CN110364738A - 一种类石墨烯复合正极集流体及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于锂离子电池技术领域，公开一种类石墨烯复合正极集流体及其制备方法和应用，该正极集流体是将芳香二酐单体和二胺单体加入到溶剂中混合，在氮气下，40～60℃下搅拌反应，然后采用涂布法将得到的聚酰胺酸前驱体溶液制成薄膜，在250～400℃处理，再将得到的聚酰亚胺隔膜在1500～1700℃下进行碳化处理，得到碳化聚酰亚胺隔膜；将碳化聚酰亚胺隔膜在2700～3000℃进行石墨化处理，最后将得到的类石墨烯导热膜进行辊压处理后，在其上镀金属铝箔制得。该集流体导热、导电性能非常好，延展性及柔性高，可以应用于高功率、快充锂离子电池正极集流体材料，最终实现在高功率/快充锂离子正极片的应用。

Description

一种类石墨烯复合正极集流体及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于高性能/高能量密度锂离子电池正极集流体材料技术领域，更具体地，涉及一种类石墨烯复合正极集流体及其制备方法和应用。
背景技术
我国新能源汽车产业虽经过近几年的蓬勃发展，展现欣欣向荣的画面，但却已经达到了某个瓶颈期，即无法进一步提高电芯的能量密度。目前而言，大部分生产厂家都是采用提高材料的克容量(如NCM811、NCA、高电压LCO、单晶NCM523或硅碳负极材料)的方式去进一步提高电芯的能量密度，该法在能量密度≤300Wh/kg时，会起到提升的作用，但是随之所带来的安全隐患也大幅增加。因此，针对人们对于长续航、快速充电及高安全可靠性电芯的急切需求，迫切需要找寻某种方便、快捷及安全的方式，来突破现有的技术难点。
相比于传统的正极集流体铝箔(导热系数＝230W/m·K，密度＝2.7g/cm3)，类石墨烯导热膜作为一种全新的导热散热材料，具有热阻低(导热系数≥1400W/m·K)、质量轻(密度～1.5g/cm3)、柔性超薄(厚度10～30um)等特点，因此，非常适用于开发锂离子电池用轻量化/高导热类石墨烯复合正极集流体箔材，并进一步探索开发其在高性能/高能量密度软包电芯产品中的高端应用。
发明内容
为了解决上述现有技术中传统铝箔正极集流体材料在高性能/高能量密度锂离子电池应用中存在的不足和缺点，本发明的首要目的在于提供一种高导热锂离子电池用类石墨烯复合正极集流体。该复合正极集流体具有较好的柔性，高导电/导热性能，可以突破目前市场上锂离子电池能量密度低技术瓶颈，并大幅提高产品能量密度。可以快速将电芯在大倍率充放电时产生的热量散发，避免局部温度过高现象，从而可以提升其倍率性能，改善循环稳定性，并可降低温度过高所产生的安全隐患。
本发明的另一目的在于提供一种上述高导热锂离子电池用类石墨烯复合正极集流体的制备方法。
本发明的再一目的在于提供一种上述高导热锂离子电池用类石墨烯复合正极集流体的应用。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种类石墨烯复合正极集流体，该类石墨烯复合正极集流体为金属铝箔层/类石墨烯导热膜/金属铝箔层结构，是将芳香二酐单体和二胺单体加入到溶剂中混合，在氮气保护下，40～60℃下搅拌反应，然后采用涂布法将得到的聚酰胺酸前驱体溶液制成薄膜，在250～400℃处理，再将得到的聚酰亚胺隔膜在1500～1700℃下进行碳化处理，得到碳化聚酰亚胺隔膜；将碳化聚酰亚胺隔膜在2700～3000℃进行石墨化处理，最后将得到的类石墨烯导热膜进行辊压处理后，在其上镀金属铝箔制得。
优选地，所述的芳香二酐单体为均苯四甲酸二酐、二苯醚四酐、二硫醚四酐、1,2,4,5-苯四酸酐、3,3',4,4'-联苯四羧酸二酐、4,4'-氧双邻苯二甲酸酐、3,3',4,4'-二苯基砜四羧酸二酸酐或3,3',4,4'-二苯甲酮四甲酸二酐中的一种以上。
优选地，所述的二胺单体为4,4'-双(3-氨基苯氧基)二苯砜、4,4'-二氨基二苯醚(ODA)、4,4'-双(3-氨基苯氧基)、二苯醚或4,4'-双(3-氨基苯氧基)二苯硫醚中的一种以上。
优选地，所述的溶剂为二甲基乙酰胺或N,N-甲基乙酰胺。
优选地，所述芳香二酐单体的摩尔、二胺单体的摩尔和溶剂的体积比为(1～1.5)mmol：(1.5～2.5)mmol：(5～8)m1。
优选地，所述类石墨烯导热膜辊压后的厚度为10～25μm，导热率≥1400(W/mK)，密度为1.7～2.1g/cm3。
优选地，所述单层金属铝箔层的厚度为1～5μm。
所述的类石墨烯复合正极集流体的制备方法，包括如下具体步骤：
S1.将芳香二酐单体和二胺单体加入到溶剂中混合，在氮气保护下，40～60℃下搅拌反应，得到聚酰胺酸前驱体溶液；
S2.采用涂布法将聚酰胺酸前驱体溶液制成薄膜，在250～400℃处理，得到聚酰亚胺隔膜；
S3.将聚酰亚胺隔膜在1500～1700℃下进行碳化处理，得到碳化聚酰亚胺隔膜；
S4.将碳化聚酰亚胺隔膜在2700～3000℃进行石墨化处理，得到类石墨烯导热膜；
S5.在类石墨烯导热膜进行辊压处理后的导热膜上镀金属铝箔，得到类石墨烯复合正极集流体。
优选地，步骤S1中所述搅拌的时间为8～20h；步骤S2中所述热处理的时间20～120min；步骤S3中所述碳化的时间为12～36h；步骤S4中所述石墨化的时间为12～36h。
所述的类石墨烯复合正极集流体在高导热锂离子电池领域中的应用。
本发明先将二酸酐、二胺单体混合后，在氮气保护下连续搅拌反应一段时间，待两者充分混合均匀并完全反应即可得到聚酰胺酸前驱体溶液(PAA)，然后，再通过涂布工艺，得到薄膜，然后在一定温度下热处理后，得到聚酰亚胺隔膜(PI)。之后将PI隔膜放入高温炉子中，在一定温度下进行碳化处理，得到碳化PI隔膜。之后将碳化PI隔膜置入超高温石墨化炉中，在一定温度保温一段时间，对其进行石墨化处理，即可得到类石墨烯导热膜，类石墨烯导热膜进行辊压处理，则可以得到不同厚度、导热系数及机械强度的导热膜材料。最后将辊压后的类石墨烯导热膜置入真空蒸镀室，在导热膜上蒸镀一定厚度的金属铝箔，即可得到一种高导热锂离子电池用类石墨烯复合正极集流体。在该复合材料中，类石墨烯复合正极集流体既具有类石墨烯的高导热及低密度特性，同时也具有铝箔优良的导电性。
本发明的高导热锂离子电池用类石墨烯复合正极集流体为三明治结构，其中中间层的高性能类石墨烯导热膜有利于传导材料在大倍率充放电过程中的所产生的热量，避免局部温度过高使得材料分解，从而提高电芯产品的循环稳定性，增强其安全性能。同时，类石墨烯导热膜的密度较低，可以进一步提高电芯产品的能量密度，有望突破现有技术瓶颈。类石墨烯导热膜上蒸镀的铝层与石墨烯结合紧密，可降低两者之间的接触电阻，且铝箔层对于正极电极材料而言，化学稳定性高，导电率也非常高。因此，采用本申请技术方案制备的高导热锂离子电池用类石墨烯复合正极集流体具有优异的导电、导热性能，能够实现高性能/高能量密度锂离子电池电芯产品的高端应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明的复合正极集流体具有较好的柔性，高导电/导热性能，可以突破目前市场上锂离子电池能量密度低技术瓶颈，该类石墨烯导热膜密度低于铝箔，可大幅提高电芯的品能量密度。可以快速将电芯在大倍率充放电时产生的热量散发，避免局部温度过高现象，从而可以提升其倍率性能，改善循环稳定性，并可降低温度过高所产生的安全隐患。
2.本发明的类石墨烯复合正极集流体中的导热薄膜有利于传导大倍率充放电时所产生的热量，从而提高电芯容量保持及优良循环稳定性。
3.本发明的类石墨烯复合正极集流体的铝镀层，化学稳定好，导电率高，不会直接与电解液或者正极材料发生反应，为电子在外电路与电极材料之间的传输提供了有效的通道。
4.本发明的类石墨烯复合正极集流体导热和导电性能好，延展性及柔性高，解决现有锂离子电池中作为锂离子电池正极集流体的导热性较差、电池内阻大、放电倍率低、安全性较低等技术不足，可以应用于高功率、快充锂离子电池正极集流体材料，最终实现在高功率/快充锂离子正极片的应用。
附图说明
图1是本发明制得的类石墨烯复合正极集流体的示意图。
图2是实施例1所得的类石墨烯导热膜截面SEM照片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
1.室温条件下，把2mmol的4,4′-二氨基二苯醚(ODA)单体和3mmol的均苯甲酸二酐加入到100m1的三口烧瓶中，随后加入10m1N,N-甲基乙酰胺溶解反应单体，并加入10ml三乙胺进行中和反应。待单体完全溶解后，在氮气保护下混合搅伴反应10h，即可得到聚酰胺酸前驱体溶液(PAA)。
2.将PAA前驱体溶液通过涂布工艺，涂覆成薄膜，然后在280℃下热处理2h后，即得到聚酰亚胺隔膜(PI)。
3.将所得PI隔膜放入高温炉子中，在1500℃下进行保温12h进行碳化处理，得到碳化PI隔膜。
4.将所得碳化PI隔膜置入超高温石墨化炉中，在3000℃保温12h，进行石墨化处理，即可得到类石墨烯导热膜。
5.将所得类石墨烯导热膜进行辊压处理，则可以得到厚度约为20μm，导热系数约为1700W/mK的导热膜材料；
6.将所得辊压后的约为20μm导热膜材料膜置入真空蒸镀室，在导热膜上蒸镀每面约为2μm厚度的金属铝箔，即可得到厚度约为24μm高导热锂离子电池用类石墨烯复合正极集流体。
图1是本发明制得的类石墨烯复合正极集流体的示意图。从图1可知，该类石墨烯复合正极集流体为三明治结构，其中，中间层的高性能类石墨烯导热膜有利于传导材料在大倍率充放电过程中的所产生的热量，避免局部温度过高使得材料分解，从而提高电芯产品的循环稳定性，增强其安全性能。因此，该类石墨烯复合正极集流体可应用在高导热锂离子电池中。图2是实施例1所得的类石墨烯导热膜截面SEM照片。从图2中可知，该类石墨烯呈层状结构，应具有良好的导电及导热性能。
实施例2
1.室温条件下，把3mmol的4,4′-二氨基二苯醚(ODA)单体和4.5mmol的均苯四甲酸二酐加入到100m1的三口烧瓶中，随后加入10m1N,N-甲基乙酰胺溶解反应单体，并加入10ml三乙胺进行中和反应。待单体完全溶解后，在氮气保护下混合搅伴反应10h，即可得到聚酰胺酸前驱体溶液(PAA)。
2.将PAA前驱体溶液通过涂布工艺，涂覆成薄膜，然后在300℃下热处理1h后，即得到聚酰亚胺隔膜(PI)。
3.将所得PI隔膜放入高温炉子中，在1450℃下进行保温18h进行碳化处理，得到碳化PI隔膜。
4.将所得碳化PI隔膜置入超高温石墨化炉中，在2800℃保温24h，进行石墨化处理，即可得到类石墨烯导热膜。
5.将所得类石墨烯导热膜进行辊压处理，则可以得到度约为20μm，导热系数约为1700W/mK的导热膜材料；
6.将所得辊压后的约为20μm导热膜材料膜置入真空蒸镀室，在导热膜上蒸镀每面约为2μm厚度的金属铝箔，即可得到厚度约为24μm高导热锂离子电池用类石墨烯复合正极集流体。
实施例3
1.室温条件下，把2mmol的4,4′-双(3-氨基苯氧基)单体和3mmol的二硫醚四酐4,4′加入到100m1的三口烧瓶中，随后加入10m1N,N-甲基乙酰胺溶解反应单体，并加入10ml三乙胺进行中和反应。待单体完全溶解后，在氮气保护下混合搅伴反应10h，即可得到聚酰胺酸前驱体溶液(PAA)。
2.将PAA前驱体溶液通过涂布工艺，涂覆成薄膜，然后在280℃下热处理2h后，即得到聚酰亚胺隔膜(PI)。
3.将所得PI隔膜放入高温炉子中，在1500℃下进行保温12h进行碳化处理，得到碳化PI隔膜。
4.将所得碳化PI隔膜置入超高温石墨化炉中，在3000℃保温12h，进行石墨化处理，即可得到类石墨烯导热膜。
5.将所得类石墨烯导热膜进行辊压处理，则可以得到厚度约为20um，导热系数约为1700W/mK的导热膜材料；
6.将所得辊压后的厚度约为20μm导热膜材料膜置入真空蒸镀室，在导热膜上蒸镀每面约为2μm厚度的金属铝箔，即可得到厚度约为24μm高导热锂离子电池用类石墨烯复合正极集流体。
实施例4
1.室温条件下，把2mmol的4,4′-双(3-氨基苯氧基)二苯砜单体和3mmol的1,2,4,5-苯四酸酐加入到100m1的三口烧瓶中，随后加入10m1N,N-甲基乙酰胺溶解反应单体，并加入10ml三乙胺进行中和反应。待单体完全溶解后，在氮气保护下混合搅伴反应10h，即可得到聚酰胺酸前驱体溶液(PAA)。
2.将PAA前驱体溶液通过涂布工艺，涂覆成薄膜，然后在400℃下热处理1h后，即得到聚酰亚胺隔膜(PI)。
3.将所得PI隔膜放入高温炉子中，在1700℃下进行保温10h进行碳化处理，得到碳化PI隔膜。
4.将所得碳化PI隔膜置入超高温石墨化炉中，在2700℃保温10h，进行石墨化处理，即可得到类石墨烯导热膜。
5.将所得类石墨烯导热膜进行辊压处理，则可以得到厚度约为25μm，导热系数约为1600W/mK的导热膜材料；
6.将所得辊压后的约为15μm导热膜材料膜置入真空蒸镀室，在导热膜上蒸镀每面约为2μm厚度的金属铝箔，即可得到厚度约为25μm高导热锂离子电池用类石墨烯复合正极集流体。
实施例5
1.室温条件下，把1mmol的二苯醚或4,4′-双(3-氨基苯氧基)二苯硫醚单体和3mmol的二苯醚四酐加入到100m1的三口烧瓶中，随后加入10m1N,N-甲基乙酰胺溶解反应单体，并加入10ml三乙胺进行中和反应。待单体完全溶解后，在氮气保护下混合搅伴反应10h，即可得到聚酰胺酸前驱体溶液(PAA)。
2.将PAA前驱体溶液通过涂布工艺，涂覆成薄膜，然后在300℃下热处理1h后，即得到聚酰亚胺隔膜(PI)。
3.将所得PI隔膜放入高温炉子中，在1600℃下进行保温12h进行碳化处理，得到碳化PI隔膜。
4.将所得碳化PI隔膜置入超高温石墨化炉中，在2800℃保温12h，进行石墨化处理，即可得到类石墨烯导热膜。
5.将所得类石墨烯导热膜进行辊压处理，则可以得到厚度约为25μm，导热系数约为1600W/mK的导热膜材料；
6.将所得辊压后的约为15μm导热膜材料膜置入真空蒸镀室，在导热膜上蒸镀每面约为2μm厚度的金属铝箔，即可得到厚度约为25μm高导热锂离子电池用类石墨烯复合正极集流体。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种类石墨烯复合正极集流体，其特征在于，该类石墨烯复合正极集流体为金属铝箔层/类石墨烯导热膜/金属铝箔层结构，是将芳香二酐单体和二胺单体加入到溶剂中混合，在氮气保护下，40～60℃下搅拌反应，然后采用涂布法将得到的聚酰胺酸前驱体溶液制成薄膜，在250～400℃处理，再将得到的聚酰亚胺隔膜在1500～1700℃下进行碳化处理，得到碳化聚酰亚胺隔膜；将碳化聚酰亚胺隔膜在2700～3000℃进行石墨化处理，最后将得到的类石墨烯导热膜进行辊压处理后，在其上镀金属铝箔制得。
2.根据权利要求1所述的类石墨烯复合正极集流体，其特征在于，所述的芳香二酐单体为均苯四甲酸二酐、二苯醚四酐、二硫醚四酐、1,2,4,5-苯四酸酐、3,3',4,4'-联苯四羧酸二酐、4,4'-氧双邻苯二甲酸酐、3,3',4,4'-二苯基砜四羧酸二酸酐或3,3',4,4'-二苯甲酮四甲酸二酐中的一种以上。
3.根据权利要求1所述的类石墨烯复合正极集流体，其特征在于，所述的二胺单体为4,4'-双(3-氨基苯氧基)二苯砜、4,4'-二氨基二苯醚、4,4'-双(3-氨基苯氧基)、二苯醚或4,4'-双(3-氨基苯氧基)二苯硫醚中的一种以上。
4.根据权利要求1所述的类石墨烯复合正极集流体，其特征在于，所述的溶剂为二甲基乙酰胺或N,N-甲基乙酰胺。
5.根据权利要求1所述的类石墨烯复合正极集流体，其特征在于，所述芳香二酐单体的摩尔、二胺单体的摩尔和溶剂的体积比为(1～1.5)mmol：(1.5～2.5)mmol：(5～8)mL。
6.根据权利要求1所述的类石墨烯复合正极集流体，其特征在于，所述类石墨烯导热膜辊压后的厚度为10～25μm，导热率≥1400(W/mK)，密度为1.7～2.1g/cm3。
7.根据权利要求1所述的类石墨烯复合正极集流体，其特征在于，所述类石墨烯复合正极集流体的厚度为10～30μm，所述类石墨烯导热膜的厚度为10～25μm；所述单层金属铝箔层的厚度为1～5μm。
8.根据权利要求1-7任一项所述的类石墨烯复合正极集流体的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
S1.将芳香二酐单体和二胺单体加入到溶剂中混合，在氮气保护下，40～60℃下搅拌反应，得到聚酰胺酸前驱体溶液；
S2.采用涂布法将聚酰胺酸前驱体溶液制成薄膜，在250～400℃处理，得到聚酰亚胺隔膜；
S3.将聚酰亚胺隔膜在1500～1700℃下进行碳化处理，得到碳化聚酰亚胺隔膜；
S4.将碳化聚酰亚胺隔膜在2700～3000℃进行石墨化处理，得到类石墨烯导热膜；
S5.在类石墨烯导热膜进行辊压处理后的导热膜上镀金属铝箔，得到类石墨烯复合正极集流体。
9.根据权利要求8所述的类石墨烯复合正极集流体的制备方法，步骤S1中所述搅拌的时间为8～20h；步骤S2中所述热处理的时间20～120min；步骤S3中所述碳化的时间为12～36h；步骤S4中所述石墨化的时间为12～36h。
10.权利要求1-7任一项所述的类石墨烯复合正极集流体在高导热锂离子电池领域中的应用。
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