種高分子 氟化物，例如，聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、羧曱基纖維素 或聚丙烯酰胺等等。該粘合劑以乳濁液的形態(tài)滴入第一混合液中，其重量百 分濃度介于0.1%至60%之間，而其中粘合劑顆粒大小介于100納米至800納 米之間。
步驟403，將一水溶性聚合物加入所述第二混合液，攪拌后得到所述漿 狀混合物。所述水溶性聚合物可以是聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯、聚乙 二醇、或聚乙烯醇及其他。所述水溶性聚合物的分子量介于500道爾頓至 1000,000道爾頓之間。
在所得到的漿狀混合物中，不溶于水性溶液的粘合劑跟碳材料的重量比 約為4 10:100;水溶性聚合物跟碳材料的重量比約為5-100:100。
作為一種實(shí)施方式，所述經(jīng)步驟40得到的漿狀混合物在步驟41中直接 涂在一集電器上以形成一個(gè)模板。作為另一種可選擇的方法，在步驟41，將 漿狀混合物在涂到集電器上之前先經(jīng)過(guò)烘干以去除其中的水分，然后浸入酒 精溶液中，例如乙醇或異丙醇，重新形成漿狀混合物。將漿狀混合物涂在集 電器上，可以通過(guò)澆鑄、絲網(wǎng)印刷或其他類似方法來(lái)實(shí)施。所述集電器可以 是金屬或金屬合金制成的金屬板、網(wǎng)格、金屬箔或者金屬片等等形式。合適 的金屬包括鈦、柏、銥或銠等；而合適的金屬合金可以是不銹鋼等等。在其他可選擇的實(shí)施例中，該集電器可是由石墨材料制成的。在可選擇的又一個(gè) 實(shí)施例中，集電器是由導(dǎo)電塑料材料制成的。合適的塑料材料可以是聚烯烴， 比如聚乙烯，其中混合導(dǎo)電的碳黑或金屬微粒。
在步驟42中，將步驟41所得到的模板烘干。本一個(gè)實(shí)施例中，將步驟 41后準(zhǔn)備好的模板曝置于空氣中并控制局部環(huán)境下的溫度與濕度。在其他實(shí) 施例中，采用更高的溫度烘干該模板。然后模板可經(jīng)由壓床壓制或滾軋機(jī)滾軋。
在步驟43中，將干燥后的模板與水溶液接觸，以去除水溶性聚合物并形 成大量孔隙。本一個(gè)實(shí)施例中，將干燥的模板浸入水或水與酒精的混合溶液 中，使得水溶性聚合物溶于水或水與酒精的混合溶液。在步驟43中，攪拌水 溶液或水與酒精的混合溶液有助于更快、更徹底地去除水溶性聚合物。作為 可選擇的實(shí)施方式，水溶性聚合物也可以在將電極組裝在SCD裝置20或者 SCD組2后，由流經(jīng)其中的溶液去除。
通過(guò)上述步驟制成的電極具有較高的表面積，采用氮吸附比表面積測(cè)試 法測(cè)量，電極單位重量的表面積可以達(dá)到500-2000 m2/g。形成的孔隙是均勻 分布的并且平均直徑介于100納米至1微米之間。
圖1、 2所述的實(shí)施例中，電極21、 22彼此平行放置。在其他實(shí)施例中， 第一、第二電極21、 22可以采用多種形狀，例如薄片、塊狀或柱狀。同樣， 這些電極也可以組合成多種構(gòu)造。例如，第一、第二電極21、 22可以共中心、 螺旋狀放置，其間的間隔為連續(xù)的空間。
絕緣隔片23可以是由絕緣聚合物制造，例如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、 特氟綸、尼龍以及前述兩種或多種材料的組合。絕緣隔片23的形態(tài)可以是薄 膜、網(wǎng)格、墊子、薄片、膠片或者織物，而其厚度介于10"厘米至1厘米之 間。絕緣隔片23被置于第一、第二電極21、 22之間，其與第一、第二電極 21、 22之間的間距大約為0毫米至1毫米。在一個(gè)實(shí)施例中，絕緣隔片23 與第一、第二電極21、 22之間的距離不等。絕緣隔片23的兩個(gè)表面分別與 對(duì)應(yīng)第一和第二電極21、 22的表面等寬。
作為一個(gè)實(shí)施方式，在第一、第二電極21、 22(正極、負(fù)極21、 22)的 表面附近分別設(shè)置離子交換介質(zhì)(未圖示)。在正極21附近設(shè)置陰離子交換 介質(zhì)，在負(fù)極22附近設(shè)置陽(yáng)離子交換介質(zhì)。陰離子、陽(yáng)離子交換介質(zhì)分別僅 容許陰離子、陽(yáng)離子通過(guò)，從而可以更進(jìn)一步提高電流效率。這些陰離子、
8陽(yáng)離子交換介質(zhì)可以是分別相對(duì)陽(yáng)極、陰極21、 22獨(dú)立設(shè)置的薄膜，且分別
貼近陽(yáng)極、陰極21、 22表面；也可以涂在陰極、陰極21、 22表面；又或者 是部分滲透進(jìn)陽(yáng)極、陰極21、 22內(nèi)。所述陽(yáng)離子交換介質(zhì)可以是帶有負(fù)電荷 的離子聚合物或者交叉連接離子聚合物，比如磺S交基。而陰離子交換介質(zhì)可 以是帶有正電荷的離子聚合物或者交叉連接離子聚合物，比如季胺基。
圖4所示是一 SCD設(shè)備100，該SCD設(shè)備100包括一個(gè)容器1和一個(gè)置 于該容器1中的SCD組2。容器1包含原液30的入口 10和輸出液33流出 的出口 11。原液30可借由外力導(dǎo)入容器1，如采用泵入方式。
如圖5所示，SCD組2包括若干個(gè)疊放的SCD裝置20。每個(gè)SCD裝置 20包括第一、第二電極21、 22以及位于第一、第二電極21、 22之間的絕緣 隔片23。在一個(gè)實(shí)施例中，若干個(gè)絕緣隔離片24被分別置于兩個(gè)相鄰的SCD 裝置20之間，使得每?jī)蓚€(gè)相鄰的SCD裝置20之間互相電絕緣。
SCD組2進(jìn)一步包括支撐板29。圖示的實(shí)施例中，支撐板29、第一、第 二電極21、 22、隔片23以及絕緣隔離板24均設(shè)有孔25,以在各SCD裝置 20之間形成供原液30直流通的流道。如圖，原液30由箭頭26所示方向直 接進(jìn)入SCD裝置20,再經(jīng)由流道28導(dǎo)向流經(jīng)第一、第二電極21和22表面。 所述原液30盡可能流經(jīng)第一、第二電極21、 22的全部表面積。隨后，輸出 液33 4姿箭頭27所示方向流出SCD組2。在一個(gè)實(shí)施例中，原液30可以不 止一次地通過(guò)SCD組2。
雖然結(jié)合特定的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說(shuō)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以 理解，對(duì)本發(fā)明可以作出許多修改和變型。因此，要認(rèn)識(shí)到，權(quán)利要求書的 意圖在于覆蓋在本發(fā)明真正構(gòu)思和范圍內(nèi)的所有這些修改和變型。例如，本 發(fā)明的實(shí)施例是針對(duì)脫鹽的應(yīng)用，但是其也可以適用于去除液體中的離子， 例如水凈化、廢水處理和礦物質(zhì)脫除。工業(yè)應(yīng)用包括但不限于水處理、醫(yī)藥 品以及食品々大料行業(yè)。
9
權(quán)利要求
1. 一種電極的制造方法，包括在一集電器表面涂覆包含碳材料、不溶于水性溶液的粘合劑和水溶性聚合物的混合物，以形成一模板；烘干所述模板；以及使烘干的模板與水性溶液接觸，以去除模板的水溶性聚合物。
2. 如權(quán)利要求1所述的電極的制造方法，其中所述包含碳材料、不溶于 水性溶液的粘合劑和水溶性聚合物的混合物的制備過(guò)程包括:.在水性溶液中 加入粉末狀碳材料并攪拌以制成一第一混合液；將不溶于水的粘合劑加入第 一混合液以制成第二混合液；將水溶性聚合物加入第二混合液以制成漿狀混 合物。
3. 如權(quán)利要求1所述的電極的制造方法，其中所述碳材料是選擇自活性 炭、碳黑、碳納米管、石墨、碳素纖維、碳布或碳?xì)饽z中的一種或若干種的組合。
4. 如權(quán)利要求1所述的電極的制造方法，其中所述混合物中所選擇的碳 材料微粒的平均直徑介于大約l微米至100微米之間。
5. 如權(quán)利要求1所述的電極的制造方法，所述不溶于水性溶液的粘合劑 以乳濁液的形態(tài)滴入混合液中，且乳濁液中不溶于水性溶液的粘合劑的重量 百分濃度介于0.1%至60%之間。
6. 如權(quán)利要求1所述的電極的制造方法，其中的碳材料與不溶于水性溶 液的粘合劑的重量比約為100: 4 10，碳材料與水溶性聚合物的重量比約為 100: 5 100。
7. 如權(quán)利要求1至5中任何一項(xiàng)所述的電極的制造方法，所述水溶性聚 合物是選擇自聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯、聚乙二醇、聚乙烯醇、羧曱基 纖維素、或聚丙烯酰胺中至少一種。
8. 如權(quán)利要求1所述的電極的制造方法，其中混合物通過(guò)澆鑄、輥壓或 絲網(wǎng)印刷的方法涂在集電器表面。
9. 如權(quán)利要求1所述的電極的制造方法，其中烘干^f莫板包括將模板曝置 于空氣中并控制溫度與濕度。
10. 如權(quán)利要求1所述的電極的制造方法，其中將模板與水性溶液接觸包括將模板浸入水或水與酒精的混合溶液中。
11. 如權(quán)利要求IO所述的電極的制造方法，其中將模板浸入水或水與酒 精的混合溶液中的同時(shí)，攪拌所述水或水與酒精混合溶液以利于去除水溶性聚合物。
12. —種超級(jí)電容脫鹽裝置的制造方法，包括制備一對(duì)多孔電極，每個(gè)多孔電極的制備方法包括在一集電器表面涂 覆包含碳材料、不溶于水性溶液的粘合劑和水溶性聚合物的混合物，以形成 一模板，烘干所述模板，以及使烘干的模板與水性溶液接觸，以去除模板中 的水溶性聚合物；以及在第 一多孔電極和第二多孔電極之間安放一個(gè)絕緣且離子可通透的隔片。
13. 如權(quán)利要求12所述的超級(jí)電容脫鹽裝置的制造方法,'進(jìn)一步包括在 所述一對(duì)電極的表面附近分別設(shè)置離子交換介質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制造電極的方法，該方法包括在一集電器表面涂覆包含碳材料、不溶于水性溶液的粘合劑以及水溶性聚合物的混合物，以形成一模板；烘干該模板；最后將烘干的模板與水性溶液接觸，以去除水溶性聚合物，從而形成一個(gè)較大表面積的多孔電極。
文檔編號(hào)H01G9/155GK101425394SQ200710165490
公開日2009年5月6日 申請(qǐng)日期2007年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月30日
發(fā)明者蘇 呂, 磊 曹, 宇 杜, 熊日華, 巍 蔡, 昶 魏 申請(qǐng)人:通用電氣公司