一种电池用的金属箔集流体

摘要

一种电池用的金属箔集流体，属于电化学技术领域。本发明的技术特点是金属箔集流体表面具有纳米碳涂覆层，该涂层含有通过高温化学气相沉积法制备的石墨烯碳纳米管杂化物。由于石墨烯碳纳米管杂化物中石墨烯和碳纳米管通过共价键形式连接，具有优异的本征导电性和机械自分散特性，避免了纳米碳结构微观聚并。在电池的组装和运行过程中，本发明中金属箔集流体表面的纳米碳涂覆层可有效提高集流体与正极活性材料颗粒直接的机械结合、导电互联、并强化电解液的浸润特性；对降低电池的阻抗特性，提升电池的大电流充放电性能及循环稳定性具有重要价值。

权利要求

1.一种电池用的金属箔集流体，其特征在于：该金属箔集流体表面具有纳米碳涂覆层，该纳米碳涂覆层含有通过高温化学气相沉积法制备的石墨烯碳纳米管杂化物，其中的石墨烯与碳纳米管通过共价键连接，其比表面积在500至2500平方米每克之间；

所述的金属箔集流体按如下方法制备：首先通过高温化学气相沉积法制备出石墨烯碳纳米管杂化物，将该杂化物在水体系中分散，并加入粘结剂共分散，形成石墨烯碳纳米管杂化物浆料；将该浆料涂覆在金属箔基材表面，形成纳米碳涂覆层，纳米碳涂覆层厚度在0.01微米至100微米之间；

所述石墨烯碳纳米管杂化物采用如下方法制备：采用氧化镁作为催化剂载体，采用硝酸铁溶液浸渍的方法负载铁催化剂，将催化剂颗粒送入流化床反应器内，在950℃反应温度下，通入甲烷、氢气和氩气的混合气体，碳原子、氢气分子、氩气分子的摩尔比为1:2:5；反应完成后通过酸洗脱去氧化镁及铁催化剂，获得纯的石墨烯碳纳米管杂化物材料。

2.按照权利要求1所述的一种电池用的金属箔集流体，其特征在于：所述金属箔集流体包括铝箔集流体和铜箔集流体。

3.按照权利要求1或2所述的一种电池用的金属箔集流体，其特征在于：所述纳米碳涂覆层中石墨烯碳纳米管杂化物的质量百分含量在10％至95％之间。

说明书

一种电池用的金属箔集流体

发明领域

[0001] 本发明涉及一种电池用集流体材料，尤其涉及一种具有的铝箔集流体，属于电化学技术领域。

背景技术

[0002] 随着社会的不断发展，对电化学储能设备的性能要求也不断提高。一方面，电池的能量密度需求不断提升，以满足长续航需求；另一方面，电池的功率性能在动力电池等场合也具有重要实用价值。在电池的组装实用化过程中，电池的集流体材料作为核心组件之一，承担着作为活性颗粒材料的力学载体、并提供电子迁移通道的作用。目前锂离子电池制备工艺中，多采用铝箔作为正极集流体、铜箔作为负极集流体，并在其表面进行电极材料的涂覆形成正负电极片用于电池的组装。目前传统的极片制备方法中，仍有存在一些技术问题。第一，刚性的活性材料颗粒与刚性的铝箔或铜箔集流体之间是点点接触，界面电阻较大，在运行过程中功率密度受限，同时电池产热大，循环寿命有限；第二，集流体箔材与活性材料颗粒之间机械接触通过点点接触实现，在循环过程中因活性材料体积形变的产生，集流体与电极材料易发生剥离，导致电极失效，严重影响电池的循环寿命和安全性能。

[0003] 基于这些考虑，在金属箔集流体表面涂覆碳层是一种有效的技术措施，主要涉及的涂覆材料包括炭黑、纳米碳纤维、碳纳米管、氧化石墨、还原氧化石墨等。基于这些材料的涂覆层部分改善以上存在技术问题，但仍难以完全实现高效集流体的制备，主要基于两点原因。首先，大量用于涂覆层的纳米材料本征导电性不足，在形成碳层后难以作为高效电子导通网络降低电池内阻，例如氧化石墨片层等；第二，以上材料不具有三维骨架结构，机械稳定性不足，例如还原氧化石墨、碳纳米管等材料易发生层叠或聚集，难以完全负载活性颗粒，保持其结构稳定性。如能改善目前集流体表面的涂覆层材料，利用具有三维结构且具有高导电性的纳米碳材料进行金属箔集流体的表面涂覆，将有助于提升电池性能。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种电池用的金属箔集流，以实现电池制备中对电极片表面导电互联、机械稳定性、浸润特性的强化。从而提高电池的循环稳定性和功率特性。

[0005] 本发明的技术方案如下：

[0006] 一种电池用的金属箔集流，其特征在于金属箔集流体表面涂覆层含有通过高温化学气相沉积法制备的石墨烯碳纳米管杂化物，其中石墨烯与碳纳米管通过共价键连接，其比表面积在500至3000平方米每克之间。

[0007] 所述金属箔集流体包括铝箔、铜箔。

[0008] 所述纳米碳涂覆层厚度在0.01微米至100微米之间。

[0009] 所述纳米碳涂覆层中石墨烯碳纳米管杂化物的含量为在10％至95％之间。

[0010] 本发明相比现有技术，具有如下优点及突出性效果：本发明利用化学气相沉积法制备的石墨烯碳纳米管杂化物作为导电及力学功能层涂覆与金属箔集流体表面。石墨烯碳纳米管杂化物中石墨烯和碳纳米管通过共价键形式连接，具有优异的本征导电性和机械自分散特性，避免纳米碳结构微观聚并。在电池的组装和运行过程中，石墨烯碳纳米管杂化物涂层的铝箔集流体可有效提高集流体与正极活性材料颗粒直接的机械结合、导电互联、并强化电解液的浸润特性。对降低电池的阻抗特性，提升电池的大电流充放电性能及循环稳定性具有重要价值。

具体实施方式

[0011] 本发明提供一种电池用的金属箔集流，含有金属箔(铝箔或铜箔)作为基材，以及纳米碳涂覆层；其中纳米碳涂覆层含有通过高温化学气相沉积法制备的石墨烯碳纳米管杂化物，其中石墨烯与碳纳米管通过共价键连接，其比表面积在500至3000平方米每克之间。纳米碳涂覆层厚度在0.01微米至100微米之间，其中石墨烯碳纳米管杂化物的含量为在
10％至95％之间。具体的，石墨烯碳纳米管杂化物通过高温化学气相沉积的方法制备获得，采用氧化镁作为催化剂载体，采用硝酸铁溶液浸渍的方法负载铁催化剂。将催化剂颗粒送入流化床反应器内，典型反应条件为：在950℃反应温度下，通入甲烷、氢气、氩气的混合气体，碳原子、氢气分子、氩气分子的摩尔比为1:2:5。反应完成后通过酸洗脱去氧化镁及铁催化剂，获得纯的石墨烯碳纳米管杂化物材料。其比表面积随反应条件不同，在500-3000平方米每克之间。将石墨烯碳纳米管杂化物与粘结剂、炭黑等其他导电剂在溶剂中混合，获得石墨烯碳纳米管杂化物浆料。利用连续化高精度涂覆机，实现石墨烯碳纳米管杂化物浆料在金属箔表面的涂覆和干燥，获得含有石墨烯碳纳米管杂化物纳米碳涂层的一种电池用的金属箔集流。

[0012] 通过以下实施例可进一步理解本发明，但本发明不仅仅局限于一下实施例。

[0013] 实施例1：通过高温化学气相沉积方法获得石墨烯碳纳米管杂化物，其中石墨烯与碳纳米管通过共价键连接，其比表面积为500m2/g。将该杂化物在水体系中分散，并加入LA132丙烯酸类粘结剂共分散，形成石墨烯碳纳米管杂化物浆料。通过在铝箔表面涂覆获得具有纳米碳涂覆层的金属箔集流体，其中石墨烯碳纳米管杂化物的含量为95％，厚度为2.0微米。在该金属箔集流体表面涂覆磷酸铁锂电极材料涂层，在组装成电池后，可显著改善电池大电流充放电性能，磷酸铁锂全电池在1C放电条件下电池容量较采用普通铝箔的电池提高3％。

[0014] 实施例2：通过高温化学气相沉积方法获得石墨烯碳纳米管杂化物，其中石墨烯与碳纳米管通过共价键连接，其比表面积为2500m2/g。将该杂化物在N-甲基吡咯烷酮有机体系中分散，并加入聚偏氟乙烯类粘结剂共分散，形成石墨烯碳纳米管杂化物浆料。通过在铝箔表面涂覆获得具有纳米碳涂覆层的金属箔集流体，其中石墨烯碳纳米管杂化物的含量为20％，厚度为20微米。在该金属箔集流体表面涂覆钴酸锂电极材料涂层，在组装成电池后，可显著改善电池大电流充放电性能，钴酸锂全电池在1C放电条件下电池容量较采用普通铝箔的电池提高2％。

[0015] 实施例3：通过高温化学气相沉积方法获得石墨烯碳纳米管杂化物，其中石墨烯与2
碳纳米管通过共价键连接，其比表面积为1000m/g。将该杂化物在水体系中分散，并加入聚四氟乙烯类粘结剂共分散，形成石墨烯碳纳米管杂化物浆料。通过在铝箔表面涂覆获得具有纳米碳涂覆层的金属箔集流体，其中石墨烯碳纳米管杂化物的含量为75％，厚度为100微米。在该金属箔集流体表面涂覆钴酸锂电极材料涂层，在组装成电池后，可显著改善电池大电流充放电性能，钴酸锂全电池在1C放电条件下电池容量较采用普通铝箔的电池提高8％。

[0016] 实施例4：通过高温化学气相沉积方法获得石墨烯碳纳米管杂化物，其中石墨烯与碳纳米管通过共价键连接，其比表面积为600m2/g。将该杂化物在N-甲基吡咯烷酮有机体系中分散，并加入聚偏氟乙烯类粘结剂共分散，形成石墨烯碳纳米管杂化物浆料。通过在铝箔表面涂覆获得具有纳米碳涂覆层的金属箔集流体，其中石墨烯碳纳米管杂化物的含量为10％，厚度为40微米。在该金属箔集流体表面涂覆磷酸铁锂电极材料涂层，在组装成电池后，可显著改善电池大电流充放电性能，磷酸铁锂全电池在1C放电条件下电池容量较采用普通铝箔的电池提高7％。

[0017] 实施例5：通过高温化学气相沉积方法获得石墨烯碳纳米管杂化物，其中石墨烯与碳纳米管通过共价键连接，其比表面积为1000m2/g。将该杂化物在水体系中分散，并加入海藻酸钠类粘结剂共分散，形成石墨烯碳纳米管杂化物浆料。通过在铜箔表面涂覆获得具有纳米碳涂覆层的金属箔集流体，其中石墨烯碳纳米管杂化物的含量为60％，厚度为50微米。在该金属箔集流体表面涂覆硅负极材料涂层，在组装成电池后，可显著改善电池大电流充放电性能，硅负极全电池在1C放电条件下电池容量较采用普通铜箔的电池提高6％。

[0018] 实施例6：通过高温化学气相沉积方法获得石墨烯碳纳米管杂化物，其中石墨烯与碳纳米管通过共价键连接，其比表面积为2000m2/g。将该杂化物在N-甲基吡咯烷酮有机体系中分散，并加入聚偏氟乙烯类粘结剂共分散，形成石墨烯碳纳米管杂化物浆料。通过在铝箔表面涂覆获得具有纳米碳涂覆层的金属箔集流体，其中石墨烯碳纳米管杂化物的含量为35％，厚度为10.0微米。在该金属箔集流体表面涂覆磷酸铁锂电极材料涂层，在组装成电池后，可显著改善电池大电流充放电性能，磷酸铁锂全电池在1C放电条件下电池容量较采用普通铝箔的电池提高3％。

[0019] 实施例7：通过高温化学气相沉积方法获得石墨烯碳纳米管杂化物，其中石墨烯与碳纳米管通过共价键连接，其比表面积为500m2/g。将该杂化物在N-甲基吡咯烷酮有机体系中分散，并加入聚偏氟乙烯类粘结剂共分散，形成石墨烯碳纳米管杂化物浆料。通过在铝箔表面涂覆获得具有纳米碳涂覆层的金属箔集流体，其中石墨烯碳纳米管杂化物的含量为70％，厚度为3.0微米。在该金属箔集流体表面涂覆磷酸铁锂电极材料涂层，在组装成电池后，可显著改善电池大电流充放电性能，磷酸铁锂全电池在1C放电条件下电池容量较采用普通铝箔的电池提高8％。

[0020] 实施例8：通过高温化学气相沉积方法获得石墨烯碳纳米管杂化物，其中石墨烯与碳纳米管通过共价键连接，其比表面积为900m2/g。将该杂化物在水体系中分散，并加入丁苯橡胶、甲基纤维素钠类粘结剂共分散，形成石墨烯碳纳米管杂化物浆料。通过在铜箔表面涂覆获得具有纳米碳涂覆层的金属箔集流体，其中石墨烯碳纳米管杂化物的含量为85％，厚度为0.1微米。在该金属箔集流体表面涂覆含10％硅材料的石墨负极材料涂层，在组装成电池后，可显著改善电池大电流充放电性能，含10％硅材料的石墨负极材料全电池在1C放电条件下电池容量较采用普通铜箔的电池提高4％。

[0021] 实施例9：通过高温化学气相沉积方法获得石墨烯碳纳米管杂化物，其中石墨烯与碳纳米管通过共价键连接，其比表面积为1800m2/g。将该杂化物在N-甲基吡咯烷酮有机体系中分散，并加入聚偏氟乙烯类粘结剂共分散，形成石墨烯碳纳米管杂化物浆料。通过在铝箔表面涂覆获得具有纳米碳涂覆层的金属箔集流体，其中石墨烯碳纳米管杂化物的含量为40％，厚度为5.0微米。在该金属箔集流体表面涂覆锰酸锂电极材料涂层，在组装成电池后，可显著改善电池大电流充放电性能，锰酸锂全电池在1C放电条件下电池容量较采用普通铝箔的电池提高4％。

[0022] 实施例10：通过高温化学气相沉积方法获得石墨烯碳纳米管杂化物，其中石墨烯与碳纳米管通过共价键连接，其比表面积为1200m2/g。将该杂化物在水体系中分散，并加入聚乙烯醇类粘结剂共分散，形成石墨烯碳纳米管杂化物浆料。通过在铝箔表面涂覆获得具有纳米碳涂覆层的金属箔集流体，其中石墨烯碳纳米管杂化物的含量为55％，厚度为1.0微米。在该金属箔集流体表面涂覆三元正极材料涂层，在组装成电池后，可显著改善电池大电流充放电性能，三元正极材料全电池在1C放电条件下电池容量较采用普通铝箔的电池提高5％。