CN108550788B - 正极集流体、电池正极极片及锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供正极集流体、电池正极极片及锂离子电池，该正极集流体包括石墨烯复合铝箔材料层，其中所述石墨烯复合铝箔材料层包括：铝箔基底；平面石墨烯层，所述平面石墨烯层平行位于所述铝箔基底上；垂直石墨烯层，所述垂直石墨烯层垂直位于所述平面石墨烯层上。本发明利用具有垂直石墨烯层的石墨烯复合铝箔作为锂离子电池正极集流体，用以增强锂离子电池正极极片剥离强度。与普通铝箔集流体相比，电极材料的剥离强度大幅度提高，有利于提高电极极片制作加工的成品率以及锂离子电池的循环稳定性。

Description

正极集流体、电池正极极片及锂离子电池
技术领域
本发明涉及电池材料技术，具体涉及正极集流体、电池正极极片及锂离子电池。
背景技术
锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长和环境友好等优点，不仅已广泛作为手机、笔记本电脑、数码照相机和摄像机等便携式电子设备的电源，而且在电动工具、电动助力车以及电动汽车等领域显示出良好的应用前景。其中电极极片是锂离子电池的重要组成部分，而电极极片中的集流体是电池正极或负极用于附着活性物质的基体金属，用于在充电的时候将电流导入到活性物质上，放电的时候将活性物质的电流导出给负载。
常用的锂离子电池正极集流体为铝箔，负极集流体为铜箔。然而，在正极极片制备过程中，由于活性物质和集流体之间的相互作用力较弱，致使活性物质容易从集流体上脱落，而不利于极片的加工制作，降低了极片制作的良品率及电池的循环稳定性。
因此，增强锂离子电池正极极片的剥离强度以提高电极产品良率及锂离子电池循环稳定性，是本领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种正极集流体、电池正极极片及锂离子电池，通过在正极集流体中使用具有垂直石墨烯层的复合铝箔材料，从而可以增大与正极集流体与活性材料层中活性物质之间的接触面积，进而增强正极极片的剥离强度，提高极片制作的良品率及锂离子电池的循环稳定性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种正极集流体，包括石墨烯复合铝箔材料层，其中所述石墨烯复合铝箔材料层包括：
铝箔基底；
平面石墨烯层，所述平面石墨烯层平行位于所述铝箔基底上；
垂直石墨烯层，所述垂直石墨烯层垂直位于所述平面石墨烯层上。
根据本发明的一个实施方式，所述平面石墨烯层的厚度为5nm～30nm，所述垂直石墨烯层的厚度为10nm～1000nm。
本发明还提供一种电池正极极片，包括上述正极集流体和形成于所述正极集流体表面的电极活性材料层。
根据本发明的一个实施方式，所述电极活性材料层的活性材料为锂离子电池正极材料。
根据本发明的一个实施方式，所述锂离子电池正极材料选自钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMn2O4)、磷酸铁锂(LiFePO4)、钛酸锂(Li4Ti5O12)、镍钴锰酸锂三元材料(LiNixCoyMnzO2)、镍钴铝酸锂三元材料(LiNixCoyAlzO2)中的一种或多种。
本发明还提供一种锂离子电池，包括正极极片、隔膜、电解液和负极极片，所述正极极片为上述电池正极极片。
根据上述技术方案的描述可知，本发明的有益效果在于：
本发明通过使用具有垂直石墨烯层的石墨烯复合铝箔作为正极集流体，可有效增大其与活性物质的接触面积，该正极集流体用于电池正极极片时，可增强正极极片的剥离强度，提高正极极片制作的良品率。本发明的正极极片还可提高锂离子电池的循环稳定性。
附图说明
为了让本发明实施例能更容易理解，以下配合所附附图作详细说明。
图1为实施例1的石墨烯复合铝箔扫描电子显微镜(SEM)图；
图2为实施例2的正极极片A及正极极片B的剥离强度测试的力-位移曲线；
图3a为实施例2的正极极片A进行剥离强度测试后的实物照片；
图3b为实施例2的正极极片B进行剥离强度测试后的实物照片。
具体实施方式
以下内容提供了许多不同实施例或范例。当然，这些仅仅是范例，而非意图限制本发明实施例。实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。本发明实施例可在各个范例中重复参考标号和/或字母。此重复是为了简化和清楚的目的，其本身并非用于指定所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
再者，为了容易描述本发明实施例的一个部件与另一部件或层与层之间的关系，在此可以使用空间相关用语，举例而言，“较低”、“较高”、“水平”、“垂直”、“在…上方”、”之上”、“在…下方”、“在…底下”、”向上”、”向下”、”顶部”、”底部”等衍生的空间相关用语(例如“水平地”、“垂直地”、”向上地”、”向下地”等)。这些空间相关用语意欲涵盖包含这些部件的装置的不同方位。
本发明提供一种正极集流体，包括石墨烯复合铝箔材料层，其中所述石墨烯复合铝箔材料层包括：
铝箔基底；
平面石墨烯层，所述平面石墨烯层平行位于所述铝箔基底上；
垂直石墨烯层，所述垂直石墨烯层垂直位于所述平面石墨烯层上。
本发明的正极集流体由于具有上述石墨烯复合铝箔材料层，利用垂直石墨烯层的三维空间结构增大表面积，从而可增大正极集流体与活性物质的接触面积。
在一些实施例中，所述平面石墨烯层的厚度为5nm～30nm，所述垂直石墨烯层的厚度为10nm～1000nm。
本发明还提供一种电池正极极片，包括上述正极集流体和形成于所述正极集流体表面的电极活性材料层。
在一些实施例中，所述电极活性材料层的活性材料为锂离子电池正极材料。所述锂离子电池正极材料选自钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMn2O4)、磷酸铁锂(LiFePO4)、钛酸锂(Li4Ti5O12)、镍钴锰酸锂三元材料(LiNixCoyMnzO2)、镍钴铝酸锂三元材料(LiNixCoyAlzO2)中的一种或多种。其中，LiNixCoyMnzO2包括但不限于LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNi0.4Co0.4Mn0.2O2、LiNi0.5Co0.3Mn0.2O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2等；LiNixCoyAlzO2包括但不限于LiNi0.8Co0.15Al0.05O2。
本发明还提供一种锂离子电池，包括正极极片、隔膜、电解液和负极极片，该正极极片为上述电池正极极片。
下面通过具体实施例进行说明。
实施例1石墨烯复合铝箔的制备
将商用铝箔集流体(深圳科晶)放入射频等离子化学气相沉积装置中，反复通入氩气清洗3～5次，该设备以20℃/min的升温速率加热至590℃，然后通入甲烷(流量10sccm)，调节等离子设备使其产生均匀的辉光覆盖铝箔，进行反应，反应时间为20分钟。反应结束后，待设备降至室温，即得到具有垂直石墨烯层的石墨烯复合铝箔。
图1为实施例1的石墨烯复合铝箔扫描电子显微镜(SEM)图，可以看出铝箔表面富含垂直结构的石墨烯层。
实施例2正极极片的制备
将磷酸铁锂(LiFePO4)粉体、导电添加剂(导电炭黑)、粘结剂聚偏二氟乙烯(PVDF)等与有机溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)混合均匀配成浆料。将配置的LiFePO4浆料分别涂布在普通铝箔与具有垂直石墨烯层的石墨烯复合铝箔上，在60℃烘箱中干燥6h后，80℃真空干燥8h，分别得到普通LiFePO4正极极片A和本发明的LiFePO4正极极片B。
测试例
在日本岛津公司(Shimadzu)生产的极片剥离强度测试专用仪器上分别测试普通铝箔与垂直结构石墨烯复合铝箔集流体上电极正极极片的剥离强度。极片剥离强度测试结果如图2、图3a、图3b所示。图2为实施例2的正极极片A及正极极片B的剥离强度测试的力-位移曲线，可以看出，与普通铝箔集流体制作的正极极片A相比，具有垂直石墨烯层的石墨烯复合铝箔正极集流体制作的正极极片B的剥离强度得到明显提高。
图3a、图3b分别为实施例2的正极极片A、正极极片B进行剥离强度测试后的实物照片，可以直观的看出，经剥离强度测试后的正极极片A的电极材料几乎全部转移到测试胶带上，而正极极片B的电极材料只有少部分转移到测试胶带上，电极材料上的多数活性物质依然留在正极极片B上，证明电极材料与具有垂直石墨烯层的石墨烯复合铝箔集流体的结合要比普通铝箔的结合力更高。
本发明已以数个实施例公开如上，以利本领域普通技术人员理解本发明。本领域普通技术人员可采用本发明为基础，设计或调整其他工艺与结构，用以实施实施例的相同目的，和/或达到实施例的相同优点。本领域普通技术人员应理解上述等效置换并未偏离本发明的构思与范畴，并可在未偏离本发明的构思与范畴下进行这些不同的改变、置换、与调整。

Claims (5)

1.一种正极集流体，其特征在于，包括石墨烯复合铝箔材料层，其中所述石墨烯复合铝箔材料层包括：
铝箔基底；
平面石墨烯层，所述平面石墨烯层平行位于所述铝箔基底上；
垂直石墨烯层，所述垂直石墨烯层垂直位于所述平面石墨烯层上；
其中，所述平面石墨烯层的厚度为5nm～30nm，所述垂直石墨烯层的厚度为10nm～1000nm；
所述石墨烯复合铝箔材料层的制备方法包括：
将所述铝箔基底置于反应腔室中进行等离子体化学气相沉积反应生长石墨烯，得到所述石墨烯复合铝箔材料层；其中，所述等离子体化学气相沉积反应的温度为590℃，反应时间为20分钟。
2.一种电池正极极片，其特征在于，包括权利要求1所述的正极集流体和形成于所述正极集流体表面的电极活性材料层。
3.根据权利要求2所述的电池正极极片，其特征在于，所述电极活性材料层的活性材料为锂离子电池正极材料。
4.根据权利要求3所述的电池正极极片，其特征在于，所述锂离子电池正极材料选自钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂、镍钴锰酸锂三元材料、镍钴铝酸锂三元材料中的一种或多种。
5.一种锂离子电池，其特征在于，包括正极极片、隔膜、电解液和负极极片，所述正极极片为权利要求2-4任一项所述的电池正极极片。
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