CN109119634A - 一种新型锂离子电池石墨烯导电剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型锂离子电池石墨烯导电剂，所述石墨烯导电剂各组分的质量份数为：10～20份石墨烯、10～30份导电炭黑或导电石墨，50～60份聚偏氟乙烯，100～160份溶剂，1～5份金属氧化物。本发明的导电剂是一种导电性能高，循环性能和倍率性能优良，耐高温、低温性能好的新型锂离子电池石墨烯导电剂。

Description

一种新型锂离子电池石墨烯导电剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种新型锂离子电池石墨烯导电剂及其制备方法。
背景技术
电动汽车、规模化储能及电动工具等新型应用领域的兴起对锂离子电池的性能提出了更高要求。为了保证快速能量存储的性能，锂离子电池的电极必须兼具良好的电子导电性和离子传导性。然而常用的锂离子电池正极材料(钴酸锂、锰酸锂及磷酸铁锂等)和负极材料 (钛酸锂等)都具有较低的电子导通特性，严重制约了锂离子电池材料的容量发挥。为了提高倍率和循环性能，锂离子电池电极需要添加导电剂以构建有效的导电网络。然而，过多添加不参与能量存储的导电剂会降低电极的能量密度，因此需要寻求添加量较少的高效导电添加剂。
石墨烯纳米片是高导电率的二维柔性材料，在能源领域已被广泛研究，将石墨烯加入到商品化电池时，石墨烯的存在对锂离子传输过程产生一定的阻碍，在大倍率下充放电时性能迅速降低的问题。为了解决上述问题，需要提供一种新型石墨烯导电剂。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术中由于石墨烯的团聚作用造成锂离子扩散系数下降，影响锂离子电池的导电性能的缺陷，提供一种导电性能高，循环性能和倍率性能优良，耐高温、低温性能好的新型锂离子电池石墨烯导电剂。
本发明另一个目的是提供一种新型锂离子电池石墨烯导电剂的制备方法。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案为一种新型锂离子电池石墨烯导电剂，所述石墨烯导电剂各组分的质量份数为：10～20份石墨烯、10～30份导电炭黑或导电石墨，50～60份聚偏氟乙烯，100～160 份溶剂，1～5份金属氧化物。石墨烯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，导电石墨的比表面积是20，乙炔黑的比表面积是 700～800，碳纳米管的比表面积是400，科琴黑的比表面积是400～1000，石墨烯的比表面积是2500～2600。
作为优选的技术方案，所述溶剂为聚乙二醇、单乙醇胺、N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种混合。聚乙二醇、单乙醇胺、N-甲基吡咯烷酮提高了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。
作为优选的技术方案，所述石墨烯的层数为1～9层，石墨烯的粒径分布于20～500nm。
作为优选的技术方案，所述导电炭黑和导电石墨包括乙炔黑、超导炭黑、碳纤维、碳纳米管和科琴黑中的一种或几种混合。
作为优选的技术方案，所述金属氧化物为氧化铝、氧化钌或氧化镧中的一种或几种混合。金属氧化物与石墨烯或导电炭黑复合具有协同作用，提高导电效率。
一种新型锂离子电池石墨烯导电剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石墨烯，导电炭黑或导电石墨和溶剂经超声分散10～25min 得到预混液，超声频率为915～2450MHz，将上述预混液在20～30℃下真空干燥12～24h；将石墨烯与导电炭黑或导电石墨采用超声预分散可以提高石墨烯分散的均匀度。
(2)将上述步骤(1)干燥后的固体送入循环管式气流磨机处理 2～5min得到超微粉碎的固体粉末，气流磨机内部为惰性气体，粉碎压力为0.6～0.9MPa，耗气量为15～20m3/min，采用气流磨机对石墨烯和导电石墨进一步分散，避免石墨烯发生团聚效应。
(3)将上述步骤(2)的得到固体粉末与聚偏氟乙烯和金属氧化物搅拌混合得到混合液，将混合液微波分散30～60s得到石墨烯导电剂。
作为优选的技术方案，所述惰性气体为氦气、氩气或氮气。
作为优选的技术方案，所述微波源的频率为2450MHz，最大输出功率为165W。
本发明的优点和有益效果在于：
(1)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；
(2)本发明制备的石墨烯导电剂在制备锂离子电池时的用量仅为现有导电剂用量的50％，并减少了40％的粘结剂用量，100次循环后容量保持率在90％以上，节省了成本，使得锂离子电池更具有竞争力。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
一种新型锂离子电池石墨烯导电剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将20g石墨烯，10g科琴黑和100g聚乙二醇经超声分散10min 得到预混液，超声频率为2450MHz，将上述预混液在20～25℃下真空干燥12h，得到干燥的固体；
(2)将干燥后的固体送入循环管式气流磨机处理2min得到超微粉碎的固体粉末，气流磨机内部气体为氦气，粉碎压力为0.6MPa，耗气量为15m3/min；
(3)将上述步骤(2)的得固体粉末与50g聚偏氟乙烯和2g氧化铝搅拌混合得到混合液，将混合液微波分散30s得到石墨烯导电剂，所述微波源的频率为2450MHz，最大输出功率为165W。
实施例2
一种新型锂离子电池石墨烯导电剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将15g石墨烯，15g乙炔黑和15g超导炭黑和120gN-甲基吡咯烷酮经超声分散10min得到预混液，超声频率为2450MHz，将上述预混液在20～25℃下真空干燥12h，得到干燥的固体；
(2)将干燥后的固体送入循环管式气流磨机处理2min得到超微粉碎的固体粉末，气流磨机内部气体为氩气，粉碎压力为0.6MPa，耗气量为15m3/min；
(3)将上述步骤(2)的得固体粉末与60g聚偏氟乙烯和1g氧化镧搅拌混合得到混合液，将混合液微波分散30s得到石墨烯导电剂，所述微波源的频率为2450MHz，最大输出功率为165W。
实施例3
一种新型锂离子电池石墨烯导电剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将10g石墨烯，10g乙炔黑和10g碳纳米管和150g单乙醇胺经超声分散10min得到预混液，超声频率为2450MHz，将上述预混液在 25～30℃下真空干燥20h，得到干燥的固体；
(2)将干燥后的固体送入循环管式气流磨机处理4min得到超微粉碎的固体粉末，气流磨机内部气体为氩气，粉碎压力为0.8MPa，耗气量为15m3/min；
(3)将上述步骤(2)的得固体粉末与60g聚偏氟乙烯和2g氧化钌搅拌混合得到混合液，将混合液微波分散30s得到石墨烯导电剂，所述微波源的频率为2450MHz，最大输出功率为165W。
对照例
将20g乙炔黑和150g单乙醇胺经超声分散10min得到预混液，超声频率为2450MHz，将预混液与100g聚偏氟乙烯搅拌混合得到混合液。
将实施例1～3制成的石墨烯导电剂与对比例1的导电剂制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；石墨烯导电剂在制备锂离子电池时的用量为现有导电剂的50％，100次循环后容量保持率在90％以上，粘结剂的使用量比现有导电剂的减少40％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种新型锂离子电池石墨烯导电剂，其特征在于，所述石墨烯导电剂各组分的质量份数为：10～20份石墨烯、10～30份导电炭黑或导电石墨，50～60份聚偏氟乙烯，100～160份溶剂，1～5份金属氧化物。
2.根据权利要求1所述的一种新型锂离子电池石墨烯导电剂，其特征在于，所述溶剂为聚乙二醇、单乙醇胺、N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种混合。
3.根据权利要求2所述的一种新型锂离子电池石墨烯导电剂，其特征在于，所述石墨烯的层数为1～9层，石墨烯的粒径分布于20～500nm。
4.根据权利要求3所述的一种新型锂离子电池石墨烯导电剂，其特征在于，所述导电炭黑和导电石墨包括乙炔黑、超导炭黑、碳纤维、碳纳米管和科琴黑中的一种或几种混合。
5.根据权利要求4所述的一种新型锂离子电池石墨烯导电剂，其特征在于，所述金属氧化物为氧化铝、氧化钌或氧化镧中的一种或几种混合。
6.一种如权利要求1所述新型锂离子电池石墨烯导电剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将石墨烯，导电炭黑或导电石墨和溶剂经超声分散10～25min得到预混液，超声频率为915～2450MHz，将上述预混液在20～30℃下真空干燥12～24h；
(2)将上述步骤(1)干燥后的固体送入循环管式气流磨机处理2～5min得到超微粉碎的固体粉末，气流磨机内部为惰性气体，粉碎压力为0.6～0.9MPa，耗气量为15～20m3/min；
(3)将上述步骤(2)的得到固体粉末与聚偏氟乙烯和金属氧化物搅拌混合得到混合液，将混合液微波分散30～60s得到石墨烯导电剂。
7.根据权利要求5所述的一种新型锂离子电池石墨烯导电剂的制备方法，其特征在于，所述惰性气体为氦气、氩气或氮气。
8.根据权利要求6所述的一种新型锂离子电池石墨烯导电剂的制备方法，其特征在于，所述微波源的频率为2450MHz，最大输出功率为165W。
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