CN107507981B - 一种含有聚多巴胺的涂炭集流体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种含有聚多巴胺的涂炭集流体，涂层中包含聚多巴胺以及石墨烯，其特征在于具体涂敷步骤如下：（1）将多巴胺单体溶于一定的HCl溶剂中，配制成多巴胺浓度为50~100mmol•••L‑1的碱性溶液；（2）将集流体浸渍于步骤（1）的溶液中，静置24h~48h，清洗，真空条件下，在100℃~120℃温度范围内烘干，放置至室温后备用；（3）含有石墨烯的炭均匀分散在溶剂中；其针对在大电流充放电条件下，电池内部产生的大量热不能很快散失的问题，利用聚多巴胺和石墨烯良好的导热特性，在集流体表面涂覆石墨烯与聚多巴胺的复合涂层，进一步提高集流体与活性物质的结合强度，同时，达到降低电池内部温度的作用。

Description

一种含有聚多巴胺的涂炭集流体
技术领域
本发明涉及一种含有聚多巴胺的涂炭集流体，是含有聚多巴胺及石墨烯的复合涂层，具有提高极耳、集流体散热功能，主要应用于锂离子电池、金属空气电池、超级电容器等新能源储能单元领域，属于新能源技术领域。
背景技术
电机、电池、电控是新能源汽车发展的三大核心部件。其中，电池更是制约新能源汽车发展的核心要件。目前，人们追求更多的是电池的能量密度、寿命，对电动汽车的需求更多的是续航里程和低温使用需求。但是，目前电池还存在着一定的安全问题，如燃烧乃至爆炸的问题。其中，如何保证电池在高倍率情况下的散热性能，也是亟需解决的技术问题。
专利CN103337676B、专利CN103474712B采用冷却水过滤单元的自流冷却装置、密封水冷板降低电池的热量。专利CN101640286B采用一种新式的极耳，通过增大电流导通面积来达到高倍率放电条件下降低电池热量的目的。专利CN102593503B通过电池内部增设金属导管的设计来降低电池内部的热量的目的。一般地，都是通过电池外部施加水冷装置和通过改变电池的结构设计来达到散热的目的。
这里，我们通过施加涂层的方式，通过改变电池内部设计的思路来达到降低电池热量的目的。现在一种实用化的技术是在锂离子电池的集流体铜箔或者铝箔上涂一层活性炭物质，提高集流体与活性物质的结合强度，但在电池制作过程中，常常出现涂炭物质的脱落问题。本专利从这一思路出发，通过物理化学反应过程，在集流体表面制作石墨烯与聚多巴胺的复合涂层，进一步提高集流体与活性物质的结合强度，同时，达到降低电池内部温度的作用。
聚多巴胺是贝壳类生物外表皮分泌的粘性物质的主要活性成分，据文献[HaeshinLee etc. , NATURE. 2007, 448(19) : 338-342; Haeshin Lee etc. , SCIENCE, 2007,318:426-430J]报道，多巴胺可以显著改性物体的表面特性，且多巴胺改性层和基体间的粘结力极强，近年来，其在表面改性领域内的应用颇多[CN 101864670B ，CN102061479A]，但是，与石墨烯形成复合涂层用于改进电池集流体性能，进一步改进电池内部散热性能方面的应用还未见报道。
关于石墨烯和聚多巴胺类的专利大多集中在一下几个方面。1. 通过聚多巴胺改善石墨烯的特性，或制备石墨烯类材料的方法。如CN105153381A公开了一种通过引入聚多巴胺物质改性石墨烯的方法，将共价改性和非共价改性结合，在保证石墨烯结构完整的前提下提高改性产物的结构稳定性。CN104229781A和CN104229781B公开了一种制备高掺氮量氮掺杂石墨烯的方法。2. 用于多巴胺检测方面的研究，如CN104267085A一种检测多巴胺的修饰电极及其制备方法和应用，CN103604849A和CN103604849B一种同时检测多巴胺、抗坏血酸和尿酸的电化学传感器。3.借助多巴胺的活性基团，实现石墨烯与其他物质的接枝。如CN104047160B 一种氧化石墨烯表面接枝改性芳纶纤维的方法，CN104927302A一种由石墨烯增韧的环氧树脂复合材料及其制备方法，CN103715438A 一种纳米复合质子交换膜及其制备方法和应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含有聚多巴胺的涂炭集流体，针对在大电流充放电条件下，电池内部产生的大量热不能很快散失的问题，利用聚多巴胺和石墨烯良好的导热特性，在集流体表面涂覆石墨烯与聚多巴胺的复合涂层，进一步提高集流体与活性物质的结合强度，同时，达到降低电池内部温度的作用。
本发明技术方案是这样实现的：一种含有聚多巴胺的涂炭集流体，涂层中包含聚多巴胺以及石墨烯，其特征在于具体涂敷步骤如下：（1）将多巴胺单体溶于一定的HCl溶剂中，配制成多巴胺浓度为50~100mmol•••L-1的碱性溶液，溶液pH 值介于8.5~9.5之间；（2）将集流体浸渍于步骤（1）的溶液中，静置24h~48h，清洗，真空条件下，在100℃~120℃温度范围内烘干，放置至室温后备用；（3）含有石墨烯的炭均匀分散在溶剂中，其中所述的溶剂中含有组分1和组分2，组分1中包含NMP、DMF、乙醇、水、甲醇、异丙醇、DMSO中的一种或者几种，其中DMF体积百分含量0.1%~10%，DMSO体积百分含量0.5%~15%，异丙醇体积百分含量小于3%，组分2中包含CMC、PVDF、PTFE、SBR、聚酯中的一种或者几种，其中CMC质量百分含量为1%~2%，SBR质量百分含量为2%~3%。组分1与组分2的用量比例为0.01~100。（4）将步骤（3）的物质均匀喷涂到步骤（2）的集流体上，单面或者双面均可，一定温度下加热挥发掉组分1。
所述的聚多巴胺包含多巴胺单体、邻苯二酚基团的一种或者几种。
所述的炭包含石墨烯、天然石墨、人造石墨、软炭、硬炭中的一种或者几种。
所述石墨烯：组分1体积比为（0.1~5）：（80~95）；选取的表面活性剂含有十二烷基磺酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、聚乙烯醇(PVA)、木质素磺酸钠(SLS)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)中的一种或者几种。
本发明的积极效果：该石墨烯和聚多巴胺的复合涂层作用于电池集流体，一方面，有利于改善和解决电池活性物质从集流体上脱落的问题；另一方面，该复合涂层有利于改善电池在大电流充放电条件下，电池内部温度较高，电池内部热量不容易散失的问题，有效降低电池表面温度3℃~10℃。
附图说明
图1含有聚多巴胺的涂炭集流体结构示意图。
图2 锂离子电池的电化学窗口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行描述，所述的实施例只是对本发明的权利要求的具体描述，权利要求包括但不限于所述的实施例内容。
实施例1
如图1所示将多巴胺单体溶于一定的HCl中，配制成多巴胺浓度为50mmol•••L-1的碱性溶液，溶液pH 值为8.9；将锂离子电池的铜集流体和铝集流体浸渍于上述溶液中，静置24h，清洗，真空条件下，在100℃温度范围内烘干，放置至室温后备用；然后含有石墨烯、天然石墨和硬炭的组分（其中石墨烯、天然石墨和硬炭的质量百分比为0.5：83：16.5）均匀分散在溶剂中，上述溶剂中各物质的体积百分比为NMP：DMF：异丙醇：PVDF=95:2:3:0.05，如果采用PTFE作为组分2，体积百分比为0.1%。将上述混合分散均匀的物质喷涂到铜集流体和铝集流体上，双面涂覆，120℃加热去除易挥发物质。冷却后测量单面涂层厚度为1.5um。
实施例2
将多巴胺单体溶于一定的HCl中，配制成多巴胺浓度为100mmol•••L-1的碱性溶液，溶液pH 值为9.5；将锂离子电池的铜集流体和铝集流体浸渍于上述溶液中，静置48h，清洗，真空条件下，在110℃温度范围内烘干，放置至室温后备用；然后含有石墨烯、天然石墨、人造石墨和软炭的组分（其中石墨烯、天然石墨、人造石墨和软炭的质量百分比为1.5：55：38.5：5）均匀分散在溶剂中，上述溶剂中各物质的质量百分比为水：CMC=99.5:0.5，其中十二烷基磺酸钠质量百分含量为0.005%，溶液温度为80℃，将上述混合分散均匀的物质喷涂到铜集流体和铝集流体上，单面涂覆，100℃加热去除易挥发物质。冷却后测量单面涂层厚度为1um。采用不锈钢作为正极，锂片作为负极材料，采用PP材料作为隔膜组装成C2032扣式电池，进行电化学窗口测试，如图2所示。从图中可见，含有石墨烯和聚多巴胺涂层的电池体系，仍然具有电化学稳定性。
实施例3
将多巴胺单体溶于一定的HCl中，配制成多巴胺浓度为80mmol•••L-1的碱性溶液，溶液pH 值为8.5；将锌空气电池的镍集流体浸渍于上述溶液中，静置30h，清洗，真空条件下，在120℃温度范围内烘干，放置至室温后备用；然后含有石墨烯与天然石墨的组分（其中石墨烯与天然石墨的质量百分比为1.5：98.5）均匀分散在溶剂中，上述溶剂中各物质的质量百分比为水：CMC=99.9:0.1，其中聚乙烯醇(PVA)、木质素磺酸钠(SLS)质量百分含量为0.003%（两种物质的质量百分比为1:3），将上述混合分散均匀的物质喷涂到铜集流体和铝集流体上，单面涂覆，100℃真空加热去除易挥发物质。肉眼可见，集流体上沉积一层浅黑色涂层，质地均匀。

Claims (3)

1.一种含有聚多巴胺的涂炭集流体，涂层中包含聚多巴胺以及石墨烯，其特征在于聚多巴胺来源包含多巴胺单体、邻苯二酚衍生物及其聚合物，具体涂覆步骤如下：（1）将多巴胺单体溶于HCl溶剂中，配制成多巴胺浓度为50~100mmol/L的碱性溶液，溶液pH 值为8.5~9.5；（2）将集流体浸渍于步骤（1）的溶液中，静置24h~48h，清洗，真空条件下，在100℃~120℃温度范围内烘干，放置至室温后备用；（3）含有石墨烯的炭均匀分散在溶剂中，所述的溶剂中含有组分1和组分2，组分1中包含DMF体积百分含量0.1%~10%，DMSO体积百分含量0.5%~15%，异丙醇体积百分含量小于3%，组分2中包含CMC质量百分含量为1%~2%，SBR质量百分含量为2%~3%，组分1与组分2的用量比例为0.01~100；（4）将步骤（3）的物质均匀喷涂到步骤（2）的集流体的单面或者双面上，一定温度下加热挥发掉组分1。
2.根据权利要求1所述的一种含有聚多巴胺的涂炭集流体，其特征在于所述石墨烯：组分1体积比为（0.1~5）：（80~95）；组分1中选取的表面活性剂还含有十二烷基磺酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠（SDBS）、聚乙烯醇(PVA)、木质素磺酸钠(SLS)、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和聚乙烯吡络烷酮（PVP）中的一种或者几种。
3.根据权利要求1所述的一种含有聚多巴胺的涂炭集流体，其特征在于所述的炭包含石墨烯，还包含天然石墨、人造石墨、软炭、硬炭中的一种或者几种。
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