CN103545485B - 锂离子电池电极的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种锂离子电池电极的制备方法，该方法包括以下步骤：提供一支撑体，该支撑体具有一第一表面；提供至少一石墨烯膜，该石墨烯膜设置或形成于所述支撑体的第一表面；以及，在所述石墨烯膜的表面设置一电极材料层。
Description
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池电极。
背景技术
现有的锂离子电池可分为卷绕式及层叠式两类，其包括外壳体、封装于外壳体内的正极片、负极片、隔膜及电解液。该隔膜设置于正极片与负极片之间。该电解液充分浸润正极片、负极片及隔膜。所述正极片包括一正极集流体及形成于该正极集流体表面的正极材料层。所述负极片包括一负极集流体及形成于该负极集流体表面的负极材料层。
电池中的集流体是用于汇集电流的结构。集流体的功用主要是将电池活性物质产生的电流汇集起来以便形成较大的电流对外输出，因此集流体应与活性物质充分接触，并且内阻应尽可能小为佳。现有的锂离子电池的电极片中，集流体通常采用金属薄片，如铜箔、铝箔。然而，这些金属薄片一般具有较大的重量，因此，采用金属薄片作为集流体制备出的锂离子电池电极在重量一定的情况下，能量密度较小。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种具有较大能量密度的锂离子电池电极的制备方法。
一种锂离子电池电极的制备方法，该方法包括以下步骤：提供一支撑体，该支撑体具有一第一表面；提供至少一石墨烯膜，该石墨烯膜设置或形成于所述支撑体的第一表面；以及，在所述石墨烯膜的表面设置一电极材料层。
相较于现有技术，本发明所提供的锂离子电池电极的制备方法所制备出的锂离子电池电极的集流体由石墨烯膜和支撑体组成，石墨烯膜的密度较小，因此，集流体的重量较小，同时，由于石墨烯的化学稳定性高，不易被腐蚀，因此，集流体不易被破坏，所以，使用该集流体的锂离子电池具有较高的能量密度和较长的使用寿命。
附图说明
图1为本发明施例提供的锂离子电池电极的侧面示意图。
图2为本发明实施例提供的锂离子电池电极的制备方法的流程图。
图3为图1中的电极材料层的结构示意图。
图4为图1中的电极材料层的扫描电镜照片。
主要元件符号说明
| 电极 | 10 |
| 集流体 | 12 |
| 支撑结构 | 12a |
| 石墨烯膜 | 12b |
| 电极材料层 | 144 |
| 活性物质颗粒 | 144a |
| 碳纳米管 | 144b |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
请参阅图1，本发明实施例提供一种锂离子电池电极10。该电极10包括一集流体12及一电极材料层144。该电极材料层144与该集流体12层叠设置。该电极材料层144和集流体12是两个单独的层状结构。所述集流体12包括一支撑结构12a及一石墨烯膜12b，所述石墨烯膜12b设置于该支撑结构12a的表面。所述石墨烯膜12b位于电极材料层144和支撑结构12a之间，与该电极材料层144贴合设置。
请参见图2，本发明提供一种上述锂离子电池电极的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1：提供一支撑结构12a，该支撑结构12a具有一表面；
S2：提供至少一石墨烯膜12b，该石墨烯膜12b设置或形成于所述支撑结构12a的表面；以及，
S3：在所述石墨烯膜12b的表面设置一电极材料层144，使该石墨烯膜12b位于该电极材料层144和支撑结构12a之间。
在步骤S1中，所述支撑结构12a用于支撑石墨烯膜12b。该支撑结构12a的材料为密度较小且具有较强抗腐蚀能力的材料，如高分子材料、陶瓷或玻璃。所述支撑结构12a可以为一层状结构，所述支撑结构12a的厚度优选为1微米至1毫米。
在步骤S2中，所述石墨烯膜12b为一个二维结构的具有一定面积的膜结构。该石墨烯膜12b的厚度为10纳米至10微米。该石墨烯膜12b包括至少一层石墨烯。当石墨烯膜12b包括多层石墨烯时，该多层石墨烯可以相互搭接形成石墨烯膜12b，以使石墨烯膜12b具有更大的面积；或者该多层石墨烯可以相互叠加形成石墨烯膜12b，以使石墨烯膜12b的厚度增加。优选地，该石墨烯膜12b为一单层石墨烯。所述石墨烯为由多个碳原子通过sp2键杂化构成的单层的二维平面结构。该石墨烯的厚度可以为单层碳原子的厚度。所述石墨烯膜12b为一自支撑结构，所述自支撑为石墨烯膜12b不需要大面积的载体支撑，而只要相对两边提供支撑力即能整体上悬空而保持自身膜状状态，即将该石墨烯膜12b置于（或固定于）间隔一固定距离设置的两个支撑体上时，位于两个支撑体之间的石墨烯膜12b能够悬空保持自身膜状状态。
所述石墨烯膜12b的制备方法可以为化学气相沉积法、机械加压法、LB法、溶液法或采用胶带从定向石墨上撕取等方法。
本实施例仅以机械加压法为例详细说明所述石墨烯膜12b的制备过程。具体地，所述石墨烯膜12b采用机械加压法制备，具体包括以下步骤：
（1）用氧等离子体处理所述支撑结构12a的表面，使之带有氧化层。
（2）提供一块状高定向热解石墨，将该高定向热解石墨切出平整表面并出现干净的解理面，将得到的带解理面的高定向热解石墨块放到所述支撑结构12a的表面的氧化层上。
（3）将处理好的带有解理面的高定向热解石墨连同所述支撑结构12a一起置于一夹具中，然后将所述夹具放入加压装置中，并对该夹具施加压力，所述压力为100牛至200牛，施压时间为5分钟至10分钟，然后，释放压力，除去块状高定向热解石墨，取出所述支撑结构12a，在所述支撑结构12a的表面氧化层上形成石墨烯膜12b。上述过程均在超净室中进行。所述夹具具有平整光滑的表面，该表面与所述支撑结构12a、所述块状高定向热解石墨紧密接触。采用上述方法所制备的石墨烯膜12b为单层石墨烯。
所述将胶带上的石墨烯膜12b设置于所述支撑结构12a的表面上时，所述胶带上的石墨烯膜12b通过与所述支撑结构12a的表面之间更大的范德华力转移到所述支撑结构12a的表面上，即，所述石墨烯膜12b与所述支撑结构12a的表面之间的范德华力大于所述石墨烯膜12b与胶带之间的范德华力。
在步骤S3中，当，电极材料层144可以主要由电极活性物质、导电剂及粘结剂均匀混和而成，电极材料层144可以通过涂覆含有电极活性物质、导电剂和粘结剂的浆料于石墨烯膜12b的表面。在另一实施例中，电极材料层144也可以由电极活性物质及碳纳米管组成，即，电极材料层144仅包括电极活性物质和碳纳米管。该电极材料层144的制备方法包括以下步骤：
S31，制备一碳纳米管原料；S32，提供电极活性物质及一溶剂；S33，将该碳纳米管原料和电极活性物质加入至所述溶剂中，并超声分散使该碳纳米管原料和所述电极活性物质相互混合形成一混合物；以及S34，将该混合物从溶剂中分离，干燥该混合物后，形成所述电极材料层。
步骤S31提供的碳纳米管原料的制备方法为：制备一碳纳米管阵列于一基底；将该碳纳米管阵列从该基底上刮下，获得碳纳米管原料。优选地，所述碳纳米管阵列为一超顺排碳纳米管阵列。该超顺排碳纳米管阵列中的碳纳米管表面纯净，且长度一般大于等于300微米。所述碳纳米管阵列的制备方法不限，可以为化学气相沉积法、电弧放电制备方法或气溶胶制备方法等。
步骤S32，所述溶剂可以包括乙醇、乙二醇、丙醇、异丙醇、丙酮、N-甲基吡咯烷酮（NMP）及水中的一种或几种。当所述电极10为锂离子电池正极时，该电极活性物质为正极活性物质，可以为锰酸锂、钴酸锂、镍酸锂或磷酸铁锂。当所述电极10为锂离子电池负极时，该电极活性物质为负极活性物质，所述负极活性物质可以为钛酸锂、氧化硅、纳米硅颗粒及纳米合金中的一种或几种。本实施例中，该锂离子电池电极10为正极，其电极材料层144的材料为钴酸锂。
在步骤S33中，所述混合物是指由所述碳纳米管及电极活性物质组成。所述碳纳米管原料的质量占混合物总质量的百分比为大于等于0.1%小于等于20%，优选为1%至10%。所述超声的功率为400瓦至1500瓦，优选为800瓦至1000瓦。该步骤中，需要将所述碳纳米管原料、电极活性物质及溶剂超声震荡2分钟至30分钟以得到由碳纳米管与电极活性物质组成的混合物，优选地该超声震荡的时间为5分钟至10分钟。超声震荡的方式可以为连续超声震荡，也可以脉冲超声震荡。
步骤S34具体为：在超声震荡形成混合物之后，直接将该混合物和溶剂静置大于1分钟之后，该混合物沉积至容器的底部，且该混合物上层的溶剂中不含有碳纳米管和电极活性物质。由于在超声震荡的过程中，碳纳米管原料中的碳纳米管相互缠绕，形成一网络状结构，所述电极活性物质分布在该网络状结构中且被该网络状结构所包覆缠绕，从而使碳纳米管原料和电极活性材料形成一个整体状态的混合物，所以，在静置的过程中，该整体状态的混合物整体下沉至溶剂的底部。可以采用吸管将混合物上层的溶剂从容器中吸出，使混合物和溶剂分离。待混合物和溶剂分离之后，干燥该混合物，得到所述电极材料层144。可以理解，干燥混合物之后，可以进一步将该混合物冲压后，再按照预定尺寸裁剪形成电极材料层144。请参见图3及图4，本实施例所制备的电极材料层144仅包括活性物质颗粒144a和碳纳米管144b。大部分电极活性物质颗粒144a附着在碳纳米管144b的表面或者被碳纳米管144b缠绕。由于碳纳米管144b组成的网络结构为一多孔的结构，大部分电极活性物质颗粒144a颗粒被该网络结构所包围和固定。碳纳米管144b在作为导电剂的同时，可以起到固定电极活性物质颗粒144a的作用，因此，该锂离子电池材料层144不需要粘结剂。本实施例所提供的电极材料层具有更强的导电性能和更优的高倍率下的充放电性能。进一步地，电极材料层144中不包括粘结剂的重量，在电极材料层144的总重量相同的情况下，电极活性物质的重量相对于传统的锂离子电池电极可以提高10%以上，因此，该电极材料层144的比容量较大。且，由于粘结剂一般为有机物，对环境有污染，本发明的锂离子电池电极材料层144无需有机粘结剂，更加环保。
在电极材料层144形成之后，将该电极材料层144设置于石墨烯膜12b的表面，使该石墨烯膜12b位于电极材料层144和支撑结构12a之间，从而形成该锂离子电池电极。该电极材料层144可以石墨烯膜12b自身的粘性固定在石墨烯膜12b的表面，也可以通过粘结剂固定在石墨烯膜12b的表面。
本发明实施例所提供的锂离子电池电极制备方法所制备的锂离子电池电极的集流体由石墨烯膜和支撑体组成，石墨烯膜的密度较小，因此，集流体的重量较小，同时，由于石墨烯的化学稳定性高，不易被腐蚀，因此，集流体不易被破坏，所以，使用该集流体的锂离子电池具有较高的能量密度和较长的使用寿命。本发明实施例提供的锂离子电池的电极的制备方法操作简单，成本较低，而且还有利于工业化生产。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (7)
1.一种锂离子电池电极的制备方法，其包括以下步骤：
提供一支撑结构，该支撑结构具有一表面；
提供至少一石墨烯膜，该石墨烯膜设置于所述支撑结构的表面；以及，
制备一碳纳米管原料，提供电极活性物质及一溶剂，将该碳纳米管原料和电极活性物质加入至所述溶剂中，并超声分散使该碳纳米管原料和所述电极活性物质相互混合形成一混合物，将该混合物从溶剂中分离，干燥该混合物后，形成电极材料层；
将所述电极材料层直接设置在所述石墨烯膜的表面，使该石墨烯膜位于该电极材料层和支撑结构之间。
2.如权利要求1所述的锂离子电池电极的制备方法，其特征在于，所述石墨烯膜的制备方法为化学气相沉积法、机械加压法、LB法、溶液法或采用胶带从定向石墨上撕取的方法。
3.如权利要求1所述的锂离子电池电极的制备方法，其特征在于，所述石墨烯膜形成于该支撑结构的表面，具体包括以下步骤：
用氧等离子体处理所述支撑结构的表面，在支撑结构的表面形成一氧化层；
提供一块状高定向热解石墨，将该高定向热解石墨切出平整表面并出现干净的解理面，将得到的带解理面的高定向热解石墨块放到所述支撑结构的表面的氧化层上；
将处理好的带有解理面的高定向热解石墨连同所述支撑结构一起置于一夹具中，然后将所述夹具放入加压装置中，并对该夹具施加压力；
释放压力，除去块状高定向热解石墨，取出所述支撑结构，在所述支撑结构的表面氧化层上形成石墨烯膜。
4.如权利要求3所述的锂离子电池电极的制备方法，其特征在于，所述压力为100牛至200牛，施压时间为5分钟至10分钟。
5.如权利要求3所述的锂离子电池电极的制备方法，其特征在于，所述石墨烯膜为单层石墨烯。
6.如权利要求1所述的锂离子电池电极的制备方法，其特征在于，所述制备所述碳纳米管原料的步骤包括：
提供碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列形成于一基底；以及
将所述碳纳米管阵列从基底上刮下获得所述碳纳米管原料。
7.如权利要求1所述的锂离子电池电极的制备方法，其特征在于，所述超声分散的方式为连续超声震荡或脉冲超声震荡。
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