一种电化学阴极电极、包含该阴极电极的储能器件及其制备方法技术

本发明专利技术属于储能技术领域，特别涉及一种电化学储能器件阴极：该阴极极片包括阴极涂层和基材，所述阴极涂层包括阴极活性物质、粘接剂和导电剂，所述阴极活性物质的直径为a，所述导电剂至少含有石墨烯；所述石墨烯为多孔石墨烯，孔间距为b，且b≤10a。这种结构的电化学储能器件阴极，由于使用了多孔石墨烯作为导电剂，在垂直于石墨烯平面方向对离子的扩散阻力较小，因此具有更加优异的电化学性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于储能
，特别涉及一种电化学阴极电极、包含该阴极电极的储 能器件及其制备方法。
技术介绍
自从1991年，碳材料创造性的运用于锂离子电池领域，并带来该领域革命性的变 化一一高效而安全的进行多次充放电后，其便被广泛的运用于移动电话、摄像机、笔记本电 脑以及其他便携式电器上。与传统的铅酸、Ni-CcUMH-Ni电池相比，锂离子电池具有更高的 比体积能量密度、比重量能量密度、更好的环境友好性、更小的自放电以及更长的循环寿命 等，是二十一世纪理想的移动电器电源、电动汽车电源以及储电站用储电器。 然而随着生活品味的提高，人们对移动用电器提出了更高的体验需求：更轻、更 薄、更小、更持久、更安全便是这些体验具有代表性的几个方面，而更持久又是其中最重要 的体验之一。这就对储电器（电池）提出了更高的能量密度需求，而选择性能更加优良的 导电剂制备电池，能够显著的提高电池的性能。 2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈· K ·海姆（Andre K. Geim)等采用机械剥离 法首次制备得到石墨烯（Graphene)，由此拉开了该材料制备、运用研宄的序幕。所谓石墨 烯，是指碳原子之间呈六角环形排列的一种片状体，通常由单层或多层石墨片层构成，可在 二维空间无限延伸，可以说是严格意义上的二维结构材料。其具有比表面积大、导电导热 性能优良、热膨胀系数低等突出优点：具体而言，高的比表面积（理论计算值：2630m 2/g); 高导电性、载流子传输率（200000cm2/V· s);高热导率（5000W/mK);高强度，高杨氏模量 (IlOOGPa)，断裂强度（125GPa)。因此其在储能领域、热传导领域以及高强材料领域具有极 大的运用前景。 具体来说，由于石墨烯具有优异的导电性能，且本身的质量极轻，因此能够有效的 降低导电剂用量，增加电极中活性物质的含量，提高电池的能量密度；同时还能降低电池的 内阻，提高电池的放电电压，减少充放电过程中的产热；因此石墨烯是锂离子电池导电剂的 理想选择之一。然而，石墨烯本身的二维结构，极大的限制了锂离子在垂直于石墨烯片场方 向上的扩散，从而限制了石墨烯作为锂离子电池导电剂性能的发挥。 有鉴于此，确有必要开发一种新的石墨烯材料，其结构不会阻碍离子在垂直于石 墨烯片层方向上的传输。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对现有技术的不足，而提供的一种电化学阴极电极：该阴 极极片包括阴极涂层和基材，所述阴极涂层包括阴极活性物质、粘接剂和导电剂，所述活性 物质的平均直径为a，所述导电剂至少含有石墨烯；所述石墨烯为多孔石墨烯，平均孔间距 为b，且10a。这种结构的电化学储能器件阴极，由于使用了多孔石墨烯作为导电剂，在 垂直于石墨烯平面方向对离子的扩散阻力较小，因此具有更加优异的电化学性能。 为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案： -种电化学阴极电极，包括基材和设置于所述基材上的阴极涂层，所述阴极涂层 包括阴极活性物质、粘接剂和导电剂，所述阴极活性物质的平均直径为a，所述导电剂至少 含有石墨烯；其特征在于，所述石墨烯为多孔石墨烯，并且相邻的孔之间的平均距离为b， 且10a。所述相邻的孔之间的平均距离是指相邻两孔边缘之间的平均距离，简称为平均 孔间距。 作为本专利技术电化学阴极电极的一种改进，当所述石墨烯片层的平面的等效直径 D < IOa时，所述石墨稀可以为无孔石墨稀；所述石墨稀片层平面等效直径是指将石墨稀片 层平面面积换算成一个圆面积时，所述圆的直径。 作为本专利技术电化学阴极电极的一种改进，所述阴极活性材料为锂钴氧化物、锂镍 氧化物、锂锰氧化物、锰镍钴复合氧化物、锂钒氧化物、锂铁氧化物、含硫单质和含硫化合物 中的一种或多种；所述导电剂还可以含有导电炭黑、超级导电碳、碳纳米管、导电碳纤维、科 琴黑中的至少一种。 作为本专利技术电化学阴极电极的一种改进，所述多孔石墨烯的厚度小于或等于 350nm ;并且所述多孔石墨烯的片层平面的等效直径D大于或等于5nm ;所述石墨烯的质量 占电极总质量的〇. 05%~10%。 作为本专利技术电化学阴极电极的一种改进，所述多孔石墨烯的孔的平均直径d < a ; 孔的形状为圆形、正方形、三角形、椭圆形、多边形。 作为本专利技术电化学阴极电极的一种改进，所述多孔石墨烯的孔的直径< 0.1 a ;所 述多孔石墨烯的孔的形状相同、面积相等，且相邻的孔之间的距离相等。 作为本专利技术电化学阴极电极的一种改进，所述多孔石墨烯的相邻的孔之间的平均 距离b < 2a。 作为本专利技术电化学阴极电极的一种改进，5nm < a < 500um。 -种电化学储能器件，包括本专利技术所述的阴极电极，所述电化学储能器件为铅酸 电池、镍氢电池、锂离子电池、锂硫电池、钠离子电池、锌离子电池和超级电容器中的任意一 种。 本专利技术还包括一种本专利技术所述的电化学储能器件的制备方法，主要包括如下步 骤： 步骤1，阴极极片的制备：将平均直径为a的阴极活性物质、至少含有多孔石墨烯 的导电剂、粘接剂以及溶剂混合均匀（所述阴极活性物质为钴酸锂、磷酸铁锂、三元材料、 硫等；导电剂为导电炭黑、超级导电碳、碳纳米管、科琴黑、无孔石墨烯等；粘接剂包括聚偏 氟乙烯、丁苯橡胶和十二烷基苯磺酸钠等中的至少一种；溶剂为水、氮甲基吡洛烷酮等）， 制备得到阴极浆料，之后涂敷、冷压、分条、焊接后得到阴极极片，其中，所述多孔石墨烯的 相邻的孔之间的平均距离为b，且b彡IOa; 步骤2,成品电芯的制备：将步骤1制备得到的阴极极片与阳极极片、隔离膜组装 得到裸电芯，之后入壳/入袋、干燥、注液、静置、化成、整形后得到成品电芯。 本专利技术的有益效果在于：与传统的电极不同，本专利技术严格规定了作为导电剂的多 孔石墨烯片层的孔大小及孔间距，即作为导电剂，其孔大小不超过活性物质颗粒、孔间距不 超过活性物质颗粒尺寸的10倍，这样制备出来的电芯具有更好的大倍率充放电性能。因 为，具有这种结构的石墨烯导电剂，可以有效的避免在充放电过程中其对锂离子扩散的阻 碍作用。【具体实施方式】 下面结合【具体实施方式】对本专利技术及其有益效果进行详细说明，但本专利技术的实施方 式不限于此。 比较例1，阴极极片的制备：选择平均粒径为Ium的磷酸铁锂为活性物质，之后按 照磷酸铁锂：聚偏氟乙稀：导电炭黑（200nm) = 95:2:3的质量关系称量，加入氮甲基R比洛 烷酮中搅拌得到阴极浆料，涂敷在铝集流体上，再经过冷压、分条、焊接、贴胶等工序后得到 阴极极片备用。 电池组装：选择石墨为阳极活性物质，按照阴极容量：阳极容量=100:112的容量 关系设计电池。按照上述容量关系配置阳极浆料及控制涂敷质量，之后冷压、分条、焊接、贝占 胶后得到阳极极片。将得到的阴极极片、阳极极片与隔离膜卷绕得到裸电芯，选择铝塑膜为 包装袋进行顶封、侧封，之后干燥、注液、静置、化成、整形、除气得到成品锂离子电池。 比较例2,与比较例1不同的是，本比较例包括如下步骤： 阴极极片的制备：选择平均粒径为Ium的磷酸铁锂为活性物质，片层平面等效直 径为IOOum的无孔洞石墨烯（厚度为3nm)为导电剂；之后按照磷酸铁锂：聚偏氟乙烯：石 墨烯=95:2:3的质量关系称量，加入氮甲基吡洛烷酮中搅拌得本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电化学阴极电极，包括基材和设置于所述基材上的阴极涂层，所述阴极涂层包括阴极活性物质、粘接剂和导电剂，所述阴极活性物质的平均直径为a，所述导电剂至少含有石墨烯；其特征在于,所述石墨烯为多孔石墨烯，并且相邻的孔之间的平均距离为b，且b≤10a。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨玉洁，
申请(专利权)人：广东烛光新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44