CN107887568B - 一种导电集流体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电池储能领域领域，提供了一种导电集流体的制备方法，该方法包括如下步骤：S1，制备碳纳米管；S2，在具有若干孔隙的箔材的两侧均反复涂覆所述碳纳米管，所述碳纳米管覆盖在所述箔材的两侧面并形成若干层碳纳米管膜；S3，将涂覆了所述碳纳米管的所述箔材辊压。还提供了一种导电集流体，其具有层状结构，所述导电集流体包括箔材层以及覆盖于所述箔材两侧面的碳纳米管膜。本发明的一种导电集流体及其制备方法，采用碳纳米管涂覆在金属箔材的两侧面并形成碳纳米管膜，可填补金属箔材的若干孔隙，由于碳纳米管吸附力强、碳纳米管膜质轻，可解决现有浆料无法均匀涂覆在具有大孔隙率和大孔径的金属箔材上的技术难题。

Description

一种导电集流体及其制备方法
技术领域
本发明涉及电池储能领域领域，具体为一种导电集流体及其制备方法。
背景技术
电池作为一种储能装置越来越多的应用到生活的方方面面，其使用方式是在外电路下对电池进行充电，之后电池可以在移动过程中为电子设备提供电量需求。
由于电池内部材料的特殊性，一般电池材料都是密封型的，电流的输入和输出会通过一层金属箔材与外界相互传达。另一方面，金属材料的电导率远远高出其他材料，因此电池内部的活性物质会通过特定的工艺处理做成浆料，进而涂覆粘接在金属箔材表面。
金属箔材在电池内部起到两个基本作用：导电和支撑。金属箔材对电池的能量提升并没有贡献，并且金属本身较材料密度大，因此，金属箔材使用的弊端在于增加了电池的厚度和重量，降低了电池的体积能量密度和质量能量密度。
在提高电池的体积能量密度和质量能量密度的方面，金属箔材的优化有两个方向：降低箔材的厚度和使用多孔箔材。多孔箔材是指通过机械冲压或者其他方式在一般箔材上开设规则或者不规则的孔洞。
降低箔材的厚度可直接降低电池的厚度和重量，但是箔材厚度的降低对箔材制备技术要求较高，成本也相应提高，同时箔材厚度降低会降低箔材的强度从而其对活性层的支撑效果相应降低。
使用多孔箔材可有效的降低电池的厚度和质量，但是现有的浆料涂覆工艺不能适应较大开孔率和大孔径的金属箔材，往往涂料不均匀。
发明内容
本发明的目的在于提供一种导电集流体及其制备方法，既可以解决具有大孔隙率和大孔径的金属箔材采用现有的浆料涂覆不均匀的问题，又可以极大的降低电池充放电过程中冲孔区域料层的极化作用。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种导电集流体的制备方法，该方法包括如下步骤：
S1，制备碳纳米管；
S2，在具有若干孔隙的箔材的两侧均反复涂覆所述碳纳米管，所述碳纳米管覆盖在所述箔材的两侧面并形成若干层碳纳米管膜；
S3，将涂覆了所述碳纳米管的所述箔材辊压。
进一步，所述S1步骤中制备碳纳米管具体为：将含碳原料投入具有进料口和出料口的反应容器，并采用催化裂解法制备碳纳米管。
进一步，所述S2步骤中涂覆的方法具体为，
S21，采用浮游催化裂解法，由所述进料口持续且等量地通入惰性气体，所述惰性气体将制备的所述碳纳米管从所述出料口吹出；
S22，所述反应容器的所述出料口初始位在所述箔材的其中一侧面的边缘处，驱使所述反应容器沿所述其中一侧面的边缘处至远离所述其中一侧面的边缘处的方向匀速移动；涂覆完其中一侧面后，再涂覆另外一侧面。
进一步，所述反应容器沿所述其中一侧面的边缘处至远离所述其中一侧面的边缘处的方向匀速移动后，再反向匀速移动回到初始位。
进一步，所述反应容器有两台，分别同时将所述碳纳米管涂覆在所述箔材的两侧面。
进一步，所述含碳原料为甲醇或乙醇。
进一步，采用驱动装置驱使所述箔材移动，移动方向为水平和竖直；所述箔材接收所述出料口出来的碳纳米管。
进一步，所述催化裂解法的温度在600-1500℃之间。
进一步，所述箔材的孔隙率在10％-90％之间，所述孔隙为圆形或方形，圆形孔隙的孔径在2-6mm之间，方形孔隙的边长在2-6mm之间。
本发明实施例提供另一种技术方案：一种导电集流体，其具有层状结构，所述导电集流体包括箔材层以及覆盖于所述箔材两侧面的碳纳米管膜。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.采用碳纳米管涂覆在金属箔材的两侧面并形成碳纳米管膜，可填补金属箔材的若干孔隙，由于碳纳米管吸附力强、碳纳米管膜质轻，可解决现有浆料无法均匀涂覆在具有大孔隙率和大孔径的金属箔材上的技术难题。
2.由于碳纳米管导电性好，避免了大孔径集流体空洞部位的活性料层因距离集流体较远而在充放电过程中出现极化。
3.碳纳米管制备简单，制备完成即可直接与箔材复合，相比其他复合集流体的制备方式简单。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种导电集流体的制备方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种导电集流体的制备方法的S2步骤的具体步骤流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
请参阅图1，本发明实施例提供一种导电集流体的制备方法，该方法包括如下步骤：S1，制备碳纳米管；S2，在具有若干孔隙的箔材的两侧均反复涂覆所述碳纳米管，所述碳纳米管覆盖在所述箔材的两侧面并形成若干层碳纳米管膜；S3，将涂覆了所述碳纳米管的所述箔材辊压。在上述的步骤中，先制备好碳纳米管，然后将制备好的碳纳米管涂覆到箔材的两侧面上，在涂覆的过程中需要控制碳纳米管的用量，使其等量供给，以保证涂覆均匀，如此，碳纳米管就能够在箔材的两侧面上形成碳纳米管膜，当需要多层碳纳米膜时，就多次涂覆，涂覆的次数可达800-1300次，当每侧面都涂覆到1000层时，可以取代碳布用。在涂覆完碳纳米管后，需对整体进行辊压，辊压采用轻辊，避免CNT会沾到辊子上。箔材的孔隙率在10％-90％之间，孔隙为圆形或方形，圆形孔隙的孔径在2-6mm之间，方形孔隙的边长在2-6mm之间，优选的，箔材的孔隙率在40％-90％之间，孔径在4-6mm之间，在采用普通材料涂覆时，若孔隙率超过了40％，孔径超过了1mm后，就无法进行正常的涂布，会出现漏料、涂料不均匀以及出现极化等情况，而本申请采用的工艺和材料可适用于孔隙率高达90％，孔径高达6mm的箔材，因此可以极大地降低箔材的质量和极大地降低电池的厚度，降低制备的导电集流体的质量。有效地利用碳纳米管薄膜质轻、导电性好、吸附力强的优点，解决了孔隙部位的料到金属集流体的距离传输问题，降低了电池的内阻和极化现象，且在多孔集流体质量增加极少的情况下，使大孔径和高孔隙率的多孔集流体具备了一般金属集流体在电池制备过程中使用的能力，解决了涂覆不均匀的技术难题。另外，碳纳米管制备简单，原料成本低廉，适宜推广使用。
以下为具体实施例：
作为本发明实施例的优化方案，在S1步骤中制备碳纳米管的方法具体为：将含碳原料投入具有进料口和出料口的反应容器，并采用催化裂解法制备碳纳米管。含碳原料从进料口进入到反应容器的反应腔中，采用催化裂解法，即在反应腔中加入催化剂，反应得到碳纳米管。该含碳原料可以采用甲醇或是乙醇，成本低廉。除了采用催化裂解法以外，还可以采用化学气相沉积法。
进一步优化上述方案，请参阅图2，S2步骤中涂覆的方法具体为，S21，采用浮游催化裂解法，由进料口持续且等量地通入惰性气体，惰性气体将制备的碳纳米管从出料口吹出；S22，反应容器的出料口初始位在箔材的其中一侧面的边缘处，驱使反应容器沿所述其中一侧面的边缘处至远离其中一侧面的边缘处的方向匀速移动；涂覆完其中一侧面后，再涂覆另外一侧面。采用的浮游催化裂解法可制备连续可控的碳纳米管，该方法在反应腔对含碳原料进行催化裂解出碳原子并通过原料中导入的前驱体材料生长碳纳米管，无需在固定的基体材料上生长，因此碳纳米管在腔内的状态是近悬浮形式的。持续且等量的惰性气体一方面能够引导碳纳米管匀速地从反应容器的出料口连续导出，另一方面能够对反应过程进行保护，此外，惰性气体从进料口导入，惰性气体会从进料口往出料口方向流动，由于这一气流流向，使得生产的碳纳米管沿反应腔出口方向有一定的取向性，有助于碳纳米管膜的单向导电性提高。反应生成的碳纳米管由于气流的引导作用，碳纳米管之间团聚较少，因此生成的连续型的碳纳米管无需分散，可一次成膜。并且碳纳米管由于团聚较少，具有极大的表面吸附力，可紧紧地吸附在金属箔材上。此处采用一台反应容器，当完成了金属箔材一侧面的涂覆工作后，再进行另外一侧面的涂覆。驱使反应容器移动的方式可以是人工移动，也可以是采用现有的驱动设备带动其移动。
进一步优化上述方案，反应容器沿其中一侧面的边缘处至远离其中一侧面的边缘处的方向匀速移动后，再沿相反的方向匀速移动回到初始位。如此，可以得到两层碳纳米管膜。还可以设更多层，采用同样的方法涂覆即可。反应容器的两侧面所拥有的碳纳米管膜的层数可以相同也可以不相同。
作为本发明实施例的优化方案，反应容器可采用两台，可以同时对箔材的两侧面进行涂覆工作，加快生产效率。在金属箔材的两面均涂覆碳纳米管，加深了碳纳米管膜在金属箔材表面的结合强度。
作为本发明实施例的优化方案，上述实施例中提到可驱动反应容器来移动，从而完成对金属箔材的涂覆工作。还可以采用一台驱动装置，该驱动装置能够带动金属箔材移动，其移动的方向为水平方向和竖直方向，可保证金属箔材的两侧面完全涂覆有碳纳米管。该驱动装置为现有装置，可采用PLC控制程序控制其移动。
作为本发明实施例的优化方案，催化裂解法的温度在600-1500℃之间。优选的，当温度达到1500℃时，以甲醇为碳源，二茂铁为前驱体可得到长度较大、导电性能极好的双壁碳纳米管。
本发明实施例提供一种导电集流体，它是由上述的导电集流体的制备方法制备得到的，该导电集流体具有层状结构，它包括箔材层以及覆盖于该箔材两侧面的碳纳米管膜。本导电集流体利用碳纳米管的特性，既可以解决具有大孔隙率和大孔径的金属箔材采用现有的浆料涂覆不均匀的问题，又可以极大的降低电池充放电过程中冲孔区域料层的极化作用。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种导电集流体的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1，制备碳纳米管；
S2，在具有若干孔隙的箔材的两侧均反复涂覆所述碳纳米管，所述碳纳米管覆盖在所述箔材的两侧面并形成若干层碳纳米管膜；
S3，将涂覆了所述碳纳米管的所述箔材辊压；
所述S1步骤中制备碳纳米管具体为，
将含碳原料投入具有进料口和出料口的反应容器，并采用催化裂解法制备碳纳米管；
所述S2步骤中涂覆的方法具体为，
S21，采用浮游催化裂解法，由所述进料口持续且等量地通入惰性气体，所述惰性气体将制备的所述碳纳米管从所述出料口吹出；
S22，所述反应容器的所述出料口初始位在所述箔材的其中一侧面的边缘处，驱使所述反应容器沿所述其中一侧面的边缘处至远离所述其中一侧面的边缘处的方向匀速移动；涂覆完其中一侧面后，再涂覆另外一侧面。
2.如权利要求1所述的一种导电集流体的制备方法，其特征在于：所述反应容器沿所述其中一侧面的边缘处至远离所述其中一侧面的边缘处的方向匀速移动后，再反向匀速移动回到初始位。
3.如权利要求1所述的一种导电集流体的制备方法，其特征在于：所述反应容器有两台，分别同时将所述碳纳米管涂覆在所述箔材的两侧面。
4.如权利要求1所述的一种导电集流体的制备方法，其特征在于：所述含碳原料为甲醇或乙醇。
5.如权利要求1所述的一种导电集流体的制备方法，其特征在于：采用驱动装置驱使所述箔材移动，移动方向为水平和竖直；所述箔材接收所述出料口出来的碳纳米管。
6.如权利要求1所述的一种导电集流体的制备方法，其特征在于：所述催化裂解法的温度在600-1500℃之间。
7.如权利要求1所述的一种导电集流体的制备方法，其特征在于：所述箔材的孔隙率在10％-90％之间，所述孔隙为圆形或方形，圆形孔隙的孔径在2-6mm之间，方形孔隙的边长在2-6mm之间。
8.如权利要求1-7任一所述的一种导电集流体的制备方法制备的导电集流体，其具有层状结构，其特征在于：所述导电集流体包括箔材层以及覆盖于所述箔材两侧面的碳纳米管膜。
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