一种适用于锂离子电池电极材料的集流体及其制备和应用制造技术

本发明专利技术涉及适用于锂离子电池电极材料的集流体，所述电极材料包括正极材料和负极材料，所述正极材料为三元材料，所述三元材料由式LiNi1‑x‑yCoxMny表示，其中，1‑x‑y≥0.5，0.4＞x＞0，0.4＞y＞0，所述负极材料为人造石墨、钛酸锂、软碳、硬碳；所述集流体为基于天然石墨制备的物质，优选为柔性石墨纸；本发明专利技术还涉及集流体的制备方法；利用本发明专利技术提供的集流体的制备方法制备的柔性石墨纸应用于三元正极材料的集流体时，使得电极极化更小，电极活性更强，电池充放电性能更好，并且柔性石墨纸在充电过程中和电极材料的结合性能好，在电解液中的稳定性好。此集流体原料来源广泛，制备方法条件简单，比铝箔作为集流体有更优越的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于锂离子电池电极材料的集流体及其制备和应用
本专利技术涉及锂离子电池材料
，特别涉及一种能够提高锂离子电极材料集流体性能的集流体材料及其制备和应用。
技术介绍
随着电子产品和新能源汽车的不断革新，锂离子电池作为核心部件，将不断向高能量密度、高功率密度、长寿命、低成本的趋势发展。近年来，科研工作者对于锂离子电池的研究主要集中在电极材料的研究上，然而，却始终没有取得突破性的进展。因此，为了开发高性能、低成本的锂离子电池，研究电极材料以外的其他部件将具有重要的战略性意义。而集流体是锂离子电池中不可或缺的组成部件之一，它不仅能承载活性物质，而且还可以将电极活性物质产生的电流汇集并输出，有利于降低锂离子电池的内阻，提高电池的库伦效率，循环稳定性和倍率性能。目前，铝箔是锂离子电池正极材料的常用集流体，然而，事实上，铝箔集流体也常常因表面钝化膜的破坏而腐蚀严重，锂离子电池的性能也随之降低。因此，亟需开发一种不被腐蚀、性能优越于铝箔的适用于锂离子电池电极材料的集流体。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术人进行了锐意研究，结果发现：将本专利技术制备的柔性石墨纸应用于Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2三元正极材料的集流体，使得电极极化更小，电极活性更强，电池充放电性能更好，并且柔性石墨纸在充电过程中和电极材料的结合性能好，在电解液中的稳定性好。此集流体原料来源广泛，制备方法条件简单，比铝箔作为集流体有更优越的性能，从而完成本专利技术。本专利技术的目的在于提供以下方面：(1)一种适用于锂离子电池电极材料的集流体。所述电极材料包括正极材料和负极材料，所述正极材料为三元材料，所述负极材料为人造石墨、钛酸锂、软碳或硬碳。所述三元材料由式LiNi1-x-yCoxMny表示，其中，1-x-y≥0.5，0.4＞x＞0，0.4＞y＞0，优选为0.8≥1-x-y≥0.5，0.3＞x＞0，0.3≥y＞0，进一步优选为x为0.2，y为0.3，所述负极材料为钛酸锂。所述集流体为基于天然石墨制备的物质，优选为柔性石墨纸。(2)一种适用于锂离子电池电极材料的集流体的制备方法，包括以下步骤：①制备氧化石墨；②将步骤①得到的产物煅烧，冷却，得到膨化石墨；③将步骤②得到的产物加工为柔性石墨纸。(3)一种适用于锂离子电池电极材料的集流体的用途。将其用于锂离子电池电极材料的集流体，优选地，其用于三元正极材料的集流体，并提供了其制备成极片的过程。在5C下，本专利技术的柔性石墨纸做集流体所组成的半电池的充放电比容量分别为57.4mAh·g-1和57.3mAh·g-1，而传统铝箔作集流体所组成的半电池LNCMO-Al箔/Li的充放电比容量分别为46.1mAh·g-1和44.5mAh·g-1，相比传统铝箔作为三元材料的集流体，柔性石墨纸做集流体使得电极极化更小，充放电性能更好。根据本专利技术提供的一种适用于锂离子电池电极材料的集流体及其制备和应用，具有以下有益效果：1)本专利技术提供的集流体可适用于锂离子电池的电极材料；2)本专利技术提供的集流体在充放电过程中和电极材料的结合性能好，在电解液中的稳定性好；3)本专利技术提供的集流体使得电极极化更小，电极活性更强，电池充放电性能更好，比铝箔作为集流体有更优越的性能；4)本专利技术提供的集流体制备方法工艺简单，使用到的溶剂价格低廉，对使用的生产设备要求不高，在易于操作的同时，降低了成本，这些因素均有利于产业化的推广。附图说明图1示出Al箔作LNCMO的集流体时LNCMO/Li半电池不同倍率充放电曲线；图2示出本专利技术的柔性石墨纸作LNCMO的集流体时LNCMO/Li半电池不同倍率充放电曲线；图3示出两种集流体的LNCMO/Li半电池循环：不同倍率循环；图4示出两种集流体的LNCMO/Li半电池循环：1C循环；图5示出两种集流体的LNCMO/Li半电池在0.5mv·s-1下的循环伏安测试曲线；图6示出两种集流体的LNCMO/Li半电池交流阻抗测试曲线；图7示出不同集流体的全电池倍率放电曲线；图8示出不同集流体的全电池倍率充电曲线；图9示出不同集流体的全电池1C循环放电容量保持率；图10示出本专利技术的柔性石墨纸和市场所售柔性石墨纸在Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2三元正极材料上做集流体时的性能对比；图11示出本专利技术的柔性石墨纸在Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2(LNCMO)和其他三元材料上做集流体时性能对比。具体实施方式下面通过对本专利技术进行详细说明，本专利技术的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。本专利技术的第一方面是提供适用于锂离子电池电极材料的集流体，所述电极材料包括正极材料和负极材料，所述正极材料为三元材料，所述负极材料为人造石墨、钛酸锂、软碳或硬碳；所述三元材料由式LiNi1-x-yCoxMny表示，其中，1-x-y≥0.5，0.4＞x＞0，0.4＞y＞0，优选为0.8≥1-x-y≥0.5，0.3＞x＞0，0.3≥y＞0，进一步优选为x为0.2，y为0.3；所述负极材料优选为钛酸锂。所述集流体为基于天然石墨制备的物质，优选为柔性石墨纸。膨化石墨是一种无污染的高科技产品，又称柔性石墨、膨胀石墨、扩张石墨、蠕虫状石墨和可挠性石墨。由于加工工艺不同于普通石墨，它具备普通石墨所没有的特殊性能如：耐高温、耐辐射、耐化学腐蚀、具有润滑性、气液密封性、机械性，具有比较大的表面活性和比表面积，易压制成型。柔性石墨纸即是用膨化石墨压制成的，是一种质量轻、价格合理、容易制得的半导体材料。本专利技术的第二方面是提供一种适用于锂离子电池电极材料的集流体的制备方法，包括以下步骤：(1)制备氧化石墨；(2)将步骤(1)得到的产物煅烧，冷却，得到膨化石墨；(3)将步骤(2)得到的产物加工为柔性石墨纸。柔性石墨(膨化石墨)即膨胀石墨EG的制备方法主要有化学氧化法、电化学法、气相扩散法、液相法、熔融法、加压法、爆炸法等。由于石墨是一种非极性材料，单独采用极性小的有机或无机酸难以插层，一般必须使用氧化剂。化学氧化法一般是将天然鳞片石墨浸泡在氧化剂和插层剂的溶液中，在强氧化剂的作用下，石墨被氧化而使石墨层的中性网状平面大分子变成带有正电荷的平面大分子，由于带有正电荷的平面大分子层间同性正电荷的排斥作用，石墨层间距离加大，插层剂插入石墨层间，成为EG。使用中可以先把氧化剂和石墨混合后，再加入到酸中搅拌，也可以先把氧化剂溶解于酸中，再与石墨混合，经一段时间的反应后，经水洗、干燥，即可得到EG。膨胀石墨悬浮液与酸混合后均匀涂抹于聚四氟乙烯膜上，涂抹后将其恒温干燥，取出后剥离聚四氟乙烯膜，用溶剂冲洗后，放入干燥箱中烘干，压力机压平即得到柔性石墨纸。步骤1、制备氧化石墨；制备氧化石墨，包括以下子步骤：子步骤1：向反应釜中加入可溶性钠盐和无机酸，冰水降温，加入石墨；所述可溶性钠盐为硝酸钠、硫酸钠或高氯酸钠，优选为硝酸钠，无机酸为硝酸、高氯酸或浓硫酸，优选为浓硫酸，浓硫酸质量分数为90-98％，优选为98％，可溶性钠盐与无机酸和石墨的质量比为1:(200～400本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于锂离子电池电极材料的集流体，其特征在于，所述电极材料包括正极材料和负极材料，所述正极材料为三元材料，所述负极材料为人造石墨、钛酸锂、软碳或硬碳。

【技术特征摘要】
1.一种适用于锂离子电池电极材料的集流体，其特征在于，所述电极材料包括正极材料和负极材料，所述正极材料为三元材料，所述负极材料为人造石墨、钛酸锂、软碳或硬碳。2.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述三元材料由式LiNi1-x-yCoxMny表示，其中，1-x-y≥0.5，0.4＞x＞0，0.4＞y＞0，优选为0.8≥1-x-y≥0.5，0.3＞x＞0，0.3≥y＞0，进一步优选为x为0.2，y为0.3；所述负极材料为钛酸锂。3.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述集流体为基于天然石墨制备的物质，优选为柔性石墨纸。4.一种根据权利要求1～3之一所述的集流体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备氧化石墨；(2)将步骤(1)得到的产物煅烧，冷却，得到膨化石墨；(3)将步骤(2)得到的产物加工为柔性石墨纸。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，包括以下子步骤：子步骤1：向反应釜中加入可溶性钠盐和无机酸，冰水降温，加入石墨；子步骤2：向子步骤1的体系中加入氧化剂I，反应1～4h；子步骤3：将子步骤2的体系升温，继续反应1～4h，加水稀释；子步骤4：向子步骤3的体系中加入氧化剂II，反应1～4h，离心，酸洗，水洗，干燥，得到氧化石墨。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，子步骤1中，可溶性钠盐选自硝酸钠、硫酸钠或高氯酸钠，优选为硝酸钠，无机酸为硝酸、高氯酸或浓硫酸，优选为浓硫酸，可溶性钠盐与无机酸和石墨的质量比为1:(200～400)：(1～4)，优选为1:(220～320)：(2～3)；子步骤2中，所述氧化剂I为高锰酸钾，高锰酸钾用量为...

【专利技术属性】
技术研发人员：高智，朱晓沛，张家文，张媛娇，沙金，屈兴圆，苏迎春，
申请(专利权)人：天津国安盟固利新材料科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：天津,12