專利名稱：一種磷酸鐵鋰電池用的石墨烯復合導電劑及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及鋰離子二次電池技術領域，具體涉及一種磷酸鐵鋰電池用導電劑及其制備方法。
背景技術：
鋰離子二次電池作為一種新型高能二次電源，具有比能量大、放電電壓平穩(wěn)、電壓高、低溫性能好、無污染、安全性能優(yōu)越以及儲存和工作壽命長、利用率高等優(yōu)點。鋰離子二次電池的上述優(yōu)勢，促使各國科學家競相研究，從而促進了鋰離子二次電池的快速發(fā)展。鋰離子二次電池的正極材料有很多種，主要有層狀的鈷酸鋰、鎳酸鋰、尖晶石狀的錳酸鋰、及其橄欖石狀的磷酸鐵鋰等。而磷酸鐵鋰電池是近幾年才出現(xiàn)的一種高性能電池，并在綠色環(huán)保、安全性能與循環(huán)壽命方面的優(yōu)勢引起人們的廣泛重視。磷酸鐵鋰電池的循環(huán)壽命達 2000次，單節(jié)電池過充電壓30V不燃燒，穿刺不爆炸，具有無毒、無污染、安全性能好、原材料來源廣泛、價格便宜，壽命長等優(yōu)點。鋰離子二次電池的電極反應包括電子的傳輸和離子的傳輸，這樣就要求電極要有良好的導電性，保證電子傳輸通道的暢通；同時還要有一些孔結構，可持有電解液，保證離子傳輸?shù)捻樌?。只有達到這兩方面的要求才能夠保證電極活性材料有較高的利用率和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。磷酸鐵鋰電池的正極采用磷酸鐵鋰作為活性材料，但磷酸鐵鋰本身的導電性差，因此在形成電極時往往采用在活性材料中加入導電劑來改善其導電性。目前磷酸鐵鋰電池常用的導電劑包括顆粒狀導電劑，如乙炔黑、Super P、顆粒石墨、金屬粉末以及兩種或者兩種以上不同顆粒狀導電物質的復合物等；纖維狀導電劑，如氣相生長碳纖維、碳納米管和金屬纖維等(專利號CN200810144527. 6)，以上導電劑雖然能提高與活性材料磷酸鐵鋰的接觸幾率，降低內阻，減小極化，進而改善電極的循環(huán)穩(wěn)定性，最終在電極中形成有效的導電網(wǎng)絡和固定電極材料，但是其提高幅度有限。石墨烯是近幾年來迅速興起的一種新材料。它的結構可以理解為單層的石墨，因此具有極其優(yōu)良的導電性，其中電子的運動速度達到了光速的1/300。同時石墨烯獨特的二維納米層狀結構以及巨大的比表面積相比于碳納米管或炭黑等作為添加改性材料時具有更為突出的優(yōu)勢。而活性炭由于具有較碳納米管或石墨烯更大的比表面積，其比表面積高達2000m2/g，較碳納米管的200 m2/g有較大幅度的提高，其巨大的比表面積可以提高材料的吸液保液能力，并與其導電性強的石墨烯復合，既可以發(fā)揮石墨烯高的電子導電性的優(yōu)勢提高離子的傳輸速率，又可以發(fā)揮活性炭巨大的比表面積優(yōu)勢提高反應過程中活性材料的吸液保液能力及其鋰離子的傳輸能力進而提高其單體電池的穩(wěn)定性。

發(fā)明內容
針對以上磷酸鐵鋰電池中鋰離子二次電池存在的導電問題，本發(fā)明的目的在于提供一種電子傳導能力強且吸液保液強的的磷酸鐵鋰電池用導電劑及其制備方法。為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術方案是一種磷酸鐵鋰電池用導電劑，由石墨烯、活性炭和粘結劑組成，石墨烯、活性炭和粘結劑的重量比為1: (0.001 0.1): (0. 01 1)。所述粘結劑為聚丙烯氰和/或聚丙烯酸，當粘結劑為聚丙烯氰和聚丙烯酸的組合物時，聚丙烯氰和聚丙烯酸的重量比為聚丙烯氰聚丙烯酸為0.5 5 :1，其中，聚丙烯酸的分子量為3000 5000 ；聚丙烯氰的分子量為2000 5000。一種磷酸鐵鋰電池用導電劑的制備方法，以重量百分比計，包括以下步驟1)制備 A溶液、2)制備B溶液、3)制備導電劑；其特征在于
1)制備A溶液取石墨烯1份、粘結劑0. 01 1份，將石墨烯和粘結劑放入二次蒸餾水中超聲分散，時間為5分鐘，超聲頻率為2(Γ60ΚΗΖ得到A溶液。所述的二次蒸餾水的用量為20 200。所述活性炭的比表面積為100(T2000m2/g。2)制備B溶液取活性炭0. 001 0. 1和粘結劑0. 01 1份放入到二次蒸餾水中超聲分散為5 15時間、超聲頻率為20KHZ得到B溶液。3)制備導電劑在超聲波的條件下(超聲時間為5 15分鐘)將B溶液緩緩滴入到 A溶液中，使得石墨烯、活性炭和粘結劑的重量比為:1: (0.001 0.1): (0.01 1)，即制得磷酸鐵鋰電池用導電劑。本發(fā)明，制備方法簡單，制得的導電劑分散均勻，穩(wěn)定性好。導電劑的電子傳導能力強且熱量傳導均勻，摻雜到磷酸鐵鋰電池里面具有較強的吸液保液能力，電化學性能得到顯著提高，其制備的石墨烯復合導電劑摻雜到50AH磷酸鐵鋰正極材料里面，較未摻雜復合導電劑的磷酸鐵鋰正極材料其交流內阻降低20%，循環(huán)壽命提高15%。
具體實施例方式實施例1
本實施例的磷酸鐵鋰電池用導電劑，由石墨烯、活性炭和聚丙烯氰組成，石墨烯、活性炭和聚丙烯氰的重量比為石墨烯活性炭聚丙烯氰=1:0.1:1。本實施例磷酸鐵鋰電池用導電劑的制備方法，具體步驟如下
取出，預處理完畢熱量分布，并最終對電池產生不利影稱取Ig石墨烯和0. 5g聚丙烯氰，聚丙烯氰的分子量為200(Γ5000 ；之后放入50ml 二次蒸餾水中，并在超聲波的條件下超聲分散5分鐘(記為A溶液);同時稱取0. Ig活性炭及其0. 5g聚丙烯氰，活性炭的比表面積為1500m2/g，并將放入到50ml 二次蒸餾水中，超聲分散5分鐘，超聲頻率為20KHZ，得到B 溶液，之后在超聲波的條件下使B溶液緩緩加入到A溶液中，并繼續(xù)超聲分散15分鐘，超聲頻率為30KHZ，最后制得磷酸鐵鋰電池用導電劑。實施例2:
本實施例磷酸鐵鋰電池用導電劑，由石墨烯、活性炭和聚丙烯酸組成，石墨烯、活性炭和聚丙烯酸的重量比為1:0. 1:1。本實施例磷酸鐵鋰電池用導電劑的制備方法，具體步驟如下
稱取Ig石墨烯及其0. Ig聚丙烯酸，之后放入IOOml 二次蒸餾水中，并在超聲波的條件下超聲分散15分鐘(A溶液)；同時稱取0. Ig活性炭及其0. 9g聚丙烯酸，活性炭的比表面積為1000m2/g，并將放入到50ml 二次蒸餾水中，超聲分散15分鐘，超聲頻率為40KHZ，得到B溶液，之后在超聲波的條件下使B溶液緩緩加入到A溶液中，并繼續(xù)超聲分散15分鐘，超聲頻率為20KHZ，最后制得磷酸鐵鋰電池用導電劑。實施例3
本實施例磷酸鐵鋰電池用導電劑，由石墨烯、活性炭和聚丙烯氰組成，石墨烯、活性炭和聚丙烯氰的重量比為石墨烯活性炭聚丙烯氰=1:0.1:1。本實施例磷酸鐵鋰電池用導電劑的制備方法，具體步驟如下
稱取Ig石墨烯及其0. Ig聚丙烯氰，之后放入150ml 二次蒸餾水中，并在超聲波的條件下超聲分散5分鐘(A溶液);同時稱取0. Ig活性炭及其0. 9g聚丙烯氰，活性炭的比表面積為2000m2/g并將放入到50ml 二次蒸餾水中，超聲分散5分鐘，超聲頻率為40KHZ，得到B溶液，之后在超聲波的條件下使B溶液緩緩加入到A溶液中，并繼續(xù)超聲分散5分鐘，超聲頻率為60KHZ，最后制得磷酸鐵鋰電池用導電劑。實施例4
本實施例磷酸鐵鋰電池用導電劑，由石墨烯、活性炭和聚丙烯氰組成，石墨烯、活性炭和聚丙烯氰的重量比為石墨烯活性炭聚丙烯氰=1:0.001:1。本實施例磷酸鐵鋰電池用導電劑的制備方法，具體步驟如下
稱取Ig石墨烯及其0. 5g聚丙烯氰，之后放入200ml 二次蒸餾水中，并在超聲波的條件下超聲分散5分鐘(A溶液);同時稱取0. OOlg活性炭及其0. 5g聚丙烯氰，活性炭的比表面積為12000m2/g并將放入到50ml 二次蒸餾水中，超聲分散10分鐘，超聲頻率為20KHZ，得到 B溶液，之后在超聲波的條件下使B溶液緩緩加入到A溶液中，并繼續(xù)超聲分散15分鐘，超聲頻率為20KHZ，最后制得磷酸鐵鋰電池用導電劑。實施例5
本實施例磷酸鐵鋰電池用導電劑，由石墨烯、活性炭、聚丙烯氰和聚丙烯酸組成，石墨烯、活性炭、聚丙烯氰和聚丙烯酸的重量比為石墨烯活性炭(聚丙烯氰+聚丙烯酸) =1:0.1:0.01。本實施例磷酸鐵鋰電池用導電劑的制備方法，具體步驟如下
稱取Ig石墨烯及其0. 005g (聚丙烯氰+聚丙烯酸)，之后放入50ml 二次蒸餾水中，并在超聲波的條件下超聲分散5分鐘(A溶液);同時稱取0. Ig活性炭及其0.005g (聚丙烯氰 +聚丙烯酸)，活性炭的比表面積為1500m2/g并將放入到50ml 二次蒸餾水中，超聲分散5分鐘，超聲頻率為40KHZ，得到B溶液，之后在超聲波的條件下使B溶液緩緩加入到A溶液中， 并繼續(xù)超聲分散15分鐘，超聲頻率為40KHZ，最后制得磷酸鐵鋰電池用導電劑。本發(fā)明提供的磷酸鐵鋰電池用導電劑中，石墨烯與活性炭相比具有更強的電子傳輸速率及較強的散熱性能，因此在活性炭/粘結劑復合材料的基礎上進一步復合石墨烯/ 粘結劑，不但可以降低活性炭/粘結劑復合材料的內阻，同時還可以提高單體電池的散熱性能。同時具有較大吸液保液能力的活性炭又可以提供更多的離子通道，使其達到石墨烯與活性炭優(yōu)勢互補的作用，提高活性材料的物理化學性能，并對電池的一致性起到重要作用；在本發(fā)明提供的磷酸鐵鋰電池用導電劑中加入粘結劑不僅可以降低導電劑的下沉速度，還可提高導電劑的分散效果，同時還可以提高石墨烯與活性材料的相容性，另外，粘結劑的加入對提高導電劑的穩(wěn)定性和之后合漿過程的工藝穩(wěn)定性起到了重要作用，還能簡化合漿過程。
本發(fā)明提供的磷酸鐵鋰電池用導電劑有效發(fā)揮了石墨烯導電性強、散熱性好的的優(yōu)點，又可以利用其活性炭吸液保液能力強的優(yōu)勢，并使其產生了協(xié)同效應，顯著提高了電池的電化學性能；同時，粘結劑的加入不但可以降低導電劑的下降速度，提高制得的導電劑的放置穩(wěn)定性，而且還可以提高合漿過程中石墨烯、活性炭與磷酸鐵鋰活性物質的相容性。
權利要求
1.一種磷酸鐵鋰電池用石墨烯復合導電劑，由石墨烯、活性炭和粘結劑組成，由重量百分比表示，其特征在于所述的石墨烯、活性炭和粘結劑的比為1 0. 001 0. 1 :0. 01 1。
2.根據(jù)權利要求1所述的磷酸鐵鋰電池用石墨烯復合導電劑，其特征在于所述粘結劑為聚丙烯氰或聚丙烯酸或是二者的組合。
3.根據(jù)權利要求2所述的磷酸鐵鋰電池用石墨烯復合導電劑，其特征在于所述的聚丙烯氰和聚丙烯酸的組合，其重量比為聚丙烯氰聚丙烯酸為0.5 5 :1，其中，聚丙烯酸的分子量為3000 5000 ；聚丙烯氰的分子量為2000 5000。
4.一種制備權利要求1的磷酸鐵鋰電池用石墨烯復合導電劑的方法，其特征在于以重量百分比計，包括以下步驟1)制備A溶液、2)制備B溶液、3)制備導電劑；其特征在于1)制備A溶液取石墨烯1份、粘結劑0.01 1份，將石墨烯和粘結劑放入二次蒸餾水中超聲分散，時間為5 15分鐘，超聲頻率為2(Γ60ΚΗΖ得到A溶液；2)制備B溶液取活性炭0.001 0. 1和粘結劑0. 01 1份放入到二次蒸餾水中超聲分散為5 15分鐘、超聲頻率為20ΚΗΖ得到B溶液；3)制備導電劑在超聲波的條件下，超聲時間為5 15分鐘，將B溶液緩緩滴入到A溶液中，使得石墨烯、活性炭和粘結劑的重量比為1 :0. 001 0. 1 :0. 01 1，即制得磷酸鐵鋰電池用導電劑。
5.根據(jù)權利要求4所述的磷酸鐵鋰電池用石墨烯復合導電劑的制備方法，其特征在于所述的步驟1)中的二次蒸餾水的用量20 200。
6.根據(jù)權利要求4所述的磷酸鐵鋰電池用石墨烯復合導電劑的制備方法，其特征在于所述的步驟1)中的活性炭的比表面積為100(T2000m2/g。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磷酸鐵鋰電池用的石墨烯復合導電劑，同時還公開了該導電劑的制備方法。本發(fā)明導電劑由石墨烯、活性炭和粘結劑組成，組成成分的重量比為石墨烯:活性炭:粘結劑=1:(0.001～0.1):(0.01～1)。制備方法包括以下步驟1)制備A溶液、2)制備B溶液、3)制備導電劑。本發(fā)明，制備方法簡單，制得的導電劑分散均勻，穩(wěn)定性好，導電劑的電子傳導能力強且熱量傳導均勻，摻雜到磷酸鐵鋰電池里面具有較強的吸液保液能力，采用本發(fā)明的導電劑制得的磷酸鐵鋰電池的電化學性能得到顯著提高，其制備的石墨烯復合導電劑摻雜到50AH磷酸鐵鋰正極材料里面，較未摻雜復合導電劑的磷酸鐵鋰正極材料其交流內阻降低20%，循環(huán)壽命提高15%。
文檔編號H01M4/62GK102244264SQ20111012975
公開日2011年11月16日 申請日期2011年5月19日 優(yōu)先權日2011年5月19日
發(fā)明者丁建民 申請人:江蘇樂能電池股份有限公司