一种超薄涂炭集流体及其制备方法与流程

本发明属于锂离子电池材料领域，具体涉及一种超薄涂炭集流体及其制备方法。

背景技术：

目前石油资源日益紧缺，环境污染严重，为了解决以上问题，发展电动汽车和混合动力汽车是主要方法之一。然而长期以来，电动汽车的发展受到动力电池技术发展的制约。虽然现已商业化动力锂离子电池具有许多优良的性能，但随着动力电池在电动汽车动力系统中广泛运用，逐渐暴露出一系列诸如充电时间长，电池的耐久性、可靠性和安全性差等方面的问题。为了解决上述问题，研发工作者做了大量工作，其中包括在集流体上涂上导电层来降低内阻的研究。

在传统的锂离子电池极片制作工艺中，活性材料浆料直接涂布于集流体表面，干燥后通过粘结剂实现活性材料固定于集流体表面。然而这样的结构设计存在金属集流体与活性材料颗粒间的接触面积有限，界面电阻较大，引起电池内阻的上升，对于电池性能特别是大电流充放电条件下的性能存在负面影响，粘结剂的粘结强度有限，在持续的充放电过程中，很容易发生活性物质与集流体间的膨胀脱离，导致电池内阻进一步加大，使得电池的循环寿命和安全性能受到影响。因此，降低集流体与活性材料间的界面电阻，提高两者间的粘结强度是提升锂离子电池性能的重要手段。目前解决问题的主要办法有增加浆料中粘结剂用量、集流体表面化学腐蚀、电晕或者在集流体表面涂敷含导电材料的涂层等方法来增加集流体与活性物质的粘附力。在上述方法中，粘结剂用量增加会增加电池内阻，降低能量密度；化学处理和电晕处理会对集流体表面产生损伤，降低箔材强度，影响后续电池加工性能，且生产成本高；而在集流体表面涂敷导电材料的涂层，该涂层具有良好的导电性能，较高的比表面积，优良的粘结性能，并相对于金属集流体具有更好的形变能力，可增加活性材料与集流体的导电接触，减小界面内阻，并提高两者之间的粘结强度。

但现阶段集流体导电涂层主要是通过涂布和浸润的方式将导电浆料粘附到集流体上。凹版涂布的蓄料槽要保持溢满的状态，凹辊只与溢出来的浆料接触，故而无法将蓄料槽里的所有浆料液完全充分利用，且无法回收利用，因此造成一定的浪费；逗号辊涂布的涂布质量与其各个组成单位的运作关系较大，特别为驱动电机与转动压辊之间的传动比率比较难以调节掌控，往往造成涂布不均匀，涂布时，浆料液容易在挡板和传动压辊之间的缝隙流出，密封性不够完整，且涂布时，需要人力不断地搅拌蓄料槽；夹缝式挤压涂布头的部分结构较为复杂，要求牵引辊以及夹缝刀头的加工精度较高，设备成本较高。上述涂布方式得到的集流体涂炭层不均匀且厚度偏大。浸润方式分为直接将集流体放入导电浆料浸润和将集流体预处理带正电荷，导电浆料预处理带负电荷后再浸润的两种方式，无论哪种浸润方式，浸润后将集流体取出时，都会造成流延现象，从而造成涂炭层厚薄不均，且浸润方式得到的涂炭层厚度偏厚。

技术实现要素：

基于此，本发明提供了一种超薄涂炭集流体及其制备方法，将集流体和导电浆料分别经过处理，使集流体带正电荷，导电浆料带负电荷，将导电浆料雾化成带负电荷的气溶胶，带负电荷的气溶胶粒度细小且均匀，然后利用正负电荷异性相吸的原理，带负电荷的气溶胶选择带正电荷集流体表层吸附中和电荷，中和完成后，气溶胶不再往集流体上吸附，得到涂炭层的前驱体。将涂炭层的前驱体低温烘干即得到产品。通过这种方法制得的集流体涂炭层薄且均匀，解决了现有技术中的诸多不足。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种涂炭集流体的制备方法，包括以下步骤：

a、将集流体清洗后再进行带正电处理，得到表面带正电荷的集流体；

b、将粘结剂溶解后，依次加入阴离子表面活性剂和导电剂，搅拌均匀形成带负电荷的水性导电浆料；

c、将所述带负电荷的水性导电浆料超声雾化成气溶胶后，静电沉积在所述带正电荷的集流体上，烘干得到涂炭集流体。带负电荷的水性导电浆料超声雾化成气溶胶即将带负电荷的水性导电浆料中固体微粒和液体微粒悬浮于空气形成带负电荷的烟雾和雾，飘散到权步骤a中所得的带正电荷的集流体周围，带负电荷的气溶胶吸附到带正电荷的集流体上中和电荷，电荷中和完成后，气溶胶不再往集流体上吸附，得到超薄涂炭层的前驱体。

进一步的，步骤a中，所述清洗依次包括除油和水洗。

进一步的，所述除油的具体步骤为：将集流体放入温度为70~80℃的除油液中浸泡3~5min后取出。

优选的，所述除油液为10~20g/l碳酸钠、10~20g/l磷酸钠、5~10g/l硅酸钠和2~3g/lop乳化剂的混合水溶液。

进一步的，步骤a中，所述带正电处理的具体步骤为：将清洗后的集流体置于含量为2~4g/l季铵盐类表面活性剂液中浸泡10~15min。

优选的，所述季铵盐类表面活性剂为烷基季铵盐或胺盐型。

进一步的，步骤b中，所述带负电荷的水性导电浆料中各组分的含量为：所述粘结剂1~2g/l，所述导电剂20~40g/l，所述阴离子表面活性剂与所述带负电荷的水性导电浆料的体积比为(1~2):1000。

步骤b中，所述粘结剂包括羧甲基纤维素钠、聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯中的一种；

所述阴离子表面活性剂包括烷基磺酸钠、烷基芳基磺酸钠、烷基硫酸钠或仲烷基硫酸钠中的一种或两种的混合；

所述导电剂为在水性溶剂中分散充分的碳材料，所述碳材料的粒径为10~50nm，其包括炭黑、石墨、碳纳米管、石墨烯中的一种或两种以上的混合。

优选的，步骤c中，所述烘干的温度为60~80℃，时间为6~8h。

本发明的另一个目的在于提供一种涂炭集流体，所述集流体采用上述制备方法制成。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

将集流体和导电浆料分别经过处理，使集流体带正电荷，导电浆料带负电荷，然后导电浆料雾化成带负电荷的气溶胶，气溶胶粒度细小且均匀，利用正负电荷异性相吸的原理，使气溶胶附着在集流体的表层，中和电荷，电荷中和完成后，气溶胶不再吸附。这种将导电浆料雾化成气溶胶后的选择性的静电沉碳技术，将碳材料均匀地沉积到集流体上，生成的涂炭层薄且均匀，本发明中制得涂炭层的厚度不超过100nm，且结合力强，具有良好的导电性能。

附图说明

图1为本发明实施例1得到的集流体涂炭层的断面sem；

图2为本发明实施例1得到的集流体涂炭层的表面sem。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将结合具体的实施例对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。

实施例1

a、将集流体在温度为75℃的除油液（成分配比为碳酸钠15g/l、磷酸钠15g/l、硅酸钠7g/l和op乳化剂3g/l的混合水溶液）浸泡5min后，取出水洗后，再浸入含量为4g/l的十六烷基三甲基氯化铵中浸泡15min，得到表面带正电荷的集流体；

b、将羧甲基纤维素钠溶解后，再依次加入壬基酚聚氧乙烯醚和粒径为10~50nm的炭黑和石墨的混合物，高速搅拌后，形成分散均匀且带负电荷的水性导电浆料。在导电浆料中，羧甲基纤维素钠含量是1g/l，炭黑和石墨的混合物的含量是30g/l，烷基磺酸钠与导电浆料的体积比是1:1000；

c、将步骤b中得到的带负电荷的水性导电浆料超声雾化成气溶胶，分散到步骤a中带正电荷的集流体周围，由于正负电荷异性相吸，导电浆料均匀的沉积在集流体的表面，形成导电涂层，最后再进行烘干，得到超薄涂炭集流体。所得产品表征的sem可以看出，所得到的集流体涂炭层薄且均匀。

将实施例1中的制得的集流体涂炭层进行sem表征，图1为集流体涂炭层的断面sem，图2为集流体涂炭层的表面sem。根据图1可以看出，本发明中制得的涂炭层厚度非常薄，在100nm以内；而根据图2可以看出，本发明中的涂炭层非常均匀的附着在集流体的表面，因此，本发明中的涂炭层超薄且均匀，使得其电性能非常优异。

实施例2

a、将集流体在温度为70℃的除油液（成分配比为碳酸钠10g/l、磷酸钠20g/l、硅酸钠5g/l和op乳化剂2g/l的混合水溶液）浸泡5min后，取出水洗后，再浸入含量为2g/l的十六烷基三甲基氯化铵中浸泡15min，得到表面带正电荷的集流体；

b、将聚偏氟乙烯溶解后，再依次加入烷基硫酸钠和粒径为10~50nm的石墨烯，高速搅拌后，形成分散均匀且带负电荷的水性导电浆料。在导电浆料中，聚偏氟乙烯含量是2g/l，石墨烯的含量是20g/l，烷基硫酸钠与导电浆料的体积比是2:1000；

c、将步骤b中得到的带负电荷的水性导电浆料超声雾化成气溶胶，分散到步骤a中带正电荷的集流体周围，由于正负电荷异性相吸，导电浆料均匀的沉积在集流体的表面，形成导电涂层，最后再进行烘干，得到超薄涂炭集流体。

实施例3

a、将集流体在温度为80℃的除油液（成分配比为碳酸钠20g/l、磷酸钠10g/l、硅酸钠10g/l和op乳化剂2g/l的混合水溶液）浸泡3min后，取出水洗后，再浸入含量为3g/l的十六烷基三甲基氯化铵中浸泡10min，得到表面带正电荷的集流体；

b、将聚四氟乙烯溶解后，再依次加入烷基芳基磺酸钠和粒径为10~50nm的碳纳米管，高速搅拌后，形成分散均匀且带负电荷的水性导电浆料。在导电浆料中，聚四氟乙烯含量是1g/l，碳纳米管的含量是40g/l，烷基芳基磺酸钠与导电浆料的体积比是1:1000；

c、将步骤b中得到的带负电荷的水性导电浆料超声雾化成气溶胶，分散到步骤a中带正电荷的集流体周围，由于正负电荷异性相吸，导电浆料均匀的沉积在集流体的表面，形成导电涂层，最后再进行烘干，得到超薄涂炭集流体。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。