CN104979563A - 氮化石墨烯锂离子动力电池浆料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氮化石墨烯锂离子动力电池浆料的制备方法。本发明主要包含氮化膨胀石墨及氮化石墨烯锂离子动力电池浆料的制备。该法包括:首先在可膨胀石墨及膨胀石墨的制备过程中引入增氮剂通过氮化处理得到氮化膨胀石墨;其次以氮化膨胀石墨作为原料制备氮化石墨烯,在该过程中引入分散剂、导电剂、活性材料以及粘结剂等物质得到氮化石墨烯锂离子动力电池浆料。该制备方法采用氮化石墨烯或氮化石墨烯与其他导电添加剂的互配物作为锂电子动力电池浆料的导电添加剂,可以进一步提高锂离子动力电池的高温循环、高温储存和大倍率放电性能等;另一方面将氮化石墨烯的制备与锂离子动力电池浆料的分散同步进行,解决了石墨烯在应用过程中分散难的问题。

Description

氮化石墨烯锂离子动力电池浆料的制备方法
技术领域
本发明涉及锂电池生产技术领域,尤其是涉及一种氮化石墨烯锂离子动力电池浆料的制备方法。
背景技术
锂离子电池由于比能量高、工作电压高、自放电低、循环寿命好、对环境友好、安全性能较好,已经率先成为了新能源领域的佼佼者。随着锂电池的广泛应用和快速发展,人们对锂离子电池的性能要求也越来越高,不仅要求锂电池具有较高的容量,而且要求在反复的充放电过程中具有较好的容量保持率,表现出良好的循环性能,具有较长的使用寿命。
目前,锂离子电池中常用的磷酸铁锂、锰酸锂、三元材料等活性材料本身的电导率不是很高,且相互之间存在较大的接触电阻,因此在活性材料中需要加入具有高电导率的添加剂以提高活性材料之间的电子迁移速率。对锂离子电池的导电添加剂的研究,作为最早被研究并应用于锂离子电池商业化的碳质材料至今仍然还是人们关注研究的重点。现有技术中的锂离子电池主要使用的导电添加剂还是导电石墨、乙炔黑和碳纳米管。导电石墨虽然价格便宜,却难以满足电池在高倍率下的持续充放电;乙炔黑是目前使用最为广泛的导电添加剂,价格低廉,但是为了达到增强活性物质互相接触的目的,所需要的添加量较大,结果造成电极容量的下降;碳纳米管与乙炔黑相比,具有更加的导电性能且添加量更少,但是其价格昂贵,并且添加至活性材料中存在分散困难的缺点,从而阻碍了其进一步应用。
石墨烯因其具有独特的二位纳米结构和新颖的物理化学性质而受到科学界和产业界的广泛关注,应用前景十分广阔。毋庸置疑,石墨烯的高导电率性能使得它锂电池导电添加剂的优选材料。其次,石墨烯的二维纳米结构与导电石墨、Super P-Li等三维导电颗粒、一维的碳纳米管不同,其容易包裹活性材料颗粒,从而形成面面接触,同时也容易形成三维的导电网络。另一方面,石墨烯良好的导热性有利于提升电池的高温性能和循环稳定性。
目前的生产工艺制备出的石墨烯结构参数不均一,含大量缺陷,导致其电导率远远低于理论值,提高石墨烯本征电导率成为国内外学者研究的热点。氮原子掺杂可以有效调节碳材料的能级结构、光学性质、电学及表面化学特性。氮原子具有五个价电子,和碳原子有相当的原子尺寸大小,已经被广泛用于碳材料的化学掺杂。研究发现,在石墨烯晶格中引入氮原子后,可改变碳材料的电负性,进而改变石墨烯的性质。这些改性石墨烯表现出与石墨烯迥异的结构和性质,在微电子、复合材料、催化、储氢、锂离子电池负极材料等领域有着重要的应用前景。因此,氮掺杂石墨烯各方面性能都优于纯石墨烯。
然而,目前鲜有氮化石墨烯如何运用到锂离子动力电池的资料。现有资料所报道的也是先将氮化石墨烯制备出来,再与分散剂、导电助剂、活性材料、粘结剂等进行混合分散,由于氮化石墨烯本身具有高的活性,在分散过程中无法达到良好分散效果,因此制备出来的浆料电池无法发挥氮化石墨烯的优势。
发明内容
现有的氮化石墨烯制备技术,需要先制备出氧化石墨烯再进行氮化处理,在处理过程中,会造成石墨烯堆叠等问题,使最终制备得到的氮化石墨烯品质降低;且氮化处理温度高、时间长,不适于工业化生产。
为了解决以上技术问题,本发明是将氮化石墨烯制备技术与混合分散技术同时进行,剥离制备出的氮化石墨烯在混合分散过程中与分散剂、导电剂、活性材料以及粘结剂完美分散,防止氮化石墨烯再次堆叠,分散效果好。
本发明的具体方案为:
一种氮化石墨烯锂离子电池浆料的制备方法,包括如下步骤:
步骤一、预氮化可膨胀石墨的制备:首先按重量份数称取10-20份石墨、3-80氧化剂、0.2-10份增氮剂充分混合,在20-80℃搅拌反应0.5-2h,洗涤后再加入0.5-20份增氮剂,混合均匀,在80-120℃下进行第二步预氮化并干燥1-3h,制得预氮化可膨胀石墨;
步骤二、氮化膨胀石墨的制备:将预氮化可膨胀石墨经高温(800-1000℃)或微波膨胀,在膨胀过程中同时进行了氮化处理,制得氮化膨胀石墨;或者在上述高温或微波膨胀之后再将氮化膨胀石墨通入沸腾炉,在400℃-800℃温度下,氮气吹扫进行后氮化处理,最后收集得到氮化膨胀石墨;
步骤三、氮化石墨烯锂离子动力电池浆料的制备(以下所称份数皆按重量份数称取):
(1)    将100-120份溶剂加入搅拌机料罐中,其中搅拌机料罐外通冷却循环,控制温度小于40℃,称取2-4份粘结剂、0.5-3份分散剂加到溶剂中,打开搅拌机,转速为30-50转/分,搅拌60-150分钟,得混合料1;
(2)将混合料1输送至行星搅拌器,加入0.5-3份氮化膨胀石墨或0.5-2份氮化膨胀石墨和0.5-1.5份其他导电剂,设置公转25-35转/分,自转1000-1800转/分,时间为100-150分钟,得混合料2;
(3)将混合料2输送至行星搅拌2,其中搅拌器罐外需冷水循环维持温度25-35℃,将90-97份活性材料平均分四次加入,每次间隔25-35分钟,第四次加料后加入溶剂调节粘度至2000-4000mpa.s,抽真空,保持真空度为-0.09MPa~-0.10MPa,设置公转25-35转/分,自转1000-1800转/分,搅拌30-60分钟,得混合料3;
(4)将混合料3输送至研磨设备,研磨100-200分钟,再输送至分散设备进行分散,分散时间为60-120分钟,最终获得氮化石墨烯锂离子动力电池浆料。
所述步骤一中的氧化剂为硫酸、重铬酸钾、高锰酸钾、高氯酸、双氧水、硝酸的一种或多种;所述步骤一中的增氮剂为氮化锂、叠氮化钠、碳酸铵、碳酸氢铵、磷酸二氢铵、尿素的一种或多种。
所述步骤二中的微波膨胀输出功率为500-3000W,时间为15s-3min。
所述步骤三中的溶剂为N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺的一种或者几种混合;所述步骤三中的粘结剂为聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶的一种或者几种混合;所述步骤三中的其他导电剂为乙炔黑、炭黑、导电炭黑、碳纳米管、碳纤维的一种或几种;所述步骤三中的活性材料为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰锂、镍钴锰三元材料、镍钴铝三元材料等;所述步骤三中的分散剂为羟甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠的一种或几种组合。
所述步骤三中的研磨设备为搅拌球磨机、砂磨机、锥体磨、三辊磨;所述步骤三中的分散设备为超声分散设备、乳化机、高速分散机、高速剪切机。
 本发明与现有技术相比具有的有益效果:
①  现有的石墨烯锂离子动力电池皆是先制备出石墨烯,再将石墨烯与分散剂、导电助剂、活性材料、粘结剂等进行混合分散,由于石墨烯本身具有高的活性,在分散过程中无法达到良好分散效果,而本发明是将石墨烯制备技术与混合分散技术同时进行,剥离制备出的石墨烯在混合分散过程中与分散剂、导电剂、活性材料以及粘结剂完美分散,防止石墨烯再次堆叠,分散效果好;
②  可以降低电池内阻,减少CNT、乙炔黑等导电添加剂甚至不用添加CNT、乙炔黑等导电添加剂,增加活性材料添加量,提高电池的总体容量;
③  应用于动力电池中,在电池充放电过程中不发热或发热少,可以提高电池的使用安全性;
④  氮化石墨烯可以进一步提高锂离子动力电池的高温循环、高温储存和大倍率放电性能;
⑤  氮化石墨烯制备与电池浆料分散过程同时进行,可以使氮化石墨烯达到良好的分散状态,解决了其分散难、易团聚的问题;
⑥  可以宏量制备,适合于工业化生产制备,成本低、效率高、技术成熟稳定。
附图说明
图1是实施例1、对比例1、对比例2的10C放电性能对比图。
图2是实施例1、对比例1、对比例2的5C放电性能对比图。
图3是实施例1、对比例1、对比例2的3C放电性能对比图。
图4是实施例1、对比例1、对比例2的45℃高温循环性能对比图。
图5是实施例1、对比例1、对比例2的60度7天高温存储性能对比图。
图6是实施例1、对比例1、对比例2的60度28天高温存储性能对比图。
具体实施方式
  为了更好的理解本发明,下面结合实施例进一步阐明本发明的内容,但本发明内容不仅仅局限于以下的具体实施例。
实施例1
步骤一、预氮化可膨胀石墨的制备:首先按重量份数称取15份石墨、10份浓硫酸、30份高锰酸钾、5份碳酸氢铵充分混合,在80℃搅拌反应0.5-2h,洗涤后再加入10份碳酸氢铵,混合均匀,在120℃下进行第二步预氮化,干燥3h,制得预氮化可膨胀石墨;
步骤二、氮化膨胀石墨的制备:将上述预氮化可膨胀石墨经高温1000℃处理,在膨胀过程中同时进行了氮化处理,制得氮化膨胀石墨;
步骤三、氮化石墨烯锂离子动力电池浆料的制备(以下所称份数皆按重量份数称取):
(1)将100份N-甲基吡咯烷酮加入搅拌机料罐中,其中搅拌机料罐外通冷却循环,控制温度小于40℃,称取3份聚偏氟乙烯、2份聚乙烯吡咯烷酮加到上述N-甲基吡咯烷酮中,打开搅拌机,转速为45转/分,搅拌120分钟,得混合料1;
(2)将混合料1输送至行星搅拌器,加入2份氮化膨胀石墨,设置公转30转/分,自转1400转/分,时间为120分钟,得混合料2;
(3)将混合料2输送至行星搅拌2,其中搅拌器罐外需冷水循环维持温度25-35℃,将94份磷酸铁锂平均分四次加入,每次间隔30分钟,第四次加料后加入N-甲基吡咯烷酮调节粘度至3000mpa.s,抽真空,保持真空度为-0.09MPa~-0.10MPa,设置公转30转/分,自转1400转/分,搅拌30分钟,得混合料3;
(4)将混合料3输送至砂磨机,研磨100-200分钟,再输送至高剪切分散剂进行分散,分散时间为100分钟,最终获得氮化石墨烯锂离子动力电池浆料。
实施例2
步骤一、预氮化可膨胀石墨的制备:首先按重量份数称取10份石墨、15份浓硫酸、40份重铬酸钾、5份碳酸铵充分混合,在60℃搅拌反应2h,洗涤后再加入15份碳酸铵,混合均匀,在120℃下进行第二步预氮化,干燥3h,制得预氮化可膨胀石墨;
步骤二、氮化膨胀石墨的制备:将预氮化可膨胀石墨经微波膨胀,微波输出功率为1500w,时间为2min,在膨胀过程中同时进行了氮化处理,制得氮化膨胀石墨;
步骤三、氮化石墨烯锂离子动力电池浆料的制备(以下所称份数皆按重量份数称取):
(1)将100份N-甲基吡咯烷酮加入搅拌机料罐中,其中搅拌机料罐外通冷却循环,控制温度小于40℃,称取2份聚偏氟乙烯、0.5份聚乙烯吡咯烷酮加到上述N-甲基吡咯烷酮中,打开搅拌机,转速为50转/分,搅拌100分钟,得混合料1;
(2)将混合料1输送至行星搅拌器,加入2份氮化膨胀石墨,1份炭黑,设置公转30转/分,自转1400转/分,时间为120分钟,得混合料2;
(3)将混合料2输送至行星搅拌2,其中搅拌器罐外需冷水循环维持温度25-35℃,将96份磷酸铁锂平均分四次加入,每次间隔30分钟,第四次加料后加入N-甲基吡咯烷酮调节粘度至3000mpa.s,抽真空,保持真空度为-0.09MPa~-0.10MPa,设置公转30转/分,自转1400转/分,搅拌30分钟,得混合料3;
(4)将混合料3输送至砂磨机,研磨100-200分钟,再输送至高剪切分散剂进行分散,分散时间为100分钟,最终获得氮化石墨烯锂离子动力电池浆料。
实施例3
步骤一、预氮化可膨胀石墨的制备:首先按重量份数称取20份石墨、15高锰酸钾、20高氯酸、5份尿素充分混合,在60℃搅拌反应2h,洗涤后再加入10份尿素,混合均匀,在120℃下进行第二步预氮化并干燥3h,制得预氮化可膨胀石墨;
步骤二、氮化膨胀石墨的制备:将上述预氮化可膨胀石墨经高温1000℃处理,即膨胀过程中同时进行了氮化处理,再将氮化膨胀石墨通入沸腾炉,在800℃温度下,氮气吹扫进行后氮化处理,最后收集得到氮化膨胀石墨;
步骤三、氮化石墨烯锂离子动力电池浆料的制备(以下所称份数皆按重量份数称取):
(2)    将120份N,N-二甲基甲酰胺加入搅拌机料罐中,其中搅拌机料罐外通冷
却循环,控制温度小于40℃,称取2份聚偏氟乙烯、1.5份聚乙烯吡咯烷酮加到上述N,N-二甲基甲酰胺中,打开搅拌机,转速为45转/分,搅拌120分钟,得混合料1;
(2)将混合料1输送至行星搅拌器,加入2.5份氮化膨胀石墨,设置公转35转/分,自转1800转/分,时间为100分钟,得混合料2;
(3)将混合料2输送至行星搅拌2,其中搅拌器罐外需冷水循环维持温度25-35℃,将90份锰酸锂平均分四次加入,每次间隔25分钟,第四次加料后加入溶剂调节粘度至3000mpa.s,抽真空,保持真空度为-0.09MPa~-0.10MPa,设置公转25-35转/分,自转1000-1800转/分,搅拌30-60分钟,得混合料3;
(4)将混合料3输送至搅拌球磨机,研磨100-200分钟,再输送至高速分散机进行分散,分散时间为100分钟,最终获得氮化石墨烯锂离子动力电池浆料。
实施例4
步骤一、预氮化可膨胀石墨的制备:首先按重量份数称取10份石墨、10浓硝酸、15份高锰酸钾、8份磷酸二氢铵充分混合,在60℃搅拌反应1.5h,洗涤后再加入10份磷酸二氢铵,混合均匀,在100℃下进行第二步预氮化并干燥2h,制得预氮化可膨胀石墨;
步骤二、氮化膨胀石墨的制备:将预氮化可膨胀石墨经高温1000℃处理,即在膨胀过程中同时进行了氮化处理,制得氮化膨胀石墨;
步骤三、氮化石墨烯锂离子动力电池浆料的制备(以下所称份数皆按重量份数称取):
(1)将120份N-甲基吡咯烷酮加入搅拌机料罐中,其中搅拌机料罐外通冷却
循环,控制温度小于40℃,称取4份聚偏氟乙烯、2份聚乙烯吡咯烷酮加到上述N-甲基吡咯烷酮中,打开搅拌机,转速为50转/分,搅拌120分钟,得混合料1;
(2)将混合料1输送至行星搅拌器,加入2.5份氮化膨胀石墨、1份碳纳米管,设置公转30转/分,自转1600转/分,时间为120分钟,得混合料2;
(3)将混合料2输送至行星搅拌2,其中搅拌器罐外需冷水循环维持温度25-35℃,将96份镍钴锰三元材料平均分四次加入,每次间隔30分钟,第四次加料后加入N-甲基吡咯烷酮调节粘度至4000mpa.s,抽真空,保持真空度为-0.09MPa~-0.10MPa,设置公转30转/分,自转1600转/分,搅拌60分钟,得混合料3;
(4)将混合料3输送至研磨机,研磨100-200分钟,再输送至超声分散机器进行分散,分散时间为100分钟,最终获得氮化石墨烯锂离子动力电池浆料。
   在实施例1中,用非氮化石墨烯、炭黑取代氮化石墨烯,其他配方及操作步骤都一样,分别作为对比例1、对比例2。将实施例1、对比例1、对比例2所制备的浆料涂布于铝箔上,制作成液态软包锂离子电池测量其电性能。结果如下列图所示。图中结果说明使用氮化石墨烯作为导电剂的电池,在高温循环、高温储存和大倍率放电性能上都优于非氮化石墨烯和炭黑。

Claims (5)

1.一种氮化石墨烯锂离子电池浆料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一、预氮化可膨胀石墨的制备:首先按重量份数称取10-20份石墨、3-80氧化剂、0.2-10份增氮剂充分混合,在20-80℃搅拌反应0.5-2h,洗涤后再加入0.5-20份增氮剂,混合均匀,在80-120℃下进行第二步预氮化并干燥1-3h,制得预氮化可膨胀石墨;
步骤二、氮化膨胀石墨的制备:将预氮化可膨胀石墨经高温(800-1000℃)或微波膨胀,在膨胀过程中同时进行了氮化处理,制得氮化膨胀石墨;或者在上述高温或微波膨胀之后再将氮化膨胀石墨通入沸腾炉,在400℃-800℃温度下,氮气吹扫进行后氮化处理,最后收集得到氮化膨胀石墨;
步骤三、氮化石墨烯锂离子动力电池浆料的制备(以下所称份数皆按重量份数称取):
(1)将100-120份溶剂加入搅拌机料罐中,其中搅拌机料罐外通冷却循环,控制温度小于40℃,称取2-4份粘结剂、0.5-3份分散剂加到溶剂中,打开搅拌机,转速为30-50转/分,搅拌60-150分钟,得混合料1;
(2)将混合料1输送至行星搅拌器,加入0.5-3份氮化膨胀石墨或0.5-2份氮化膨胀石墨和0.5-1.5份其他导电剂,设置公转25-35转/分,自转1000-1800转/分,时间为100-150分钟,得混合料2;
(3)将混合料2输送至行星搅拌2,其中搅拌器罐外需冷水循环维持温度25-35℃,将90-97份活性材料平均分四次加入,每次间隔25-35分钟,第四次加料后加入溶剂调节粘度至2000-4000mpa.s,抽真空,保持真空度为-0.09MPa~-0.10MPa,设置公转25-35转/分,自转1000-1800转/分,搅拌30-60分钟,得混合料3;
(4)将混合料3输送至研磨设备,研磨100-200分钟,再输送至分散设备进行分散,分散时间为60-120分钟,最终获得氮化石墨烯锂离子动力电池浆料。
2.根据权利要求1所述的氮化石墨烯锂离子电池浆料的制备方法,其特征在于,所述步骤一中的氧化剂为硫酸、重铬酸钾、高锰酸钾、高氯酸、双氧水、硝酸的一种或多种;所述步骤一中的增氮剂为氮化锂、叠氮化钠、碳酸铵、碳酸氢铵、磷酸二氢铵、尿素的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的氮化石墨烯锂离子电池浆料的制备方法,其特征在于,所述步骤二中的微波膨胀输出功率为500-3000W,时间为15s-3min。
4.根据权利要求1所述的氮化石墨烯锂离子电池浆料的制备方法,其特征在于,所述步骤三中的溶剂为N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺的一种或者几种混合;所述步骤三中的粘结剂为聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶的一种或者几种混合;所述步骤三中的其他导电剂为乙炔黑、炭黑、导电炭黑、碳纳米管、碳纤维的一种或几种;所述步骤三中的活性材料为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰锂、镍钴锰三元材料、镍钴铝三元材料等;所述步骤三中的分散剂为羟甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠的一种或几种组合。
5.根据权利要求1所述的氮化石墨烯锂离子电池浆料的制备方法,其特征在于,所述步骤三中的研磨设备为搅拌球磨机、砂磨机、锥体磨、三辊磨;所述步骤三中的分散设备为超声分散设备、乳化机、高速分散机、高速剪切机。
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Granted publication date: 20170308

Pledgee: Bank of China Limited Xiamen Haicang sub branch

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