CN102255081B - 一种锂离子电池正负极极片材料及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种锂离子电池正负极极片材料及加工方法，该材料由质量比40-80％纳米正、负电极活性物质和20-60％添加剂组成，添加剂则是由质量比1-50％纳米石墨烯和50-99％正、负电极极性物质组成。该材料加工方法是，按质量比将纳米石墨烯和纳米正或负电极极性物质与溶剂混合，混合物与溶剂体积比为1∶1-5，超声波振荡，烘干即制得纳米正或负电极活性物质添加剂；再按质量比将纳米正或负电极活性物质和添加剂与溶剂混合，混合物与溶剂体积比为1∶1-5，超声波振荡，即得到锂离子电池正或负极极片材料，将该材料以纳米喷雾方式喷在铝或铜极片上，即制得锂离子电池正或负极极片。本发明工艺简单，有效地增加了正负极反应活性和电极电容量及循环性能，提高了电池安全性能和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池极片，尤其涉及一种锂离子电池正负极极片材料及加工方法。
背景技术
锂离子电池是一种新型的化学电源，分别用两个能可逆地嵌入和脱出锂离子的化合物作为正负极而构成。当电池充电时，锂离子从正极中脱嵌出来，在负极中嵌入；放电时锂离子从负极中脱嵌出来，在正极中嵌入。锂离子电池由于具有高能量密度、高电压、无污染，循环寿命高、无记忆效应等优点，广泛应用在笔记本电脑、手机和其他便携式电器中。
自2004年英国科学家在实验室成功制备出单层石墨烯以来，石墨烯迅速成为纳米科学领域的研究热点。石墨烯是具有单层碳原子厚度的，由碳原子呈二维蜂窝状晶格结构排列的一种新型碳质材料，是所有其他维数碳质材料的基本组成单元。它的厚度只有0.335nm，仅为头发的20万分之一，可以包成零维的富勒烯，卷曲成一维的碳纳米管，堆砌成三维的石墨。
石墨烯具有良好的力学、电学、热学性质。它具有非常稳定的结构。石墨烯片层内各碳原子完美排列，受到外力时，碳原子可以弯曲变形，不用重新排列，保持了它的结构稳定性。在石墨烯平面上，碳原子的排列使它非常牢固坚硬，抗张强度可达到50-200GPa，弹性模量可达1TPa，是目前世界上制备出的具有最高比强度的材料。
美国普林斯顿大学(Princeton University)的研究人员日前指出，若是采用石墨烯(graphene)电极，锂电池的充电时间将能从2小时缩短到只要10分钟。这种新开发的石墨烯电极制造技术，是由美国能源部所属的西北太平洋国家实验室(PNNL)与普林斯顿大学的研究员Ilhan Aksay所共同开发，并且已经授权给厂商Vorbeck Materials，准备推向商业化。PNNL表示，该实验室已经证实超薄石墨烯薄片能组装到锂离子电池的电极，并能大幅缩短充电所需时间。
公开号为CN101728535A的发明专利提供了一种锂离子电池导电材料及其制备方法和用途，采用氧化石墨快速热膨胀法制备石墨烯锂离子电池导电材料，具有高的纵横比，有利于缩短锂离子的迁移路程并提高电解液的浸润性，从而提高电极倍率性能；还具有高的导电率，可以保证电极活性物质具有较高的利用率和良好的循环稳定性。
公开号为CN101604750A的发明专利提供了一种锂离子电池负极材料的制备方法，采用硝酸钠、高锰酸钾和浓硫酸对鳞片石墨进行氧化、超声分散、真空抽滤、自然风干的方法得到一种锂离子电池负极材料，面积在0.1-100平方厘米，厚度在0.1-100微米。
发明内容
本发明的目的是提供一种正负极性反应活性较高的锂离子电池正负极极片材料及其加工方法。
为实现上述目的，本发明给出的锂离子电池正负极极片材料的技术方案是，该锂离子电池正负极极片材料由纳米正、负电极活性物质和添加剂组成，其质量百分比是，纳米正、负电极活性物质为40-80％，添加剂为20-60％，所述添加剂又是由纳米石墨烯和正、负电极极性物质组成，其质量百分比是，纳米石墨烯为1-50％，正负电极极性物质为50-99％。
在上述锂离子电池正负极极片材料技术方案中，所述纳米正电极活性物质为磷酸铁锂、钛酸锂、钴酸锂及钴酸锂的改性物、镍酸锂及镍酸锂的改性物、锰酸锂及镍酸锂的改性物、镍钴锰酸锂三元材料、锰结核、纳米二氧化锰中的一种，粒度为1-999nm。
在上述锂离子电池正负极极片材料技术方案中，所述纳米负电极活性物质为人工石墨、天然石墨、改性石墨、石墨化碳纤维、石油焦、中间相碳微球、树脂碳、有机聚合物热解碳、炭黑、氮化物、锡基负极材料、纳米碳管、石墨烯、富勒烯中的一种，粒度为1-999nm。
在上述锂离子电池正负极极片材料技术方案中，所述纳米石墨烯厚度为1-10nm，室温导电率为800-1200S/cm。
在上述锂离子电池正负极极片材料技术方案中，所述的正电极极性物质为纳米金属锂、纳米铝、纳米锌、纳米银、纳米锰、纳米钴中的至少一种，粒度为1-999nm。
在上述锂离子电池正负极极片材料技术方案中，所述的负电极极性物质为纳米聚丙烯酸锂、纳米金属铜、纳米银、纳米硅中的至少一种，粒度为1-999nm。
为实现上述发明目的，本发明还给出一种锂离子电池正负极极片材料加工方法，其步骤为：
将质量百分比1-50％纳米石墨烯和50-99％正电极极性物质与溶剂混合，且使混合物与溶剂的体积比为1∶1-5，超声波振荡2-20小时，烘干制得500nm-25um的颗粒，用作锂离子电池纳米正电极活性物质的添加剂；再将质量百分比40-80％纳米正电极活性物质和20-60％添加剂与溶剂混合，且使混合物与溶剂的体积比为1∶1-5，超声波振荡2-20小时，即得到锂离子电池正极极片材料，再将该材料以纳米喷雾方式喷在铝极片上，即制得锂离子电池正极极片；
将质量百分比1-50％纳米石墨烯和50-99％负电极极性物质与溶剂混合，且使混合物与溶剂的体积比为1∶1-5，超声波振荡2-20小时，烘干制得500nm-25um的颗粒，用作锂离子电池纳米负电极活性物质的添加剂；再将质量百分比40-80％纳米负电极活性物质和20-60％添加剂与溶剂混合，且使混合物与溶剂的体积比为1∶1-5，超声波振荡2-20小时，即得到锂离子电池负极极片材料，再将该材料以纳米喷雾方式喷在铜极片上，即制得锂离子电池负极极片。
在上述锂离子电池正负极极片材料加工方法中，所述的溶剂为水、无水乙醇、丙酮、甲苯中的至少一种。
在上述锂离子电池正负极极片材料加工方法中，所述的纳米石墨烯制备方法如下，以下以质量份表示：将1份天然鳞片石墨、2-50份浓硫酸、0.3-1份硝酸钠与2-5份高锰酸钾混合，搅拌2-100小时，过滤、洗涤后置于水溶液中，超声波振荡2-20小时，加入0.1-1份水合肼还原剂，搅拌2-20小时后过滤、洗涤、烘干制得。
本发明的优点是，加工工艺方法简单，加工所得到的锂离子电池正负极极片材料能有效的增加锂离子电池正负极的反应活性，增加电极电容量及循环性能，提高电池安全性能和稳定性。
具体实施方式
实施例一：
将500g天然鳞片石墨、10000g浓硫酸、500g硝酸钠与1000g高锰酸钾混合，搅拌50小时，过滤、洗涤后置于水溶液中，超声波振荡20小时，加入200g水合肼还原剂，搅拌20小时后过滤、洗涤、烘干制得粒度为1-1nm的纳米石墨烯。
将100g纳米石墨烯、100g纳米金属锂与500mL无水乙醇混合，超声波振荡20小时，烘干制得500nm-1um的颗粒，制得锂离子电池正极活性物质的添加剂。
实施例二：
将500g天然鳞片石墨、10000g浓硫酸、500g硝酸钠与1000g高锰酸钾混合，搅拌50小时，过滤、洗涤后置于水溶液中，超声波振荡20小时，加入200g水合肼还原剂，搅拌20小时后过滤、洗涤、烘干制得粒度为1-1nm的纳米石墨烯。
将100g纳米石墨烯、300g纳米金属铜与800mL无水乙醇混合，超声波振荡20小时，烘干制得500nm-1um的颗粒，制得锂离子电池负极活性物质的添加剂。
实施例三：
将500g天然鳞片石墨、1500g浓硫酸、400g硝酸钠与2000g高锰酸钾混合，搅拌50小时，过滤、洗涤后置于水溶液中，超声波振荡20小时，加入300g水合肼还原剂，搅拌20小时后过滤、洗涤、烘干制得粒度为1-1nm的纳米石墨烯。
将100g纳米石墨烯、100g纳米金属锂与500mL丙酮混合，超声波振荡20小时，烘干制得500nm-1um的颗粒，制得锂离子电池负极活性物质的添加剂。200g添加剂、800g磷酸铁锂与1500mL丙酮混合，超声波振荡20小时，然后将纳米喷雾喷在铝极片上，制得锂离子电池正极极片。
用于锂离子电池中，50C放电，500次循环衰减率小于10％。
实施例四：
将500g天然鳞片石墨、1500g浓硫酸、400g硝酸钠与2000g高锰酸钾混合，搅拌50小时，过滤、洗涤后置于水溶液中，超声波振荡20小时，加入300g水合肼还原剂，搅拌20小时后过滤、洗涤、烘干制得粒度为1-1nm的纳米石墨烯。
将100g纳米石墨烯、100g纳米金属铜与500mL丙酮混合，超声波振荡20小时，烘干制得500nm-1um的颗粒，制得锂离子电池负极活性物质的添加剂。200g添加剂与800g人造石墨与1500mL丙酮混合，超声波振荡20小时，然后将纳米喷雾喷在铜极片上，制得锂离子电池负极极片。
用于锂离子电池中，首次放电容量为600mAh/g，500次循环衰减率小于5％。
实施例五：
将500g天然鳞片石墨、20000g浓硫酸、500g硝酸钠与2000g高锰酸钾混合，搅拌50小时，过滤、洗涤后置于水溶液中，超声波振荡20小时，加入500g水合肼还原剂，搅拌20小时后过滤、洗涤、烘干制得粒度为1-1nm的纳米石墨烯。
将40g纳米石墨烯、40g纳米金属硅与200mL丙酮混合，超声波振荡20小时，烘干制得500nm-1um的颗粒，制得锂离子电池负极活性物质的添加剂。80g添加剂、320g纳米石墨烯与1000mL丙酮混合，超声波振荡20小时，然后将纳米喷雾喷在铜极片上，制得锂离子电池负极极片。
用于锂离子电池中，首次放电容量为500mAh/g，500次循环衰减率小于3％。
Claims (6)
1.一种锂离子电池正负极极片材料加工方法，其步骤为：
将质量百分比1-50％纳米石墨烯和50-99％纳米金属锂、纳米铝、纳米锌、纳米银、纳米锰、纳米钴中的至少一种与溶剂混合，且使混合物与溶剂的体积比为1∶1-5，超声波振荡2-20小时，烘干制得500nm-25μm的颗粒，用作锂离子电池纳米正电极活性物质的添加剂；再将质量百分比40-80％纳米正电极活性物质和20-60％添加剂与溶剂混合，且使混合物与溶剂的体积比为1∶1-5，超声波振荡2-20小时，即得到锂离子电池正极极片材料，再将该材料以纳米喷雾方式喷在铝极片上，即制得锂离子电池正极极片；
将质量百分比1-50％纳米石墨烯和50-99％纳米石墨烯和纳米聚丙烯酸锂、纳米金属铜、纳米银、纳米硅中的至少一种与溶剂混合，且使混合物与溶剂的体积比为1∶1-5，超声波振荡2-20小时，烘干制得500nm-25μm的颗粒，用作锂离子电池纳米负电极活性物质的添加剂；再将质量百分比40-80％纳米负电极活性物质和20-60％添加剂与溶剂混合，且使混合物与溶剂的体积比为1∶1-5，超声波振荡2-20小时，即得到锂离子电池负极极片材料，再将该材料以纳米喷雾方式喷在铜极片上，即制得锂离子电池负极极片。
2.如权利要求1所述的一种锂离子电池正负极极片材料加工方法，其特征在于：所述的溶剂为水、无水乙醇、丙酮、甲苯中的至少一种。
3.如权利要求1所述的一种锂离子电池正负极极片材料加工方法，其特征在于：所述的纳米石墨烯制备方法如下，以下以质量份表示：
将1份天然鳞片石墨、2-50份浓硫酸、0.3-1份硝酸钠与2-5份高锰酸钾混合，搅拌2-100小时，过滤、洗涤后置于水溶液中，超声波振荡2-20小时，加入0.1-1份水合肼还原剂，搅拌2-20小时后过滤、洗涤、烘干制得。
4.如权利要求1所述的一种锂离子电池正负极极片材料加工方法，其特征在于：所述纳米正电极活性物质为磷酸铁锂、钛酸锂、钴酸锂及钴酸锂的改性物、镍酸锂及镍酸锂的改性物、锰酸锂及镍酸锂的改性物、镍钴锰酸锂三元材料、锰结核、纳米二氧化锰中的一种，粒度为1-999nm。
5.如权利要求1所述的一种锂离子电池正负极极片材料加工方法，其特征在于：所述纳米负电极活性物质为人工石墨、天然石墨、改性石墨、石墨化碳纤维、石油焦、中间相碳微球、树脂碳、有机聚合物热解碳、炭黑、氮化物、锡基负极材料、纳米碳管、石墨烯、富勒烯中的一种，粒度为1-999nm。
6.如权利要求1所述的一种锂离子电池正负极极片材料加工方法，其特征在于：所述纳米石墨烯厚度为1-10nm，室温导电率为800-1200S/cm。
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