一种锂离子电池用自支撑柔性碳纳米管纸复合电极材料，该材料以交织的碳纳米管构成碳纳米管纸网络，锂离子电池活性正极材颗粒料或负极材料颗粒与碳纳米管纸复合形成碳纳米管纸复合电极材料。该电极材料中碳纳米管构成高效的三维导电网络，为导电性较差的活性材料颗粒提供了更好的电子通道。由于无需使用粘结剂和集流体，该电极材料具有更高的活性材料比例，也进一步提高了电极材料的性能。同时，碳纳米管纸的良好机械性能使该复合电极呈现柔性特征，作为一类柔性的电极材料也有望在下一代柔性电子设备中得到广泛应用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种锂离子电池的电极材料，尤其涉及一种锂离子电池用自支撑柔性碳纳米管纸复合电极材料，属于化学工程以及能源化工领域。
技术介绍
锂离子电池作为一类具有较高的能量密度的电池目前在个人电子设备中得到广泛使用。然而，随着个人便携式设备性能的不断飞跃，其对配套能源系统的要求也不断提高，需要开发具有更高能量、更高功率密度、更长寿命、甚至具有柔性等特征的锂离子电池， 以便适合下一代电子设备的锂离子电池。锂离子电池通过锂离子在正负两极活性材料间迁移实现电能的存储和释放。该储能机制决定了两极的活性材料建立较良好的电子和离子通道。目前在锂电池中被广泛采用的正负极活性材料多为颗粒状，且大多具有较低的本征电导率，影响了电极材料的实际性能。以正极材料颗粒为例，1^&)02、1^] 11204、1^ 6 04、1^]\11^04、1^3￥2( 04)3和1^附(|.5]\1111.504 等锂离子电池正极活性材料均呈颗粒状，在加工为锂离子电池极片的过程中，需要与导电添加剂(导电碳黑等)、粘结剂(聚偏氟乙烯等)，混合形成浆料并涂覆在相应集流体(铝箔等)上形成极片。值得注意的是，极片中的粘结剂多为高分子材料，会降低材料的整体电导率，同时也会一定程度上影响极片的孔道结构；集流体的存在也使活性材料在整体极片中的质量分数下降，影响极片整体能量密度。对负极材料，如Fe304、Fe203、Sn02、Ti02、Li4Ti5012 和Si也有类似的过程。为了进一步提高正极极片的导电性，已有工作将上述导电添加剂导电碳黑置换为碳纳米管，并与粘结剂混合涂覆，此方法能一定程度上进一步改善极片的导电性(张庆堂，瞿美臻，等专利公开号CN1770515A)，但仍需使用粘结剂和集流体。如何为活性材料构建更优的电子及离子通道，并获得进一步提高活性材料在极片中质量比一直是本领域中受到普遍关注的问题。碳纳米管作为一类具有优异导电性的管状材料。得益于其优异的机械性能，较长的碳纳米管本身可以相互搭接形成纸状结构，无需任何导电剂，且该碳纳米管纸具有较好的韧性，具有柔性及弱性导电材料的特征。基于这种现象，本专利提出了一种构建基于碳纳米管纸复合材料的锂离子电池电极材料，以碳纳米管纸为骨架，将锂离子电池活性正负极材料复合其中。在该电极中，交织的碳纳米管形成优良的导电网络，并提供了合适的柔性孔道结构，使电池的活性材料能更好地发挥其性能；其优异的机械性能也避免了活性材料充放电过程中体积效应引起的同集流体剥离的现象，提高了电极材料的循环稳定性。同时，碳纳米管纸复合电极无需粘结剂及集流体，本身可直接用作极片使用，使活性材料占比相应得到提高。值得注意的是，即使在碳纳米管纸中复合活性材料颗粒，其仍然可以保持一定的柔性特征，是一种可用于柔性锂离子电池的电极材料。由此可见，若能开发一种基于碳纳米管纸复合材料的锂离子电池电极材料，则有望进一步提升电极材料的电化学性能，获得更优的能量密度，充放电性能且开发柔性等电极材料的新特征，推动锂离子电池水平的进一步提高和发展。
技术实现思路
本专利技术的目的在于改变目前锂离子电池电极材料中导电网络效率较低，且依赖粘结剂、集流体的现状，提出一种基于柔性碳纳米管纸的复合电极材料。可充分利用碳纳米管纸内优良的导电网络，并依靠其机械性能摆脱对粘结剂和集流体的依赖，进一步提高整体电极材料的性能。本专利技术的技术方案如下一种锂离子电池用自支撑柔性碳纳米管纸复合电极材料，其特征在于该复合电极材料由碳纳米管纸及锂离子电池活性材料颗粒组成；其中碳纳米管纸为碳纳米管相互交织组装形成的碳纳米管宏观体；活性材料颗粒为正极材料颗粒或负极材料颗粒；活性材料颗粒通过复合过程嵌于碳纳米管纸中，其中碳纳米管与活性材料颗粒的质量比为 I O. 05 50之间。本专利技术所述碳纳米管纸中的碳纳米管管径在I 100纳米之间，碳纳米管长度在 O. 5 2000微米之间。所述的锂离子电池正极材料颗粒为LiCo02、LiMn2O4, LiFePO4, LiMnPO4, Li3V2 (PO4) 3 和LiNia5Mk5O4中的一种或者几种；所述锂离子电池负极材料颗粒为Fe304、Fe203> SnO2, TiO2, Li4Ti5O12和Si中的一种或几种。所述活性材料颗粒尺寸在2-2000纳米之间。所述I)中碳纳米管与活性材料颗粒的复合过程包括a)碳纳米管与活性材料颗粒的机械混合，再加工形成碳纳米管纸复合电极材料；b)活性材料直接生长于碳纳米管上，再加工形成碳纳米管纸复合电极材料；c)活性材料直接生长于碳纳米管纸中，形成碳纳米管纸复合电极材料。本专利技术相比现有技术，具有如下优点及突出性效果本专利技术首次采用长碳纳米管构建的碳纳米管纸作为锂离子电池电极材料骨架，充分利用碳纳米管的导电和机械性能， 为活性材料提供了良好的电子和离子通道，同时其具有一定柔性的特点也避免了活性材料体积变化引起的容量损失。另外，该电极材料自支撑的特点使电极材料得以避免粘结剂和集流体的使用，可提高电极材料中活性物质的相应占比。该材料的出现可从电极材料的能量密度，功率性能和柔性特征等方面提高锂离子电池电极材料的性能，有助于推进锂离子电池产业的进步和发展。附图说明图I碳纳米管纸复合电极截面的扫描电子显微镜图。图2碳纳米管纸复合电极与传统碳纳米管涂膜电极的长循环性能比较图。具体实施例方式一种锂离子电池用自支撑柔性碳纳米管纸复合电极材料由碳纳米管纸作为骨架， 锂离子电池活性电极材料复合与骨架中形成。其中碳纳米管通过浮游化学气相沉积、热化学气相沉积、流化床化学气相沉积等方法制备；其碳纳米管管径分布在I 100纳米之间， 碳纳米管的长度分布在O. 5 2000微米之间。该碳纳米管材料与锂离子电池活性材料的复合可通过以下复合途径实现a)碳纳米管与活性材料颗粒的机械混合，再加工形成碳纳米管纸复合电极材料；b)活性材料直接生长于碳纳米管上，再加工形成碳纳米管纸复合电极材料；c)活性材料直接生长于碳纳米管纸中，形成碳纳米管纸复合电极材料。活性材料主要包括正极材料颗粒为LiCo02、LiMn2O4, LiFePO4, LiMnPO4, Li3V2 (PO4) 3 和 LiNia5Mnh5O4 中的一种或者几种；负极材料为 Fe3O4, Fe203、SnO2, TiO2, Li4Ti5O12 和 Si 中的一种或几种；活性材料颗粒分布为2 2000纳米。在最终的碳纳米管纸复合电极材料中，碳纳米管与活性材料的质量比为I : O. 05 50。碳纳米管或碳纳米管/活性材料复合物的成纸方式为分散在液相中形成溶液，并通过蒸发、过滤、或真空抽滤过程形成碳纳米管纸。该碳纳米管可独立存在并直接作为无粘结剂、无集流体的锂离子电池电极材料。同时，由于该碳纳米管纸复合电极提供了优良的导电网络和较好的孔道结构，使该电极体现出更好的电化学性能，是一种性能优异的自支撑锂离子电池电极材料。从以下实施例可进一步理解本专利技术，但本专利技术不仅仅局限于以下实施例。实施例I :以流化床化学气相沉积过程，蛭石为催化剂制备的管径10纳米，长度50微米的碳纳米管为原料；以商用LiFePO4 (粒径为100纳米)为正极活性材料组装碳纳米管纸复合电极材料。将碳纳米管及磷酸铁锂(LiFePO4本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：魏飞，黄佳琦，张强，刘晓斐，朱万诚，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：
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