一种动力电池的功能化导电炭涂层铝集流体及其制备方法与流程

本发明涉及集流体领域，具体涉及一种动力电池的功能化导电炭涂层铝集流体及其制备方法。

背景技术：

1、随着手机、笔记本电脑、数码相机以及其他电子设备的普及，我国已经成为电池行业中的最大的消费国。锂电池由于其具有高能量密度、高工作电压、长循环寿命、大充放电倍率等优势，被广泛应用于新能源汽车、3c产品以及储能电池领域。

2、随着电池行业的发展，对电池的安全性能和电学性能提出了更高的要求。集流体是锂离子电池正极和负极用于附着活性物质的基体金属，集流体在作为正极和负极活性物质载体的同时，其主要作用是将活性物质产生的所产生的电子汇集起来并对外进行电流输出，从而实现化学能转换为电能的过程。在传统锂电池的正极片制作工艺中，活性材料浆料直接涂布于铝箔表面，干燥后通过粘结剂实现活性材料固定于集流体表面。但是，金属集流体铝箔与活性材料颗粒不能充分接触，界面电阻较大，导致电池内阻大，极大的影响了电池的整体性能；正极活性材料中，粘结剂的粘结强度有限，在电池充放电过程中，电池温度升高，从而导致正极活性材料发生体积形变，体积的形变导致应力的产生，进而引起正极活性材料的剥离脱落，影响电池的长循环寿命和安全性能。可见，降低集流体与活性物质间的界面电阻和电池循环过程中因为产热而导致粘结强度下降是提升锂电池性能的重要手段。

技术实现思路

1、近几年发现，poss因为具有较好的耐热性能和机械性能用于在高分子纳米改性填料中获得很好的应用；但是有研究学者发现，其导电性能较差，若用在电池中，可能会导致电池的电学性能的下降。本发明通过将导电炭使用氨基poss接枝改性，将改性后导电炭涂覆于电池正极集流体上，不仅解决了正极活性材料的受热膨胀的问题，有利于电池的安全性，还有利于提高了电池的电化学性。

2、本发明针对现有技术中的问题，公开了一种动力电池的功能化导电炭涂层铝集流体及其制备方法，本发明通过在铝集流体上涂覆功能化导电炭，功能化导电炭不仅具有较好的耐热性能、粘结性能，还可以形成电子传输通道，促进正极集流体和正极活性材料之间的电子交换，还可以增强正极集流体和正极活性材料之间的粘结强度，从而提升电池的电化学性能。

3、本发明是通过以下技术方案实现的：

4、本发明提供的一种动力电池的功能化导电炭涂层铝集流体，所述功能化导电炭层铝集流体的原料中包括氨基poss接枝的氧化导电碳，所述氨基poss接枝的氧化导电碳是氧化导电碳接枝氨基poss形成，所述氧化导电碳包括氧化炭黑、氧化片层石墨、氧化石墨烯，以质量计，氧化炭黑、氧化片层石墨、氧化石墨烯的比为(9份-10份):(0份-10份):(0份-10份)。

5、本发明的上述设计，poss具有较好的耐热性能和机械性能，poss上的氨基中的n原子更容易与氧化炭黑、氧化片层石墨、氧化石墨烯中的羰基氧配合形成更稳定的接枝结构，氧化导电碳接枝改性后形成的氨基poss接枝的氧化炭黑、氨基poss接枝的氧化片层石墨、氨基poss接枝的氧化石墨烯不仅具有较好的耐热性能和粘结力，还具有较好的导电性能。通过poss上的氨基与氧化导电碳上的羰基接枝改性，解决了poss的导电性较差的困境；而poss能增加氧化导电碳颗粒之间的空间位阻，使得氧化导电碳颗粒在介质中分散更均匀，更不易沉降团聚，尤其是氨基poss接枝的氧化炭黑的分散性改善更为显著。氨基poss接枝的氧化片层石墨、氨基poss接枝的氧化石墨烯形成层状结构，可通过点状的氨基poss接枝的氧化炭黑穿插层状结构，通过氨基poss接枝的氧化炭黑、氨基poss接枝的氧化片层石墨、氨基poss接枝的氧化石墨烯三者之间的配合，从而形成导电网络，有利于提升正极集流体与正极活性材料之间的电子的迁移。功能化导电炭层不仅具有poss的耐热性能和机械性能，还赋予了导电性能；功能化导电炭层提升的铝正极集流体和正极活性物质之间的粘结强度的同时，还促进了电子的迁移，从而不仅有利于电池的电化学性能的提升，还有利于电池安全性能的提升。

6、作为进一步方案，所述氨基poss包括poss-nh2、poss-氨丙基异辛基、poss-n-甲基氨基丙基异丁基、poss-八铵基、poss-n-苯基氨基丙基、poss-mal、poss-马来酸辛酯中的一种或多种。

7、作为更进一步方案，所述氨基poss包括poss-nh2。poss-nh2进行接枝氧化导电碳，获得接枝后的产物的更具有同一性，氨基poss接枝在氧化导电碳能获得相同的氨基poss接枝的氧化导电碳，更有利于接枝后的氧化导电碳应用在涂层中的均匀分散性，从而获得更加均匀致密的涂层。

8、作为进一步方案，所述氨基poss接枝的氧化导电碳的原材料包括氧化导电碳、活化剂、氨基poss、有机溶剂，以质量计，所述氧化导电碳:活化剂:氨基poss:有机溶剂比例为(1份-20份):(0.1份-5份):(1份-20份):(99份-101份)。在此比例下有利于获得接枝量更为合适的氧化导电碳，不仅可以提高氧化导电碳的分散性的基础上，还可以在铝集流体表面形成均匀致密的导电涂层，从而有利于电池的电性能的提升。

9、作为更进一步方案，所述活化剂包括n,n-羰基二咪唑(cdi)。

10、作为更进一步方案，所述有机溶剂包括四氢呋喃、甲苯、氯仿、乙醚中的一种。

11、作为进一步方案，所述功能化导电炭层铝集流体的原料中还包括水性超分散剂、ph调节剂、纯水，以质量计，所述氨基poss接枝的氧化导电碳:水性超分散剂:ph调节剂:纯水的比为(5份-12份):(5份-30份):(0.1份-0.5份):(58份-89份)。氨基poss接枝的氧化导电碳其特殊的笼型三维纳米结构与浆料中的有机物形成稳定的空间互交穿/半互交穿网络，在铝集流体表面形成均匀致密的涂层，提供给功能化导电炭层铝集流体的涂层优异的附着力和机械性能。

12、作为更进一步方案，所述水性超分散剂包括具有锚固基团的聚丙烯酸酯。聚丙烯酸酯具有更好的热稳性、粘结性，聚丙烯酸酯与氨基poss接枝的氧化导电碳配合，不仅有利于分子之间的分散，还可以提升功能化导电炭层铝集流体中的涂层的粘结强度，从而更有利于涂层在铝集流体表面形成均匀致密的导电涂层。

13、作为再进一步方案，所述锚固基团包括-r2n、-r3n+、-cooh、-coo-、-so3h、-so2-、-po42-、多元胺、多元醇、聚醚中的一种或多种。

14、作为进一步方案，所述ph调节剂包括有机调节剂、无机调节剂一种或多种。有机调节剂不仅能降低浆料的团聚现象，还可以减少引入杂质影响电池电性能的发挥。

15、作为进一步方案，所述有机调节剂包括链烷醇胺。

16、作为进一步方案，所述链烷醇胺包括三乙醇胺(tea)、三异丙醇胺(tipa)、二乙醇单异丙醇胺(deipa)、异丙醇胺(edipa)、n,n,n',n'-四(2-羟基乙基)-乙二胺(theed)、2-氨基-2-甲基-1-丙醇、二甲基乙醇胺、单乙醇胺、二乙醇胺、单乙醇胺和烷基乙醇胺的混合物中的一种或多种。

17、作为进一步方案，所述烷基乙醇胺包括丁基乙醇胺、n-甲基乙醇胺中的一种或多种。

18、作为进一步方案，所述无机调节剂包括氢氧化钠、氢氧化钙、氨水一种或多种。

19、作为进一步方案，所述功能化导电炭层铝集流体中包括氨基poss接枝的氧化导电碳，所述氨基poss接枝的氧化导电碳是氧化导电碳接枝氨基poss形成，所述氧化导电碳包括氧化炭黑、氧化片层石墨、氧化石墨烯，以质量计，氧化炭黑、氧化片层石墨、氧化石墨烯的比为(9份-10份):(4份-6份):(4份-6份)。当氨基poss接枝的氧化炭黑、氨基poss接枝的氧化片层石墨、氨基poss接枝的氧化石墨烯三者之间的配合，才有利于形成较完整的稳定导电网络；并且氧化导电碳之间的分散性更佳，更有利于与有机物形成稳定的空间互交穿/半互交穿网络，在铝集流体表面形成均匀致密的涂层，从而提供给功能化导电炭层铝集流体的涂层优异的附着力和机械性能。

20、作为进一步方案，所述功能化导电炭层铝集流体的原料中包括氨基poss接枝的氧化导电碳、具有锚固基团的聚丙烯酸酯、链烷醇胺，以质量计，所述氨基poss接枝的氧化导电碳:具有锚固基团的聚丙烯酸酯:链烷醇胺:纯水的比为(5份-12份):(5份-30份):(0.1份-0.5份):(58份-89份)，所述氨基poss接枝的氧化导电碳是氧化导电碳接枝氨基poss形成，所述氧化导电碳包括氧化炭黑、氧化片层石墨、氧化石墨烯，以质量计，氧化炭黑、氧化片层石墨、氧化石墨烯的比为(9份-10份):(4份-6份):(4份-6份)。在此基础上，链烷醇胺中氨基具有供电效应，能和水性超分散剂具有锚固基团的聚丙烯酸酯中的羧酸根配合，从而有利于配合水性分散剂进一步提高浆料中物质的分散性。

21、作为进一步方案，所述功能化导电炭层铝集流体的原料中包括氨基poss接枝的氧化导电碳、具有-so3h锚固基团的聚丙烯酸酯、单乙醇胺和烷基乙醇胺的混合物，以质量计，所述氨基poss接枝的氧化导电碳:具有-so3h锚固基团的聚丙烯酸酯:烷基乙醇胺:单乙醇胺:纯水的比为(5份-12份):(5份-30份):(0.1份-0.2份):(0.1份-0.2份):(58份-89份)，所述氨基poss接枝的氧化导电碳是氧化导电碳接枝氨基poss形成，所述氧化导电碳包括氧化炭黑、氧化片层石墨、氧化石墨烯，以质量计，氧化炭黑、氧化片层石墨、氧化石墨烯的比为(9份-10份):(4份-6份):(4份-6份)。烷基乙醇胺、单乙醇胺两种的物质具有更为相似的结构，能更好的相互配合，从而减少浆料中的团聚，促进浆料的形成分布均匀的涂层；在此基础上，单乙醇胺的极性更强，能很好的溶于溶剂中，降低溶剂的极性，有利于浆料中其他物质的浸润性，而烷基乙醇胺具有更好的柔韧性，能和单乙醇胺配合在浆料中添加量更少就能达到调节浆料ph和降低浆料中团聚现象。锚固基团-so3h加强了聚丙烯酸酯和氨基poss接枝的氧化导电碳配合，进一步提升了浆料中氧化导电碳的分散剂的基础上，还提高了浆料的粘结强度。

22、本发明还提供所述氨基poss接枝的氧化导电碳的制备方法，包括：

23、s1：根据质量比，称取氧化导电碳和活化剂，置于有机溶剂中，恒温活化；

24、s2：根据质量比，称取氨基poss置于有机溶剂中，反应；

25、s3：将s1和s2获得的溶液混合，恒温反应；

26、s4：过滤，干燥，获得氨基poss接枝的氧化导电碳。

27、作为进一步方案，所述氧化导电碳的氧化方式包括液相氧化、气相氧化、物理氧化法和催化氧化中的一种。

28、作为进一步方案，所述s1与s2中的有机溶剂选自同一种，且s1中的有机溶剂与s2中的有机溶剂的体积比为1:1。

29、作为更进一步方案，所述s1中恒温活化的条件为温度为60℃，恒温活化搅拌2h-6h；所述s2中反应的条件为在氮气氛围下搅拌2h-4h；所述s3中的恒温反应的条件为氮气氛围下，搅拌10-24h，所述s3中恒温的温度为50℃-90℃；所述s4中干燥的条件为在50-90℃下进行真空烘干20-60h。

30、本发明还提供了所述功能化导电炭层铝集流体的制备方法，包括按照质量比分别称取氨基poss接枝的氧化导电碳、水性超分散剂、ph调节剂、纯水，先高速混匀后高压均质，将浆料涂覆在铝集流体上，获得功能化导电炭层铝集流体。

31、作为进一步方案，所述高速混匀的转速为3000-7000rpm，高速混匀的时间为1-5h；所述高压均质的压力为500-1200bar，高压均质的循环次数为3-6次。将获得氨基poss接枝的氧化导电碳在高压均质过程中，当均质的压力设定过大可能会导致氨基poss的形变，当均质的压力太小，可能会影响均质的效果。

32、作为进一步方案，所述涂覆的方式包括刮涂，旋涂，凹版涂布、微凹涂布、狭缝挤压涂布中的一种；所述涂覆的厚度为1-10μm。

33、本发明的特点和有益效果为：

34、(1)本发明提供的功能化导电碳涂层铝集流体的制备，将氨基poss接枝在导电碳表面，增强了导电碳在浆料中的分散性，有利于涂层的导电性。

35、(2)本发明提供的功能化导电碳涂层铝集流体的制备，氨基poss接枝的氧化导电碳其特殊的笼型三维纳米结构与浆料中的有机物形成稳定的空间互交穿/半互交穿网络，提供给功能化导电炭层铝集流体的涂层优异的附着力和机械性能。

36、(3)本发明提供的功能化导电碳涂层铝集流体的制备，由于氨基poss接枝的氧化导电碳良好的热稳定性，减弱了动力电池在后续使用中，铝集流体表面正极材料膨胀脱落的情况，增加了电池的长循环性能和安全性能。