一种新型碳纳米管薄膜电池集流体及其制备方法技术

本发明专利技术属于锂电池技术领域内，发明专利技术了一种新型碳纳米管薄膜电池集流体，以及制备方法。主要制备步骤包括：用浮动床催化方法制备可连续收集的碳纳米管薄膜；将碳纳米管薄膜辊压致密化，以增强碳纳米管薄膜的强度；用电解法去除薄膜内的金属催化剂；碳纳米管薄膜经过有收放卷的烘箱干燥；纯化后的碳纳米管薄膜PVD溅射一层铜或铝，增强了碳纳米管膜的载流子能力；通过收卷后得到完全替代目前的铜箔或铝箔集流体。通过本步骤方法制备的碳纳米管薄膜电池集流体，镀铝的碳纳米管集流体的铝膜厚度在0.5

【技术实现步骤摘要】
一种新型碳纳米管薄膜电池集流体及其制备方法


[0001]本专利技术属于锂电池
，具体涉及专利技术一种新型碳纳米管薄膜电池集流体及其制备方法。

技术介绍

[0002]目前锂电池使用的集流体分别为铜箔和铝箔，还有部分电池为了更好的导电性和附着力，会在金属集流体上涂覆一层导电浆，如石墨烯，碳纳米管或乙炔黑导电浆料，通过导电浆中的粘接剂与集流体连接，这样的高分子粘接剂有可能带来电导率下降，并且热传导性能受影响等问题，从而影响电池的倍率性能。并且铜箔的价格受市场影响波动较大，而铝箔在电池中在极端情况下会发生铝热反应，加剧电池的起火爆炸风险，因此需要采用极少量的铝涂层替代铝箔，极少量的铜涂层替代铜箔的集流体。

技术实现思路

[0003]本专利技术主要是提供一种新型碳纳米管薄膜电池集流体，本专利技术解决的问题，该碳纳米管膜镀铜/铝的集流体，替代了铜箔、铝箔集流体应用于锂电池中，比传统的铜箔、铝箔更轻，柔韧性更好，在极端条件下抑制了铝热反应，提高了电池的安全性能和抗腐蚀能力。
[0004]本专利技术还提供了上述新型碳纳米管薄膜电池集流体的制备方法，具体制备步骤如下：
[0005]1.用浮动床催化方法制备可连续收集的碳纳米管薄膜；
[0006]2.为了增强碳纳米管薄膜的强度，将碳纳米管薄膜辊压致密化；
[0007]3.用电解法去除薄膜内的金属催化剂；
[0008]4.碳纳米管薄膜经过有收放卷的烘箱干燥；
[0009]5.纯化后的碳纳米管薄膜PVD溅射一层铜或铝，增强碳纳米管膜的载流子能力；
[0010]6.收卷后得到完全替代目前的铜箔或铝箔集流体。
[0011]通过本方法制备的碳纳米管薄膜电池集流体，镀铝的碳纳米管集流体的铝膜厚度在0.5
‑
2微米，只有目前铝箔的20％的厚度，部分解决了锂电池在短路时电池起火或爆炸，因为电池爆炸的原因很有可能是铝箔在高温条件下发生铝热反应，进一步释放大量的热，甚至产生爆炸。镀铜的负极集流体镀铜的厚度0.5
‑
2微米，也是目前铜箔铜的用量的10％，降低了铜的用量，增加了电池的重量能量密度。
[0012]下面主要介绍上述具体操作步骤中涉及内容要点。
[0013]步骤1中，多壁碳纳米管膜，采用的制备装置如图1所示，使用该装置制备过程为：
[0014](1)用浮动床催化剂方法制备碳纳米管絮，在管式炉的出料口加一个成膜收卷装置；
[0015](2)该碳纳米管膜连续收卷，长和宽可控；
[0016](3)该碳纳米管薄膜的厚度可以通过控制收卷电机的转速调节；
[0017](4)收料器温度不超过80度，温度可通过补充的氮气流量控制；
[0018](5)收料器的底部有出气口，与一水槽相连，解决了惰性气体环境的气密性。
[0019]步骤2中，为了后续工艺的连续化操作，碳纳米管薄膜的拉伸强度≥200MPa，将步骤1中的碳纳米管薄膜在橡胶辊的对辊机中辊压，进一步致密化碳纳米管薄膜，辊压的压力在200
‑
1500N/cm间调节；优选500
‑
1000N/cm。
[0020]步骤3中，在完整保持碳纳米管薄膜的形态及功能的前提条件下，用电极氧化法除碳纳米管薄膜中催化剂；碳纳米管去除催化剂，通常是在强酸条件下，加热，利用催化剂与酸反应生成溶于水的盐，然后经过多次和压滤洗涤的工艺去除，这对于没有形态要求的碳纳米管完全可以。而本专利技术必须保持碳纳米管薄膜的形态，因开发出利用连续导电性能良好的碳纳米管薄膜这个特性，本专利技术采用氧化电解的方法除去薄膜中的金属催化剂。
[0021]去除碳纳米管薄膜催化剂的工艺图，如图2所示，使用该工艺，具体如下：
[0022](1)通过放卷装置，不锈钢辊与电源正极连接，调节张力，碳纳米管膜与辊接触良好，整个碳纳米管膜属于电解氧化的阳极；
[0023](2)电解氧化槽槽体为耐酸的PP材质，在槽体距离槽底20cm处，两端分别有两个辊，该辊轴是耐酸的纯钛材质，碳纳米管膜穿过该钛辊；
[0024](3)在PP槽的两侧装有两块石墨电极，石墨与电源负极相接；
[0025](4)槽体内的酸为稀硫酸/盐酸/硝酸，酸的浓度在2
‑
8％，优选为3
‑
5％；
[0026](5)调节合适的电压，电压范围1
‑
20V，电流范围0.1
‑
10A，碳纳米管膜中的铁在电解氧化反应中Fe
‑
2e＝Fe
2+
，在阴极石墨上发生的还原反应是2H
+
+2e＝H2，氢气被排风罩内的风机迅速抽走，在线检测氧化槽内的PH值，一直保持PH＜2即可；
[0027](6)通过控制碳纳米管膜的收卷速度，从而调节在氧化槽内的反应时间，碳纳米管薄膜的收卷速度在0.1
‑
1m/min，优选0.2
‑
0.6m/min；
[0028](7)氧化槽后是四个纯水清洗槽，洗去催化剂盐和多余的酸，每个槽长6米，槽体底部装有两根钛辊，碳纳米管膜穿过两个辊，清洗槽的底部和两侧均装有多个超声波清洗探头，通过超声波的空穴作用，清洗附着在碳纳米管膜上的铁盐和多余的硫酸，经过四个清洗槽的超声清洗，碳纳米管膜的铁含量经ICP测试，＜20ppm，可以应用于锂电池；清洗槽中碳纳米管膜的收卷速度在0.1
‑
2m/min，同时用快速检测试纸监测2，3号清洗槽中的铁离子浓度，如果超过5mg/L的浓度，重新更清洗槽内纯水。
[0029]步骤4中，碳纳米管膜的烘烤，清洗合格的碳纳米管膜经过12米长的烘箱烘烤，如图3所示，具体工艺参数如下：
[0030](1)调节收卷速度，收卷速度为2
‑
4m/min；
[0031](2)烘箱的温度：第一节烘箱的温度设定为75
‑
95度，第二节烘箱温度在90
‑
110度，第三节在90
‑
130度，第四节在90
‑
100度间；
[0032]步骤5中，给烘干后的碳纳米管膜PVD溅射铜或铝，具体工艺流程及相关参数为：
[0033](1)在卷对卷PVD设备中，装上4个纯度在99.999％的铜靶，正反面各镀一次，保证在膜两面均匀的镀上金属铜；
[0034](2)通过控制电源的功率，调节收卷的速度，调节在碳纳米管膜的镀层厚度，镀层铜的厚度为0.5
‑
1微米，优选为0.5
‑
0.8微米。
[0035](3)在卷对卷PVD设备中，装上4个纯度在99.999％的铝靶，正反面各镀一次保证在膜两面均匀的镀上金属铝。
[0036](4)通过控制电源的功率，调节收卷的速度，调节在碳纳米管膜的镀层厚度，镀层铝的厚度为0.5
‑
1微米，优选为0.5
‑
0.8微米。
附本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型碳纳米管薄膜电池集流体的制备方法，其主要步骤为：步骤1：用浮动床催化方法制备可连续收集的碳纳米管薄膜；步骤2：为了增强碳纳米管薄膜的强度，将碳纳米管薄膜辊压致密化；步骤3：用电解法去除薄膜内的金属催化剂；步骤4：碳纳米管薄膜经过有收放卷的烘箱干燥；步骤5：纯化后的碳纳米管薄膜PVD溅射一层铜或铝，增强碳纳米管膜的载流子能力；步骤6：收卷后得到完全替代目前的铜箔或铝箔集流体。2.根据权利要求1所述步骤1中的碳纳米管薄膜的制备其特征在于，用浮动床催化剂方法制备碳纳米管絮，在管式炉的出料口加一个成膜收卷装置；该碳纳米管膜连续收卷，长和宽可控；该碳纳米管薄膜的厚度可以通过控制收卷电机的转速调节；收料器温度不超过80度，温度可通过补充的氮气流量控制；收料器的底部有出气口，与一水槽相连，解决了惰性气体环境的气密性。3.根据权力要求1中步骤2中所述的碳纳米管薄膜致密化的具体特征是：碳纳米管薄膜的拉伸强度≥200MPa，将步骤1中的碳纳米管薄膜在橡胶辊的对辊机中辊压，进一步致密化碳纳米管薄膜，辊压的压力在200
‑
1500N/cm间调节；优选500
‑
1000N/cm。4.根据权利要求1中步骤3中所述的电解法的具体特征是：在完整保持碳纳米管薄膜的形态及功能的前提条件下，用电极氧化法除碳纳米管薄膜中的催化剂。5.根据权利要求4中所述的电极氧化法中的具体特征是：所用到的酸为稀硫酸/盐酸/硝酸，酸的浓度在2
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8％，优选为3
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5％；涉及的电压范围1
‑
20V，电流范围0.1
‑
10A，碳纳米管膜中的铁在电解氧化反应中Fe
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【专利技术属性】
技术研发人员：许兰兰，蒋庄，彭起冲，
申请(专利权)人：深圳市智造未来创新技术有限公司，
类型：发明
国别省市：