一种基于超高长径比、海绵状碳化蚕丝基底高负载量电极的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于超高长径比、海绵状碳化蚕丝基底高负载量电极的制备方法，属于二次电池领域。所述蚕丝原材料包括各种蚕丝纺织物如蚕丝绒，蚕丝布，蚕丝毡等。将原料蚕丝进行高温碳化处理，由于其具有超高长径比的蚕丝纤维、及海绵状结构的特性，可以将其用作电池极片的基底，承载电池活性材料浆料，制作具有高负载量的电极。这对提升电池能量密度具有重要意义，且所用原料为商业常用原料，原材料来源广泛、环境友好，有利于实际应用。有利于实际应用。有利于实际应用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超高长径比、海绵状碳化蚕丝基底高负载量电极的制备方法


[0001]本专利技术属于二次电池
，具体涉及一种基于超高长径比、海绵状碳化蚕丝基底高负载量电极的制备方法。

技术介绍

[0002]二次电池作为能源储存和释放的介质，在社会的生产生活中发挥了重要的作用。目前锂离子二次电池已经得到了大规模的商业应用。但是随着应用需求的进一步提高，提升锂离子电池能量密度是目前孜孜以求的。一方面，研究者们在不断开发新的高能量密度的电池材料，或者研究扩宽电解液电压窗口，即从电池的化学体系出发提升电池能量密度，但另一方面，在当前成熟的电池电化学体系下，提升电极的活性材料负载量，制造具有高负载量的电极极片，则可以减少非活性组分如集流体箔片，隔膜等的相对占比，从而在现有体系的基础上，继续提高电池的能量密度。而当前普遍使用的湿法电池浆料刮涂技术，在制备更高负载量更厚电池极片的时候，最大的问题是得到的极片机械强度过低，极片不易成型，当涂覆的浆料过多时，由于浆料的内聚力不足，干燥过程溶剂挥发产生的应力释放，导致得到的极片很容易出现开裂，涂覆过厚时，粘结剂和集流体箔片之间的粘结性不足，极片会出现破损，活性材料剥离，掉粉严重等问题。面对这一问题，一些研究者开发了不同于常规金属箔片（铝箔，铜箔）的具有三维支撑结构的基底用以作为极片的集流体且能负载更多的活性物质，如泡沫镍，泡沫铜等。

技术实现思路

[0003]针对二次电池特别是锂离子电池电极负载量难以进一步提高的问题，本专利技术提供了一种基于超高长径比、海绵状碳化蚕丝基底高负载量电极的制备方法。
[0004]本专利技术的技术方案：一种基于超高长径比、海绵状碳化蚕丝基底高负载量电极的制备方法，包括以下步骤：（1）碳化蚕丝基底的制备：对原材料蚕丝基质做清洗，然后在惰性气氛状态下进行高温碳化处理，以一定的加热温度对蚕丝基质进行加热，并保持一定时间，最终得到碳化产物，并使其保持蚕丝基质本身固有的具有超高长径比的柔性纤维结构。
[0005]（2）高负载量电极的制备：将电池活性材料，粘结剂，导电添加剂等按一定比例混合均匀，然后填充在步骤（1）所得碳化蚕丝基底之中。
[0006]优选的，步骤（1）中，原材料蚕丝基质包括蚕丝纺织品，具体可以为如蚕丝布，蚕丝毡，蚕丝绒等。
[0007]优选的，步骤（1）中，惰性气氛为氩气气氛、氮气气氛的一种。
[0008]优选的，步骤（1）中，对蚕丝基质进行加热的加热温度为600
‑
1000℃。
[0009]优选的，步骤（1）中，对蚕丝基质进行加热的保持时间为1
‑
12小时。
[0010]优选的，步骤（2）中，电极活性材料为正极材料磷酸铁锂（LiFePO4）、钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4），三元材料NCM622、三元材料NCM811中的一种；负极材料为天然石墨、人造石墨、硬碳、软碳、硅碳负极中的一种；粘结剂为聚偏氟乙烯，羧甲基纤维素钠，丁苯橡胶，聚丙烯酸，聚四氟乙烯中的一种或几种；导电添加剂为乙炔黑、科琴黑、碳纳米管、导电石墨中的一种或几种。
[0011]优选的，步骤（2）中，电极活性材料，粘结剂，导电添加剂的混合比例按照质量比为(70
‑
97.5) : (2.5
‑
30) : (2.5
‑
30)。
[0012]优选的，步骤（2）中，填充方式为浇筑、抽滤、熔融灌注中的一种。
[0013]由于上述技术方案的应用，本专利技术和现有技术相比具有以下有益效果：本专利技术使用了蚕丝基质作为原料，在高温碳化过程中保留了其本身固有具有超高长径比的柔性纤维结构。利用这一特性，将电极浆料浇筑填充在基底之中，制作得到高负载量电极极片，电极的活性材料负载量远超现有水准，为电池提供了超高的面容量。同时碳化蚕丝纤维基底构建了电极整体的三维电子导电网络，提高了电极的电子传导。而且，本专利技术所用原材料来源广泛，环境友好，有利于实际应用。
附图说明
[0014]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本专利技术的范畴。
[0015]图1为原材料蚕丝(a) (b)和碳化蚕丝(c) (d)在不同放大倍数下的扫描电镜测试图；图2为碳化蚕丝的X射线粉末衍射图；图3为高负载量电极的光学图片，以及宏观上电极厚度(a)和直径(b)测试；图4为高负载量电极侧截面(a)，表面(b)以及内部(c) (d)的扫描电镜测试图；图5为高负载量电极组装的对锂半电池的电化学性能测试结果，(a) (b)是不同负载量电池在不同电流密度下的质量比容量/面容量
‑
电压曲线图；(c)(d)是不同负载量电池在1mA/cm2的电流密度下的循环测试结果，充放电容量
‑
库伦效率
‑
循环圈数图；图6为超高负载量电极组装的对锂半电池的电化学性能测试结果，容量
‑
电压曲线图。
具体实施方式
[0016]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作进一步的详细描述。
[0017]实施例1碳化蚕丝的制备和表征使用乙醇对蚕丝绒清洗3遍并在60 ℃烘箱放置1小时进行烘干，然后置于管式炉中，在管式炉通入氩气气氛，设置升温速度为5℃/min加热至800 ℃，并保持800 ℃温度2 h，待管式炉温度降至室温后，取出样品，使用乙醇清洗3遍并在60℃烘箱烘干1小时，即得到
碳化后的电极基底，所得的碳化蚕丝仍基本保持原有的蓬松的柔性纤维结构。图1 (a) (b)是原始材料蚕丝的扫描电子显微镜检测图，其内部具有交联的蚕丝纤维，纤维宽度达10微米以上，径长可达到毫米到厘米级别，具有千倍以上的长径比；图1(c) (d)是经过高温碳化处理后的碳化蚕丝的扫描电子显微镜检测图，可以观察到碳化蚕丝的纤维结构特别是超高长径比的柔性纤维得到很好的保留。图2是对高温碳化后的样品进行X射线衍射检测图，蚕丝经过高温碳化处理后，转变为无定形碳材料，这给电极带来了良好的电子导电性。
[0018]实施例2高负载量电极的制备和表征按照磷酸铁锂:科琴黑:聚偏氟乙烯＝90:5:5的质量比例称取物料共1 g，混合均匀后加入N
‑
甲基吡咯烷酮作为溶剂，配制好电极浆料继续混合搅拌12小时。将电极浆料浇筑在高温处理后得到的碳化蚕丝电极基底中，然后在80℃烘箱中干燥12小时去除溶剂，即得到高负载量电极，将其冲切为直径12毫米的圆形极片，如图3所示为高负载量电极的光学图片。极片的扫描电子显微镜检测图如图4所示，图4(a)为高负载量电极的侧截面，图4 (b)为极片的表面，可以看到相对均匀的物料表面分布，图4 (c) (d)为电极侧截面的内部放大图，可以观察到电极内部分布着交联的碳化蚕丝纤维，这既起到了整本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超高长径比、海绵状碳化蚕丝基底高负载量电极的制备方法，包括如下步骤：（1）碳化蚕丝基底的制备：对原材料蚕丝基质做清洗，然后在惰性气氛状态下进行高温碳化处理，以一定的加热温度对蚕丝基质进行加热，并保持一定时间，最终得到碳化产物，并使其保持蚕丝基质本身固有的具有超高长径比的柔性纤维结构；（2）高负载量电极的制备：将电池活性材料，粘结剂，导电添加剂等按一定比例混合均匀，然后填充在步骤（1）所得碳化蚕丝基底之中。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，原材料蚕丝基质为蚕丝纺织品。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，惰性气氛为氩气气氛、氮气气氛的一种。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，对蚕丝基质进行加热的加热温度为600
‑
1000℃。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，对蚕丝基...

【专利技术属性】
技术研发人员：张焱焱，林建成，汤育欣，朱梦宇，侯琳熙，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：