柔性电池极片、电池制造技术

本发明专利技术涉及一种柔性电池极片，该柔性电池极片包括碳纳米纤维和石墨烯，碳纳米纤维由聚丙烯腈依次经过静电纺丝和碳化制得，碳纳米纤维的直径为200

【技术实现步骤摘要】
柔性电池极片、电池


[0001]本专利技术涉及电池负极材料领域，特别是涉及一种柔性电池极片、电池。

技术介绍

[0002]目前市面上的动力电池主要有锂离子电池和钠离子电池，锂离子电池因其具有高的比容量和能量密度而被广泛应用，钠离子电池因钠资源储量丰富和高的功率密度也具有巨大的应用潜力。然而，传统锂/钠离子电池极片的外形和结构一般比较固定，缺乏柔韧性，这在一定程度上限制了其在柔性电子器件方面的应用。相对于传统电子器件，柔性器件具有更大的灵活性，能够在一定程度上适应不同的工作环境，满足设备的形变要求，因此，柔性储能器件受到了越来越广泛的关注，在信息、能源、医疗、国防等领域具有巨大的市场潜力。
[0003]传统涂覆工艺首先将电极材料粉碎为粉末，再添加导电剂、粘结剂等助剂，最后经过涂布、干燥制得电池极片，该工艺不但流程繁琐，制备周期长，而且采用该工艺制造的电池极片，一般没有柔性或者柔性较差。
[0004]静电纺丝技术是一种制备碳纳米纤维的技术手段，静电纺丝技术以高分子聚合物为原料制备碳纳米纤维。碳纳米纤维能形成导电网络并且具有一定的柔韧性，采用静电纺丝技术制备的碳纳米纤维经过碳化处理可得到负极极片，该极片具有自支撑型结构，不需要额外添加粘结剂和导电剂，制备流程简单。采用静电纺丝技术和碳化工艺是制备柔性电池极片的一种可行方式，但是目前以碳纳米纤维作为负极的电池极片不能同时兼具高能量/功率密度和高柔韧性，通常现有柔性极片的比容量都低于石墨，在柔韧性上的性能也有待提高，如弯折角度小，弯曲过程极片出现掉粉等，实现锂/钠离子电池极片在保持高能量/功率密度下仍具有柔性依旧存在较大的难度。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的技术问题，第一个方面，本专利技术提供一种柔性电池极片，所述柔性电池极片包括碳纳米纤维和石墨烯，所述碳纳米纤维由聚丙烯腈依次经过静电纺丝和碳化制得，所述碳纳米纤维的直径为200
‑
500nm，所述石墨烯的重量分数为所述柔性电池极片的5
‑
40％，所述柔性电池极片的厚度为0.2
‑
2mm。
[0006]进一步地，所述柔性电池极片由以下步骤制得：
[0007]S1:将所述聚丙烯腈溶解在二甲基甲酰胺溶液中再加入所述石墨烯搅拌制成静电纺丝液；
[0008]S2:以铝箔为接收基底，将所述静电纺丝液制备成石墨烯复合的纳米纤维片；
[0009]S3:所述石墨烯复合的纳米纤维片进行碳化处理得到所述柔性电池极片。
[0010]进一步地，在步骤S1中，所述石墨烯与所述聚丙烯腈的重量比为(5
‑
40)：(60
‑
95)。
[0011]进一步地，在步骤S2中，将所述静电纺丝液注入10ml注射器中，所述注射器推动速度为0.002mm/s，电压为15
‑
20kv，接收距离为10
‑
15cm。
[0012]进一步地，在所述碳化处理之前对所述石墨烯复合的纳米纤维片进行预氧化处理。预氧化的目的是为了保持纳米纤维片结构的稳定性。
[0013]进一步地，所述预氧化处理为所述石墨烯复合的纳米纤维片在空气氛围及温度为200
‑
220℃条件下氧化2
‑
3h。
[0014]进一步地，所述碳化在氮气氛围及温度为700
‑
800℃的条件下对所述石墨烯复合的纳米纤维片处理2
‑
3h。
[0015]进一步地，所述柔性电池极片在锂离子电池或钠离子电池中作为负极。
[0016]进一步地，所述柔性电池极片在外力作用下弯曲角度为0
‑
180
°
。
[0017]第二个方面，本专利技术提供一种电池，所述电池包括所述柔性电池极片。
[0018]相比于现有技术，本专利技术的技术方案至少存在以下有益效果：
[0019]1.石墨烯与碳纳米纤维进行复合，石墨烯附着在碳纳米纤维上，不仅改善了碳纳米纤维结构的稳定性，还增强了其柔韧性和导电性，进而提高了柔性电池极片的电化学性能；
[0020]2.对碳纳米纤维尺寸进行调控，提高其尺寸的均一性和稳定性并使碳纳米纤维之间相互接触形成三维网状结构，提升了柔性电池极片的柔韧性和放电比容量；
[0021]3.对碳化的参数进行优化以降低碳纳米纤维的脆性，避免柔性电池极片在弯曲过程发生断裂，提升其柔韧性；
[0022]4.柔性电池极片弯曲角度大且弯曲过程不掉粉，作为负极应用于动力电池领域既可以满足锂/钠离子电池的高能量密度要求，又能够保证良好的柔性。
附图说明
[0023]附图对本专利技术作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本专利技术的任何限制。
[0024]图1为柔性电池极片的数码照片；
[0025]图2为柔性电池极片弯曲的数码照片；
[0026]图3为柔性电池极片的扫描电子显微镜图；
[0027]图4为柔性电池极片用于锂离子电池的倍率性能测试图；
[0028]图5为柔性电池极片用于钠离子电池的倍率性能测试图。
具体实施方式
[0029]应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0030]相对于传统电子器件，柔性器件具有更大的灵活性，能够在一定程度上适应不同的工作环境，满足设备的形变要求，因此柔性储能器件得到越来越广泛的关注，在信息、能源、医疗、国防等领域具有巨大的市场潜力。而采用传统技术制造的电池极片，其外形和结构比较固定，一般没有柔性或者柔性较差，即采用传统技术制造的电池极片难以应用于柔性储能器件中，因此，为了推动柔性储能器件的开发，需要研发一种既能够保持高的能量/功率密度，同时又具备柔性的锂/钠离子电池柔性极片。石墨烯作为一种新兴材料，具有优异的电子传导能力，力学强度和柔韧性，采用石墨烯制备的电子器件可在一定程度上发生形变而器件本身不会损坏，这使得石墨烯在储能器件方面有巨大的应用潜力。
[0031]本专利技术提供一种柔性电池极片，该柔性电池极片为碳纳米纤维和石墨烯复合的材
料，碳纳米纤维由聚丙烯腈依次经过静电纺丝和碳化制得，碳纳米纤维的直径为200
‑
500nm，在该范围内，碳纳米纤维分布均匀且具有一定的力学性能，当碳纳米纤维的直径小于200nm，碳纳米纤维之间容易产生相互粘结，造成柔性电池极片内部纤维粗细不均匀，降低了材料的均一性和稳定性，进而降低了柔性电池极片的比容量；当碳纳米纤维的直径大于500nm，则容易导致柔性电池极片内部纤维力学性能不足，造成宏观柔性电池极片的柔韧性降低，致使柔性电池极片弯曲角度小且在弯曲过程容易产生断裂、掉粉等现象。
[0032]专利技术人经过理论计算及多次试验确定，石墨烯的重量分数为柔性电池极片的5
‑
40％，在该范围内，石墨烯与碳纳米纤维复合不仅提高了碳纳米纤维的柔韧性，还提高了碳纳米纤维的导电性，当石墨烯的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性电池极片，其特征在于，所述柔性电池极片包括碳纳米纤维和石墨烯，所述碳纳米纤维由聚丙烯腈依次经过静电纺丝和碳化制得，所述碳纳米纤维的直径为200
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500nm，所述石墨烯的重量分数为所述柔性电池极片的5
‑
40％，所述柔性电池极片的厚度为0.2
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2mm。2.根据权利要求1所述的柔性电池极片，其特征在于，所述柔性电池极片由以下步骤制得：S1:将所述聚丙烯腈溶解在二甲基甲酰胺溶液中再加入所述石墨烯搅拌制成静电纺丝液；S2:以铝箔为接收基底，将所述静电纺丝液制备成石墨烯复合的纳米纤维片；S3:所述石墨烯复合的纳米纤维片进行碳化处理得到所述柔性电池极片。3.根据权利要求2所述的柔性电池极片，其特征在于，在步骤S1中，所述石墨烯与所述聚丙烯腈的重量比为(5
‑
40)：(60
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95)。4.根据权利要求2所述的柔性电池极片，其特征在于，在步骤S2中，将所述静电纺丝液注入10ml注射器中，所述注射器推动速度为0.002mm/s，电压为15...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建兴，魏世伟，王孝广，方波，曹礼洪，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：