一种轻量化3D集流体复合材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开一种轻量化3D集流体复合材料及其制备方法与应用，属于新材料加工技术领域。3D集流体复合材料表面呈多孔结构，既是良好的电子导体又是优良的离子导体，其包括大孔隙率导电聚合物网膜和包覆在其表面的导电金属层，导电聚合物网膜由静电纺丝技术制备而成，对其直接镀覆金属，所镀金属包覆在导电聚合物纤维表面，贯穿聚合物网膜上下表面及各孔隙，形成三维导电复合材料。由于复合材料内部结构导电，其表面镀覆金属层可直接电镀，无需对其表面进行刻蚀、活化、敏化等前处理，亦无需预沉积金属层增加导电性或进行预先电晕处理。所制备集流体复合材料密度低，强度高，镀层与基体及正负极材料结合力强，适用于锂离子、钠离子及钾离子电池。离子及钾离子电池。离子及钾离子电池。

【技术实现步骤摘要】
一种轻量化3D集流体复合材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及新材料加工
，具体涉及一种轻量化3D集流体复合材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]随着电池行业的持续发展，人们越来越追求电池的高能量密度和轻量化。集流体是电池的重要组成部分，目前，大多文献及行业中，一般集流体正极采用铝箔、负极采用铜箔，由于金属集流体密度较大，质量较重，一般情况下集流体重量占整个电池重量的20％～25％，如此，电极材料占整个电池的比重则大大减少，最终导致电池能量密度较低。故此，降低集流体的重量是一种实现电池高能量密度和轻量化的有效方法之一。减薄铜/铝箔可实现离子电池的轻量化，提高能量密度，降低成本，但由于制备技术的局限性，铜/铝箔的厚度很难再降低(目前铜箔可量产到6μm，铝箔可量产到8μm，正负集流体的总质量也要占电池总质量的14％～18％左右)；另外铜/铝箔变薄之后，机械强度降低，致使加工性能降低，因此需要新的“减薄技术”。
[0003]中国专利技术专利公布号为CN103489649A，公布了一种复合集流体及其制备方法，首先制备氧化石墨烯薄膜，然后将此薄膜浸入金属前驱体溶液，经过滤、清洗制备氧化石墨烯/金属前驱体薄膜，接着对此复合薄膜进行低温真空加热还原，最后再经高温还原气氛还原，得到石墨烯/金属薄膜为基材的复合集流体。该方法使用氧化石墨烯悬浮液、金属前驱体溶液，经多次过滤、洗涤等步骤，还有低温、高温还原等操作，步骤繁琐且不环保，无法量产更不适用于工业化生产。中国专利技术专利公布号为CN108134093A，公布了一种碳纳米管纸
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金属或合金复合集流体及其制备方法，首先将碳纳米管粉末通过搅拌或超声的方式分散到溶剂中，然后在高压反应釜中经热力学处理破坏碳纳米管之间的范德华力，接着再真空抽滤、真空烘干制得碳纳米管纸；进一步再通过化学镀方法在其表面覆盖一层金属层，最后通过电沉积方式在其表面生长所需要的金属或合金，从而得到碳纳米管纸
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金属或合金复合集流体。中国专利技术专利公布号为CN114678534A，公布了一种负极复合集流体的制备方法及其制得的产品，首先将聚合物母粒和添加剂混合制成改性聚合物薄膜，然后对薄膜进行粗化处理，接着再进行活化处理，然后再通过化学镀的方式生长第一金属层和第二金属层，最后再通过化学镀的方式在第一金属层和第二金属层的两侧分别沉积第三金属层和第四金属层。这些方法同样存在步骤繁琐、不环保、只存在于实验、无法量产等等问题。
[0004]为了解决现有技术存在的上述问题，本专利技术由此而来。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的上述不足，本专利技术提供了一种轻量化3D集流体复合材料，该3D集流体复合材料表面呈多孔结构，既是良好的电子导体又是优良的离子导体，其包括内部大孔隙率导电聚合物网膜和包覆在其表面的导电金属层，所述导电聚合物网膜由静电纺丝技术制备而成，对其直接镀覆金属，所镀金属包覆在导电聚合物纤维表面，贯穿聚合物网
膜上下表面及各孔隙，形成三维导电复合材料，即所述轻量化3D集流体复合材料。由于复合材料内部结构导电，其表面镀覆金属层可直接电镀，无需对其表面进行刻蚀、活化、敏化等前处理，亦无需预沉积金属层增加导电性或进行预先电晕处理。所制备集流体复合材料密度低，强度高，镀层与基体及正负极材料结合力强，适用于锂离子、钠离子及钾离子电池。
[0006]为实现以上目的，本专利技术提供一种轻量化3D集流体复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
[0007]步骤一，配制静电纺丝溶液：将碳纳米管与聚合物按质量比(5～10):(95～90)混匀后，加入有机溶剂中，配制质量百分比浓度为5％～15％的静电纺丝溶液；
[0008]步骤二，制备导电聚合物网膜：设定纺丝电压10kV～30kV，使用不锈钢针头，推进速度0.001mm/s，纤维收集在接地铝箔或不锈钢传送带上，接收距离5cm～15cm，静电纺丝得到所述导电聚合物网膜，辊压、剥离、收集即得；
[0009]步骤三，镀覆金属层：将上述导电聚合物网膜采用常规电化学电镀即得所述轻量化3D集流体复合材料。
[0010]优选地，所述碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管中至少一种；碳纳米管纯度大于99％，直径为50～200nm，长度为5～20μm。
[0011]优选地，所述聚合物包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、乙烯丙烯共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、及聚对苯二甲酰对苯二胺(PPA)中的至少一种。
[0012]优选地，所述有机溶剂为单卤代至全卤代烷、单卤代至全卤代醇、水、甲醇、甲酸、四氢呋喃、乙酸乙酯、甲基乙基酮、N,N
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二甲基甲酰胺、N,N
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二甲基乙酰胺中的至少一种。
[0013]优选地，所述导电聚合物网膜厚度为3μm～50μm，孔隙率为30％～70％；进一步优选，导电聚合物网膜厚度为5μm～10μm，孔隙率为40％～60％。
[0014]优选地，所述金属镀层厚度为0.05μm～10μm；进一步优选，金属镀层厚度为0.5μm～1μm。
[0015]优选地，所述金属层镀覆方法为电化学电镀、磁控溅射或蒸发镀膜；进一步优选电化学电镀。
[0016]本专利技术还提供了一种上述所述的轻量化3D集流体复合材料或所述的制备方法制得的轻量化3D集流体复合材料在锂离子电池、钠离子电池及钾离子电池的应用，也就是说本专利技术中的轻量化3D集流体复合材料可用于锂离子电池、钠离子电池及钾离子电池的集流体。
[0017]本专利技术以碳纳米管、高分子聚合物为原料，采用静电纺丝的方法制备导电聚合物网膜，然后在其表面直接电镀包覆金属层，无需对其表面进行刻蚀、活化、敏化等前处理，亦无需预沉积金属层增加导电性或进行预先电晕处理，方法工艺简单、省时省力。
[0018]与现有技术相比，本专利技术的优点是：
[0019]1)本专利技术以碳纳米管、高分子聚合物为原料，制备大孔隙率导电聚合物网膜，然后在其表面直接电镀包覆金属层，所镀金属包覆在导电聚合物纤维表面，贯穿聚合物网膜上下表面及各孔隙之间，形成三维导电复合材料，既是良好的电子导体又是优良的离子导体。
[0020]2)本专利技术制备所得轻量化3D集流体复合材料密度约占对应纯金属集流体密度的1/2～1/5，利用相同厚度的复合材料代替纯金属箔集流体，集流体重量将减轻50％～80％，
涂覆相同质量的电极材料时可有效降低电池重量，从而提高电池的能量密度。
[0021]3)在承受较大变形时，传统的金属箔集流体表面光滑极易使得活性材料与集流体发生分离、也限制了活性材料的负载率。而本专利技术所制得的集流体复合材料表面呈多孔结构，与正负极活性材料结合力强，可很好的解决以上问题。
[0022]4)本专利技术首先制备导电聚合物网膜，可对其进行直接电镀，无需对其表面进行刻蚀、活化、敏化等前处理，亦无需预沉积金属层增加导电性或进行预先电晕处理，方法工艺简单，省时省力能耗低，安全可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种轻量化3D集流体复合材料，其特征在于，所述的3D集流体复合材料表面呈多孔结构，其包括孔隙率为40％～70％的导电聚合物网膜和包覆在其表面的导电金属层，导电金属覆盖所述导电聚合物网膜的上下表面并贯穿各孔隙之间，形成三维导电、导离子复合材料。2.根据权利要求1所述一种轻量化3D集流体复合材料，其特征在于，所述导电聚合物网膜由静电纺丝技术制备而成，导电金属层直接镀覆在其表面，形成所述轻量化3D集流体复合材料。3.根据权利要求1或2所述一种轻量化3D集流体复合材料，其特征在于，所述导电聚合物网膜的厚度为3μm～50μm；导电金属镀层的厚度为0.05μm～10μm。4.根据权利要求1或2所述一种轻量化3D集流体复合材料，其特征在于，所述导电聚合物网膜孔隙率为40％～70％。5.根据权利要求1或2所述一种轻量化3D集流体复合材料，其特征在于，所述导电聚合物网膜中聚合物包括聚乙烯、聚丙烯、乙烯丙烯共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对萘二甲酸乙二醇酯、及聚对苯二甲酰对苯二胺中的至少一种。6.根据权利要求1或2所述一种轻量化3D集流体复合材料，其特征在于，所述导电聚合物网膜中导电添加剂为碳纳米管，所述碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的至少一种；碳纳米管的纯度大于99％，直径为50～200nm，长度为5～20μm；添加量为聚合物质量的1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王金娥，董明，
申请(专利权)人：苏州第一元素纳米技术有限公司，
类型：发明
国别省市：