CN114944490A - 一体化干法电极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种一体化干法电极材料及其制备方法，包括石墨纸集流体；其中，在所述石墨纸集流体的一侧设置有碳纳米管网络，在所述碳纳米管网络远离所述石墨纸集流体的一侧设置有一层负极活性物质。本发明提供的一体化干法电极材料能够解决现有的锂离子电池极片制备方法工序繁琐、污染性强且循环性能差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及新能源材料技术领域，更为具体地，涉及一种一体化干法电极材料及其制备方法。
背景技术
随着全球能源短缺和环境保护意识提高，新能源成为当前重要的发展方向，而锂离子电池凭借其高工作电压、无记忆效应、自放电小和循环寿命长等优点，成为能源行业的热点，被广泛应用于手机、电脑等移动电子产品中。
传统的锂离子电池极片的制备方法通常为湿法工艺，制备过程中需要使用溶剂，工序繁琐；并且，负极使用的导电剂、粘结剂和增稠剂等对环境和人体都有一定程度的危害，且回收成本高，难度大。
为解决传统的湿法工艺的上述弊端，行业内部展开干法工艺的研究，干法工艺制备与湿法工艺制备相比，除了工艺简单以外，干法工艺制备的电极固含量更高，能够提高能量密度。此外，干法工艺制备通过消除溶剂的使用，能够在一定程度上避免电池循环中导电剂和粘结剂带来的性能影响。然而，虽然现在本领域内已有部分干法工艺制备技术，但是都采用传统导电剂或 (和)粘结剂，这会对后续电池循环的性能造成一定影响。
基于上述技术需求，亟需一种能够消除导电剂或(和)粘结剂使用的锂离子电池极片干法制备方法。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种一体化干法电极材料及其制备方法，以解决现有的锂离子电池极片制备方法工序繁琐、污染性强且循环性能差的问题。
本发明提供的一体化干法电极材料，包括石墨纸集流体，在所述石墨纸集流体的一侧设置有碳纳米管网络，在所述碳纳米管网络远离所述石墨纸集流体的一侧设置有一层负极活性物质。
此外，优选的方案是，在所述石墨纸集流体靠近所述碳纳米管网络的一侧开设有至少两个凹孔；其中，各凹孔均未贯穿所述石墨纸集流体；
并且，相邻的两个凹孔之间的间距为240-250μm。
此外，优选的方案是，所述碳纳米管网络为单壁碳纳米管网络或双壁碳纳米管网络或多壁碳纳米管网络。
此外，优选的方案是，所述碳纳米管网络的层数为1-5层。
此外，优选的方案是，所述负极活性物质包括氧化亚硅@碳、硅@碳、硅碳合金以及商用氧化硅@碳中的一种。
此外，优选的方案是，所述负极活性物质的粒径尺寸直径为2-100μm。
此外，优选的方案是，所述一体化干法电极材料宏观形貌为黑色不透明薄膜。
此外，优选的方案是，所述一体化干法电极材料的厚度在0.02-0.1mm之间。
此外，优选的方案是，所述一体化干法电极材料由所述石墨纸集流体、所述碳纳米管网络以及所述负极活性物质压制而成。
另一方面，本发明还提供一种前述一体化干法电极材料的制备方法，该方法，包括：
将石墨纸平铺于压印模板表面，并通过辊压机进行辊压，以得到表面分布有凹孔的所述石墨纸集流体；
将采用浮游法生成的碳纳米管网络覆盖于所述石墨纸集流体开设有凹孔的一侧；
将负极活性物质置于所述石墨纸集流体覆盖有所述碳纳米管网络的一侧；
将覆盖有所述碳纳米管网络以及所述负极活性物质的石墨纸集流体放入辊压机中辊压，以得到所述一体化干法电极材料。
和现有技术相比，上述根据本发明的一体化干法电极材料及其制备方法，有如下有益效果：
本发明提供的一体化干法电极材料在制备过程中不需要添加任何传统液相导电剂、粘结剂，在不借助溶剂条件下即可完成一体化电极的制备，电池具有优异的循环稳定性，同时兼具良好的倍率性能，在大电流下充放电性能出色。另外，采用本发明提供的一体化干法电极材料所组装的半电池极片，具有三维网状结构，并且，电极材料能够直接实现活性颗粒之间的导电通路。本发明提供的一体化干法电极材料的制备方法的整个过程无需添加任何浆料溶剂，无有毒气体排放，没有涂布烘箱，能够简化工艺设备，避免匀浆涂布的带来的工艺问题。当然，本发明提供的一体化干法电极材料及其制备方法适用于所有电池材料。
为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。
附图说明
通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
图1是根据本发明实施例的干法电极材料的示意图。
图2是根据本发明实施例1的组装纽扣电池的阻抗谱图。
图3是根据本发明实施例1的组装纽扣电池的循环性能图。
图4是根据本发明实施例2的组装纽扣电池的循环性能图。
图5是根据本发明实施例3的组装纽扣电池的循环性能图。
图6是根据本发明实施例4的组装纽扣电池的循环性能图。
附图标记：石墨纸集流体1、碳纳米管网络2、负极活性物质3。
在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。
具体实施方式
在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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和简化描述，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；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1为本发明提供的一体化干法电极材料的示意图。
由图1可知，本发明提供的一体化干法电极材料，不额外添加任何传统导电浆料(如粘结剂、导电剂以及溶剂)，电极材料只由石墨纸集流体1、碳纳米管网络2和负极活性物质3三种成分组成，具有三维网状结构，且宏观形貌为黑色不透明薄膜，厚度通常设置在0.02-0.1mm之间；其中，碳纳米管网络2设置在所述石墨纸集流体1的一侧，负极活性物质3设置在所述碳纳米管网络2远离所述石墨纸集流体1的一侧。
本发明提供的一体化干法电极材料不经过液相制备技术处理，碳纳米管网络2直接充当导电剂和粘结剂，通过碳纳米管网络2将石墨纸集流体1和活性物质交联上；并且，碳纳米管网络状本身不会被电解液腐蚀，具有良好的导电和离子能力，同时可以赋予材料一定的柔性，能够在确保一体化干法电极材料具备优良导电性能的前提下，显著提升其使用寿命。
此外，在所述石墨纸集流体1靠近所述碳纳米管网络2的一侧开设有多个平行排列凹孔(至少两个，图中未示出)；其中，各凹孔均未贯穿所述石墨纸集流体1；并且，相邻的两个凹孔之间的间距为240-250μm；通过设置这种结构的石墨纸集流体1相比于目前传统的铜箔铝箔集流体，在同等的容量情况下，整个电极的质量下降，散热量显著提高。
此外，为确保碳纳米管网络2具备所需的粘接性能和导电性能，所述碳纳米管网络2可以选用单壁碳纳米管网络或双壁碳纳米管网络或多壁碳纳米管网络，单/双/多壁碳纳米管网络的层数通常设置为1-5层。
另外，本发明提供的一体化干法电极材料通常选用硅或其氧化物作为负极活性物质3，所述负极活性物质3可以包括氧化亚硅@碳、硅@碳、硅碳合金以及商用氧化硅@碳中的一种；并且，所述负极活性物质3的粒径尺寸直径通常需要设置在2-100μm之间。
需要说明的是，本发明提供的一体化干法电极材料由所述石墨纸集流体 1、所述碳纳米管网络2以及所述负极活性物质3压制而成，具有三维网状结构，且宏观形貌为黑色不透明薄膜，厚度通常设置在0.02-0.1mm之间。
另一方面，为进一步说明本发明一体化干法电极材料，本发明还提供一种前述一体化干法电极材料的制备方法，该方法包括如下步骤：
在常温下，将石墨纸平铺于压印模板表面，并将压印模板放置于辊压机中进行辊压，得到表面分布有凹孔(孔间距为240-250μm)的石墨纸集流体 1；
将预先采用浮游法生长的单/双/多壁碳纳米管网络覆盖于所述石墨纸集流体1开设有凹孔的一侧；
将负极活性物质3置于上一步骤得到的覆盖有单/双/多壁碳纳米管网络的石墨纸集流体1上；
将覆盖有所述碳纳米管网络以及所述负极活性物质3的石墨纸集流体1 放入辊压机中辊压均匀，得到厚度在0.02-0.1mm之间厚度可调的干法电极材料。
下面通过几个具体的实施例对本发明提供的一体化干法电极材料的制备方法作进一步的说明。
需要说明的是，以下描述和附图充分地表示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。
实施例1
在常温下，将石墨纸平铺于压印模板表面，并将其放置于辊压机中进行辊压，得到表面分布有凹孔(孔间距为240-250μm)的石墨纸集流体；
采用浮游法，生长单/双/多壁碳纳米管网络；
将上一步骤得到的单/双/多壁碳纳米管网络固定于石墨纸集流体打孔一侧；
将负极活性物质氧化亚硅@碳置于上一步骤得到的覆盖有单/双/多壁碳纳米管网络的石墨纸集流体上；
将石墨纸集流体放入辊压机中辊压均匀，得到厚度为0.05mm的一体化干法电极材料。
电化学测试结果如图2、图3所示，由图2和图3可知，相对于传统电极，对于同种活性物质(氧化亚硅@碳)而言，得益于离子和电子的高导通性能，组装电池的阻抗明显降低。并且，电池有着稳定的循环性能以及较高库伦效率。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于：活性物质不是氧化亚硅@碳，而是硅@ 碳。
在常温下，将石墨纸平铺于压印模板表面，并将其放置于辊压机中进行辊压，得到表面分布有凹孔(孔间距为240-250μm)的石墨纸集流体；
采用浮游法，生长单/双/多壁碳纳米管网络；
将上一步骤得到的单/双/多壁碳纳米管网络固定于石墨纸集流体打孔一侧；
将负极活性物质硅@碳3置于上一步骤得到的覆盖有单/双/多壁碳纳米管网络的石墨纸集流体上；
将石墨纸集流体放入辊压机中辊压均匀，得到厚度为0.05mm的一体化干法电极材料。
电化学测试结果如图4所示，由图4可知，以硅@碳为活性物质组装的电池有着稳定的循环性能以及较高库伦效率。
实施例3
实施例3与实施例1的区别在于：活性物质不是氧化亚硅@碳，而是硅碳合金。
在常温下，将石墨纸平铺于压印模板表面，并将其放置于辊压机中进行辊压，得到表面分布有凹孔(孔间距为240-250μm)的石墨纸集流体；
采用浮游法，生长单/双/多壁碳纳米管网络；
将上一步得到的单/双/多壁碳纳米管网络固定于石墨纸集流体打孔一侧；
将负极活性物质硅碳合金置于上一步骤得到的覆盖有单/双/多壁碳纳米管网络的石墨纸集流体上；
将石墨纸集流体放入辊压机中辊压均匀，得到厚度为0.05mm的一体化干法电极材料。
电化学测试结果如图5所示，由图5可知，以硅碳合金为活性物质组装的电池有着稳定的循环性能以及较高库伦效率。
实施例4
实施例4与实施例1的区别在于：活性物质不是氧化亚硅@碳，而是商用氧化硅@碳。
在常温下，将石墨纸平铺于压印模板表面，并将其放置于辊压机中进行辊压，得到表面分布有凹孔(孔间距为240-250μm)的石墨纸集流体；
采用浮游法，生长单/双/多壁碳纳米管网络；
将上一步骤得到的单/双/多壁碳纳米管网络固定于石墨纸集流体打孔一侧；
将负极活性物质商用氧化硅@碳3置于上一步骤得到的覆盖有单/双/多壁碳纳米管网络的石墨纸集流体上；
将石墨纸集流体放入辊压机中辊压均匀，得到厚度为0.05mm的一体化干法电极材料。
电化学测试结果如图6所示，由图6可知，以商用氧化硅@碳为活性物质组装的电池有着稳定的循环性能以及较高库伦效率。
不同实施例中电池的测试结果如下表所示：
表1：不同实施例中电池测试结果
如上参照图1至图6以示例的方式描述根据本发明的一体化干法电极材料及其制备方法。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的一体化干法电极材料及其制备方法，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。
Claims (10)
1.一种一体化干法电极材料，其特征在于，包括石墨纸集流体；其中，
在所述石墨纸集流体的一侧设置有碳纳米管网络，在所述碳纳米管网络远离所述石墨纸集流体的一侧设置有一层负极活性物质。
2.如权利要求1所述的一体化干法电极材料，其特征在于，
在所述石墨纸集流体靠近所述碳纳米管网络的一侧开设有至少两个凹孔；其中，各凹孔均未贯穿所述石墨纸集流体；
并且，相邻的两个凹孔之间的间距为240-250μm。
3.如权利要求1所述的一体化干法电极材料，其特征在于，
所述碳纳米管网络为单壁碳纳米管网络或双壁碳纳米管网络或多壁碳纳米管网络。
4.如权利要求3所述的一体化干法电极材料，其特征在于，
所述碳纳米管网络的层数为1-5层。
5.如权利要求1所述的一体化干法电极材料，其特征在于，
所述负极活性物质包括氧化亚硅@碳、硅@碳、硅碳合金以及商用氧化硅@碳中的一种。
6.如权利要求5所述的一体化干法电极材料，其特征在于，
所述负极活性物质的粒径尺寸直径为2-100μm。
7.如权利要求1所述的一体化干法电极材料，其特征在于，
所述一体化干法电极材料的宏观形貌为黑色不透明薄膜。
8.如权利要求1所述的一体化干法电极材料，其特征在于，
所述一体化干法电极材料的厚度在0.02-0.1mm之间。
9.如权利要求1所述的一体化干法电极材料，其特征在于，
所述一体化干法电极材料由所述石墨纸集流体、所述碳纳米管网络以及所述负极活性物质压制而成。
10.一种如权利要求1至9中任意一项所述的一体化干法电极材料的制备方法，其特征在于，包括：
将石墨纸平铺于压印模板表面，并通过辊压机进行辊压，以得到表面分布有凹孔的石墨纸集流体；
将采用浮游法生成的碳纳米管网络覆盖于所述石墨纸集流体的开设有凹孔的一侧；
将负极活性物质置于所述碳纳米管网络远离所述石墨纸集流体的一侧；
将覆盖有所述碳纳米管网络以及所述负极活性物质的石墨纸集流体放入辊压机中辊压，以得到所述一体化干法电极材料。
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