CN108493456A - 电池正极极片、应用其的锂离子电池及降低界面电阻方法 - Google Patents

电池正极极片、应用其的锂离子电池及降低界面电阻方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供电池正极极片、应用其的锂离子电池及降低界面电阻的方法。该电池正极极片，包括：正极集流体，所述正极集流体包括石墨烯复合铝箔材料层；形成于所述正极集流体表面的电极活性材料，包括电极正极材料、粘结剂及导电添加剂；其中，所述石墨烯复合铝箔材料层包括：铝箔基底、平行位于所述铝箔基底表面的平面石墨烯层、及垂直位于所述平面石墨烯层上的垂直石墨烯层；所述导电添加剂的含量占所述电极活性材料含量的质量百分比为2％～12％。通过借助使用具有垂直石墨烯层的石墨烯复合铝箔作为正极极片的集流体材料，可以有效降低正极极片的界面电阻。

Description

电池正极极片、应用其的锂离子电池及降低界面电阻方法
技术领域
本发明涉及电池材料技术，具体涉及电池正极极片、应用其的锂离子电池及降低界面电阻的方法。
背景技术
锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长和环境友好等优点，不仅已广泛作为手机、笔记本电脑、数码照相机和摄像机等便携式电子设备的电源，而且在纯电动汽车、混合动力电动汽车等领域显示出良好的应用前景。其中电极极片是锂离子电池的核心组成部分。电极极片是将电极材料涂布至集流体上得到。常用的锂离子电池正极集流体为铝箔，负极集流体为铜箔。然而，由于集流体和电极材料之间通常存在着较大的界面电阻，从而在电池充放电过程中引起了较大的电化学极化，严重制约了锂离子电池的性能，特别是倍率/功率性能。
因此，有效降低集流体和电极材料之间的界面电阻，进而有效提高锂离子电池的倍率/功率性能，是本领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种电池正极极片、应用其的锂离子电池及降低界面电阻的方法，通过借助使用具有垂直石墨烯层的石墨烯复合铝箔作为正极极片的集流体材料，可以有效增大集流体与活性物质之间的接触面积，从而有效降低正极极片的界面电阻。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种电池正极极片，包括：
正极集流体，所述正极集流体包括石墨烯复合铝箔材料层；
形成于所述正极集流体表面的电极活性材料，包括电极正极材料及导电添加剂；
其中，所述石墨烯复合铝箔材料层包括：铝箔基底、平行位于所述铝箔基底表面的平面石墨烯层、及垂直位于所述平面石墨烯层上的垂直石墨烯层；
所述导电添加剂的含量占所述电极活性材料含量的质量百分比为2％～12％。
根据本发明的一个实施方式，所述平面石墨烯层的厚度为5nm～30nm，所述垂直石墨烯层的厚度为10nm～1000nm。
根据本发明的一个实施方式，所述导电添加剂选自导电炭黑、导电石墨、石墨烯、碳纳米管中的一种或多种。
根据本发明的一个实施方式，所述正极材料选自钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂、镍钴锰酸锂三元材料、镍钴铝酸锂三元材料中的一种或多种。
本发明又提供一种锂离子电池，包括正极极片、隔膜和负极极片，所述正极极片为上述电池正极极片。
本发明还提供一种降低电池正极极片界面电阻的方法，该方法使用上述电池正极极片。
根据上述技术方案的描述可知，本发明的有益效果在于：
本发明通过借助具有垂直结构石墨烯层的石墨烯复合铝箔作为正极集流体，可显著提高该正极集流体与活性物质之间的接触面积，从而有效降低集流体和电极材料之间的界面电阻，进而降低电极在充放电过程中的电化学极化。
附图说明
为了让本发明实施例能更容易理解，以下配合所附附图作详细说明。
图1为实施例2制备的正极极片A与正极极片B的材料电阻随导电添加剂含量变化的曲线图；
图2为实施例2制备的正极极片A与正极极片B的界面电阻随导电添加剂含量变化的曲线图；
图3为实施例2制备的正极极片A与正极极片B组装的扣式电池的倍率测试结果；
图4为实施例2制备的正极极片A与正极极片B组装的扣式电池的电化学阻抗谱。
具体实施方式
以下内容提供了许多不同实施例或范例。当然，这些仅仅是范例，而非意图限制本发明实施例。实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。本发明实施例可在各个范例中重复参考标号和/或字母。此重复是为了简化和清楚的目的，其本身并非用于指定所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
再者，为了容易描述本发明实施例的一个部件与另一部件或层与层之间的关系，在此可以使用空间相关用语，举例而言，“较低”、“较高”、“水平”、“垂直”、“在…上方”、”之上”、“在…下方”、“在…底下”、”向上”、”向下”、”顶部”、”底部”等衍生的空间相关用语(例如“水平地”、“垂直地”、”向上地”、”向下地”等)。这些空间相关用语意欲涵盖包含这些部件的装置的不同方位。
本发明提供一种电池正极极片，包括：
正极集流体，所述正极集流体包括石墨烯复合铝箔材料层；
形成于所述正极集流体表面的电极活性材料，包括电极正极材料及导电添加剂；
其中，所述石墨烯复合铝箔材料层包括：铝箔基底、平行位于所述铝箔基底表面的平面石墨烯层、及垂直位于所述平面石墨烯层上的垂直石墨烯层；
所述导电添加剂的含量占所述电极活性材料含量的质量百分比为2％～12％。
本发明的电池正极极片由于使用了上述具有垂直石墨烯层的正极集流体，显著增强了其与活性物质的接触面积。在一些实施例中，所述平面石墨烯层的厚度为5nm～30nm，所述垂直石墨烯层的厚度为10nm～1000nm。
在一些实施例中，导电添加剂选自导电炭黑、导电石墨、石墨烯、碳纳米管中的一种或多种。
在一些实施例中，正极材料选自钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMn2O4)、磷酸铁锂(LiFePO4)、钛酸锂(Li4Ti5O12)、镍钴锰酸锂三元材料(LiNixCoyMnzO2)、镍钴铝酸锂三元材料(LiNixCoyAlzO2)中的一种或多种。其中，LiNixCoyMnzO2包括但不限于LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNi0.4Co0.4Mn0.2O2、LiNi0.5Co0.3Mn0.2O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2等；LiNixCoyAlzO2包括但不限于LiNi0.8Co0.15Al0.05O2。
本发明还提供一种锂离子电池，包括正极极片、隔膜、电解液和负极极片，所述正极极片为上述电池正极极片。该电池正极极片的界面电阻较低，从而保证了锂离子电池的性能良好。
本发明又提供一种降低电池正极极片界面电阻的方法，使用上述电池正极极片。
下面通过具体实施例进行说明。
实施例1石墨烯复合铝箔的制备
将商用铝箔集流体用(深圳科晶)放入等离子化学气相沉积装置中，反复通入氩气清洗3～5次，该设备以20℃/min的升温速率加热至590℃，然后通入甲烷(流量10sccm)，调节等离子设备使其产生均匀的辉光覆盖铝箔，进行反应，反应时间为20分钟。反应结束后，待设备降至室温，即得到具有垂直石墨烯层的石墨烯复合铝箔。
实施例2正极极片的制备
将磷酸铁锂(LiFePO4)、导电添加剂(导电炭黑)、粘结剂聚偏二氟乙烯(PVDF)等与有机溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)混合均匀配成浆料，其中LiFePO4、导电炭黑及PVDF的质量比为90：5：5。将配置的LiFePO4浆料分别涂布在普通铝箔与具有垂直石墨烯层的石墨烯复合铝箔上，在60℃烘箱中干燥6h后，80℃真空干燥8h，分别得到普通LiFePO4正极极片A和本发明的LiFePO4正极极片B。
测试例1
用四探针面电阻测量仪，分别测量正极极片A和正极极片B的面电阻，其中，正极极片A的面电阻为(8.48±3.23)×101Ω/cm2，正极极片B的面电阻为(1.88±0.18)×10-3Ω/cm2。可见，本发明的正极极片B由于采用了具有垂直石墨烯层的石墨烯复合铝箔作为正极集流体，大大降低了正极极片的面电阻。
测试例2
为了进一步研究其它因素对正极极片电阻的影响，采用电极电阻测量仪(Hioki生产)分别测量正极极片A和正极极片B的材料电阻及界面电阻。
图1为实施例2制备的正极极片A与正极极片B的材料电阻随导电添加剂含量变化的曲线图。如图1所示，当导电添加剂的含量相同时，正极极片A与正极极片B的材料电阻的差异很小，几乎一致，可见正极集流体对于正极极片的材料电阻影响不大。
图2为实施例2制备的正极极片A与正极极片B的界面电阻随导电添加剂含量变化的曲线图。如图2所示，正极极片A的界面电阻明显高于正极极片B的界面电阻，且正极极片A的界面电阻几乎不受导电添加剂的用量影响。而通过图2可以看出，本发明的正极极片B的界面电阻不但在同等条件下均低于正极极片A，且随着导电添加剂含量的增加，界面电阻还可进一步显著降低。导电添加剂占电极活性材料的质量百分比优选为2％～12％，进一步优选为5％～12％。结果表明，采用具有具有垂直石墨烯层的正极集流体可以有效降低电极极片的界面电阻。
测试例3
进一步测试具有不同界面电阻的正极极片应用于锂离子电池时的电化学性能影响。
取正极极片A与正极极片B(其直径均为1cm)，分别与金属锂片组装成2016型扣式半电池，电解液为50微升1mol/L的LiPF6电解液(体积比EC：DMC＝50：50)。分别测试正极极片A与正极极片B在该锂离子电池上的电化学性能。
图3为实施例2制备的正极极片A与正极极片B组装的扣式电池的倍率测试结果。其中，1C＝171mA/g。从图3可以看出，正极极片B比正极极片A具有更好的倍率性能。图4为实施例2制备的正极极片A与正极极片B组装的扣式电池的电化学阻抗谱，从图4可以看出，与正极极片A相比，正极极片B在具有垂直石墨烯层的石墨烯复合铝箔集流体上具有更小的电荷转移内阻。
本发明已以数个实施例公开如上，以利本领域普通技术人员理解本发明。本领域普通技术人员可采用本发明为基础，设计或调整其他工艺与结构，用以实施实施例的相同目的，和/或达到实施例的相同优点。本领域普通技术人员应理解上述等效置换并未偏离本发明的构思与范畴，并可在未偏离本发明的构思与范畴下进行这些不同的改变、置换、与调整。

Claims (6)

1.一种电池正极极片，其特征在于，包括：
正极集流体，所述正极集流体包括石墨烯复合铝箔材料层；
形成于所述正极集流体表面的电极活性材料，包括电极正极材料、粘结剂及导电添加剂；
其中，所述石墨烯复合铝箔材料层包括：铝箔基底、平行位于所述铝箔基底表面的平面石墨烯层、及垂直位于所述平面石墨烯层上的垂直石墨烯层；
所述导电添加剂的含量占所述电极活性材料含量的质量百分比为2％～12％。
2.根据权利要求1所述的电池正极极片，其特征在于，所述平面石墨烯层的厚度为5nm～30nm，所述垂直石墨烯层的厚度为10nm～1000nm。
3.根据权利要求1所述的电池正极极片，其特征在于，所述导电添加剂选自导电炭黑、导电石墨、石墨烯、碳纳米管中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的电池正极极片，其特征在于，所述正极材料选自钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂、镍钴锰酸锂三元材料、镍钴铝酸锂三元材料中的一种或多种。
5.一种锂离子电池，其特征在于，包括正极极片、隔膜、电解液和负极极片，所述正极极片为权利要求1-4任一项所述的电池正极极片。
6.一种降低电池正极极片界面电阻的方法，其特征在于，使用权利要求1-4任一项所述的电池正极极片。
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