[发明专利]高浓度少层石墨烯复合材料与锂电池电极的组份和制备

说明书

技术领域

本发明属于电极材料制备技术领域，具体涉及高浓度少层石墨烯复合材料与锂电池电极的组份和制备。

背景技术

锂电池在充放电的反应过程中伴随着锂离子的传输与电子的迁移, 因此需要电极中的导电添加剂有良好的导电性能与大的径厚比(纵横比), 才能确保良好导电网络的形成, 进而具有较低电极电阻率, 另一方面则需与活性物质和集流体有良好的界面接触, 才能保证循环过程中导电网络的完整性与连续性, 同时具备以上两种特性的导电添加剂才能使电极活性材料具有高的利用率和良好的电池性能。

导电碳黑为目前主流使用的传统导电剂之一, 具有化学稳定性良好与颗粒小等特性, 能够有效的填满极片中的空隙并形成导电网络, 但是，因为碳黑为非晶态的球形碳结构且纵横比低, 造成其虽然形成导电网络但网络界面为点对点接触, 因此电阻值还是相较于石墨为高；石墨为另一种主流使用的导电剂, 与碳黑一样具有优良的化学稳定性, 但其颗粒尺寸远大於碳黑且纵横比也不高, 因此在相同的添加量下, 较难形成如碳黑般的完整导电网络；碳纳米管与纳米碳纤维为较新型的导电添加剂, 拥有比碳黑更低的电阻值, 比石墨更高的纵横比, 理论上应有最佳的导电性能, 然而其有难分散与纯度低的缺点, 大大提高在实际使用上的困难度, 成为此类导电添加剂未能大量普及的原因。

石墨烯为二维片状碳纳米材料, 是石墨与碳纳米管的基本构造, 其超优异的物理性能, 已让石墨烯成为本世纪的超级热门材料。石墨烯具有高达2630 m²/g的理论表面积和10^-6 ohm.cm的理论电阻率, 以及径厚比(纵横比)极高的优点。如图1所示, 石墨烯独特的面接触方式与导电碳黑的点接触, 碳纳米管的线接触方式比较起来, 更能有效降低接触电阻, 使得以石墨烯为导电剂所形成的导电网络具有超低的电阻率。

虽然大多数研究认为石墨片层间仅有范德华力，仅需很小的理论能量（约17 kJ/mol）就可以使石墨片层剥离而制成石墨烯,但是实际上石墨形成过程中存在着不同程度的结构缺陷，甚至碳-碳健的结合，致使剥离石墨层所需的能量远大於理论值, 因此较小的剪切能量无法完全解理石墨片层，必须大幅提高剪切能量才能确保大部分石墨片层的解理进而得到较薄的石墨烯。

此外虽石墨烯具有优异的导电性能, 但是，却有易回叠的缺点, 尤其在从石墨烯悬浮液烘乾成粉末的过程中, 石墨烯片与片之间的回叠现象更为严重, 一旦石墨烯回叠, 就不易再分散开, 导电性能也会大大的下降。因此除了石墨烯的制备工艺之外, 如何分散以及防止石墨烯的回叠更是影响石墨烯产业化的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供高浓度少层石墨烯复合材料与锂电池电极的组份和制备。

高浓度少层石墨烯复合材料与锂电池电极的组份和制备，按照如下步骤进行：

（1）按照重量份数，取1~3份石墨加入15~17份浓硫酸与发烟硝酸的混合溶液中, 在溶液温度为0-10℃条件下加入1~3份插层剂, 并持续搅拌10-100小时，将此混合液用滤纸过滤并用1-10wt%盐酸洗涤残留物直到无硫酸盐检出, 再用去离子水水洗残留物直到pH为5-7，将残留物在50-90℃条件下烘干，得可膨胀石墨，将可膨胀石墨放入通有保护气体的高温炉, 温度设定800-1200℃, 加热时间1-8分钟，得膨胀石墨；

（2）按照重量份数，将5~7份分散剂加入102~105份液态载体中, 搅拌至完全溶解，再依次加入1~3份阴离子型表面活性剂与0.1~0.5份消泡剂，在温度40-60℃条件下搅拌至完全溶解，得到混合液；

（3）将步骤（1）制备的膨胀石墨加入步骤（2）制备的混合液中，得到混合浊液；

（4）利用高剪切解理设备将步骤（3）制得的混合浊液均匀分散并同时对膨胀石墨进行解理，得到高浓度少层石墨烯复合材料； 

（5）按照重量份数，取步骤（4）制得的高浓度少层石墨烯复合材料1~5份，与1~5份粘结剂和90~98份锂电池活性材料混合成电极浆料, 涂布制成电极。

所述可膨胀石墨尺寸至少为50 μm, 优选的可膨胀石墨尺寸为大于100 μm, 更优选的可膨胀石墨尺寸为大于500 μm, 最优选的可膨胀石墨尺寸为大于1000 μm。

所述插层剂为高锰酸钾、双氧水、浓硫酸、红酸钠、高氯酸钠、氯化铁、二氧化碳、甲醇、乙醇、水中的一种或一种以上。

所述保护气体为氮气、氩气、氦气中的一种或一种以上。