CN111430718A - 一种锂基电池电极浆料、制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂基电池电极浆料，包括电极活性材料、改性导电剂、粘结剂，电极活性材料、改性导电剂和粘结剂的质量比为70～80:10～20:10，改性导电剂包括分散剂和碳基导电剂。本发明还公开了上述锂基电池电极浆料的制备方法，包括以下步骤：S1、将分散剂加入到碳基导电剂中，混合，得到分散的导电剂；S2、将有机溶剂加入到S1得到的分散的导电剂中，混合均匀，得到改性导电剂；S3、将电极活性材料、S2得到的改性导电剂、粘结剂混合，加入溶剂，混匀，即得到锂基电池电极浆料。本发明通过在电极浆料中加入分散剂小分子芳香族酸酐，能够起到降低浆料的粘度的作用，从而提升加工性能、循环性能以及降低生产成本。
Description
技术领域
本发明属于锂电池技术领域，具体涉及一种锂基电池电极浆料及其制备方法。
背景技术
随着时代的发展和科技的进步，能源匮乏已经成为全球范围内的议题。全球对能源的快速消耗和传统能源对环境的不良影响促使人们开发安全、高效且无污染的可持续能源转换和存储系统。锂离子电池和锂硫电池等锂基电池由于具有相对高的能量密度、几乎无记忆效应、低自放电、使用寿命长等优点，可被应用于固定式和便携式电子设备、电动汽车等领域，是一类具有发展前景的电源。
电池浆料的混合分散工艺在整个锂基电池生产工艺中对产品的品质影响度大于30％，是整个生产工艺中最重要的环节。电池电极制造包括了液体与液体、液体与固体物料之间的相互混合、溶解、分散等一系列工艺过程，而且在这个过程中都伴随着温度、粘度、环境等变化。在正、负极浆料中，颗粒状活性物质的分散性和均匀性直接响到离子在电池内部的运动，因此匀浆是整个生产工艺中最重要的环节。
电极浆料需要具有稳定且适合的粘度，其对极片涂布工序具有至关重要的影响。粘度过高或过低都不利于极片涂布：粘度高的浆料分散性较好，但是过高的粘度不容易沉淀且不利于流平效果和涂布；粘度低的浆料虽然浆料流动性好，但干燥困难，降低了涂布的干燥效率，还会发生涂层龟裂、浆料颗粒团聚、面密度一致性不好等问题。此外，浆料的固含量也是一个重要的指标。一方面，同种工艺与配方，浆料固含量越高，粘度越大；另一方面，固含量越高，浆料搅拌时间越短，所耗溶剂越少，涂布干燥效率越高，节省时间和生产成本。
基于以上分析，合理降低浆料粘度可以提升浆料的加工性能，而在粘度不变的前提下提升浆料的固含量，又能够降低生产成本。而配制电极浆料时选取合适的分散手段是保证电池浆料质量和降低成本的有效手段，但是现有的分散方法大都比较复杂、成本较高。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种锂基电池电极浆料及其制备方法。
本发明的第一个目的是提供一种锂基电池电极浆料，包括电极活性材料、改性导电剂、粘结剂，所述电极活性材料、改性导电剂、粘结剂的质量比为70～80:10～20:10；
所述改性导电剂包括分散剂和碳基导电剂，且所述分散剂与碳基导电剂的质量比为1:10～200；
所述分散剂为小分子芳香族酸酐。
优选的，所述分散剂为1,2,4,5-均苯四甲酸二酐、1,4,5,8-萘四甲酸酐、3-甲基邻苯二甲酸酐中的一种。
优选的，所述碳基导电剂为乙炔黑、Super P、VGCF、碳纳米管、科琴黑中的一种或一种以上组合。
优选的，所述电极活性材料为正极活性材料、负极活性材料中的一种；且所述正极活性材料为三元材料、钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、硫正极、硫/碳复合正极中的一种；所述负极活性材料为石墨、硬碳、MCMB、硅负极中的一种。
优选的，所述粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、LA132、LA133中的一种或一种以上组合。
本发明的第二个目的是提供一种上述锂基电池电极浆料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将分散剂加入到碳基导电剂中，混合，得到分散的导电剂；
所述分散剂与碳基导电剂的质量比为1:10～200；
S2、将有机溶剂加入到S1得到的分散的导电剂中，混合均匀并烘干，得到改性导电剂；
S3、将电极活性材料、S2得到的改性导电剂、粘结剂混合，然后加入溶剂，混匀，即得到锂基电池电极浆料；
所述电极活性材料、S2得到的改性导电剂、粘结剂的质量比为70～80:10～20:10。
优选的，步骤S2中，所述有机溶剂为氯仿、N,N-二甲基甲酰胺、乙醇、丙酮中的一种或一种以上组合。
优选的，步骤S3中，所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、去离子水中的一种或一种以上组合。
本发明的第三个目的是提供一种上述锂基电池电极浆料在锂基电池上的应用。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
(1)本发明提供的制备方法操作简单，易于实现；
(2)本发明中分散剂原料易得，价格低廉且分散剂添加量少，对体系的影响极小；
(3)本发明利用分散剂小分子芳香族酸酐既能通过π-π相互作用和其中的导电碳材料结合，又能通过极性键和电极活性材料结合，因而能够改变浆料的流变学行为，降低浆料粘度，提升电极加工性能、循环性能以及降低生产成本。
附图说明
图1为本发明三个实施例和三个对比例分别提供的锂基电池电极浆料的黏度测试结果图；
图2为本发明实施例一和对比例一分别提供的锂基电池电极浆料的循环性能图；
图3为本发明实施例二和对比例二分别提供的锂基电池电极浆料的循环性能图；
图4为本发明实施例三和对比例三分别提供的锂基电池电极浆料的循环性能图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
实施例一
一种锂基电池电极浆料的制备方法，包括以下步骤：
S1、按照1:10的质量比例分别称取1,4,5,8-萘四甲酸酐和乙炔黑，然后将1,4,5,8-萘四甲酸酐加入到乙炔黑中，混合，得到分散的导电剂；
S2、将丙酮加入到S1得到的分散的导电剂，直至粉末完全浸润于有机溶剂，混合均匀并烘干，得到改性导电剂；
S3、按照80:10:10的质量比例分别称取NCM811、S2得到的改性导电剂和PVDF，充分混合，然后加入NMP调成30％固含量的浆料，混匀，即得到锂基电池正极浆料。
实施例二
一种锂基电池电极浆料的制备方法，包括以下步骤：
S1、按照1:50的质量比例分别称取1,2,4,5-均苯四甲酸二酐和Super P，然后将1,2,4,5-均苯四甲酸二酐加入到Super P中，混合，得到分散的导电剂；
S2、将二甲基甲酰胺加入到S1得到的分散的导电剂，直至粉末完全浸润于有机溶剂，混合均匀并烘干，得到改性导电剂；
S3、按照70:20:10的质量比例分别称取硫/碳复合正极、S2得到的改性导电剂和LA132，充分混合，然后加入去离子水调成25％固含量的浆料，混匀，即得到锂基电池正极浆料。
实施例三
一种锂基电池电极浆料的制备方法，包括以下步骤：
S1、按照1:200的质量比例分别称取3-甲基邻苯二甲酸酐和VGCF，然后将3-甲基邻苯二甲酸酐加入到VGCF中，混合，得到分散的导电剂；
S2、将氯仿加入到S1得到的分散的导电剂中，直至粉末完全浸润于有机溶剂，混合均匀并烘干，得到改性导电剂；
S3、按照80:10:10的质量比例分别称取硬碳、S2得到的改性导电剂和PVDF，充分混合，然后加入NMP调成30％固含量的浆料，混匀，即得到锂基电池负极浆料。
对比例一
对比例一提供的锂基电池正极浆料的制备方法与实施例一相同，区别仅在于步骤S1中，碳基导电剂中不加入分散剂，且固含量与实施例一相同。
对比例二
对比例二提供的锂基电池正极浆料的制备方法与实施例二相同，区别仅在于步骤S1中，碳基导电剂中不加入分散剂，且固含量与实施例二相同。
对比例三
对比例三提供的锂基电池负极浆料的制备方法与实施例三相同，区别仅在于步骤S1中，碳基导电剂中不加入分散剂，且固含量与实施例三相同。
将三个实施例和三个对比例所制备的电极浆料利用德国哈克流变仪进行粘度测试，剪切速率为50s-1时读取粘度值，黏度测试结果如图1所示，通过图1可以看出，每个实施例制备的电极浆料的黏度均要显著低于相对应的对比例制备的电极浆料的黏度，相对于对比例1～3，实施例1～3制备的浆料的粘度分别由2.93Pa·s降至2.35Pa·s，由2.79Pa·s降至2.08Pa·s、由2.55Pa·s降至1.98Pa·s，说明分散剂的加入，大大降低了电极浆料的黏度。
将所有实施例和对比例中所制备的正极浆料和负极浆料分别用刮刀200μm高度面分别涂覆在铝箔和铜箔上，并将极片真空干燥除去溶剂，然后将极片冲成直径为12mm的圆片，制备成扣式半电池进行电化学测试，结果见图2-4。通过图2-4可以看出，实施例制备的电极浆料的循环性能均要优于对比例制备的电极浆料的循环性能，相对于对比例1～3，实施例1～3制备的电极浆料循环100圈后，电容量分别由130mAh/g提升至150mAh/g，由580mAh/g提升至660mAh/g，由130mAh/g提升至170mAh/g，说明分散剂的加入，提高了电极浆料的循环性能。
综上所述，本发明电极浆料中的小分子芳香族酸酐既能通过π-π相互作用和其中的导电碳材料结合，又能通过极性键和活性材料结合，因而能够改变浆料的流变学行为，降低浆料粘度，提升电极加工性能、循环性能以及降低生产成本。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种锂基电池电极浆料，其特征在于，包括电极活性材料、改性导电剂、粘结剂，所述电极活性材料、改性导电剂、粘结剂的质量比为70～80:10～20:10；
所述改性导电剂包括分散剂和碳基导电剂，且所述分散剂与碳基导电剂的质量比为1:10～200；
所述分散剂为小分子芳香族酸酐。
2.根据权利要求1所述的锂基电池电极浆料，其特征在于，所述分散剂为1,2,4,5-均苯四甲酸二酐、1,4,5,8-萘四甲酸酐、3-甲基邻苯二甲酸酐中的一种。
3.根据权利要求1所述的锂基电池电极浆料，其特征在于，所述碳基导电剂为乙炔黑、Super P、VGCF、碳纳米管、科琴黑中的一种或一种以上组合。
4.根据权利要求1所述的锂基电池电极浆料，其特征在于，所述电极活性材料为正极活性材料、负极活性材料中的一种；且所述正极活性材料为三元材料、钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、硫正极、硫/碳复合正极中的一种；所述负极活性材料为石墨、硬碳、MCMB、硅负极中的一种。
5.根据权利要求1所述的锂基电池电极浆料，其特征在于，所述粘结剂为聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、LA132、LA133中的一种或一种以上组合。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述的锂基电池电极浆料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将分散剂加入到碳基导电剂中，混合，得到分散的导电剂；
所述分散剂与碳基导电剂的质量比为1:10～200；
S2、将有机溶剂加入到S1得到的分散的导电剂中，混合均匀并烘干，得到改性导电剂；
S3、将电极活性材料、S2得到的改性导电剂、粘结剂混合，然后加入溶剂，混匀，即得到锂基电池电极浆料；
所述电极活性材料、S2得到的改性导电剂、粘结剂的质量比为70～80:10～20:10。
7.根据权利要求6所述的锂基电池电极浆料的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述有机溶剂为氯仿、N,N-二甲基甲酰胺、乙醇、丙酮中的一种或一种以上组合。
8.根据权利要求6所述的锂基电池电极浆料的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、去离子水中的一种或一种以上组合。
9.根据权利要求1所述的锂基电池电极浆料在锂基电池上的应用。
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