一种基于水性粘结剂的三维电极极片的制备方法

文档序号:8529495阅读:504来源:国知局
一种基于水性粘结剂的三维电极极片的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种三维电极极片的制备方法,具体涉及一种基于水性粘结剂的三维电极极片的制备方法。
【背景技术】
[0002]随着消费电子需求平稳增长,混合动力汽车和纯电动汽车迅猛发展以及新能源并网发电站项目建设步伐加快,高性能储能电池成为大力发展的核心技术之一。其中,锂离子电池因其高电压、大容量、循环性能佳、低污染等优点在分布式发电储能等领域潜力巨大。随着锂离子电池性价比的不断提升,锂电代替铅酸、镍氢电池等传统电池的趋势日益明显。锂离子电池的性能与活性物质材料的性能及电极片结构密切相关。目前,常见的锂离子电池正极材料有钴酸锂、磷酸铁锂及三元材料,负极材料主要有石墨、钛酸锂、硅基材料、过渡金属氧化物,上述的活性物质(除了石墨负极)大部分都存在电子电导率差的问题,有些材料(例如,硅基材料及过渡金属材料)还存在体积效应的问题。因此,设计开发新型电极片结构利于提高极片的电子电导的同时也可以起到一定的抑制活性材料的体积效应具有一定的现实意义。
[0003]商业中常用的正/负极集流体为铝/铜箔,极片的制作工艺是将含有导电剂,活性物质的浆料通过粘结剂粘附于铜箔的表面,烘干后在一定压力下滚压得到电极极片。这种电极的界面性质在很大程度上影响着电极片的充放电性能。同时,由于这种箔片状集流体表面较为光滑,一些体积效应较大的活性物质材料在充放电过程中容易从箔片状集流体上剥离。CN 102437313A专利采用三维多孔结构的泡沫铜或泡沫镍作为电极集流体,使用固相填充和压制成型的方法制备出了一种大功率金属锂电池用负电极。这种方法有利于粉末锂与电极集流体的直接接触但粘接牢固性有待进一步改善。有文献报道将石墨烯和硅的复合物附着于三维泡沫石墨网上也有利于提高电极片的电化学性能,但相对于泡沫铜或泡沫镍而言,泡沫石墨网的价格较高,且延展性不足。(Adv.Mater.2013, 25,4673 - 4677)。

【发明内容】

[0004]本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供了一种基于水性粘结剂的三维电极极片的制备方法,本发明还提供了采用该方法制备的三维电极极片,及其用途。
[0005]为实现上述目的,所采取的技术方案:一种基于水性粘结剂的三维电极极片的制备方法,所述方法包括以下步骤:
[0006](I)将水性粘结剂、导电剂和活性物质混合,得到混合物后,用溶剂将所述混合物调制成浆料,然后将三维多孔结构的泡沫金属集流体浸泡于所述浆料中,完全浸润后取出所述三维多孔金属集流体;
[0007](2)将步骤(I)中得到的三维多孔金属集流体经过烘干、滚压、切片后得到所述三维电极极片。
[0008]优选地,所述步骤(I)中水性粘结剂为水溶性有机高分子材料的水溶液。
[0009]优选地,所述步骤(I)中水溶性有机高分子材料为壳聚糖衍生物、羧甲基纤维素、海藻酸盐、水溶性萜烯树脂、水性聚氨酯中的至少一种。
[0010]优选地,所述步骤⑴中导电剂为导电聚合物、导电碳粉、乙炔黑、石墨烯和导电银粉中的至少一种;所述步骤(I)中三维多孔结构的泡沫金属集流体为泡沫铜、泡沫镍和泡沫铝中的一种;所述步骤(I)中活性物质为磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰、镍锰酸锂、磷酸镍锂、磷酸钴锂、磷酸锰锂以及富锂固溶体正极材料中的至少一种,或者所述活性物质为硅粉、石墨、钛酸锂、金属氧化物负极材料、锡基复合负极材料和硅基复合负极材料中的至少一种。优选地,所述步骤(I)中导电聚合物为聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)、聚苯胺和聚吡咯中的至少一种。更优选地,所述步骤(I)中导电剂为导电聚合物与导电碳粉、乙炔黑、石墨烯和导电银粉中的一种或几种的混合物。在本发明中当选用负极材料作为活性物质时,制备出的三维电极极片为三维负极电极片;当选用正极材料作为活性物质时,制备出的三维电极极片为三维正极电极片。
[0011]优选地,,所述步骤⑴中以所述混合物总重量为基准,所述活性物质所占的重量百分比为70%?90%,所述水性粘结剂所占的重量百分比为1%?10%,所述导电剂所占的重量百分比为9%?20% ;所述步骤(I)中浆料的粘度为lOOOcps?5000cps。优选地,所述步骤(I)中所述溶剂为水。
[0012]优选地,所述步骤⑵中切片后在惰性气体保护气氛下碳化,得到所述三维电极极片。在上述过程中水性粘结剂碳化形成支撑碳层,有利于进一步提高三维电极极片的电子电导。
[0013]优选地,所述步骤(2)中碳化温度为400?600°C,碳化时间为3h。更优选地,所述步骤(2)中碳化温度为500°C,碳化时间为3h。
[0014]本发明提供了一种三维电极极片,所述三维电极极片是采用上述所述方法制备的。
[0015]本发明还提供了一种储能装置,所述储能装置包含上述所述的三维电极极片。
[0016]优选地,所述储能装置为锂离子电池或超级电容器。
[0017]本发明的有益效果在于:本发明提供了一种基于水性粘结剂的三维电极极片,本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:
[0018](I)本发明制备出的电极极片采用水溶性有机高分子材料作为粘结剂具有价格低廉,来源广泛,环境友好等优势。
[0019](2)本发明制备出的电极极片具有多孔三维结构,此种三维结构有利于电解液的浸润,改善了电解液与活性物质的界面相容性,有效改善了电池的放电倍率特性。
[0020](3)本发明采用了三维多孔结构的泡沫金属作为电极集流体,有利于增加活性物质与集流体的接触面积,改善了电极极片的电子电导率。
[0021](4)本发明制备的三维电极极片,经过滚压将活性物质紧锁于三维极片内部,此种结构可以有效缓冲体积效应大的活性物质(例如,硅负极材料、硅基负极材料、过渡金属氧化物等)在充放电过程中较大的体积变化,有利于提高电池的倍率性能,延长电池的使用寿命O
[0022](5)本发明通过在浆料中添加掺杂的导电聚合物聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)、聚苯胺、聚吡咯作为导电剂材料取代部分固相颗粒导电剂(导电碳粉、乙炔黑、石墨烯和导电银粉),利用其易于形成具有高电导率的膜包覆在活性物质的表面从而改进电极材料的导电性。同时,有利于浆料在三维多孔结构的泡沫金属集流体中的填充。
[0023](6)本发明结构简单、制备工艺简便,过程容易实现。
【附图说明】
[0024]图1是本发明所述的基于水性粘结剂的三维电极极片结构示意图:
[0025]图中,1-活性物质,2-导电剂,3-粘结剂,4-三维多孔金属集流体;
[0026]图2为本发明的实施例1中使用的泡沫镍和制备的三维电极极片(S1-PU-Nifoam-0)的扫描电镜图;
[0027]图3为本发明的实施例1中制备的三维电极极片(S1-PU-Ni foam-0)作为锂离子电池负极极片的电化学性能图;
[0028]图4为本发明的实施例2中制备的三维电极极片(S1-CMC-Ni foam-0)作为锂离子电池负极极片的电化学性能图;
[0029]图5为本发明的实施例3中制备的三维电极极片(S1-(C-CTS)-Ni foam-0)作为锂离子电池负极极片的电化学性能图;
[0030]图6为本发明的实施例4中制备的含有不用导电剂的三维电极极片(S1-Carbon,S1-PEDOT:PSS, S1-PEDOT:PSS/Carbon)作为锂离子电池负极极片的电化学性能图;
[0031]图7为本发明的实施例5中不同煅烧温度下制备的含有支撑碳层在其中的硅碳三维电极极片作为锂离子电池负极极片的电化学性能图;
[0032]图8为本发明的实施例6中制备的以泡沫铜为集流体的硅负极三维极片作为锂离子电池负极极片的电化学性能图;
[0033]图9为本发明的实施例7中制备的以泡沫镍为集流体的含有支撑碳层的石墨负极三维极片作为锂离子电池负极极片的电化学性能图。
【具体实施方式】
[0034]为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点,下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0035]实施例1:本发明所述基于水性粘结剂的三维电极极片的制备方法的一种实施例
[0036]以浓度为3.8wt.%的水溶性聚氨酯(PU)水溶液为粘结剂,单质硅粉作为负极活性物质,乙炔黑为导电剂,三维多孔结构的泡沫镍为集流体制备硅负极三维极片,实验步骤:
[0037]硅负极三维极片的制作:将上述负极活性物质、上述粘结剂和上述导电剂混合,得到混合物,其中以所述混合物总重量为基准,所述负极活性物质所占的重量百分比为70%,所述粘结剂所占的重量百分比为10%,所述导电剂所占的重量百分比为20% ;用水为溶剂将所得混合物调成粘度为2000cps的负极浆料,将1.0mm厚的三维多孔结构的泡沫镍集流体浸泡于浆料中,完全浸润后取出三维多孔结构的泡沫镍集流体,于真空烘箱中在60°C下
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