为 400mA/g。
[0062]试验结果如下:从图7可见，硅碳三维电极极片经过煅烧后，电化学性能有所提高，在400°C煅烧3h后制备的三维电极极片在电流密度为400mA/g的电流密度下充放电，首次放电比容量为4047mAh/g，经过83次循环后容量为1525mAh/g，容量保持率为37.9%。在500°C煅烧3h后制备的三维电极极片在电流密度为400mA/g的电流密度下充放电，首次放电比容量为4004mAh/g，经过83次循环后容量为2196mAh/g，容量保持率为54.8%。在600°C煅烧3h后制备的三维电极极片在电流密度为400mA/g的电流密度下充放电，首次放电比容量为4165mAh/g，经过83次循环后容量为1791mAh/g，容量保持率为43.0 %。通过对比可见，在500°C条件进行煅烧后制备的硅碳三维电极极片具有最优异的电化学性能。
[0063]实施例6: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
[0064]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，质量比为1:1的乙炔黑和PED0T:PSS的混合物为导电剂，三维多孔结构的泡沫铜为集流体制备硅负极三维极片，实验步骤:
[0065]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下烘干成电极极片，用辊压机将其滚压成厚度为30 μπι厚的电极极片，之后用冲片机剪切，得到所述娃负极三维极片(记为:S1-PU_Cu foam)。
[0066]将上述制备的S1-PU-Cu foam的三维电极极片，在氩气保护气氛下于500°C煅烧3h后，其中粘结剂碳化形成支撑碳层，冷却至室温后得到含有支撑碳层的硅碳三维电极极片(记为:S1-C-Cu foam)。
[0067]将上述浆料用涂膜机涂敷到20 μπι厚的铜箔上，于真空烘箱中在60°C下烘干，用冲片机剪切成负极片作为对比电极(记为:S1-PU-Cu-2)。
[0068]电池的制作:以锂片为对电极，以聚乙烯膜为隔膜，以IM LiPF6/EC:DEC:DMC(v:
V:v = I:1:1)为电解液组装扣式电池(CR2025)进行恒电流充放电测试，电压范围为0.01-1.50V，电流密度为 400mA/g。
[0069]试验结果如下:从图8可见，S1-PU-Cu-2电极片在电流密度为400mA/g的电流密度下充放电，首次放电比容量为4164mAh/g，经过30次循环后容量迅速衰减到OmAh/g。使用泡沫铜为集流体制备的三维电极极片S1-PU-Cu foam，首次放电比容量为3820mAh/g，在经过100次后，依然保持418mAh/g的放电比容量。通过对比可见，三维电极极片有利于在一定程度上缓冲硅的体积膨胀，从而改善了电化学循环性能。三维电极极片经过高温煅烧碳化后制备的S1-C-Cufoam的极片，首次放电比容量为3045mAh/g，在经过100次后，依然保持2636mAh/g的放电比容量。对比可见，经过高温煅烧后，粘结剂进一步转化为支撑碳层填充于三维电极极片中，有利于进一步提高电极极片的电化学性能。
[0070]实施例7: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
[0071]以浓度为3.8wt.%的水溶性聚氨酯(PU)水溶液为粘结剂，石墨作为负极活性物质，乙炔黑为导电剂，三维多孔结构的泡沫镍为集流体制备含有支撑碳层的石墨负极三维极片，实验步骤:
[0072]含有支撑碳层的石墨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90%，所述粘结剂所占的重量百分比为5%，所述导电剂所占的重量百分比为5% ;用水为溶剂将所得混合物调成粘度为4000cps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下烘干成电极极片，用辊压机将其滚压成厚度为30 μπι厚的电极极片，之后用冲片机剪切，得到石墨负极三维极片。将上述制备的石墨负极三维极片，在氩气保护气氛下于500°C煅烧3h后，其中粘结剂碳化形成支撑碳层，冷却至室温后得到含有支撑碳层的石墨负极三维极片。
[0073]电池的制作:以锂片为对电极，以聚乙烯膜为隔膜，以IM LiPF6/EC:DEC:DMC(v:
V:v = I:1:1)为电解液组装扣式电池(CR2025)于0.2C倍率下进行恒电流充放电测试，电压范围为0.01-3.0V。
[0074]试验结果如下:从图9可见，有支撑碳层的石墨负极三维极片在电流密度为0.2C倍率下充放电，首次放电比容量为414mAh/g，首次库伦效率为88.7%，经过96次循环后容量维持在340mAh/g，容量保持率为82%。
[0075]最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
【主权项】
1.一种基于水性粘结剂的三维电极极片的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: (1)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； (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。
2.根据权利要求1中所述的三维电极极片的制备方法，其特征在于，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。
3.根据权利要求2中所述的三维电极极片的制备方法，其特征在于，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。
4.根据权利要求1中所述的三维电极极片的制备方法，其特征在于，所述步骤(I)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。
5.根据权利要求1中所述的三维电极极片的制备方法，其特征在于，所述步骤(I)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。
6.根据权利要求1中所述的三维电极极片的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中切片后在惰性气体保护气氛下碳化，得到所述三维电极片。
7.根据权利要求6中所述的三维电极极片的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中碳化温度为400?600 °C，碳化时间为3h。
8.一种采用如权利要求1-7任一所述方法制备的三维电极极片。
9.一种储能装置，其特征在于，所述储能装置包含如权利要求8所述的三维电极极片。
10.根据权利要求9所述的储能装置，其特征在于，所述储能装置为锂离子电池或超级电容器。
【专利摘要】本发明提出一种基于水性粘结剂的三维电极极片及其制备方法。将以水性粘结剂、导电剂和活性物质按照一定的比例调好浆料涂覆于三维多孔金属集流体上，经过烘干、滚压、切片或进一步碳化等操作制备出锂离子电池用的三维电极极片。本发明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。本发明制备出的三维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。本发明结构简单、制备工艺简便，过程容易实现。
【IPC分类】H01M4-04, H01M4-139, H01M4-62
【公开号】CN104852013
【申请号】CN201510117274
【发明人】张灵志, 邵丹, 李勇, 钟皓想, 唐道平
【申请人】中国科学院广州能源研究所
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年3月17日