铜箔‑石墨烯集流体及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种锂电池用一种铜箔‑石墨烯复合负极集流体及其制备方法，属于电池技术领域。所述制备方法通过化学气相沉积法将石墨烯直接包覆式生长于铜箔表面，使石墨烯与铜箔形成一体化的复合材料，提高集流体与活性物质之间的结合强度，防止反复膨胀与集流体脱离，使集流体与活性物质结合更为紧密，从而降低了界面电阻，提高电池的倍率放电性能及循环使用寿命。通过本发明专利技术所述制备方法制备的铜箔‑石墨烯复合负极集流体与活性物质之间的结合强度高、电池的倍率放电性能高及循环使用寿命长。

The copper graphene collector and preparation method thereof

The invention discloses a lithium battery with a copper foil graphene composite cathode current collector and a preparation method thereof, belonging to the technical field of battery. The preparation method by chemical vapor deposition of graphene grown on copper foil surface directly coated with copper foil, composite Shi Moxi formed integration, improve the bonding strength between the fluid and the active substances, to prevent repeated expansion and set out the set of fluid and fluid, active substance combination more closely, thereby reducing the the interface resistance, improve the service life of the battery discharge properties and cycle. According to the invention, the preparation method of the copper foil graphene composite anode active material set between the fluid and the combined discharge properties of high strength, high battery and long cycle life.

【技术实现步骤摘要】
铜箔-石墨烯集流体及制备方法
本专利技术涉及电池
，具体的设计一种锂电池用铜箔-石墨烯复合负极集流体及其制备方法。
技术介绍
集流体是锂离子电池中不可或缺的组成部件之一，它不仅需要承载活性物质，而且还要将电极活性物质产生的电流汇集并输出。因而性能优良的集流体有利于降低锂离子电池的内阻，提高电池的库伦效率、循环稳定性、倍率性能和电池充/放电效率。理想的电池集流体应满足几个条件：较高的电导率和电化学稳定性、与电极活性物质有较好的相容性和较高的结合力、材料机械强度好、成本低、质量轻。但在实际应用过程中，不同的集流体材料仍存在诸多问题，不能完全满足上述多维度需求。由于铜箔作为正极集流体时在较高电位时易被氧化，而铝箔作为负极集流体时腐蚀问题则较为严重，通常锂离子电池采用铜箔作为负极集流体，而采用铝箔作为正极集流体。但刚性的金属集流体与电池活性材料颗粒间的接触面积有限，界面电阻较大，对于电池性能特别是大电流充放电条件下的性能存在负面影响；另外，由于金属集流体与活性材料之间的粘合强度有限，在持续的充放电过程中，温度反复变化，极易发生活性材料与集流体间的膨胀脱离，导致电池内阻进一步加大，使得电池的循环寿命和安全性能受到影响。因此，提高两者之间的结合强度是提升锂离子电池性能的重要手段。目前解决此问题的办法基本都是通过增加浆料粘结剂的用量、集流体表面化学腐蚀或者在集流体表面涂敷高导电的材料等方法来增加二者间的粘附能力。但是这些方法不可避免的会对电池性能造成一系列不良影响：包括电池内阻的增大、能量密度和功率密度的降低、循环使用寿命缩短、电池发热量上升等；化学腐蚀等特殊处理会对集流体产生一定程度的表面损伤，降低箔材的强度，影响后续的成品加工，不利于大规模生产；而在集流体表面涂覆高导电的材料时，如果该材料的粘结性能较好，并且相对于金属集流体具有更好的形变能力，则可减小界面电阻，提高活性材料与集流体间的导电能力。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供了一种铜箔-石墨烯复合负极集流体及其制备方法，通过连续式化学气相沉积法将石墨烯直接包覆式生长于铜箔表面，使石墨烯与铜箔形成一体化的复合材料，提高集流体与活性物质之间的结合强度，防止反复膨胀与集流体脱离，使集流体与活性物质结合更为紧密，从而降低了界面电阻，提高电池的倍率放电性能及循环使用寿命。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一方面，提供了一种铜箔-石墨烯复合负极集流体的制备方法，所述制备方法利用连续式化学气相沉积法制备，包括以下几个步骤：1）、铜箔在进料装置和出料装置的共同牵引驱动下进入高温反应设备3；2）、向高温反应设备3内通入保护气体；3）、对高温反应设备3预升温，当高温反应设备3的反应室高温区39温度达到800℃-1000℃时，向反应室高温区39内通入碳氢气体，铜箔经出料装置牵引出高温反应设备3，得到铜箔-石墨烯复合负极集流体。优选的，所述步骤1）中所述进料装置和出料装置分别为进料辊2和出料辊5，所述进料辊2和出料辊5采用变频电机驱动，分别位于所述高温反应设备3的两侧。优选的，所述步骤1）中所述高温反应设备3包括石墨炉管38、感应加热圈37、反应室和保护气封装置31；所述反应室位于高温反应设备3内部中心位置且向高温反应设备3的两侧延伸，所述保护气封装置31位于反应室的两端延伸段内部；所述石墨炉管38位于高温反应设备3内部且均布在反应室的外围；所述感应加热圈37均匀环绕在石墨炉管38的外围，用于加热石墨炉管38。优选的，所述高温反应设备3的外部还包括冷却水套4，所述冷却水套4两端部分别设有冷却水套入口41和冷却水套出口42，其中冷却水套入口41位于冷却水套4的底部，冷却水套出口42位于冷却水套4的顶部；所述高温反应设备3底部还设有碳氢气体、氢气入口34。优选的，所述感应加热圈37为水冷感应加热圈，采用中空铜管绕制而成，由外置的供电装置供电驱动，用于加热石墨炉管38；所述感应加热圈37的外围还依次设有保温碳毡36和石英砂35，所述感应加热圈37相对应的反应区为反应室高温区39。优选的，所述保护气封装置31为多个相互隔离的矩形槽，且反应室外围与保护气封装置31相对的位置设有保护气入口33，所述保护气入口33为多个相关贯通的矩形中空结构；所述反应室两端均设有气封口32；所述反应室为矩形腔体。优选的，所述步骤3）中对高温反应设备3进行预升温时，升温速度不超过每小时20℃。优选的，所述步骤3）中所述的保护气体为氩气或氮气；所述碳氢气体为甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯、乙炔及丙炔中的一种，其供气量为0.1m3/h-1m3/h；当反应室高温区39加热到800℃-1000℃时，向反应室高温区39内通入碳氢类气体的同时还可以通入氢气，用于催化碳氢气体裂解，促进铜箔-石墨烯复合负极集流体的形成，其供气量为0.1m3/h-0.5m3/h；其中铜箔供料速度为0.5mm/s-2mm/s。另一方面，提供了一种铜箔-石墨烯复合负极集流体，所述铜箔-石墨烯复合负极集流体利用上述任意一项所述方法制备而成。有益效果：与现有技术相比，本专利技术提供了一种铜箔-石墨烯复合负极集流体及其制备方法，所述制备方法不仅能够连续化生产适用于大规模工业化制备应用，而且具有以下优点：1、不仅表面的石墨烯层数可控、成品晶体质量更高、连续性更好，而且使活性材料与石墨烯之间形成化学键结合，可以提高活性材料和集流体之间的附着力，大大抑制活性材料膨胀脱离的情况发生，进而增强电池的循环性能，提高电池使用寿命；2、有效降低电池内阻，抑制充放电循环过程中的动态内阻增幅；3、减小界面极化，提高放电倍率，降低热效应；4、防止电解液和锂离子对集流体的腐蚀，不仅具有较高的导电性能和稳定性能，而且显著提高电池组的一致性，降低电池组成本；5、在铜箔表面原位生长的单层或多层石墨烯则可有效避免材料团聚，从而最大程度发挥出材料的性能优势。附图说明为了更清楚地说明本专利技术的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术所述方法流程示意图；图2为本专利技术所述高温反应设备的结构示意图；图3为图1中所述高温反应设备的左视图；图4为图1中A部的局部放大图。图中：1-铜箔、2-进料辊、3-高温反应设备、31-保护气封、32-反应室气封口、33-保护气入口、34-碳氢气体、氢气入口、35-石英砂、36-保温碳毡、37-感应加热圈、38-石墨炉管、39-反应室高温区、4-冷却水套、41-冷却水套入口、42-冷却水套出口、5-出料辊。具体实施方式在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。实施例1一、一种连续制备铜箔-石墨烯复合负极集流体的方法参考图1，一种铜箔-石墨烯复合负极集流体的制备方法，所述制备方法利用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铜箔‑石墨烯复合负极集流体的制备方法，其特征在于：所述制备方法利用连续式化学气相沉积法制备，包括以下几个步骤：1）、铜箔在进料装置和出料装置的共同牵引驱动下进入高温反应设备(3)；2）、向高温反应设备(3)内通入保护气体；3）、对高温反应设备(3)预升温，当高温反应设备(3)的反应室高温区(39)温度达到800℃‑1000℃时，向反应室高温区(39)内通入碳氢气体，铜箔经出料装置牵引出高温反应设备(3)，得到铜箔‑石墨烯复合负极集流体。

【技术特征摘要】
1.一种铜箔-石墨烯复合负极集流体的制备方法，其特征在于：所述制备方法利用连续式化学气相沉积法制备，包括以下几个步骤：1）、铜箔在进料装置和出料装置的共同牵引驱动下进入高温反应设备(3)；2）、向高温反应设备(3)内通入保护气体；3）、对高温反应设备(3)预升温，当高温反应设备(3)的反应室高温区(39)温度达到800℃-1000℃时，向反应室高温区(39)内通入碳氢气体，铜箔经出料装置牵引出高温反应设备(3)，得到铜箔-石墨烯复合负极集流体。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中所述进料装置和出料装置分别为进料辊(2)和出料辊(5)，所述进料辊(2)和出料辊(5)采用变频电机驱动，分别位于所述高温反应设备(3)的两侧。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中所述高温反应设备(3)包括石墨炉管(38)、感应加热圈(37)、反应室和保护气封装置(31)；所述反应室位于高温反应设备(3)的内部中心位置且向高温反应设备(3)的两侧延伸，所述保护气封装置(31)位于反应室的两端延伸段内部；所述石墨炉管(38)位于高温反应设备(3)内部且均布在反应室的外围；所述感应加热圈(37)均匀环绕在石墨炉管(38)的外围，用于加热石墨炉管(38)。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述高温反应设备(3的外部还包括冷却水套(4)，所述冷却水套(4)两端部分别设有冷却水套入口(41)和冷却水套出口(42)，其中冷却水套入口(41)位于冷却水套(4)的底部，冷却水套出口(42)位于冷却...

【专利技术属性】
技术研发人员：王红飞，张洪，白彬，张遂超，朱忠洲，李海龙，
申请(专利权)人：张洪，
类型：发明
国别省市：陕西,61