CN108511692A - 一种锂离子电池电极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种锂离子电池电极及其制备方法。该制备方法包括：将碳纳米管分散在溶剂中，得到分散液；其中，碳纳米管与溶剂的质量比为0.0002‑0.02：1；将活性材料、添加剂和粘结剂混合，混合过程中滴加分散液，得到电极浆料；将电极浆料涂布在集流体上，烘干、滚压后得到锂离子电池电极。本发明还提供了由上述方法制备得到的锂离子电池电极。通过本发明的上述制备方法得到的电极中的碳纳米管的分散性好。

Description

一种锂离子电池电极及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池电极的制备方法，尤其涉及一种碳纳米管分散性好的锂离子电池电极的制备方法，属于电池材料制备技术领域。
背景技术
锂离子电池电极中良好的导电网络有利于在充放电过程中电子的快速传导，从而获得较高的比容量和倍率性能。碳纳米管具有较高的长径比和良好的电导率，是一种理想的锂离子电池导电添加剂。但是由于碳纳米管易缠绕聚团，如何在电极中构建分散良好的碳纳米管导电网络仍然是一个亟待解决的课题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种碳纳米管分散性好的电极的制备方法。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种锂离子电池电极的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
将碳纳米管分散在溶剂中，得到分散液；其中，碳纳米管与溶剂的质量比为0.0002-0.02：1；
将活性材料、添加剂和粘结剂混合，混合过程中滴加分散液，得到电极浆料；
将电极浆料涂布在集流体上，烘干、滚压后得到锂离子电池电极。
上述制备方法中，优选地，采用的碳纳米管为氮掺杂碳纳米管、硫掺杂碳纳米管、硼掺杂碳纳米管、硼氮双掺杂碳纳米管、氮硫双掺杂碳纳米管、阵列式生长的碳纳米管、氮掺杂阵列式碳纳米管、硫掺杂阵列式碳纳米管、硼掺杂阵列式碳纳米管、硼氮双掺杂阵列式碳纳米管和氮硫双掺杂阵列式碳纳米管中的一种或几种的组合。
根据本发明的具体实施方式，上述采用的碳纳米管根据需要按照本领域现有的方式制备即可。
上述制备方法中，优选地，采用的溶剂为水、乙醇、氮甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、丙酮、甲苯和二甲苯中的一种或几种的组合。
上述制备方法中，优选地，活性材料、添加剂和粘结剂的质量比为80-95：0.1-10：3-10；更优选地，活性材料、添加剂和粘结剂的质量比为89：4：7。
上述制备方法中，优选地，在活性材料、添加剂和粘结剂混合过程中滴加分散液时，分散液与活性材料的质量比为3-6：1。
上述制备方法中，优选地，采用的活性材料为石墨、含硅负极材料、含锡负极材料、钛酸锂、磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、三元正极材料中的一种或几种的组合。
上述制备方法中，优选地，采用的添加剂为炭黑、石墨片、碳纳米管、石墨烯中的一种或几种的组合。
上述制备方法中，优选地，采用的粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、LA系列水性粘合剂中的一种或几种的组合。
根据本发明的具体实施方式，将电极浆料涂布在集流体上时，按照本领域常规的操作进行即可。
本发明还提供了一种锂离子电池电极，该锂离子电池电极是通过上述锂离子电池电极的制备方法制备得到的。
本发明的锂离子电池电极的制备方法采用低浓度的碳纳米管分散液，特别是采用具有阵列排布和/或表面掺杂官能团的碳纳米管，形成碳纳米管充分分散的体系，在电极活性材料、导电添加剂和粘结剂混合过程中滴加低浓度的碳纳米管分散液，从而在电极中构建分布广泛、重量占比小的碳纳米管导电网络。
通过本发明的锂离子电池电极的制备方法制备得到的锂离子电池电极中的碳纳米管的分散性好，碳纳米管的重量比重小，能够有效提高锂离子电池电极的比容量和倍率性能。
附图说明
图1为实施例1中的锂离子电池电极的扫描电镜图像。
图2为实施例2中的锂离子电池电极(LCO-CB-CNT)在0.2C充放电速率下的充放电曲线。
图3为对比例2中的锂离子电池电极的扫描电镜图像。
图4为实施例1的锂离子电池电极(LFP-CB-CNT)与对比例1中的电极(LFP-CB)倍率性能曲线。
图5为实施例1的锂离子电池电极(LFP-CB-CNT)与对比例1中的电极(LFP-CB)的充放电曲线。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种锂离子电池电极，采用阵列碳纳米管制备磷酸铁锂正极，其是通过以下步骤制备得到的：
制备阵列碳纳米管，按照Chem Phys Lett 1999；303(5):467-474的方法制备；
称取碳纳米管样品2g，加入1000g氮甲基吡咯烷酮中(NMP)，超声分散，得到稳定的碳纳米管分散液；
按照质量比89：4：7称取磷酸铁锂、导电炭黑和PVDF，将三者放入容器中搅拌，滴加碳纳米管分散液，分散液与磷酸铁锂的质量比为5：1，持续搅拌6小时后，得到正极浆料；
将正极浆料涂布到铝箔上，烘干、滚压、剪切，得到正极极片。
如图1所示，本实施例的电极中碳纳米管分散良好，未见明显的碳纳米管聚团。根据配比计算可知，电极中的碳纳米管含量只有0.89％，明显小于常用的碳管添加量(2-3％)。
实施例2
本实施例提供了一种锂离子电池电极，采用掺硫碳纳米管的水相分散液，制备钴酸锂正极，其是通过以下步骤制备得到的：
制备掺硫碳纳米管，按照Carbon 2015；92:245-253方法制备；
称取碳纳米管样品1g，加入1000g水中，超声分散，得到碳纳米管水相分散液；
按照质量比90：5：5称量钴酸锂、导电石墨和LA132粘结剂，将三者放入容器中搅拌，滴加碳纳米管水相分散液，直到浆料粘度适中、适合涂布，持续搅拌6小时后，得到正极浆料；
将正极浆料涂布到铝箔上，烘干、滚压、剪切，得到钴酸锂正极极片。
对本实施例的电极进行电化学测试，在0.2C充放电电流下，放电比容量为188mAh/g(图2)，循环100周后容量保持率为96％。
实施例3
本实施例提供了一种锂离子电池电极，采用阵列碳管分散液，制备石墨负极，其是通过以下步骤制备得到的：
制备阵列碳纳米管，按照文献Chem Phys Lett 1999；303(5):467-474的方法制备；
称取碳纳米管样品2g，加入1000g的NMP中，超声分散，得到碳纳米管分散液；
按照质量比85：5：10称取石墨、导电炭黑和PVDF，放入容器中搅拌，滴加碳纳米管分散液；持续搅拌6小时后，得到负极浆料；
将负极浆料涂布到铜箔上，烘干、滚压、剪切，得到负极极片。
对比例1
本对比例采用导电炭黑作为导电添加剂制作磷酸铁锂电极，制作步骤如下：
1)按照质量比89：4：7称量磷酸铁锂、导电炭黑和PVDF，将三者放入容器中，滴加NMP，NMP与磷酸铁锂的质量比为5：1，持续搅拌6小时后，得到正极浆料；
将正极浆料涂布到铝箔上，烘干、滚压、剪切，得到正极极片(LFP-CB)。
对比例2
本对比例采用含碳纳米管5％的碳纳米管浆料制作磷酸铁锂电极，步骤如下：
按照质量比89：4：7称量磷酸铁锂、碳纳米管和PVDF，其中碳纳米管以碳纳米管-NMP浆料(碳纳米管5％，NMP 95％)的形式加入，将三者放入容器中，滴加NMP以达到适宜涂布的粘度，同时搅拌；持续搅拌6小时后，得到正极浆料；
将正极浆料涂布到铝箔上，烘干、滚压、剪切，得到正极极片。
如图3所示，所得极片中存在明显的碳纳米管聚团，碳纳米管导电网络的分散性不好。
实施例4
本实施例对实施例1和对比例1中的电极进行电化学测试。
将实施例1的磷酸铁锂电极(标记为LFP-CB-CNT)的圆形电极片(直径13mm)在充满氩气的手套箱中组装纽扣式半电池，采用锂片作为对电极，采用1M LiPF6溶液(溶剂为碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯1：1体积比配制的混合液)为电解液。采用充放电测试仪对纽扣电池进行充放电测试。
如图4所示，实施例1所得电极(LFP-CB-CNT)的比容量比对比例1中不添加碳纳米管分散液的电极(LFP-CB)高，说明实施例1的制备方法得到的电极具有明显的提升比容量的效果。
图5给出了两个电极的充放电曲线，LFP-CB-CNT电极与LFP-CB表现出相同的充放电电压平台，并且容量在此电压平台上有明显扩展。这说明由于碳纳米管的添加，使得更多磷酸铁锂颗粒参与了充放电过程中的能量存储和释放。
以上结果说明：本发明对的制备方法得到的锂离子电池电极具有优良的分散性，能够有效提高锂离子电池电极的比容量和倍率性能。

Claims (10)

1.一种锂离子电池电极的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
将碳纳米管分散在溶剂中，得到分散液；其中，所述碳纳米管与所述溶剂的质量比为0.0002-0.02：1；
将活性材料、添加剂和粘结剂混合，混合过程中滴加所述分散液，得到电极浆料；
将所述电极浆料涂布在集流体上，烘干、滚压后得到所述锂离子电池电极。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管为氮掺杂碳纳米管、硫掺杂碳纳米管、硼掺杂碳纳米管、硼氮双掺杂碳纳米管、氮硫双掺杂碳纳米管、阵列式生长的碳纳米管、氮掺杂阵列式碳纳米管、硫掺杂阵列式碳纳米管、硼掺杂阵列式碳纳米管、硼氮双掺杂阵列式碳纳米管和氮硫双掺杂阵列式碳纳米管中的一种或几种的组合。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述溶剂为水、乙醇、氮甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、丙酮、甲苯和二甲苯中的一种或几种的组合。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述活性材料、添加剂和粘结剂的质量比为80-95：0.1-10：3-10。
5.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，所述活性材料、添加剂和粘结剂的质量比为89：4：7。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述分散液与所述活性材料的质量比为3-6：1。
7.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，所述活性材料为石墨、含硅负极材料、含锡负极材料、钛酸锂、磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、三元正极材料中的一种或几种的组合。
8.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，所述添加剂为炭黑、石墨片、碳纳米管、石墨烯中的一种或几种的组合。
9.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，所述粘结剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、LA水性粘合剂中的一种或几种的组合。
10.一种锂离子电池电极，其特征在于，该锂离子电池电极是通过权利要求1-9任一项所述的锂离子电池电极的制备方法制备得到的。
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