[发明专利]一种基于石墨烯的锂离子电池负极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池，尤其涉及一种基于石墨烯的锂离子电池负极及其制备方法。

背景技术

近年来，由于能源危机和环境污染加剧等原因，电动汽车技术开始受到各国政府的广泛关注。而在将来相当长的一段时间内，只有锂离子电池才具有合适的能量密度和循环寿命来满足电动汽车的需求。2014 年被很多人称为是中国的新能源汽车发展的“元年”，因为在这一年，中国市场的新能源汽车发展取得了“量”的突破，成为全球仅次于美国的第二大电动汽车市场。初步统计结果显示，美国市场销量接近12 万辆，而工信部的数据显示，2014 年中国新能源汽车累计生产83,839 辆，同比增长近4 倍。

锂离子电池被公认为是电动汽车最关键、最重要的核心零部件。但是，作为应用于电动汽车的动力电池，还有2个关键问题没有很好地解决：(1) 电池的能量密度不能满足电动汽车续航里程的要求。(2) 大电流放电对电池损伤较大，导致电动汽车加速性能不佳。为了克服锂离子电池以上的缺点，我们研究通过石墨烯材料的引入来改善这两个主要问题。

石墨烯是一种单层蜂窝状平面六角晶体，它的首次发现是在2004年。短短的几年时间，石墨烯以其优异的电化学性能引起了世界各国研究人员的广泛关注。研究发现，石墨烯是一种用于锂离子电池的有效导电添加剂材料，除了其自身的物理性能之外，更主要的是跟其平面几何结构而带来的独特的接触模式有关。由于其“至薄至柔”的结构特征，石墨烯可以通过面-点的基础模式构筑柔性的导电网络。在该网络中，与通过点-点接触模式的零维球型炭黑颗粒相比，很少添加量、完全剥离的石墨烯可以非常有效地桥接活性材料颗粒；跟其它维度的导电添加剂材料相比，二维柔性的石墨烯具有非常高的导电效率，在添加量较少的时候就可以超过添加量10倍于石墨烯的导电炭黑、导电石墨等传统导电添加剂，同时在相同添加量时性能也优于多壁碳纳米管。由于锂离子可以同时吸附在石墨烯两侧，石墨烯的比容量是本体石墨的两倍，即744 mAh/g。由于石墨烯材料具有优异的物理性能，应用于锂离子电池中，可在很大程度上提高负极材料的容量性能以及循环性能，同时在高电流条件时的倍率性能也能有明显的改善。

但是，尽管石墨烯的理论比容量和电子传输能力比较大，基于石墨烯得到的锂离子电池性能与理论期望值相比往往具有较大的差异，原因主要是由于石墨烯比表面积较大，石墨烯纳米片层倾向于聚集，所以在电极制备过程中单层分散的石墨烯片层很难得到，特别是在电池充放电循环过程中，石墨烯片极易发生团聚现象，导致石墨烯失去片状结构及相应性能。

长期以来PVDF是锂电池正负极中主要使用的胶黏剂，它具有良好的电化学、化学、热稳定性，有较高的机械强度，满足电极胶黏剂的基本要求而得以广泛使用。但是，PVDF的粘结性在诸多胶黏剂中属于较差的，其较差的粘结性和弹性容易造成石墨烯在充放电体积变化过程中与胶黏剂及石墨的脱离，致使电池容量衰减过快。最近，高粘弹性胶黏剂丁苯胶乳（SBR）水基胶黏剂开始逐渐替代PVDF。SBR中由于聚丁二烯嵌段的存在是一种粘弹性优异的胶黏剂，虽然在传统锂离子电池中SBR显示出了优异的性能，但是在存在石墨烯的负极中表现任然欠缺，我们认为主要是因为SBR溶胀电解液后对石墨及石墨烯的粘结力受到了较大影响。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于石墨烯的锂离子电池负极及其制备方法，提出一种基于石墨烯的锂离子电池负极配方，特别是采用一种新型粘结剂以实现电极浆料制备过程中及锂离子电池实际使用充放电过程中维持石墨烯的片状结构，保持该新型锂离子电池负极的优异性能。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于石墨烯的锂离子电池负极，所述锂离子电池负极是将负极浆料涂覆在铜箔上制备而得，厚度在50-200微米之间，所述负极浆料中各原料重量份比配方为：石墨35-50重量份，石墨烯10-25重量份，粘结剂0.5-2.5重量份，增稠剂0.25-2重量份，分散介质70.0-90.0重量份；

所述粘结剂为聚苯乙烯-聚异戊二烯-聚苯乙烯嵌段型共聚物胶乳。

所述石墨的粒径为300-500目；所述的石墨烯为还原氧化石墨烯，粒径为200-300目。

所述嵌段型共聚物的分子量为(15-50)K-(40-150)K-(15-50)K，所述胶乳固含量为15-35%。

所述增稠剂是羧甲基纤维素钠；所述的分散介质是去离子水。

本发明的基于石墨烯的锂离子电池负极的制备方法中，所述锂离子电池负极的浆料通过以下加工步骤制备而得：