一种聚酰亚胺复合碳气凝胶锂电池正极浆料、正极片及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种聚酰亚胺复合碳气凝胶锂电池正极片及其制备方法。本发明专利技术提供的制备正极片的方法通过适量原位聚合生成的聚酰亚胺颗粒嵌入碳气凝胶骨架的孔隙内部，还采用石墨烯与碳纳米管复配的新型二元导电剂替代传统导电炭黑，在聚酰亚胺复合碳气凝胶锂电池正极片中一维碳纳米管、二维片状石墨烯和三维碳气凝胶之间具有协同效应，成功在导电性极差的聚酰亚胺颗粒之间全方位构建出多重高效的三维导电网络，使得制备出的聚酰亚胺复合碳气凝胶锂电池正极片具有比容量高、倍率性能好、结构稳定性好及循环稳定性好等优势。构稳定性好及循环稳定性好等优势。

【技术实现步骤摘要】
一种聚酰亚胺复合碳气凝胶锂电池正极浆料、正极片及其制备方法


[0001]本专利技术属于锂离子电池
，具体涉及一种聚酰亚胺复合碳气凝胶锂电池正极浆料、正极片及其制备方法。

技术介绍

[0002]近些年来，锂离子电池发展十分迅猛，已经广泛应用于电动车、电子产品和各种大型储能设备中。传统的锂离子电池正极材料有磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂以及三元镍钴锰材料等，但这些无机材料大多理论容量较小、成本高昂且资源有限。因此，寻找可取代传统无机正极材料的新型电极材料刻不容缓。
[0003]与无机正极材料相比，有机聚合物正极材料尤其是共轭羰基类聚合物，由于具有理论容量高、原料丰富、环境友好、结构可设计性强且体系安全等优点，被认为是极具前景的新型电极材料之一。其中，以聚酰亚胺为代表的共轭羰基类化合物作为电池正极材料因其电化学活性高、机械性能优异且热稳定性良好等优势得到了研究者的青睐。
[0004]然而，聚酰亚胺用于锂离子电池的正极材料时，存在羰基利用率不高且电子导电性较差的问题。为此，目前针对聚酰亚胺的改性研究主要通过在制备过程中加入石墨烯、碳纳米管、炭黑等高导电碳来提高材料的羰基利用率和电子导电性，以获得电化学性能优异的电极材料。虽然现有技术中有关聚酰亚胺
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碳基复合材料用作锂离子电池正极材料的报道很多，但制备方法大多类似，往往采用原位聚合法将聚酰亚胺与一维(如碳纳米管)或者二维(如石墨烯)纳米碳材料复合，如CN111490233A(一种基于聚酰亚胺与石墨烯复合的可充电镁电池正极材料及其制备方法)。但是，为了在聚酰亚胺电极内部能够建立高效的导电网络，导电剂的添加量要求往往较高(通常含量在30～70wt％之间)，而导电添加剂本身并不能提供嵌脱锂容量，添加量较多反而会导致锂电池比能量与比功率降低，限制其商业化应用前景。

技术实现思路

[0005]为了解决以上技术问题，本专利技术提供了一种聚酰亚胺复合碳气凝胶锂电池正极浆料、正极片及其制备方法。具体方案如下：
[0006]一种聚酰亚胺复合碳气凝胶锂电池正极浆料，包括活性物质、导电剂和粘结剂；所述活性物质为聚酰亚胺复合碳气凝胶，所述导电剂为石墨烯与碳纳米管的组合，石墨烯与碳纳米管的质量比为1：2～3。
[0007]所述活性物质、导电剂和粘结剂的质量比为80～90:1～5:5～10。
[0008]所述粘结剂为PTFE或PVDF。
[0009]一种上述任一项所述的聚酰亚胺复合碳气凝胶锂电池正极浆料的制备方法，包括以下步骤：
[0010](1)取聚酰亚胺复合碳气凝胶、导电剂及粘结剂混合均匀；
[0011](2)然后滴加NMP溶剂后进行搅拌，得到聚酰亚胺复合碳气凝胶正极浆料。
[0012]所述步骤(1)中聚酰亚胺复合碳气凝胶的制备方法包括以下步骤：
[0013]S1、称取一定量的二酐单体、碳气凝胶和NMP溶剂混合均匀，加入二胺单体，在搅拌条件下加热回流反应；
[0014]S2、收集反应产物，然后洗涤和干燥处理；
[0015]S3、最后在氩气气氛下对产物进行热处理，制得聚酰亚胺复合碳气凝胶。
[0016]所述步骤S1中加入的二胺单体与二酐单体与碳气凝胶的摩尔比为1：1，加入的所述二酐单体与碳气凝胶的摩尔比为2：1～5。
[0017]所述步骤S1中二酐单体为1,4,5,8
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萘四甲基酸酐单体、均苯四甲基酸酐单体或3,4,9,10
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苝四羧酸二酐单体。
[0018]所述步骤S1中乙二胺、对苯二胺或己二胺。
[0019]所述步骤S1中碳气凝胶是通过以下步骤制备：
[0020]步骤1、将间苯二酚(R)、甲醛(F)、碳酸钠(C)和水(W)按摩尔比R/F＝1:2、R/C＝100～1500及W/R＝4～90混合并搅拌形成均一溶液，注入圆柱形模具中，在常温下静置16～24H，得到溶胶；
[0021]步骤2、将步骤1中所得溶胶在温度为40～60℃的条件下进行水浴加热16～24H，待溶胶凝胶后再在温度为60～80℃的条件下进行老化16～24H，得到暗红色水凝胶；
[0022]步骤3、将步骤2中所得水凝胶样品放入乙醇溶剂中浸泡4～6天，每隔8H更换一次乙醇；
[0023]步骤4、最后将步骤3中所得水凝胶进行超临界干燥得到气凝胶；
[0024]步骤5、将气凝胶在真空条件下进行炭化处理，控制温度以每2～5℃/min的速度升温至800～1000℃，再保温2H得到碳气凝胶材料。
[0025]所述步骤S2中洗涤的试剂为NMP溶剂和丙酮中的一种或多种；
[0026]所述步骤S2中干燥温度为80～120℃，干燥时间为8～12H。
[0027]所述步骤S3中热处理的温度为250～300℃，时间为6～10H。
[0028]一种锂电池电极片，包括正极集流体和涂敷在正极集流体上的正极浆料，所述正极浆料为上述任意一项所述的聚酰亚胺复合碳气凝胶锂电池正极浆料。
[0029]一种锂电池，包括正极片、负极片、隔膜和电解液，所述正极片为上述锂电池正极片。
[0030]相比现有技术，本专利技术有益效果如下：
[0031](1)本专利技术方法通过适量原位聚合生成的聚酰亚胺颗粒嵌入碳气凝胶骨架的孔隙内部，形成完整填充，实现碳气凝胶和聚酰亚胺的紧密接触，聚酰亚胺颗粒外部碳气凝胶三维导电网络的包裹有效促进了电子的快速传输；限域在相互连通的3D纳米孔内部的聚酰亚胺颗粒有利于实现聚酰亚胺颗粒的均匀分散并减少团聚，以暴露出更多的反应活性位点，并提高循环稳定性；
[0032](2)此外，本专利技术采用石墨烯与碳纳米管复配的新型二元导电剂替代传统导电炭黑，相比于导电炭黑的“点
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点”接触模型，碳纳米管的“线
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点”接触模型与石墨烯的“面
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点”接触模型共同使活性物质颗粒(聚酰亚胺复合碳气凝胶)在集流体上构建了“短程”和“长程”互补的导电网络结构，有效降低电极材料颗粒间的接触阻抗，可以有效提升整体电极的
导电性能，即使在低导电剂添加量(≤5wt％)下也能保持良好的导电性，进而增加活性物质比例，并且能提高锂离子电池的体积能量密度；
[0033](3)本专利技术提供的聚酰亚胺复合碳气凝胶锂电池正极片中一维碳纳米管、二维片状石墨烯和三维碳气凝胶之间具有协同效应，成功在导电性极差的聚酰亚胺颗粒之间全方位构建出多重高效的三维导电网络，使得制备出的聚酰亚胺复合碳气凝胶锂电池正极片具有比容量高、倍率性能好、结构稳定性好及循环稳定性好等优势；
[0034](4)本专利技术通过在碳气凝胶骨架的三维导电网络中原位聚合制备出聚酰亚胺复合碳气凝胶，制备方法简单高效，且无副反应发生。
具体实施方式
[0035]下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本专利技术并能予以实施，但所举实施例不作为对本专利技术的限定。
[0036]除非另有定义，本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种聚酰亚胺复合碳气凝胶锂电池正极浆料，其特征在于，包括活性物质、导电剂和粘结剂；所述活性物质为聚酰亚胺复合碳气凝胶，所述导电剂为石墨烯与碳纳米管的组合，石墨烯与碳纳米管的质量比为1：2～3。2.如权利要求1所述的一种聚酰亚胺复合碳气凝胶锂电池正极浆料，其特征在于，所述活性物质、导电剂和粘结剂的质量比为80～90:1～5:5～10。3.如权利要求1所述的一种聚酰亚胺复合碳气凝胶锂电池正极浆料，其特征在于，所述粘结剂为PTFE或PVDF。4.一种权利要求1～3任一项所述的聚酰亚胺复合碳气凝胶锂电池正极浆料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)取聚酰亚胺复合碳气凝胶、导电剂及粘结剂混合均匀；(2)然后滴加NMP溶剂后进行搅拌，得到聚酰亚胺复合碳气凝胶正极浆料。5.如权利要求4所述聚酰亚胺复合碳气凝胶锂电池正极浆料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中聚酰亚胺复合碳气凝胶的制备方法包括以下步骤：S1、称取一定量的二酐单体、碳气凝胶和NMP溶剂混合均匀，加入二胺单体，在搅拌条件下加热回流反应；S2、收集反应产物，然后洗涤和干燥处理；S3、最后在氩气气氛下对产物进行热处理，制得聚酰亚胺复合碳气凝胶。6.如权利要求5所述聚酰亚胺复合碳气凝胶锂电池正极浆料的制备方法，其特征在于，步骤S1中加入的所述二胺单体与所述二酐单体与碳气凝胶的摩尔比为1：1，加入的所述二酐单体与所述碳气凝胶的摩尔比为2：1～5。7.如权利要求5所述聚酰亚胺复合碳气凝...

【专利技术属性】
技术研发人员：何睿，曹琪，吴笕筠，张鑫，
申请(专利权)人：武汉中科先进材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：