[发明专利]一种用于锂离子电池正极材料的碳纳米管导电剂及其制备方法

说明书

本发明属于复合材料制备领域，具体的说是一种用于锂离子电池正价材料的碳纳纳米管导电剂及其制备方法，包括以下步骤：（1）将分散剂、稳定剂、过充电保护剂和成膜剂预分散在溶剂中；（2）将碳纳米管加入上述分散液中进行充分浸润；（3）将上述混合物加入到砂磨机中进行充分地研磨分散。本发明制备的导电剂不仅能增加正极材料的导电性，还能提高正极材料的稳定性和循环寿命。

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，涉及一种用于锂离子电池正极的导电浆料，导电剂主要是碳纳米管，具体为一种用于锂离子电池正极材料的碳纳米管导电剂及其制备方法。

背景技术

锂是所有单质中质量最小的金属，其电极电位也最低，由锂组成的电池具有操作电压高、质量比容量高和比能量大等特点。金属氧化物锂离子电池是目前应用范围最广的电池类型。正极活性材料的性能是锂离子电池能量密度和功率密度优劣的核心因素。

锂离子电池正极材料主要以氧化钴锂、氧化镍锂、氧化锰锂、磷酸铁锂、锰酸锂、锰酸铁锂等为主，这几种材料是商业锂离子电池的最常用的正极材料，其比容量高、在电化学反应过程中结构相对稳定，但是其导电性差，直接用于锂离子电池的正极材料势必会导致电池极化电阻极高，功率密度很差，可循环性能差。提高正极材料的导电性对提高电池的倍率充放电性能，拓宽锂离子电池应用范围具有重大的意义，特别是在极端条件下的应用。

碳纳米管是一种非常好的导电填充剂，碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域π键，由于共轭效应显著，碳纳米管具有一些特殊的电学性质。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当CNTs的管径大于6nm时，导电性能下降；当管径小于6nm时，CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。碳纳米管表现出良好的导电性，电导率通常可达铜的1万倍。

溶剂化锂离子在电极表面获得的电子而被还原分解的反应过程中，有锂盐电解质和气体的生成，但生成的锂盐电解质沉淀在石墨颗粒的表面，形成覆盖在碳电极表面的钝化薄层，即固体电解质相界面（SEI膜），优良的SEI膜具有电子绝缘性，可以阻止溶剂分子在电极表面持续的还原反应，防止溶剂化锂离子嵌入石墨层件，从而保护了电极，使电极在电化学循环过程中的稳定性大大提高。

研究表明锂离子电池在充放电过程中正极界面上也会形成一定的SEI膜，由于正极上氧化反应的产物不像负极还原反应的产物一样固定，正极上的SEI膜数量较负极上少很多。正极材料在电极首次电化学过程中，电解液组分在其表面发生氧化分解，反应的产物沉积在电极表面形成钝化膜，从而阻止电极过程中正极表面多种副反应的发生。该表面膜具有与炭负极界面SEI膜相似的微观机制，是一层电子绝缘的和Li⁺可导的固体电解质膜。

成膜机制是指添加剂能够先于溶剂化锂离子嵌层或还原，在电极表面优先发生与锂离子的反应，并在电极表面建立起优良的SEI膜，这种膜具有很好的电子绝缘性，使随后的溶剂化锂离子的嵌层与还原过程无法进行，从而保护了电极结构，使电极在电解液中能够保持优良的嵌、脱锂循环性质。

过充电会使电极、集流体、电解质以及隔膜的性能退化，形成内短路、产气以致电池失效。当锂离子电池过充电后，过量的锂离子从正极脱离，且过量的锂金属在负极沉积，随之两电极的热稳定性变差，输入的能量被消耗转换成电池焦耳热，这会引起热失控，最终导致电池起火和爆炸。叔丁苯和1,3-二叔丁苯比甲苯、乙苯和异丙苯的开路电压比较低低，是非常好的过充电保护添加剂，这些衍生物发生了可逆的氧化还原反应，在自身不消耗的情况下增加CO₂的释放量。

由于正极材料的原子间全部是化学键结合，并没有范德华力相互作用的情况，原子间强烈的键合使大体积的溶剂分子难以发生像在石墨层间那样的嵌层反应，溶剂化锂离子在嵌层之前必须去溶剂化，正极材料的电化学过程中不存在溶剂分子嵌入晶格内部的现象。