CN104505513A - 一种锂离子电池石墨烯导电剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池石墨烯导电剂及其制备方法，所述石墨烯导电剂各组分的质量份数为：25-30份石墨烯、10-15份聚乙二醇、5-10份单乙醇胺，100-160份溶剂、1-5份稀土元素、0.5-1份碳化钛。本发明的有益效果是：采用石墨烯导电剂，利用石墨烯优良的导电性，提高电极材料的容量，降低电池内阻，提高电池循环寿命；石墨烯导电剂在制备锂离子电池时的用量仅为现有导电剂用量的50-60％，并减少了18％的粘结剂用量，但2C倍率却提高了6-10％，节省了成本，使得锂离子电池更具有竞争力。

Description

一种锂离子电池石墨烯导电剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池，尤其涉及一种降低成本、提高导电性能和循环寿命的锂离子电池石墨烯导电剂及其制备方法。
背景技术
锂离子二次电池作为一种新型高能二次电源，具有比能量大、放电电压平稳、电压高、低温性能好、无污染、安全性能优越以及储存和工作寿命长、利用率高等优点。
现有技术的锂离子电池主要使用导电石墨、乙炔黑和碳纳米管作为导电剂，乙炔黑是由呈球形的无定形碳颗粒组成的链状物，是目前使用最为广泛的导电剂，价格低廉，但为了达到增强电极活性物质间相互接触的目的，所需要的添加量较大，从而造成电极容量的下降；碳纳米管是呈线型的一维碳质材料，与乙炔黑相比，碳纳米管具有更佳的导电性能且添加量少，但目前碳纳米管的价格昂贵，且作为导电剂使用时存在分散困难的缺点。
中国专利公开号CN 1529382 A，公开日2004年9月15日，名称为大功率塑料锂离子电池的发明专利，该申请案公开了一种大功率塑料锂离子电池，包括正极片、负极片、电介质膜材料、电解液材料、软复合包装材料和塑料外壳，正极片包括正极材料、黏结剂、DBP、碳黑、铝网，负极片包括负极材料、黏结剂、DBP、碳黑、铜网，电解质膜材料包括黏结剂、二氧化硅、DBP。正极片、负极片和电解质膜通过加热复合制成单元电芯，将单元电芯叠合，采用复合膜材料包装后，形成组合电池，引出极耳，使组合电池的正、负极通过极耳材料与正、负极端子连接，将组合电池置于塑料和体内，使盖与盒体通过超声波融合，形成完整的大功率塑料锂离子电池。其不足之处在于，现有技术为了防止高倍率放电时，电池极耳处和电芯发热量过大，缩短电池循环性能而增加导电炭黑含量，在降低发热量的同时，会降低电池的能量密度；为了增加电池高倍率循环寿命，选择增加粘结剂含量，会增大电池内阻，电池发热量增大。
发明内容
本发明的目的在于为了解决现有因导电剂添加量大而使得电极容量下降，使用碳纳米管成本高的缺陷而提供一种降低成本、提高导电性能和循环寿命的锂离子电池石墨烯导电剂。
本发明的另一个目的是为了提供一种锂离子电池石墨烯导电剂的制备方法。
为了实现上述目地，本发明采用以下技术方案：
一种锂离子电池石墨烯导电剂，所述石墨烯导电剂各组分的质量份数为：25-30份石墨烯、10-15份聚乙二醇、5-10份单乙醇胺，100-160份溶剂、1-5份稀土元素、0.5-1份碳化钛。在本技术方案中，石墨烯的结构可以理解为单层的石墨，因此具有极其优良的导电性，其中电子的运动速度达到了光速的1/300，同时石墨烯独特的二维纳米层状结构以及巨大的比表面积相比于碳纳米管或炭黑等作为导电剂具有更为突出的优势；
而选用聚乙二醇与单乙醇胺则是为了提高石墨烯在溶剂中的分散均匀性，解决石墨烯部分分散困难的问题；
稀土元素的选用可以使得石墨烯在磁场的作用下使其更易分散，与聚乙二醇、单乙醇胺产生协同分散作用，而石墨烯分散均匀可以使得石墨烯导电剂既发挥高的电子导电性的优势提高离子的传输速率，又可以发挥巨大的比表面积优势提高反应过程中活性材料的吸液保液能力及其锂离子的传输能力。
碳化钛的加入主要是为了提高电池的稳定性，从而提高电池的安全性能。
作为优选，所述溶剂为水、乙醇、丙酮中的一种或几种混合。
作为优选，所述稀土元素为铽或钆。
作为优选，石墨烯为粒径分布于10纳米-100微米的黑色粉末，是由单层-1000层相平行或接近于平行的石墨烯片层构成的碳质材料，比表面积为50-1500m2/g。
一种锂离子电池石墨烯导电剂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
1)将石墨烯、单乙醇胺与一半的溶剂混合，超声分散10-25min，得到预混液A；
2)将聚乙二醇、稀土元素与剩下的溶剂混合，在30-45℃下搅拌30-60min，得到预混液B；
3)将步骤1)得到的预混液A与步骤2)得到的预混液B搅拌混合并加入碳化钛，得到锂离子电池石墨烯导电剂。
作为优选，步骤3)中加入碳化钛的同时施加强度为3000-4500GS的磁场。
作为优选，步骤3)中，待碳化钛完全加入后，将磁场强度提高至5000-5500GS，并搅拌15-20min，然后在超声波条件下超声分散30-45min。
作为优选，超声频率为50-65KHz。
本发明的有益效果是：
1)本发明采用石墨烯导电剂，利用石墨烯优良的导电性，提高电极材料的容量，降低电池内阻，提高电池循环寿命；
2)本发明制备的石墨烯导电剂在制备锂离子电池时的用量仅为现有导电剂用量的50-60％，并减少了18％的粘结剂用量，但2C倍率却提高了6-10％，节省了成本，使得锂离子电池更具有竞争力；
3)本发明制得的导电剂电子传导能力强且热量传导均匀，掺杂到锂离子电池里面具有较强的吸液保液能力。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明作进一步的解释：
本发明所用石墨烯购自宁波墨西科技有限公，其余原料均可从市场购得。
实施例1
一种锂离子电池石墨烯导电剂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
1)将25g石墨烯、5g单乙醇胺与50g的水混合，超声分散10min，得到预混液A；超声频率为50KHz；
2)将10g聚乙二醇、1g稀土元素钆与50g的水混合，在30℃下搅拌30min，得到预混液B；
3)将步骤1)得到的预混液A与步骤2)得到的预混液B搅拌混合并加入0.5g碳化钛，加入碳化钛的同时施加强度为3000GS的磁场，待碳化钛完全加入后，将磁场强度提高至5000GS，并搅拌15min，然后在超声波条件下超声分散30min；超声频率为50KHz，得到锂离子电池石墨烯导电剂。
实施例2
一种锂离子电池石墨烯导电剂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
51)将28g石墨烯、8g单乙醇胺与70g的乙醇混合，超声分散12min，得到预混液A；超声频率为55KHz；
2)将12g聚乙二醇、3g稀土元素铽与70g的乙醇混合，在35℃下搅拌45min，得到预混液B；
3)将步骤1)得到的预混液A与步骤2)得到的预混液B搅拌混合并加入0.85g碳化钛，加入碳化钛的同时施加强度为4000GS的磁场，待碳化钛完全加入后，将磁场强度提高至5200GS，并搅拌18min，然后在超声波条件下超声分散40min；超声频率为55KHz，得到锂离子电池石墨烯导电剂。
实施例3
一种锂离子电池石墨烯导电剂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
1)将30g石墨烯、10g单乙醇胺与80g的丙酮混合，超声分散25min，得到预混液A；超声频率为65KHz；
2)将15g聚乙二醇、5g稀土元素铽与80g的丙酮混合，在45℃下搅拌60min，得到预混液B；
3)将步骤1)得到的预混液A与步骤2)得到的预混液B搅拌混合并加入1g碳化钛，加入碳化钛的同时施加强度为,4500GS的磁场，待碳化钛完全加入后，将磁场强度提高至5500GS，并搅拌20min，然后在超声波条件下超声分散45min；超声频率为65KHz，得到锂离子电池石墨烯导电剂。
对比例1，以炭黑为导电剂。
将实施例1-3制的的石墨烯导电剂与对比例1的导电剂制作成软包装锂离子电池，进行循环性能测试，结果如下：
表1、测试结果
本发明采用石墨烯导电剂，利用石墨烯优良的导电性，提高电极材料的容量，降低电池内阻，提高电池循环寿命；石墨烯导电剂在制备锂离子电池时的用量仅为现有导电剂用量的50-60％，并减少了18％的粘结剂用量，但2C倍率却提高了6-10％，节省了成本，使得锂离子电池更具有竞争力。

Claims (8)

1.一种锂离子电池石墨烯导电剂，其特征在于，所述石墨烯导电剂各组分的质量份数为：25-30份石墨烯、10-15份聚乙二醇、5-10份单乙醇胺，100-160份溶剂、1-5份稀土元素、0.5-1份碳化钛。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池石墨烯导电剂，其特征在于，所述溶剂为水、乙醇、丙酮中的一种或几种混合。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池石墨烯导电剂，其特征在于，所述稀土元素为铽或钆。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种锂离子电池石墨烯导电剂，其特征在于，石墨烯为粒径分布于10纳米-100微米的黑色粉末，是由单层-1000层相平行或接近于平行的石墨烯片层构成的碳质材料，比表面积为50-1500m2/g。
5.一种如权利要求1所述的锂离子电池石墨烯导电剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1)将石墨烯、单乙醇胺与一半的溶剂混合，超声分散10-25min，得到预混液A；
2)将聚乙二醇、稀土元素与剩下的溶剂混合，在30-45℃下搅拌30-60min，得到预混液B；
3)将步骤1)得到的预混液A与步骤2)得到的预混液B搅拌混合并加入碳化钛，得到锂离子电池石墨烯导电剂。
6.根据权利要求5所述的一种锂离子电池石墨烯导电剂的制备方法，其特征在于，步骤3)中加入碳化钛的同时施加强度为3000-4500GS的磁场。
7.根据权利要求5或6所述的一种锂离子电池石墨烯导电剂的制备方法，其特征在于，步骤3)中，待碳化钛完全加入后，将磁场强度提高至5000-5500GS，并搅拌15-20min，然后在超声波条件下超声分散30-45min。
8.根据权利要求5所述的一种锂离子电池石墨烯导电剂的制备方法，其特征在于，超声频率为50-65KHz。
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