一種碳-陶瓷涂覆鋁箔集流體及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種碳?陶瓷涂覆鋁箔集流體及制備方法，所述集流體鋁箔至少一面上涂覆含有陶瓷和碳材料的漿料涂層，所述漿料由以下重量百分比的組分組成：成膜劑1?20%、陶瓷顆粒1?5%、碳材料1?20%、分散劑0.5?20%、偶聯(lián)劑0.5?4%、溶劑40?95%、消泡劑0?0.3%、基材潤(rùn)濕劑0?0.5%。本發(fā)明碳?陶瓷涂覆鋁箔集流體具有較好的耐溶劑性和低電阻性，且與N?甲基吡咯烷酮為溶劑的正極漿料兼容性好，粘接致密，作為集流體使用時(shí)具有穩(wěn)定性優(yōu)異、粘附力強(qiáng)、內(nèi)阻低、比容量高和倍率性能好等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】
一種碳-陶瓷涂覆鋁箔集流體及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于鋰離子電池材料領(lǐng)域，具體是一種碳-陶瓷涂覆鋁箱集流體及制備方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著新能源汽車的推廣，鋰離子電池具有高比容量、較好的電壓穩(wěn)定性和無(wú)記憶 性等優(yōu)點(diǎn)，成為了動(dòng)力電池的首選。動(dòng)力電池的特殊性對(duì)電池的比容量、一致性和高倍率性 能提出了更高的要求。目前市場(chǎng)上鋁箱作為主要的正極集流體，正極材料粘附在平滑的鋁 箱上。兩者通過(guò)點(diǎn)接觸，接觸面積小，極化電阻高，尤其是高倍率充放電時(shí)，極化增大，溫度 升高，原料容易脫落，影響了電池的穩(wěn)定性能。在鋁箱表面增加一層碳過(guò)渡層后，可降低電 池內(nèi)阻。正極材料與碳涂覆鋁箱集流體表面的接觸面積較大，提高了粘附力和導(dǎo)電性。碳涂 覆層的使用還降低了電池制作中的工藝誤差，提高了電池一致性。
[0003] 目前碳涂覆鋁箱集流體的涂層中主要采用成膜劑(如聚氨酯、丙烯酸樹(shù)脂、醇酸樹(shù) 月旨、環(huán)氧樹(shù)脂等）、碳材料(炭黑、石墨、石墨烯等)復(fù)合而成。碳材料具有較強(qiáng)的疏水性，需要 加入大量的成膜劑才能保證對(duì)鋁箱基底的粘附性。一般成膜樹(shù)脂也具有疏水性，涂層潤(rùn)濕 性不好。涂層在動(dòng)力電池的使用中，導(dǎo)熱性差，導(dǎo)電性不足，耐腐蝕性能不理想。隨著電池使 用時(shí)間增加，涂層穩(wěn)定性降低。這些問(wèn)題使電池性能受到了較大的影響。
[0004] 以成膜劑、碳材料為主的導(dǎo)電涂層中，成膜劑對(duì)碳表面的結(jié)合力也不好。為保證粘 附力，成膜劑添加量占導(dǎo)電材料的35%以上才具有較好的成膜性能，而且機(jī)械強(qiáng)度不足，循 環(huán)過(guò)程容易掉粉，影響電池壽命。
[0005] 陶瓷顆粒剛性大，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，潤(rùn)濕性好，導(dǎo)熱系數(shù)高。少量陶瓷顆粒添加到導(dǎo) 電漿料中時(shí)，對(duì)導(dǎo)電性不會(huì)產(chǎn)生顯著影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種機(jī)械強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好的碳-陶瓷涂覆鋁箱 集流體，該集流體可用于以鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等為正極材料的鋰離子電 池中，改善碳涂覆層鋁箱集流體的導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性、機(jī)械性能和潤(rùn)濕性能。
[0007] 本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0008] -種碳-陶瓷涂覆鋁箱集流體，其特征在于，所述集流體鋁箱至少一面上涂覆含有 陶瓷和碳材料的漿料涂層，所述漿料由以下重量百分比的組分組成： 成膜劑 1-20% 陶瓷顆粒 1 - 5% 碳材料 1-20% 分散劑 （),5-20%
[0009] 偶聯(lián)劑 0.5-4% 溶劑 40-95% 消泡劑 0-0. 3% 基材潤(rùn)濕劑 0-5%。
[0010] 所述成膜劑為聚氨酯、丙烯酸樹(shù)脂、聚酯樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、醇酸樹(shù)脂、丙 烯腈多元共聚物中的一種或多種。
[0011] 所述碳材料為炭黑、SP、乙炔黑、石墨烯、石墨、碳納米管中的一種或多種。
[0012] 所述陶瓷顆粒為△12〇3,81厶肌3102,51必4,211〇以3〇4,31(：、2抑中的一種或多種。
[0013] 所述偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑、鉻絡(luò)合物偶聯(lián)劑、鋁酸化合物偶聯(lián)劑中 的一種或多種。
[0014] 所述分散劑為超分子分散劑、烷基酚聚乙烯醚、烷基聚氧乙烯醚、金屬磷酸鹽類、 聚硅氧烷類分散劑中的一種或多種。
[0015] 所述溶劑為去離子水、苯、二甲苯、多元烷烴或者沸點(diǎn)在200°C以下的醇、醚、酯中 的一種或多種。
[0016] 所述碳材料和陶瓷顆粒的粒徑為2μπι以下。
[0017] -種碳-陶瓷涂覆鋁箱集流體的制備方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：
[0018] (1)將分散劑溶解于溶劑中，加入消泡劑，攪拌混合均勻，加入碳材料和陶瓷顆粒， 冷卻條件下預(yù)分散〇 . 5_2h，研磨3-10h，再加入偶聯(lián)劑、成膜劑和基材潤(rùn)濕劑，充分?jǐn)嚢?，?成漿料；
[0019] (2)將步驟（1)漿料涂覆在鋁箱至少一個(gè)表面上，在90-180°C條件下干燥3-300s， 即得碳-陶瓷涂覆鋁箱集流體。
[0020] 所述漿料的粘度為20-2000mPa · S，漿料的固含量為3-60%。
[0021] 本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明陶瓷顆粒均勻分散在碳材料間隙中，與偶聯(lián)劑的硅氧 基作用力強(qiáng)，偶聯(lián)劑的有機(jī)端與成膜劑交聯(lián)，形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)支撐體，克服了樹(shù)脂與碳 材料結(jié)合力不足的缺點(diǎn)，顯著地改善了碳-陶瓷涂覆層鋁箱集流體的機(jī)械性能和穩(wěn)定性能， 陶瓷顆粒的添加還增加了涂層的導(dǎo)熱性，陶瓷顆粒表面張力小，對(duì)溶劑的潤(rùn)濕性好，與正極 涂層間具有更好的粘附力；
[0022] 本發(fā)明碳-陶瓷涂覆鋁箱集流體具有較好的耐溶劑性和低電阻性，且與N-甲基吡 咯烷酮為溶劑的正極漿料兼容性好，粘接致密，作為集流體使用時(shí)具有穩(wěn)定性優(yōu)異、粘附力 強(qiáng)、內(nèi)阻低、比容量高和倍率性能好等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例1漿料粒徑分布圖。
[0024] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1碳-陶瓷涂覆鋁箱集流體與鋁光箱電池用于13Ah磷酸鐵鋰電 池中不同倍率的容量對(duì)比圖。
[0025] 圖3為本發(fā)明陶瓷顆粒填充在涂層中與成膜劑、偶聯(lián)劑形成交聯(lián)的網(wǎng)狀支撐體的 示意圖。
[0026] 圖中：1_陶瓷顆粒，2-碳材料，3-陶瓷、成膜劑、偶聯(lián)劑交聯(lián)點(diǎn)，4-樹(shù)脂，5-鋁箱基 底。
【具體實(shí)施方式】 [0027] 實(shí)施例1
[0028] -種碳-陶瓷涂覆鋁箱集流體，集流體鋁箱至少一面上涂覆含有陶瓷和碳材料的 漿料涂層，漿料由以下重量百分比的組分組成： 丙烯酸樹(shù)脂乳液 3% Λ1203 1%
[0029] 炭黑 6% 石墨片 1% 聚乙烯吡咯烷酮分散劑 2% 偶聯(lián)劑ΚΗ-550 1%
[0030] 去離子水 85. 5% 消泡劑 0. 1%： 基材潤(rùn)濕劑 0. 4%。
[0031 ]碳-陶瓷涂覆鋁箱集流體的制備方法：
[0032] 將聚乙烯吡咯烷酮分散劑溶解在去離子水中，加入消泡劑，攪拌混合均勻，加入 AI2O3顆粒，再分三次加入炭黑、石墨片，4°C循環(huán)水冷卻條件下，1000r/min轉(zhuǎn)速預(yù)分散lh;轉(zhuǎn) 移至砂磨機(jī)中，4°C循環(huán)水冷卻條件下砂磨10h，加入偶聯(lián)劑KH-550、丙烯酸樹(shù)脂乳液、基材 潤(rùn)濕劑，充分?jǐn)嚢瑁纬蓾{料;經(jīng)測(cè)試，該漿料的固含量為14.5%，在10/S剪切速率下的粘度 為26mPa · S〇
[0033] 使用凹版印刷涂布機(jī)將上述漿料涂布在鋁箱上，135°C條件下干燥10s，得碳-陶瓷 涂覆鋁箱集流體。
[0034] 實(shí)施例2
[0035] -種碳-陶瓷涂覆鋁箱集流體，集流體鋁箱至少一面上涂覆含有陶瓷和碳材料的 漿料涂層，漿料由以下重量百分比的組分組成： 水性聚氨酯乳液 3% BN 2% 炭黑 6%
[0036] 石墨烯 2% 聚乙烯吡咯烷酮分散劑 2% 偶聯(lián)劑KH-%0 1% 去離子水 83,. 5_%
[0037] 消泡劑 0. 1% 基材潤(rùn)濕劑 0. 4%。
[0038] 碳-陶瓷涂覆鋁箱集流體的制備方法：
[0039] 將聚乙烯吡咯烷酮分散劑溶解在去離子水中，加入消泡劑，攪拌混合均勻，加入BN 顆粒，再分三次加入炭黑、石墨烯，4°C循環(huán)水冷卻條件下，lOOOr/min轉(zhuǎn)速預(yù)分散2h;轉(zhuǎn)移至 砂磨機(jī)中，4°C循環(huán)水冷卻條件下砂磨8h，加入偶聯(lián)劑KH-560、水性聚氨酯乳液、基材潤(rùn)濕 劑，充分?jǐn)嚢?，形成漿料；經(jīng)測(cè)試，該漿料的固含量為22 %，在10/S剪切速率下的粘度為 40mPa · S〇
[0040] 使用凹版印刷涂布機(jī)將上述漿料涂布在鋁箱上，150°C條件下干燥20s，得碳-陶瓷 涂覆鋁箱集流體。
[0041 ] 實(shí)施例3
[0042] -種碳-陶瓷涂覆鋁箱集流體，集流體鋁箱至少一面上涂覆含有陶瓷和碳材料的 漿料涂層，漿料由以下重量百分比的組分組成： 酚醛樹(shù)脂 3% Si3N4 2% 炭黑 6%
[0043] 碳納米管 3% 炭黑分散劑 1% 鈦酸酯偶聯(lián)劑 1% 二甲苯 84%。
[0044]碳-陶瓷涂覆鋁箱集流體的制備方法：
[0045]將炭黑分散劑溶解在二甲苯中，攪拌混合均勻，加入Si3N4顆粒，再分三次加入炭 黑、碳納米管，4°C循環(huán)水冷卻條件下，lOOOr/min轉(zhuǎn)速預(yù)分散1.5h;轉(zhuǎn)移至砂磨機(jī)中，4°C循 環(huán)水冷卻條件下砂磨8h，加入鈦酸酯偶聯(lián)劑、酚醛樹(shù)脂，充分?jǐn)嚢?，形成漿料;經(jīng)測(cè)試，該漿 料的固含量為17%，在10/S剪切速率下的粘度為200mPa · S。
[0046] 使用微凹版印刷涂布機(jī)將上述漿料涂布在鋁箱上，100°C條件下干燥100s，得碳-陶瓷涂覆鋁箱集流體。
[0047] 實(shí)施例4
[0048] -種碳-陶瓷涂覆鋁箱集流體，集流體鋁箱至少一面上涂覆含有陶瓷和碳材料的 漿料涂層，漿料由以下重量百分比的組分組成： 丙烯腈多元共聚物水性乳液 4% SiC 2% 炭黑 6% 石墨烯 1% 炭黑分散劑 1%
[0049] 聚乙烯吡咯烷酮分散劑 1% 偶聯(lián)劑KH-550 1% 苯 83.51 消泡劑 0,2% 基材潤(rùn)濕劑 〇. 3%〇
[0050] 碳-陶瓷涂覆鋁箱集流體的制備方法：
[0051] 將炭黑分散劑、聚乙烯吡咯烷酮分散劑溶解在苯中，加入消泡劑，攪拌混合均勻， 加入SiC顆粒，再分三次加入炭黑、石墨稀，4°C循環(huán)水冷卻條件下，1000r/min轉(zhuǎn)速預(yù)分散 lh;轉(zhuǎn)移至砂磨機(jī)中，4°C循環(huán)水冷卻條件下砂磨10h，加入偶聯(lián)劑KH-550、丙烯腈多元共聚 物水性乳液、基材潤(rùn)濕劑，充分?jǐn)嚢瑁纬蓾{料;經(jīng)測(cè)試，該漿料的固含量為16.5%，在10/S 剪切速率下的粘度為600mPa · S。
[0052] 使用微凹版印刷涂布機(jī)將上述漿料涂布在鋁箱上，120 °C條件下干燥60s，得碳-陶 瓷涂覆鋁箱集流體。
[0053]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1漿料粒徑分布圖，漿料粒徑小，分布集中，主要在0.3-0.7μπι 之間。
[0054] 表1.無(wú)塵布浸潤(rùn)水、ΝΜΡ和電解液在涂層表面用10Ν的力擦拭100次
[0056]本發(fā)明實(shí)施例1制備的碳-陶瓷涂覆鋁箱涂層的耐溶劑和機(jī)械性能如表1所示。看 出該方法制備的涂層在一定作用力的浸潤(rùn)溶劑的無(wú)塵布的擦拭下，保持優(yōu)異的粘附性和完 整性，保證了加工和使用過(guò)程中的機(jī)械性能和穩(wěn)定性能。
[0057] 表2.13Ah磷酸鐵鋰電池內(nèi)阻
[0059] 表3.13Ah磷酸鐵鋰電池1C循環(huán)100圈后容量保持率
[0061] 表2說(shuō)明了本發(fā)明實(shí)施例1的碳-陶瓷涂覆鋁箱用于磷酸鐵鋰電池對(duì)內(nèi)阻的改善作 用。相對(duì)于普通鋁光箱正極集流體，該碳涂覆鋁箱集流體顯著降低了電池內(nèi)阻。表3表明了 該碳-陶瓷涂覆鋁箱集流體對(duì)容量保持率具有較好的效果。
[0062] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例1碳-陶瓷涂覆鋁箱集流體和鋁光箱集流體在不同倍率下的容 量發(fā)揮情況。從中看出，本發(fā)明的碳-陶瓷涂覆鋁箱集流體具有較好的倍率性能，相對(duì)于普 通鋁光箱集流體，高倍率性能改善明顯。
[0063] 圖3是陶瓷顆粒填充在涂層中與成膜劑、偶聯(lián)劑形成交聯(lián)的網(wǎng)狀支撐體的示意圖。 偶聯(lián)劑與陶瓷和樹(shù)脂間通過(guò)化學(xué)鍵的強(qiáng)作用力交聯(lián)在一起，在涂層中作為網(wǎng)狀支撐體，增 強(qiáng)了導(dǎo)電涂層的機(jī)械性能。
[0064] 以上內(nèi)容僅僅是對(duì)本發(fā)明結(jié)構(gòu)所作的舉例和說(shuō)明，所屬本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員對(duì) 所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，只要不偏離發(fā)明的 結(jié)構(gòu)或者超越本權(quán)利要求書所定義的范圍，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種碳-陶瓷涂覆鋁箱集流體，其特征在于，所述集流體鋁箱至少一面上涂覆含有陶 瓷和碳材料的漿料涂層，所述漿料由以下重量百分比的組分組成： 成膜劑 1-20% 陶瓷顆粒 1-5% 碳材料 1-20% 分散劑 0.5-20% 偶聯(lián)劑 0.5-4% 溶劑 40-95% 消泡劑 0-0.3% 基材潤(rùn)濕劑 0-0.5%。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳-陶瓷涂覆鋁箱集流體，其特征在于，所述成膜劑為聚氨酯、 丙烯酸樹(shù)脂、聚酯樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、醇酸樹(shù)脂、丙烯腈多元共聚物中的一種或多 種。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳-陶瓷涂覆鋁箱集流體，其特征在于，所述碳材料為炭黑、 SP、乙炔黑、石墨烯、石墨、碳納米管中的一種或多種。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳-陶瓷涂覆鋁箱集流體，其特征在于，所述陶瓷顆粒為Al2〇3， 81厶1151〇2^3他，211〇,513〇4,3扣、2抑中的一種或多種。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳-陶瓷涂覆鋁箱集流體，其特征在于，所述偶聯(lián)劑為硅烷偶 聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑、鉻絡(luò)合物偶聯(lián)劑、鋁酸化合物偶聯(lián)劑中的一種或多種。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳-陶瓷涂覆鋁箱集流體，其特征在于，所述分散劑為超分子 分散劑、烷基酚聚乙烯醚、烷基聚氧乙烯醚、金屬磷酸鹽類、聚硅氧烷類分散劑中的一種或 多種。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳-陶瓷涂覆鋁箱集流體，其特征在于，所述溶劑為去離子水、 苯、二甲苯、多元烷烴或者沸點(diǎn)在200°C以下的醇、醚、酯中的一種或多種。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳-陶瓷涂覆鋁箱集流體，其特征在于，所述碳材料和陶瓷顆 粒的粒徑為2μπι以下。9. 一種制備如權(quán)利要求1所述碳-陶瓷涂覆鋁箱集流體的方法，其特征在于，所述方法 包括以下步驟： (1) 將分散劑溶解于溶劑中，加入消泡劑，攪拌混合均勻，加入碳材料和陶瓷顆粒，冷卻 條件下預(yù)分散〇. 5-2h，研磨3-10h，再加入偶聯(lián)劑、成膜劑和基材潤(rùn)濕劑，充分?jǐn)嚢?，形成漿 料； (2) 將步驟（1)漿料涂覆在鋁箱至少一個(gè)表面上，在90-180°C條件下干燥3-300s，即得 碳-陶瓷涂覆鋁箱集流體。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述漿料的粘度為20-2000mPai，漿料的 固含量為3-60%。
【文檔編號(hào)】H01M4/66GK106025290SQ201610384366
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月29日
【發(fā)明人】陳政倫, 陳成, 張江偉
【申請(qǐng)人】合肥國(guó)軒高科動(dòng)力能源有限公司