[发明专利]一种锂离子电池用自支撑柔性碳纳米管纸复合电极材料

说明书

发明领域

本发明涉及一种锂离子电池的电极材料，尤其涉及一种锂离子电池用自支撑柔性碳纳米管纸复合电极材料，属于化学工程以及能源化工领域。

背景技术

锂离子电池作为一类具有较高的能量密度的电池目前在个人电子设备中得到广泛使用。然而，随着个人便携式设备性能的不断飞跃，其对配套能源系统的要求也不断提高，需要开发具有更高能量、更高功率密度、更长寿命、甚至具有柔性等特征的锂离子电池，以便适合下一代电子设备的锂离子电池。

锂离子电池通过锂离子在正负两极活性材料间迁移实现电能的存储和释放。该储能机制决定了两极的活性材料建立较良好的电子和离子通道。目前在锂电池中被广泛采用的正负极活性材料多为颗粒状，且大多具有较低的本征电导率，影响了电极材料的实际性能。以正极材料颗粒为例，LiCoO₂、LiMn₂O₄、LiFePO₄、LiMnPO₄、Li₃V₂(PO₄)₃和LiNi_0.5Mn_1.5O₄等锂离子电池正极活性材料均呈颗粒状，在加工为锂离子电池极片的过程中，需要与导电添加剂(导电碳黑等)、粘结剂(聚偏氟乙烯等)，混合形成浆料并涂覆在相应集流体(铝箔等)上形成极片。值得注意的是，极片中的粘结剂多为高分子材料，会降低材料的整体电导率，同时也会一定程度上影响极片的孔道结构；集流体的存在也使活性材料在整体极片中的质量分数下降，影响极片整体能量密度。对负极材料，如Fe₃O₄、Fe₂O₃、SnO₂、TiO₂、Li₄Ti₅O₁₂和Si也有类似的过程。为了进一步提高正极极片的导电性，已有工作将上述导电添加剂导电碳黑置换为碳纳米管，并与粘结剂混合涂覆，此方法能一定程度上进一步改善极片的导电性(张庆堂，瞿美臻，等专利公开号：CN1770515A)，但仍需使用粘结剂和集流体。如何为活性材料构建更优的电子及离子通道，并获得进一步提高活性材料在极片中质量比一直是本领域中受到普遍关注的问题。

碳纳米管作为一类具有优异导电性的管状材料。得益于其优异的机械性能，较长的碳纳米管本身可以相互搭接形成纸状结构，无需任何导电剂，且该碳纳米管纸具有较好的韧性，具有柔性及弱性导电材料的特征。基于这种现象，本专利提出了一种构建基于碳纳米管纸复合材料的锂离子电池电极材料，以碳纳米管纸为骨架，将锂离子电池活性正负极材料复合其中。在该电极中，交织的碳纳米管形成优良的导电网络，并提供了合适的柔性孔道结构，使电池的活性材料能更好地发挥其性能；其优异的机械性能也避免了活性材料充放电过程中体积效应引起的同集流体剥离的现象，提高了电极材料的循环稳定性。同时，碳纳米管纸复合电极无需粘结剂及集流体，本身可直接用作极片使用，使活性材料占比相应得到提高。值得注意的是，即使在碳纳米管纸中复合活性材料颗粒，其仍然可以保持一定的柔性特征，是一种可用于柔性锂离子电池的电极材料。

由此可见，若能开发一种基于碳纳米管纸复合材料的锂离子电池电极材料，则有望进一步提升电极材料的电化学性能，获得更优的能量密度，充放电性能且开发柔性等电极材料的新特征，推动锂离子电池水平的进一步提高和发展。

发明内容

本发明的目的在于改变目前锂离子电池电极材料中导电网络效率较低，且依赖粘结剂、集流体的现状，提出一种基于柔性碳纳米管纸的复合电极材料。可充分利用碳纳米管纸内优良的导电网络，并依靠其机械性能摆脱对粘结剂和集流体的依赖，进一步提高整体电极材料的性能。

本发明的技术方案如下：

一种锂离子电池用自支撑柔性碳纳米管纸复合电极材料，其特征在于：该复合电极材料由碳纳米管纸及锂离子电池活性材料颗粒组成；其中碳纳米管纸为碳纳米管相互交织组装形成的碳纳米管宏观体；活性材料颗粒为正极材料颗粒或负极材料颗粒；活性材料颗粒通过复合过程嵌于碳纳米管纸中，其中碳纳米管与活性材料颗粒的质量比为1∶0.05～50之间。

本发明所述碳纳米管纸中的碳纳米管管径在1～100纳米之间，碳纳米管长度在0.5～2000微米之间。