專利名稱：以石墨烯結(jié)晶切片為集電體的鋰離子電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鋰離子電池領(lǐng)域，更具體地說，本發(fā)明涉及一種以石墨烯結(jié)晶體切片為集電體的鋰離子電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的鋰離子電池通常選用金屬鋁(Al)箔和金屬銅(Cu)箔分別作為正極集電體和負(fù)極集電體。隨著鋰離子電池的深入開發(fā)和使用，對于這些金屬材料的需求量將會極大增加。進(jìn)而將會給以Al和Cu為代表的金屬材料的開采、冶煉及精煉帶來巨大壓力。具有良好導(dǎo)電子能力同時具備一定機(jī)械加工性能的石墨烯及其復(fù)合材料作為這些高消耗金屬材料的備用材料使用，將會一定程度上削弱鋰離子電池對于這些金屬材料的依賴，從而減少鋰離子電池中由金屬集電體材料帶來的環(huán)境資源消耗和經(jīng)濟(jì)成本增加。 石墨烯材料具有接近甚至高于金屬的導(dǎo)電和導(dǎo)熱能力，同時其對酸和堿的耐腐蝕性遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于一般的金屬材料，其作為鋰離子電池集電體材料使用將是一個極佳的選擇。然而，目前的技術(shù)方法中，尚無針對石墨烯及其復(fù)合材料作為鋰離子電池集電體材料廣泛工業(yè)生產(chǎn)使用的合理方案。本發(fā)明，將采用將石墨烯或者石墨烯復(fù)合材料進(jìn)行切片的技術(shù)，然后通過涂覆的手段完成電池電極的制作，以實現(xiàn)石墨烯材料作為鋰離子電池集電體材料的工業(yè)生產(chǎn)需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中無法將石墨烯及其復(fù)合材料推廣至工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中的不足，利用石墨烯材料自身的強(qiáng)抗酸及堿腐蝕性的特點，增強(qiáng)鋰離子電池對酸和堿等副產(chǎn)物的抵抗能力，通過將石墨烯結(jié)晶體材料進(jìn)行切片然后涂覆鋰離子電池活性材料達(dá)到工業(yè)制備石墨烯集電體，最終提供一種以石墨烯結(jié)晶體切片為集電體的鋰離子電池。本發(fā)明的另一目的為提供一種以石墨烯結(jié)晶切片為集電體的鋰離子電池的制備方法。這種以石墨烯結(jié)晶切片為集電體的鋰離子電池，其包括被密封在包裝膜內(nèi)的正極、負(fù)極、隔膜和電解質(zhì)，所述的正極包括正極集電體和涂敷在集電體上的正極活性物質(zhì)，所述的負(fù)極包括負(fù)極集電體和涂敷在集電體上的負(fù)極活性物質(zhì)，其特征在于所述的正極集電體和負(fù)極集電體均為石墨烯結(jié)晶切片。所述的石墨烯合金結(jié)晶體中，為增加材料整體的柔韌性，所述的石墨烯合金體晶體結(jié)構(gòu)中還摻雜有導(dǎo)電高分子；為增強(qiáng)導(dǎo)電性能，所述的石墨烯合金晶體結(jié)構(gòu)中還摻雜有金屬原子；且石墨烯的成分大于70%。進(jìn)一步地，所述的正極活性物質(zhì)為傳統(tǒng)的鋰離子電池正極材料，包括鈷酸鋰、鎳酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳酸鋰、磷酸亞鐵鋰、磷酸錳鋰、磷酸釩鋰中的一種或多種；所述的負(fù)極活性物質(zhì)為傳統(tǒng)的鋰離子電池負(fù)極材料，包括人造石墨、天然石墨、中間相碳纖維球、中間相碳纖維、軟碳、硬碳、鈦酸鋰、硅及無定型氧化硅中的一種或多種；所述的電解質(zhì)包括鋰鹽、非水溶劑和添加劑；其中，鋰鹽選自六氟磷酸鋰(LiPF6)、四氟硼酸鋰、雙三氟甲基磺酸亞胺基鋰(LiTFSI)、雙草酸硼酸鋰、草酸雙氟硼酸鋰、高氯酸鋰中的一種或多種；非水溶劑選自碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸甲丙酯、丁內(nèi)酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯中的一種或多種；添加劑選自SEI成膜添加劑、防過充添加劑、阻燃添加劑、電解質(zhì)穩(wěn)定劑、提高電導(dǎo)率添加劑、抗氧化添加劑中的一種或多種。以石墨烯結(jié)晶切片為集電體的鋰離子電池的制備方法，其特別之處在于鋰離子電池正負(fù)極的制備方法，包含如下步驟a)將鋰離子電池正極或者負(fù)極活性材料，通過涂覆的方式轉(zhuǎn)移至石墨烯結(jié)晶切片的至少一個表面； b)將涂覆好的石墨烯結(jié)晶切片及活性材料復(fù)合體通過干燥和面壓處理，以提升活性材料與石墨烯結(jié)晶切片的結(jié)合力，并保證復(fù)合體不發(fā)生破裂；c)將b)步驟處理后的復(fù)合體切片成電池所需形狀和大小，制成電池正極或者負(fù)極使用。進(jìn)一步地,石墨烯結(jié)晶切片的制備方法,包含如下步驟A.合成制備結(jié)晶體在石墨烯結(jié)晶過程中摻入包括導(dǎo)電高分子材料在內(nèi)的親電子聚合物分子以增強(qiáng)結(jié)晶體的韌性；在石墨烯結(jié)晶過程中摻入包括銅原子在內(nèi)的金屬成分以維持結(jié)晶體的導(dǎo)電性能；并要求石墨烯晶體純度大于70%，以保持其良好的抗腐蝕能力，同時具備優(yōu)良的電子傳導(dǎo)能力與機(jī)械加工性能；B.將石墨烯結(jié)晶體切片根據(jù)使用要求的不同，將石墨烯結(jié)晶體切成厚度為5um-30um的晶體片料以供備用。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，使用了石墨烯結(jié)晶切片作為鋰離子電池正負(fù)極的集電體，采用涂覆技術(shù)將鋰離子電池正負(fù)極材料轉(zhuǎn)移至集電體表面制備電極，能夠簡單有效地實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)使用。另外，石墨烯結(jié)晶體相對于傳統(tǒng)的金屬集電體材料，具備更強(qiáng)的酸或者堿耐腐蝕性，當(dāng)在鋰離子電池長期使用過程中生成酸或者堿等副產(chǎn)物時，此類集電體材料依然能夠保持正常工作，從而提升了電池的安全特性。
具體實施例方式實施例1在石墨烯結(jié)晶過程中摻入聚噻吩和銅原子，并要求石墨烯晶體純度為71%，將石墨烯結(jié)晶體切成厚度為5um的石墨烯結(jié)晶切片以供備用。以公知技術(shù)將鋰離子電池正極或者負(fù)極活性材料，通過涂覆的方式轉(zhuǎn)移至石墨烯結(jié)晶切片的上表面；將涂覆好的石墨烯結(jié)晶切片及活性材料復(fù)合體通過干燥和面壓處理，以提升活性材料與石墨烯結(jié)晶切片的結(jié)合力，并保證復(fù)合體不發(fā)生破裂；將前述處理后的復(fù)合體切片成電池所需形狀和大小，制成電池正極或者負(fù)極。以隔膜將正極板與負(fù)極板隔開并卷繞或者疊片制成電池芯；將該電池芯放置在包裝殼中，進(jìn)行包裹；向包裝殼內(nèi)注入lmol/L的LiPF6/EC+DMC+EMC的電解質(zhì)溶液；經(jīng)過化成激活處理后制成鋰離子電池。
實施例2基本同實施例1，不同的是石墨稀晶體純度為85% ,將石墨稀結(jié)晶體切成厚度為30um的石墨稀結(jié)晶切片。實施例3基本同實施例1，不同的是石墨稀晶體純度為90% ,將石墨稀結(jié)晶體切成厚度為20um的石墨稀結(jié)晶切片。實施例4基本同實施例1，不同的是石墨稀晶體純度為95% ,將石墨稀結(jié)晶體切成厚度為15um的石墨稀結(jié)晶切片。 對比例I僅將實施例1中的正極集電體石墨烯復(fù)合膜換成傳統(tǒng)的鋁(Al)箔，負(fù)極集電體石墨烯復(fù)合膜換成傳統(tǒng)的銅(Cu)箔。再用上述相同方法制成鋰離子電池。對比例2僅將實施例2中的正極集電體石墨烯復(fù)合膜換成傳統(tǒng)的鋁(Al)箔，負(fù)極集電體石墨烯復(fù)合膜換成傳統(tǒng)的銅(Cu)箔。再用上述相同方法制成鋰離子電池。對比例3僅將對比例I 中的 lmol/L 的 LiPF6/EC+DMC+EMC 溶液換成 lmol/L 的 LiTFSI/EC+DMC+EMC 溶液。取實施例1-4和對比例1-4制得的軟包裝鋰離子電池做對比測試。測試內(nèi)容包括在室溫、45°C以及60°C下1C/1C充放電循環(huán)500周的容量保持率，以及45°C循環(huán)500周后的內(nèi)阻變化率；滿電狀態(tài)下80°C環(huán)境下存儲8小時后電池厚度、內(nèi)阻和容量的變化率。表I
權(quán)利要求
1.以石墨烯結(jié)晶切片為集電體的鋰離子電池，其包括被密封在包裝膜內(nèi)的正極、負(fù)極、 隔膜和電解質(zhì)，所述的正極包括正極集電體和涂敷在集電體上的正極活性物質(zhì)，所述的負(fù)極包括負(fù)極集電體和涂敷在集電體上的負(fù)極活性物質(zhì)，其特征在于所述的正極集電體和負(fù)極集電體均為石墨烯結(jié)晶切片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以石墨烯結(jié)晶切片為集電體的鋰離子電池，其特征在于石墨烯結(jié)晶切片由石墨烯結(jié)晶為主體并摻雜有導(dǎo)電高分子材料和金屬原子以增強(qiáng)材料整體的柔韌性和導(dǎo)電性，且石墨烯的成分大于70%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以石墨烯結(jié)晶切片為集電體的鋰離子電池，其特征在于所述的正極活性物質(zhì)選自鈷酸鋰、鎳酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳酸鋰、磷酸亞鐵鋰、磷酸錳鋰、磷酸釩鋰中的一種或多種；所述的負(fù)極活性物質(zhì)選自人造石墨、天然石墨、中間相碳纖維球、中間相碳纖維、軟碳、硬碳、鈦酸鋰、硅及無定型氧化硅中的一種或多種；所述的電解質(zhì)包括鋰鹽、非水溶劑和添加劑，其中，鋰鹽選自六氟磷酸鋰、四氟硼酸鋰、雙三氟甲基磺酸亞胺基鋰、雙草酸硼酸鋰、草酸雙氟硼酸鋰、高氯酸鋰中的一種或多種；非水溶劑選自碳酸乙烯酯、 碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、丁內(nèi)酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯中的一種或多種；添加劑選自 SEI成膜添加劑、防過充添加劑、阻燃添加劑、電解質(zhì)穩(wěn)定劑、提高電導(dǎo)率添加劑、抗氧化添加劑中的一種或多種。
4.以石墨烯結(jié)晶切片為集電體的鋰離子電池的制備方法，其特征在于鋰離子電池正負(fù)極的制備方法，包含如下步驟a)將鋰離子電池正極或者負(fù)極活性材料，通過涂覆的方式轉(zhuǎn)移至石墨烯結(jié)晶切片的至少一個表面；b)將涂覆好的石墨烯結(jié)晶切片及活性材料復(fù)合體通過干燥和面壓處理，以提升活性材料與石墨烯結(jié)晶切片的結(jié)合力，并保證復(fù)合體不發(fā)生破裂；c)將b)步驟處理后的復(fù)合體切片成電池所需形狀和大小，制成電池正極或者負(fù)極使用。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的以石墨烯結(jié)晶切片為集電體的鋰離子電池的制備方法，其特征在于石墨烯結(jié)晶切片的制備方法，包含如下步驟A.合成制備結(jié)晶體在石墨烯結(jié)晶過程中摻入包括導(dǎo)電高分子材料在內(nèi)的親電子聚合物分子以增強(qiáng)結(jié)晶體的韌性；在石墨烯結(jié)晶過程中摻入包括銅原子在內(nèi)的金屬成分以維持結(jié)晶體的導(dǎo)電性能；并要求石墨烯晶體純度大于70%，以保持其良好的抗腐蝕能力，同時具備優(yōu)良的電子傳導(dǎo)能力與機(jī)械加工性能；B.將石墨烯結(jié)晶體切片根據(jù)使用要求的不同，將石墨烯結(jié)晶體切成厚度為5um-30um 的晶體片料以供備用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種以石墨烯結(jié)晶體切片為集電體的鋰離子電池及其制備方法，該鋰離子電池包括被密封在包裝膜內(nèi)的正極、負(fù)極、隔膜和電解質(zhì)，正、負(fù)極包括正、負(fù)極集電體和涂敷在集電體上的正、負(fù)極活性物質(zhì)，正極集電體和負(fù)極集電體均為石墨烯結(jié)晶切片；鋰離子電池正負(fù)極的制備方法，包含將鋰離子電池正極或者負(fù)極活性材料轉(zhuǎn)移至石墨烯結(jié)晶切片的至少一個表面；干燥和面壓處理；將復(fù)合體切片成電池所需形狀和大小。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠簡單有效地實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)使用，具備更強(qiáng)的酸或者堿耐腐蝕性。
文檔編號H01M10/0525GK103000938SQ20121053198
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月12日
發(fā)明者涂健, 胡海波, 劉凱 申請人:涂健