CN110752351A - 使用再生材料制备电池电极片和电池的方法 - Google Patents

使用再生材料制备电池电极片和电池的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了使用再生材料制备电池电极片和电池的方法，用于解决现有技术中电极材料成本高昂，或是制造工艺复杂、锂离子分散效果较差，聚苯乙烯塑料降解困难、容易污染环境的技术问题，一种使用再生材料制备电池电极片的方法，包括：备料，调浆，刷片，制片；一种使用再生材料制备电池的方法，包括：裁片，配置电解液，组装负极，组装正极，封口；实施本发明的技术方案，高温裂解聚苯乙烯塑料生产石墨化碳材料，降低了废旧聚苯乙烯塑料对环境危害，并提供了一种电池性能优异、稳定的锂离子电池负极材料，工艺流程简单，利于实现大批量工业化生产。

Description

使用再生材料制备电池电极片和电池的方法
技术领域
本发明涉及电极材料领域，特别涉及使用再生材料制备电池电极片和电池的方法。
背景技术
电极式锂离子电池中最重要的组成部分，而生产锂离子电池电极为生产锂离子电池过程中最重要的一步。现有技术中，电池负极材料主要使用石墨类碳材料、Si类、Sn等合金，这些材料或是成本高昂，或是制造工艺复杂、锂离子分散效果较差。
聚苯乙烯塑料广泛应用于各行业的产品包装中，只能作垃圾填埋，在数十年的时间内都不会降解。聚苯乙烯塑料降解后，依然会对水土造成污染。
因此我们提出了一种利用聚苯乙烯塑料裂解生产高质量锂离子电池负极材料的方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明中披露了使用再生材料制备电池电极片和电池的方法，本发明的技术方案是这样实施的：
一种使用再生材料制备电池电极片的方法，包括：步骤1.1：备料，在惰性气氛下热解聚苯乙烯塑料，制备石墨化碳材料；步骤1.2：调浆，混合所述石墨化碳材料、导电剂和粘结剂，其后加入浆料溶剂，调制成浆料；步骤1.3：刷片，将所述浆料刮涂至导电基材；步骤1.4：制片，真空干燥涂有浆料的导电基材，获得电极片。
优选地，步骤1.1中，热解聚苯乙烯塑料的方法为：聚苯乙烯塑料在气氛炉中加热至t1，并在t2下保温，其后在惰性气氛下降温；其中，聚苯乙烯塑料的升温速率范围在[3℃/min,10℃/min]，t1的范围在[500℃,800℃]，t2的范围在[500℃,800℃]，保温时间范围在[2h,3h]。
优选地，步骤1.2中，所述浆料中各组份的重量百分比含量为：石墨化碳材料45％-80％，导电剂3％-13.5％，粘结剂3％-13.5％，余量为溶剂。
优选地，步骤1.1中，还包括压碎聚苯乙烯塑料。
优选地，步骤1.2中，所述导电剂为Super-P，所述粘结剂为聚偏二氟乙烯，混合时间的范围在[2min,10min]。
优选地，步骤1.2中，所述溶剂为N-甲基吡咯烷醇，所述溶剂和所述石墨化碳材料的质量比的范围在[0.1,0.6]。
优选地，步骤1.4中，涂有浆料的导电基材在真空下干燥，干燥温度的范围在[50℃,100℃]，干燥时间的范围在[10h-14h]。
一种使用再生材料制备电池的方法，使用具有前述特点的一种使用再生材料制备电池电极片的方法制备的电极片，包括：步骤2.1：裁片，将所述电极片裁成合适形状，获得电池负极；步骤2.2：配制电解液；步骤2.3：组装负极，在惰性气氛下组装负极壳和电池负极，使用所述电解液浸润所述电池负极；步骤2.4：组装正极，在惰性气氛下组装隔膜和电池正极，使用所述电解液浸润所述电池正极，其后组装正极壳；步骤2.5：封口，封闭所述正极壳和所述负极壳。
优选地，步骤2.2中，电解液的溶质和溶剂的质量比范围在[0.05,0.4]；所述溶质为双三氟甲烷磺酰亚胺锂，所述溶剂包括碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯，碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯的体积比的范围在[0.5,2]。
优选地，所述电池正极为金属锂片。
实施本发明的技术方案可解决现有技术中电极材料成本高昂，或是制造工艺复杂、锂离子分散效果较差，聚苯乙烯塑料降解困难、容易污染环境的技术问题；实施本发明的技术方案，高温裂解聚苯乙烯塑料生产石墨化碳材料，降低了废旧聚苯乙烯塑料对环境危害，并提供了一种电池性能优异、稳定的锂离子电池负极材料，工艺流程简单，利于实现大批量工业化生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种具体实施方式的使用再生材料制备电池电极片的方法流程图；
图2为本发明的一种具体实施方式的使用再生材料制备电池的方法流程图；
图3为本发明的一种具体实施方式制备的石墨化碳材料XRD图谱；
图4为本发明的一种具体实施方式制备的石墨化碳材料能谱分析结果；
图5为本发明的一种具体实施方式制备的石墨化碳材料SEM照片；
图6为本发明的一种具体实施方式制备的电池电极片SEM照片；
图7为本发明的一种具体实施方式制备的电池循环性能图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种使用再生材料制备电池电极片的方法，如图1所示，包括：步骤1.1：备料，在惰性气氛下热解聚苯乙烯塑料，制备石墨化碳材料；步骤1.2：调浆，混合石墨化碳材料、导电剂和粘结剂，其后加入浆料溶剂，调制成浆料；步骤1.3：刷片，将浆料刮涂至导电基材；步骤1.4：制片，真空干燥涂有浆料的导电基材，获得电极片。
在该具体实施方式中，步骤一中，聚苯乙烯塑料在气氛炉中进行热解，惰性气体可以使用氮气，成本低廉，利于实现聚苯乙烯塑料的批量裂解，惰性气体也可以使用氦气、氖气等气体，以提高裂解产物的质量。裂解后可以对裂解产物进行研磨，得到较细的石墨化碳材料，优化电极性能。
步骤二中，可以在石墨化碳材料、导电剂和粘结剂研磨后，逐滴滴入溶剂，使溶剂逐步浸润粉末，利于排空粉末中的气泡，提高制备的电极质量。步骤三中，导电基材可以使用铜箔、铝箔等材料，可以在电池使用过程中降低电池内阻的增幅。步骤四中，可以将涂有浆料的导电基材放置在真空干燥机中进行干燥。电极片的制备方法简单，便于实现批量化生产。
在一种优选的实施方式中，如图1所示，步骤1.1中，热解聚苯乙烯塑料的方法为：聚苯乙烯塑料在气氛炉中加热至t1，并在t2下保温，其后在惰性气氛下降温；其中，聚苯乙烯塑料的升温速率范围在[3℃/min,10℃/min]，t1的范围在[500℃,800℃]，t2的范围在[500℃,800℃]，保温时间范围在[2h,3h]。
在该具体实施方式中，升温速率设置为5℃/min，t1和t2均设置为800℃，保温时间为2h。制得的石墨化碳材料表征如下，图2为石墨化碳材料的XRD图谱，从图谱上可以看到，在2θ角度25°和41.5°附近有2两个较宽的衍射峰，为石墨的特征衍射峰，无其他杂质峰，为纯相石墨化碳材料。
图3为石墨化碳材料的能谱分析结果，可知石漠化碳材料除了碳之外还含有少量的氧。
图4为石墨化碳材料的SEM图谱，从SEM图谱上可以看出，制备得到的碳材料颗粒呈现出较为规整的球形，球的直径分布在1-5微米之间，颗粒间空隙较大，利于锂离子在电极内的分散，可以提高制备的电极性能。
设置较快的升温速度，可以降低反应所需时间，提高生产效率；设置较慢的升温速度，可以降低石墨化碳材料的粒径，提高电极性能。设置较高的t1和t2可以加快反应速度，设置较低的t1和t2可以降低反应能耗，降低生产的成本和对反应设备的要求。
在一种优选的实施方式中，如图1所示，步骤1.2中，浆料中各组份的重量百分比含量为：石墨化碳材料45％-80％，导电剂3％-13.5％，粘结剂3％-13.5％，余量为溶剂。
在该具体实施方式中，石墨化碳材料、导电剂和粘结剂的质量比为8：1：1。
在一种优选的实施方式中，如图1所示，步骤1.1中，还包括压碎聚苯乙烯塑料。
聚苯乙烯塑料可以在塑料破碎机中进行初步压碎，其后使用超声装置降低塑料粒径，可以在裂解过程中提高塑料内部的升温速度，提高反应速度，节约能源，降低反应成本。
在一种优选的实施方式中，如图1所示，步骤1.2中，导电剂为Super-P，粘结剂为聚偏二氟乙烯，混合时间的范围在[2min,10min]。
偏聚氟乙烯具有较好的耐化学腐蚀性，在电极中具有较好的稳定性，可以延长电极寿命。在该具体实施方式中，混合时间为5min。
在一种优选的实施方式中，如图1所示，步骤1.2中，溶剂为N-甲基吡咯烷醇，溶剂和石墨化碳材料的质量比的范围在[0.1,0.6]。
N-甲基吡咯烷醇热稳定性、化学稳定性好，在高温下不会变质污染电极，可以提高电极质量，并且易挥发，便于提高真空干燥速度。
在一种优选的实施方式中，如图1所示，步骤1.4中，涂有浆料的导电基材在真空下干燥，干燥温度的范围在[50℃,100℃]，干燥时间的范围在[10h-14h]。
在该具体实施方式中，真空干燥的温度为70℃，干燥时间为12小时。
图6为电池电极片SEM照片，可以看出碳材料电极具有较多细小的缝隙，便于电解液的分散。
一种使用再生材料制备电池的方法，如图2所示，使用具有前述特点的一种使用再生材料制备电池电极片的方法制备的电极片，包括：步骤2.1：裁片，将电极片裁成合适形状，获得电池负极；步骤2.2：配制电解液；步骤2.3：组装负极，在惰性气氛下组装负极壳和电池负极，使用电解液浸润电池负极；步骤2.4：组装正极，在惰性气氛下组装隔膜和电池正极，使用电解液浸润电池正极，其后组装正极壳；步骤2.5：封口，封闭正极壳和负极壳。
在该具体实施方式中，电池的组装在水含量和氧含量小于0.5ppm的惰性气氛下组装，电池的种类为2016型纽扣电池。步骤一中，使用裁片极将电极裁成圆形。
图7为电池的循环性能图，从图中可知，电极性质稳定，具有较长的使用寿命。
在一种优选的实施方式中，如图2所示，步骤2.2中，电解液的溶质和溶剂的质量比范围在[0.05,0.4]；溶质为双三氟甲烷磺酰亚胺锂，溶剂包括碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯，碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯的体积比的范围在[0.5,2]。
在该具体实施方式中，如图2所示，电解液的溶质和溶剂的质量比为0.2，碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯的体积比为1。
在一种优选的实施方式中，如图2所示，电池正极为金属锂片，结构简单，利于批量化生产，可以降低装置制造的时间成本和人力成本。
需要指出的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种使用再生材料制备电池电极片的方法，其特征在于，包括：
步骤1.1：备料，在惰性气氛下热解聚苯乙烯塑料，制备石墨化碳材料；
步骤1.2：调浆，混合所述石墨化碳材料、导电剂和粘结剂，其后加入浆料溶剂，调制成浆料；
步骤1.3：刷片，将所述浆料刮涂至导电基材；
步骤1.4：制片，真空干燥涂有浆料的导电基材，获得电极片。
2.根据权利要求1所述的一种使用再生材料制备电池电极片的方法，其特征在于，步骤1.1中，热解聚苯乙烯塑料的方法为：聚苯乙烯塑料在气氛炉中加热至t1，并在t2下保温，其后在惰性气氛下降温；其中，聚苯乙烯塑料的升温速率范围在[3℃/min,10℃/min]，t1的范围在[500℃,800℃]，t2的范围在[500℃,800℃]，保温时间范围在[2h,3h]。
3.根据权利要求2所述的一种使用再生材料制备电池电极片的方法，其特征在于，步骤1.2中，所述浆料中各组份的重量百分比含量为：石墨化碳材料45％-80％，导电剂3％-13.5％，粘结剂3％-13.5％，余量为溶剂。
4.根据权利要求3所述的一种使用再生材料制备电池电极片的方法，其特征在于，步骤1.1中，还包括压碎聚苯乙烯塑料。
5.根据权利要求4所述的一种使用再生材料制备电池电极片的方法，其特征在于，步骤1.2中，所述导电剂为Super-P，所述粘结剂为聚偏二氟乙烯，混合时间的范围在[2min,10min]。
6.根据权利要求5所述的一种使用再生材料制备电池电极片的方法，其特征在于，步骤1.2中，所述溶剂为N-甲基吡咯烷醇，所述溶剂和所述石墨化碳材料的质量比的范围在[0.1,0.6]。
7.根据权利要求6所述的一种使用再生材料制备电池电极片的方法，其特征在于，步骤1.4中，涂有浆料的导电基材在真空下干燥，干燥温度的范围在[50℃,100℃]，干燥时间的范围在[10h-14h]。
8.一种使用再生材料制备电池的方法，其特征在于，使用权利要求1-7中任一所述的一种使用再生材料制备电池电极片的方法制备的电极片，包括：
步骤2.1：裁片，将所述电极片裁成合适形状，获得电池负极；
步骤2.2：配制电解液；
步骤2.3：组装负极，在惰性气氛下组装负极壳和电池负极，使用所述电解液浸润所述电池负极；
步骤2.4：组装正极，在惰性气氛下组装隔膜和电池正极，使用所述电解液浸润所述电池正极，其后组装正极壳；
步骤2.5：封口，封闭所述正极壳和所述负极壳。
9.根据权利要求8所述的一种使用再生材料制备电池电极片的方法，其特征在于，步骤2.2中，电解液的溶质和溶剂的质量比范围在[0.05,0.4]；所述溶质为双三氟甲烷磺酰亚胺锂，所述溶剂包括碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯，碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯的体积比的范围在[0.5,2]。
10.根据权利要求9所述的一种使用再生材料制备电池电极片的方法，其特征在于，所述电池正极为金属锂片。
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