CN111916758A - 一种改性三维编织网状集流体及其改性方法和锂离子电池 - Google Patents

一种改性三维编织网状集流体及其改性方法和锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种改性三维编织网状集流体及其改性方法和锂离子电池，所述集流体包括集流体基材，所述集流体基材为三维机械编织的网状结构；其改性方法为通过硅烷偶联剂将纳米导电材料接枝到集流体基材上；所述锂离子电池采用该改性三维编织网状集流体。本发明设计合理，通过改性方式在三维编织网状的集流体上接枝具有高导电性和高机械强度的纳米导电材料，可提高电解液的吸收速度和存储能力，使电解液在锂离子电池内部分布更加均匀，提升锂离子电池的容量发挥并改善电池容量一致性和循环性能。

Description

一种改性三维编织网状集流体及其改性方法和锂离子电池
技术领域：
本发明涉及一种改性三维编织网状集流体及其改性方法和锂离子电池。
背景技术：
随着人类社会的快速发展，大量自然资源被开发使用，因此不可避免的会出现资源短缺以及环境污染等问题，而为了应对这一难题，缓解能源短缺与环境污染等问题，新能源行业得到迅速发展。锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、安全稳定性好、无记忆效应、环境友好等优点，因此被广泛应用于电动新能源汽车、消费电子产品以及储能领域。近年来，由于政府和市场的引导和需求，电动汽车行业迅猛发展，对锂离子电池的需求大大增加，因此锂离子电池行业发展十分迅速。目前，人们对锂离子电池的能量密度要求越来越高，因此如何提高锂离子电池能量密度是锂电行业研究人员需要面临的一个重要挑战。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种改性三维编织网状集流体，设计合理，有效提供锂离子电池的能量。
还包括该改性三维编织网状集流体的改性方法以及采用该改性三维编织网状集流体的锂离子电池。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种改性三维编织网状集流体，包括集流体基材，所述集流体基材为三维编织的网状结构。
进一步的，所述集流体基材上设有纳米导电材料，所述纳米导电材料通过硅烷偶联剂接枝到集流体基材上。
进一步的，所述集流体基材由铜金属纤维通过三维编织而成。
进一步的，所述集流体基材通过经编机采用纵横步法进行编织。
进一步的，所述铜金属纤维的直径为100~200μm；；所述集流体基材的编织网格的边长为40~80μm、编织网格的密度为30~90格/mm2。
本发明采用的另一种技术方案是：一种改性三维编织网状集流体的改性方法，所述集流体包括集流体基材，所述集流体基材为三维编织的网状结构，改性方法为通过硅烷偶联剂将纳米导电材料接枝到集流体基材
进一步的，所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷或乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷；所述纳米导电材料为纳米氧化石墨烯、单壁碳纳米管或纳米碳纤维。
进一步的，所述硅烷偶联剂与集流体基材的连接方法为：将硅烷偶联剂溶解在水和醇的混合溶剂中，控制水解液中的硅烷浓度、水解时间以及溶液PH值，然后用硅烷溶液对集流体基材进行浸涂，浸涂12h后取出集流体基材，干燥后得到硅烷偶联剂改性的集流体基材。
进一步的，所述硅烷偶联剂与纳米导电材料的连接方法为：将纳米导电材料a超声分散在酸性溶剂中（浓硫酸:浓硝酸=3:1）浸泡10~15h，然后用大量去离子水清洗，之后抽滤干燥得到产物b；将产物b超声分散于去离子水中，然后取权利要求8中改性后的集流体基材，将其浸泡在含有产物b的溶液中，在摇床上慢速摇晃24h后，取出集流体基材分别用清水和甲醇溶液多次洗涤后得到通过硅烷偶联剂将导电纳米材料和集流体基材接枝到一起的集流体。
本发明还采用了另外一种技术方案：一种锂离子电池，包括由至少一组正极片和负极片组成的叠片结构，所述正极片和负极片之间设置隔膜，所述正极片或负极片包括如上所述的改性三维编织网状集流体，以及填充在改性三维编织网状集流体上的电极材料。
与现有技术相比，本发明具有以下效果：本发明设计合理，通过改性方式在三维编织网状的集流体上接枝具有高导电性和高机械强度的纳米导电材料，可提高电解液的吸收速度和存储能力，使电解液在锂离子电池内部分布更加均匀，提升锂离子电池的容量发挥并改善电池容量一致性和循环性能。
附图说明：
图1是本发明实施例的俯视构造示意图；
图2是本发实施例的主视剖面构造示意图。
图中：
1-集流体基材；2-编织网格；3-导电膜层。
具体实施方式:
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“ 纵向”、“ 横向”、“ 上”、“ 下”、“ 前”、“ 后”、“ 左”、“ 右”、“ 竖直”、“ 水平”、“ 顶”、“ 底”、“ 内”、“ 外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例一：如图1～2所示，本发明一种改性三维编织网状集流体，包括集流体基材1，所述集流体1基材为三维机械编织的网状结构，集流体基材上设有纳米导电材料，所述纳米导电材料通过硅烷偶联剂接枝到集流体基材上，实现在集流体基材表面形成纳米导电膜层3。集流体采用三维网状结构可有效提高电解液的存储能力，有利于锂离子在极片两面迁移，同时有助于增加极片敷料量，降低电池极片重量，提高锂离子电池能量密度；纳米导电材料可显著提高电池极片的导电性以及导热能力，降低电池内部电子转移阻力，降低电池极化程度；硅烷偶联剂可将导电纳米材料和网状铜箔通过氢键和共价键接枝到一起，提高电池极片的机械强度和柔韧性。最终可提高电解液的吸收速度和存储能力，使电解液在锂离子电池内部分布更加均匀，提升锂离子电池的容量发挥并改善电池容量一致性和循环性能。
本实施例中，所述集流体基材由铜金属纤维通过三维机械编织而成。所述铜金属纤维可为铜箔。
本实施例中，所述集流体基材通过经编机采用纵横步法进行编织，所述纵横步进法，主要是以气动部件的直线运动驱动携纱器锭子在编织台面上横纵交错，实现纤维束的空间交织，且编织设备相对较小，能够编织较大尺寸的编织物。
本实施例中，所述铜金属纤维的直径为100~200μm；；所述集流体基材的编织网格的边长为40~80μm、编织网格的密度为30~90格/mm2。
本实施例中，改性处理后接枝的导电材料膜层厚度为2~3μm。
本实施例中，改性三维编织网状集流体的改性方法为通过硅烷偶联剂将纳米导电材料接枝到集流体基材。其中，所述硅烷偶联剂可KH550(γ-氨丙基三乙氧基硅烷)、KH560(γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷)、KH570(γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷)、A151(乙烯基三乙氧基硅烷)、A171(乙烯基三甲氧基硅烷)，A172(乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷)等。所述纳米导电材料为纳米氧化石墨烯、单壁碳纳米管或纳米碳纤维。
本实施例中，所述硅烷偶联剂与集流体基材的连接方法为：将硅烷偶联剂溶解在水和醇的混合溶剂中，控制水解液中的硅烷浓度、水解时间以及溶液PH值，然后用硅烷溶液对集流体基材进行浸涂，浸涂12h后取出集流体基材，干燥后得到硅烷偶联剂改性的集流体基材。
本实施例中，所述硅烷偶联剂与纳米导电材料的连接方法为：将纳米导电材料a超声分散在酸性溶剂中（浓硫酸:浓硝酸=3:1）浸泡10~15h，然后用大量去离子水清洗，之后抽滤干燥得到产物b；将产物b超声分散于去离子水中，然后取权利要求8中改性后的集流体基材，将其浸泡在含有产物b的溶液中，在摇床上慢速摇晃24h后，取出集流体基材分别用清水和甲醇溶液多次洗涤后得到通过硅烷偶联剂将导电纳米材料和集流体基材接枝到一起的集流体。
本实施例中，一种采用上述改性三维编织网状集流体的锂离子电池，其结构包括由至少一组正极片和负极片组成的叠片结构，所述正极片和负极片之间设置隔膜，所述正极片或负极片包括如上所述的改性三维编织网状集流体，以及填充在改性三维编织网状集流体上的电极材料。应说明的是，该叠片结构以及正极片和负极片之间设置隔膜均与现有技术中的锂离子电池相同。本实施例中的锂离子电池与现有技术相比的区别在于采用的集流体不同。其中，正极片中，填充在其集流体上的电极材料是由磷酸铁锂、钴酸锂、钛酸锂和三元材料中的一种或几种组成；负极片中，填充在其集流体上的电极材料是由人造石墨、天然石墨、中间相碳微球和碳纳米管中的一种或几种组成。
本实施例中，包含该改性三维编织网状集流体的锂离子电池的制备方法包括如下步骤：将正极与负极主材分别匀浆后，再将浆料涂覆在改性三维编织网状集流体上，干燥后正极片和负极片均经过辊压、模切、叠片、点焊、封装、烘烤、注液、化成、除气、烘烤、除气、分容、老化、二封，最后制成成品电池，并对制程数据和电池数据进行分析。
本发明的优点在于：（1）改性三维网状集流体可有效提高锂离子电池极片对电解液的吸收速度和存储能力，有助于电解液在电池内部均匀分布，从而提升了锂离子电池的容量发挥并改善锂离子电池容量一致性，提高其循环性能；（2）集流体具有三维网状结构，可显著降低电池集流体的重量，增加极片敷料量，包括极片表面部分和具有三维结构的网格区域部分，有效提高锂离子电池能量密度；（3）三维网状集流体接枝了纳米导电材料可有效提高电池的导电能力和导热能力；（4）改性接枝方式较为简单便捷，成本较低，相比于其他需要电镀、化学沉积、电泳等来对铜箔进行改性的方式，本发明所述的改性方式具有大规模生产的潜力。
实施例二：本实施例与实施例一的区别点仅在于：集流体基材为三维机械编织网状结构，无改性接枝处理。一种采用该集流体的锂离子电池，其它规格和制备工艺与上述本实施例相同。
实施例三：本实施例与实施例一的区别点仅在于：集流体基材采用铜箔，集流体基材未采用三维编织网状结构，采用硅烷偶联剂将导电纳米材料和铜箔接枝到一起（具体的接枝方式与实施例一中相同），在铜箔表面形成纳米导电膜层的锂离子电池集流体。种采用该集流体的锂离子电池，其它规格和制备工艺与上述本实施例相同。
对比例：一种锂离子电池，该锂离子电池负极所采用的集流体为常规结构集流体，无三维网状结构，无改性接枝处理。其它规格和制备工艺与上述实施例相同。
将本实施例与对比例1、对比例2的锂离子电池的制成数据以及电池测试数据进行对比（多组数据取平均值），所得结果如表1所示。
表1：实施例1～3与对比例电池数据对比
Figure 460873DEST_PATH_IMAGE002
注：正极耳温度为电池从100% SOC放电至0% SOC时正极耳累计温升。
从表1中可以看出，相比较于对比例，实施例1中锂离子电池包含改性后的三维网状铜集流体，其导电能力、能量密度以及循环性能均有显著提升，电池内阻和正极耳温度均有所降低；实施例2中锂离子电池包含三维网状结构的铜集流体，其电池能量密度显著提高，循环性能也有所提升；实施例3中锂离子电池包含改性后的铜集流体，其导电性得到显著提升，电池内阻显著降低。综上表明：采用三维编织法编织的网状集流体可有效提高电池的能量密度，且在经过改性后能够显著降低电池内阻，提高循环性能，比仅包含三维结构集流体或者仅进行改性接枝的锂离子电池更具有优势。
本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种改性三维编织网状集流体，其特征在于：包括集流体基材，所述集流体基材为三维编织的网状结构。
2.根据权利要求1所述的一种改性三维编织网状集流体，其特征在于：所述集流体基材上设有纳米导电材料，所述纳米导电材料通过硅烷偶联剂接枝到集流体基材上。
3.根据权利要求1所述的一种改性三维编织网状集流体，其特征在于：所述集流体基材由铜金属纤维通过三维编织而成。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种改性三维编织网状集流体，其特征在于：所述集流体基材通过经编机采用纵横步法进行编织。
5.根据权利要求3所述的一种改性三维编织网状集流体，其特征在于：所述铜金属纤维的直径为100~200μm；；所述集流体基材的编织网格的边长为40~80μm、编织网格的密度为30~90格/mm2。
6.一种改性三维编织网状集流体的改性方法，其特征在于：所述集流体包括集流体基材，所述集流体基材为三维编织的网状结构，改性方法为通过硅烷偶联剂将纳米导电材料接枝到集流体基材。
7.根据权利要求6所述的一种改性三维编织网状集流体的改性方法，其特征在于：所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷或乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷；所述纳米导电材料为纳米氧化石墨烯、单壁碳纳米管或纳米碳纤维。
8.根据权利要求6所述的一种改性三维编织网状集流体的改性方法，其特征在于：所述硅烷偶联剂与集流体基材的连接方法为：将硅烷偶联剂溶解在水和醇的混合溶剂中，控制水解液中的硅烷浓度、水解时间以及溶液PH值，然后用硅烷溶液对集流体基材进行浸涂，浸涂12h后取出集流体基材，干燥后得到硅烷偶联剂改性的集流体基材。
9.根据权利要求8所述的一种负极集流体的改性方法，其特征在于：所述硅烷偶联剂与纳米导电材料的连接方法为：将纳米导电材料a超声分散在酸性溶剂中（浓硫酸:浓硝酸=3:1）浸泡10~15h，然后用大量去离子水清洗，之后抽滤干燥得到产物b；将产物b超声分散于去离子水中，然后取权利要求8中改性后的集流体基材，将其浸泡在含有产物b的溶液中，在摇床上慢速摇晃24h后，取出集流体基材分别用清水和甲醇溶液多次洗涤后得到通过硅烷偶联剂将导电纳米材料和集流体基材接枝到一起的集流体。
10.一种锂离子电池，包括由至少一组正极片和负极片组成的叠片结构，所述正极片和负极片之间设置隔膜，其特征在于：所述正极片或负极片包括如权利要求1～5任一项所述的改性三维编织网状集流体，以及填充在改性三维编织网状集流体上的电极材料。
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