CN114361386B - 一种极片及其制备方法、电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种极片及其制备方法、电池，包括集流体、MXene层和活性材料‑MXene层；MXene层包裹在集流体上，活性材料‑MXene层包裹在MXene层上；MXene层含有MXene材料，活性材料‑MXene层含有活性材料和MXene材料。本发明的极片，先在集流体上包裹一层MXene层，再在MXene层上包裹一层活性材料‑MXene层，MXene层含有MXene材料，MXene层紧密地结合在集流体上，活性材料紧密地结合在MXene层上，从而增加活性材料和集流体之间的结合力，有效解决集流体和活性材料之间的结合问题，同时又可以增加极片的导电性和离子传输通道，提高电池的循环性能、倍率性能等。
Description
技术领域
本发明涉及可循环电池技术领域，尤其涉及一种极片及其制备方法、电池。
背景技术
锂离子电池具有轻便、可重复使用、电压高、无污染等优点，已广泛应用与数码、动力、储能等领域。正负极作为锂离子电池重要组成部分，其是将活性物质、粘结剂、导电剂以及相应溶剂匀浆混合后均匀涂覆在集流体上制作而成的。
上述正负极片的制作方法简便、高效，但活性材料层与集流体结合力弱，在制片或者循环中存在掉粉的问题。同时，活性材料层与集流体之间的结合差会增加接触内阻，从而影响电池的循环性能、倍率性能等。
发明内容
本发明的目的是提供一种极片及其制备方法、电池，增强活性材料层与集流体之间的结合力，防止掉粉，减小接触内阻，提高电池的循环性能、倍率性能等。
本发明公开了一种极片，包括集流体、MXene层和活性材料-MXene层；MXene层包裹在集流体上，活性材料-MXene层包裹在MXene层上；MXene层含有MXene材料，活性材料-MXene层含有活性材料和MXene材料。
可选地，MXene层和活性材料-MXene层总厚度为20～400μm。
本发明还公开了一种极片制备方法，用于制备如上的极片，包括步骤：
将MXene材料、粘结剂、溶剂按比例分散均匀，得到MXene浆料；
将MXene浆料涂覆在集流体上并干燥，形成MXene层；
将活性材料、MXene材料、导电剂、粘结剂、溶剂按比例分散均匀，得到活性浆料；
将活性材料浆料涂覆在MXene层上并干燥，形成活性材料-MXene层，得到极片。
可选地，在MXene浆料中，按质量计，粘结剂含量为MXene材料含量的1～30％。
可选地，按质量计，MXene浆料的固含量为0.5～25％。
可选地，在活性浆料中，按质量计，MXene材料含量占0.01～2％。
可选地，MXene材料为Ti3C2、Ti2C、Nb4C3、Ta4C3、Ti3CN、V2C、V4C3、Mo2C、Nb2C、Cr2C、MoTi2C3、Ta2C、Mo2TiC3、Ti4N3、VNbC中的至少一种。
可选地，在MXene浆料中，粘结剂为聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素锂、丁苯橡胶、聚乙烯吡咯烷酮、聚偏氟乙烯、海藻酸钠、黄原胶、聚丙烯腈中的至少一种。
可选地，将MXene浆料涂覆在集流体上并干燥的步骤具体为：
在集流体双面皆涂覆上MXene浆料，MXene浆料的厚度为0.1～6μm。
本发明还公开了一种电池，包括电解液、隔膜以及如上的极片。
本发明的极片，先在集流体上包裹一层MXene层，再在MXene层上包裹一层活性材料-MXene层，MXene层含有MXene材料，MXene层紧密地结合在集流体上，活性材料紧密地结合在MXene层上，从而增加活性材料和集流体之间的结合力，有效解决集流体和活性材料之间的结合问题，同时又可以增加极片的导电性和离子传输通道，提高电池的循环性能、倍率性能等。进一步地，在活性材料中也加入MXene材料，既可以让活性材料-MXene层与MXene层结合更加紧密，又可以使得自活性材料至集流体之间都存在MXene材料，进一步增加活性材料导电性和离子传输通道，提高电池的循环性能、倍率性能等。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施方式，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。在附图中：
图1是本发明实施例极片的示意图；
图2是本发明实施例电池循环400周的容量保持率曲线图。
其中，1、集流体；2、MXene层，3、活性材料-MXene层。
具体实施方式
需要理解的是，这里所使用的术语、公开的具体结构和功能细节，仅仅是为了描述具体实施例，是代表性的，但是本发明可以通过许多替换形式来具体实现，不应被解释成仅受限于这里所阐述的实施例。
下面参考附图和可选的实施例对本发明作详细说明。
如图1所示，作为本发明的一实施例，公开了一种极片，包括集流体1、MXene层2和活性材料-MXene层3；MXene层2包裹在集流体1上，活性材料-MXene层3包裹在MXene层2上；MXene层2含有MXene材料，活性材料-MXene层3含有活性材料和MXene材料。
本发明的极片，先在集流体1上包裹一层MXene层2，再在MXene层3上包裹一层活性材料-MXene层3，MXene层2含有MXene材料，MXene层2紧密地结合在集流体1上，活性材料紧密地结合在MXene层2上，从而增加活性材料和集流体1之间的结合力，有效解决集流体1和活性材料之间的结合问题，同时又可以增加极片的导电性和离子传输通道，提高电池的循环性能、倍率性能等。进一步地，在活性材料中也加入MXene材料，既可以让活性材料-MXene层3与MXene层2结合更加紧密，又可以使得自活性材料至集流体1之间都存在MXene材料，进一步增加活性材料导电性和离子传输通道，提高电池的循环性能、倍率性能等。
MXene材料是一种新型二维材料，具有优异的金属导电性、机械性能和电化学性能。第一性原理研究表明，沿着MXene基准面拉伸时，其弹性模量、弯曲强度显著高于相同厚度的多层石墨烯，力学性能更好。在作为储能材料时，由于MXene间距比石墨和少层石墨烯的层间距更大，更有利于离子的传输。MXene材料具有较好的亲水性，容易在水中分散，而常规碳材料如石墨烯具有既不亲水又不亲油的特征，分散过程中需要添加较多分散剂。另外，若采用纯的MXene涂覆，可以像石墨烯一样涂更薄，这样可以节省电池空间。
可选地，MXene层2和活性材料-MXene层3总厚度为20～400μm，导电性能优越。
可选地，MXene层2还含有导电炭和粘结剂。导电炭可以进一步增加MXene层2的导电性能，粘结剂可以增加MXene层2结合力。具体地，导电碳相对于MXene材料成本更低，且导电碳包含二维片状材料石墨烯、线状材料碳纳米管、碳纤维、纳米颗粒炭黑等。将MXene和导电碳组合可降低成本，或者用线状或者纳米颗粒的导电碳与二维片状MXene组合提高性能。
本实施例还公开了一种极片制备方法，用于制备如上的极片，包括步骤：
将MXene材料、粘结剂、溶剂按比例分散均匀，得到MXene浆料；
将MXene浆料涂覆在集流体上并干燥，形成MXene层；
将活性材料、MXene材料、导电剂、粘结剂、溶剂按比例分散均匀，得到活性浆料；
将活性材料浆料涂覆在MXene层上并干燥，形成活性材料-MXene层，得到极片。
通过本制备方法制备的极片，通过两次涂覆，分别将MXene浆料和活性浆料涂覆在集流体上，干燥后分别形成MXene层和活性材料-MXene层。MXene层可以紧密地结合在集流体上，活性材料可以紧密地结合在MXene层上，从而增加活性材料和集流体之间的结合力，有效解决集流体和活性材料之间的结合问题，同时又可以增加极片的导电性和离子传输通道，提高电池的循环性能、倍率性能等。进一步地，在活性材料中也加入MXene材料，既可以让活性材料-MXene层与MXene层结合更加紧密，又可以使得自活性材料至集流体之间都存在MXene材料，进一步增加活性材料导电性和离子传输通道，提高电池的循环性能、倍率性能等。
可选地，在MXene浆料中，按质量计，粘结剂含量为MXene材料含量的1～30％。在本方案中，粘结剂含量为MXene材料含量的1～30％，粘结剂的粘结效果更好，MXene层与集流体的结合力更大。
可选地，按质量计，MXene浆料的固含量为0.5～25％。在本方案中，MXene浆料的固含量为0.5～25％可以更加容易涂覆在集流体上，与含量为MXene材料的1～30％的粘结剂配合，MXene层可以更加容易、更加紧密地结合在集流体上。
可选地，在活性浆料中，按质量计，MXene材料含量占0.01～2％。在本方案中，MXene材料含量占0.01～2％，干燥后性材料-MXene层与MXene层的结合力更大，同时活性材料导电性更好。
可选地，MXene材料为Ti3C2、Ti2C、Nb4C3、Ta4C3、Ti3CN、V2C、V4C3、Mo2C、Nb2C、Cr2C、MoTi2C3、Ta2C、Mo2TiC3、Ti4N3、VNbC中的至少一种。
可选地，在MXene浆料中，粘结剂为聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素锂、丁苯橡胶、聚乙烯吡咯烷酮、聚偏氟乙烯、海藻酸钠、黄原胶、聚丙烯腈中的至少一种。
可选地，将MXene浆料涂覆在集流体上并干燥的步骤具体为：在集流体双面皆涂覆上MXene浆料，MXene浆料的厚度为0.1～6μm，集流体挂浆容易，浆料厚度均匀。
可选地，在活性材料浆料涂干燥形成活性材料-MXene层后，对极片进行辊压。
本实施例还公开了一种电池，包括电解液、隔膜以及如上的极片。
以下通过实验例和对比例对本发明进行进一步地说明。
实验例1
(1)配制Ti3C2浆料，按照质量比，Ti3C2：CMC-Na：H2O＝6：0.3：93.7；
(2)将Ti3C2浆料涂覆在铜箔上，然后干燥，得到双面涂覆厚度为1.5μm的涂Ti3C2铜箔；
(3)按照质量比，负极活性物质：Ti3C2：导电剂：粘结剂＝95：0.5：1.5：3，固含量为45％，溶剂为去离子水，配制活性浆料；
(4)将活性浆料涂覆在步骤(2)中涂Ti3C2铜箔上，干燥；
(5)辊压，得到双面涂覆厚度为90μm负极极片。
实验例2
(1)配置Ti2C浆料，Ti2C：CMC-Na：H2O＝6：0.3：93.7；
(2)将Ti2C浆料涂覆在铜箔上，然后干燥，得到双面涂覆厚度为1.5μm的涂Ti2C铜箔；
(3)按负极活性物质：Ti2C：导电剂：粘结剂＝95：0.5：1.5：3，固含量为45％，溶剂为去离子水，配制活性浆料；
(4)将活性浆料涂覆在步骤(2)中涂Ti2C铜箔上，干燥；
(5)辊压，得到双面涂覆厚度为90μm负极极片。
实验例3
(1)配置Ti3C2-Ti2C浆料，Ti3C2：Ti2C：CMC-Na：H2O＝3：3：0.3：93.7；
(2)将Ti3C2-Ti2C浆料涂覆在铜箔上，然后干燥，得到双面涂覆厚度为1.5μm的涂Ti3C2-Ti2C铜箔；
(3)按负极活性物质：Ti3C2-Ti2C：导电剂：粘结剂＝95：0.5：1.5：3，固含量为45％，溶剂为去离子水，配制活性浆料；
(4)将活性浆料涂覆在步骤(2)中涂Ti3C2-Ti2C铜箔上，干燥；
(5)辊压，得到双面涂覆厚度为90μm负极极片。
实验例4
(1)配制MXene-导电碳浆料，Ti3C2：导电碳：CMC-Na：H2O＝4：2：0.3：93.7；
(2)将MXene-导电碳浆料涂覆在铜箔上，然后干燥，得到双面涂覆厚度为1.5μm的涂MXene-导电碳铜箔；
(3)按负极活性物质：Ti3C2：导电剂：粘结剂＝95：0.5：1.5：3，固含量45％，溶剂为去离子水，配制活性浆料；
(4)将活性浆料涂覆在步骤(2)中涂MXene-导电碳铜箔上，干燥；
(5)辊压，得到双面涂覆厚度为90μm负极极片。
对比例1
(1)按负极活性物质：导电剂：粘结剂＝95：2：3，固含量45％，溶剂为去离子水，配制活性浆料；
(2)将活性浆料涂覆在铜箔上，干燥；
(3)辊压，得到双面涂覆厚度为90μm负极极片。
将上述试验例1至4和对比例1制得的负极极片与正极极片、电解液、隔膜等制作成软包锂离子电池，在25℃条件下，以1C充1C放倍率测试电池循环性能，结果如下表和图1所示：
| 序号 | 400周容量保持率 |
| 实验例1 | 79.98％ |
| 实验例2 | 78.71％ |
| 实验例3 | 78.19％ |
| 实验例4 | 79.04 |
| 对比例1 | 73.39％ |
从上表和图1可知，通过本发明的极片制得的电池，电池循环性能明显优于普通电池的循环性能。
需要说明的是，本方案中涉及到的各步骤的限定，在不影响具体方案实施的前提下，并不认定为对步骤先后顺序做出限定，写在前面的步骤可以是在先执行的，也可以是在后执行的，甚至也可以是同时执行的，只要能实施本方案，都应当视为属于本发明的保护范围。
以上内容是结合具体的可选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种极片，其特征在于，包括集流体、MXene层和活性材料-MXene层；所述MXene层包裹在所述集流体上，所述活性材料-MXene层包裹在所述MXene层上；所述MXene层含有MXene材料，所述活性材料-MXene层含有活性材料和MXene材料；
所述MXene层和所述活性材料-MXene层总厚度为20～400μm。
2.一种极片制备方法，用于制备如权利要求1所述的极片，其特征在于，包括步骤：
将MXene材料、粘结剂、溶剂按比例分散均匀，得到MXene浆料；
将MXene浆料涂覆在集流体上并干燥，形成MXene层；
将活性材料、MXene材料、导电剂、粘结剂、溶剂按比例分散均匀，得到活性浆料；
将活性材料浆料涂覆在MXene层上并干燥，形成活性材料-MXene层，得到极片。
3.如权利要求2所述的极片制备方法，其特征在于，在所述MXene浆料中，按质量计，所述粘结剂含量为MXene材料含量的1～30％。
4.如权利要求3所述的极片制备方法，其特征在于，按质量计，所述MXene浆料的固含量为0.5～25％。
5.如权利要求2所述的极片制备方法，其特征在于，在所述活性浆料中，按质量计，所述MXene材料含量占0.01～2％。
6.如权利要求2所述的极片制备方法，其特征在于，所述MXene材料为Ti3C2、Ti2C、Nb4C3、Ta4C3、Ti3CN、V2C、V4C3、Mo2C、Nb2C、Cr2C、MoTi2C3、Ta2C、Mo2TiC3、Ti4N3、VNbC中的至少一种。
7.如权利要求2所述的极片制备方法，其特征在于，在所述MXene浆料中，所述粘结剂为聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素锂、丁苯橡胶、聚乙烯吡咯烷酮、聚偏氟乙烯、海藻酸钠、黄原胶、聚丙烯腈中的至少一种。
8.如权利要求2所述的极片制备方法，其特征在于，所述将MXene浆料涂覆在集流体上并干燥的步骤具体为：
在集流体双面皆涂覆上MXene浆料，MXene浆料的厚度为0.1～6μm。
9.一种电池，其特征在于，包括电解液、隔膜以及如权利要求1所述的极片。
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