CN105932289A - 一种石墨烯导电剂及其锂离子电池 - Google Patents

一种石墨烯导电剂及其锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种石墨烯导电剂，所述石墨烯导电剂各组分的质量份数为：120‑150份石墨烯、30‑45份壬基酚聚氧乙烯醚、10‑25份单乙醇胺，200‑300份溶剂、2‑3份助剂、7‑10份导电高分子剂、2‑4份玻璃微珠与3‑8份乙酰丙酮铱。本发明以石墨烯为主，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；在制备锂离子电池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

一种石墨烯导电剂及其锂离子电池
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石墨烯导电剂及其锂离子电池。
背景技术
锂离子电池具有高比能量、无记忆效应等优点，近年来又作为新能源得到人们的青睐，从而飞速发展，随着技术的成熟，人们对锂离子电池的要求也越来越高。
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 1529382A，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
本发明的目的是为了解决现有技术的不足而提供一种降低成本、提高导电性能和循环寿命的石墨烯导电剂及其锂离子电池。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种石墨烯导电剂，所述石墨烯导电剂各组分的质量份数为：120-150份石墨烯、30-45份壬基酚聚氧乙烯醚、10-25份单乙醇胺，200-300份溶剂、2-3份助剂、7-10份导电高分子剂、2-4份玻璃微珠与3-8份乙酰丙酮铱。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；而选用壬基酚聚氧乙烯醚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；
玻璃微珠的选用可以使得石墨烯在磁场的作用下使其更易分散，与壬基酚聚氧乙烯醚、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。
乙酰丙酮铱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，所述溶剂为环己酮、环戊酮、乙醇、丙酮、环己烷或四氢呋喃中的一种。
作为优选，所述导电高分子剂为聚乙炔、聚对苯乙烯或聚苯胺。
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50-1500㎡/g。
作为优选，助剂由以下重量份的原料组成：乙酸纤维素5-10份、硬脂酸聚氧乙烯酯10-15份、海藻泥5-10份与硅烷偶联剂15-25份。
作为优选，所述石墨烯导电剂的制备方法包括以下步骤：
1)将石墨烯、壬基酚聚氧乙烯醚与玻璃微珠与一半的溶剂混合，在55-65℃超声分散10-25min，得到预混液A；
2)将单乙醇胺与乙酰丙酮铱与剩下的溶剂混合，在78-90℃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搅拌混合并加入助剂与导电高分子剂，在压力21000PSI下进行高压分散处理，然后升温至150-220℃，搅拌3-6h，冷却后研磨成粒径为10-20nm，得到石墨烯导电剂。
作为优选，步骤1)石墨烯在混合前先加入在醋酸中，升温至90℃，搅拌3h，之后洗净并烘干。
作为优选，超声频率为50-65KHz。
一种锂离子电池，包括正极片、负极片、隔膜及电解液，所述正极片包括正极集流体以及设置在该正极集流体上的正极活性材料，所述负极片包括负极集流体以及设置在该负极集流体上的负极活性材料，所述锂离子电池包括以上所述的石墨烯导电剂，所述石墨烯导电剂均匀分散于正极活性材料与负极活性材料中。
本发明的有益效果：
1)本发明以石墨烯为主，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
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所用石墨烯购自宁波墨西科技有限公司，其余原料均可从市场购得。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50-1500㎡/g。
一种锂离子电池，包括正极片、负极片、隔膜及电解液，所述正极片包括正极集流体以及设置在该正极集流体上的正极活性材料，所述负极片包括负极集流体以及设置在该负极集流体上的负极活性材料，所述锂离子电池包括石墨烯导电剂，所述石墨烯导电剂均匀分散于正极活性材料与负极活性材料中。
实施例1
一种石墨烯导电剂，所述石墨烯导电剂各组分的质量份数为：120份石墨烯、30份壬基酚聚氧乙烯醚、10份单乙醇胺，200份溶剂、2份助剂、7份导电高分子剂、2份玻璃微珠与3份乙酰丙酮铱。
溶剂为环己酮。
导电高分子剂为聚乙炔。
助剂由以下重量份的原料组成：乙酸纤维素5份、硬脂酸聚氧乙烯酯10份、海藻泥5份与硅烷偶联剂15份。
石墨烯导电剂的制备方法包括以下步骤：
1)石墨烯先加入在醋酸中，升温至90℃，搅拌3h，之后洗净并烘干；将石墨烯、壬基酚聚氧乙烯醚与玻璃微珠与一半的溶剂混合，在55℃超声分散10min，得到预混液A；超声频率为50KHz；
2)将单乙醇胺与乙酰丙酮铱与剩下的溶剂混合，在78℃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搅拌混合并加入助剂与导电高分子剂，在压力21000PSI下进行高压分散处理，然后升温至150℃，搅拌3h，冷却后研磨成粒径为10-20nm，得到石墨烯导电剂。
实施例2
一种石墨烯导电剂，所述石墨烯导电剂各组分的质量份数为：130份石墨烯、38份壬基酚聚氧乙烯醚、17份单乙醇胺，260份溶剂、3份助剂、8份导电高分子剂、3份玻璃微珠与5份乙酰丙酮铱。
溶剂为乙醇。
导电高分子剂为聚对苯乙烯。
助剂由以下重量份的原料组成：乙酸纤维素7份、硬脂酸聚氧乙烯酯13份、海藻泥8份与硅烷偶联剂18份。
石墨烯导电剂的制备方法包括以下步骤：
1)石墨烯先加入在醋酸中，升温至90℃，搅拌3h，之后洗净并烘干；将石墨烯、壬基酚聚氧乙烯醚与玻璃微珠与一半的溶剂混合，在60℃超声分散19min，得到预混液A；超声频率为60KHz；
2)将单乙醇胺与乙酰丙酮铱与剩下的溶剂混合，在85℃下搅拌40min，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搅拌混合并加入助剂与导电高分子剂，在压力21000PSI下进行高压分散处理，然后升温至180℃，搅拌4h，冷却后研磨成粒径为10-20nm，得到石墨烯导电剂。
实施例3
一种石墨烯导电剂，所述石墨烯导电剂各组分的质量份数为：150份石墨烯、45份壬基酚聚氧乙烯醚、25份单乙醇胺，300份溶剂、2-3份助剂、10份导电高分子剂、4份玻璃微珠与8份乙酰丙酮铱。
溶剂为环戊酮。
导电高分子剂为聚苯胺。
助剂由以下重量份的原料组成：乙酸纤维素10份、硬脂酸聚氧乙烯酯15份、海藻泥10份与硅烷偶联剂25份。
石墨烯导电剂的制备方法包括以下步骤：
1)石墨烯先加入在醋酸中，升温至90℃，搅拌3h，之后洗净并烘干；将石墨烯、壬基酚聚氧乙烯醚与玻璃微珠与一半的溶剂混合，在65℃超声分散25min，得到预混液A；超声频率为65KHz；
2)将单乙醇胺与乙酰丙酮铱与剩下的溶剂混合，在90℃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搅拌混合并加入助剂与导电高分子剂，在压力21000PSI下进行高压分散处理，然后升温至220℃，搅拌6h，冷却后研磨成粒径为10-20nm，得到石墨烯导电剂。
实施例4
一种石墨烯导电剂，所述石墨烯导电剂各组分的质量份数为133份石墨烯、30份壬基酚聚氧乙烯醚、20份单乙醇胺，250份溶剂、2份助剂、9份导电高分子剂、3份玻璃微珠与6份乙酰丙酮铱。
溶剂为四氢呋喃。
导电高分子剂为聚乙炔。
助剂由以下重量份的原料组成：乙酸纤维素9份、硬脂酸聚氧乙烯酯14份、海藻泥7份与硅烷偶联剂23份。
石墨烯导电剂的制备方法包括以下步骤：
1)将石墨烯、壬基酚聚氧乙烯醚与玻璃微珠与一半的溶剂混合，在55-65℃超声分散15min，得到预混液A；超声频率为60KHz；
2)将单乙醇胺与乙酰丙酮铱与剩下的溶剂混合，在78-90℃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搅拌混合并加入助剂与导电高分子剂，在压力21000PSI下进行高压分散处理，然后升温至190℃，搅拌5h，冷却后研磨成粒径为10-20nm，得到石墨烯导电剂。
对比例1，以炭黑为导电剂。
将实施例1-4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；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。
应当理解的是，对于本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种石墨烯导电剂，其特征在于，所述石墨烯导电剂各组分的质量份数为：120-150份石墨烯、30-45份壬基酚聚氧乙烯醚、10-25份单乙醇胺，200-300份溶剂、2-3份助剂、7-10份导电高分子剂、2-4份玻璃微珠与3-8份乙酰丙酮铱。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯导电剂，其特征在于，所述溶剂为环己酮、环戊酮、乙醇、丙酮、环己烷或四氢呋喃中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯导电剂，其特征在于，所述导电高分子剂为聚乙炔、聚对苯乙烯或聚苯胺。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种石墨烯导电剂，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50-1500㎡/g。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种石墨烯导电剂，其特征在于，助剂由以下重量份的原料组成：乙酸纤维素5-10份、硬脂酸聚氧乙烯酯10-15份、海藻泥5-10份与硅烷偶联剂15-25份。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯导电剂，其特征在于，所述石墨烯导电剂的制备方法包括以下步骤：
1)将石墨烯、壬基酚聚氧乙烯醚与玻璃微珠与一半的溶剂混合，在55-65℃超声分散10-25min，得到预混液A；
2)将单乙醇胺与乙酰丙酮铱与剩下的溶剂混合，在78-90℃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搅拌混合并加入助剂与导电高分子剂，在压力21000PSI下进行高压分散处理，然后升温至150-220℃，搅拌3-6h，冷却后研磨成粒径为10-20nm，得到石墨烯导电剂。
7.根据权利要求6所述的一种石墨烯导电剂，其特征在于，步骤1)石墨烯在混合前先加入在醋酸中，升温至90℃，搅拌3h，之后洗净并烘干。
8.根据权利要求6所述的一种石墨烯导电剂，其特征在于，超声频率为50-65KHz。
9.一种锂离子电池，包括正极片、负极片、隔膜及电解液，所述正极片包括正极集流体以及设置在该正极集流体上的正极活性材料，所述负极片包括负极集流体以及设置在该负极集流体上的负极活性材料，其特征在于，所述锂离子电池包括如权利要求1所述的石墨烯导电剂，所述石墨烯导电剂均匀分散于正极活性材料与负极活性材料中。
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Patentee after: Ningbo Veken Battery Co., Ltd.

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Patentee before: Ningbo Veken Battery Co., Ltd.

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Address after: No.26-101, Xinfu Road, lincun, Tangxia Town, Dongguan City, Guangdong Province

Patentee after: Dongguan Yongwei Technology Co., Ltd

Address before: 315800 No.2 standard workshop, plot 0212, West Zone, Ningbo Free Trade Zone, Ningbo City, Zhejiang Province

Patentee before: Ningbo Vico Battery Co., Ltd.

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Address after: 523000 Building 2, No.3, Jingfu Road, Hengli Town, Dongguan City, Guangdong Province

Patentee after: Dongguan Weike new energy Co.,Ltd.

Address before: No. 26-101, Xinfu Road, lincun, Tangxia Town, Dongguan City, Guangdong Province, 523000

Patentee before: Dongguan Yongwei Technology Co.,Ltd.