一种电化学阳极电极、包含该阳极电极的储能器件及其制备方法

文档序号:8906933阅读:941来源:国知局
一种电化学阳极电极、包含该阳极电极的储能器件及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于储能技术领域,特别涉及一种电化学阳极电极、包含该阳极电极的储 能器件及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 自从1991年,碳材料创造性的运用于锂离子电池领域,并带来该领域革命性的变 化一一高效而安全的进行多次充放电后,其便被广泛的运用于移动电话、摄像机、笔记本电 脑以及其他便携式电器上。与传统的铅酸、Ni-Cd、MH-Ni电池相比,锂离子电池具有更高的 比体积能量密度、比重量能量密度、更好的环境友好性、更小的自放电以及更长的循环寿命 等,是二十一世纪理想的移动电器电源、电动汽车电源以及储电站用储电器。
[0003] 然而随着生活品味的提高,人们对移动用电器提出了更高的体验需求:更轻、更 薄、更小、更持久、更安全便是这些体验具有代表性的几个方面,而更持久又是其中最重要 的体验之一。这就对储电器(电池)提出了更高的能量密度需求,而选择性能更加优良的 导电剂制备电池,能够显著的提高电池的性能。
[0004] 2004年,英国曼彻斯特大学的安德烈?K?海姆(AndreK.Geim)等采用机械剥离 法首次制备得到石墨烯(Graphene),由此拉开了该材料制备、运用研宄的序幕。所谓石墨 烯,是指碳原子之间呈六角环形排列的一种片状体,通常由单层或多层石墨片层构成,可在 二维空间无限延伸,可以说是严格意义上的二维结构材料。其具有比表面积大、导电导热 性能优良、热膨胀系数低等突出优点:具体而言,高的比表面积(理论计算值:2630m2/g); 高导电性、载流子传输率(200000cm2/V*s);高热导率(5000W/mK);高强度,高杨氏模量 (llOOGPa),断裂强度(125GPa)。因此其在储能领域、热传导领域以及高强材料领域具有极 大的运用前景。
[0005] 具体来说,由于石墨烯具有优异的导电性能,且本身的质量极轻,因此能够有效的 降低导电剂用量,增加电极中活性物质的含量,提高电池的能量密度;同时还能降低电池的 内阻,提高电池的放电电压,减少充放电过程中的产热;因此石墨烯是锂离子电池导电剂的 理想选择之一。然而,石墨烯本身的二维结构,极大的限制了锂离子在垂直于石墨烯片场方 向上的扩散,从而限制了石墨烯作为锂离子电池导电剂性能的发挥。
[0006] 有鉴于此,确有必要开发一种新的石墨烯材料,其结构不会阻碍离子在垂直于石 墨烯片层方向上的传输。

【发明内容】

[0007] 本发明的目的在于:针对现有技术的不足,而提供的一种电化学阳极电极:该阳 极极片包括阳极涂层和基材,所述阳极涂层包括阳极活性物质、粘接剂和导电剂,所述活性 物质的平均直径为a,所述导电剂至少含有石墨烯;所述石墨烯为多孔石墨烯,平均孔间距 为b,且10a。这种结构的电化学储能器件阳极,由于使用了多孔石墨烯作为导电剂,在 垂直于石墨烯平面方向对离子的扩散阻力较小,因此具有更加优异的电化学性能。
[0008] 为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
[0009] -种电化学阳极电极,包括基材和设置于所述基材上的阳极涂层,所述阳极涂层 包括阳极活性物质、粘接剂和导电剂,所述阳极活性物质的平均直径为a,所述导电剂至少 含有石墨烯;其特征在于,所述石墨烯为多孔石墨烯,并且相邻的孔之间的平均距离(平均 孔间距)为b,且10a。所述相邻的孔之间的平均距离是指相邻两孔边缘之间的平均距 离,简称为平均孔间距。
[0010] 作为本发明电化学阳极电极的一种改进,当所述石墨烯片层的平面等效直径 D< 10a时,所述石墨稀可以为无孔石墨稀;所述石墨稀片层平面等效直径是指将石墨稀片 层平面面积换算成一个圆面积时,所述圆的直径。
[0011] 作为本发明电化学阳极电极的一种改进,所述阳极活性物质为碳类材料、合金类 材料、金属氧化物系列材料、金属氮化物材料和碳化合物中的至少一种;所述导电剂还可以 含有导电炭黑、超级导电碳、碳纳米管、导电碳纤维和科琴黑中的至少一种。
[0012] 作为本发明电化学阳极电极的一种改进,所述多孔石墨烯的厚度小于或等于 350nm,并且所述多孔石墨烯的片层平面等效直径D大于或等于5nm;所述石墨烯的质量占 所述阳极涂层总质量的〇. 05%~10%。
[0013] 作为本发明电化学阳极电极的一种改进,所述多孔石墨烯的孔的平均直径d<a; 孔的形状为圆形、正方形、三角形、椭圆形或多边形。
[0014] 作为本发明电化学阳极电极的一种改进,所述多孔石墨烯的孔的直径d< 0.la, 所述多孔石墨烯的孔的形状相同、面积相等,且相邻的孔之间的距离相等。
[0015] 作为本发明电化学阳极电极的一种改进,所述多孔石墨烯的相邻的孔之间的平均 距离b< 2a。
[0016] 作为本发明电化学阳极电极的一种改进,5nm<a< 500um。
[0017] -种电化学储能器件,包括本发明所述的阳极电极,所述电化学储能器件为铅酸 电池、镍氢电池、锂离子电池、锂硫电池、钠离子电池、锌离子电池和超级电容器中的任意一 种。
[0018] 本发明还包括一种本发明所述的电化学储能器件的制备方法,主要包括如下步 骤:
[0019] 步骤1,阳极极片的制备:将平均直径为a的阳极活性物质、至少含有多孔石墨烯 的导电剂、粘接剂以及溶剂混合均匀(所述阳极活性物质为石墨、硅、硅碳复合材料、钛酸 锂等;导电剂位导电炭黑、超级导电碳、碳纳米管、科琴黑、无孔石墨烯等;粘接剂包括聚偏 氟乙烯、丁苯橡胶、十二烷基苯磺酸钠等;溶剂为水、氮甲基吡洛烷酮等),制得得到阳极浆 料,之后涂敷在基材上,冷压、分条、焊接后得到阳极极片,其中,所述多孔石墨烯的相邻的 孔之间的平均距离为b,且b彡10a;
[0020] 步骤2,成品电芯的制备:将步骤1制备得到的阳极极片与阴极极片、隔离膜组装 得到裸电芯,之后入壳/入袋、干燥、注液、静置、化成、整形后得到成品电芯。
[0021] 本发明的有益效果在于:与传统的电极不同,本发明严格规定了作为导电剂的多 孔石墨烯片层的孔大小及孔间距,即作为导电剂,其孔大小不超过活性物质颗粒、孔间距不 超过活性物质颗粒尺寸的10倍,这样制备出来的电芯具有更好的大倍率充放电性能。因 为,具有这种结构的石墨烯导电剂,可以有效的避免在充放电过程中其对锂离子扩散的阻 碍作用。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合【具体实施方式】对本发明及其有益效果进行详细说明,但本发明的实施方 式不限于此。
[0023] 比较例1,阳极极片的制备:选择平均粒径为lum的石墨为活性物质,之后按照石 墨:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶:导电炭黑(200nm) = 94. 7:1:2. 3:2的质量关系称量,加 入去离子水中搅拌得到阳极浆料,涂敷在铜集流体上,再经过冷压、分条、焊接、贴胶等工序 后得到阳极极片备用。
[0024] 电池组装:选择钴酸锂为阴极活性物质,按照阴极容量:阳极容量=100:112的容 量关系设计电池。按照上述容量关系配置阴极浆料及控制涂敷质量,之后冷压、分条、焊接、 贴胶后得到阴极极片。将得到的阴极极片、阳极极片与隔离膜卷绕得到裸电芯,选择铝塑膜 为包装袋进行顶封、侧封,之后干燥、注液、静置、化成、整形、除气得到成品锂离子电池。
[0025] 比较例2,与比较例1不同的是,本比较例包括如下步骤:
[0026] 阳极极片的制备:选择平均粒径为lum的石墨为活性物质,片层的平面等效直径 为100um的无孔洞石墨烯(厚度为3nm)为导电剂;之后按照石墨:羧甲基纤维素钠:丁苯 橡胶:石墨烯=96. 2:1:2. 3:0. 5的质量关系称量,加入去离子水中搅拌得到阳极浆料,涂 敷在铜集流体上,再经过冷压、分条、焊接、贴胶等工序后得到阳极极片备用。
[0027] 其余与比较例1相同,这里不在赘述。
[0028] 实施例1,与比较例2不同的是,本实施例包括如下步骤:
[0029] 阳极极片的制备:选择平均粒径为lum的石墨为活性物质,片层的平面等效直径 为lOOum的多孔石墨烯(厚度为3nm)为导电剂,该多孔石墨烯的孔形状为圆孔,孔的直径 为0?lum(0.la),孔间距为lOum(lOa);之后按照石墨:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶:石墨 烯=96. 2:1:2. 3:0. 5的质量关系称量,加入去离子水中搅拌得到阳极浆料,涂敷在铜集流 体上,再经过冷压、分条、焊接、贴胶等工序后得到阳极极片备用。
[0030] 其余与比较例2相同,这里不在赘述。
[0031] 实施例2,与实施例1不同的是,本实施例包括如下步骤:
[0032] 阳极极片的制备:选择平均粒径为lum的石墨为活性物质,片层的平面等效直径 为lOOum的多孔石墨烯(厚度为3nm)为导电剂,该多孔石墨烯的孔形状为圆孔,孔的直径 为0?lum(0.la),孔间距为2um(2a);之后按照石墨:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶:石墨烯 =96. 2:1:2. 3:0. 5的质量关系称量,加入去离子水中搅拌得到阳极浆料,涂敷在铜集流体 上,再经过冷压、分条、焊接、贴胶等工序后得到阳极极片备用。
[0033] 其余与实施例1相同,这里不在赘述。
[0034] 实施例3,与实施例1不同的是,本实施例包括如下步骤:
[0035] 阳极极片的制备:选择平均粒径为lum的石墨为活性物质,片层的平面等效直径 为lOOum的多孔石墨烯(厚度为3nm)为导电剂,该多孔石墨烯的孔形状为圆孔,孔的平均 直径为0?lum(0.la),平均孔间距为0? 4um(0. 4a);之后按照石墨:羧甲基纤维素钠:丁苯 橡胶:石墨烯=96. 2:1:2. 3:0. 5的质量关系称量,加入去离子水中搅拌得到阳极浆料,涂 敷在铜集流体上,再经过冷压、分条、焊接、贴胶等工序后得到阳极极片备用。
[0036] 其余与实施例1相同,这里不在赘述。
[0037] 实施例4,与实施例3不同的是,本实施例包括如下步骤:
[0038] 阳极极片的制备:选择平均粒径为lum的石墨为活性物质,片层的平面等效直径 为100um的多孔石墨烯(厚度为3nm
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