一种在锂电池正、负极板添加石墨烯的方法与流程

本发明涉及一种在锂电池正、负极板添加石墨烯的方法，特别涉及一种利用双层涂布法将石墨烯添加到锂电池正、负极板中的方法。

背景技术：

电池可分为一次电池或二次电池(可充电电池)，其中二次电池依其材质又可分为铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池及锂电池等。其中，锂电池因其重量较轻以及能量密度较高，近年来被广泛应用于行动装置中。早期，锂电池的负极材料为金属锂，但因为电池在充电时锂离子会在负极面上呈现散射状，且容易脱落，导致电池的容量降低或短路，因此出现了不会呈现此种散射状的石墨负极材料。

在制作锂电池正、负极板时，一般先将黏结材料在溶剂中搅拌溶解，再加入导电材料，若以石墨烯作为导电材料，由于石墨烯本身具有的范德华力，当放入溶剂中搅拌时，会发生混合困难及混合不均匀的状况。致使最终混浆涂布形成的正、负极板在应用时容易因为内阻值变大，导致性能效果不佳，无法发挥应有的效能。

有鉴于此，本发明为了改善锂电池正、负极板与石墨烯材料的混合技术，提出了一种在锂电池正、负极板添加石墨烯的方法，可以将石墨烯均匀地混合在正、负极板之中。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种在锂电池正、负极板添加石墨烯的方法，是利用双层涂布的方式将石墨烯与正、负极板的材料结合，使得石墨烯及正、负极板的材料不会有混合不均或是团聚的现象，由此达到均匀分散的效果，以增加电极板材料的稳定性。同时，石墨烯的引入延长了最终形成的锂电池的二次使用循环寿命，并且提高了电池的充、放电倍率及使用上的安全性。

本发明的另一目的在于提供一种在锂电池正、负极板添加石墨烯的方法，是利用分开均匀搅拌的方式，再搭配双层涂布机涂布的技术手段，可以去除传统锂电池电极在混合石墨烯时在制备过程中的混合缺失。此外，利用计算机程序设定自动化搅拌设施，并分配不同阶段的搅拌、混合，可以有效减少人力资源及制备上的时间成本。

为了达到上述的目的，本发明提供一种在锂电池正、负极板添加石墨烯的方法，包含下列步骤：

1)混合黏结剂及活性溶剂，搅拌，形成透明液体；

2)将步骤1)所得透明液体等分成三部分，分别与正极混合材料、负极混合材料及石墨烯材料一同搅拌；

3)将一同搅拌后的正极混合材料与透明液体进一步混合均匀，得到正极涂布材料；将一同搅拌后的负极混合材料与透明液体进一步混合均匀，得到负极涂布材料；石墨烯材料与透明液体经搅拌后，得到石墨烯涂布材料；

4)将所述石墨烯涂布材料与所述正极涂布材料一同涂布至正极金属层上，得到锂电池的正极板将所述石墨烯涂布材料与所述负极涂布材料一同涂布至负极金属层上，得到锂电池的负极板。

优选的，所述正极混合材料由正极活性物质材料及石墨烯导电剂组成，所述负极混合材料由负极活性物质及石墨烯导电剂组成。优选的，所述正极活性物质材料为锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂钴镍氧化物、锂钴镍锰氧化物或磷酸锂铁氧化物，所述负极活性物质材料为介相碳微球、天然石墨、人造石墨或硅碳复合材料。

优选的，按重量百分计，所述正极混合材料中的石墨烯导电剂占正极活性物质材料的1％-6％，所述负极混合材料中的石墨烯导电剂占负极活性物质材料的1％-6％；所述正极活性物质材料占所述正极涂布材料的85％～95％，所述负极活性物质材料占所述负极涂布材料的87％～93％；与所述正极涂布材料结合的黏结剂占所述正极涂布材料的4％～8％，与所述负极涂布材料结合的黏结剂占所述负极涂布材料的4％～8％；与所述正极涂布材料结合的活性溶剂占所述正极涂布材料的45％-60％，与所述负极涂布材料结合的活性溶剂占所述负极涂布材料的45％-60％；涂布于所述正极板上的石墨烯涂布材料占所述正极板上涂布材料的1％～6％，涂布于所述负极板上的石墨烯涂布材料占所述负极板上涂布材料的1％～6％。

优选的，所述活性溶剂为n-甲基吡咯烷酮。

优选的，步骤1)中所述透明液体是通过搅拌机混合搅拌所述黏结剂及所述活性溶剂形成的。

优选的，步骤2)中透明液体等分成三部分后，是通过三个周波震荡搅拌机，分别与所述正极混合材料、所述负极混合材料及所述石墨烯材料一同搅拌的。

优选的，步骤3)中所述正极涂布材料是通过均质机，将经一同搅拌后的透明液体及正极混合材料进一步混合均匀形成的；所述负极涂布材料是通过另一均质机，将经一同搅拌后的透明液体及负极混合材料进一步混合均匀形成的。

优选的，步骤4)中涂布操作前，所述正极涂布材料、所述负极涂布材料及所述石墨烯涂布材料分别转入三个周转桶以维持持续搅拌状态。

优选的，步骤4)中所述正极板的所述涂布操作是利用正极双层涂布机完成的，所述负极板的所述涂布操作是利用负极双层涂布机完成的。优选的，所述正极双层涂布机是同时将所述石墨烯涂布材料及所述正极涂布材料输出，并使所述石墨烯涂布材料涂布在所述正极金属层上，所述正极涂布材料涂布在所述石墨烯涂布材料上的；所述负极双层涂布机是同时将所述石墨烯涂布材料及所述负极涂布材料输出，并使所述石墨烯涂布材料涂布在所述负极金属层上，所述负极涂布材料涂布在所述石墨烯涂布材料上的。

优选的，所述正极金属层为铝箔合金，所述负极金属层为铜箔合金。

下面结合具体实施例配合图示来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

附图说明

图1为本发明所使用的工艺系统的方块示意图；

图2为本发明的步骤流程图；

图3a为利用本发明所制备出的正极板的结构示意图，图3b为利用本发明所制备出的负极板的结构示意图。

[符号说明]

10制造系统

12正极活性物质材料槽

122正极活性物质称重剂量罐

14负极活性物质材料槽

142负极活性物质称重剂量罐

16黏结剂槽

162黏结剂称重剂量罐

18活性溶剂槽

182活性溶剂称重剂量罐

20石墨稀材料槽

202石墨烯材料称重剂量罐

22石墨烯导电剂槽

222石墨烯导电剂称重剂量罐

24周波震荡搅拌机

26石墨烯导电剂槽

262石墨烯导电剂称重剂量罐

28周波震荡搅拌机

30搅拌机

32周波震荡搅拌机

34均质机

36均质机

38周转桶

40周转桶

42周转桶

44正极双层涂布机

46负极双层涂布机

48正极金属层

50负极金属层

52第一涂布层

54第二涂布层

56正极板

58第一涂布层

60第二涂布层

62负极板

具体实施方法

为了提高锂电池(二次电池)的使用循环寿命，并且提高电池的充、放电倍率，同时改善现有锂电池的正、负极板在混合石墨烯时存在混合不均的缺失，本发明提供了一种在锂电池正、负极板添加石墨烯的方法，是利用混合搭配涂布的方式，有效地将石墨烯材料与锂电池的正、负极板结合，并提高了这些材料的稳定性。

首先，请先参照图1所示，图1为本发明提供的工艺系统10，其中包含一个正极活性物质材料槽12、一个负极活性物质材料槽14、一个黏结剂槽16、一个活性溶剂槽18、一个石墨稀材料槽20，在这些槽中，正极活性物质材料槽12存放有正极活性物质材料，负极活性物质材料槽14存放有负极活性物质材料，黏结剂槽16存放有黏结剂，活性溶剂槽18存放有活性溶剂，石墨烯材料槽20存放有石墨烯材料。在本实施例中，正极活性物质材料为锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂钴镍氧化物、锂钴镍锰氧化物或磷酸锂铁氧化物；负极活性物质材料为介相碳微球(mesophasecarbonmicrobeads，mcmb)、天然石墨、人造石墨或硅碳复合材料；活性溶剂为n-甲基吡咯烷酮(nmp)。正极活性物质材料槽12先与一个存有石墨烯导电剂的石墨烯导电剂槽22分别连接至一个正极活性物质称重剂量罐122及一个石墨烯导电剂称重剂量罐222，正极活性物质称重剂量罐122及石墨烯导电剂称重剂量罐222再同时连接至一个周波震荡搅拌机24；负极活性物质材料槽14先与一个存有石墨烯导电剂的石墨烯导电剂槽26分别连接至一个负极活性物质称重剂量罐142及一个石墨烯导电剂称重剂量罐262，负极活性物质称重剂量罐142及石墨烯导电剂称重剂量罐262再同时连接至一个周波震荡搅拌机28；黏结剂槽16及活性溶剂槽18先分别连接至一个黏结剂称重剂量罐162及一个活性溶剂称重剂量罐182，黏结剂称重剂量罐162及活性溶剂称重剂量罐182再同时连接至一个搅拌机30，搅拌机30再分别与周波震荡搅拌机24、周波震荡搅拌机28及周波震荡搅拌机32相连接；石墨烯材料槽20先连接至一个石墨烯材料称重剂量罐202，再与周波震荡搅拌机32相连接。

承接上段，周波震荡搅拌机24及周波震荡搅拌机28分别与均质机34及均质机36相连接，均质机34及均质机36再分别连接至一个周转桶38及周转桶40；而周波震荡搅拌机32则直接连接至一个周转桶42。周转桶42与周转桶38同时连接至一个正极双层涂布机44，此外，周转桶42亦与周转桶40同时连接至一个负极双层涂布机46。

在图1及上述说明中，用于连接的符号及连接方式均为管路连接，即本发明是通过管路传输上述的材料或是液体等的，此外，本发明可以利用计算机程序控制上述各槽的传输时间、传输容量或是启动时间等，实现全自动化。

在说明完本发明利用各种槽体及输送连接结构的工艺系统后，接着进一步说明本发明在锂电池正、负极板添加石墨烯的方法步骤，请同时参照图1和图2所示，以下各步骤的操作均可利用计算机程序控制。

首先，如步骤s10所示，将黏结剂槽16及活性溶剂槽18分别经黏结剂称重剂量罐162及活性溶剂称重剂量罐182传输黏结剂及活性溶剂至搅拌机30中混合，并且利用搅拌机30将混合后的黏结剂及活性溶剂搅拌形成透明液体。

接着，如步骤s12所示，在搅拌机30中的透明液体，可经计算机程序控制，平均分成三等份，分别传输至周波震荡搅拌机24、周波震荡搅拌机28及周波震荡搅拌机32中，以分别与周波震荡搅拌机24中的正极混合材料、周波震荡搅拌机28中的负极混合材料及周波震荡搅拌机32中的石墨烯材料一同搅拌。其中，周波震荡搅拌机24中的正极混合材料是从正极活性物质材料槽12经正极活性物质称重剂量罐122中接收正极活性物质材料，以及从石墨烯导电剂槽22经石墨烯导电剂称重剂量罐222中接收石墨烯导电剂，并将其混合形成的；周波震荡搅拌机28中的负极混合材料是从负极活性物质材料槽14经负极活性物质称重剂量罐142中接收负极活性物质材料，以及从石墨烯导电剂槽26经石墨烯导电剂称重剂量罐262中接收石墨烯导电剂，并将其混合形成的；周波震荡搅拌机32中的石墨烯材料是从石墨烯材料槽20经石墨烯材料称重剂量罐202中接收的。

承接上段，一同搅拌后，如步骤s14a所示，将周波震荡搅拌机24中一同搅拌的正极混合材料及透明液体传输至均质机34中，利用均质机34中的剪切力、碰撞及空穴现象，进一步将透明液体及正极混合材料混合均匀，得到正极涂布材料；如步骤s14b所示，将周波震荡搅拌机28中一同搅拌的负极混合材料及透明液体传输至均质机36中，利用均质机的特性，进一步将透明液体及负极混合材料混合均匀，得到负极涂布材料；如步骤s14c所示，周波震荡搅拌机32中的透明液体及石墨烯材料经搅拌后，得到石墨烯涂布材料。经过均质机混合后的正极混合材料及负极混合材料具有更加分散的效果。

接着，如步骤s16a所示，并请再同时参照本发明图3a所示，均质机34中的正极涂布材料会传输至周转桶38中进行持续搅拌的动作，周波震荡搅拌机32中的石墨烯涂布材料会传输到周转桶42中进行持续搅拌的动作，周转桶42会将其中的石墨烯涂布材料传输至正极双层涂布机44及负极双层涂布机46中，周转桶38会将正极涂布材料传输至正极双层涂布机44中，使得正极双层涂布机44得以将石墨烯涂布材料及正极涂布材料一同涂布至正极金属层48上；如步骤s16b所示，并请再同时参照本发明图3b所示，均质机36中的负极涂布材料会传输至周转桶40中进行持续搅拌的动作，周转桶40会将负极涂布材料传输至负极双层涂布机46中，使得负极双层涂布机46得以将石墨烯涂布材料及负极涂布材料一同涂布至负极金属层50上。在本实施例中，正极金属层48为铝箔合金，负极金属层50为铜箔合金。在图3a中，正极双层涂布机44会同时输出石墨烯涂布材料及正极涂布材料，并将石墨烯涂布材料涂布在正极金属层48上形成第一涂布层52，并在第一涂布层52上涂布正极涂布材料以形成第二涂布层54，最终得到本发明的添加有石墨烯的锂电池正极板56；在图3b中，负极双层涂布机46会同时输出石墨烯涂布材料及负极涂布材料，并将石墨烯涂布材料涂布在负极金属层50上形成第一涂布层58，并在第一涂布层58上涂布负极涂布材料以形成第二涂布层60，最终得到本发明的添加有石墨烯的锂电池负极板62。

本发明对各种材料的含量并无特殊限制，主要目的在于提供如何在锂电池正、负极板中添加石墨烯的过程，但本发明仍给出了各材料的优选比例含量，例如：按重量百分计，所述正极混合材料中的石墨烯导电剂占正极活性物质材料的1％-6％，所述负极混合材料中的石墨烯导电剂占负极活性物质材料的1％-6％；正极活性物质材料占正极涂布材料的85％～95％，负极活性物质材料占负极涂布材料的87％～93％；与正极涂布材料结合的黏结剂占正极涂布材料的4％～8％，与负极涂布材料结合的黏结剂占负极涂布材料的4％～8％；与所述正极涂布材料结合的活性溶剂占所述正极涂布材料的45％-60％，与所述负极涂布材料结合的活性溶剂占所述负极涂布材料的45％-60％；涂布在正极板上的石墨烯涂布材料占正极板上涂布材料的1％～6％，涂布在负极板上的石墨烯涂布材料占负极板上涂布材料的1％～6％。上述段落中的正极活性物质称重剂量罐、石墨烯导电剂称重剂量罐、石墨烯材料称重剂量罐、黏结剂称重剂量罐、活性溶剂称重剂量罐及负极活性物质称重剂量罐，均是通过计算机程序控制并搭配上述的材料比例，分别从各槽中取出适当的材料，以传输到周波震荡搅拌机或搅拌机中进行处理的。

本发明在锂电池正、负极板中添加石墨烯的方法，使得石墨烯和正、负极板在混合材料时，不会有混合不均或团聚的现象，可以使石墨烯材料以及正、负极板的涂布材料均匀分散在正、负极金属层上，以提高各种材料的稳定性。同时，石墨烯的引入延长了最终形成的锂电池的正、负极板的使用期限，进而增加了电池在多次充、放电的循环寿命，提高了电池充、放电的倍率及安全性。