[發(fā)明專利]一種柔性石墨烯集流體與活性材料一體化電極極片及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410032703.2
• 申請(qǐng)日: 2014-01-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104810504B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-12-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李峰;石穎;聞雷;裴嵩峰;黃坤;成會(huì)明
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院金屬研究所
• 主分類號(hào): H01M4/13
• 分類號(hào): H01M4/13;H01M4/66;H01M4/139
• 代理公司: 沈陽(yáng)科苑專利商標(biāo)代理有限公司21002
• 代理人: 許宗富,周秀梅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及儲(chǔ)能器件及相關(guān)材料領(lǐng)域，具體涉及一種鋰電池用柔性石墨烯集流體與活性材料一體化電極極片及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著當(dāng)今世界能源與環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，人們對(duì)于清潔高效及可再生能源的需求不斷增加，能量的高效轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)也日益受到關(guān)注。作為重要的能量存儲(chǔ)器件的鋰離子二次電池由于具有容量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率低和無(wú)記憶效應(yīng)等突出優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用于各類便攜式電子產(chǎn)品中。而隨著近年來(lái)柔性/可折疊電子器件的不斷發(fā)展，開(kāi)發(fā)具有高能量密度（即高容量）、高功率密度（可快速充放電）并具有彎折穩(wěn)定性的柔性鋰離子電池也已成為目前儲(chǔ)能領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。

在現(xiàn)有的鋰離子電池極片制作工藝中，集流體通常采用金屬銅箔或鋁箔，制作過(guò)程是將活性材料以漿料的形式涂覆于金屬集流體上，即活性材料與集流體通過(guò)粘結(jié)劑來(lái)實(shí)現(xiàn)兩者間的連接。這種連接方式往往會(huì)因粘結(jié)劑的粘結(jié)強(qiáng)度不足，導(dǎo)致活性材料與集流體在充放電過(guò)程中發(fā)生逐步脫離，使電池內(nèi)阻不斷增加，循環(huán)壽命縮短，電池的安全性也存在問(wèn)題。對(duì)于柔性電子器件而言，電池通常要在彎折條件下使用，活性材料更易出現(xiàn)與金屬集流體的分離現(xiàn)象。同時(shí)由于金屬集流體與活性材料的接觸面積有限，界面電阻較大，電池在大電流充放電條件下的性能（即倍率性能）受到限制。此外由于金屬集流體密度較大，會(huì)降低活性材料在整個(gè)電極中的比例，從而限制了電池能量密度的進(jìn)一步提高。

針對(duì)以上問(wèn)題，通過(guò)對(duì)金屬集流體表面改性處理可改善集流體與活性物質(zhì)間的接觸，降低電池內(nèi)阻，如對(duì)金屬集流體進(jìn)行表面刻蝕，增加表面粗糙度，從而提高其與活性材料的接觸面積，或者在金屬集流體表面涂覆導(dǎo)電涂層，增加活性物質(zhì)粘附性等，這些方法雖取得了一定成效，但由于金屬集流體自身的限制，想進(jìn)一步提高電池的能量密度難度較大。此外，這些方法也不適用于使用過(guò)程需多次彎折的柔性電池。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種柔性石墨烯集流體與活性材料一體化電極極片及其制備方法，所制備的電極極片具有良好的柔韌性、導(dǎo)電性和較高的能量密度，可在柔性電池中應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)對(duì)電池性能的全面提升。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種柔性石墨烯集流體與活性材料一體化電極極片，是由石墨烯集流體層和活性材料層復(fù)合而成，所述石墨烯集流體層的組分為石墨烯，所述活性材料層中各組分為：活性物質(zhì)80～97重量份、導(dǎo)電劑1～10重量份、粘結(jié)劑1～10重量份。所述石墨烯集流體層的厚度為0.5～50微米，電導(dǎo)率為100～2000S/cm，所述活性材料層的厚度為10～100微米。

所述石墨烯集流體層中所用石墨烯的層數(shù)在1～20層，橫向尺寸在1～50微米，碳氧比在20～120。

所述活性物質(zhì)為鋰離子電池正極材料、負(fù)極材料或鋰硫電池正極材料。

所述鋰離子電池正極材料為磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸錳鋰、磷酸釩鋰、鎳錳酸鋰和鎳鈷錳三元材料中的一種或者幾種組合；所述鋰離子電池負(fù)極材料為天然石墨、人造石墨、金屬鋰、硅基合金、硅基氧化物、錫基合金、錫基氧化物、鈦酸鋰、二氧化鈦、氧化錫、氧化鐵和氧化鈷中的一種或者幾種組合；所述鋰硫電池正極材料為單質(zhì)硫。

所述導(dǎo)電劑為石墨、膨脹石墨、導(dǎo)電炭黑、乙炔黑、Super-Li、KS-6、中孔碳、微孔碳球、層次孔碳、活性碳、空心碳球、碳納米管、碳纖維和石墨烯中的一種或幾種組合。

所述粘結(jié)劑為聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、羧甲基纖維素鈉、LA系列粘結(jié)劑和改性丁苯橡膠(SBR)中的一種或幾種組合。

上述柔性石墨烯集流體與活性材料一體化電極極片的制備方法，包括如下步驟：

1）將石墨烯與溶劑按1:（1～20）的質(zhì)量比混合，分散成均勻的石墨烯溶液，該石墨烯溶液在微孔濾膜上真空抽濾成石墨烯集流體膜；

2）將含有活性材料層中各組分的漿料在步驟1）中石墨烯集流體膜上繼續(xù)真空抽濾，抽濾后在30～90℃的烘箱中干燥；

3）將干燥后的含有柔性石墨烯集流體層和活性材料層試樣從濾膜上揭下、輥壓，得到柔性石墨烯集流體與活性材料一體化電極極片。

所述微孔濾膜為混合纖維酯微孔濾膜、硝酸纖維素濾膜、聚偏氟乙烯濾膜、醋酸纖維素濾膜、再生纖維素濾膜或聚酰胺濾膜；所述微孔濾膜的孔徑為0.1～1微米。

步驟1）中分散石墨烯所用的溶劑為水、乙醇、丙酮和N-甲基吡咯烷酮中的一種或幾種。

所述石墨烯溶液分散的方法為超聲分散、高速剪切分散、劇烈攪拌和乳化中的一種或幾種組合。