CN114243026B - 一种石墨烯集流体的制备方法以及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯集流体的制备方法及其制备设备，包括以下操作步骤：步骤S1、物料混合；步骤S2、物料铺设；步骤S3、物料干燥；步骤S1：将石墨烯、粘结剂及溶剂通过高速搅拌，三辊研磨或均质混合均匀，得到石墨烯导电涂层材料；步骤S2：将所述石墨烯导电涂层材料刮涂或辊压在毛化集流体表面；步骤S3：将所述毛化集流体与所述石墨烯导电涂层在50‑100℃的烘箱中烘干，得到高导电性的石墨烯集流体，本发明的有益效果是，本发明采用石墨烯作为导电剂，有效减少了导电剂的用量，且增加了导电性；在混合搅拌阶段，采用的高速搅拌，三辊研磨或均质过程中，在剪切力的作用下，粘结剂对石墨烯起到了再次剥离的效果，使导电涂层导电性得到一定程度提高。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯集流体制备技术领域，特别是一种石墨烯集流体的制备方法以及设备。
背景技术
锂离子电池广泛用于手机、相机、小型电动工具、电动汽车及大型储能的应用。影响动力电池寿命的因素很多，正负极材料与集流体之间的导电能力与剥离强度就是其中之一。现在，正负极材料大多是直接涂覆到表面光滑的集流体上，这种涂覆方式制作的极片，材料与集流体间的接触不够充分紧密，导致材料与集流体间的剥离强度较低，导电性差。接触差导电性不好会导致充放电过程过电位大，降低了能量输出、增加了电池发热，且影响电池的使用寿命。
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道的二维平面结构的新型碳纳米材料。石墨烯具有良好的机械性能、高的导电率和高的比表面积等优异的光学、电学、力学特性，其电导率可达106S·m-1以上，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足而提供的一种石墨烯集流体的制备方法，本发明采用毛化集流体做支撑材料，石墨烯为导电涂层导电剂，既增大了导电涂层与集流体材料间的接触面积，增大了附着力，又减少了粘结剂的用量，增大了导电性，减小了器件的电阻，并有效避免了电极活性物质从集流体上脱落。
实现上述目的本发明的技术方案为：一种石墨烯集流体的制备方法，包括以下操作步骤：步骤S1、物料混合；步骤S2、物料铺设；步骤S3、物料干燥；
步骤S1：将石墨烯、粘结剂及溶剂通过高速搅拌，三辊研磨或均质混合均匀，得到石墨烯导电涂层材料；
步骤S2：将所述石墨烯导电涂层材料刮涂或辊压在毛化集流体表面；
步骤S3：将所述毛化集流体与所述石墨烯导电涂层在50~100℃的烘箱中烘干，得到高导电性的石墨烯集流体。
步骤S1中所述石墨烯为机械剥离石墨烯、激光诱导制备石墨烯、还原氧化石墨烯中的至少一种；步骤S1中所述粘结剂为海藻酸钠、羧甲基纤维素钠、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯中的至少一种；步骤S1中所述溶剂为水、无水乙醇、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜中的至少一种；步骤S1中所述导电涂层材料中石墨烯所占质量为0.1%~15%，粘结剂所占质量为0.1%~20%，溶剂所占质量为70%~96.7%；步骤S2中所述石墨烯导电涂层的厚度为1μm~5μm；步骤S2中所述毛化集流体为表面毛化的铝箔或铜箔；步骤S3中所述烘干所需要的时间为30min~60min。
应用于一种石墨烯集流体的制备方法所使用的制备设备，包括混合箱，所述混合箱上设有预混料结构，所述混合箱上还设有分散结构，所述混合箱上有搅拌结构；
所述预混料结构包括：预混箱、两个斜板、两个第一电机、两个转动扇叶以及入料部；
所述预混箱安装于混合箱上，两个所述斜板对称安装于预混箱内侧相对壁面上，两个所述第一电机分别安装于两个所述斜板上壁面上，两个所述转动扇叶分别套装于两个所述第一电机驱动端上，所述入料部安装于预混箱上。
所述入料部包括：两个进料口、两个电磁阀、两个电磁流量计以及两个加料箱；
两个所述进料口插装于预混箱上，两个所述电磁阀分别安装于两个所述进料口上，两个所述电磁流量计分别安装于两个所述电磁阀上，两个所述加料箱分别安装于两个所述电磁流量计上。
所述分散结构包括：分散箱、四个支撑板、四个弹簧、四个连接板、移动框、四个滑条、四个滑块、碾压部、动力部以及投放部；
所述分散箱安装于预混箱上，四个所述支撑板安装于分散箱内侧相对壁面上，四个所述弹簧分别安装于四个所述支撑板上壁面上，四个所述连接板分别安装于四个所述弹簧上，移动框安装于四个所述连接板上，四个所述滑条安装于分散箱内侧相对壁面上，四个所述滑块分别活动安装于四个所述滑条上，且四个所述滑块固定安装于移动框外侧壁面上，所述碾压部安装于移动框内侧壁面上，所述动力部安装于分散箱内侧壁面上，所述投放部安装于分散箱上。
所述碾压部包括：两个固定电机、固定辊、两对滑轨、两对移动电机、两个移动辊以及两对气缸；
两个所述固定电机安装于移动框内侧壁面上，所述固定辊安装于两个所述固定电机驱动端上，两对所述滑轨安装于移动框内侧壁面上，两对所述移动电机分别安装于两对所述滑轨移动端上，两个所述移动辊分别安装于两对所述移动电机驱动端上，两对所述气缸安装于移动框内侧壁面上，且两对所述气缸的伸缩端安装于两对所述移动电机侧壁面上。
所述动力部包括：两个第二电机、两个转轴、两个凸轮以及两个压板；
两个所述第二电机安装于移动框内侧壁面上，两个所述转轴安装于两个所述第二电机驱动端上，且两个所述转轴活动插装于移动框内侧壁面上，两个所述凸轮分别套装于两个所述转轴上，两个所述压板安装于移动框外侧壁面上。
所述投放部包括：投放口以及投放通道；
所述投放口安装于分散箱上，所述投放通道安装于投放口内侧壁面上。
所述搅拌结构包括：第一搅拌轴、第三电机、若干对横杆、若干对电动推杆、若干个刮板、若干个第一搅拌杆以及若干个端部搅拌部；
所述第一搅拌轴活动插装于混合箱上，所述第三电机安装于第一搅拌轴一端，若干对所述横杆等距离安装于第一搅拌轴上，若干对所述电动推杆安装于若干对所述横杆一端，若干个所述刮板安装于若干对所述电动推杆伸缩端，若干个所述第一搅拌杆等距离安装于第一搅拌轴上，若干个所述端部搅拌部安装于若干对所述横杆上。
若干个所述端部搅拌部包括：若干个第二搅拌轴、若干个第四电机以及若干个第二搅拌杆；
若干个所述第二搅拌轴活动插装于若干对所述横杆上，若干个所述第四电机安装于若干个所述第二搅拌轴一端，若干个所述第二搅拌杆安装于若干个所述第二搅拌轴上。
利用本发明的技术方案制作的石墨烯集流体的制备方法以及设备，本发明采用石墨烯作为导电剂，有效减少了导电剂的用量，且增加了导电性；在混合搅拌阶段，采用的高速搅拌，三辊研磨或均质过程中，在剪切力的作用下，粘结剂对石墨烯起到了再次剥离的效果，使导电涂层导电性得到一定程度提高；采用的毛化集流体作为导电涂层支撑材料，增大了导电涂层与集流体材料间的接触面积，增大了附着力，减少了粘结剂的用量，既增大了导电涂层的导电性又有效避免了电极活性物质从集流体上的脱落；制备石墨烯集流体的设备中混合箱用于对石墨烯、粘结剂及溶剂进行盛放，预混料结构用于对石墨烯、粘结剂及溶剂三者进行预先混合，分散结构用于将块状的石墨烯进行分散，避免块状石墨烯进入混合箱内，搅拌结构通过多搅拌动力进行搅拌，同时搅拌结构间歇的贴合混合箱内壁，避免物料残留在箱壁，保证了混合质量，提高了混合效率。
附图说明
图1为本发明所述一种石墨烯集流体的制备设备的主视剖视结构示意图。
图2为本发明所述一种石墨烯集流体的制备设备的局部主视剖视结构示意图。
图3为本发明所述一种石墨烯集流体的制备设备的搅拌结构的局部俯视剖视结构示意图。
图4为本发明所述一种石墨烯集流体的制备设备的分散结构的局部俯视剖视结构示意图。
图5为本发明所述一种石墨烯集流体的制备设备的分散结构的局部侧视剖视结构示意图。
图中：1、混合箱，2、预混箱，3、斜板，4、第一电机，5、转动扇叶，6、进料口，7、电磁阀，8、电磁流量计，9、加料箱，10、分散箱，11、支撑板，12、弹簧，13、连接板，14、移动框，15、滑条，16、滑块，17、固定电机，18、固定辊，19、滑轨，20、移动电机，21、移动辊，22、气缸，23、第二电机，24、转轴，25、凸轮，26、压板，27、投放口，28、投放通道，29、第一搅拌轴，30、第三电机，31、横杆，32、电动推杆，33、刮板，34、第一搅拌杆，35、第二搅拌轴，36、第四电机，37、第二搅拌杆。
实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，结合以下实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
实施例
（1）将质量分数为2.8g 机械剥离的石墨烯、3.0g的海藻酸钠粘结剂及94.2g去离子水通过高速搅拌，混合均匀，再三辊研磨两次，得到石墨烯导电涂层材料。
（2）将石墨烯导电涂层材料辊压在毛化集流体表面，在100℃的烘箱中烘干，得到高导电性的石墨烯集流体。
实施例
（1）将质量分数为5.2g 机械剥离的石墨烯、6.0g 的聚四氟乙烯粘结剂及50g去离子水38.8gNMP通过高速搅拌，混合均匀，再高压均质两次，得到石墨烯导电涂层材料。
（2）将石墨烯导电涂层材料辊压在毛化集流体表面，在100℃的烘箱中烘干，得到高导电性的石墨烯集流体。
实施例
（1）将质量分数为10g 还原氧化石墨烯、3.0g 的海藻酸钠5g聚偏氟乙烯粘结剂及50g去离子水和32gNMP通过高速搅拌，混合均匀，再高压均质，得到石墨烯导电涂层材料。
（2）将石墨烯导电涂层材料辊压在毛化集流体表面，在100℃的烘箱中烘干，得到高导电性的石墨烯集流体。
实施例
下面结合附图对本发明进行具体描述，如图1-5所示，一种石墨烯集流体的制备设备。
通过本领域人员，将本案中所有电气件与其适配的电源通过导线进行连接，并且应该根据实际情况，选择合适的控制器，以满足控制需求，具体连接以及控制顺序，应参考下述工作原理中，各电气件之间先后工作顺序完成电性连接，其详细连接手段，为本领域公知技术，下述主要介绍工作原理以及过程，不在对电气控制做说明。
应用于一种石墨烯集流体的制备方法所使用的制备设备，包括混合箱1，混合箱1上设有预混料结构，混合箱1上还设有分散结构，混合箱1上有搅拌结构；
其中需要说明的是：混合箱1用于将石墨烯、粘结剂及溶剂进行盛放，预混料结构用于对石墨烯、粘结剂及溶剂三者进行预先混合，分散结构用于将块状的石墨烯进行分散，避免块状石墨烯进入混合箱1内，搅拌结构通过多搅拌动力进行搅拌，同时搅拌结构间歇的贴合混合箱1内壁，避免物料残留在箱壁，保证了混合质量，提高了混合效率；
在具体实施过程中，预混料结构可优选采用以下结构，其包括：预混箱2、两个斜板3、两个第一电机4、两个转动扇叶5以及入料部；预混箱2安装于混合箱1上，两个斜板3对称安装于预混箱2内侧相对壁面上，两个第一电机4分别安装于两个斜板3上壁面上，两个转动扇叶5分别套装于两个第一电机4驱动端上，入料部安装于预混箱2上；
其中需要说明的是：粘结剂及溶剂通过入料部进入预混箱2中，两个第一电机4工作，带动两个转动扇叶5转动上，使粘结剂及溶剂向预混箱2中间部位飞溅；
在具体实施过程中，入料部可优选采用以下结构，其包括：两个进料口6、两个电磁阀7、两个电磁流量计8以及两个加料箱9；两个进料口6插装于预混箱2上，两个电磁阀7分别安装于两个进料口6上，两个电磁流量计8分别安装于两个电磁阀7上，两个加料箱9分别安装于两个电磁流量计8上；
其中需要说明的是：粘结剂及溶剂分别通过两个加料箱9流进，当两个电磁流量计8检测到流量到达设定值时，两个电磁阀7关闭，实现定量送料；
在具体实施过程中，分散结构可优选采用以下结构，其包括：分散箱10、四个支撑板11、四个弹簧12、四个连接板13、移动框14、四个滑条15、四个滑块16、碾压部、动力部以及投放部；分散箱10安装于预混箱2上，四个支撑板11安装于分散箱10内侧相对壁面上，四个弹簧12分别安装于四个支撑板11上壁面上，四个连接板13分别安装于四个弹簧12上，移动框14安装于四个连接板13上，四个滑条15安装于分散箱10内侧相对壁面上，四个滑块16分别活动安装于四个滑条15上，且四个滑块16固定安装于移动框14外侧壁面上，碾压部安装于移动框14内侧壁面上，动力部安装于分散箱10内侧壁面上，投放部安装于分散箱10上；
其中需要说明的是：石墨烯通过投放部进入分散箱10中，碾压部工作，对石墨烯进行分散，当粘结剂及溶剂全部加入后，动力部工作，使移动框14在四个弹簧12的作用下上下振动，使残留在碾压部上的石墨烯被震落，四个滑条15与四个滑块16用于限制移动框14的移动方向；
在具体实施过程中，碾压部可优选采用以下结构，其包括：两个固定电机17、固定辊18、两对滑轨19、两对移动电机20、两个移动辊21以及两对气缸22；两个固定电机17安装于移动框14内侧壁面上，固定辊18安装于两个固定电机17驱动端上，两对滑轨19安装于移动框14内侧壁面上，两对移动电机20分别安装于两对滑轨19移动端上，两个移动辊21分别安装于两对移动电机20驱动端上，两对气缸22安装于移动框14内侧壁面上，且两对气缸22的伸缩端安装于两对移动电机20侧壁面上；
其中需要说明的是：两个固定电机17与两对移动电机20工作，使固定辊18与两个移动辊21转动，对石墨烯进行分散，当石墨烯添加完成后，两对气缸22收缩，两个移动辊21通过两对滑轨19移动，使固定辊18与两个移动辊21分开，便于残留的石墨烯被震落；
在具体实施过程中，动力部可优选采用以下结构，其包括：两个第二电机23、两个转轴24、两个凸轮25以及两个压板26；两个第二电机23安装于移动框14内侧壁面上，两个转轴24安装于两个第二电机23驱动端上，且两个转轴24活动插装于移动框14内侧壁面上，两个凸轮25分别套装于两个转轴24上，两个压板26安装于移动框14外侧壁面上；
其中需要说明的是：需要移动框14振动时，两个第二电机23工作，带动两个转轴24转动，两个凸轮25下压两个压板26，使四个弹簧12受力，移动框14移动；
在具体实施过程中，投放部可优选采用以下结构，其包括：投放口27以及投放通道28；投放口27安装于分散箱10上，投放通道28安装于投放口27内侧壁面上；
其中需要说明的是：石墨烯从投放口27处投入分散箱10内，通过投放通道28下落在固定辊18与两个移动辊21上方；
在具体实施过程中，搅拌结构可优选采用以下结构，其包括：第一搅拌轴29、第三电机30、若干对横杆31、若干对电动推杆32、若干个刮板33、若干个第一搅拌杆34以及若干个端部搅拌部；第一搅拌轴29活动插装于混合箱1上，第三电机30安装于第一搅拌轴29一端，若干对横杆31等距离安装于第一搅拌轴29上，若干对电动推杆32安装于若干对横杆31一端，若干个刮板33安装于若干对电动推杆32伸缩端，若干个第一搅拌杆34等距离安装于第一搅拌轴29上，若干个端部搅拌部安装于若干对横杆31上；
其中需要说明的是：第三电机30工作，第一搅拌轴29转动，带动若干对横杆31、若干个第一搅拌杆34以及若干个端部搅拌部转动，进行混合工作，若干对电动推杆32进行伸缩工作，使刮板33间歇进行刮壁工作；
在具体实施过程中，若干个端部搅拌部可优选采用以下结构，其包括：若干个第二搅拌轴35、若干个第四电机36以及若干个第二搅拌杆37；若干个第二搅拌轴35活动插装于若干对横杆31上，若干个第四电机36安装于若干个第二搅拌轴35一端，若干个第二搅拌杆37安装于若干个第二搅拌轴35上；
其中需要说明的是：在若干对横杆31转动的过程中，若干个第四电机36工作，带动若干个第二搅拌轴35转动，若干个第二搅拌杆37对混合箱1内壁附近进行搅拌，保证搅拌效率以及搅拌质量。
上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种石墨烯集流体的制备设备，包括混合箱（1），其特征在于，所述混合箱（1）上设有预混料结构，所述混合箱（1）上还设有分散结构，所述混合箱（1）上有搅拌结构；
所述预混料结构包括：预混箱（2）、两个斜板（3）、两个第一电机（4）、两个转动扇叶（5）以及入料部；
所述预混箱（2）安装于混合箱（1）上，两个所述斜板（3）对称安装于预混箱（2）内侧相对壁面上，两个所述第一电机（4）分别安装于两个所述斜板（3）上壁面上，两个所述转动扇叶（5）分别套装于两个所述第一电机（4）驱动端上，所述入料部安装于预混箱（2）上；
所述入料部包括：两个进料口（6）、两个电磁阀（7）、两个电磁流量计（8）以及两个加料箱（9）；
两个所述进料口（6）插装于预混箱（2）上，两个所述电磁阀（7）分别安装于两个所述进料口（6）上，两个所述电磁流量计（8）分别安装于两个所述电磁阀（7）上，两个所述加料箱（9）分别安装于两个所述电磁流量计（8）上；
所述分散结构包括：分散箱（10）、四个支撑板（11）、四个弹簧（12）、四个连接板（13）、移动框（14）、四个滑条（15）、四个滑块（16）、碾压部、动力部以及投放部；
所述分散箱（10）安装于预混箱（2）上，四个所述支撑板（11）安装于分散箱（10）内侧相对壁面上，四个所述弹簧（12）分别安装于四个所述支撑板（11）上壁面上，四个所述连接板（13）分别安装于四个所述弹簧（12）上，移动框（14）安装于四个所述连接板（13）上，四个所述滑条（15）安装于分散箱（10）内侧相对壁面上，四个所述滑块（16）分别活动安装于四个所述滑条（15）上，且四个所述滑块（16）固定安装于移动框（14）外侧壁面上，所述碾压部安装于移动框（14）内侧壁面上，所述动力部安装于分散箱（10）内侧壁面上，所述投放部安装于分散箱（10）上。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯集流体的制备设备，其特征在于，所述碾压部包括：两个固定电机（17）、固定辊（18）、两对滑轨（19）、两对移动电机（20）、两个移动辊（21）以及两对气缸（22）；
两个所述固定电机（17）安装于移动框（14）内侧壁面上，所述固定辊（18）安装于两个所述固定电机（17）驱动端上，两对所述滑轨（19）安装于移动框（14）内侧壁面上，两对所述移动电机（20）分别安装于两对所述滑轨（19）移动端上，两个所述移动辊（21）分别安装于两对所述移动电机（20）驱动端上，两对所述气缸（22）安装于移动框（14）内侧壁面上，且两对所述气缸（22）的伸缩端安装于两对所述移动电机（20）侧壁面上。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯集流体的制备设备，其特征在于，所述动力部包括：两个第二电机（23）、两个转轴（24）、两个凸轮（25）以及两个压板（26）；
两个所述第二电机（23）安装于移动框（14）内侧壁面上，两个所述转轴（24）安装于两个所述第二电机（23）驱动端上，且两个所述转轴（24）活动插装于移动框（14）内侧壁面上，两个所述凸轮（25）分别套装于两个所述转轴（24）上，两个所述压板（26）安装于移动框（14）外侧壁面上。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯集流体的制备设备，其特征在于，所述投放部包括：投放口（27）以及投放通道（28）；
所述投放口（27）安装于分散箱（10）上，所述投放通道（28）安装于投放口（27）内侧壁面上。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯集流体的制备设备，其特征在于，所述搅拌结构包括：第一搅拌轴（29）、第三电机（30）、若干对横杆（31）、若干对电动推杆（32）、若干个刮板（33）、若干个第一搅拌杆（34）以及若干个端部搅拌部；
所述第一搅拌轴（29）活动插装于混合箱（1）上，所述第三电机（30）安装于第一搅拌轴（29）一端，若干对所述横杆（31）等距离安装于第一搅拌轴（29）上，若干对所述电动推杆（32）安装于若干对所述横杆（31）一端，若干个所述刮板（33）安装于若干对所述电动推杆（32）伸缩端，若干个所述第一搅拌杆（34）等距离安装于第一搅拌轴（29）上，若干个所述端部搅拌部安装于若干对所述横杆（31）上。
6.根据权利要求5所述的一种石墨烯集流体的制备设备，其特征在于，若干个所述端部搅拌部包括：若干个第二搅拌轴（35）、若干个第四电机（36）以及若干个第二搅拌杆（37）；
若干个所述第二搅拌轴（35）活动插装于若干对所述横杆（31）上，若干个所述第四电机（36）安装于若干个所述第二搅拌轴（35）一端，若干个所述第二搅拌杆（37）安装于若干个所述第二搅拌轴（35）上。
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