一種基于水性粘結(jié)劑的三維電極極片的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種三維電極極片的制備方法，具體涉及一種基于水性粘結(jié)劑的三維電極極片的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著消費電子需求平穩(wěn)增長，混合動力汽車和純電動汽車迅猛發(fā)展以及新能源并網(wǎng)發(fā)電站項目建設(shè)步伐加快，高性能儲能電池成為大力發(fā)展的核心技術(shù)之一。其中，鋰離子電池因其高電壓、大容量、循環(huán)性能佳、低污染等優(yōu)點在分布式發(fā)電儲能等領(lǐng)域潛力巨大。隨著鋰離子電池性價比的不斷提升，鋰電代替鉛酸、鎳氫電池等傳統(tǒng)電池的趨勢日益明顯。鋰離子電池的性能與活性物質(zhì)材料的性能及電極片結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。目前，常見的鋰離子電池正極材料有鈷酸鋰、磷酸鐵鋰及三元材料，負極材料主要有石墨、鈦酸鋰、硅基材料、過渡金屬氧化物，上述的活性物質(zhì)(除了石墨負極)大部分都存在電子電導(dǎo)率差的問題，有些材料(例如，硅基材料及過渡金屬材料)還存在體積效應(yīng)的問題。因此，設(shè)計開發(fā)新型電極片結(jié)構(gòu)利于提高極片的電子電導(dǎo)的同時也可以起到一定的抑制活性材料的體積效應(yīng)具有一定的現(xiàn)實意義。
[0003]商業(yè)中常用的正/負極集流體為鋁/銅箔，極片的制作工藝是將含有導(dǎo)電劑，活性物質(zhì)的漿料通過粘結(jié)劑粘附于銅箔的表面，烘干后在一定壓力下滾壓得到電極極片。這種電極的界面性質(zhì)在很大程度上影響著電極片的充放電性能。同時，由于這種箔片狀集流體表面較為光滑，一些體積效應(yīng)較大的活性物質(zhì)材料在充放電過程中容易從箔片狀集流體上剝離。CN 102437313A專利采用三維多孔結(jié)構(gòu)的泡沫銅或泡沫鎳作為電極集流體，使用固相填充和壓制成型的方法制備出了一種大功率金屬鋰電池用負電極。這種方法有利于粉末鋰與電極集流體的直接接觸但粘接牢固性有待進一步改善。有文獻報道將石墨烯和硅的復(fù)合物附著于三維泡沫石墨網(wǎng)上也有利于提高電極片的電化學(xué)性能，但相對于泡沫銅或泡沫鎳而言，泡沫石墨網(wǎng)的價格較高，且延展性不足。(Adv.Mater.2013, 25，4673 - 4677)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處而提供了一種基于水性粘結(jié)劑的三維電極極片的制備方法，本發(fā)明還提供了采用該方法制備的三維電極極片，及其用途。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，所采取的技術(shù)方案:一種基于水性粘結(jié)劑的三維電極極片的制備方法，所述方法包括以下步驟:
[0006](I)將水性粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑和活性物質(zhì)混合，得到混合物后，用溶劑將所述混合物調(diào)制成漿料，然后將三維多孔結(jié)構(gòu)的泡沫金屬集流體浸泡于所述漿料中，完全浸潤后取出所述三維多孔金屬集流體；
[0007](2)將步驟(I)中得到的三維多孔金屬集流體經(jīng)過烘干、滾壓、切片后得到所述三維電極極片。
[0008]優(yōu)選地，所述步驟(I)中水性粘結(jié)劑為水溶性有機高分子材料的水溶液。
[0009]優(yōu)選地，所述步驟(I)中水溶性有機高分子材料為殼聚糖衍生物、羧甲基纖維素、海藻酸鹽、水溶性萜烯樹脂、水性聚氨酯中的至少一種。
[0010]優(yōu)選地，所述步驟⑴中導(dǎo)電劑為導(dǎo)電聚合物、導(dǎo)電碳粉、乙炔黑、石墨烯和導(dǎo)電銀粉中的至少一種；所述步驟(I)中三維多孔結(jié)構(gòu)的泡沫金屬集流體為泡沫銅、泡沫鎳和泡沫鋁中的一種；所述步驟(I)中活性物質(zhì)為磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳、鎳錳酸鋰、磷酸鎳鋰、磷酸鈷鋰、磷酸錳鋰以及富鋰固溶體正極材料中的至少一種，或者所述活性物質(zhì)為硅粉、石墨、鈦酸鋰、金屬氧化物負極材料、錫基復(fù)合負極材料和硅基復(fù)合負極材料中的至少一種。優(yōu)選地，所述步驟(I)中導(dǎo)電聚合物為聚(3，4-亞乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)、聚苯胺和聚吡咯中的至少一種。更優(yōu)選地，所述步驟(I)中導(dǎo)電劑為導(dǎo)電聚合物與導(dǎo)電碳粉、乙炔黑、石墨烯和導(dǎo)電銀粉中的一種或幾種的混合物。在本發(fā)明中當(dāng)選用負極材料作為活性物質(zhì)時，制備出的三維電極極片為三維負極電極片；當(dāng)選用正極材料作為活性物質(zhì)時，制備出的三維電極極片為三維正極電極片。
[0011]優(yōu)選地，，所述步驟⑴中以所述混合物總重量為基準(zhǔn)，所述活性物質(zhì)所占的重量百分比為70%?90%，所述水性粘結(jié)劑所占的重量百分比為1%?10%，所述導(dǎo)電劑所占的重量百分比為9%?20% ;所述步驟(I)中漿料的粘度為lOOOcps?5000cps。優(yōu)選地，所述步驟(I)中所述溶劑為水。
[0012]優(yōu)選地，所述步驟⑵中切片后在惰性氣體保護氣氛下碳化，得到所述三維電極極片。在上述過程中水性粘結(jié)劑碳化形成支撐碳層，有利于進一步提高三維電極極片的電子電導(dǎo)。
[0013]優(yōu)選地，所述步驟(2)中碳化溫度為400?600°C，碳化時間為3h。更優(yōu)選地，所述步驟(2)中碳化溫度為500°C，碳化時間為3h。
[0014]本發(fā)明提供了一種三維電極極片，所述三維電極極片是采用上述所述方法制備的。
[0015]本發(fā)明還提供了一種儲能裝置，所述儲能裝置包含上述所述的三維電極極片。
[0016]優(yōu)選地，所述儲能裝置為鋰離子電池或超級電容器。
[0017]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明提供了一種基于水性粘結(jié)劑的三維電極極片，本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果:
[0018](I)本發(fā)明制備出的電極極片采用水溶性有機高分子材料作為粘結(jié)劑具有價格低廉，來源廣泛，環(huán)境友好等優(yōu)勢。
[0019](2)本發(fā)明制備出的電極極片具有多孔三維結(jié)構(gòu)，此種三維結(jié)構(gòu)有利于電解液的浸潤，改善了電解液與活性物質(zhì)的界面相容性，有效改善了電池的放電倍率特性。
[0020](3)本發(fā)明采用了三維多孔結(jié)構(gòu)的泡沫金屬作為電極集流體，有利于增加活性物質(zhì)與集流體的接觸面積，改善了電極極片的電子電導(dǎo)率。
[0021](4)本發(fā)明制備的三維電極極片，經(jīng)過滾壓將活性物質(zhì)緊鎖于三維極片內(nèi)部，此種結(jié)構(gòu)可以有效緩沖體積效應(yīng)大的活性物質(zhì)(例如，硅負極材料、硅基負極材料、過渡金屬氧化物等)在充放電過程中較大的體積變化，有利于提高電池的倍率性能，延長電池的使用壽命O
[0022](5)本發(fā)明通過在漿料中添加摻雜的導(dǎo)電聚合物聚(3，4-亞乙二氧基噻吩)、聚苯胺、聚吡咯作為導(dǎo)電劑材料取代部分固相顆粒導(dǎo)電劑(導(dǎo)電碳粉、乙炔黑、石墨烯和導(dǎo)電銀粉)，利用其易于形成具有高電導(dǎo)率的膜包覆在活性物質(zhì)的表面從而改進電極材料的導(dǎo)電性。同時，有利于漿料在三維多孔結(jié)構(gòu)的泡沫金屬集流體中的填充。
[0023](6)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、制備工藝簡便，過程容易實現(xiàn)。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明所述的基于水性粘結(jié)劑的三維電極極片結(jié)構(gòu)示意圖:
[0025]圖中，1-活性物質(zhì)，2-導(dǎo)電劑，3-粘結(jié)劑，4-三維多孔金屬集流體；
[0026]圖2為本發(fā)明的實施例1中使用的泡沫鎳和制備的三維電極極片(S1-PU-Nifoam-0)的掃描電鏡圖；
[0027]圖3為本發(fā)明的實施例1中制備的三維電極極片(S1-PU-Ni foam-0)作為鋰離子電池負極極片的電化學(xué)性能圖；
[0028]圖4為本發(fā)明的實施例2中制備的三維電極極片(S1-CMC-Ni foam-0)作為鋰離子電池負極極片的電化學(xué)性能圖；
[0029]圖5為本發(fā)明的實施例3中制備的三維電極極片(S1-(C-CTS)-Ni foam-0)作為鋰離子電池負極極片的電化學(xué)性能圖；
[0030]圖6為本發(fā)明的實施例4中制備的含有不用導(dǎo)電劑的三維電極極片(S1-Carbon，S1-PEDOT:PSS, S1-PEDOT:PSS/Carbon)作為鋰離子電池負極極片的電化學(xué)性能圖；
[0031]圖7為本發(fā)明的實施例5中不同煅燒溫度下制備的含有支撐碳層在其中的硅碳三維電極極片作為鋰離子電池負極極片的電化學(xué)性能圖；
[0032]圖8為本發(fā)明的實施例6中制備的以泡沫銅為集流體的硅負極三維極片作為鋰離子電池負極極片的電化學(xué)性能圖；
[0033]圖9為本發(fā)明的實施例7中制備的以泡沫鎳為集流體的含有支撐碳層的石墨負極三維極片作為鋰離子電池負極極片的電化學(xué)性能圖。
【具體實施方式】
[0034]為更好的說明本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點，下面將結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0035]實施例1:本發(fā)明所述基于水性粘結(jié)劑的三維電極極片的制備方法的一種實施例
[0036]以濃度為3.8wt.%的水溶性聚氨酯(PU)水溶液為粘結(jié)劑，單質(zhì)硅粉作為負極活性物質(zhì)，乙炔黑為導(dǎo)電劑，三維多孔結(jié)構(gòu)的泡沫鎳為集流體制備硅負極三維極片，實驗步驟:
[0037]硅負極三維極片的制作:將上述負極活性物質(zhì)、上述粘結(jié)劑和上述導(dǎo)電劑混合，得到混合物，其中以所述混合物總重量為基準(zhǔn)，所述負極活性物質(zhì)所占的重量百分比為70%，所述粘結(jié)劑所占的重量百分比為10%，所述導(dǎo)電劑所占的重量百分比為20% ;用水為溶劑將所得混合物調(diào)成粘度為2000cps的負極漿料，將1.0mm厚的三維多孔結(jié)構(gòu)的泡沫鎳集流體浸泡于漿料中，完全浸潤后取出三維多孔結(jié)構(gòu)的泡沫鎳集流體，于真空烘箱中在60°C下