CN105552375A - 一种锂电池用碳纳米管浆料及其制备方法 - Google Patents

一种锂电池用碳纳米管浆料及其制备方法 Download PDF

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李涛
王勇
周会
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Abstract

本发明公开一种锂电池用碳纳米管浆料及其制备方法，其特征在于碳纳米管浆料中的成分为碳纳米管、碳黑、表面活性剂、增稠剂、溶剂。其配比为，碳纳米管：碳黑：表面活性剂：增稠剂：溶剂=（3~10wt%）:（0~8wt%）:（0.1~1.3wt%）:（0~1wt%）:（80~96wt%），采用该配比按照混合搅拌工艺制备均匀分散均匀的碳纳米管浆料。在表面活性、增稠剂的作用下，采用高速机械搅拌和超声搅拌相结合的方式，使导电剂分散程度大大提高。对难以分散的碳纳米管导电剂进行浆料的预制备，使其达到较好的分散效果，降低了下一步用在电池浆料中的搅拌要求，可达到较好的混合效果。

Description

一种锂电池用碳纳米管浆料及其制备方法
技术领域
本发明属于锂电池技术领域，涉及一种锂电池用碳纳米管浆料及其制备方法。
背景技术
由于锂离子电池具有能量密度高、自放电小、循环性能优越等优点，锂离子电池广泛应用于备用电源、储能设备、电动汽车、电动自行车、电动工具中。
尤其作为动力电池应用，对电池的综合性能要求较高，为了提高电池的大电流放电能力，降低电池的内阻，提高电池的循环寿命，在电池正负极材料中加入碳黑、碳纳米纤维、碳纳米管等导电剂。其中碳纳米管具有较好的导电能力，实际应用中，碳纳米管在基体材料中通过相互搭建成网络进行电子传递，进而实现导电。该网络中，碳纳米管之间相互接触，或者碳纳米管与其他具有导电特性的物质接触，使得碳纳米管有效提高电池的大电流放电能力。然而，碳纳米管是由碳原子组成的大分子，几乎不溶于任何溶剂，在溶液中很容易聚集成束发生团聚。主要表现为长径比大引起的缠绕和大比表面积引起的高表面活化能。不溶性和团聚问题大大妨碍了其实际的应用，处理不好会在电池制作过程中起反作用，因此需要有效的加工制备方法来解决团聚问题。
发明内容
本发明提供一种锂电池用碳纳米管浆料及其制备方法，解决碳纳米管在锂电池应用中难以分散的问题，最大限度的提高碳纳米管的分散效果，进一步提高锂电池的大电流放电性能等。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种锂电池用碳纳米管浆料，碳纳米管浆料包括以下成分；碳纳米管、碳黑、表面活性剂、增稠剂、溶剂，其配比：碳纳米管：碳黑：表面活性剂：增稠剂：溶剂=（3~10wt%）；（0~8wt%）；（0.1~1.3wt%）；（0~1wt%）；（80~96wt%），碳纳米管浆料采用该组分配比按照混合搅拌工艺制备成均匀分散的浆料。
根据所述的锂电池用碳纳米管浆料，所述的碳纳米管直径为5~160nm，长度为5~25μm，比表面积为60~400m2/g；碳黑粒径为20~70nm，比表面积为25~260m2/g。
根据所述的锂电池用碳纳米管浆料，所述的表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯共聚物中的一种或多种；增稠剂为羧甲基纤维素钠和/或羟乙基纤维素，溶剂为氮甲基吡咯烷酮和/或去离子水。
一种制备所述锂电池用碳纳米管浆料的方法，混合搅拌工艺包括干粉预混、溶液配制、浆料预混搅拌、混合方式循环搅拌，具体步骤如下，
①干粉预混：将碳纳米管和碳黑称重后在粉料混合机中预混，时间为20~40分钟；
②溶液配制：将表面活性剂、增稠剂称重后分别加入溶剂中，采用分散机分散至溶液均匀一致，搅拌过程中控制温度20~50℃；
③浆料预混搅拌：将配制好的溶液10%~30%加入搅拌罐中，然后同时加入预混的干粉和剩下的溶液，加粉料和溶液的同时搅拌，公转搅拌速度为20~40转/分钟和高速分散盘搅拌速度800~1600转/分钟，搅拌时间为60~90分钟；
④混合方式循环搅拌，浆料循环流经方向：高速机械搅拌机→超声搅拌器→高速机械搅拌机，即浆料从高速搅拌机的容器中流入超声搅拌器，然后再从超声搅拌器流出进入高速搅拌机的容器，浆料流经超声搅拌器的速度以流量为5~20L/min循环持续进行，循环搅拌的时间为2~6小时，搅拌过程中温度控制为20~50℃。
根据所述的制备锂电池用碳纳米管浆料的方法，步骤④浆料在高速机械搅拌机中高速搅拌，其公转搅拌速度为20~40转/分钟和高速分散盘搅拌速度1800~2600转/分钟；浆料流经超声搅拌器腔体进行超声分散，超声频率范围为15KHz~50KHz。
本发明的有益技术效果是；对难以分散的碳纳米管导电剂进行浆料的预制备，使其达到较好的分散效果，降低了下一步用在电池浆料中的搅拌要求，可达到较好的混合效果；线状和颗粒状导电剂相结合，优势互补，在电池极片中可组成较好的导电网络，较大的提高了电导能力；在表面活性、增稠剂的作用下，采用高速机械搅拌和超声搅拌相结合的方式，使导电剂分散程度大大提高。
附图说明
图1正极极片SEM图。
图2负极极片SEM图。
具体实施方式
实施例1
以油性碳纳米管浆料及其制备方法为例，其配方及步骤如下。
一种锂电池用碳纳米管浆料，采用的配方为，碳纳米管：碳黑：聚乙烯吡咯烷酮：氮甲基吡咯烷酮=6wt%:3wt%:1.2wt%:89.8wt%。其中，碳纳米管直径为7~15nm，长度为6~15μm，比表面积为260m2/g。碳黑粒径为30~50nm，比表面积为60m2/g。
混合搅拌工艺包括干粉预混、溶液配制、浆料预混搅拌、混合方式循环搅拌，具体步骤如下:
（1）干粉预混：将碳纳米管和碳黑称重质量分别为6Kg和3Kg，然后在粉料混合机中预混时间为40分钟；
（2）溶液配制：将表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮称重质量为1.2Kg，称重后加入溶剂中，溶剂质量为89.8Kg，采用分散机分散至溶液均匀一致，搅拌过程中控制温度20~50℃；
（3）浆料预混搅拌：将配制好的溶液10%加入搅拌罐中，然后同时加入预混的干粉和剩下的溶液。边加粉料和溶液，边搅拌，公转搅拌速度为30转/分钟和高速分散盘搅拌速度1000转/分钟，搅拌时间为60分钟；
（4）混合方式循环搅拌：浆料循环流经方向为，高速机械搅拌机→超声搅拌器→高速机械搅拌机，即浆料从高速搅拌机的容器中流入超声搅拌器，然后再从超声搅拌器流出进入高速搅拌机的容器。浆料流经超声搅拌器的速度以流量计为为10L/min，循环持续进行，循环搅拌的时间为6小时，搅拌过程中温度控制为20~50℃，浆料在搅拌机中高速搅拌，其公转搅拌速度为40转/分钟和高速分散盘搅拌速度2000转/分钟，浆料流经超声搅拌器腔体进行超声分散，超声频率范围为20KHz~30KHz。
制备后的浆料与正极磷酸铁锂材料进行混合，制备锂电池浆料最终做成正极极片，极片的SEM图如图1所示。可以看出碳纳米管具有较好的分散效果，碳纳米管与碳黑及正极材料形成较好的导电网络。
实施例2
以水性碳纳米管浆料及其制备方法为例，其配方及步骤如下。
采用的配方为，碳纳米管：碳黑：聚丙烯酸酯共聚物：羧甲基纤维素钠：去离子水=3wt%：1wt%：0.5wt%：0.2wt%：95.3wt%。其中，碳纳米管直径为12~25nm，长度为13~25μm，比表面积为160m2/g。碳黑粒径为40~60nm，比表面积为40m2/g。
混合搅拌工艺包括干粉预混、溶液配制、浆料预混搅拌、混合方式循环搅拌，具体步骤如下:
（1）干粉预混：将碳纳米管和碳黑称重质量分别为3Kg和1Kg，然后在粉料混合机中预混时间为30分钟；
（2）溶液配制：将表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮和增稠剂羧甲基纤维素钠称重，质量分别为0.5Kg、0.2Kg，称重后加入溶剂中，溶剂质量为95.3Kg，采用分散机分散至溶液均匀一致，搅拌过程中控制温度20~50℃；
（3）浆料预混搅拌：将配制好的溶液20%加入搅拌罐中，然后同时加入预混的干粉和剩下的溶液，边加粉料和溶液，边搅拌，公转搅拌速度为20转/分钟和高速分散盘搅拌速度800转/分钟，搅拌时间为90分钟；
（4）混合方式循环搅拌：浆料循环流经方向为，高速机械搅拌机→超声搅拌器→高速机械搅拌机，即浆料从高速搅拌机的容器中流入超声搅拌器，然后再从超声搅拌器流出进入高速搅拌机的容器。浆料流经超声搅拌器的速度以流量计为为5L/min，循环持续进行，循环搅拌的时间为3小时，搅拌过程中温度控制为20~50℃，浆料在搅拌机中高速搅拌，其公转搅拌速度为20转/分钟和高速分散盘搅拌速度2400转/分钟，浆料流经超声搅拌器腔体进行超声分散，超声频率范围为25KHz~35KHz。
制备后的浆料与负极石墨材料进行混合制备锂电池浆料最终做成电池负极极片，极片的SEM图如图2所示，可以看出碳纳米管具有较好的分散效果，碳纳米管与石墨形成较好的导电网络。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和保护范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种锂电池用碳纳米管浆料，其特征在于：碳纳米管浆料包括以下成分；碳纳米管、碳黑、表面活性剂、增稠剂、溶剂，其配比：碳纳米管：碳黑：表面活性剂：增稠剂：溶剂=（3~10wt%）：（0~8wt%）：（0.1~1.3wt%）：（0~1wt%）：（80~96wt%），碳纳米管浆料采用该组分配比按照混合搅拌工艺制备成均匀分散的浆料。
2.根据权利要求1所述的锂电池用碳纳米管浆料，其特征在于：所述的碳纳米管直径为5~160nm，长度为5~25μm，比表面积为60~400m2/g；碳黑粒径为20~70nm，比表面积为25~260m2/g。
3.根据权利要求1所述的锂电池用碳纳米管浆料，其特征在于：所述的表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯共聚物中的一种或多种；增稠剂为羧甲基纤维素钠和/或羟乙基纤维素，溶剂为氮甲基吡咯烷酮和/或去离子水。
4.一种制备权利要求1-3任一项所述锂电池用碳纳米管浆料的方法，其特征在于：混合搅拌工艺包括干粉预混、溶液配制、浆料预混搅拌、混合方式循环搅拌，具体步骤如下，
①干粉预混：将碳纳米管和碳黑称重后在粉料混合机中预混，时间为20~40分钟；
②溶液配制：将表面活性剂、增稠剂称重后分别加入溶剂中，采用分散机分散至溶液均匀一致，搅拌过程中控制温度20~50℃；
③浆料预混搅拌：将配制好的溶液10%~30%加入搅拌罐中，然后同时加入预混的干粉和剩下的溶液，加粉料和溶液的同时搅拌，公转搅拌速度为20~40转/分钟和高速分散盘搅拌速度800~1600转/分钟，搅拌时间为60~90分钟；
④混合方式循环搅拌，浆料循环流经方向：高速机械搅拌机→超声搅拌器→高速机械搅拌机，即浆料从高速搅拌机的容器中流入超声搅拌器，然后再从超声搅拌器流出进入高速搅拌机的容器，浆料流经超声搅拌器的速度以流量5~20L/min循环持续进行，循环搅拌的时间为2~6小时，搅拌过程中温度控制为20~50℃。
5.根据权利要求4所述的制备锂电池用碳纳米管浆料的方法，其特征在于：
步骤④浆料在高速机械搅拌机中高速搅拌，其公转搅拌速度为20~40转/分钟和高速分散盘搅拌速度1800~2600转/分钟；浆料流经超声搅拌器腔体进行超声分散，超声频率范围为15KHz~50KHz。
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