CN109994704A - 一种用于锂离子电池高导电性石墨烯/碳纳米管复合涂层及其制备方法 - Google Patents

一种用于锂离子电池高导电性石墨烯/碳纳米管复合涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于锂离子电池高导电性石墨烯/碳纳米管复合涂层的制备方法，包括如下步骤：(1)氧化石墨烯溶液的制备；(2)纳米硅溶液的制备；(3)均氧化石墨烯/纳米硅混合溶液的制备；(4)均匀稳定的氧化石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液的制备；(5)石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液的制备；(6)涂层浆料的制备；(7)将步骤6中得到的涂层浆料涂覆在集流体上，干燥后得到锂离子电池高导电性石墨烯/碳纳米管复合涂层。本发明的一种用于锂离子电池高导电性石墨烯/碳纳米管复合涂层的制备方法，安全环保、稳定性好，并可显著提高锂离子电池的电化学性能，避免了石墨烯团聚现象，有利于与碳纳米管的复合。

Description

一种用于锂离子电池高导电性石墨烯/碳纳米管复合涂层及 其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及一种用于锂离子电池高导电性石墨烯/碳纳米管复合涂层及其制备方法。
背景技术
目前，随着新能源技术的发展，对于锂离子动力电池的需求日益增长。单支电池的使用需求转变为多串并组合电池的使用需求，并且传统的锂离子电池难以满足动力电池高一致性和长使用寿命的要求。利用功能涂层材料对电池的正极、负极进行表面处理并形成功能涂层是一项突破性的技术创新。
然而，现有的这种功能涂层材料为纳米级，微小颗粒在浆料分散好后，易团聚形成大颗粒，影响浆料的稳定性和涂覆效果。并且，因人们对电动汽车续航里程日益增长的要求，电池组整体容量提升，动力电池比能量越高，安全性面料的挑战越大，提高电池模组的安全性尤其重要，特别是三元动力电池模组的热失控和抗挤压的安全性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于锂离子电池高导电性石墨烯/碳纳米管复合涂层的制备方法,安全环保、稳定性好，并可显著提高锂离子电池的电化学性能，避免了石墨烯团聚现象，有利于与碳纳米管的复合，同时提高电池模组的热失控和抗挤压的安全性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种用于锂离子电池高导电性石墨烯/碳纳米管复合涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)氧化石墨烯溶液的制备：将氧化石墨烯加入到水中超声分散50-60min，得到氧化石墨浮液；
(2)纳米硅溶液的制备：将纳米硅粉末加入到N-甲基吡咯烷酮中，超声分散10～30min，得到纳米硅溶液；
(3)将步骤1中得到的氧化石墨烯溶液和步骤2中得到的纳米硅溶液混合，超声1-2h,得到均氧化石墨烯/纳米硅混合溶液；
(4)将碳纳米管加入到氧化石墨烯/纳米硅混合溶液中，超声1-3h,并通过离心取上层黑色液体，得到均匀稳定的氧化石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液；
(5)再将氧化石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液放入微波炉或管式炉中在惰性气体气氛中进行热处理，得到石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液；
(6)将氢氧化钙加入粘结剂和蒸馏水中，搅拌1-2h，再加入陶瓷材料颗粒、石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液和分散剂，搅拌1-3h后并研磨和分散直至分散均匀，得到涂层浆料；
(7)将步骤6中得到的涂层浆料涂覆在集流体上，干燥后得到锂离子电池高导电性石墨烯/碳纳米管复合涂层。
优选的，步骤1中，氧化石墨烯与水的质量比为1-5:10-20。
优选的，步骤2中，纳米硅粉末与N-甲基吡咯烷酮的质量比为1-3:6-10。
优选的，步骤3中，氧化石墨烯溶液与纳米硅溶液的质量比为20-30:5-8。
优选的，步骤4中，碳纳米管与氧化石墨烯/纳米硅混合溶液的质量比为1-4:10-25。
优选的，步骤6中，陶瓷材料颗粒为氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化锌中的一种，粘结剂选用聚偏氟乙烯、聚丙烯酸酯、羟甲基纤维素钠盐、丁苯橡胶中的一种，分散剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酰胺中的一种。
优选的，步骤6中，氢氧化钙、粘结剂、蒸馏水、陶瓷材料颗粒、石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液和分散剂的质量比为2-5：1-3:50-80:10-20:40-60:1-3。
优选的，步骤4中，离心速率为6000-12000rpm,离心时间为10-40min。
本发明具有以下有益效果：本发明的一种用于锂离子电池高导电性石墨烯/碳纳米管复合涂层的制备方法，安全环保、稳定性好，并可显著提高锂离子电池的电化学性能，纳米硅能够很好的分散在石墨烯的片层之间，防止团聚现象，有利于与碳纳米管的复合；陶瓷材料颗粒的加入，在电池被热滥用和挤压时，其良好绝缘和隔热性能，可减少热量的产生和传递，防止电池发生热失控，从而提高电池的安全性能。
具体实施方式
实施例1
一种用于锂离子电池高导电性石墨烯/碳纳米管复合涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)氧化石墨烯溶液的制备：将氧化石墨烯加入到水中超声分散50min，得到氧化石墨浮液；氧化石墨烯与水的质量比为1:10；
(2)纳米硅溶液的制备：将纳米硅粉末加入到N-甲基吡咯烷酮中，超声分散10min，得到纳米硅溶液；纳米硅粉末与N-甲基吡咯烷酮的质量比为1:6；
(3)将步骤1中得到的氧化石墨烯溶液和步骤2中得到的纳米硅溶液混合，超声1h,得到均氧化石墨烯/纳米硅混合溶液；氧化石墨烯溶液与纳米硅溶液的质量比为20:5；
(4)将碳纳米管加入到氧化石墨烯/纳米硅混合溶液中，超声1h,并通过离心取上层黑色液体，得到均匀稳定的氧化石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液；碳纳米管与氧化石墨烯/纳米硅混合溶液的质量比为1:10；离心速率为6000rpm,离心时间为10min；
(5)再将氧化石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液放入微波炉或管式炉中在惰性气体气氛中进行热处理，得到石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液；
(6)将氢氧化钙加入聚偏氟乙烯和蒸馏水中，搅拌1h，再加入氧化铝、石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液和聚乙烯吡咯烷酮，搅拌1h后并研磨和分散直至分散均匀，得到涂层浆料；氢氧化钙、聚偏氟乙烯、蒸馏水、氧化铝、石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为2：1:50:10:40:1；
(7)将步骤6中得到的涂层浆料涂覆在集流体上，干燥后得到锂离子电池高导电性石墨烯/碳纳米管复合涂层。
实施例2
一种用于锂离子电池高导电性石墨烯/碳纳米管复合涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)氧化石墨烯溶液的制备：将氧化石墨烯加入到水中超声分散60min，得到氧化石墨浮液；氧化石墨烯与水的质量比为5:20；
(2)纳米硅溶液的制备：将纳米硅粉末加入到N-甲基吡咯烷酮中，超声分散30min，得到纳米硅溶液；纳米硅粉末与N-甲基吡咯烷酮的质量比为3:10；
(3)将步骤1中得到的氧化石墨烯溶液和步骤2中得到的纳米硅溶液混合，超声2h,得到均氧化石墨烯/纳米硅混合溶液；氧化石墨烯溶液与纳米硅溶液的质量比为30:8；
(4)将碳纳米管加入到氧化石墨烯/纳米硅混合溶液中，超声3h,并通过离心取上层黑色液体，得到均匀稳定的氧化石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液；碳纳米管与氧化石墨烯/纳米硅混合溶液的质量比为4:25；离心速率为12000rpm,离心时间为40min；
(5)再将氧化石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液放入微波炉或管式炉中在惰性气体气氛中进行热处理，得到石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液；
(6)将氢氧化钙加入聚丙烯酸酯和蒸馏水中，搅拌2h，再加入氧化锆、石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液和聚乙烯醇，搅拌3h后并研磨和分散直至分散均匀，得到涂层浆料；氢氧化钙、聚丙烯酸酯、蒸馏水、氧化锆、石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液和聚乙烯醇的质量比为5：3:80:20:60:3；
(7)将步骤6中得到的涂层浆料涂覆在集流体上，干燥后得到锂离子电池高导电性石墨烯/碳纳米管复合涂层。
实施例3
一种用于锂离子电池高导电性石墨烯/碳纳米管复合涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)氧化石墨烯溶液的制备：将氧化石墨烯加入到水中超声分散55min，得到氧化石墨浮液；氧化石墨烯与水的质量比为2:13；
(2)纳米硅溶液的制备：将纳米硅粉末加入到N-甲基吡咯烷酮中，超声分散18min，得到纳米硅溶液；纳米硅粉末与N-甲基吡咯烷酮的质量比为2:8；
(3)将步骤1中得到的氧化石墨烯溶液和步骤2中得到的纳米硅溶液混合，超声2h,得到均氧化石墨烯/纳米硅混合溶液；氧化石墨烯溶液与纳米硅溶液的质量比为25:6；
(4)将碳纳米管加入到氧化石墨烯/纳米硅混合溶液中，超声2h,并通过离心取上层黑色液体，得到均匀稳定的氧化石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液；碳纳米管与氧化石墨烯/纳米硅混合溶液的质量比为2:15；离心速率为8000rpm,离心时间为20min；
(5)再将氧化石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液放入微波炉或管式炉中在惰性气体气氛中进行热处理，得到石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液；
(6)将氢氧化钙加入羟甲基纤维素钠盐和蒸馏水中，搅拌2h，再加入氧化镁、石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液和聚乙二醇，搅拌2h后并研磨和分散直至分散均匀，得到涂层浆料；氢氧化钙、羟甲基纤维素钠盐、蒸馏水、氧化镁、石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液和聚乙二醇的质量比为3：2:60:15:48:2；
(7)将步骤6中得到的涂层浆料涂覆在集流体上，干燥后得到锂离子电池高导电性石墨烯/碳纳米管复合涂层。
实施例4
一种用于锂离子电池高导电性石墨烯/碳纳米管复合涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)氧化石墨烯溶液的制备：将氧化石墨烯加入到水中超声分散57min，得到氧化石墨浮液；氧化石墨烯与水的质量比为4:18；
(2)纳米硅溶液的制备：将纳米硅粉末加入到N-甲基吡咯烷酮中，超声分散27min，得到纳米硅溶液；纳米硅粉末与N-甲基吡咯烷酮的质量比为2:8；
(3)将步骤1中得到的氧化石墨烯溶液和步骤2中得到的纳米硅溶液混合，超声2h,得到均氧化石墨烯/纳米硅混合溶液；氧化石墨烯溶液与纳米硅溶液的质量比为28:7；
(4)将碳纳米管加入到氧化石墨烯/纳米硅混合溶液中，超声2h,并通过离心取上层黑色液体，得到均匀稳定的氧化石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液；碳纳米管与氧化石墨烯/纳米硅混合溶液的质量比为3:22；离心速率为10000rpm,离心时间为30min；
(5)再将氧化石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液放入微波炉或管式炉中在惰性气体气氛中进行热处理，得到石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液；
(6)将氢氧化钙加入丁苯橡胶和蒸馏水中，搅拌2h，再加入氧化锌、石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液和聚丙烯酰胺，搅拌2h后并研磨和分散直至分散均匀，得到涂层浆料；氢氧化钙、丁苯橡胶、蒸馏水、氧化锌、石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液和聚丙烯酰胺的质量比为4：2:70:17:55:2；
(7)将步骤6中得到的涂层浆料涂覆在集流体上，干燥后得到锂离子电池高导电性石墨烯/碳纳米管复合涂层。

Claims (8)

1.一种用于锂离子电池高导电性石墨烯/碳纳米管复合涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)氧化石墨烯溶液的制备：将氧化石墨烯加入到水中超声分散50-60min，得到氧化石墨浮液；
(2)纳米硅溶液的制备：将纳米硅粉末加入到N-甲基吡咯烷酮中，超声分散10～30min，得到纳米硅溶液；
(3)将步骤1中得到的氧化石墨烯溶液和步骤2中得到的纳米硅溶液混合，超声1-2h,得到均氧化石墨烯/纳米硅混合溶液；
(4)将碳纳米管加入到氧化石墨烯/纳米硅混合溶液中，超声1-3h,并通过离心取上层黑色液体，得到均匀稳定的氧化石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液；
(5)再将氧化石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液放入微波炉或管式炉中在惰性气体气氛中进行热处理，得到石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液；
(6)将氢氧化钙加入粘结剂和蒸馏水中，搅拌1-2h，再加入陶瓷材料颗粒、石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液和分散剂，搅拌1-3h后并研磨和分散直至分散均匀，得到涂层浆料；
(7)将步骤6中得到的涂层浆料涂覆在集流体上，干燥后得到锂离子电池高导电性石墨烯/碳纳米管复合涂层。
2.根据权利要求1所述的一种用于锂离子电池高导电性石墨烯/碳纳米管复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤1中，氧化石墨烯与水的质量比为1-5:10-20。
3.根据权利要求1所述的一种用于锂离子电池高导电性石墨烯/碳纳米管复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤2中，纳米硅粉末与N-甲基吡咯烷酮的质量比为1-3:6-10。
4.根据权利要求1所述的一种用于锂离子电池高导电性石墨烯/碳纳米管复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤3中，氧化石墨烯溶液与纳米硅溶液的质量比为20-30:5-8。
5.根据权利要求1所述的一种用于锂离子电池高导电性石墨烯/碳纳米管复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤4中，碳纳米管与氧化石墨烯/纳米硅混合溶液的质量比为1-4:10-25。
6.根据权利要求1所述的一种用于锂离子电池高导电性石墨烯/碳纳米管复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤6中，陶瓷材料颗粒为氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化锌中的一种，粘结剂选用聚偏氟乙烯、聚丙烯酸酯、羟甲基纤维素钠盐、丁苯橡胶中的一种，分散剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酰胺中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种用于锂离子电池高导电性石墨烯/碳纳米管复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤6中，氢氧化钙、粘结剂、蒸馏水、陶瓷材料颗粒、石墨烯/纳米硅/碳纳米管混合溶液和分散剂的质量比为2-5：1-3:50-80:10-20:40-60:1-3。
8.根据权利要求1所述的一种用于锂离子电池高导电性石墨烯/碳纳米管复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤4中，离心速率为6000-12000rpm,离心时间为10-40min。
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