CN117012969A - 一种浆料电池添加剂，包含该添加剂的浆料电极，及其在浆料电池中的应用 - Google Patents

一种浆料电池添加剂，包含该添加剂的浆料电极，及其在浆料电池中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种浆料电池添加剂，包含该添加剂的浆料电极，及其在浆料电池中的应用，浆料电池添加剂的制备方法为，将分子量75000‑250000的乙基纤维素溶解于酯类电解液中形成透明胶状溶液，制得浆料电池添加剂，应用于浆料电池负极极片，在浆料电池中，可以在浆料电池中均匀浆料、增加粘度来提高电池加工性、抑制电池界面副反应来提升浆料电池循环性能。所述电池是正极或负极至少一种是浆料状态的高能量电池。该添加剂可以直接添加在酯类电解液中，添加过程简单、易于操作，适用于工业大规模应用。

Description

一种浆料电池添加剂，包含该添加剂的浆料电极，及其在浆料 电池中的应用
技术领域
本发明属于电化学能源领域，具体涉及一种浆料电池多功能添加剂及基于该添加剂的浆料电池。
背景技术
人口规模的增长以及生活方式的改变，增加了对煤炭、石油天然气的消耗，因此，改变全球能源结构变得刻不容缓。风能、太阳能、潮汐能等可再生能源的开发利用存在着间歇性、不稳定性等诸多缺陷，因此配备大规模储能设备保证可再生能源的高效存储、稳定输出具有重要意义。电化学储能因其成本低、寿命长、能量密度高、可靠性强等优势被广泛应用。
对高能量电池的需求推动了电化学储存材料领域、电池制造工艺方向的不断探索，近几年科学工作者在正负极材料都做出了突出的成就，但是目前电池的设计还是在1800年伏打电池的基础上开发使用的，造成了活性物质的稀释以及制造成本的提升。浆料电池结合了二次电池高能量密度和燃料电池、液流电池的灵活性和可拓展性，将能量储存在固态活性化合物的悬浮液中，通过稀释但是渗透的纳米导电网络实现电荷转移。浆料电池在极片半流动状态下实现锂离子的嵌入脱出，完成电能和化学能的转化。但是由于浆料电池体系中，极片不添加粘结剂、不经过烘干辊压，导致极片处于低压实、富电解液的环境下，从而造成固体颗粒易沉降、电解液易挥发、极片厚度不均匀等问题。《MechanicalHistory Dependence in Carbon Black Suspensions for Flow Batteries: ARheo-Impedance Study》（DOI: 10.1021/acs.langmuir.6b04322）通过添加导电纳米颗粒科琴黑KB来形成纳米网状结构防止颗粒沉降，但是科琴黑KB在石墨负极一侧会大量消耗体系中的锂离子，降低首圈库伦效率。因此寻找一款浆料电池的多功能添加剂提升浆料电池石墨负极的分散性、均匀性、加工性并提升其电化学性能具有重要意义。
发明内容
本发明针对浆料电池目前存在的固体颗粒易沉降、电解液易挥发、极片厚度不均匀等问题，提供了一种能够均匀分散固体颗粒、抑制电解液挥发、增加浆料粘性的添加剂。
该添加剂可以在酯类电解液中充分溶解，形成胶状溶液，所述添加剂可以在酯类电解液中充分溶解，使得颗粒分散均匀、浆料粘度增加，用于电池充电时电解液与石墨负极之间形成界面保护层，该添加剂具体为乙基纤维素（EC）。
浆料电池为正极或负极至少一种是浆料状态的电池，浆料状态是活性物质粉末、导电添加剂粉末与电解液的固液混合状态，包括凝胶状态，将EC作为浆料电池添加剂添加到石墨负极中，解决石墨颗粒分散不均匀、电解液挥发、提升了加工性能的同时，在充电过程中形成了均匀致密的SEI膜，提升了其电化学性能，该保护膜均匀致密，抑制充放电过程中石墨负极形变导致继续分解电解液，能够延长浆料电池使用寿命。改善了浆料电池极片压实密度低、固液两相分离、颗粒分散不均匀的特点，将EC作为添加剂溶解在酯类电解液中形成胶状溶液，将该胶状溶液加入浆料中，可以使得浆料的粘度提高、抑制电解液挥发，从而提高电池的操作性和电化学性能准确性。
本发明所述浆料电池包括磷酸铁锂正极、石墨负极、酯类电解液以及正负极之间的隔膜，在石墨负极浆料一侧添加上述添加剂。
优选的，所述浆料电池添加剂在负极石墨浆料的重量百分比为：0.07%~3.5%。
上述浆料电池有机电解液为商用的锂离子电池电解液，优选1.2M LiPF6，EC：EMC=3：7，5%FEC。
浆料电池的制备方法，包括正极浆料的制备、负极浆料的制备、浆料正极极片的涂布、浆料负极极片的涂布、电池组装，所述负极浆料的制备过程中，负极是加入浆料电池添加剂的浆料，其具体过程为：将乙基纤维素（EC）加入到酯类电解液中，制成EC胶液，胶液呈透明淡黄色状态。将3-7质量份石墨负极粉末、2-5质量份电解液、0.5-5质量份EC胶液混合，采用thinky行星式搅浆机混合均匀作为负极浆料。将LFP正极粉末、KB导电剂、商用电解液以质量比19：1：25混合，采用thinky行星式搅浆机混合均匀作为正极浆料。将制得的LFP浆料、石墨浆料用胶头滴管头转移至凹槽内，利用差量法称得浆料的质量，覆盖一层隔膜，正负极N/P（负极/正极单位面积容量比）为0.8~3.0。
本发明与现有技术相比有以下有益效果：本发明提供了一种基于浆料电池、能溶解在酯类电解液的多功能添加剂，该添加剂与电解液形成的胶状溶液一方面可以均匀粒径不一的颗粒、抑制电解液的挥发、增加浆料电池的加工性能，另一方面，可以改善石墨表面的SEI膜，提升电池的循环性能。添加方法简单、易于操作、适用于工业大规模生产。
附图说明
图1 添加剂215000EC、CMC、PVP在酯类电解液1.2M LiPF6，EC:EMC=3:7，5% FEC溶解度对比图；
图2添加剂280000EC在酯类电解液1.2M LiPF6，EC:EMC=3:7，5% FEC溶解度图；
图3添加剂70000EC在酯类电解液1.2M LiPF6，EC:EMC=3:7，5% FEC溶解度图；
图4添加剂EC在溶剂碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸甲乙酯（EMC）、碳酸乙烯酯（EC）的溶解度图；
图5 添加0.7 wt.%EC的石墨浆料照片；
图6 添加0.07 wt.%EC以及3.5 wt.%EC的石墨浆料照片；
图7 添加0.7 wt.%EC的石墨电池性能图；
图8 添加0.7 wt.%EC在酯类电解液1 M LiFSI，EC:DMC:EMC= 1:1:1，1.9% FEC的石墨电池性能图；
图9 不添加任何添加剂的石墨浆料照片；
图10 不添加任何添加剂的石墨电池性能图；
图11 添加导电剂KB的石墨浆料照片；
图12 添加导电剂KB的石墨电池性能图；
图13 实施例5与对比例9的挥发性、粘度对比图；
图14 实施例5与对比例9、对比例10的化成数据对比；
图15 石墨负极添加7%EC胶液的LiFePO4//Gr电池性能图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，以下实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件。
实施例1
将0.3500 g 分子量为215000乙基纤维素（EC）、羧甲基纤维素钠（CMC）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）分别加入到4.6500 g 1.2 M LiPF6，EC：EMC=3：7，5%FEC 电解液中，制成7%215000EC胶液（后面实施例不注明分子量，皆为215000EC，胶液，简写为7%EC胶液），胶液呈透明淡黄色状态，CMC、PVP在电解液中不溶，其中，CMC沉降在酯类电解液中、PVP漂浮在酯类电解液中（效果图例1）。
对比例2
将0.3500 g分子量为280000的乙基纤维素（EC）加入到4.6500 g 1.2 M LiPF6，EC：EMC=3：7，5%FEC 电解液中，制成7%的280000EC胶液，胶液搅拌时间超过24小时，仍未完全溶解，溶液不流动（效果图例2）。
对比例3
将0.3500 g分子量为70000的乙基纤维素（EC）加入到4.6500 g 1.2 M LiPF6，EC：EMC=3：7，5%FEC 电解液中，制成7%的70000EC胶液（效果图例3）。
实施例4
将0.7000 g分子量为215000乙基纤维素（EC）分别加入到碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸甲乙酯（EMC）、碳酸乙烯酯（EC）中，EC都溶解在酯类溶剂中（效果图例4）。
实施例5
石墨浆料的制备：将石墨负极粉末、电解液、实施例1制备的7%EC胶液以质量比5：4：1混合均匀作为负极，采用thinky行星式搅浆机混合均匀。EC占石墨浆料的重量百分比为0. 7%，浆料粘度为17830 cp，浆料分散均匀。（效果图例5）。
对比例6
石墨浆料的制备：将石墨负极粉末、电解液、实施例1制备的7%EC胶液以质量比5：4.9：0.1混合均匀作为负极，采用thinky行星式搅浆机混合均匀。EC占石墨浆料的重量百分比为0. 07 wt.%，浆料粘度为690.3 cp，石墨浆料分散不均匀（效果图例6左）。
石墨浆料的制备：将石墨负极粉末、实施例1制备的7%EC胶液以质量比1：1混合均匀作为负极，采用thinky行星式搅浆机混合均匀。EC占石墨浆料的重量百分比为3.5 wt.%，浆料粘度为27690 cp，浆料成团结块（效果图例6右）。
实施例7
石墨极片的制备：将实施例5制得的石墨浆料用胶头滴管头转移至凹槽内，利用差量法称得浆料的质量，覆盖一层隔膜后，用金属锂作为对电极，组装成扣式锂浆料电池。石墨极片负载量为22.432 mg/cm2。
电压范围为0.01-1.5 V；化成制度为0.05 C恒流放电至0.01 V，静置5分钟，0.05C恒流充电至1.50 V；循环制度为0.1 C恒流放电至0.01 V，静置5分钟，0.1 C恒流充电至1.5 V。循环曲线如效果图例7。
实施例8
将0.3500 g 分子量为215000乙基纤维素（EC）加入到4.6500 g 1 M LiFSI，EC:DMC:EMC=1:1:1，1.9%FEC 电解液中，制成7%的EC胶液。将石墨负极粉末、电解液、7%EC胶液以质量比5：4：1混合均匀作为负极。将制得的石墨浆料用胶头滴管头转移至凹槽内，利用差量法称得浆料的质量，覆盖一层隔膜后，用金属锂作为对电极，组装成扣式锂浆料电池。石墨极片负载量为20.159mg/cm2。
电压范围为0.01-2.0 V；化成制度为0.05 C恒流放电至0.01 V，静置5分钟，0.05C恒流充电至2.0 V；循环制度为0.1 C恒流放电至0.01 V，静置5分钟，0.1 C恒流充电至2.0V。循环曲线如效果图例8。
对比例9
石墨浆料的制备：将石墨负极粉末、电解液、以质量比1：1混合均匀作为负极。采用thinky行星式搅浆机混合均匀（效果图例9）。
石墨极片的制备：将制得的石墨浆料用胶头滴管头转移至凹槽内，利用差量法称得浆料的质量，覆盖一层隔膜后，用金属锂作为对电极，组装成扣式锂浆料电池。石墨极片负载量为23.347 mg/cm2
电压范围为0.01-1.5 V；化成制度为0.05 C恒流放电至0.01 V，静置5分钟，0.05C恒流充电至1.50 V；循环制度为0.1 C恒流放电至0.01 V，静置5分钟，0.1 C恒流充电至1.5 V。循环曲线如效果图例10。
对比例10
石墨浆料的制备：将石墨负极粉末、电解液、导电剂KB以质量比45：1.5：53.5混合均匀作为负极（效果图例11）。
石墨极片的制备：将制得的石墨浆料用胶头滴管头转移至凹槽内，利用差量法称得浆料的质量，覆盖一层隔膜后，用金属锂作为对电极，组装成扣式锂浆料电池。石墨极片负载量为17.382 mg/cm2
电压范围为0.01-1.5 V；化成制度为0.05 C恒流放电至0.01 V，静置5分钟，0.05C恒流充电至1.50 V；循环制度为0.1 C恒流放电至0.01 V，静置5分钟，0.1 C恒流充电至1.5 V。循环曲线如效果图例12。
实施例5与对比例9的操作性对比：
将实施例5和对比例3、对比例9的浆料搅浆结束后敞口放置在手套箱中，记录随着时间电解液挥发浆料质量的变化，归一化后对比发现，有添加剂215000EC的浆料挥发速度明显降低，静置6小时，其质量减少近5%，这极大的改善了浆料的一致性，有利于后续准确称量计算活性物质质量。添加剂750EC几乎和不添加添加剂的浆料挥发速度一致。如效果图例13。
实施例5与对比例9、对比例10的化成数据对比：
对比实施例5与对比例9、对比例10的首圈电化学数据，可以看出，导电剂KB会极大的降低浆料石墨的首圈库伦效率，不利于后期循环；添加剂EC可以明显增加首圈库伦效率，提高电化学性能，如效果图例14。
实施例11
LFP浆料的制备：将LFP正极粉末、KB导电剂、商用电解液以质量比19：1：25混合均匀作为正极。采用thinky行星式搅浆机混合均匀。石墨浆料采用实施例5的制备方法
LFP//Gr电池的制备：将制得的LFP浆料用胶头滴管头转移至凹槽内，利用差量法称得浆料的质量，覆盖一层隔膜后；将制得的石墨浆料用胶头滴管头转移至凹槽内，利用差量法称得浆料的质量，覆盖一层隔膜。正负极N/P（负极/正极单位面积容量比）为1.223，正极负载量为36.461 mg/cm2。
电压范围为2.50-3.8 V；化成制度为0.02 C恒流充电5 h，0.05C恒流充电至3.8V，静置5分钟，0.05 C恒流放电至2.50 V；循环制度为0.1 C恒流充电至3.8 V，3.8 V恒压充电至0.05 C，静置5分钟，0.1 C恒流放电至2.5 V。循环曲线如效果图例15。

Claims (10)

1.一种浆料电池添加剂，其特征在于：所述添加剂的制备方法为，将分子量75000-250000的乙基纤维素溶解于酯类电解液中形成透明淡黄色胶液，制得浆料电池添加剂。
2.权利要求1所述浆料电池添加剂，其特征在于：所述酯类电解液所使用的溶剂为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙烯酯中的至少一种。
3.LiPF6，EC:EMC=3:7，5% FEC或1 M LiFSI， EC:DMC:EMC= 1:1:1，1.9% FEC。
4.根据权利要求1-3所述的浆料电池添加剂在浆料电极中的应用，其特征在于，所述浆料电池添加剂在负极石墨浆料中，加入量的重量百分比为：0.07%~3.5%。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：加入浆料电池添加剂后，浆料的粘度为750~25000 cp。
6.根据权利要求4或5任一权利要求所述的应用，其特征在于：负极浆料的制备方法为，将3-7质量份石墨负极粉末、2-5质量份电解液、0.5-5质量份EC胶液混合，采用thinky行星式搅浆机混合均匀，制得负极浆料。
7.根据权利要求4-6任一权利要求所述的应用，其特征在于：浆料负极极片由负极浆料涂布制得。
8.根据权利要求1-3任一权利要求所述的浆料电池添加剂在浆料电池中的应用。
9.权利要求8所述的应用，其特征在于：浆料电池的制备方法包括正极浆料的制备、负极浆料的制备、浆料正极极片的涂布、浆料负极极片的涂布、电池组装，负极浆料的制备过程中，负极加入浆料电池添加剂。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：浆料电池的制备方法为，将LFP正极粉末、KB导电剂、商用电解液以质量比19：1：25混合，采用thinky行星式搅浆机混合均匀作为正极浆料，将制得的LFP浆料、石墨浆料用胶头滴管头转移至凹槽内，利用差量法称得浆料的质量，覆盖一层隔膜，正负极N/P为0.8~3.0。
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