一种超轻集流体及其制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种超轻集流体及其制备方法及应用，该制备方法包括以下步骤：步骤一，首先制备碳纳米管浆料，然后将其涂布于不锈钢基材表面，干燥后收卷，即得初级碳纳米管纸；步骤二，在初级碳纳米管纸表面电刷镀金属铜或镍，形成镀金属碳纳米管纸，与不锈钢基材剥离，即得超轻集流体。本发明专利技术所制超轻集流体呈三维多孔结构，其包括大孔隙率导电碳纳米管纸和分布在碳纳米管交连节点的导电金属铜或镍，增强了集流体的机械强度、拉伸强度及导电性；本发明专利技术方法工艺简单，所制备的集流体材料密度低，强度高，与正/负极材料结合力强，可以在集流体两侧涂覆阳极/阴极活性材料，即得电池负极/正极极片，适用于制作锂、钠、钾、镁及铝离子电池。镁及铝离子电池。镁及铝离子电池。

【技术实现步骤摘要】
一种超轻集流体及其制备方法及应用


[0001]本专利技术属于新材料加工
，具体涉及一种超轻集流体及其制备方法及应用。

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CN108134093A公布了一种碳纳米管纸
‑/>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
‑
金属或合金复合集流体。中国专利技术专利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超轻集流体及其制备方法及应用，本专利技术以碳纳米管为主原料，首先制备高孔隙率、三维导电碳纳米管纸，然后直接进行电刷镀金属，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；该方法所制备的集流体材料密度低，强
度高，与正负极材料结合力强，适用于锂、钠、钾、镁及铝离子电池。
[0006]本专利技术的技术方案为：
[0007]本专利技术涉及了一种超轻集流体的制备方法，包括以下步骤：
[0008]步骤一，首先制备碳纳米管浆料，然后将其涂布于不锈钢基材表面，干燥后收卷，即得初级碳纳米管纸；
[0009]步骤二，在初级碳纳米管纸表面电刷镀金属铜或镍，使金属主要分布在碳纳米管交连节点处，形成镀金属碳纳米管纸，与不锈钢基材剥离，即得所述超轻集流体。其中不锈钢基材可重复使用，不锈钢基材优选不锈钢箔。
[0010]优选地，步骤一中的所述碳纳米管浆料由溶剂、碳纳米管、粘结剂和稳定剂制成，所述碳纳米管浆料中碳纳米管的质量浓度为5％～10％，碳纳米管与粘结剂、稳定剂质量比为20～10:4～2:1～0.5。
[0011]优选地，所述溶剂为N
‑
甲基吡咯烷酮、丙酮、丙醇、异丙醇、乙二醇、酒精、去离子水中的至少一种；
[0012]所述粘结剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、聚四氟乙烯、聚丙烯酸、丙烯腈多元共聚物、丁苯橡胶中的至少一种；
[0013]所述稳定剂为羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠中的至少一种；
[0014]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。
[0015]本专利技术还涉及一种超轻镀铜集流体，所述超轻镀铜集流体呈三维多孔结构，包括碳纳米管纸以及分布在碳纳米管交连节点处的导电金属铜。
[0016]优选地，所述超轻镀铜集流体厚度为5μm～50μm，所述碳纳米管纸的孔隙率为50％～80％。
[0017]本专利技术还涉及上述超轻镀铜集流体在作为“无负极”电池的负极极片或者制备锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池、镁离子电池、铝离子电池的负极极片中的应用。也就是说，超轻镀铜集流体可直接作为“无负极”电池负极极片使用；超轻镀铜集流体两侧涂覆锂、钠、钾、镁、铝等电池阳极活性材料，即为相应电池负极极片，可用于制作对应的电池。
[0018]本专利技术还涉及一种超轻镀镍集流体，所述超轻镀镍集流体呈三维多孔结构，包括碳纳米管纸以及分布在碳纳米管交连节点处的导电金属镍。
[0019]优选地，所述超轻镀镍集流体厚度为5μm～50μm，所述碳纳米管纸的孔隙率为50％～80％。
[0020]本专利技术还涉及上述超轻镀镍集流体在制备锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池、镁离子电池、铝离子电池的正极极片中的应用。也就是说，在超轻镀镍集流体两侧涂覆电池阴极活性材料后，可以作为相应电池的正极极片。
[0021]本专利技术的有益效果是：
[0022]1)本专利技术以碳纳米管为主原料，制备高孔隙率、三维导电碳纳米管纸，然后直接进行电刷镀金属，所镀金属主要分布在碳纳米管交连节点处，使碳纳米管之间连接更加牢固，能很好的增强集流体的机械强度、拉伸强度及导电性，形成三维导电超轻集流体，既是良好的电子导体又是优良的离子导体。
[0023]2)本专利技术制备所得超轻集流体材料密度约占对应纯金属集流体密度的1/10～1/
23，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90％～95.6％，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。
[0024]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呈三维多孔结构，比表面积大，与正负极活性材料结合力强，可很好的解决以上问题。
[0025]4)本专利技术所制得的三维导电超轻集流体呈多孔结构，富有弹性，可有效缓解充放电过程中巨大的体积膨胀；集流体内部孔容积大有利于金属离子的存储，可有效降低局部电流密度，延缓金属枝晶的出现，从而有效提高镀/提金属的可逆性；碳纳米管是良好的离子导体及电子导体，能很好的引导金属锂、钠、钾、镁或铝延碳管方向均匀电镀，避免金属在负极表面随机成核和生长，从而抑制金属枝晶的产生。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超轻集流体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，首先制备碳纳米管浆料，然后将其涂布于不锈钢基材表面，干燥后收卷，即得初级碳纳米管纸；步骤二，在初级碳纳米管纸表面电刷镀金属铜或镍，形成镀金属碳纳米管纸，与不锈钢基材剥离，即得所述超轻集流体。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤一中的所述碳纳米管浆料由溶剂、碳纳米管、粘结剂和稳定剂制成，所述碳纳米管浆料中碳纳米管的质量浓度为5％～10％，碳纳米管与粘结剂、稳定剂质量比为20～10:4～2:1～0.5。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述溶剂为N
‑
甲基吡咯烷酮、丙酮、丙醇、异丙醇、乙二醇、酒精、去离子水中的至少一种；所述粘结剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、聚四氟乙烯、聚丙烯酸、丙烯腈多元共聚物、丁苯橡胶中的至少一种；所述稳定剂为羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠中的至少一种。4....

【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：