電極成型（forming of electrode）是指炭素糊料在外部壓力作用下產生塑性變形，最終成為具有一定外形及較高密實度的石墨電極生坯（或稱生製品）的工藝過程。成型時生產炭素製品的主要生產工序之一。炭素製品的成型方法有擠壓型、模型成型、振動成型及等靜壓成型4種，但生產石墨電極主要用擠壓成型，也有碳素廠用振動成型，生產炭塊、炭質電極、預焙陽極可用擠壓成型或振動成型，模壓成型和等靜壓成型多用於生產細顆料結構的炭製品或特殊用途的炭製品。
基本介紹
- 中文名：電極成型
- 外文名：forming of electrode
- 學科：冶金工程
- 領域：冶煉
- 範圍：炭素
- 釋義：炭素糊料在外部壓力下產生變形
簡介,直接高溫熱壓成型方法,冷壓粘結成型方法,熱壓粘結成型方法,適合液流式電容型納米碳管脫鹽電極,
簡介
自從發現了納米碳管以來，納米碳管特殊的結構以及性能引起了科學家的興趣。大量的報導表明，納米碳管的製備已經取得了較大的進展，多壁納米碳管的製備技術已經較成熟，許多研究小組已經進行了初步的工業化製備，然而納米碳管套用探索的進展卻相對緩慢。納米碳管特殊的中空結構、大的比表面積、低的電阻率和高的穩定性，理論上可廣泛套用於電池材料、儲氫材料、平面顯示器材料、化學感測器和超大容量電化學電容器，但實際上還沒有找到真正意義上大量套用的領域。作者所在的課題組首次提出了利用納米碳管電極的液流式電容型海水淡化脫鹽新技術，並取得了很好的脫鹽效果，拓展了納米碳管可大規模套用的領域。
隨著人們對納米碳管電極研究的逐步深入，對納米碳管塊狀電極成型的研究已成為一個新的課題。對活性炭塊狀電極成型方法的研究較多，而對納米碳管塊狀電極成型方法的研究則剛處於起始階段。總結前人的工作，納米碳管塊狀電極成型方法主要可分為直接高溫熱壓成型、冷壓粘結成型和熱壓粘結成型3種方法。
直接高溫熱壓成型方法
單壁納米碳管和直徑較小的多壁納米碳管表面能大，具有極好的自粘結性能，可以直接壓製成型。採用2000℃熱壓工藝製得較高體積密度的∅50mm的純淨納米碳管高溫壓制體，為納米碳管塊狀電極的直接成型奠定了基礎。通過分析直接成型的塊狀電極片發現，其電阻率在10-4Ω·cm量級，比表面積為80m2/g，孔容為0.2cm3/g。由於這種直接成型方法工藝設備要求太高，因而影響了其實際套用。
冷壓粘結成型方法
冷壓粘結成型一般以PTFE、PVDF為粘結劑，與納米碳管以不同比例充分混合，在室溫下直接壓制而成。如將納米碳管與PTFE以90:10的重量比進行混合，在室溫下以20MPa的壓力壓制10min，得到厚2mm、直徑22mm的圓形電極片，其等效電阻為14Ω，BET比表面積約為100m2/g，孔容為0.21cm3/g。以包覆PANI樹脂的單壁納米碳管添加15%的乙炔黑和5%的PTFE在Ni網上壓製成1cm×1cm的電極片，考察其電化學性能。比較可以看出，納米碳管電極可以通過使用支撐材料(Ni網)來減少PTFE粘結劑的添加量。將多壁納米碳管、乙炔黑和PVDF按85:5:10的重量比進行壓制，得到了適用於超級電容器的電極。
在納米碳管中添加5%的PVDF壓製成厚0.7mm、直徑22mm的圓形電極片。提到了一種在多壁納米碳管中添加20%的PVDF壓制電極的方法。從這些研究可以看出，在納米碳管電極成型的過程中，PVDF粘結劑的添加量相差較大，這可能是成型工藝條件及實驗要求的差異所造成的。
熱壓粘結成型方法
熱壓粘結成型主要以PR為粘結劑，利用PR在一定溫度下熔融軟化的性質，在一定壓力下壓製成電極片，然後將壓制的電極片在惰性氣體(N2)保護下進行高溫炭化。經過高溫炭化處理後，除掉了PR粘結劑中的氧和氫，使PR轉化為碳骨架。
一方面，由於碳骨架的作用，電極片的強度不會明顯降低，同時炭化使電極片內部營造了更多的空隙，大大提高了電極片的比表面積；另一方面，由於碳骨架電阻較低，電極片的導電性能也有了較大提高。
將納米碳管與不同含量的PR粉末在150℃、一定壓力下保溫一段時間得到厚2mm、直徑22mm的圓片狀固體電極，然後在850℃氮氣氛保護下，恆溫炭化2-4h。研究發現，PR的添加量若小於5%，則電極不易成型，而添加量過高時既降低了電極中納米碳管所占的比例，又會增大電容器的固有電阻；只有添加適量的PR粘結劑，才能既充分保證電極強度，又可在炭化時增大電極的比表面積。由實驗得知，PR的添加量為15%時電極的性能最好。他們用該法壓制了尺寸為8mm×8mm×3.1mm的納米碳管電極，發現其等效串連電阻僅為2.78Ω。
適合液流式電容型納米碳管脫鹽電極
液流式電容型脫鹽裝置主要由2個納米碳管電極及外接電源所組成。在外接電源的前提下，當含可溶性鹽的海水或苦鹹水通過電極體系時，其中可溶性鹽的離子向荷電相反的電極移動並吸附在電極上，從而達到淡化海水或苦鹹水的目的。當電極上吸附了足夠多的離子時，將電極體系反接，則吸附在電極上的鹽離子自行脫落、排放，電極得以再生。根據液流式電容型脫鹽原理，要求所製備的納米碳管電極具有豐富的空隙、較大的比表面積和良好的導電性。
分別利用PTFE冷壓粘結成型和PR熱壓粘結成型的方法，對納米碳管電極雙電層電容器進行了研究分析，發現以PTFE為粘結劑冷壓粘結成型所得電極適用於在基於有機電解液的雙電層電容器中，但他們同時也指出與以PR熱壓粘結成型所得電極比較，該電極比表面積較小，且等效電阻較大。
