CN105470524A - 一种动力电池用碳纳米管涂覆铝箔及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种动力电池铝箔，特别涉及一种动力电池用碳纳米管涂覆铝箔及其制备方法。一种动力电池用碳纳米管涂覆铝箔，将碳纳米管浆料均匀地涂覆在金属铝箔表面，烘干，得到的复合铝箔作为正极集流体使用。由于涂覆铝箔表面有很多导电性的碳纳米管，其与正极颗粒接触面积更大（碳-碳材料更易于粘结），且导电通道丰富，因此有效的增加了正极与集流之间的粘结力，降低了电池内阻。

Description

一种动力电池用碳纳米管涂覆铝箔及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种动力电池铝箔，特别涉及一种动力电池用碳纳米管涂覆铝箔及其制备方法。
背景技术
在锂电池的结构中，铝箔是重要的内层组件之一，其表面性能影响了正极的界面结构、内阻等，直接影响电池的倍率性能、容量发挥、循环性能等特性。现动力电池行业中普遍采用非涂覆双光铝箔作为正极集流体，正极具体结构如图1所示。
正极活性物质一般由磷酸铁锂(平均粒径2～10μm，比表面积10～20m2/g)、三元材料(平均粒径8μm～16μm，比表面积0.1～2m2/g)、导电剂Super-P(粒径5μm，比表面积70m2/g)等混合粉末依靠聚偏氟乙烯粘结剂粘接在铝箔上。正常铝箔表面光滑无附着物，因此存在小粒径、大比表面积的正极浆料与铝箔之间的接触面积较少、导电通道缺失等问题，这就导致正常铝箔涂覆的正极粘结力差，内阻较大等问题。
发明内容
本发明为了解决以下技术问题：软包锂电池的直流内阻偏大；正极活性物质与铝箔粘结性差；大电流放电能力弱；低温性能差的技术缺陷，提供一种动力电池用碳纳米管涂覆铝箔。
本发明还提供一种动力电池用碳纳米管涂覆铝箔的制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种动力电池用碳纳米管涂覆铝箔，将碳纳米管浆料均匀地涂覆在金属铝箔表面，烘干，得到的复合铝箔作为正极集流体使用。
碳纳米管为高比表面积、高长径比结构，难以均匀分散，目前鲜有关于能分散碳纳米管的报告；本发明在特殊分散剂C500的帮助下，能够制备均匀分散的浆料。本发明的碳纳米管涂覆铝箔结构示意图如图3所示。由于涂覆铝箔表面有很多导电性的碳纳米管(涂炭与正常铝箔对比如图2)，其与正极颗粒接触面积更大(碳-碳材料更易于粘结)，且导电通道丰富，因此有效的增加了正极与集流之间的粘结力，降低了电池内阻。
作为优选，所述的碳纳米管浆料是由以下以质量分数计的组分混合而成：碳纳米管5～12％、粘结剂3.0％～5.0％、分散剂0.5％～4.0％、溶剂79.0％～87.0％。
作为优选，所述的溶剂为氮甲基吡咯烷酮，分散剂为分散剂C500，粘结剂为聚偏氟乙烯。
一种所述的动力电池用碳纳米管涂覆铝箔的制备方法，该方法包括如下步骤：
a、浆料配制：将溶剂、粘结剂、分散剂、碳纳米管粉料按顺序加入双行星分散设备进行混合分散，分散时间2h～4h；
b、浆料性能检测：在出料口每隔30min取样1次，测量浆料的粒度分布、黏度、固含量并分析其稳定性，浆料粘度在48小时内变化不超过5％，固含量在48小时内变化不超过0.5％后进入下道工序；
c、涂布烘干：将上述浆料投入至高精锂电池涂布机中，按涂覆量0.2～1.8g/m2均匀涂覆在铝箔表面，控制烘箱温度95～120℃，走速8～15m/min，使溶剂充分挥发；
d、铝箔碾压：将涂布后的铝箔经轧制机碾压，控制碾压压力8～10t，得成品碳纳米管涂覆铝箔。
本发明的优点在于：采用碳纳米管涂覆铝箔应用于正极极片中，由于碳纳米管增加了电子导电通道和界面接触面积，因此提升了正极物质与集流体的粘结力，电池的直流内阻得到显著下降，低温性能、倍率性能及循环寿命大幅提升。
附图说明
图1是正常铝箔的正极结构；
图2是碳纳米管涂覆铝箔和正常铝箔的扫描电镜图；
图3是本发明采用碳纳米管涂覆铝箔的正极结构示意图；
图4是不同正极集流体的直流内阻对比图；
图5是不同正极集流体的低温放电曲线对比图；
图6是不同正极集流体的循环寿命对比图；
图7是不同正极集流体的10C放电曲线对比图。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。
在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所采用的设备和原料等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。本发明中缩略语和关键术语定义如下：
碳纳米管：由单层或多层石墨蜷曲而成的一维管状纳米材料。
碳纳米管涂覆铝箔：将具有一定结构的碳纳米管浆料(碳纳米管与粘结剂混合的在氮甲基吡咯烷酮溶液)均匀地涂覆在金属铝箔表面，烘干后制得的正极集流体。
化成：用专用的电池充放电设备对半成品电池进行充放电，以完成电池的制造、检测、筛选。
实施例1
一种所述的动力电池用碳纳米管涂覆铝箔的制备方法，该方法步骤如下：
a、浆料配制：按照表1所示的配比，将溶剂、粘结剂、分散剂、碳纳米管粉料按顺序加入双行星分散设备进行混合分散，分散时间2h～4h；所述的溶剂为氮甲基吡咯烷酮，分散剂为分散剂C500，粘结剂为聚偏氟乙烯；
b、浆料性能检测：在出料口每隔30min取样1次，测量浆料的粒度分布、黏度、固含量并分析其稳定性，浆料粘度在48小时内变化不超过5％，固含量在48小时内变化不超过0.5％后进入下道工序；
c、涂布烘干：将上述浆料投入至高精锂电池涂布机中，按涂覆量0.2～1.8g/m2均匀涂覆在铝箔表面，控制烘箱温度95～120℃，走速8～15m/min，使溶剂充分挥发；
d、铝箔碾压：将涂布后的铝箔经轧制机碾压，控制碾压压力8～10t，得成品碳纳米管涂覆铝箔。
表1碳纳米管浆料的配比(单位：％)
组分 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
碳纳米管 30％ 35％ 37％ 40％
粘结剂 3.5％ 4.0％ 4.2％ 4.5％
分散剂 0.5％ 0.7％ 0.8％ 0.9％
溶剂 66％ 61.3％ 58％ 54.6％
实施例：一种正极碳纳米管涂覆集流体在锂电池中的应用
正极活性物质为纳米LiFePO4包覆LiNi0.5Co0.2Mn0.3O3(包覆量10～20％)，正极导电剂为Super-P，正极粘结剂为聚偏氟乙烯；负极活性物质为人造石墨，负极导电剂为Super-P，负极粘结剂为丁苯橡胶，负极增稠剂为羧甲基纤维素钠，正极集流体为上述碳纳米管涂覆铝箔，负极集流体为双光铜箔。电解液为添加六氟磷酸锂的碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯的组合溶剂体系。隔膜为Al2O3涂覆PE隔膜。电芯采用Z字型叠片结构。
第一步：将粘结剂PVDF(美国苏威PVDF5130)和NMP按质量比7：93加入双行星动力搅拌机中进行混炼，搅拌速度25RPM/min，混合时间2h；将正极活性物质镍钴锰三元材料(有色金属研究院NCM)、导电剂SP(SUPERLI)按质量比95:5继续加入第一步搅拌釜中混炼，搅拌速度28RPM/min，混合时间2h；混合后浆料过120目筛网后得正极浆料。将正极浆料均匀涂覆在上述碳纳米管涂覆铝箔上制成正极片。
第二步：将增稠剂羧甲基纤维素钠和纯净水按质量比2:98加入双行星动力搅拌机中进行搅拌，搅拌速度25RPM/min，混合时间2h；将负极活性物质人造石墨(杉杉科技)、导电剂SUPER-P按质量比96:4继续加入搅拌釜中混炼，搅拌速度28RPM/min,混合时间2h；将丁苯橡胶加入搅拌釜中，搅拌速度15RPM/min,混合时间0.5h混合后浆料过120目筛网后得负极浆料。将负极浆料均匀涂覆在上述铜箔上制成负极片。
第三步：将正极片、负极片经辊压、制片、烘干后，与隔膜一起叠片成裸电芯。裸电芯经极耳焊接、铝塑膜热封、真空注液后封口；
第四步；注液后的电芯经高温浸润、一次抽空、预充、二次抽空、化成、老化、分容后得成品电芯。
碳纳米管涂覆铝箔和正常铝箔的性能对比试验如下：
1、直流内阻的显著降低
采用碳纳米管涂覆铝箔的两只电池的直流内阻图对比如图4所示，采用碳纳米管涂覆铝箔后，电池的放电直流内阻平均降低9.7％，充电直流内阻降低了8.4％。
2、电池的低温电能力提升；
采用碳纳米管涂覆铝箔和正常铝箔的两只电池在-20℃放电曲线如图5，采用碳纳米管涂覆铝箔，电池的低温放电容量提升了8.21％。
3、提升电池循环寿命；
两种不同铝箔的循环寿命如图6所示，采用碳纳米管涂覆铝箔后电池的循环寿命提升了3.63％。
4、大电流放电能力增强。
两种不同箔材的大电流充放电曲线见图7，10C条件下碳纳米管涂覆铝箔的倍率放电能力提升了8.6％。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (6)

1.一种动力电池用碳纳米管涂覆铝箔，其特征在于：将碳纳米管浆料均匀地涂覆在金属铝箔表面，烘干，得到的复合铝箔作为正极集流体使用。
2.根据权利要求1所述的动力电池用碳纳米管涂覆铝箔，其特征在于：所述的碳纳米管浆料是由以下以质量分数计的组分混合而成：碳纳米管5~12%、粘结剂3.0%~5.0%、分散剂0.5%~4.0%、溶剂79.0%~87.0%。
3.根据权利要求2所述的动力电池用碳纳米管涂覆铝箔，其特征在于：所述的溶剂为氮甲基吡咯烷酮，分散剂为分散剂C500，粘结剂为聚偏氟乙烯。
4.一种权利要求1所述的动力电池用碳纳米管涂覆铝箔的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
a、浆料配制：将溶剂、粘结剂、分散剂、碳纳米管粉料按顺序加入双行星分散设备进行混合分散，分散时间2h~4h；
b、浆料性能检测：在出料口每隔30min取样1次，测量浆料的粒度分布、黏度、固含量并分析其稳定性，浆料粘度在48小时内变化不超过5%，固含量在48小时内变化不超过0.5%后进入下道工序；
c、涂布烘干：将上述浆料投入至高精锂电池涂布机中，按涂覆量0.2~1.8g/m2均匀涂覆在铝箔表面，控制烘箱温度95~120℃，走速8~15m/min，使溶剂充分挥发；
d、铝箔碾压：将涂布后的铝箔经轧制机碾压，控制碾压压力8~10t，得成品碳纳米管涂覆铝箔。
5.根据权利要求4所述的动力电池用碳纳米管涂覆铝箔，其特征在于：所述的碳纳米管浆料是由以下以质量分数计的组分混合而成：碳纳米管5~12%、粘结剂3.0%~5.0%、分散剂0.5%~4.0%、溶剂70.0%~87.0%。
6.根据权利要求5所述的动力电池用碳纳米管涂覆铝箔，其特征在于：所述的溶剂为氮甲基吡咯烷酮，分散剂为分散剂C500，粘结剂为聚偏氟乙烯。
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