一種用于鋰離子電池的水性導(dǎo)電油墨及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鋰離子電池領(lǐng)域技術(shù)，尤其是指一種用于鋰離子電池的水性導(dǎo)電油墨 及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著鋰離子電池行業(yè)的蓬勃發(fā)展，對鋰離子電池各項技術(shù)指標提出了更高更嚴格 的要求，如內(nèi)阻小，循環(huán)壽命長，倍率性能優(yōu)異。但是鋰離子電池在數(shù)次循環(huán)后內(nèi)阻變大，容 量衰減。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的一個重要原因就是活性物質(zhì)與集流體的剝離。目前，解決這個問 題的方法大概有以下幾種：一種是對集流體進行處理，如打孔或表面處理使表面凹凸不平 增大集流體和活性物質(zhì)之間的粘結(jié)性，這些方法面臨一些問題，例如，打孔會造成鋰離子電 池內(nèi)部微短路導(dǎo)致自放電嚴重，而表面處理會涉及一些污染非常大的處理劑，從而加大環(huán) 保成本。另一種是先在集流體上印刷一層導(dǎo)電油墨，烘干后再涂覆活性物質(zhì)漿料，這種方法 由于工序簡單、可靠性高、綜合性能較好等優(yōu)點已經(jīng)引起人們的廣泛注意。 現(xiàn)有鋰離子電池用導(dǎo)電油墨，如2012年1月25日公布的公開號為CN102329538A的 "一種鋰離子電池用水性導(dǎo)電油墨"專利，公開的水性導(dǎo)電油墨由水溶性高分子增稠劑、水 性分散劑、導(dǎo)電碳黑、非極性且溶度參數(shù)S<18(J/cm3)1/2的高分子聚合物水性膠乳、溶劑 水等組成。該專利的主要缺點是：（1)所得的導(dǎo)電油墨中，導(dǎo)電填料為導(dǎo)電碳黑，導(dǎo)電碳黑 的化學性質(zhì)比較穩(wěn)定，相對密度較小，分散性好，但導(dǎo)電率較小（10-100S/m)，其減小接觸 電阻的能力有限。（2)制備過程復(fù)雜，需要分別放入增稠劑和水性膠乳，增加了工序成本。
[0003] 2004年，英國曼徹斯特大學的Geim研究小組首次制備出穩(wěn)定的石墨稀，震撼 了整個物理界，引發(fā)了石墨烯的研究熱潮。理想的石墨烯結(jié)構(gòu)可以看作被剝離的單原子層 石墨，這是目前世界上最薄的材料一單原子厚度的材料。這種特殊結(jié)構(gòu)蘊含了豐富而新奇 的物理現(xiàn)象，使石墨烯表現(xiàn)出許多優(yōu)異性質(zhì)，石墨烯不僅有優(yōu)異的電學性能（室溫下電 子迀移率可達2\10 5〇112八￥*8))，突出的導(dǎo)熱性能（5000 1八111*1())，超常的比表面積 (2630m2/g)，其楊氏模量（1100GPa)和斷裂強度（125GPa)也可與碳納米管媲美，而且 還具有一些獨特的性能，如完美的量子隧道效應(yīng)、半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)、永不消失的電導(dǎo) 率等一系列性質(zhì)等。與昂貴的富勒烯和碳納米管相比，石墨烯價格低廉，原料豐富，有望成 為導(dǎo)電油墨的優(yōu)質(zhì)導(dǎo)電填料。
[0004] 雖然石墨烯具有優(yōu)異的電、熱和力學性能，但是石墨烯在水性溶劑中非常難分散， 因此解決石墨烯在導(dǎo)電油墨體系中的分散和界面結(jié)合是發(fā)揮其高導(dǎo)電性能的前提條件。為 此，本發(fā)明通過一步微波液相法實現(xiàn)石墨烯制備和表面功能化，有利于其在水性溶劑中的 分散。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在之缺失，其主要目的是提供一種用于鋰離子 電池的水性導(dǎo)電油墨及其制備方法，其具有操作簡單、環(huán)境友好、生產(chǎn)成本低等特點，將其 涂覆在正極或者負極集流體上，抑制電池極化，減少熱效應(yīng)，提高倍率性能；降低電池內(nèi)阻， 并明顯降低了循環(huán)過程的動態(tài)內(nèi)阻增幅；提高一致性，增加電池的循環(huán)壽命；保護集流體 不被電解液腐蝕；改善磷酸鐵鋰、鈦酸鋰等材料的加工性能；提高活性物質(zhì)與集流體的粘 附力，可減少粘結(jié)劑的使用量，降低極片制造成本，進而使電池的整體性能產(chǎn)生顯著的提 升。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下之技術(shù)方案： 一種用于鋰離子電池的水性導(dǎo)電油墨，由下列重量份的原料制成：溶劑水50%~90 %、水性高分子乳液1%~40 %、水性分散劑0.1%~1%以及石墨烯1%~40%。
[0007] 作為一種優(yōu)選方案，所述水性高分子乳液為丙烯酸類合成乳液、水性聚氨酯類合 成乳液、水性環(huán)氧樹脂、水性醇酸樹脂、水性氟碳乳液、改性合成乳液、天然高分子、水溶性 高分子中的至少一種。
[0008] 作為一種優(yōu)選方案，所述水性分散劑為十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉、甲基 油?；；撬徕c和亞甲基二萘磺酸鈉中的至少一種。
[0009] -種用于鋰離子電池的水性導(dǎo)電油墨的制備方法，其特征在于：包括有以下步 驟： (1) 石墨稀的表面功能化：按照石墨稀的質(zhì)量：功能化溶劑的質(zhì)量之比為1 :10~100 的比例，將石墨烯加入到功能化溶劑中，在室溫下混合攪拌1~5分鐘，然后放入到微波爐 中福射1~20分鐘，過濾得到表面功能化的石墨??； (2) 攪拌混合：將步驟（1)制備的功能化的石墨烯、溶劑水、水性高分子乳液和水性分 散劑按照組分及其質(zhì)量百分數(shù)配方加入到攪拌機中，攪拌1~6h，充分混合成漿料狀； (3) 研磨分散：將步驟（2)制得的混合漿料使用砂磨機進行研磨分散1~4遍，用200 目篩網(wǎng)過濾即得到用于鋰離子電池的水性導(dǎo)電油墨產(chǎn)品。
[0010] 作為一種優(yōu)選方案，所述功能化溶劑為氨水、乙醇、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷 酮中的至少一種。
[0011] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點和有益效果，具體而言，由上述技術(shù)方案 可知： 本發(fā)明采用高導(dǎo)電的石墨烯作為導(dǎo)電填料能夠大幅度提高導(dǎo)電油墨的導(dǎo)電性，從而能 夠廣泛地用于鋰離子電池中。本發(fā)明方法簡單、操作簡便，特別是對石墨烯的表面功能化處 理不必對石墨烯進行任何氧化處理，不破壞其優(yōu)異的導(dǎo)電性能。因此降低生產(chǎn)成本，低溫能 耗少，便于推廣應(yīng)用，是一種低溫、快速、綠色、簡單有效的分散方法。
[0012] 為更清楚地闡述本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征和功效，下面結(jié)合附圖與具體實施例來對本發(fā) 明進行詳細說明。
【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明的制備流程示意圖。
【具體實施方式】
[0014] 本發(fā)明揭示了一種用于鋰離子電池的水性導(dǎo)電油墨，由下列重量份的原料制成： 溶劑水50%~90 %、水性高分子乳液1%~40 %、水性分散劑0.1%~1%以及石墨烯1%~ 40%。所述水性高分子乳液為丙烯酸類合成乳液、水性聚氨酯類合成乳液、水性環(huán)氧樹脂、水 性醇酸樹脂、水性氟碳乳液、改性合成乳液、天然高分子、水溶性高分子中的至少一種。所述 水性分散劑為十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉、甲基油?；；撬徕c和亞甲基二萘磺 酸鈉中的至少一種。
[0015] 制備時，包括有以下步驟： (1)石墨稀的表面功能化：按照石墨稀的質(zhì)量：功能化溶劑的質(zhì)量之比為1 :10~100 的比例，將石墨烯加入到功能化溶劑中，在室溫下混合攪拌1~5分鐘，然后放入到微波爐 中輻射1~20分鐘，過濾得到表面功能化的石墨烯；所述功能化溶劑為氨水、乙醇、二甲基 甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的至少一種。
[0016] (2)攪拌混合：將步驟（1)制備的功能化的石墨烯、溶劑水、水性高分子乳液和水 性分散劑按照組分及其質(zhì)量百分數(shù)配方加入到攪拌機中，攪拌1~6h，充分混合成漿料狀。
[0017] (3)研磨分散：將步驟（2)制得的混合漿料使用砂磨機進行研磨分散1~4遍，用 200目篩網(wǎng)過濾即得到用于鋰離子電池的水性導(dǎo)電油墨產(chǎn)品。
[0018] 下面用具體實施例以及對比例對本發(fā)明進行說明。
[0019] 實施例1 一種用于鋰離子電池的水性導(dǎo)電油墨，由下列重量份的原料制成：溶劑水70%、水性高 分子乳液10 %、水性分散劑0.1%以及石墨烯19. 9%。所述水性高分子乳液為丙烯酸類合 成乳液。所述水性分散劑為十二烷基苯磺酸鈉。
[0020] 制備時，包括有以下步驟： (1)石墨稀的表面功能化：按照石墨稀的質(zhì)量：功能化溶劑的質(zhì)量之比為1 :10的比例， 將石墨烯加入到功能化溶劑中，在室溫下混合攪拌1分鐘，然后放入到微波爐中輻射5鐘， 過濾得到表面功能化的石墨?。凰龉δ芑軇榘彼?。
[0021] (2)攪拌混合：將步驟（1)制備的功能化的石墨烯、溶劑水、水性高分子乳液和水 性分散劑按照組分及其質(zhì)量百分數(shù)配方加入到攪拌機中，攪拌lh，充分混合成漿料狀。
[0022] (3)研磨分散：將步驟（2)制得的混合漿料使用砂磨機進行研磨分散4遍，用200 目篩網(wǎng)過濾即得到用于鋰離子電池的水性導(dǎo)電油墨產(chǎn)品。
[0023] 實施例2 一種用于鋰離子電池的水性導(dǎo)電油墨，由下列重量份的原料制成：溶劑水50%、水性高 分子乳液40 %、水性分散劑0.5%以及石墨烯9.5%。所述水性高分子乳液為水性聚氨酯 類合成乳液。所述水性分散劑為十二烷基硫酸鈉。
[0024] 制備時，包括有以下步驟： (1)石墨稀的表面功能化：按照石墨稀的質(zhì)量：功能化溶劑的質(zhì)量之比為1 :50的比例， 將石墨烯加入到功能化溶劑中，在室溫下混合攪拌5分鐘，然后放入到微波爐中輻射1分 鐘，過濾得到表面功能化的石墨??；所述功能化溶劑為乙醇。
[0025] (2)攪拌混合：將步驟（1)制備的功能化的石墨烯、溶劑水、水性高分子乳液和水 性分散劑按照組分及其質(zhì)量百分數(shù)配方加入到攪拌機中，攪拌6h，充分混合成漿料狀。
[0026] (3)研磨分散：將步驟（2)制得的混合漿料使用砂磨機進行研磨分散1遍，用200 目篩網(wǎng)過濾即得到用于鋰離子電池的水性導(dǎo)電油墨產(chǎn)品。
[0027] 實施例3 一種用于鋰離子電池的水性導(dǎo)電油墨，由下列重量份的原料制成：溶劑水83. 2%、水性 高分子乳液15 %、水性分散劑0.8%以及石墨烯1%。所述水性高分子乳液為水性環(huán)氧樹 月旨。所述水性分散劑為甲基油?；；撬徕c。
[0028] 制備時，包括有以下步驟： (1)石墨稀的表面功能化：按照石墨稀的質(zhì)量：功能化溶劑的質(zhì)量之比為1 :20的比例， 將石墨烯加入到功能化溶劑中，在室溫下混合攪拌3分鐘，然后放入到微波爐中輻射10分 鐘，過濾得到表面功能化的石墨烯；所述功能化溶劑為