CN111276699A - 以碳布为骨架的柔性有机锂离子电池正极极片及其材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以碳布为骨架的柔性有机锂离子电池正极极片及其材料，涉及锂离子电池正极极片材料领域，柔性有机锂离子电池正极极片材料由导电碳布涂抹电极浆料制成，所述电极浆料由有机多羰基复合材料，导电炭黑和粘结剂混合制得。本发明将导电复合材料应用到锂离子电池正极极片中，在提高材料抗拉伸强度的同时，能够获得更高的能量密度和优异的循环稳定性，从而提高电池容量和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池正极极片及其材料，尤其涉及一种以碳布为骨架的柔性有机锂离子电池正极极片及其材料。
背景技术
在能源存储领域，锂离子电池凭借其输出电压高、能量密度大等优势而逐渐成为目前的研究热点。锂离子电池常用的传统正极材料为锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂等无机材料，其理论容量偏低，其中磷酸铁锂理论容量仅为170mA h g-1，实际应用中容量更低，而钴酸锂等无机材料虽然理论容量为270mA h g-1左右，仍旧偏低，难以满足锂离子电池提高能量密度的要求。而有机材料如有机硫、有机共轭多羰基化合物，理论容量300-1600mA h g-1，具有巨大应用潜力，当用作锂离子电池的正极材料时，有机分子具有以下优势：(1)有机电化学活性分子与弹性高分子基底有更好的相容性；(2)有机活性分子对锂离子的储存是基于化合物中氧化还原活性基团与锂离子的结合/解离反应，赋予其良好的电化学可逆性；(3)有机锂离子电池快速的反应动力学赋予电池极高的倍率性能，可以满足可穿戴设备快速充电的要求；(4)有机分子的化学结构灵活多变，便于提高电极材料的理论比容量；(5)组成有机材料的元素在自然界中储量丰富且可持续，可以弥补无机材料矿藏资源有限且成本高的不足，同时减少环境污染。但是有机分子在直接用作正极材料时，无法兼顾活性物质负载量与导电性，这限制了其应用。而碳布由于具有高导电性并可负载各种有机、无机活性材料等特征而被广泛应用于各种能源存储与转化器件，许多研究都集中在含碳电极材料。例如将新型聚酰亚胺和单壁碳纳米管复合制备得到复合电极材料，应用于锂离子电池正极。不仅大大改善了电极材料的倍率性能和电池的能量密度，还赋予材料高度柔性(Adv.Mater.2015,27,6504-6510)。
现有的用有机分子作为锂电池的正极材料，由于其本身导电性差，造成实际容量远低于理论值，这限制了其在正极材料领域的应用，另外现有的用有机分子作为锂电池的正极材料，单位面积活性物质负载量低，导致能量密度低。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明旨在用有机分子来构建锂离子电池，解决其导电性差和负载量低的问题，提高电池容量和稳定性。
为实现上述目的，本发明提供了一种以碳布为骨架的柔性有机锂离子电池正极极片材料，其特征在于，所述柔性有机锂离子电池正极极片材料由导电碳布涂抹电极浆料制成，所述电极浆料由有机多羰基复合材料，导电炭黑和粘结剂混合制得。
进一步地，所述粘结剂为热塑性聚氨酯分散液。
进一步地，所述有机多羰基复合材料，所述导电炭黑和所述粘结剂的质量比为3：2：5。
进一步地，所述热塑性聚氨酯分散液由热塑性聚氨酯固体颗粒加入到N,N-二甲基甲酰胺中，并加热、混合制得。
进一步地，所述加热的温度设定为70℃，时间设定为2小时。
进一步地，所述有机多羰基复合材料为苝二酰亚胺，苝四甲酰二亚胺、萘酰亚胺，苯酰亚胺。
进一步地，所述柔性有机锂离子电池正极极片由权利要求1-6任一项所述的以碳布为骨架的柔性有机锂离子电池正极极片材料在真空干燥箱内干燥制得。
进一步地，所述真空干燥箱的温度设定为60℃，所述干燥时间为12小时。
本发明将导电复合材料应用到锂离子电池正极极片中，能够获得更高的能量密度和优异的循环稳定性。该以碳布为骨架的柔性有机锂离子电池正极极片的活性物质负载量是不含碳布骨架的同比例有机复合材料活性物质负载量的6倍，因而能够获得更高的比容量。通过一系列性能测试，含导电碳布骨架的最佳复合材料的力学性能得到显著增强，其抗拉伸强度是不含碳布骨架的复合材料的80倍左右，实际获得的比容量稳定在120mA h g-1(锂离子电池正级，50mA g-1电流密度下)，接近苝酰亚胺分子的理论值137.5mA h g-1，在循环400圈后实际比容量为72mA h g-1(为初始比容量的60％)，仍然远高于不含碳布骨架的电极材料的实际比容量，表现出较为优异的循环稳定性能；同时还具有良好倍率性能，在50，100，250，500和1000mA g-1的电流密度下分别具有127，122，113，105和92mA h g-1的实际比容量，当电流密度回到50mA g-1时，其实际比容量仍然可以恢复至128mA h g-1。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是以碳布为骨架的柔性有机锂离子电池正极极片材料的制备流程示意图；
图2是本发明制备的电池正极极片组装的锂离子纽扣半电池在电流密度为0.5Ag-1时的循环性能曲线；
图3是本发明制备的电池正极极片材料组装的锂离子纽扣半电池在不同的电流密度下的倍率性能曲线；
图4是CF和PCT-CFDL的表面形貌图；
图5是本发明制备的电池正极极片材料的显微形貌图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
如图1所示，锂离子电池正极极片材料制备方法为：
(1)称取1.5g热塑性聚氨酯(Thermoplastic Polyurethane，TPU)固体颗粒，加入到8.5mL N,N-二甲基甲酰胺(N,N’-Dimethylformamide，DMF)中，在70℃加热两小时得到TPU的分散液，冷却至室温待用；
(2)将活性材料苝四甲酰二亚胺(Perylene-3,4,9,10-tetracarboxylicdiimide，PDI，49.8mg)和导电炭黑(super-p，33.2mg)以及(1)中制备得到的热塑性聚氨酯分散液(TPU，500μL)按照质量比3:2:5进行混合，在室温下搅拌4小时后得到均匀的电极浆料；
(3)将导电碳布裁切成直径1.2cm的小圆片，将电极浆料均匀涂抹在碳布上，然后将其在室温下浸泡于去离子水中4小时；
(4)将涂有电极浆料的碳布在60℃真空烘箱中干燥12小时，得到正极极片。
将按照以上步骤制得的正极极片进行电化学性能测试，测试方法如下：
封装外壳材料采用CR2016的纽扣电池不锈钢外壳，以上述制备得到的正极极片为锂离子电池正极，以锂片作为电池负极，以聚丙烯(PP)作为隔膜，电解液选用1M的六氟磷酸锂(LiPF6)的碳酸乙烯酯(EC)-碳酸二甲酯(DMC)-碳酸二乙酯(DEC)(EC:DMC:DEC＝1:1:1，w/w/w)溶液，在手套箱中完成锂离子电池的组装，所得电池需要静置12小时，待电解液充分浸润材料和隔膜后再进行电化学性能测试。
如图2所示，图2是在手套箱中组装好的锂离子纽扣半电池在电流密度为0.5A g-1时的循环性能曲线。其中，正极材料中含碳布骨架的半电池的实际比容量高达120mAh g-1(锂离子电池正级，0.05A g-1电流密度下)，接近苝四甲酰二亚胺分子的理论比容量137.5mAh g-1；在循环400圈后实际比容量为72mAh g-1，约保留初始比容量的60％，远远高于正极材料中不含碳布骨架的锂离子半电池，表现出极为优异的循环性能。
如图3所示，图3是在手套箱中组装好的锂离子纽扣半电池在不同的电流密度下的倍率性能曲线。其中，正极材料中含碳布骨架的半电池在50，100，250，500和1000mA g-1的电流密度下分别具有127，122，113，105和92mA h g-1的实际比容量，当电流密度回到50mA g-1时，其实际比容量仍然可以恢复至128mA h g-1，，它在各个电流密度下的实际比容量数值均远远高于正极材料中不含碳布骨架的锂离子电池，表现出较好的倍率性能。
如图4所示，分别是商业碳布(CF)和涂有电极浆料的碳布(PCT-CFDL)的扫描电子显微镜图。商业CF由粗细均匀的碳纤维编制而成，排列紧密；PCT-CFDL中碳纤维被电极浆料均匀覆盖，碳布作为连续的导电网络赋予材料良好的导电性，有利于后续电化学测试过程中离子的传输与电子的传导，从而赋予电极材料良好的电化学性能。
如图5所示，分别是不含碳布骨架的电极材料(PCT)、单面涂有电极浆料的碳布(PCT-CF)和双面涂有电极浆料的碳布(PCT-CFDL)的微观形貌图。在三种材料中，粘结剂热塑性聚氨酯(TPU)将导电剂碳黑(super-p)和活性物质苝四甲酰二亚胺(PDI)粘结在一起，经充分搅拌后各组分在体系中分散均匀，保证电极材料的均匀性。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种以碳布为骨架的柔性有机锂离子电池正极极片材料，其特征在于，所述柔性有机锂离子电池正极极片材料由导电碳布涂抹电极浆料制成，所述电极浆料由有机多羰基复合材料，导电炭黑和粘结剂混合制得。
2.如权利要求1所述的以碳布为骨架的柔性有机锂离子电池正极极片材料，其特征在于，所述粘结剂为热塑性聚氨酯分散液。
3.如权利要求1所述的以碳布为骨架的柔性有机锂离子电池正极极片材料，其特征在于，所述有机多羰基复合材料，所述导电炭黑和所述粘结剂的质量比为3：2：5。
4.如权利要求2所述的以碳布为骨架的柔性有机锂离子电池正极极片材料，其特征在于，所述热塑性聚氨酯分散液由热塑性聚氨酯固体颗粒加入到N,N-二甲基甲酰胺中，并加热、混合制得。
5.如权利要求4所述的以碳布为骨架的柔性有机锂离子电池正极极片材料，其特征在于，所述加热的温度设定为70℃，时间设定为2小时。
6.如权利要求1所述的以碳布为骨架的柔性有机锂离子电池正极极片材料，其特征在于，所述有机多羰基复合材料为苝二酰亚胺，苝四甲酰二亚胺、萘酰亚胺，苯酰亚胺。
7.一种以碳布为骨架的柔性有机锂离子电池正极极片，其特征在于，所述柔性有机锂离子电池正极极片由权利要求1-6任一项所述的以碳布为骨架的柔性有机锂离子电池正极极片材料在真空干燥箱内干燥制得。
8.如权利要求7所述以碳布为骨架的柔性有机锂离子电池正极极片，其特征在于，所述真空干燥箱的温度设定为60℃，所述干燥时间为12小时。
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