【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于储能电极材料制备方法，具体涉及电极-集流体一体化极片的制备方法。
技术介绍
1、作为电池重要组成部分之一的极片，是发生电化学储能本质——氧化/还原反应的载体，其结构特征和活性物质载量都深刻影响着成品电池的电化学、使用性能。在制备传统涂覆极片的过程中，通常需加入成本高昂的导电剂和粘结剂，二者共同决定了活性物质的微环境，即由导电剂构建的局部电子传输网络和由贯通孔隙(组装成电池后将充盈电解质)构建的局部离子传输网络。除增加制造成本外，还会带来有毒粘结剂溶剂的挥发问题。且导电剂和粘结剂的加入将带来额外质量，导致活性物质的极片质量占比降低，这将不利于高能量密度电化学储能器件的实现。因此，虽然涂覆极片现已实现商业应用，但诸多研究者仍在为了减少导电剂、粘结剂用量和提高活性物质载量而进行大量研究。
2、近年兴起的生物质自支撑载硫电极则成功解决了传统涂覆硫极片导电剂、粘结剂占据极片质量和活性物质硫负载量难以提升导致的电池能量密度低下问题。生物质自支撑电极通常以具有多级孔结构和丰富有机大分子的生物质作为绿色碳源，经修饰、高温碳化后可快速制备三维碳质骨架结构，其内部具有的众多微/纳米孔隙可作为活性物质负载位点和电解质渗透通道。三维碳质骨架结构在有效束缚活性物质的同时，还能作为电子快速传输通道。因此，该种极片可实现活性物质硫的高量负载，且在制备过程中无须加入导电剂和粘结剂。但值得注意的是，生物质自支撑电极主体骨架结构材料为塑、韧性极低的碳，载硫的方式借助了硫熔沸点较低的特性，且生物质自支撑电极在电池组装和使用过程中易发生极片碎
3、因此，能否提供一种无需加入导电剂、粘结剂，且可实现电极材料高负载量的高机械强度极片的制备方法成为了提高电池能量密度、功率密度和累积容量等相关电池性能优化研究的关键。
技术实现思路
1、本专利技术目的在于提供电极-集流体一体化极片的制备方法，解决了现有涂覆极片制备过程中仍无法摆脱使用导电剂、粘结剂的问题。
2、本专利技术所采用的第一种技术方案是，电极-集流体一体化极片的制备方法，具体操作步骤如下：
3、步骤1：按一定比例将不同粒径的电极材料粉末、集流体材料粉末混合，经混粉工序实现二者均匀分布，得到电极/集流体混合粉末。
4、步骤2：在模具中平铺一定厚度且粒径均一的集流体粉末，再将步骤1所得电极/集流体混合粉末覆于其上，经预压形成坯块，得到电极/集流体混合粉末坯体。
5、步骤3：将步骤2所得电极/集流体混合粉末坯体连同模具置于惰性气氛/真空热压烧结炉中加压升温烧结后冷却，得到电极/集流体一体化极片块体。
6、步骤4：将步骤3所得电极/集流体一体化极片块体经轧制后，裁剪成所需规整形状，得到电极/集流体一体化极片。
7、本专利技术的特点还在于，
8、优选的，步骤1中的电极材料包括但不限于碳含量范围为0～50wt.％的磷酸铁锂、磷酸钒锂、磷酸钒钠和钒酸锂等电极材料，或其离子掺杂改性材料；集流体材料包括但不限于铝和铜等；集流体材料粉末颗粒形状包括但不限于球形、近球形、多角形、片状、树枝状、不规则形、多孔海绵状和碟状；
9、优选的，步骤1中的电极材料粉末和集流体材料粉末的粒径范围为0.05～25μm；电极材料粉末和集流体材料粉末的质量比为0.5～2；步骤1中的混粉工序包括但不限于三维振动混粉、滚动混粉和球磨混粉等，混粉时长为0.5～12h。
10、优选的，步骤2中的模具中先覆上厚度范围为0.02～0.5mm的石墨纸；步骤2中的集流体粉末粒径为0.05～25μm；步骤2中的平铺集流体粉末的厚度占总装填粉末松装厚度的5～20％；所述步骤2中的预压压力为0～100mpa，保压时长为0～20s。
11、优选的，步骤3中的加压升温烧结过程的加载压力范围为0～10mpa，烧结温度为集流体材料熔点的0.7～0.8，升温速率为5～100℃/min，保温时长为0.5～6h。
12、优选的，步骤4中的轧制包含若干次热轧和一次冷轧，热轧温度为350～600℃，预热保温时长为30min，单次压下率为10％～60％；冷轧最终厚度为0.1～0.5mm。
13、本专利技术所采用的第二种技术方案是，电极-集流体一体化极片的制备方法，具体操作步骤如下：
14、步骤1：按一定比例将不同粒径的电极材料粉末、集流体材料粉末混合，经混粉工序实现二者的均匀分布，得到电极/集流体混合粉末；
15、步骤2：将步骤1所得电极/集流体混合粉末松装填充于覆有石墨纸的模具内；
16、步骤3：将集流体材料加热融化，浇注至步骤2装填有电极/集流体混合粉末的模具内冷却，得到电极/集流体一体化极片块体；
17、步骤4：将步骤3所得电极/集流体一体化极片块体预处理，经轧制后，裁剪成所需规整形状，得到电极/集流体一体化极片。
18、本专利技术的特点还在于，
19、优选的，步骤1电极材料包括碳含量范围为0～50wt.％的磷酸铁锂、磷酸钒锂、磷酸钒钠、钒酸锂或其离子掺杂改性材料；所述集流体材料包括铝和铜；所述集流体材料粉末颗粒形状包括球形、近球形、多角形、片状、树枝状、不规则形、多孔海绵状和碟状；
20、优选的，电极材料粉末和集流体材料粉末的粒径范围为0.05～25μm；电极材料粉末和集流体材料粉末的质量比为1～3；混粉工序包括三维振动混粉、滚动混粉和球磨混粉等，混粉时长为0.5～12h。
21、优选的，步骤2的模具中先覆上厚度为0.02～0.5mm的石墨纸；所述松装装填厚度为2～5mm。
22、优选的，步骤3融化温度为高于集流体材料熔点50～150℃；保温时长为5～30min。
23、优选的，步骤4轧制包含若干次热轧和一次冷轧，热轧温度为350～600℃，预热保温时长为30min，单次压下率为10％～60％；冷轧最终厚度为0.1～0.5mm。
24、本专利技术的有益效果是：
25、(1)本专利技术采用粉末冶金法，在合理设计电极材料粉末和集流体材料粉末比例的基础上，采用固相烧结或熔渗工艺，实现电极材料粉末填充集流体基质单向孔道阵列，从而制备电极/集流体一体化极片。制备方法简单，无需额外引入传统涂覆电极的导电剂、粘结剂和相应溶剂，生产成本降低，极具商业化潜力。
26、(2)本专利技术利用不同形貌、粒径粉末搭配可制备连续孔道结构的特性，一步制备电极材料填充集流体孔道阵列一体化极片。以导电性能更为优异的集流体材料发挥传统涂覆极片所用导电剂的高效传输电子作用，并利用集流体材料的延展性实现其与电极材料的机械连接，建立长程导电通路的同时，实现电解质的有效浸润，有利于成品电池高功率密度的实现。
27、(3)本专利技术设计的电极/集流体一体化极片，无需额外引入粘结剂和导电剂，极片质量仅由电极材料和集流体基质两部分构成本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.电极-集流体一体化极片的制备方法，其特征在于，具体如下：
2.根据权利要求1所述的电极-集流体一体化极片的制备方法，其特征在于，步骤1所述电极材料包括碳含量范围为0～50wt.％的磷酸铁锂、磷酸钒锂、磷酸钒钠、钒酸锂或其离子掺杂改性材料；所述集流体材料包括铝和铜；所述集流体材料粉末颗粒形状包括球形、近球形、多角形、片状、树枝状、不规则形、多孔海绵状和碟状；所述电极材料粉末和集流体材料粉末的粒径范围均为0.05～25μm；所述电极材料粉末和集流体材料粉末的质量比为0.5～2：1；所述混粉工序包括三维振动混粉、滚动混粉和球磨混粉，混粉时长为0.5～12h。
3.根据权利要求1所述的电极-集流体一体化极片的制备方法，其特征在于，步骤2所述模具中先覆上厚度为0.02～0.5mm的石墨纸；所述集流体粉末粒径为0.05～25μm；其中，平铺集流体粉末的厚度占总装填粉末松装厚度的5-20％；所述预压压力为0～100MPa，保压时长为0～20s。
4.根据权利要求1所述的电极-集流体一体化极片的制备方法，其特征在于，步骤3所述加压升温烧结过程的加载压力为0
5.根据权利要求1所述的电极-集流体一体化极片的制备方法，其特征在于，步骤4所述轧制包含若干次热轧和一次冷轧，热轧温度为350～600℃，预热保温时长为30min，单次压下率为10％～60％；冷轧最终厚度为0.1～0.5mm。
6.电极-集流体一体化极片的制备方法，其特征在于，具体操作步骤如下：
7.根据权利要求6所述的电极-集流体一体化极片的制备方法，其特征在于步骤1所述电极材料包括碳含量范围为0～50wt.％的磷酸铁锂、磷酸钒锂、磷酸钒钠、钒酸锂或其离子掺杂改性材料；所述集流体材料包括铝和铜；所述集流体材料粉末颗粒形状包括球形、近球形、多角形、片状、树枝状、不规则形、多孔海绵状和碟状；所述电极材料粉末和集流体材料粉末的粒径范围为0.05～25μm；所述电极材料粉末和集流体材料粉末的质量比为1～3；所述混粉工序包括三维振动混粉、滚动混粉和球磨混粉，混粉时长为0.5～12h。
8.根据权利要求6所述的电极-集流体一体化极片的制备方法，其特征在于步骤2所述模具中先覆上厚度为0.02～0.5mm的石墨纸；所述松装装填厚度为2～5mm。
9.根据权利要求6所述的电极-集流体一体化极片的制备方法，其特征在于步骤3所述融化温度为高于集流体材料熔点50～150℃；保温时长为5～30min。
10.根据权利要求6所述的电极-集流体一体化极片的制备方法，其特征在于步骤4轧制包含若干次热轧和一次冷轧，热轧温度为350～600℃，预热保温时长为30min，单次压下率为10％～60％；冷轧最终厚度为0.1～0.5mm。
...【技术特征摘要】
1.电极-集流体一体化极片的制备方法，其特征在于，具体如下：
2.根据权利要求1所述的电极-集流体一体化极片的制备方法，其特征在于，步骤1所述电极材料包括碳含量范围为0～50wt.％的磷酸铁锂、磷酸钒锂、磷酸钒钠、钒酸锂或其离子掺杂改性材料；所述集流体材料包括铝和铜；所述集流体材料粉末颗粒形状包括球形、近球形、多角形、片状、树枝状、不规则形、多孔海绵状和碟状；所述电极材料粉末和集流体材料粉末的粒径范围均为0.05～25μm；所述电极材料粉末和集流体材料粉末的质量比为0.5～2：1；所述混粉工序包括三维振动混粉、滚动混粉和球磨混粉，混粉时长为0.5～12h。
3.根据权利要求1所述的电极-集流体一体化极片的制备方法，其特征在于，步骤2所述模具中先覆上厚度为0.02～0.5mm的石墨纸；所述集流体粉末粒径为0.05～25μm；其中，平铺集流体粉末的厚度占总装填粉末松装厚度的5-20％；所述预压压力为0～100mpa，保压时长为0～20s。
4.根据权利要求1所述的电极-集流体一体化极片的制备方法，其特征在于，步骤3所述加压升温烧结过程的加载压力为0～10mpa，烧结温度为集流体材料熔点的0.7～0.8，升温速率为5～100℃/min，保温时长为0.5～6h。
5.根据权利要求1所述的电极-集流体一体化极片的制备方法，其特征在于，步骤4所述轧制包含若干次热轧和一次冷轧，热轧温度为350～6...
【专利技术属性】
技术研发人员：燕映霖，许荣富，王献辉，吴天锁，杨蓉，荆甲武，钟黎声，段凯，余子侁，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：
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