CN108232106A - 一种高容量三维石墨烯锂亚电池正极载体及其制备方法 - Google Patents

一种高容量三维石墨烯锂亚电池正极载体及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高容量三维石墨烯锂亚电池正极载体及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：将乙炔黑和三维石墨烯粉体在搅拌机中均匀，然后向搅拌机中加入纯水、无水乙醇、聚四氟乙烯乳液和电解铜粉，搅拌均匀；将搅拌好的正极载体材料在抛丸机中挤压抛丸成直径为2mm的椭球颗粒，然后采用分段式热处理，共分成2段，即得高容量三维石墨烯锂亚电池正极载体。本发明的制备方法制备得到的三维石墨烯锂亚电池正极载体克服了电极极化加剧和容量大大受限的问题，用本发明制备得到的正极载体组装成锂亚电池，放电容量高达1064.33mAh。

Description

一种高容量三维石墨烯锂亚电池正极载体及其制备方法
技术领域
本发明属于电池技术领域，具体地说，涉及一种高容量三维石墨烯锂亚电池正极载体及其制备方法。
背景技术
锂亚电池，即锂亚硫酰氯电池，因其具有工作电压平台高、输出电压稳定、工作温度范围宽(-40℃～+85℃)、贮存寿命长(长达10年以上)、环保无污染和成本低等优点，已成为当今世界上生产的主要锂电池系列产品，广泛应用于航空航天、电子通讯、仪器仪表等领域。锂亚电池采用液体亚硫酰氯作为电解质和正极活性物质，正极载体对于锂亚电池性能有着十分重要的影响。目前锂亚电池载体通常由炭黑(乙炔黑)和粘结剂制作，但由于炭黑(乙炔黑)的电导率、比表面积和孔体积较小，在电池放电期间，绝缘性硫(S)和氯化锂(LiCl)逐渐析出并沉积于载体，堵塞炭黑载体的孔通道，阻碍了电解质的扩散和电子传输，电极极化加剧，从而使电池放电性能衰减和放电容量受制。
石墨烯，由一个碳原子与周围三个近邻碳原子结合形成蜂窝状结构的碳原子单层，由于其优异的物理、化学特性自发现以来一直备受关注。然而，石墨烯材料尺寸小，对其加工与应用受到很大的限制；另外，石墨烯具有较高的比表面能和较强的相互作用，易于团聚或堆叠，从而制约其规模化生产和实际使用。三维石墨烯材料是以石墨烯为基本结构单元，在空间多个方向上相互交叉形成立体结构的粉体材料。它具有独特的自支三维立体结构，避免了石墨烯的团聚和堆叠，同时具有高的比表面积、大的孔体积、快速的电子传输和物质扩散性能。
发明内容
有鉴于此，本发明针对锂亚电池正极载体比表面积和孔隙率较小，电导率低等导致的锂亚电池放电时硫(S)和氯化锂(LiCl)沉积于载体和堵塞载体孔通道，从而导致的电极极化加剧和容量大大受限的问题，提供了一种简单可行的高容量三维石墨烯锂亚电池正极载体及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种三维石墨烯锂亚电池正极载体的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将乙炔黑和三维石墨烯粉体在搅拌机中均匀，然后向搅拌机中加入纯水、无水乙醇、聚四氟乙烯乳液和电解铜粉，搅拌均匀；
步骤2、将步骤1中搅拌好的正极载体材料在抛丸机中挤压抛丸成直径为2mm的椭球颗粒，然后采用分段式热处理，共分成2段，即得高容量三维石墨烯锂亚电池正极载体。
进一步地，步骤1中三维石墨烯粉体的质量用量为乙炔黑质量总量的1～20％。
进一步地，步骤1中聚四氟乙烯乳液的用量为乙炔质量总量的10％～25％。
进一步地，步骤1中纯水与乙炔的体积质量比(ml/g)为2690:1000-2700:1000。
进一步地，步骤1中无水乙醇与乙炔的体积质量比(ml/g)为2900:1000-3100:1000。
进一步地，步骤1中电解铜粉与乙炔的质量比(g/g)为15:1000-25:1000。
进一步地，步骤1中聚四氟乙烯乳液的质量浓度为55％-65％。
进一步地，步骤2中第一阶段烘箱中温度为140～180℃，烘干时间为4～10h。
进一步地，步骤2中第二阶段烘箱中温度为240～280℃，烘干时间为10～20min。
本发明还公开了一种由上述制备方法制备得到的高容量三维石墨烯锂亚电池正极载体。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
本发明的制备方法制备得到的三维石墨烯锂亚电池正极载体克服了电极极化加剧和容量大大受限的问题，用本发明制备得到的正极载体组装成锂亚电池，放电容量高达1064.33mAh。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施列1所制备的高容量三维石墨烯锂亚电池正极载体组装的锂亚电池性能图；
图2是本发明对比例1所制备的载体组装的锂亚电池性能图。
具体实施方式
以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
本发明公开了一种三维石墨烯锂亚电池正极载体的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将乙炔黑和三维石墨烯粉体在搅拌机中均匀，然后向搅拌机中加入纯水、无水乙醇、聚四氟乙烯乳液和电解铜粉，搅拌均匀；
其中，三维石墨烯粉体的质量用量为乙炔黑质量总量的1～20％；聚四氟乙烯乳液的用量为乙炔质量总量的10％～25％；纯水与乙炔的体积质量比(ml/g)为2690:1000-2700:1000；无水乙醇与乙炔的体积质量比(ml/g)为2900:1000-3100:1000；电解铜粉与乙炔的质量比(g/g)为15:1000-25:1000；聚四氟乙烯乳液的质量浓度为55％-65％。
步骤2、将步骤1中搅拌好的正极载体材料在抛丸机中挤压抛丸成直径为2mm的椭球颗粒，然后采用分段式热处理，第一阶段烘箱中温度为140～180℃，烘干时间为4～10h，第二阶段烘箱中温度为240～280℃，烘干时间为10～20min，即得高容量三维石墨烯锂亚电池正极载体。
其中，第一阶段处理是将正极内的纯水、无水乙醇、四氟乳液干燥，第二阶段处理是将分散在正极的四氟乳液进行纤维化。本发明做出颗粒然后干燥，如果先干燥然后挤压颗粒将不能成型。
实施例1
(1)将1000g乙炔黑和30g三维石墨烯粉体在搅拌机中均匀后，加入纯水2696ml，无水乙醇3000mL，聚四氟乙烯乳液168g，然后加入20g电解铜粉在搅拌机中搅拌均匀；
(2)将步骤(1)中搅拌好的正极载体材料在抛丸机中挤压抛丸成直径约2mm的椭球颗粒，然后采用分段式热处理，第一阶段在烘箱中160℃烘7h，第二阶段260℃烘15min，即得高容量三维石墨烯锂亚电池正极载体。
以本实施例所制备的产物为正极载体组装成锂亚电池，电池的放电曲线如图1所示，在10mA恒电流放电，电池从开路电压3.744V放电至终止电压2.0V时放电106小时26分钟，放电容量高达1064.33mAh。
实施例2
(1)、将1000g乙炔黑和10g三维石墨烯粉体在搅拌机中均匀，然后向搅拌机中加入纯水2690ml、无水乙醇2900ml、聚四氟乙烯乳液100g和电解铜粉25g，搅拌均匀；其中，聚四氟乙烯乳液的质量浓度为65％；
步骤2、将步骤1中搅拌好的正极载体材料在抛丸机中挤压抛丸成直径为2mm的椭球颗粒，然后采用分段式热处理，第一阶段烘箱中温度为140℃，烘干时间为10h，第二阶段烘箱中温度为240℃，烘干时间为20min，即得高容量三维石墨烯锂亚电池正极载体。
实施例3
步骤1、将乙炔黑1000g和三维石墨烯粉体200g在搅拌机中均匀，然后向搅拌机中加入纯水2700ml、无水乙醇3100g、聚四氟乙烯乳液250g和电解铜粉15g，搅拌均匀；其中，聚四氟乙烯乳液的质量浓度为55％；
步骤2、将步骤1中搅拌好的正极载体材料在抛丸机中挤压抛丸成直径为2mm的椭球颗粒，然后采用分段式热处理，第一阶段烘箱中温度为180℃，烘干时间为4h，第二阶段烘箱中温度为280℃，烘干时间为10min，即得高容量三维石墨烯锂亚电池正极载体。
对比例1
不加三维石墨烯粉体，其余步骤同实施例1。
对比例1制备的锂亚电池放电曲线图2展示，相同条件下放电，起始电压明显低于添加石墨烯的锂亚电池，具有较为严重的极化现象；而且电池容量只有665mAh，同不加三维石墨烯粉体的锂亚电池相比，3％的三维石墨烯粉体加入使锂亚电池容量提升了60.05％。因此，本发明的制备方法很好的克服了电极极化加剧和容量大大受限的问题。
上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高容量三维石墨烯锂亚电池正极载体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将乙炔黑和三维石墨烯粉体在搅拌机中均匀，然后向搅拌机中加入纯水、无水乙醇、聚四氟乙烯乳液和电解铜粉，搅拌均匀；
步骤2、将步骤1中搅拌好的正极载体材料在抛丸机中挤压抛丸成直径为2mm的椭球颗粒，然后采用分段式热处理，共分成2段，即得高容量三维石墨烯锂亚电池正极载体。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中三维石墨烯粉体的质量用量为乙炔黑质量总量的1～20％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中聚四氟乙烯乳液的用量为乙炔质量总量的10％～25％。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中纯水与乙炔的体积质量比(ml/g)为2690:1000-2700:1000。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中无水乙醇与乙炔的体积质量比(ml/g)为2900:1000-3100:1000。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中电解铜粉与乙炔的质量比(g/g)为15:1000-25:1000。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中聚四氟乙烯乳液的质量浓度为55％-65％。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中第一阶段烘箱中温度为140～180℃，烘干时间为4～10h。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中第二阶段烘箱中温度为240～280℃，烘干时间为10～20min。
10.一种由权利要求1-9中任一权利要求所述的制备方法制备得到的高容量三维石墨烯锂亚电池正极载体。
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