[发明专利]铜箔‑石墨烯集流体及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体的设计一种锂电池用铜箔-石墨烯复合负极集流体及其制备方法。

背景技术

集流体是锂离子电池中不可或缺的组成部件之一，它不仅需要承载活性物质，而且还要将电极活性物质产生的电流汇集并输出。因而性能优良的集流体有利于降低锂离子电池的内阻，提高电池的库伦效率、循环稳定性、倍率性能和电池充/放电效率。理想的电池集流体应满足几个条件：较高的电导率和电化学稳定性、与电极活性物质有较好的相容性和较高的结合力、材料机械强度好、成本低、质量轻。但在实际应用过程中，不同的集流体材料仍存在诸多问题，不能完全满足上述多维度需求。

由于铜箔作为正极集流体时在较高电位时易被氧化，而铝箔作为负极集流体时腐蚀问题则较为严重，通常锂离子电池采用铜箔作为负极集流体，而采用铝箔作为正极集流体。但刚性的金属集流体与电池活性材料颗粒间的接触面积有限，界面电阻较大，对于电池性能特别是大电流充放电条件下的性能存在负面影响；另外，由于金属集流体与活性材料之间的粘合强度有限，在持续的充放电过程中，温度反复变化，极易发生活性材料与集流体间的膨胀脱离，导致电池内阻进一步加大，使得电池的循环寿命和安全性能受到影响。因此，提高两者之间的结合强度是提升锂离子电池性能的重要手段。

目前解决此问题的办法基本都是通过增加浆料粘结剂的用量、集流体表面化学腐蚀或者在集流体表面涂敷高导电的材料等方法来增加二者间的粘附能力。但是这些方法不可避免的会对电池性能造成一系列不良影响：包括电池内阻的增大、能量密度和功率密度的降低、循环使用寿命缩短、电池发热量上升等；化学腐蚀等特殊处理会对集流体产生一定程度的表面损伤，降低箔材的强度，影响后续的成品加工，不利于大规模生产；而在集流体表面涂覆高导电的材料时，如果该材料的粘结性能较好，并且相对于金属集流体具有更好的形变能力，则可减小界面电阻，提高活性材料与集流体间的导电能力。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种铜箔-石墨烯复合负极集流体及其制备方法，通过连续式化学气相沉积法将石墨烯直接包覆式生长于铜箔表面，使石墨烯与铜箔形成一体化的复合材料，提高集流体与活性物质之间的结合强度，防止反复膨胀与集流体脱离，使集流体与活性物质结合更为紧密，从而降低了界面电阻，提高电池的倍率放电性能及循环使用寿命。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一方面，提供了一种铜箔-石墨烯复合负极集流体的制备方法，所述制备方法利用连续式化学气相沉积法制备，包括以下几个步骤：

1）、铜箔在进料装置和出料装置的共同牵引驱动下进入高温反应设备3；

2）、向高温反应设备3内通入保护气体；

3）、对高温反应设备3预升温，当高温反应设备3的反应室高温区39温度达到800℃-1000℃时，向反应室高温区39内通入碳氢气体，铜箔经出料装置牵引出高温反应设备3，得到铜箔-石墨烯复合负极集流体。

优选的，所述步骤1）中所述进料装置和出料装置分别为进料辊2和出料辊5，所述进料辊2和出料辊5采用变频电机驱动，分别位于所述高温反应设备3的两侧。

优选的，所述步骤1）中所述高温反应设备3包括石墨炉管38、感应加热圈37、反应室和保护气封装置31；所述反应室位于高温反应设备3内部中心位置且向高温反应设备3的两侧延伸，所述保护气封装置31位于反应室的两端延伸段内部；所述石墨炉管38位于高温反应设备3内部且均布在反应室的外围；所述感应加热圈37均匀环绕在石墨炉管38的外围，用于加热石墨炉管38。

优选的，所述高温反应设备3的外部还包括冷却水套4，所述冷却水套4两端部分别设有冷却水套入口41和冷却水套出口42，其中冷却水套入口41位于冷却水套4的底部，冷却水套出口42位于冷却水套4的顶部；所述高温反应设备3底部还设有碳氢气体、氢气入口34。

优选的，所述感应加热圈37为水冷感应加热圈，采用中空铜管绕制而成，由外置的供电装置供电驱动，用于加热石墨炉管38；所述感应加热圈37的外围还依次设有保温碳毡36和石英砂35，所述感应加热圈37相对应的反应区为反应室高温区39。

优选的，所述保护气封装置31为多个相互隔离的矩形槽，且反应室外围与保护气封装置31相对的位置设有保护气入口33，所述保护气入口33为多个相关贯通的矩形中空结构；所述反应室两端均设有气封口32；所述反应室为矩形腔体。

优选的，所述步骤3）中对高温反应设备3进行预升温时，升温速度不超过每小时20℃。