基于石墨烯的干法电池极片、电池及其制造方法技术

本申请提供一种基于石墨烯的干法电池极片、电池及其制造方法。在无溶剂条件下将石墨烯粉体、电极活性材料、导电剂以及多氟树脂粘结剂均匀混合成为混合物，所述混合物再通过捏合及辊压制成柔韧的干法电极极片膜,所述干法电极极片膜不需要集流体支撑可直接制成干法电池极片(或电池电芯)；本申请进一步包含结合了所述干法电极极片膜和集流体的干法电池极片。本申请基于石墨烯的干法电池极片、电池及其制造方法没有用到任何溶剂，对环境友好并且避免对工作人员产生潜在危害。避免对工作人员产生潜在危害。避免对工作人员产生潜在危害。

【技术实现步骤摘要】
基于石墨烯的干法电池极片、电池及其制造方法


[0001]本申请涉及电化学装置领域,特别是一种基于石墨烯的干法电池极片、电池及其制造方法。

技术介绍

[0002]目前锂离子电池极片(包含正极极片和负极极片)的主要制作工艺依次为混料，匀浆，涂布，干燥，辊压得到合适厚度的正极极片和负极极片。同时我们应当意识到匀浆过程需要使用大量的溶剂如NMP，H2O等，后续的涂布干燥过程又需要大量能耗将极片中的溶剂分子干燥除去，H2O以及其他杂质小分子残留越低电池性能越优异。该工艺过程不仅需要使用有毒性的有机溶剂同时能耗较高，而且需要增加NMP回收辅助设备来降低有机溶剂对环境的破坏作用。
[0003]目前锂离子电池采用的集流体的材料主要有铜箔和铝箔两种，为了追求高能量密度电池，目前铜箔厚度可以加工至8μm-12μm，铝箔厚度可以加工至12μm-20μm。为了进一步增加电池的能量密度，可以考虑在集流体表面冲孔或其他形状，使用这些特殊的箔材可以进一步较少集流体的重量，进而提高电池的能量密度。受制于目前涂布工艺的限制，表面冲孔集流体难以进行涂布操作。目前虽然有厂家研发出立式双面涂布设备用来解决冲孔集流体涂布工艺的问题，但是该设备只能解决微小的孔洞集流体，对于孔径大些的集流体却无能为力。
[0004]干法电极技术顾名思义，指的是极片加工过程中不使用任何溶剂，仅仅通过干法混合即可制备出电极极片的技术。干法电极技术在超级电容器生产中已经的得到广泛应用，但是在电池领域目前处于起步阶段。干法电极技术的一个优势是可以脱离集流体单独制备出稳定的柔性电极膜，通过热压复合技术将含有电极活性材料的电极膜与集流体粘合为一体。故该方法可以使用表面冲孔或其他形状的箔材作为集流体，制备出湿法涂布方案无法加工的新型电池。
[0005]锂离子电池现有的涂布辊压技术制备极片需要在集流体上进行涂布操作，脱离集流体或者集流体表面具有较大的孔洞结构，涂布工序亦难以完成。

技术实现思路

[0006]本申请的目的，是提供一种基于石墨烯的干法电池极片、电池及其制造方法。在本申请的实施方案中包含提出一种干法电极极片膜作为干法电池极片。
[0007]在一实施方案中,本申请提出的基于石墨烯的干法电池极片至少包括通过辊压一混合物制成的干法电极极片膜,该混合物的组成包含：0.1wt％-10wt％石墨烯、0.1wt％-10wt％导电剂、0.1wt％-10wt％多氟树脂粘结剂以及70wt％-99.7wt％电极活性材料，该干极片膜的厚度为25μm-500μm，该干极片膜的压实密度为1.0mg/cm
3-5.0mg/cm3。
[0008]在一实施方案中,本申请提出的基于石墨烯的干法电池极片进一步包含一集流体金属箔,所述的干法电极极片膜通过热压复合于所述的集流体金属箔的一面或相对的两
面。
[0009]在一实施方案中,本申请提出一种基于石墨烯的干法电池极片的制造方法,包括以下步骤：
[0010]制备混合均匀的混合物,该混合物的组成包含：0.1wt％-10wt％石墨烯粉体、0.1wt％-10wt％导电剂、0.1wt％-10wt％多氟树脂粘结剂以及70wt％-99.7wt％电极活性材料；
[0011]通过持续施加剪切外力使该混合物中的该多氟树脂粘结剂分子发生纤维化反应；
[0012]通过捏合工艺持续捏合该混合物；
[0013]通过辊压工艺将该混合物辊压制成一干法电极极片膜以作为所述的干法电池极片,该干极片膜的厚度为25μm-500μm，该干极片膜的压实密度为1.0mg/cm
3-5.0mg/cm3。
[0014]在本申请提出的制造方法的一实施方案,进一步包括通过热压工艺将所述的干法电极极片膜复合于一集流体金属箔的一面或相对的两面。
[0015]在本申请提出的制造方法的一实施方案,所述的混合物是通过棒研磨、撞击粉碎研磨、球磨粉碎研磨、气流粉碎和锤击研磨等高剪切力混合方式中的至少一种来使多氟树脂粘结剂发生纤维化反应，通过多氟树脂粘结剂的纤维化反应将石墨烯粉体、导电剂以及电极活性材料粘合起来。
[0016]在本申请提出的制造方法的一实施方案,所述的辊压工艺是常温辊压或高温辊压，高温辊压的温度范围为40℃-200℃。
[0017]在本申请提出的制造方法的一实施方案,其中制备混合均匀的该混合物是选自由机械搅拌、V型混料器、翻滚混合和转动混合所组成的低剪切力的混合方式群组进行均匀的预混。
[0018]在一实施方案中,本申请提出一种电池,包括：外壳；封装于外壳内的干法电池极片,干法电池极片至少包括作为正极的一正极极片和作为负极的一负极极片,正极极片和负极极片的构造至少包括通过辊压一混合物制成的干法电极极片膜,其中混合物的组成包含：0.1wt％-10wt％石墨烯、0.1wt％-10wt％导电剂、0.1wt％-10wt％多氟树脂粘结剂以及70wt％-99.7wt％电极活性材料，该干极片膜的厚度为25μm-500μm，其中干法电极极片膜的压实密度为1.0mg/cm
3-5.0mg/cm3；隔膜,介于正极极片和负极极片之间；以及封装于外壳内的电解液。
[0019]在本申请提出的电池的一实施方案中,其中正极极片和负极极片的构造进一步包含一集流体金属箔,所述的干法电极极片膜通过热压复合于集流体金属箔的一面或相对的两面。
[0020]在本申请提出的电池的一实施方案中,其中正极极片和负极极片以及隔膜通过卷绕以及叠片工艺制成电池的电池芯。
[0021]在本申请提出的电池的一实施方案中,其中电解液包括以下至少之一：碳酸脂电解液、固态电解质、结合所述的碳酸脂电解液和固态电解质的复合电解液。
[0022]其中导电剂选自由碳纳米管(CNT)、石墨、导电炭黑、科琴黑、乙炔黑、石墨烯和碳纤维(VGCF)所组成的群组。
[0023]其中电极活性材料选自由金属盐、金属氧化物、金属、非金属单质、非金属氧化物和前述物质的复合物所组成的群组。
[0024]其中混合物进一步包含0.1wt％-5wt％辅助粘结剂，该辅助粘结剂选自由聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯酸(PAA)、聚酰亚胺(PI)、聚乙二醇(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、羧甲基纤维素钠(CMC)和丁苯橡胶(SBR)所组成的群组。
[0025]其中集流体金属箔的材料选自由铝箔、铜箔、钛箔和镍箔所组成的群组。
[0026]其中集流体金属箔的结构具有孔洞或网状结构。
[0027]与现有湿法涂布技术制备电极极片技术相比，本申请的有益效果在于：本申请将包含石墨烯、导电剂、多氟树脂粘结剂以及电极活性材料的混合物通过多氟树脂粘结剂的纤维化作用、粉末捏合成型以及干法辊压成型的方法直接得到柔韧的干法电极极片膜，干法电极极片膜与集流体通过热压复合的方式制备干法电极极片。首次创造性地发现石墨烯等高比表面积导电剂加入至干法电极极片膜体系中，不仅仅可以增强干法电极极片膜的导电性，同时对干法电极极片膜的孔隙度与压实密度控制具有很好的调本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯的干法电池极片,其特征在于,所述的干法电池极片至少包括通过辊压一混合物制成的干法电极极片膜,该混合物的组成包含：0.1wt％-10wt％石墨烯、0.1wt％-10wt％导电剂、0.1wt％-10wt％多氟树脂粘结剂以及70wt％-99.7wt％电极活性材料，该干极片膜的厚度为25μm-500μm，该干极片膜的压实密度为1.0mg/cm
3-5.0mg/cm3。2.根据权利要求1所述基于石墨烯的干法电池极片,其特征在于,包含一集流体金属箔,该干法电极极片膜通过热压复合于该集流体金属箔的一面或相对的两面。3.根据权利要求1或2所述基于石墨烯的干法电池极片,其特征在于,该导电剂选自由碳纳米管、石墨、导电炭黑、科琴黑、乙炔黑、石墨烯和碳纤维所组成的群组。4.根据权利要求1或2所述基于石墨烯的干法电池极片,其特征在于,该电极活性材料选自由金属盐、金属氧化物、金属、非金属单质、非金属氧化物和前述物质的复合物所组成的群组。5.根据权利要求1或2所述基于石墨烯的干法电池极片,其特征在于,该混合物进一步包含0.1wt％-5wt％辅助粘结剂，该辅助粘结剂选自由聚偏氟乙烯、聚丙烯酸、聚酰亚胺、聚乙二醇、聚丙烯腈、羧甲基纤维素钠(CMC)和丁苯橡胶所组成的群组。6.根据权利要求2所述基于石墨烯的干法电池极片,其特征在于,该集流体金属箔的材料选自由铝箔、铜箔、钛箔和镍箔所组成的群组。7.根据权利要求6所述基于石墨烯的干法电池极片,其特征在于,该集流体金属箔的结构具有孔洞或网状结构。8.一种基于石墨烯的干法电池极片的制造方法,其特征在于,包括以下步骤：制备混合均匀的混合物,该混合物的组成包含：0.1wt％-10wt％石墨烯粉体、0.1wt％-10wt％导电剂、0.1wt％-10wt％多氟树脂粘结剂以及70wt％-99.7wt％电极活性材料；通过持续施加剪切外力使该混合物中的该多氟树脂粘结剂分子发生纤维化反应；通过捏合工艺持续捏合该混合物；通过辊压工艺将该混合物辊压制成一干法电极极片膜以作为所述的干法电池极片,该干极片膜的厚度为25μm-500μm，该干极片膜的压实密度为1.0mg/cm
3-5.0mg/cm3。9.根据权利要求8所述基于石墨烯的干法电池极片的制造方法,其特征在于,包括通过热压工艺将该干法电极极片膜复合于一集流体金属箔的一面或相对的两面。10.根据权利要求8或9所述基于石墨烯的干法电池极片的制造方法,其特征在于,该导电剂选自由碳纳米管、石墨、导电炭黑、科琴黑、乙炔黑、石墨烯和碳纤维所组成的群组。11.根据权利要求8或9所述基于石墨烯的干法电池极片的制造方法,其特征在于,该电极活性材料选自由金属盐、金属氧化物、金属、非金属单质、非金属氧化物和前述物质的复合物所组成的群组。12.根据权利要求8或9所述基于石墨烯的干法电池极片的制造方法,其特征在于,该混合物进一步包含0.1wt％-5wt％辅助粘结剂，该辅助粘结剂选自由聚偏氟乙烯、聚丙烯酸、聚酰亚胺、聚乙二醇、聚丙烯腈、羧甲基纤维素钠和丁苯...

【专利技术属性】
技术研发人员：张耀法，王磊，王娟，张国兴，赖中平，
申请(专利权)人：南京鼎腾石墨烯研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：