CN109888191A - 一种含有纳米金刚石的锂离子电池极片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含有纳米金刚石的锂离子电池极片及其制备方法，制备方法包括：将纳米金刚石与导电剂制成导电浆料；将导电浆料加入粘结剂胶液中分散均匀形成导电胶液；将活性物质加入导电胶液中分散匀浆得到浆液，将浆液涂覆在集流体表面得到所述含有纳米金刚石的锂离子电池极片。本发明提出的含有纳米金刚石的锂离子电池极片的制备方法过程简单，得到的极片导电性好、内阻低、产热量少、结构稳定，能提升锂离子电池的整体性能。

Description

一种含有纳米金刚石的锂离子电池极片及其制备方法

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种含有纳米金刚石的锂离子电池极片及其制备方法。

背景技术

随着人们对环境保护越来越重视以及石油等不可再生能源储量的进一步降低，新能源等可再生能源产业的发展已经在我国上升为国家战略。近年来，锂离子电池以高能量密度、长循环寿命、无记忆效应等优异的电化学性能迅速成为新能源汽车动力电池储能系统的首选，加之社会对环境保护要求提高，锂电池的未来发展前景广阔。

随着新能源汽车技术的发展，对电池的寿命提出了更高的要求，这需要电池具备更低的内阻、更低的产热量以及电池在充放电过程中更稳定的材料体系，电池寿命降低的一个重要原因是正负极极片各组分材料在充放电过程中体积不断的膨胀、收缩导致SEI膜破坏、修复，SEI修复过程需要消耗锂离子而使电池容量衰减加速。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种含有纳米金刚石的锂离子电池极片及其制备方法，制备方法过程简单，得到的极片导电性好、内阻低、产热量少、结构稳定，能提升锂离子电池的整体性能。

本发明提出的一种含有纳米金刚石的锂离子电池极片的制备方法，包括以下步骤：

S1、将纳米金刚石与导电剂制成导电浆料；

S2、将导电浆料加入粘结剂胶液中分散均匀形成导电胶液；

S3、将活性物质加入导电胶液中分散匀浆得到浆液，将浆液涂覆在集流体表面得到所述含有纳米金刚石的锂离子电池极片。

优选地，在S1中，将纳米金刚石、导电剂、有机溶剂和助剂制成导电浆料；所述纳米金刚石为离子注入纳米金刚石，且离子注入量为10¹⁸-10²³原子/cm³。

优选地，所述离子注入纳米金刚石为磷离子注入纳米金刚石、氧离子注入纳米金刚石、硅离子注入纳米金刚石、硼离子注入纳米金刚石中的一种或者多种的混合物；所述导电剂为乙炔黑、碳纳米管、纳米碳纤维、石墨烯中的一种或者多种的混合物；所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、乙醇、丙酮中的任一种。

优选地，在S1中，导电浆料的固含量为3-10wt％，且纳米金刚石、导电剂、助剂的重量比为20-40：40-60：10-20。

优选地，在S1中，所述纳米金刚石的粒径为10-50nm。

优选地，S1中，将纳米金刚石与导电剂制成导电浆料的具体步骤为：将助剂与有机溶剂混合均匀得到混合液，向混合液中加入纳米金刚石，然后以50-100KHz的超声波频率分散处理10-15min，加入导电剂，再以30-50KHz的超声波频率处理10-20min得到所述导电浆料。

优选地，在S2中，导电浆料中固体质量与粘结剂胶液中固体质量的配比为0.5-3：1-5；所述粘结剂胶液的固含量为4-8wt％。

优选地，在S3中，得到的含有纳米金刚石的锂离子电池极片的厚度为60-200μm。

优选地，在S3中，所述浆液中，活性物质的质量占浆液中固体质量的90-98wt％；所述活性物质为磷酸铁锂材料或磷酸锰铁锂材料。

本发明还提出的一种含有纳米金刚石的锂离子电池极片，采用所述含有纳米金刚石的锂离子电池极片的制备方法制备而成。

本发明中，所述导电浆料中固体质量是指将导电浆料烘干后剩余部分的质量；所述粘结剂胶液中固体质量是指将粘结剂胶液烘干后剩余部分的质量；所述浆液中固体质量是指将浆液烘干后剩余部分的质量。

本发明所述含有纳米金刚石的锂离子电池极片的制备方法，与现有技术相比，将结构稳定、导电性能优异的纳米金刚石直接与活性物质共混制备浆液，然后对集流体进行涂覆，工艺简单，成本低，由于纳米金刚石中的碳原子以sp³键结合相对以sp²键结合或非晶碳的导电材料化学稳定性更高，具有优异的结构稳定性，体积膨胀小，可以有效避免材料表面SEI膜的不断破坏重组从而降低锂离子的消耗，同时通过离子注入的方式在材料的缺陷或边界处引入氧离子、磷离子等离子可以进一步提高纳米金刚石材料的导电性，降低极片的内阻和产热量，有效降低极片在电池中副反应的产生而提高电池的电性能及使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例3制备的极片制作的电池与对比例制备的极片制作的电池的循环结果对比图。

具体实施方式

下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

本发明提出的一种含有纳米金刚石的锂离子电池极片的制备方法，包括以下步骤：

S1、按照导电浆料总固含量为6％且助剂、离子注入的纳米金刚石、导电剂碳纳米管的重量配比为15：30：55的条件，分别称量助剂、离子注入的纳米金刚石、碳纳米管及溶剂NMP的质量，然后将称量好的助剂先与NMP混合均匀得到混合液，然后向混合液中加入离子注入的纳米金刚石，并以80KHz的超声波频率分散处理15min形成悬浊液，最后加入导电剂碳纳米管混合均匀，再以40KHz的超声波频率处理15min制成导电浆料；

S2、将HSV 900溶解于NMP中形成固含量为8％的粘结剂胶液，按照导电浆料中固体质量与粘结剂胶液中固体质量的配比为3：4的比例将导电浆料加入粘结剂胶液中混合均匀形成导电胶液；

S3、将活性物质磷酸铁锂加入S2中制备的导电胶液中，高速搅拌分散4小时后静置3小时得到浆液，其中，磷酸铁锂的质量占浆液中固体质量的93％，再将浆液涂覆到厚度为15μm的涂炭铝集流体上形成总厚度为120μm的极片。

实施例2

本发明提出的一种含有纳米金刚石的锂离子电池极片的制备方法，包括以下步骤：

S1、首先按照导电浆料总固含量为8％且助剂：纳米金刚石：导电剂碳纳米管的重量配比为10：40：50的条件，分别称量助剂、离子注入的纳米金刚石粉末、碳纳米管及溶剂NMP的质量，然后将称量好的助剂先与NMP混合均匀得到混合液，然后向混合液中加入离子注入的纳米金刚石粉末并以80KHz的超声波频率分散处理15min形成悬浊液，最后加入导电剂碳纳米管混合均匀再以40KHz的超声波频率处理20min制成导电浆料；

S2、按照粘结剂胶液固含量为7％的配比，将HSV 900溶解于NMP中得到粘结剂胶液，再将导电浆料按照导电浆料中固体质量：粘结剂胶液中固体质量比为5：2.5的配比加入粘结剂胶液中混合均匀制备导电胶液；

S3、将磷酸铁锂加入S2中制备的导电胶液中，高速搅拌分散4小时后静置3小时形成浆液，其中，磷酸铁锂的质量占浆液中固体质量的92.5％，然后涂覆到厚度为15μm的涂炭铝集流体上形成总厚度为140μm的极片。

实施例3

本发明提出的一种含有纳米金刚石的锂离子电池极片的制备方法，包括以下步骤：

S1、首先按照导电浆料总固含量为8％且助剂、离子注入的纳米金刚石粉末、导电剂碳纳米管的重量配比为20：20：60的设计，分别称量助剂、离子注入的纳米金刚石粉末、碳纳米管及溶剂NMP的质量，然后将称量好的助剂先与NMP混合均匀，然后加入离子注入的纳米金刚石粉末并以80KHz的超声波频率分散处理15min形成悬浊液，最后加入导电剂碳纳米管混合均匀，再以40KHz的超声波频率处理20min制成导电浆料；

S2、将HSV 900溶解于NMP中形成粘结剂胶液，其中，粘结剂胶液的固含量为7％，再将导电浆料加入粘结剂胶液中混合均匀形成导电胶液，其中，导电浆料中固体质量与粘结剂胶液中固体质量的配比为1.5：2；

S3、将磷酸铁锂加入S2中制备的导电胶液中高速搅拌分散5小时后静置3小时得到浆液，其中，磷酸铁锂的质量占浆液中固体质量的96.5％，再将浆液涂覆到厚度为15μm的涂炭铝集流体上形成总厚度为130μm的极片。

实施例4

本发明提出的一种含有纳米金刚石的锂离子电池极片的制备方法，包括以下步骤：

S1、首先按照导电浆料总固含量为8％且助剂：纳米金刚石：导电剂石墨烯的重量配比为20：40：40的设计，分别称量助剂、离子注入的纳米金刚石粉末、石墨烯及溶剂NMP的质量，然后将称量好的助剂先与NMP溶剂混合均匀得到混合液，然后向混合液中加入离子注入的纳米金刚石粉末并以80KHz的超声波频率分散处理20min形成悬浊液，最后加入导电剂石墨烯混合均匀再以40KHz的超声波频率处理10min制成导电浆料；

S2、按照粘结剂固含量为8％的配比将称量好的HSV 900溶解于NMP中形成粘结剂胶液，再将导电浆料按照导电浆料中固体质量与粘结剂胶液中固体质量比为3.5：2的配比加入粘结剂胶液中混合均匀制备导电胶液；

S3、将磷酸铁锂加入S2中制备的导电胶液中高速搅拌分散4小时后静置3小时得到浆液，其中，磷酸铁锂的质量为浆液中固体质量的94.5％，再将浆液涂覆到厚度为15μm的涂炭铝集流体上形成总厚度为110μm的极片。

实施例5

本发明提出的一种含有纳米金刚石的锂离子电池极片的制备方法，包括以下步骤：

S1、首先按照导电浆料总固含量为8％且助剂：离子注入的纳米金刚石粉末：导电剂SP的重量配比为10：30：60的设计，分别称量助剂、离子注入的纳米金刚石粉末、导电剂SP及溶剂NMP的质量，然后将称量好的助剂先与NMP溶剂混合均匀得到混合液，然后向混合液中加入离子注入的纳米金刚石粉末并以80KHz的超声波频率分散处理20min形成悬浊液，最后加入导电剂SP混合均匀再以40KHz的超声液频率处理10min制成导电浆料；

S2、按照粘结剂固含量为8％的配比将称量好的HSV 900溶解于NMP中形成粘结剂胶液，再将导电浆料加入粘结剂胶液中混合均匀得到导电胶液，其中，导电浆料中固体质量与粘结剂胶液中固体质量的配比为3.5：2；

S3、将磷酸铁锂加入S2中制备的导电胶液中高速搅拌分散4小时后静置3小时得到浆液，其中，磷酸铁锂的质量为浆液中固体质量的94.5％，再将浆液涂覆到厚度为15μm的涂炭铝集流体上，形成总厚度为100μm的极片。

对比例

本对比例包括以下步骤：

S1、将HSV 900按照8％固含量溶于NMP中制备粘结剂胶液；

S2、按照导电剂碳纳米管：粘结剂胶液中固体的质量比为1.5：2的配比将称量好的碳纳米管加入粘结剂胶液中分散混合均匀得到导电胶液；

S3、将活性物质磷酸铁锂加入S2中制备的导电胶液中高速搅拌分散5小时后静置3小时形成浆液，其中，磷酸铁锂的重量占浆液中固体质量的96.5％，将浆液涂覆到厚度为15μm的涂炭铝集流体上，形成总厚度为130μm的极片。

将实施例3与对比例制备的极片分别组装成扣式电池进行测试。具体步骤为：将实施例3及对比例制备的极片使用压片机将活性物质与集流体进行压实，再使用专用模切刀具，切成若干圆形极片并称量重量，取正负极壳体、隔膜、锂片、垫片与制备的极片分别组装成扣式电池进行测试，表1为两款扣电倍率测试结果，结果表明实施例3极片制备的扣电具有更高首效，同时其倍率放电性能更好，极片的极化要小于对比例的极片。图1为实施例3、对比例极片组装后扣电的循环图，结果表明实施例3极片具有更好的循环性能，电池极片在循环过程中的副反应较少有利于提高极片的循环寿命。

表1

实施例6

本发明提出的一种含有纳米金刚石的锂离子电池极片的制备方法，包括以下步骤：

S1、将纳米金刚石与导电剂制成导电浆料；

S2、将导电浆料加入粘结剂胶液中分散均匀形成导电胶液；

S3、将活性物质加入导电胶液中分散匀浆得到浆液，将浆液涂覆在集流体表面得到所述含有纳米金刚石的锂离子电池极片。

实施例7

本发明提出的一种含有纳米金刚石的锂离子电池极片的制备方法，包括以下步骤：

S1、将纳米金刚石与导电剂制成导电浆料；

S2、将导电浆料加入粘结剂胶液中分散均匀形成导电胶液；

S3、将活性物质加入导电胶液中分散匀浆得到浆液，将浆液涂覆在集流体表面得到所述含有纳米金刚石的锂离子电池极片；

其中，在S1中，将纳米金刚石、导电剂、有机溶剂和助剂制成导电浆料；所述纳米金刚石为离子注入纳米金刚石，且离子注入量为10²³原子/cm³；

所述离子注入纳米金刚石为磷离子注入纳米金刚石；所述导电剂为乙炔黑；所述有机溶剂为丙酮；

在S1中，导电浆料的固含量为3wt％，且纳米金刚石、导电剂、助剂的重量比为40：40：20；

在S1中，所述纳米金刚石的粒径为10-30nm；

S1中，将纳米金刚石与导电剂制成导电浆料的具体步骤为：将助剂与有机溶剂混合均匀得到混合液，向混合液中加入纳米金刚石，然后以100KHz的超声波频率分散处理10min，加入导电剂，再以50KHz的超声波频率处理10min得到所述导电浆料；

在S2中，导电浆料中固体质量与粘结剂胶液中固体质量的配比为1：1；所述粘结剂胶液的固含量为8wt％；

在S3中，得到的含有纳米金刚石的锂离子电池极片的厚度为60μm；

在S3中，所述浆液中，活性物质的质量占浆液中固体质量的98wt％；所述活性物质为磷酸铁锂材料。

本发明还提出的一种含有纳米金刚石的锂离子电池极片，采用所述含有纳米金刚石的锂离子电池极片的制备方法制备而成。

实施例8

本发明提出的一种含有纳米金刚石的锂离子电池极片的制备方法，包括以下步骤：

S1、将纳米金刚石与导电剂制成导电浆料；

S2、将导电浆料加入粘结剂胶液中分散均匀形成导电胶液；

S3、将活性物质加入导电胶液中分散匀浆得到浆液，将浆液涂覆在集流体表面得到所述含有纳米金刚石的锂离子电池极片；

其中，在S1中，将纳米金刚石、导电剂、有机溶剂和助剂制成导电浆料；所述纳米金刚石为离子注入纳米金刚石，且离子注入量为10¹⁸原子/cm³；

所述离子注入纳米金刚石为氧离子注入纳米金刚石；所述导电剂为纳米碳纤维；所述有机溶剂为乙醇；

在S1中，导电浆料的固含量为10wt％，且纳米金刚石、导电剂、助剂的重量比为20：60：20；

在S1中，所述纳米金刚石的粒径为20-50nm；

S1中，将纳米金刚石与导电剂制成导电浆料的具体步骤为：将助剂与有机溶剂混合均匀得到混合液，向混合液中加入纳米金刚石，然后以50KHz的超声波频率分散处理15min，加入导电剂，再以30KHz的超声波频率处理20min得到所述导电浆料；

在S2中，导电浆料中固体质量与粘结剂胶液中固体质量的配比为3：5；所述粘结剂胶液的固含量为4wt％；

在S3中，得到的含有纳米金刚石的锂离子电池极片的厚度为200μm；

在S3中，所述浆液中，活性物质的质量占浆液中固体质量的92wt％；所述活性物质为磷酸锰铁锂材料。

本发明还提出的一种含有纳米金刚石的锂离子电池极片，采用所述含有纳米金刚石的锂离子电池极片的制备方法制备而成。

实施例9

本发明提出的一种含有纳米金刚石的锂离子电池极片的制备方法，包括以下步骤：

S1、将纳米金刚石与导电剂制成导电浆料；

S2、将导电浆料加入粘结剂胶液中分散均匀形成导电胶液；

S3、将活性物质加入导电胶液中分散匀浆得到浆液，将浆液涂覆在集流体表面得到所述含有纳米金刚石的锂离子电池极片；

其中，在S1中，将纳米金刚石、导电剂、有机溶剂和助剂制成导电浆料；所述纳米金刚石为离子注入纳米金刚石，且离子注入量为10²¹原子/cm³；

所述离子注入纳米金刚石为磷离子注入纳米金刚石、氧离子注入纳米金刚石、硅离子注入纳米金刚石、硼离子注入纳米金刚石的混合物；所述导电剂为乙炔黑、碳纳米管、纳米碳纤维、石墨烯的混合物；所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮；

在S1中，导电浆料的固含量为7wt％，且纳米金刚石、导电剂、助剂的重量比为35：55：10；

在S1中，所述纳米金刚石的粒径为10-50nm；

S1中，将纳米金刚石与导电剂制成导电浆料的具体步骤为：将助剂与有机溶剂混合均匀得到混合液，向混合液中加入纳米金刚石，然后以80KHz的超声波频率分散处理12min，加入导电剂，再以40KHz的超声波频率处理15min得到所述导电浆料；

在S2中，导电浆料中固体质量与粘结剂胶液中固体质量的配比为2：3；所述粘结剂胶液的固含量为7wt％；

在S3中，得到的含有纳米金刚石的锂离子电池极片的厚度为100μm；

在S3中，所述浆液中，活性物质的质量占浆液中固体质量的95wt％；所述活性物质为磷酸铁锂材料。

本发明还提出的一种含有纳米金刚石的锂离子电池极片，采用所述含有纳米金刚石的锂离子电池极片的制备方法制备而成。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种含有纳米金刚石的锂离子电池极片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将纳米金刚石与导电剂制成导电浆料；

S2、将导电浆料加入粘结剂胶液中分散均匀形成导电胶液；

S3、将活性物质加入导电胶液中分散匀浆得到浆液，将浆液涂覆在集流体表面得到所述含有纳米金刚石的锂离子电池极片。

2.根据权利要求1所述含有纳米金刚石的锂离子电池极片的制备方法，其特征在于，在S1中，将纳米金刚石、导电剂、有机溶剂和助剂制成导电浆料；所述纳米金刚石为离子注入纳米金刚石，且离子注入量为10¹⁸-10²³原子/cm³。

3.根据权利要求2所述含有纳米金刚石的锂离子电池极片的制备方法，其特征在于，所述离子注入纳米金刚石为磷离子注入纳米金刚石、氧离子注入纳米金刚石、硅离子注入纳米金刚石、硼离子注入纳米金刚石中的一种或者多种的混合物；所述导电剂为乙炔黑、碳纳米管、纳米碳纤维、石墨烯中的一种或者多种的混合物；所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、乙醇、丙酮中的任一种。

4.根据权利要求2或3所述含有纳米金刚石的锂离子电池极片的制备方法，其特征在于，在S1中，导电浆料的固含量为3-10wt％，且纳米金刚石、导电剂、助剂的重量比为20-40：40-60：10-20。

5.根据权利要求1-4中任一项所述含有纳米金刚石的锂离子电池极片的制备方法，其特征在于，在S1中，所述纳米金刚石的粒径为10-50nm。

6.根据权利要求1-5中任一项所述含有纳米金刚石的锂离子电池极片的制备方法，其特征在于，S1中，将纳米金刚石与导电剂制成导电浆料的具体步骤为：将助剂与有机溶剂混合均匀得到混合液，向混合液中加入纳米金刚石，然后以50-100KHz的超声波频率分散处理10-15min，加入导电剂，再以30-50KHz的超声波频率处理10-20min得到所述导电浆料。

7.根据权利要求1-6中任一项所述含有纳米金刚石的锂离子电池极片的制备方法，其特征在于，在S2中，导电浆料中固体质量与粘结剂胶液中固体质量的配比为0.5-3：1-5；所述粘结剂胶液的固含量为4-8wt％。

8.根据权利要求1-7中任一项所述含有纳米金刚石的锂离子电池极片的制备方法，其特征在于，在S3中，得到的含有纳米金刚石的锂离子电池极片的厚度为60-200μm。

9.根据权利要求1-8中任一项所述含有纳米金刚石的锂离子电池极片的制备方法，其特征在于，在S3中，所述浆液中，活性物质的质量占浆液中固体质量的90-98wt％；所述活性物质为磷酸铁锂材料或磷酸锰铁锂材料。

10.一种含有纳米金刚石的锂离子电池极片，其特征在于，采用如权利要求1-9中任一项所述含有纳米金刚石的锂离子电池极片的制备方法制备而成。