一种批量生产石墨烯导电浆料的方法、装置及由其制备的石墨烯导电浆料制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种批量生产石墨烯导电浆料的方法、装置及由其制备的石墨烯导电浆料。方法包括：a)将石墨和溶剂混合，进行至少一次低速搅拌处理或/和低速剪切处理，得到石墨分散液；b)石墨分散液进行至少一次砂磨处理，得到初步剥离的石墨烯分散液；c)将初步剥离的石墨烯分散液进行至少一次高压均质处理或/和超声处理，获得单层或少层石墨烯分散液；d)将分散剂溶解在溶剂中，得到分散剂溶液；e)将单层或少层石墨烯分散液和分散剂溶液混合，并进行至少一次砂磨处理，得到石墨烯导电浆料。所述方法能够在环保的前提下获得高浓度、稳定、均匀分散的石墨烯导电浆料；所述装置适合高浓度、高稳定性的石墨烯导电浆料的连续自动化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种批量生产石墨烯导电浆料的方法、装置及由其制备的石墨烯导电浆料
本专利技术属于石墨烯导电浆料的制备
，具体涉及一种大批量规模化连续生产石墨烯导电浆料的方法、装置及由该方法制备的石墨烯导电浆料。
技术介绍
2004年，英国曼彻斯特大学的两位教授成功制备出石墨烯，并因此于2010年获得诺贝尔奖。石墨烯是一种只有一个碳原子厚度的二维材料，具有优异的物理化学性能。例如，石墨烯比表面积为2630m2/g，导热系数高达5300W/m·K，常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s，电阻率只有10-8Ω·cm，强度高达1.01TPa。石墨烯的优越性能使其具有巨大的应用前景。目前，石墨烯在锂电领域应用最广泛的即作为导电添加剂。导电添加剂性能的优劣严重影响了锂电池活性材料中离子和电子的传输速率，进而影响锂电池的综合性能。利用石墨烯优异的导电性、超大的比表面积、独特的二维网络结构，将其与其他导电碳材料进行复合使用，能够在体系中形成良好的三维导电网络，有效缩短电池充放电过程中Li+及电子的传输路径，加快两者的传输速度，从而显著提高锂电池的倍率性能、循环寿命和充电速率。但是，石墨烯干粉由于在干燥过程中重新堆叠团聚，大大降低了其优异性能的发挥。将石墨烯干粉通过分散剂和溶剂重新分散制备导电浆料可以在一定程度上改善石墨烯的团聚现象，但改善程度有限，石墨烯仍然团聚严重。目前虽已有直接通过机械剥离法制备石墨烯导电浆料的专利，但是浆料制备的关键步骤只采用了球磨和砂磨进行剥离，难以达到最优的剥离效果，最后得到的产品的厚度高达几十层，仅可以认为是厚度较薄的石墨片，而非真正的石墨烯，导电浆料也非真正的石墨烯导电浆料。石墨烯导电浆料在实际应用过程中，人们往往会在浆料中再次混入导电炭黑粉体等添加剂，但是再次混入的过程由于缺少专用混合设备，而原导电浆料粘度较大，往往造成粉体混合不均匀，对后续产品性能造成不确定的影响。
技术实现思路
为改善上述问题，本专利技术提供一种大批量规模化连续生产石墨烯导电浆料的方法、装置及由其制备的石墨烯导电浆料。所述方法能够在环保的前提下进一步获得高浓度、稳定、均匀分散的石墨烯导电浆料，降低工艺难度、提高产量、降低成本，为一种高效率、高产量、易操作、低成本的石墨烯导电浆料生产方式；所述装置剥离效果显著，石墨烯分散均匀，设备密封无污染，可配置自动化系统，适合高浓度、高稳定性的石墨烯导电浆料的连续自动化生产；本专利技术的方法制备的石墨烯导电浆料浓度高、分散稳定、均匀，应用于锂电池活性材料时，能够显著提高锂电池的倍率性能、循环寿命以及充电速率等。本专利技术的第一方面提供一种连续生产石墨烯导电浆料的方法，所述方法包括以下步骤：a)充分润湿：将石墨和溶剂混合，进行至少一次低速搅拌处理或/和低速剪切处理，得到石墨分散液；b)初步剥离：将步骤a)中的石墨分散液进行至少一次砂磨处理，得到初步剥离的石墨烯分散液；c)二次剥离：将步骤b)中初步剥离的石墨烯分散液进行至少一次高压均质处理或/和超声处理，获得单层或少层石墨烯分散液；d)将分散剂溶解在溶剂中，得到分散剂溶液；e)将步骤c)中的单层或少层石墨烯分散液和步骤d)中的分散剂溶液混合，并进行至少一次砂磨处理，得到所述石墨烯导电浆料。本专利技术的方法可以实现石墨烯导电浆料的大批量、规模化地连续生产。本专利技术的第二方面提供一种由上述方法制备得到的石墨烯导电浆料，所述导电浆料中的石墨烯的层数为5层以下；D50为8-12μm，比表面积为600-800m2/g；石墨烯的电阻≤10Ω·cm；铁杂质含量≤10ppm。本专利技术的石墨烯导电浆料浓度高、分散稳定、均匀。应用于锂电池活性材料时，能够显著提高锂电池的倍率性能、循环寿命以及充电速率等。本专利技术的第三方面提供一种连续生产石墨烯导电浆料的装置，所述装置包括第一分散装置、第一砂磨装置、高压均质装置、与所述高压均质装置并联的第一超越管线、超声处理装置、与所述超声处理装置并联的第二超越管线、第二分散装置、第二砂磨装置和储液装置；其中，所述第一分散装置的出口端分别与所述高压均质装置、所述第一砂磨装置和第二分散装置的进口端相连；所述第一砂磨装置的出口端分别与所述第一分散装置的进口端和所述第二分散装置的进口端相连；所述高压均质装置的出口端与所述超声处理装置的进口端相连；所述超声处理装置的出口端与所述第一分散装置的进口端相连，或与所述第二分散装置的进口端相连；所述第二分散装置的出口端分别与所述第二砂磨装置和所述储液装置的进口端相连；所述第二砂磨装置的出口端分别与所述第二分散装置的进口端和所述储液装置的进口端相连。本专利技术的装置可以实现石墨烯导电浆料的大批量、规模化地连续生产。本专利技术的第四方面是提供一种连续生产石墨烯导电浆料的方法，所述方法采用第三方面所述的连续生产石墨烯导电浆料的装置实施。本专利技术技术方案与现有技术相比具有以下优点和有益效果：1.本专利技术提供的方法与装置主要针对工业化生产，为使用物理法对石墨进行剥离，对石墨烯本身的结构不造成损伤，保证了石墨烯优异的物理化学性能。在制备均匀稳定的石墨烯分散液的基础上，将预分散好的分散剂和/或导电添加剂(例如导电碳黑)等以分散液的形式加入其中，再次经过搅拌、分散和砂磨处理，直接得到稳定的、分散均匀的复合导电浆料，本专利技术将石墨、分散剂和/或导电添加剂的前期处理同步进行，减少了时间，提高了效率。2.本专利技术将分散剂和/或导电添加剂预先溶解，避免了部分难溶的分散剂和/或导电添加剂直接使用造成的浆料易结块、不均匀的问题。并且，本专利技术将制备得到的石墨烯分散液直接制备成石墨烯导电浆料，不仅显著改善了导电浆料中石墨烯的分散情况，同时规避了干燥的石墨烯粉体在溶剂中重新分散的步骤，和石墨烯在干燥过程中的重新堆叠和团聚对于石墨烯导电浆料性能的影响。3.本专利技术添加导电添加剂所形成的石墨烯复合导电浆料将二维石墨烯和其它一维和三维导电添加剂相结合，构造三维网络，加速离子和电子传输，使导电浆料性能最优化，成本最低化。4.本专利技术将高压均质装置和超声处理装置同时引入作为核心剥离设备，显著增强了剥离效果，获得了5层以下的石墨烯片，由于高压均质或者超声受到设备自身限制，直接处理仅经过简单分散的石墨时，石墨分散液的浓度较低，生产效率低，设备磨损严重，本专利技术对此进行改进，在进行高压均质或超声处理之前先进行充分润湿(低速搅拌和/或低速剪切)和初步剥离(循环砂磨)等步骤处理，能够使物料更加稳定、片径更加均匀，且不破坏原料的膨胀结构，能够显著提高高压均质或者超声待处理产品的浓度，显著提高生产效率，降低生产成本。5.本专利技术在经过高压均质和超声处理后再加入分散剂，避免了分散剂由于该步骤产生的剧烈温升导致失效的问题，所得石墨烯导电浆料具有优异的稳定性，长时间放置不易沉降。6.本专利技术中通过设置第三分散装置可以使砂磨装置、高压均质装置和超声处理装置均可以为两缸循环的形式，使所有物料均能经过处理，改善了单缸循环造成的物料不均匀问题。7.高压均质装置和超声处理装置均设有与之并联的超越管线，也就是说，可以单独通过高压均质装置或单独通过超声处理装置或同时通过两者进行原料的进一步剥离；或当二者其中一个出现问题时，另外一个均可替代，当原料需要同时用到高压均质装置和超声处理装置时，也可轻松实现。8.本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种连续生产石墨烯导电浆料的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：a)充分润湿：将石墨和溶剂混合，进行至少一次低速搅拌处理或/和低速剪切处理，得到石墨分散液；b)初步剥离：将步骤a)中的石墨分散液进行至少一次砂磨处理，得到初步剥离的石墨烯分散液；c)二次剥离：将步骤b)中初步剥离的石墨烯分散液进行至少一次高压均质处理或/和超声处理，获得单层或少层石墨烯分散液；d)将分散剂溶解在溶剂中，得到分散剂溶液；e)将步骤c)中的单层或少层石墨烯分散液和步骤d)中的分散剂溶液混合，并进行至少一次砂磨处理，得到所述石墨烯导电浆料。

【技术特征摘要】
1.一种连续生产石墨烯导电浆料的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：a)充分润湿：将石墨和溶剂混合，进行至少一次低速搅拌处理或/和低速剪切处理，得到石墨分散液；b)初步剥离：将步骤a)中的石墨分散液进行至少一次砂磨处理，得到初步剥离的石墨烯分散液；c)二次剥离：将步骤b)中初步剥离的石墨烯分散液进行至少一次高压均质处理或/和超声处理，获得单层或少层石墨烯分散液；d)将分散剂溶解在溶剂中，得到分散剂溶液；e)将步骤c)中的单层或少层石墨烯分散液和步骤d)中的分散剂溶液混合，并进行至少一次砂磨处理，得到所述石墨烯导电浆料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤d)中，在所述分散剂溶液中加入导电添加剂，形成分散剂-导电添加剂溶液，再与步骤c)中的单层或少层石墨烯分散液混合，并进行至少一次砂磨处理，得到石墨烯复合导电浆料。优选地，步骤a)中的低速搅拌处理或/和低速剪切处理的次数大于1。优选地，步骤b)中，砂磨处理的次数大于1。优选地，可以砂磨处理与低速搅拌处理和/或低速剪切处理进行循环后再进行步骤c)，即至少循环一次低速搅拌处理和/或低速剪切处理、砂磨处理、低速搅拌处理和/或低速剪切处理后再进行步骤c)。优选地，步骤c)中，高压均质处理或/和超声处理的次数大于1，优选地大于1到小于等于4次。优选地，可以高压均质处理或/和超声处理与低速搅拌处理和/或低速剪切处理进行循环，即至少循环一次低速搅拌处理和/或低速剪切处理、高压均质处理或/和超声处理、低速搅拌处理和/或低速剪切处理后得到单层或少层石墨烯分散液。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤a)中，所述石墨为膨胀石墨。优选地，步骤a)中的溶剂或步骤d)中的溶剂可以相同或不同，彼此独立地选自NMP、DMF、甲醇、乙醇、丙酮、THF、异丙醇、乙醚、环氧丙烷、苯乙烯、全氯乙烯、三乙醇胺、乙烯乙二醇醚、乙二醇二甲醚、苯、甲苯、二甲苯、氯苯、二氯苯、二氯甲烷、醋酸甲酯或水中的一种或多种。优选地，步骤a)中，所述石墨在石墨与溶剂的混合物中的浓度为0.1～10wt％。优选地，步骤a)中，所述低速搅拌的搅拌速率为10-41r/min；所述低速剪切的剪切速率为100-600r/min。优选地，步骤a)中，所述充分润湿的时间为0.2～3h，优选为0.5～2h。优选地，步骤b)中，所述初步剥离的时间为0.5～10h，优选为2～8h。优选地，步骤c)中，所述高压均质的压力为30～90MPa，优选为50～80MPa。优选地，步骤c)中，所述超声的功率≥1000W，优选地，功率≥2000W，例如，功率为3000-6000W；频率≥20kHz，优选地，频率≥40kHz，例如，频率为50-80kHz。优选地，步骤c)中，所述高压均质的出料流量为500-2000L/h。优选地，步骤c)中，所述高压均质处理或/和超声处理的时间为1h～4h。优选地，所述分散剂为离子型分散剂或非离子型分散剂中的至少一种。优选地，所述离子型分散剂为SDS、SDBS、CTAB、CTAC、胆酸钠、脱氧胆酸钠、CMC、纤维素衍生物、卵磷脂中的至少一种。优选地，所述非离子型分散剂为PVP、PVDF、PVA、吐温20、吐温60、吐温80、私盘20、私盘60、私盘80、TritonX100、f1...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨明，吴冬，杨燕，
申请(专利权)人：北京地泽科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11