專利名稱：一種鋰離子電池正負(fù)極極片材料及加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋰離子電池極片，尤其涉及一種鋰離子電池正負(fù)極極片材料及加工方法。
背景技術(shù)：
鋰離子電池是一種新型的化學(xué)電源，分別用兩個能可逆地嵌入和脫出鋰離子的化合物作為正負(fù)極而構(gòu)成。當(dāng)電池充電時，鋰離子從正極中脫嵌出來，在負(fù)極中嵌入；放電時鋰離子從負(fù)極中脫嵌出來，在正極中嵌入。鋰離子電池由于具有高能量密度、高電壓、無污染，循環(huán)壽命高、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在筆記本電腦、手機和其他便攜式電器中。自2004年英國科學(xué)家在實驗室成功制備出單層石墨烯以來，石墨烯迅速成為納米科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。石墨烯是具有單層碳原子厚度的，由碳原子呈二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)排列的一種新型碳質(zhì)材料，是所有其他維數(shù)碳質(zhì)材料的基本組成單元。它的厚度只有 0. 335nm，僅為頭發(fā)的20萬分之一，可以包成零維的富勒烯，卷曲成一維的碳納米管，堆砌成三維的石墨。石墨烯具有良好的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)。它具有非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。石墨烯片層內(nèi)各碳原子完美排列，受到外力時，碳原子可以彎曲變形，不用重新排列，保持了它的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在石墨烯平面上，碳原子的排列使它非常牢固堅硬，抗張強度可達(dá)到50-200GPa，彈性模量可達(dá)lTPa，是目前世界上制備出的具有最高比強度的材料。美國普林斯頓大學(xué)(Princeton University)的研究人員日前指出，若是采用石墨烯(graphene)電極，鋰電池的充電時間將能從2小時縮短到只要10分鐘。這種新開發(fā)的石墨烯電極制造技術(shù)，是由美國能源部所屬的西北太平洋國家實驗室(PNNL)與普林斯頓大學(xué)的研究員Ilhan Aksay所共同開發(fā)，并且已經(jīng)授權(quán)給廠商Vorbeck Materials，準(zhǔn)備推向商業(yè)化。PNNL表示，該實驗室已經(jīng)證實超薄石墨烯薄片能組裝到鋰離子電池的電極，并能大幅縮短充電所需時間。公開號為CN101728535A的發(fā)明專利提供了一種鋰離子電池導(dǎo)電材料及其制備方法和用途，采用氧化石墨快速熱膨脹法制備石墨烯鋰離子電池導(dǎo)電材料，具有高的縱橫比， 有利于縮短鋰離子的遷移路程并提高電解液的浸潤性，從而提高電極倍率性能；還具有高的導(dǎo)電率，可以保證電極活性物質(zhì)具有較高的利用率和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。公開號為CN101604750A的發(fā)明專利提供了一種鋰離子電池負(fù)極材料的制備方法，采用硝酸鈉、高錳酸鉀和濃硫酸對鱗片石墨進(jìn)行氧化、超聲分散、真空抽濾、自然風(fēng)干的方法得到一種鋰離子電池負(fù)極材料，面積在0.1-100平方厘米，厚度在0. 1-100微米。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種正負(fù)極性反應(yīng)活性較高的鋰離子電池正負(fù)極極片材料及其加工方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明給出的鋰離子電池正負(fù)極極片材料的技術(shù)方案是，該鋰離子電池正負(fù)極極片材料由納米正、負(fù)電極活性物質(zhì)和添加劑組成，其質(zhì)量百分比是，納米正、負(fù)電極活性物質(zhì)為40-80%，添加劑為20-60%，所述添加劑又是由納米石墨烯和正、負(fù)電極極性物質(zhì)組成，其質(zhì)量百分比是，納米石墨烯為1_50%，正負(fù)電極極性物質(zhì)為 50-99%在上述鋰離子電池正負(fù)極極片材料技術(shù)方案中，所述納米正電極活性物質(zhì)為磷酸鐵鋰、鈦酸鋰、鈷酸鋰及鈷酸鋰的改性物、鎳酸鋰及鎳酸鋰的改性物、錳酸鋰及鎳酸鋰的改性物、鎳鈷錳酸鋰三元材料、錳結(jié)核、納米二氧化錳中的一種，粒度為l-999nm。在上述鋰離子電池正負(fù)極極片材料技術(shù)方案中，所述納米負(fù)電極活性物質(zhì)為人工石墨、天然石墨、改性石墨、石墨化碳纖維、石油焦、中間相碳微球、樹脂碳、有機聚合物熱解碳、炭黑、氮化物、錫基負(fù)極材料、納米碳管、石墨烯、富勒烯中的一種，粒度為l-999nm。在上述鋰離子電池正負(fù)極極片材料技術(shù)方案中，所述納米石墨烯厚度為1-lOnm， 室溫導(dǎo)電率為800-1200S/cm。在上述鋰離子電池正負(fù)極極片材料技術(shù)方案中，所述的正電極極性物質(zhì)為納米金屬鋰、納米鋁、納米鋅、納米銀、納米錳、納米鈷中的至少一種，粒度為l-999nm。在上述鋰離子電池正負(fù)極極片材料技術(shù)方案中，所述的負(fù)電極極性物質(zhì)為納米聚丙烯酸鋰、納米金屬銅、納米銀、納米硅中的至少一種，粒度為l-999nm。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明還給出一種鋰離子電池正負(fù)極極片材料加工方法， 其步驟為將質(zhì)量百分比1-50%納米石墨烯和50-99%正電極極性物質(zhì)與溶劑混合，且使混合物與溶劑的體積比為1 1-5，超聲波振蕩2-20小時，烘干制得500nm-25um的顆粒，用作鋰離子電池納米正電極活性物質(zhì)的添加劑；再將質(zhì)量百分比40-80%納米正電極活性物質(zhì)和20-60%添加劑與溶劑混合，且使混合物與溶劑的體積比為1 1-5，超聲波振蕩2-20小時，即得到鋰離子電池正極極片材料，再將該材料以納米噴霧方式噴在鋁極片上，即制得鋰離子電池正極極片；將質(zhì)量百分比1-50%納米石墨烯和50-99%負(fù)電極極性物質(zhì)與溶劑混合，且使混合物與溶劑的體積比為1 1-5，超聲波振蕩2-20小時，烘干制得500nm-25um的顆粒，用作鋰離子電池納米負(fù)電極活性物質(zhì)的添加劑；再將質(zhì)量百分比40-80%納米負(fù)電極活性物質(zhì)和20-60%添加劑與溶劑混合，且使混合物與溶劑的體積比為1 1-5，超聲波振蕩2-20小時，即得到鋰離子電池負(fù)極極片材料，再將該材料以納米噴霧方式噴在銅極片上，即制得鋰離子電池負(fù)極極片。在上述鋰離子電池正負(fù)極極片材料加工方法中，所述的溶劑為水、無水乙醇、丙酮、甲苯中的至少一種。在上述鋰離子電池正負(fù)極極片材料加工方法中，所述的納米石墨烯制備方法如下，以下以質(zhì)量份表示將1份天然鱗片石墨、2-50份濃硫酸、0. 3-1份硝酸鈉與2-5份高錳酸鉀混合，攪拌2-100小時，過濾、洗滌后置于水溶液中，超聲波振蕩2-20小時，加入0. 1-1 份水合胼還原劑，攪拌2-20小時后過濾、洗滌、烘干制得。本發(fā)明的優(yōu)點是，加工工藝方法簡單，加工所得到的鋰離子電池正負(fù)極極片材料能有效的增加鋰離子電池正負(fù)極的反應(yīng)活性，增加電極電容量及循環(huán)性能，提高電池安全性能和穩(wěn)定性。
具體實施例方式
實施例一將500g天然鱗片石墨、IOOOOg濃硫酸、500g硝酸鈉與IOOOg高錳酸鉀混合，攪拌 50小時，過濾、洗滌后置于水溶液中，超聲波振蕩20小時，加入200g水合胼還原劑，攪拌20 小時后過濾、洗滌、烘干制得粒度為I-Inm的納米石墨烯。將IOOg納米石墨烯、IOOg納米金屬鋰與500mL無水乙醇混合，超聲波振蕩20小時，烘干制得500nm-lum的顆粒，制得鋰離子電池正極活性物質(zhì)的添加劑。實施例二 將500g天然鱗片石墨、IOOOOg濃硫酸、500g硝酸鈉與IOOOg高錳酸鉀混合，攪拌 50小時，過濾、洗滌后置于水溶液中，超聲波振蕩20小時，加入200g水合胼還原劑，攪拌20 小時后過濾、洗滌、烘干制得粒度為I-Inm的納米石墨烯。將IOOg納米石墨烯、300g納米金屬銅與800mL無水乙醇混合，超聲波振蕩20小時，烘干制得500nm-lum的顆粒，制得鋰離子電池負(fù)極活性物質(zhì)的添加劑。實施例三將500g天然鱗片石墨、1500g濃硫酸、400g硝酸鈉與2000g高錳酸鉀混合，攪拌50 小時，過濾、洗滌后置于水溶液中，超聲波振蕩20小時，加入300g水合胼還原劑，攪拌20小時后過濾、洗滌、烘干制得粒度為I-Inm的納米石墨烯。將IOOg納米石墨烯、IOOg納米金屬鋰與500mL丙酮混合，超聲波振蕩20小時，烘干制得500nm-lum的顆粒，制得鋰離子電池負(fù)極活性物質(zhì)的添加劑。200g添加劑、800g磷酸鐵鋰與1500mL丙酮混合，超聲波振蕩20小時，然后將納米噴霧噴在鋁極片上，制得鋰離子電池正極極片。用于鋰離子電池中，50C放電，500次循環(huán)衰減率小于10%。實施例四將500g天然鱗片石墨、1500g濃硫酸、400g硝酸鈉與2000g高錳酸鉀混合，攪拌50 小時，過濾、洗滌后置于水溶液中，超聲波振蕩20小時，加入300g水合胼還原劑，攪拌20小時后過濾、洗滌、烘干制得粒度為I-Inm的納米石墨烯。將IOOg納米石墨烯、IOOg納米金屬銅與500mL丙酮混合，超聲波振蕩20小時，烘干制得500nm-lum的顆粒，制得鋰離子電池負(fù)極活性物質(zhì)的添加劑。200g添加劑與800g人造石墨與1500mL丙酮混合，超聲波振蕩20小時，然后將納米噴霧噴在銅極片上，制得鋰離子電池負(fù)極極片。用于鋰離子電池中，首次放電容量為600mAh/g，500次循環(huán)衰減率小于5%。實施例五將500g天然鱗片石墨、20000g濃硫酸、500g硝酸鈉與2000g高錳酸鉀混合，攪拌 50小時，過濾、洗滌后置于水溶液中，超聲波振蕩20小時，加入500g水合胼還原劑，攪拌20 小時后過濾、洗滌、烘干制得粒度為I-Inm的納米石墨烯。將40g納米石墨烯、40g納米金屬硅與200mL丙酮混合，超聲波振蕩20小時，烘干制得500nm-lum的顆粒，制得鋰離子電池負(fù)極活性物質(zhì)的添加劑。80g添加劑、320g納米石墨烯與IOOOmL丙酮混合，超聲波振蕩20小時，然后將納米噴霧噴在銅極片上，制得鋰離子電池負(fù)極極片。
用于鋰離子電池中，首次放 電容量為500mAh/g，500次循環(huán)衰減率小于3%。
權(quán)利要求
1.一種鋰離子電池正負(fù)極極片材料，其特征在于該鋰離子電池正負(fù)極極片材料由納米正、負(fù)電極活性物質(zhì)和添加劑組成，其質(zhì)量百分比是，納米正、負(fù)電極活性物質(zhì)為 40-80 %，添加劑為20-60%，所述添加劑又是由納米石墨烯和正、負(fù)電極極性物質(zhì)組成，其質(zhì)量百分比是，納米石墨烯為1_50%，正、負(fù)電極極性物質(zhì)為50-99%。
2.如權(quán)利要求1所述的一種鋰離子電池正負(fù)極極片材料，其特征在于所述納米正電極活性物質(zhì)為磷酸鐵鋰、鈦酸鋰、鈷酸鋰及鈷酸鋰的改性物、鎳酸鋰及鎳酸鋰的改性物、 錳酸鋰及鎳酸鋰的改性物、鎳鈷錳酸鋰三元材料、錳結(jié)核、納米二氧化錳中的一種，粒度為 l-999nm。
3.如權(quán)利要求1所述的一種鋰離子電池正負(fù)極極片材料，其特征在于所述納米負(fù)電極活性物質(zhì)為人工石墨、天然石墨、改性石墨、石墨化碳纖維、石油焦、中間相碳微球、樹脂碳、有機聚合物熱解碳、炭黑、氮化物、錫基負(fù)極材料、納米碳管、石墨烯、富勒烯中的一種， 粒度為l_999nm。
4.如權(quán)利要求1所述的一種鋰離子電池正負(fù)極極片材料，其特征在于所述納米石墨烯厚度為Ι-lOnm，室溫導(dǎo)電率為800-1200S/cm。
5.如權(quán)利要求1所述的一種鋰離子電池正負(fù)極極片材料，其特征在于所述的正電極極性物質(zhì)為納米金屬鋰、納米鋁、納米鋅、納米銀、納米錳、納米鈷中的至少一種，粒度為1-999nm。
6.如權(quán)利要求1所述的一種鋰離子電池正負(fù)極極片材料，其特征在于所述的負(fù)電極極性物質(zhì)為納米聚丙烯酸鋰、納米金屬銅、納米銀、納米硅中的至少一種，粒度為l-999nm。
7.—種鋰離子電池正負(fù)極極片材料加工方法，其步驟為將質(zhì)量百分比1-50%納米石墨烯和50-99%正電極極性物質(zhì)與溶劑混合，且使混合物與溶劑的體積比為1 1-5，超聲波振蕩2-20小時，烘干制得500nm-25um的顆粒，用作鋰離子電池納米正電極活性物質(zhì)的添加劑；再將質(zhì)量百分比40-80%納米正電極活性物質(zhì)和 20-60%添加劑與溶劑混合，且使混合物與溶劑的體積比為1 1-5，超聲波振蕩2-20小時， 即得到鋰離子電池正極極片材料，再將該材料以納米噴霧方式噴在鋁極片上，即制得鋰離子電池正極極片；將質(zhì)量百分比1-50%納米石墨烯和50-99%負(fù)電極極性物質(zhì)與溶劑混合，且使混合物與溶劑的體積比為1 1-5，超聲波振蕩2-20小時，烘干制得500nm-25um的顆粒，用作鋰離子電池納米負(fù)電極活性物質(zhì)的添加劑；再將質(zhì)量百分比40-80%納米負(fù)電極活性物質(zhì)和 20-60%添加劑與溶劑混合，且使混合物與溶劑的體積比為1 1-5，超聲波振蕩2-20小時， 即得到鋰離子電池負(fù)極極片材料，再將該材料以納米噴霧方式噴在銅極片上，即制得鋰離子電池負(fù)極極片。
8.如權(quán)利要求7所述的一種鋰離子電池正負(fù)極極片材料加工方法，其特征在于所述的溶劑為水、無水乙醇、丙酮、甲苯中的至少一種。
9.如權(quán)利要求7所述的一種鋰離子電池正負(fù)極極片材料加工方法，其特征在于所述的納米石墨烯制備方法如下，以下以質(zhì)量份表示將1份天然鱗片石墨、2-50份濃硫酸、0. 3-1份硝酸鈉與2-5份高錳酸鉀混合，攪拌92-100小時，過濾、洗滌后置于水溶液中，超聲波振蕩2-20小時，加入0.1-1份水合胼還原齊U，攪拌2-20小時后過濾、洗滌、烘干制得。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋰離子電池正負(fù)極極片材料及加工方法，該材料由質(zhì)量比40-80％納米正、負(fù)電極活性物質(zhì)和20-60％添加劑組成，添加劑則是由質(zhì)量比1-50％納米石墨烯和50-99％正、負(fù)電極極性物質(zhì)組成。該材料加工方法是，按質(zhì)量比將納米石墨烯和納米正或負(fù)電極極性物質(zhì)與溶劑混合，混合物與溶劑體積比為1∶1-5，超聲波振蕩，烘干即制得納米正或負(fù)電極活性物質(zhì)添加劑；再按質(zhì)量比將納米正或負(fù)電極活性物質(zhì)和添加劑與溶劑混合，混合物與溶劑體積比為1∶1-5，超聲波振蕩，即得到鋰離子電池正或負(fù)極極片材料，將該材料以納米噴霧方式噴在鋁或銅極片上，即制得鋰離子電池正或負(fù)極極片。本發(fā)明工藝簡單，有效地增加了正負(fù)極反應(yīng)活性和電極電容量及循環(huán)性能，提高了電池安全性能和穩(wěn)定性。
文檔編號H01M4/62GK102255081SQ20101053103
公開日2011年11月23日 申請日期2010年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月4日
發(fā)明者耿世達(dá) 申請人:耿世達(dá)