CN116799436A - 一种电容薄膜及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种电容薄膜及其制备方法和应用。本申请的电容薄膜，包括电容炭材料和粘结剂形成的薄膜。本申请的电容薄膜，应用于电池时，能够提高隔膜与极片界面处的导电性，提高电池容量。采用本申请电容薄膜的电池，会产生赝电容效应，从而大幅提高电池容量；在安全可靠情况下，能够在高倍率电流密度下实现电池的快速充电，且展现出高比容量，能够更好的满足各种使用需求。
Description
技术领域
本申请涉及电池材料技术领域，特别是涉及一种电容薄膜及其制备方法和应用。
背景技术
在过去几十年里，锂金属电池广泛应用于便携式电子器件、电动汽车和大型能源储存站。下一代锂基电池，如锂硫电池、锂空气电池和固态锂电池受到了许多关注。锂金属因为具有高比容量、低电位和轻质量的特点，被认为是下一代锂金属电池最有前景的负极材料候选者之一。然而锂金属在电化学镀层/剥离过程中，容易形成锂枝晶，降低循环寿命，增加安全隐患，不利于进一步应用在商业电池中；因此，锂金属电池广泛商业化应用的主要挑战有以下三点：(1)在电化学镀层/剥离过程中，锂枝晶生长；(2)锂金属和有机电解液之间形成不稳定的固态电解液界面层；(3)锂金属电极的无限体积变化。
此外，如何提高隔膜与极片界面处的导电性，同时提高电池容量，也是本领域的研究重点和难点。
发明内容
本申请的目的是提供一种电容薄膜及其制备方法和应用。
本申请采用了以下技术方案：
本申请的一方面公开了一种电容薄膜，包括电容炭材料和粘结剂形成的薄膜。
需要说明的是，本申请的电容薄膜应用于电池时，例如将电容薄膜放置于电池正极片和隔膜之间，或者将电容薄膜放置于电池负极片和隔膜之间，或者将电容薄膜同时放置于电池正极片和隔膜之间，以及电池负极片和隔膜之间，能够有效的提高隔膜与极片界面处的导电性，并能够提高电池容量。本申请的电容薄膜可使电池产生赝电容效应，从而大幅提高电池容量；在安全可靠情况下，能够在高倍率电流密度下实现电池的快速充电，且展现出高比容量，能够更好的满足各种使用需求；尤其是安全可靠的快速充电，对电动汽车尤为重要。
优选的，电容炭材料选自介孔石墨烯、介孔碳和电容炭中的至少一种。
优选的，粘结剂选自聚乙烯醇、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、聚偏二氟乙烯、丁苯橡胶、聚丙烯酸和聚丙烯腈中的至少一种。
本申请的另一面公开了本申请的电容薄膜的制备方法，包括将电容炭材料、粘结剂和溶剂混合均匀，制成电容浆料；将电容浆料涂覆到基底表面，烘干；将涂层从基底表面剥离，即获得本申请的电容薄膜。
优选的，溶剂选自水、N-甲基吡咯烷酮和乙醇中的至少一种。
优选的，混合采用的方式为搅拌、球磨或砂磨。
优选的，涂覆的方式为刮刀式、辊涂转移式、狭缝挤压式或喷涂。
优选的，烘干的方式为远红外辐射枯燥、双面送风飘浮枯燥、惯例对流热风枯燥、循环热风冲击枯燥、过热水蒸气枯燥或微波枯燥。
优选的，剥离的方式为人工剥离或机械剥离。
优选的，基底为聚乙烯膜、聚丙烯膜、硅片或二氧化硅片。
本申请的再一面公开了本申请的电容薄膜在电池中的应用。
优选的，本申请的应用包括将电容薄膜放置于电池正极片和隔膜之间，和/或，将电容薄膜放置于电池负极片和隔膜之间。
需要说明的是，本申请的电容薄膜可以根据需求放置于电池正极片和隔膜之间，或者将电容薄膜放置于电池负极片和隔膜之间，或者将电容薄膜同时放置于电池正极片和隔膜之间，以及电池负极片和隔膜之间；原则上，只要采用本申请的电容薄膜，都能够提高隔膜与相应的极片界面处的导电性，并不同程度的提高电池容量。
本申请的再一面公开了一种电池，在电池正极片和隔膜之间放置有本申请的电容薄膜，和/或，在电池负极片和隔膜之间放置有本申请的电容薄膜。
需要说明的是，本申请的电池，由于采用本申请的电容薄膜，会产生赝电容效应，大幅提高电池容量，能够在高倍率电流密度下实现电池的安全可靠的快速充电，且展现出高比容量，能够更好的满足各种使用需求。
本申请的有益效果在于：
本申请的电容薄膜，应用于电池时，能够提高隔膜与极片界面处的导电性，提高电池容量。采用本申请电容薄膜的电池，会产生赝电容效应，从而大幅提高电池容量；在安全可靠情况下，能够在高倍率电流密度下实现电池的快速充电，且展现出高比容量，能够更好的满足各种使用需求。
附图说明
图1是本申请实施例中电容薄膜的装配方式；
图2是本申请实施例中电容薄膜的另一种装配方式；
图3是本申请实施例中电容薄膜的另一种装配方式。
具体实施方式
下面通过具体实施例结合附图对本申请进行详细说明。以下实施例仅用于对本申请进行说明，不应理解为对本申请的限制。
实施例1
将0.95g介孔石墨烯(深圳材启新材料有限公司，纯度99％，孔径2-50nm)、0.05g聚偏二氟乙烯(分析纯)和1g N-甲基吡咯烷酮(分析纯)加入到搅拌釜中搅拌均匀形成电容浆料，将电容浆料涂覆到常规的聚丙烯隔膜(深圳星源材质)表面，涂覆方式为刮刀式，涂覆量为0.2mg/cm2，将涂覆电容浆料的聚丙烯膜置于80℃真空干燥箱中干燥一晚上，最后手工将涂层从聚丙烯膜基底上剥离下来，即获得本例的电容薄膜，厚度为11微米。
在手套箱中装配纽扣电池，依次包括负极电池壳(CR2032)、弹片(15.4*1.1mm)、垫片(15.8*1.0mm)、锂片(6*0.6mm)、聚丙烯隔膜(厚25μm*宽100mm*长330m/卷)、本例的电容薄膜、六氟磷酸锂电解质、LiFePO4极片(11.5mg/cm2)和正极电池壳(CR2032)。
实施例2
采用实施例1相同的原材料，将0.95g介孔石墨烯、0.05g聚偏二氟乙烯和1g N-甲基吡咯烷酮加入到搅拌釜中搅拌均匀形成电容浆料，将电容浆料涂覆到聚丙烯膜表面，将涂覆电容浆料的聚丙烯膜置于80℃真空干燥箱中干燥一晚上，最后手工将电容薄膜和聚丙烯膜分开得到电容层薄膜，厚度为11微米。
采用实施例1相同的装配组件，在手套箱中装配纽扣电池，依次包括负极电池壳、弹片、垫片、锂片、本例电容薄膜、聚丙烯隔膜、电解质、LiFePO4极片和正极电池壳。
实施例3
采用实施例1相同的原材料，将0.95g介孔石墨烯、0.05g聚偏二氟乙烯和1g N-甲基吡咯烷酮加入到搅拌釜中搅拌均匀形成电容浆料，将电容浆料涂覆到聚丙烯膜表面，将涂覆电容浆料的聚丙烯膜置于80℃真空干燥箱中干燥一晚上，最后手工将涂层和聚丙烯膜分开得到电容薄膜。
采用实施例1相同的装配组件，在手套箱中装配纽扣电池，依次包括负极电池壳、弹片、垫片、锂片、本例电容薄膜、聚丙烯隔膜、本例电容薄膜、电解质、LiFePO4极片和正极电池壳。
对比例1
采用实施例1相同的装配组件，在手套箱中装配纽扣电池，依次包括负极电池壳、弹片、垫片、锂片、聚丙烯隔膜、电解质、LiFePO4极片和正极电池壳。
对比例1与实施例1的区别在于，对比例1中装配的纽扣电池无电容薄膜，而实施例1中装配的纽扣电池有介孔石墨烯电容薄膜。
对比例2
采用实施例1相同的原材料，将0.95g碳纳米管、0.05g聚偏二氟乙烯和1g N-甲基吡咯烷酮加入到搅拌釜中搅拌均匀形成浆料，将浆料涂覆到聚丙烯膜表面，将涂覆碳纳米管浆料的聚丙烯膜置于80℃真空干燥箱中干燥一晚上，最后手工将涂层和聚丙烯膜分开得到碳纳米管薄膜。
采用实施例1相同的装配组件，在手套箱中装配纽扣电池，依次包括负极电池壳、弹片、垫片、锂片、聚丙烯隔膜、碳纳米管薄膜、电解质、LiFePO4极片和正极电池壳。
对比例2与实施例1的区别在于，对比例2中装配的纽扣电池有碳纳米管薄膜，而实施例1中装配的纽扣电池有介孔石墨烯电容薄膜。
对比例3
采用实施例1相同的原材料，将0.95g SP导电炭黑、0.05g聚偏二氟乙烯和1g N-甲基吡咯烷酮加入到搅拌釜中搅拌均匀形成浆料，将浆料涂覆到聚丙烯膜表面，将涂覆SP导电炭黑浆料的聚丙烯膜置于80℃真空干燥箱中干燥一晚上，最后手工将SP导电炭黑涂层和聚丙烯膜分开得到SP导电炭黑薄膜。
采用实施例1相同的装配组件，在手套箱中装配纽扣电池，依次包括负极电池壳、弹片、垫片、锂片、聚丙烯隔膜、SP导电炭黑薄膜、电解质、LiFePO4极片和正极电池壳。
对比例3与实施例1的区别在于，对比例3中装配的纽扣电池有SP导电炭黑薄膜，而实施例1中装配的纽扣电池有介孔石墨烯电容薄膜。
对比例4
采用实施例1相同的原材料，将0.95g乙炔黑、0.05g聚偏二氟乙烯和1g N-甲基吡咯烷酮加入到搅拌釜中搅拌均匀形成浆料，将浆料涂覆到聚丙烯膜表面，将涂覆乙炔黑浆料的聚丙烯膜置于80℃真空干燥箱中干燥一晚上，最后手工将乙炔黑涂层和聚丙烯膜分开得到乙炔黑薄膜。
采用实施例1相同的装配组件，在手套箱中装配纽扣电池，依次包括负极电池壳、弹片、垫片、锂片、聚丙烯隔膜、乙炔黑薄膜、电解质、LiFePO4极片和正极电池壳。
对比例4与实施例1的区别在于，对比例4中装配的纽扣电池有乙炔黑薄膜，而实施例1中装配的纽扣电池有介孔石墨烯电容薄膜。
对比例5
采用实施例1相同的原材料，将0.95g科琴黑、0.05g聚偏二氟乙烯和1g N-甲基吡咯烷酮加入到搅拌釜中搅拌均匀形成浆料，将浆料涂覆到聚丙烯膜表面，将涂覆科琴黑浆料的聚丙烯膜置于80℃真空干燥箱中干燥一晚上，最后手工将科琴黑涂层和聚丙烯膜分开得到科琴黑薄膜。
采用实施例1相同的装配组件，在手套箱中装配纽扣电池，依次包括负极电池壳、弹片、垫片、锂片、聚丙烯隔膜、科琴黑薄膜、电解质、LiFePO4极片和正极电池壳。
对比例5与实施例1的区别在于，对比例5中装配的纽扣电池有科琴黑薄膜，而实施例1中装配的纽扣电池有介孔石墨烯电容薄膜。
对比例6
采用实施例1相同的原材料，将0.95g石墨烯(深圳材启新材料有限公司，纯度99％)、0.05g聚偏二氟乙烯和1g N-甲基吡咯烷酮加入到搅拌釜中搅拌均匀形成浆料，将浆料涂覆到聚丙烯膜表面，将涂覆石墨烯浆料的聚丙烯膜置于80℃真空干燥箱中干燥一晚上，最后手工将石墨烯涂层和聚丙烯膜分开得到石墨烯薄膜。
采用实施例1相同的装配组件，在手套箱中装配纽扣电池，依次包括负极电池壳、弹片、垫片、锂片、聚丙烯隔膜、石墨烯薄膜、电解质、LiFePO4极片和正极电池壳。
对比例5与实施例1的区别在于，对比例5中装配的纽扣电池有石墨烯薄膜，而实施例1中装配的纽扣电池有介孔石墨烯电容薄膜。
分别对实施例1～3以及对比例1～6的纽扣电池，进行1C电流密度下循环1000圈后放电比容量(mAh/g)测试，测试结果如表1所示。
表1放电比容量测试结果
| 试验编号 | 放电比容量 | 试验编号 | 放电比容量 |
| 实施例1 | 221mAh/g | 对比例3 | 125mAh/g |
| 实施例2 | 220mAh/g | 对比例4 | 123mAh/g |
| 实施例3 | 228mAh/g | 对比例5 | 128mAh/g |
| 对比例1 | 119mAh/g | 对比例6 | 122mAh/g |
| 对比例2 | 126mAh/g | / | / |
由表1实验数据可以看出，采用实施例1～3制备得到的介孔石墨烯电容薄膜装配在纽扣电池里面，LiFePO4纽扣电池在1C电流密度下循环1000圈后放电比容量均超过220mAh/g，远远高于无电容薄膜装配得到的LiFePO4纽扣电池。这说明，采用本申请方法制备得到的电容薄膜装配在电池里面可以大幅提高电池的比容量。磷酸铁锂的理论容量为170mAh/g，分析认为，本申请之所以能够大幅提高电池容量，主要是由于电容薄膜产生的赝电容效应。并且，电池装有两片电容薄膜的比容量比装有一片电容层薄膜的高。由此可见，如图1所示，本申请的电容薄膜0可以根据需求装配在电池正极片1和隔膜2之间；或者，如图2所示，电容薄膜0装配在电池负极片3和隔膜2之间；又或者，如图3所示，采用两片电容薄膜，第一电容薄膜01装配在电池正极片1和隔膜2之间，同时，第二电容薄膜02装配在电池负极片3和隔膜2之间。
由表1实验数据还可以看出，以实施例1将介孔石墨烯电容层薄膜装配在LiFePO4纽扣电池里面的放电比容量要显著高于对比例2～6采用的薄膜。这说明，本申请薄膜的碳材料选择十分重要，电容炭材料作为薄膜碳材料得到的薄膜可以显著提高电池的比容量，才能产生赝电容效应。
特别地，实施例1和对比例6的数据对比发现，介孔石墨烯作为薄膜碳材料，LiFePO4纽扣电池在1C电流密度下循环1000圈后放电比容量高达221mAh/g，而石墨烯作为薄膜碳材料，LiFePO4纽扣电池在1C电流密度下循环1000圈后放电比容量仅为122mAh/g。说明介孔石墨烯作为薄膜碳材料可以产生赝电容效应，形成赝电容层。
实施例4
在实施例3的基础上，本例进一步的对不同的电容炭材料进行试验，具体如下：
试验1：采用0.95g介孔碳(深圳材启新材料有限公司生产，纯度99％，孔径2-50nm)替换实施例3的介孔石墨烯，其余与实施例3相同。
试验2：采用0.95g电容炭(深圳材启新材料有限公司生产，纯度99％)替换实施例3的介孔石墨烯，其余与实施例3相同。
采用实施例3相同的方法组装纽扣电池，并对其进行1C电流密度下循环1000圈后放电比容量(mAh/g)测试，测试结果如表2所示。
实施例5
在实施例3的基础上，本例进一步的对不同的粘结剂进行试验，具体如下：
试验1：采用0.05g聚乙烯醇(分析纯)替换实施例3的聚偏二氟乙烯，其余与实施例3相同。
试验2：采用0.05g聚乙烯醇(分析纯)替换实施例3的聚偏二氟乙烯，其余与实施例3相同。
试验3：采用0.05g聚四氟乙烯(分析纯)替换实施例3的聚偏二氟乙烯，其余与实施例3相同。
试验4：采用0.05g羧甲基纤维素钠(分析纯)替换实施例3的聚偏二氟乙烯，其余与实施例3相同。
试验5：采用0.05g丁苯橡胶(分析纯)替换实施例3的聚偏二氟乙烯，其余与实施例3相同。
试验6：采用0.05g聚丙烯酸(分析纯)替换实施例3的聚偏二氟乙烯，其余与实施例3相同。
试验7：采用0.05g聚丙烯腈(分析纯)替换实施例3的聚偏二氟乙烯，其余与实施例3相同。
采用实施例3相同的方法组装纽扣电池，并对其进行1C电流密度下循环1000圈后放电比容量(mAh/g)测试，测试结果如表2所示。
表2放电比容量测试结果
| 试验编号 | 放电比容量 | 试验编号 | 放电比容量 |
| 实施例4试验1 | 221mAh/g | 实施例5试验4 | 218mAh/g |
| 实施例4试验2 | 223mAh/g | 实施例5试验5 | 224mAh/g |
| 实施例5试验1 | 225mAh/g | 实施例5试验6 | 227mAh/g |
| 实施例5试验2 | 219mAh/g | 实施例5试验7 | 222mAh/g |
| 实施例5试验3 | 226mAh/g |
表2的结果显示，电容炭材料采用介孔碳或者电容炭制备获得的电容薄膜，其装配在纽扣电池里面，LiFePO4纽扣电池在1C电流密度下循环1000圈后放电比容量与实施例3相当，可以大幅提高电池的比容量。同样的，粘结剂采用聚乙烯醇、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚丙烯酸或聚丙烯腈制备的电容薄膜，其装配在纽扣电池里面，LiFePO4纽扣电池在1C电流密度下循环1000圈后放电比容量也与实施例3相当。
此外，本申请的关键在于制备电容薄膜，至于基底可以根据需求采用聚乙烯膜、聚丙烯膜、硅片或二氧化硅片。根据不同的生产工艺，本申请的制备电容薄膜的电容浆料，其溶剂还可以采用水或者乙醇；至于混合方式，还可以采用常规的球磨或砂磨；涂覆的方式也可以采用常规的刮刀式、辊涂转移式、狭缝挤压式或喷涂；烘干方式除了真空干燥箱以外，还可以采用常规的远红外辐射枯燥、双面送风飘浮枯燥、惯例对流热风枯燥、循环热风冲击枯燥、过热水蒸气枯燥或微波枯燥；至于剥离方式，在工业化的生产中，可以采用机械剥离。
以上内容是结合具体实施方式对本申请所作的详细说明，不能认定本申请的实现方式只局限于这些说明。对于本申请技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请基本发明构思的前提下，还可以进行若干简单推演或替换。
Claims (10)
1.一种电容薄膜，其特征在于：包括电容炭材料和粘结剂形成的薄膜。
2.根据权利要求1所述的电容薄膜，其特征在于：所述电容炭材料选自介孔石墨烯、介孔碳和电容炭中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的电容薄膜，其特征在于：所述粘结剂选自聚乙烯醇、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、聚偏二氟乙烯、丁苯橡胶、聚丙烯酸和聚丙烯腈中的至少一种。
4.权利要求1-3任一项所述的电容薄膜的制备方法，其特征在于：包括将电容炭材料、粘结剂和溶剂混合均匀，制成电容浆料；将电容浆料涂覆到基底表面，烘干；将涂层从基底表面剥离，即获得所述电容薄膜。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述溶剂选自水、N-甲基吡咯烷酮和乙醇中的至少一种。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述混合采用的方式为搅拌、球磨或砂磨；
优选的，所述涂覆的方式为刮刀式、辊涂转移式、狭缝挤压式或喷涂；
优选的，所述烘干的方式为远红外辐射枯燥、双面送风飘浮枯燥、惯例对流热风枯燥、循环热风冲击枯燥、过热水蒸气枯燥或微波枯燥；
优选的，所述剥离的方式为人工剥离或机械剥离。
7.根据权利要求4-6任一项所述的制备方法，其特征在于：所述基底为聚乙烯膜、聚丙烯膜、硅片或二氧化硅片。
8.权利要求1-3任一项所述的电容薄膜在电池中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：包括将所述电容薄膜放置于电池正极片和隔膜之间，和/或，将所述电容薄膜放置于电池负极片和隔膜之间。
10.一种电池，其特征在于：在电池正极片和隔膜之间放置有权利要求1-3任一项所述的电容薄膜，和/或，在电池负极片和隔膜之间放置有权利要求1-3任一项所述的电容薄膜。
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