一種鋰離子電池用電極極片的製作方法
2024-01-21 02:38:15 3
本實用新型涉及一種鋰離子電池用電極極片，具體涉及一種可用作鋰離子電池負極的具有充放電可逆性高，循環性能良好的二氧化鈦/鈮鈦氧化物複合電極極片，屬於鋰離子電池領域。
背景技術：
隨著各種可攜式電子設備的小型化及對電動汽車的廣泛需求，對化學電源的需求和性能要求急劇增長，而傳統鋰離子電池均採用碳類材料作為其負極材料，由於受鋰離子在其晶格中的擴散速度的限制，碳類負極材料在過充電和大電流充電時，易造成鋰枝晶在其表面的沉積，而鋰枝晶容易刺破隔離正負電極的隔膜材料，從而引發電池微短路或局部過熱等安全隱患。這也是鋰離子電池在動力電池領域應用的瓶頸問題之一。因此，尋找更為安全的新型電極材料是鋰離子電池研究的重要課題。
以TiO2為基體發展起來的新一代納米級鋰離子電池氧化物負極材料，由於其脫嵌鋰電位高，能有效抑制電解液在電極材料表明的分解，因此，具有非常優異的電化學可逆性能。此外，該類材料最大的特點是，由於電化學儲電反應都發生在較高的電位上，可以最大限度地避免鋰的析出，因此，該類材料不僅能降低由於不可逆的電解液分解造成的鋰源消耗問題，而且能夠避免鋰枝晶在電極表面的析出，從而避免了隔膜的刺破造成的電池微短路，有效提高鋰離子電池的安全性。
但這類零體積效應氧化物材料作為鋰離子電池負極材料時，由於其半導體特性，其電子及鋰離子導電率較低，因而不得不通過減低材料的尺寸以提高材料與導電劑的接觸面積才能滿足大電流充放電條件。因此對於這類氧化物材料複合負極的製備，多是將材料高度分散於導電劑中，並提高導電劑在電極中的質量與體積百分比，以克服材料本身的低導電性。但是向負極材料中加入較多的導電劑，一方面改善了其導電性，並且在一定程度上減小了電化學過程中的體積效應，但是另一方面，也降低了電極的體積密度。
技術實現要素：
本實用新型的目的是提供一種鋰離子電池用電極極片，針對二氧化鈦/鈮鈦氧化物的低導電特性，提供一種新型的具有三維網絡結構的負極複合極片。該極片由二氧化鈦/鈮鈦氧化物複合負極材料、內孔表面塗覆有碳層的三維金屬集流體骨架和極耳組成。這種新的構造不引入導電劑和粘結劑，通過二氧化鈦/鈮鈦氧化物複合負極材料、聚合物熱解碳與塗覆碳層的三維骨架集流體之間的粘合力構成極片，通過三維金屬網絡形成的基本構型以及集流體網格表面的碳層和負極顆粒之間的熱解碳提高電極活性材料的電接觸性能，改善其循環穩定性。
一種鋰離子電池用電極極片，所述電極極片由極片本體及極耳組成，
所述極片本體主體為集流體骨架，所述集流體骨架具有三維網絡結構，所述三維網絡結構所構成的網格為不規則形狀網格；所述集流體骨架網格表面覆有碳層；所述網格內部由填充物完全填充，所述填充物為二氧化鈦/鈮鈦氧化物顆粒分散於聚合物熱解碳中形成的混合物。
本實用新型提供的鋰離子電極極片，其主體為集流體骨架，所述集流體骨架採用三維網絡結構而非傳統鋰離子電池常用的二維平面金屬薄膜，集流體不僅起著集流作用，而且也作為電極的基本框架形成電極的支撐結構。所述集流體骨架的三維網絡結構形成的網格為不規則形態孔洞。具有三維不規則孔洞的集流體骨架的孔內表面覆有高導電性的碳層；二氧化鈦/鈮鈦氧化物複合負極材料分散於聚合物熱解碳中並通過熱解碳固定於集流體骨架形成的網絡結構中，靠集流體的電子輸運完成嵌脫鋰過程，為電極的活性中心；極耳與金屬集流體點焊連接，與外電路相連形成電流通路。這種三維填充結構有利於改善集流體與二氧化鈦/鈮鈦氧化物複合負極材料之間的結合力，將電極材料有效束縛於三維不規則空腔結構中。三維金屬集流體內孔表面的碳層進一步改善導電性能，提高整體電極的循環穩定性。
本實用新型所述鋰離子電池用電極極片優選所述二氧化鈦/鈮鈦氧化物顆粒通過聚合物熱解生成的聚合物熱解碳的粘結作用固定於集流體骨架的不規則三維網格中。
本實用新型所述鋰離子電池用電極極片優選所述碳層的厚度為1～10微米。
本實用新型所述鋰離子電池用電極極片優選所述碳層的材料為石墨碳、石墨烯、活性炭、無定型碳的一種或其混合物。
本實用新型所述鋰離子電池用電極極片優選所述碳層通過將集流體骨架浸入含有碳材料的溶液中後乾燥覆在集流體網格表面上。
本實用新型所述鋰離子電池用電極極片優選所述填充物為氧化鈦/鈮鈦氧化物顆粒與聚合物高溫熱解碳複合而成，所述二氧化鈦/鈮鈦氧化物顆粒為球形鈮鈦氧化物表面分散有銳鈦礦型二氧化鈦顆粒，所述無定型鈮鈦氧化物為具有通式TixNbyO2x+2.5y的化合物，x＝0.1～1，y＝1～2；所述聚合物為任何可以在高溫下熱解為碳的聚合物。
進一步地，優選所述聚合物為聚丙烯，聚氯乙烯。
本實用新型所述鋰離子電池用電極極片優選所述集流體骨架為電極活性物質能夠均勻分散其中和表面，並且具有一定耐高溫特性且導電性良好的集流材料，優選為泡沫鎳或泡沫銅。
本實用新型的有益效果為：本實用新型所提供的鋰離子電池用電極極片不引入傳統鋰離子電池極片中常用的導電劑和粘結劑，而是通過活性複合電極材料與內孔塗覆碳層的三維網絡骨架結構集流體之間的聚合物熱解碳的粘結作用構造成具有良好分散性和高粘接性的極片，這是本實用新型區別於其他類型極片的構造的顯著特點。並且具有低成本、易成型等優點。
附圖說明
圖1為一種鋰離子電池用電極極片微觀構造示意圖；
圖2為一種鋰離子電池用電極極片基本結構示意圖，附圖標記如下：
1、集流體骨架，2、碳層，3、二氧化鈦/鈮鈦氧化物顆粒，4、聚合物熱解碳，5、極耳。
具體實施方式
下述非限制性實施例可以使本領域的普通技術人員更全面地理解本發明，但不以任何方式限制本發明。
下述實施例中所述試驗方法，如無特殊說明，均為常規方法；所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業途徑獲得。
實施例1
一種鋰離子電池用電極極片，所述電極極片由極片本體及極耳5組成，所述極耳5焊接在極片主體外緣一端。
所述極片本體主體為集流體骨架1，所述集流體骨架1具有三維網絡結構，所述三維網絡結構所構成的網格為不規則形狀網格；所述集流體骨架1網格表面覆有碳層2；所述網格內部由填充物完全填充，所述填充物為二氧化鈦/鈮鈦氧化物顆粒3分散於聚合物熱解碳4中形成的混合物。
所述二氧化鈦/鈮鈦氧化物顆粒通過聚合物熱解生成的聚合物熱解碳4的粘結作用固定於集流體骨架1的不規則三維網格中。所述碳層2的厚度為8微米。所述碳層2的碳材料為石墨碳層。所述碳層2通過將集流體骨架1浸入含有石墨碳粉的溶液中後乾燥覆在集流體網格表面上。
所述填充物為氧化鈦/鈮鈦氧化物顆粒與聚合物高溫熱解碳複合而成，所述二氧化鈦/鈮鈦氧化物顆粒為球形鈮鈦氧化物表面分散有銳鈦礦型二氧化鈦顆粒，所述無定型鈮鈦氧化物為具有通式TixNbyO2x+2.5y的化合物，x＝0.5，y＝2；所述聚合物為聚丙烯；所述集流體骨架1為泡沫鎳。
實施例2
一種鋰離子電池用電極極片，所述電極極片由極片本體及極耳5組成，所述極耳5焊接在極片主體外緣一端。
所述極片本體主體為集流體骨架1，所述集流體骨架1具有三維網絡結構，所述三維網絡結構所構成的網格為不規則形狀網格；所述集流體骨架1網格表面覆有碳層2；所述網格內部由填充物完全填充，所述填充物為二氧化鈦/鈮鈦氧化物顆粒3分散於聚合物熱解碳4中形成的混合物。
所述二氧化鈦/鈮鈦氧化物顆粒通過聚合物熱解生成的聚合物熱解碳4的粘結作用固定於集流體骨架1的不規則三維網格中。所述碳層2的厚度為3微米。所述碳層2的碳材料為石墨烯和無定型碳的混合物。所述碳層2通過將集流體骨架1浸入含有石墨烯和無定型碳混合的溶液中後乾燥覆在集流體網格表面上。
所述填充物為氧化鈦/鈮鈦氧化物顆粒與聚合物高溫熱解碳複合而成，所述二氧化鈦/鈮鈦氧化物顆粒為球形鈮鈦氧化物表面分散有銳鈦礦型二氧化鈦顆粒，所述無定型鈮鈦氧化物為具有通式TixNbyO2x+2.5y的化合物，x＝0.2，y＝1.3；所述聚合物為聚氯乙烯；所述集流體骨架1為泡沫銅。