[發明專利]石墨纖維電極材料的制備方法

有效

• 申請號: 201510320143.5
• 申請日: 2015-06-11
• 公開（公告）號: CN104953086B
• 公開（公告）日: 2017-06-16
• 發明（設計）人: 張毅
• 申請（專利權）人: 貴州新碳高科有限責任公司
• 主分類號: H01M4/04
• 分類號: H01M4/04;H01M4/1393
• 代理公司: 貴陽春秋知識產權代理事務所(普通合伙)52109
• 代理人: 楊云,施冬蘭

技術領域

本發明涉及一種二次電池電極的制備方法，尤其涉及一種石墨纖維電極的制備方法；屬于新材料技術領域。

背景技術

二次電池(可充電電池)主要包括“鎳氫”、“鎳鎘”、“鉛酸”和鋰離子電池等。二次電池與超級電容器相比具有能量密度大(可達100-200Wh/kg)、開路電壓高(可達到3.3-4.2V)等優點，因此往往作為首要的電能存儲設備應用于各個領域。然而，二次電池也具有功率密度低、循環壽命短等缺點。自1991年第一個商用鋰離子電池問世以來，雖然已廣泛用于生活、交通、通訊、航天、軍事等領域；但鋰離子電池的組成包括兩種鋰離子插層電極、隔膜和非水系電解液，因此同樣存在限制其進一步發展的重要問題：快速充放電下的循環壽命和安全問題。

石墨具有層狀結構、導電性好等特點，作為可插層負極電極材料已廣泛應用于鋰離子電池領域。然而，天然石墨層間只為范德華力，不存在其它形式的化學鍵；在快速充放電條件下石墨的體積會發生膨脹，不僅嚴重影響了鋰離子電池的使用壽命，而且還存在極大的安全隱患。

近日，《自然》頂級期刊上發表了鋁離子電池研究報告；該研究報告選擇石墨作為正極材料，同時深入研究了天然石墨、合成石墨(熱解石墨和三維石墨泡沫)的電化學性能。結果表明，合成石墨由于層間存在共價鍵，大大降低了快速充放電過程中的體積膨脹，一分鐘內充放電條件下(～4000mA/g)的循環壽命大于7500次而沒有發現容量損耗。

目前，制造人造石墨的方法有很多種；通常以粉狀優質煅燒石油焦為主要原料、以瀝青作為粘結劑，加入少量輔料壓制成型后在2500～3000℃的非氧化性氣氛中石墨化處理而得到。但上述人造石墨作為電極材料時，石墨層間只為范德華力，不存在其它形式的化學鍵；尤其在快速充放電條件下石墨的體積會發生膨脹，不僅嚴重影響二次電池的使用壽命，而且還存在極大的安全隱患。

發明內容

針對現有技術中存在的上述缺陷，本發明旨在提供一種可形成更多插層界面、能促進縮短金屬離子擴散形成的石墨纖維電極材料的制備方法。

為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

1)將厚度為1～1000μm的聚酰亞胺薄膜制成短軸寬度為0.1～5000μm的纖維條；

2)將上述纖維條混合均勻，壓制成纖維方向隨機分布、孔隙率為1～99.5％、厚度為1～1000μm的纖維薄膜；

3)將上述纖維薄膜置于真空度為1000～5000Pa的環境中，或置于氣壓為1.01x10⁵Pa的惰性氣體環境中進行石墨化熱處理，得相對密度為0.1～2g/cm³的石墨纖維薄膜；熱處理溫度為1000～3000℃、升溫速率為1～30℃/min，惰性氣體流量為10～500ml/min。

在上述技術方案中，所述聚酰亞胺薄膜厚度優選5～500μm；所述纖維條的短軸寬度為0.5～1000μm；所述熱處理溫度優選為1500～2500℃。

在上述技術方案中，所述聚酰亞胺薄膜為均苯型聚酰亞胺薄膜、聯苯型聚酰亞胺薄膜等各種商用類型的聚酰亞胺薄膜。

與現有技術比較，本發明由于采用了上述技術方案，將聚酰亞胺薄膜制成纖維條，然后壓制成纖維方向隨機分布的纖維薄膜，再經過石墨化處理而形成具有一定空隙率和機械強度的石墨纖維薄膜；因此采用該石墨纖維薄膜制成的電極可在電解液中形成更多的插層界面，縮短金屬離子擴散形成，提高金屬離子電池的功率密度。由于石墨層間存在共價鍵，方向隨機分布的石墨纖維條互相搭接在一起，因此具有一定的機械強度；在金屬離子插入或脫插過程中可長時間保持石墨纖維電極的原始結構，從而可實現高能量、高功率密度輸出和優異的循環壽命。

附圖說明

圖1是本發明方法制備的石墨纖維薄膜截面電子顯微鏡掃描照片。

具體實施方式

下面結合具體的實施例對本發明作進一步說明：

實施例1

1)將厚度為1μm的聚酰亞胺薄膜制成短軸寬度為5000μm的纖維條；

2)將上述纖維條混合均勻，壓制成纖維方向隨機分布、孔隙率為1％、厚度為1000μm的纖維薄膜；

3)將上述纖維薄膜置于真空度為1000Pa的加熱爐中，按1℃/min的速率升溫至3000℃，隨爐冷卻得相對密度為0.1～2g/cm³的石墨纖維薄膜。

實施例2