一种锂离子电池石墨烯导电剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，更具体为一种锂离子电池石墨烯导电剂及其制备方法。

背景技术

电动汽车、规模化储能及电动工具等新型应用领域的兴起对锂离子电池的性能提出了更高要求。为了保证快速能量存储的性能，锂离子电池的电极必须兼具良好的电子导电性和离子传导性。然而常用的锂离子电池正极材料(钴酸锂、锰酸锂及磷酸铁锂等)和负极材料(钛酸锂等)都具有较低的电子导通特性，严重制约了锂离子电池材料的容量发挥。为了提高倍率和循环性能，锂离子电池电极需要添加导电剂以构建有效的导电网络。然而，过多添加不参与能量存储的导电剂会降低电极的能量密度，因此需要寻求添加量较少的高效导电添加剂。

导电剂一般可分为金属系导电剂(银粉、铜粉、镍粉等)、金属氧化物系导电剂(氧化锡、氧化铁、氧化锌等)、碳系导电剂(炭黑、石墨等)、复合导电剂(复合粉、复合纤维等)以及其他导电剂。导电剂加入锂离子电池中不能参加电池中的氧化还原反应，要有很高的抗酸碱腐蚀能力，碳系导电剂除了满足上述条件外，还具有低成本、质量轻等特点。碳系导电剂主要为导电石墨、导电炭黑、纤维状导电剂、石墨烯。自石墨烯被发现以来，将其用于负极导电剂一直备受关注，现有的石墨烯导电剂性能仍有待改善，尤其是其低温性能以及倍率性能和如何大规模制备性能良好的石墨烯导电剂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂离子电池石墨烯导电剂及其制备方法，解决了背景技术中所提出的问题，满足实际使用需求。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种锂离子电池石墨烯导电剂，包含以下各成分的质量份数：8～22份石墨烯、12～26份导电石墨、40～50份聚偏氟乙烯、100～160份溶剂、4～8份碳纳米管、1～5份金属氧化物、1～3份离子液体、0.5～1份导电聚合物。

作为本发明的一种优选实施方式，所述锂离子电池石墨烯导电剂的制备方法包括如下步骤：

S1：将石墨烯粉体、碳纳米管、导电石墨送入气流粉碎机中，10～150MPa的压力下粉碎剥离，粉碎过程中通入惰性气体，过筛后得到混合粉体；

S2：将步骤(S1)中所得混合粉体与二分之一的溶剂混合，超声分散10～25min，制得预混液A；

S3：将二分之一的溶剂与金属氧化物、聚偏氟乙烯，超声分散10～25min，制得预混液B；

S4：离子液体和加入导电聚合物，200～1000rpm的转速进行研磨5～10min，制得预混液C；

S5：将所得预混液A、预混液B和预混液C置于混合装置中进行混合并加压，混合过程中持续加入碳化钨，加入完成后将磁场强度提高至3000～4500GS，持续混合25～40min，然后在超声波条件下超声分散30～45min，制得锂离子电池石墨烯导电剂。

作为本发明的一种优选实施方式，所述溶剂为聚丙烯醇、聚乙二醇、聚乙二醇、2-吡咯酮、N-甲基吡咯烷酮的一种或者多种的组合。

作为本发明的一种优选实施方式，所述金属氧化物为氧化铜、氧化铁、氧化锌、氧化铝、二氧化钛、氧化镁、氧化硅的一种或者多种的组合。

作为本发明的一种优选实施方式，所述导电聚合物为聚苯胺、聚噻吩、聚乙烯二醇电解质复合聚合物、聚三苯胺、聚乙炔的一种或者多种的组合。

作为本发明的一种优选实施方式，所述惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气、仙人掌气体的一种或者多种的组合。

作为本发明的一种优选实施方式，所述石墨烯为粒径分布于10纳米～100微米的黑色粉末，是由单层-1000层相平行或接近于平行的石墨烯片层构成的碳质材料，比表面积为500～1500㎡/g。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

操作简单，只需要少量的原料和简单的操作流程即可制备出高质量的石墨烯导电剂。制备时间短，可以大幅提高生产效率。且制备的成本低；通过上述制备方法中添加的材料，能有效提高电池的倍率性能；不同片径在活性材料中的搭桥作用，大幅度降低极片电阻率，有效提高锂电池的比容量和倍率性能。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种锂离子电池石墨烯导电剂，其特征在于：包含以下各成分的质量份数：15份石墨烯、20份导电石墨、45份聚偏氟乙烯、130份溶剂、5份碳纳米管、3份金属氧化物、2份离子液体、1份导电聚合物。

进一步改进地，所述锂离子电池石墨烯导电剂的制备方法包括如下步骤：

S1：将石墨烯粉体、碳纳米管、导电石墨送入气流粉碎机中，100MPa的压力下粉碎剥离，粉碎过程中通入惰性气体，过筛后得到混合粉体；

S2：将步骤(S1)中所得混合粉体与二分之一的溶剂混合，超声分散18min，制得预混液A；

S3：将二分之一的溶剂与金属氧化物、聚偏氟乙烯，超声分散18min，制得预混液B；

S4：离子液体和加入导电聚合物，600rpm的转速进行研磨8min，制得预混液C；

S5：将所得预混液A、预混液B和预混液C置于混合装置中进行混合并加压，混合过程中持续加入碳化钨，加入完成后将磁场强度提高至4000GS，持续混合30min，然后在超声波条件下超声分散40min，制得锂离子电池石墨烯导电剂。

进一步改进地，所述溶剂为聚丙烯醇、聚乙二醇的组合。

进一步改进地，所述金属氧化物为氧化铜、氧化铁、氧化锌的组合。

进一步改进地，所述导电聚合物为聚苯胺、聚噻吩的组合。

进一步改进地，所述惰性气体为氦气、氖气的组合。

进一步改进地，所述石墨烯为粒径分布于20微米的黑色粉末，是由单层-1000层相平行或接近于平行的石墨烯片层构成的碳质材料，比表面积为1000㎡/g。

实施例2

一种锂离子电池石墨烯导电剂，其特征在于：包含以下各成分的质量份数：8份石墨烯、12份导电石墨、40份聚偏氟乙烯、100份溶剂、4份碳纳米管、1份金属氧化物、1份离子液体、0.5份导电聚合物。

进一步改进地，所述锂离子电池石墨烯导电剂的制备方法包括如下步骤：

S1：将石墨烯粉体、碳纳米管、导电石墨送入气流粉碎机中，10MPa的压力下粉碎剥离，粉碎过程中通入惰性气体，过筛后得到混合粉体；

S2：将步骤(S1)中所得混合粉体与二分之一的溶剂混合，超声分散10min，制得预混液A；

S3：将二分之一的溶剂与金属氧化物、聚偏氟乙烯，超声分散10min，制得预混液B；

S4：离子液体和加入导电聚合物，200rpm的转速进行研磨5min，制得预混液C；

S5：将所得预混液A、预混液B和预混液C置于混合装置中进行混合并加压，混合过程中持续加入碳化钨，加入完成后将磁场强度提高至3000GS，持续混合25min，然后在超声波条件下超声分散30min，制得锂离子电池石墨烯导电剂。

进一步改进地，所述溶剂为聚乙二醇、2-吡咯酮、N-甲基吡咯烷酮的组合。

进一步改进地，所述金属氧化物为二氧化钛、氧化镁的组合。

进一步改进地，所述导电聚合物为聚乙烯二醇电解质复合聚合物、聚三苯胺、聚乙炔的组合。

进一步改进地，所述惰性气体为氪气、仙人掌气体的组合。

进一步改进地，所述石墨烯为粒径分布于10纳米的黑色粉末，是由单层-1000层相平行或接近于平行的石墨烯片层构成的碳质材料，比表面积为500㎡/g。

实施例3

一种锂离子电池石墨烯导电剂，其特征在于：包含以下各成分的质量份数：22份石墨烯、26份导电石墨、50份聚偏氟乙烯、160份溶剂、8份碳纳米管、5份金属氧化物、3份离子液体、1份导电聚合物。

进一步改进地，所述锂离子电池石墨烯导电剂的制备方法包括如下步骤：

S1：将石墨烯粉体、碳纳米管、导电石墨送入气流粉碎机中，150MPa的压力下粉碎剥离，粉碎过程中通入惰性气体，过筛后得到混合粉体；

S2：将步骤(S1)中所得混合粉体与二分之一的溶剂混合，超声分散25min，制得预混液A；

S3：将二分之一的溶剂与金属氧化物、聚偏氟乙烯，超声分散25min，制得预混液B；

S4：离子液体和加入导电聚合物，1000rpm的转速进行研磨10min，制得预混液C；

S5：将所得预混液A、预混液B和预混液C置于混合装置中进行混合并加压，混合过程中持续加入碳化钨，加入完成后将磁场强度提高至4500GS，持续混合40min，然后在超声波条件下超声分散45min，制得锂离子电池石墨烯导电剂。

进一步改进地，所述溶剂为聚丙烯醇、2-吡咯酮、N-甲基吡咯烷酮的组合。

进一步改进地，所述金属氧化物为氧化铁、氧化铝、二氧化钛、氧化镁、氧化硅的组合。

进一步改进地，所述导电聚合物为聚苯胺、聚三苯胺、聚乙炔的组合。

进一步改进地，所述惰性气体为氩气、氪气的组合。

进一步改进地，所述石墨烯为粒径分布于100微米的黑色粉末，是由单层-1000层相平行或接近于平行的石墨烯片层构成的碳质材料，比表面积为1500㎡/g。

对比例4

一种锂离子电池石墨烯导电剂，其特征在于：包含以下各成分的质量份数：8份石墨烯、12份导电石墨、40份聚偏氟乙烯、100份溶剂、4份碳纳米管、1份离子液体。

进一步改进地，所述锂离子电池石墨烯导电剂的制备方法包括如下步骤：

S1：将石墨烯粉体、碳纳米管、导电石墨送入气流粉碎机中，10MPa的压力下粉碎剥离，粉碎过程中通入惰性气体，过筛后得到混合粉体；

S2：将步骤(S1)中所得混合粉体与二分之一的溶剂混合，超声分散10min，制得预混液A；

S3：将二分之一的溶剂与聚偏氟乙烯，超声分散10min，制得预混液B；

S4：将所得预混液A、预混液B和离子液体置于混合装置中进行混合并加压，混合过程中持续加入碳化钨，加入完成后将磁场强度提高至3000GS，持续混合25min，然后在超声波条件下超声分散30min，制得锂离子电池石墨烯导电剂。

进一步改进地，所述溶剂为聚乙二醇、2-吡咯酮、N-甲基吡咯烷酮的组合。

进一步改进地，所述惰性气体为氪气、仙人掌气体的组合。

进一步改进地，所述石墨烯为粒径分布于10纳米的黑色粉末，是由单层-1000层相平行或接近于平行的石墨烯片层构成的碳质材料，比表面积为500㎡/g。

对比例5

一种锂离子电池石墨烯导电剂，其特征在于：包含以下各成分的质量份数：15份石墨烯、20份导电石墨、45份聚偏氟乙烯、130份溶剂、5份碳纳米管、3份金属氧化物、1份导电聚合物。

进一步改进地，所述锂离子电池石墨烯导电剂的制备方法包括如下步骤：

S1：将石墨烯粉体、碳纳米管、导电石墨送入气流粉碎机中，100MPa的压力下粉碎剥离，粉碎过程中通入惰性气体，过筛后得到混合粉体；

S2：将步骤(S1)中所得混合粉体与二分之一的溶剂混合，超声分散18min，制得预混液A；

S3：将二分之一的溶剂与金属氧化物、聚偏氟乙烯，超声分散18min，制得预混液B；

S5：将所得预混液A、预混液B和导电聚合物置于混合装置中进行混合并加压，混合过程中持续加入碳化钨，加入完成后将磁场强度提高至4000GS，持续混合30min，然后在超声波条件下超声分散40min，制得锂离子电池石墨烯导电剂。

进一步改进地，所述溶剂为聚丙烯醇、聚乙二醇的组合。

进一步改进地，所述金属氧化物为氧化铜、氧化铁、氧化锌的组合。

进一步改进地，所述导电聚合物为聚苯胺、聚噻吩的组合。

进一步改进地，所述惰性气体为氦气、氖气的组合。

进一步改进地，所述石墨烯为粒径分布于20微米的黑色粉末，是由单层-1000层相平行或接近于平行的石墨烯片层构成的碳质材料，比表面积为1000㎡/g。

本发明采用石墨烯导电剂，利用石墨烯优良的导电性，提高电极材料的容量，降低电池内阻，提高电池循环寿命；石墨烯导电剂在制备锂离子电池时的用量仅为现有导电剂用量的50-60％，并减少了18％的粘结剂用量，但2C倍率却提高了6-10％，节省了成本，使得锂离子电池更具有竞争力；

实施例1-3制备的石墨烯导电剂，相较对比例4-5制备的石墨烯导电剂，有效提高电池的倍率性能；不同片径在活性材料中的搭桥作用，大幅度降低极片电阻率，有效提高锂电池的比容量和倍率性能。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。