一种性能优越的石墨烯动力电池及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种性能优越的石墨烯动力电池及其制备方法，由正极片、负极片、隔膜、电解液及壳体组成，负极活性材料为尖晶石钛酸锂、纳米硅、石墨烯粉体；正极活性材料为磷酸铁锂、多孔石墨烯粉体、纳米氮化硼；正极导电剂和负极导电剂含有石墨烯粉体、聚苯胺、SP、KS‑6、碳纤维、碳纳米管、超导炭黑、鳞片石墨中的至少一种，其中正极导电剂中含有石墨烯粉体；正极粘结剂和负极粘结剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、丁苯橡胶、CMC中的至少一种。以较低的成本解决磷酸铁锂体动力电池低温条件下磷酸铁锂导电性差、正极/负极导电能力大幅下降、电解液渗透性变差等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种性能优越的石墨烯动力电池及其制备方法
本专利技术属于磷酸铁锂动力电池，具体涉及一种性能优越的石墨烯动力电池及其制备方法。
技术介绍
石墨烯是一种平面单层紧密打包成一个二维蜂窝晶格的碳原子，并且是所有其他维度的石墨材料的基本构建模块，其具有最薄、最大比表面积、最硬、最抗拉等诸多史上最强性质和高性能传感器功能、类似催化剂功能等独特性质。目前主要有4种制备石墨烯的方法：微机械剥离法、气相沉积法、外延生长法、氧化石墨还原法。石墨烯的出现，有望在构造材料、电子器件功能性材料等诸多领域引发材料革命。由于其具有许多特殊性质，有日本的研究人员惊呼石墨烯是“神仙创造”的材料。许多学者称石墨烯为“改变21世纪的材料”，并预测“21世纪将是碳（C）的时代”。相比于现有材料，石墨烯拥有众多“史上最强”性能。最薄的材料：单层石墨烯只有一个碳原子的厚度，厚度大约为0.335nm，相当于一个头发的20万分之一，1毫米厚的石墨中有将近150万层左右的石墨烯。最硬的材料：石墨是矿物质中最软的材料，其莫氏硬度只有1-2级。但是，如果石墨被分离成一个碳原子厚度的石墨烯时，其性能则发生突变，硬度将比莫氏硬度10级的金刚石还高。超大比表面积：理想的单层石墨烯的比表面积能够达到2630m2/g，普通的活性炭的比表面积仅为1500m2/g。超大的比表面积使得石墨烯成为潜力巨大的储能材料。强导电性：石墨烯中的电子没有质量，电子的运动速度超过了在其他金属单体或是半导体中的运动速度，能够达到光速的1/300，所以石墨烯拥有超强导电性。由于其独特的物理化学性质，石墨烯能在锂电池带来革命性进步，磷酸铁锂电池，是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。磷酸铁锂为橄榄石结构，具有优良的耐过充过放性能，被广泛应用于动力电池领域，磷酸铁锂以其高安全性、长循环寿命、价廉和环保等优点被认为是目前最有发展前景的锂离子动力电池用正极活性材料。然而低温性能一直是磷酸铁锂动力电池的瓶颈，与其它正极活性材料相比，磷酸铁锂材料固有的导电能力差的缺陷，极大的限制了其在低温下的动力学特性。磷酸铁锂电池在温度较低的情况下，不但其磷酸铁锂材料本身导电性能急剧下降，而且其电解液的粘度大幅度增大，电池工作时电解液的渗透性变差、离子的传质速度变慢，故其放电效率大幅度降低。围绕磷酸铁锂的研究主要集中于提高其离子扩散速率和电子导电性两个方面，通过提高磷酸铁锂的比表面积、对磷酸铁锂进行包覆或参杂显著提高了其离子和电子导电性，能使其在室温条件下的动力学特性有了显著提高，达到了实用化要求。传统解决低温问题方法主要集中于正负极材料的纳米化、功能低温电解液优化等方面，使用环境很难突破-20℃，放电倍率在0.5c左右。当前解决磷酸铁锂电池低温性能的主要方法有：采用低熔点溶剂电解液法和正负极材料纳米化法，现有的技术方法从材料优化方面入手，在一定程度上改善了磷酸铁锂电池的低温性能，但其使用温度仍很难突破-20℃，大大限制了动力电池在中国北方以西欧等地方的推广和使用。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服以上现有技术的不足，提供一种石墨烯超低温快充动力锂电池，以改善磷酸铁锂动力电池的低温放电性能，以较低的成本解决磷酸铁锂体动力电池低温条件下磷酸铁锂导电性差、正极/负极导电能力大幅下降、电解液渗透性变差等问题。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案是：一种石墨烯超低温快充动力锂电池，由正极片、负极片、隔膜、电解液及壳体组成，所述正极片、负极片分别由正、负极材料涂在正、负集流体上组成的，正、负极集流体均为铝箔。正极材料包括正极活性材料、正极导电剂、正极粘结剂；负极包括负极活性材料、负极导电剂、负极粘结剂，所述负极活性材料为尖晶石钛酸锂、纳米硅、石墨烯粉体；所述正极活性材料为磷酸铁锂、多孔石墨烯粉体、纳米氮化硼；所述正极导电剂和负极导电剂含有石墨烯、聚苯胺、SP、KS-6、碳纤维、碳纳米管、超导炭黑、鳞片石墨中的至少一种，其中正极导电剂中含有石墨烯；所述正极粘结剂和负极粘结剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、丁苯橡胶、CMC中的至少一种。其中，上述除了磷酸铁锂以外的其他正极活性材料（多孔石墨烯粉体、纳米氮化硼）具有高克容量、高压实性，可以大大提高能量密度，弥补了磷酸铁锂材料克容量低和电子导电率低的缺点。其中，石墨烯的克容量是石墨的两倍，磷酸铁锂的四倍，负极添加导电性更好的石墨烯，一方面提高负极活性物质的容量，解决了其他导电剂导电性不足的缺点，并减少其他导电剂的用量，提高活性材料的比例，提高能量密度，另一方面解决钛酸锂导电性不良的缺点，从而得到高能量密度、高功率密度的负极。优选地，在正极活性材料中，多孔石墨烯粉体和纳米氮化硼占总的正极活性材料的重量比例20％～80％。优选地，多孔石墨烯粉体和纳米氮化硼占总的正极活性材料的重量比例为30％～50％，含量太低，性能改变不明显；太高，体现不了原有正极活性材料（磷酸铁锂）的性能并增加了成本。其中，所述正极材料各组分的重量百分比为：正极活性材料80～98％，正极导电剂1～10％，正极粘结剂1～10％。其中，所述负极材料各组分的重量百分比为：负极活性材料为80～98％，负极导电剂1～10％，负极粘结剂1～10％。正极材料和负极材料中各组分重量百分比的分配是基于所述的导电剂和粘结剂的比例既能保障导电性，又能保障粘结性。其中，在正极导电剂和负极导电剂中，石墨烯占总的导电剂的重量百分比为1％～50％。优选地，在正极导电剂和负极导电剂中，石墨烯占总的导电剂的重量比为2％～15％。一方面石墨烯本身导电性很好，所以添加量很少；另一方面降低导电剂的添加量可以提高活性材料的量，从而提高电池的容量及能量密度。优选地，所述正极粘结剂和负极粘结剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯中的至少一种。该电池的制备方法包括以下步骤：1)正极极片的制作：按照配比将磷酸铁锂、多孔石墨烯粉体、纳米氮化硼、添加石墨烯的正极导电剂、正极粘结剂分散在有机溶剂中，混合均匀后得到正极浆料，涂覆于正极集流体上在90～150℃下烘烤再经辊压得到正极极片；2)负极极片的制作：按照配比将钛酸锂、纳米硅、石墨烯粉体、负极导电剂、负极粘结剂分散到有机溶剂中，混合均匀后得到负极浆料，涂在负极集流体上，在90～150℃下烘烤再经辊压得到负极极片；3)极片烘烤：将上述正负极片放入真空烘箱中，110～150℃干燥8～24小时，持续抽真空，干燥完毕后，烘箱充入氮气；4)制作半成品：将正负极片、隔膜一起卷绕或者经叠片制成电芯，放入电池壳中；5)将半成品电池在100～170℃下真空干燥12～36小时，注液、化成、老化、分容，得到一种石墨烯超低温快充动力锂电池。本专利技术具有的优点和积极效果是：1）多孔石墨烯粉体在电极中易形成良好的导电网络，减轻电极的极化，同时多孔石墨烯粉体中由于孔的存在，有利于电子的流动，提高了电子导电性。低温条件下，磷酸铁锂活性材料体积收缩，由于普通导电剂的长径比较小，容易陷于由活性材料形成的空隙中，不能形成连续的导电通道；而纳米氮化硼具有管状结构，具有较大的长径比，再结合多孔石墨烯粉体形成的良好的导电网络，有效减缓甚至避免了导电剂陷于活性材料的空隙中而造成的导电剂与活性物质接触不充分问题，使磷酸铁锂动力电池的低温放电性能得到很大程度的改善。2）首次本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种性能优越的石墨烯动力电池，由正极片、负极片、隔膜、电解液及壳体组成，其特征在于，所述正极片、负极片分别由正、负极材料涂在正、负极集流体上组成的，正、负极集流体均为铝箔；正极材料包括正极活性材料、正极导电剂、正极粘结剂；负极材料包括负极活性材料、负极导电剂、负极粘结剂；所述负极活性材料为尖晶石钛酸锂、纳米硅、石墨烯粉体；所述正极活性材料为磷酸铁锂、多孔石墨烯粉体、纳米氮化硼；所述正极导电剂和负极导电剂含有石墨烯粉体、聚苯胺、SP、KS‑6、碳纤维、碳纳米管、超导炭黑、鳞片石墨中的至少一种，其中正极导电剂中含有石墨烯粉体；所述正极粘结剂和负极粘结剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、丁苯橡胶、CMC中的至少一种。

【技术特征摘要】
1.一种性能优越的石墨烯动力电池，由正极片、负极片、隔膜、电解液及壳体组成，其特征在于，所述正极片、负极片分别由正、负极材料涂在正、负极集流体上组成的，正、负极集流体均为铝箔；正极材料包括正极活性材料、正极导电剂、正极粘结剂；负极材料包括负极活性材料、负极导电剂、负极粘结剂；所述负极活性材料为尖晶石钛酸锂、纳米硅、石墨烯粉体；所述正极活性材料为磷酸铁锂、多孔石墨烯粉体、纳米氮化硼；所述正极导电剂和负极导电剂含有石墨烯粉体、聚苯胺、SP、KS-6、碳纤维、碳纳米管、超导炭黑、鳞片石墨中的至少一种，其中正极导电剂中含有石墨烯粉体；所述正极粘结剂和负极粘结剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、丁苯橡胶、CMC中的至少一种。2.根据权利要求1所述的性能优越的石墨烯动力电池，其特征在于，所述正极材料各组分的重量百分比为：正极活性材料80～98％，正极导电剂1～10％，正极粘结剂1～10％。3.根据权利要求1所述的性能优越的石墨烯动力电池，其特征在于，所述负极材料各组分的重量百分比为：负极活性材料为80～98％，负极导电剂1～10％，负极粘结剂1～10％。4.根据权利要求1或2所述的性能优越的石墨烯动力电池，其特征在于，在正极活性材料中，多孔石墨烯粉体和纳米氮化硼占总的正极活性材料的重量比例20％～80％。5.根据权利要求4所述的性能优越的石墨烯动力电池，其特征在于，在正极活性材料中，多孔石墨烯粉体和纳米氮化硼占总的正极活性材料的重量比...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢智全，陈敏，
申请(专利权)人：中昕福建石墨烯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：福建,35