[发明专利]一种柔性石墨烯集流体与活性材料一体化电极极片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及储能器件及相关材料领域，具体涉及一种锂电池用柔性石墨烯集流体与活性材料一体化电极极片及其制备方法。

背景技术

随着当今世界能源与环境问题的日益严峻，人们对于清洁高效及可再生能源的需求不断增加，能量的高效转化与存储也日益受到关注。作为重要的能量存储器件的锂离子二次电池由于具有容量高、循环寿命长、自放电率低和无记忆效应等突出优点，已被广泛地应用于各类便携式电子产品中。而随着近年来柔性/可折叠电子器件的不断发展，开发具有高能量密度（即高容量）、高功率密度（可快速充放电）并具有弯折稳定性的柔性锂离子电池也已成为目前储能领域研究的热点之一。

在现有的锂离子电池极片制作工艺中，集流体通常采用金属铜箔或铝箔，制作过程是将活性材料以浆料的形式涂覆于金属集流体上，即活性材料与集流体通过粘结剂来实现两者间的连接。这种连接方式往往会因粘结剂的粘结强度不足，导致活性材料与集流体在充放电过程中发生逐步脱离，使电池内阻不断增加，循环寿命缩短，电池的安全性也存在问题。对于柔性电子器件而言，电池通常要在弯折条件下使用，活性材料更易出现与金属集流体的分离现象。同时由于金属集流体与活性材料的接触面积有限，界面电阻较大，电池在大电流充放电条件下的性能（即倍率性能）受到限制。此外由于金属集流体密度较大，会降低活性材料在整个电极中的比例，从而限制了电池能量密度的进一步提高。

针对以上问题，通过对金属集流体表面改性处理可改善集流体与活性物质间的接触，降低电池内阻，如对金属集流体进行表面刻蚀，增加表面粗糙度，从而提高其与活性材料的接触面积，或者在金属集流体表面涂覆导电涂层，增加活性物质粘附性等，这些方法虽取得了一定成效，但由于金属集流体自身的限制，想进一步提高电池的能量密度难度较大。此外，这些方法也不适用于使用过程需多次弯折的柔性电池。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供一种柔性石墨烯集流体与活性材料一体化电极极片及其制备方法，所制备的电极极片具有良好的柔韧性、导电性和较高的能量密度，可在柔性电池中应用，并实现对电池性能的全面提升。

本发明的技术方案是：

一种柔性石墨烯集流体与活性材料一体化电极极片，是由石墨烯集流体层和活性材料层复合而成，所述石墨烯集流体层的组分为石墨烯，所述活性材料层中各组分为：活性物质80～97重量份、导电剂1～10重量份、粘结剂1～10重量份。所述石墨烯集流体层的厚度为0.5～50微米，电导率为100～2000S/cm，所述活性材料层的厚度为10～100微米。

所述石墨烯集流体层中所用石墨烯的层数在1～20层，横向尺寸在1～50微米，碳氧比在20～120。

所述活性物质为锂离子电池正极材料、负极材料或锂硫电池正极材料。

所述锂离子电池正极材料为磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、磷酸锰锂、磷酸钒锂、镍锰酸锂和镍钴锰三元材料中的一种或者几种组合；所述锂离子电池负极材料为天然石墨、人造石墨、金属锂、硅基合金、硅基氧化物、锡基合金、锡基氧化物、钛酸锂、二氧化钛、氧化锡、氧化铁和氧化钴中的一种或者几种组合；所述锂硫电池正极材料为单质硫。

所述导电剂为石墨、膨胀石墨、导电炭黑、乙炔黑、Super-Li、KS-6、中孔碳、微孔碳球、层次孔碳、活性碳、空心碳球、碳纳米管、碳纤维和石墨烯中的一种或几种组合。

所述粘结剂为聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、LA系列粘结剂和改性丁苯橡胶(SBR)中的一种或几种组合。

上述柔性石墨烯集流体与活性材料一体化电极极片的制备方法，包括如下步骤：

1）将石墨烯与溶剂按1:（1～20）的质量比混合，分散成均匀的石墨烯溶液，该石墨烯溶液在微孔滤膜上真空抽滤成石墨烯集流体膜；

2）将含有活性材料层中各组分的浆料在步骤1）中石墨烯集流体膜上继续真空抽滤，抽滤后在30～90℃的烘箱中干燥；

3）将干燥后的含有柔性石墨烯集流体层和活性材料层试样从滤膜上揭下、辊压，得到柔性石墨烯集流体与活性材料一体化电极极片。

所述微孔滤膜为混合纤维酯微孔滤膜、硝酸纤维素滤膜、聚偏氟乙烯滤膜、醋酸纤维素滤膜、再生纤维素滤膜或聚酰胺滤膜；所述微孔滤膜的孔径为0.1～1微米。

步骤1）中分散石墨烯所用的溶剂为水、乙醇、丙酮和N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种。

所述石墨烯溶液分散的方法为超声分散、高速剪切分散、剧烈搅拌和乳化中的一种或几种组合。