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一种用于锂离子 电池 负极材料的 碳 纳米管导电剂浆料及其制备方法

阅读：829发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种用于锂离子电池负极材料的碳纳米管导电剂浆料及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明属于锂离子电池领域，涉及一种用于锂离子电池负极的碳纳米管导电剂浆料及其制备方法。通过将活性炭加入导电剂浆料中不仅有助于碳纳米管的分散性，而且活性炭分散在负极材料中有助于提高锂离子电池负极对电解液的吸附量，减小离子的扩散路径；通过将负极成膜剂加入导电剂浆料中，有助于负极在充放电时其表面SEI膜的形成。，下面是一种用于锂离子电池负极材料的碳纳米管导电剂浆料及其制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于锂离子电池负极材料的碳纳米管导电剂浆料的制备方法，其特征在于：配制锂离子电池负极材料的碳纳米管导电剂浆料组分重量比为：
N-甲基吡咯烷酮(NMP)85％-90％；
碳纳米管(CNTs)3％-6％；
活性炭(AC)5％-10％；
聚乙烯吡咯烷酮(PVP)1-2％；
碳酸亚乙酯(VC)1％-2％。
2.根据权利要求1所述的一种用于锂离子电池负极材料的碳纳米管导电剂浆料的制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤(1)：整个浆料制备过程中应该严格控制水分，调节室内湿度到15％以下，所用设备仪器充分干燥，并用N-甲基吡咯烷酮充分清洗；
步骤(2)：称取N-甲基吡咯烷酮(NMP)，加入搅拌罐中，在搅拌过程中加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，打开超声波，待充分溶解后，加入碳酸亚乙酯(VC)，充分溶解；
步骤(3)：加入活性炭粉体，搅拌30min，然后加入碳纳米管(CNTs)，高速搅拌，待碳材料充分浸润后，将复合浆料转移至砂磨机设备中；
步骤(4)：将砂磨机转速调至1000r/min，研磨8-10h，研磨过程中应该控制温度不宜过高，温度适宜保持在50度以下。
3.根据权利要求2所述的一种用于锂离子电池负极材料的碳纳米管导电剂浆料的制备方法，其特征在于：所述活性炭的粒径为5μm-10μm，比表面积在2000m2/g以上。
4.根据权利要求2所述的一种用于锂离子电池负极材料的碳纳米管导电剂浆料的制备方法，其特征在于：所述碳纳米管为多壁碳纳米管、单壁碳纳米管和阵列碳纳米管的一种或者多种混合物。
5.根据权利要求2所述的一种用于锂离子电池负极材料的碳纳米管导电剂浆料的制备方法，其特征在于：所述聚乙烯吡咯烷酮是一种非离子型高分子化合物，其亲油基是含有活泼氢的疏水化合物提供的，其亲水基是由醚基、自由羟基的低分子化合物提供的，其添加量为浊点值0.5％-5.0％。
6.根据权利要求2所述的一种用于锂离子电池负极材料的碳纳米管导电剂浆料的制备方法，其特征在于：负极成膜添加剂为碳酸亚乙酯、碳酸乙烯亚乙酯、碳酸苯乙烯酯、碳酸苯亚乙烯酯、儿茶酚碳酸酯、氨基碳酸甲酯、氨基碳酸乙酯、醋酸乙烯酯、丙烯腈以及2-氰呋喃，亚硫酸酯化合物中的一种以上组合。
7.根据权利要求2所述的一种用于锂离子电池负极材料的碳纳米管导电剂浆料的制备方法，其特征在于：所述砂磨机是立式砂磨机、卧式砂磨机、双锥棒式砂磨机、篮式砂磨机中的任意一种，所用的分散介质为氧化锆球，粒径为1.0mm-1.5mm。
8.根据权利要求2所述的一种用于锂离子电池负极材料的碳纳米管导电剂浆料的制备方法，其特征在于：所述的搅拌罐是旋桨式搅拌器、涡轮式搅拌器或者锚式搅拌器。

说明书全文

一种用于锂离子 电池 负极材料的 碳 纳米管导电剂浆料及其制

备方法

技术领域

[0001] 本发明属于锂离子电池领域，涉及一种用于锂离子电池负极的导电浆料，导电剂主要是碳纳米管。

背景技术

[0002] 负极材料是影响锂离子电池能量密度的重要因素，孔隙率是决定负极材料性能的最关键因素，孔隙率大的负极材料能吸附更多的锂离子，从而提高锂离子电池的能量密度。为了避免浓差极化的影响，要求电极具有最佳的孔隙结构。为了保证电池的大电流放电能力，电极的电子电导率和离子电导率都必须是最佳的，低电阻的电极材料对于锂离子电池的功率密度具有重要的意义。

[0003] 负极材料的本征电导率并不是非常高，一般商用的锂离子电池负极材料中会掺杂导电剂。导电剂的特性会影响电极活性颗粒之间的孔隙尺寸和形状。另外，导电剂吸收电解质的能力也影响了电解质向电极内的渗透，增加电极密度，提高颗粒间的电接触，可以改善电极的电阻。碳纳米管可以在电极材料中形成导电网络，这是最理想的导电结构状况。碳纳米管作为导电剂能优化电极材料颗粒间的电接触，改善了电极与集流体之间的接触，并且碳纳米管在电极材料中形成的网状结构，能锁紧电极活性材料颗粒，增强电极材料之间的接触。

[0004] 活性炭的比表面积最高能达到3000m2/g，而石墨负极材料的比表面积只有3.5m2/g-6m2/g，在锂电池负极材料导电剂中掺杂活性炭不仅有助于电极材料在浆料中的分散性，而且能提高锂电池在使用过程中电极对电解液的保有量，缩短离子扩散路径，增加负极对锂离子的吸附量，而这是影响电池大电流充放电性能的关键因素。

[0005] 在碳负极上形成的固态电解质界面（SEI膜）的化学组成、结构、织构和稳定性等是决定锂离子电池炭负极/电解液相容性的关键，SEI膜决定了电池的性能，如可逆容量、存储寿命、循环寿命以及安全性。SEI膜的形成源于充电过程中电解质的分解。稳定的SEI膜不仅使电池的不可逆容量最低，保证能量密度，还有利于电池的循环稳定性、倍率性能和安全性能。此外，有效的SEI膜还应能够抑制由于溶剂化锂的共嵌导致的石墨电化学剥落。不稳定的溶剂化嵌锂化合物作为短时中间产物在电化学反应中被分解，分解反应会在石墨层和离子的微裂纹中产生气体，使石墨结构片层剥落，破坏粒子。石墨电化学剥落会引起石墨结构的分解，最终导致电池失效。剥落现象容易发生于高结晶度的石墨材料中，特别是在电解质中含有碳酸丙烯酯做为溶剂的情况下。

[0006] 负极成膜剂可以在锂离子电池负极表面形成稳定的SEI膜，其中碳酸亚乙酯（VC）是第一个开发出来的电解质溶剂，它具有极高的相对介电常数（εr=127），能够提高良好的电导率。添加少量的VC可以抑制气体的产生，在首次充电时，获得高循环效率，并且VC还能抑制易还原溶剂如磷酸三甲酯（TMP）的分解，VC可以作为一种典型的负极成膜添加剂。

[0007] 碳纳米管可以在电极材料中形成稳定的导电网络，碳纳米管高的压实性有利于提高电极密度，并且由于碳纳米管DBP吸附量较低，采用少量的粘结剂，电极就可达到合适的机械强度，并且碳纳米管的导热率非常高，在功率型电池中有利于热分散。另外相对于石墨导电剂来说，过高的碾压力并不会导致颗粒的破裂。

[0008] 石墨是各向异性的，市场上用的石墨导电剂，炭黑的小离子尺寸和复杂的团聚结构导致了负极材料的压实密度较低。

发明内容

[0009] 本发明旨在解决上述问题，提出了一种用于锂离子电池负极材料的碳纳米管导电剂浆料及其制备方法。

[0010] 本发明的采用的技术方案如下：一种用于锂离子电池负极材料的碳纳米管导电剂浆料及其制备方法，一种用于锂离子电池负极材料的碳纳米管导电剂浆料，其特征在于：组分重量比为：

[0011] N-甲基吡咯烷酮（NMP）85%-90%；

[0012] 碳纳米管（CNTs）3%-6%；

[0013] 活性炭（AC）5%-10%；

[0014] 聚乙烯吡咯烷酮（PVP）1-2%；

[0015] 碳酸亚乙酯（VC）1%-2%。（准确值）

[0016] 一种用于锂离子电池负极材料的碳纳米管导电剂浆料的制备方法，其步骤如下：

[0017] 步骤（1）：整个浆料制备过程中应该严格控制水分，调节室内湿度到15%以下，所用设备仪器充分干燥，并用N-甲基吡咯烷酮（NMP）充分清洗；

[0018] 步骤（2）：称取NMP，加入搅拌罐中，在搅拌过程中加入聚乙烯吡咯烷酮（PVP），打开超声波，待充分溶解后，加入碳酸亚乙酯（VC），充分溶解；

[0019] 步骤（3）：加入活性炭粉体，搅拌30min，然后加入碳纳米管（CNTs），高速搅拌，待碳材料充分浸润后，将复合浆料转移至砂磨机设备中；

[0020] 步骤（4）：将砂磨机转速调至1000r/min，研磨8-10h，研磨过程中应该控制温度不宜过高，温度适宜保持在50度以下。

[0021] 所述活性炭的粒径为5μm-10μm，比表面积在2000 m2/g以上。

[0022] 所述碳纳米管为多壁碳纳米管、单壁碳纳米管和阵列碳纳米管的一种或者多种混合物。

[0023] 所述聚乙烯吡咯烷酮是一种非离子型高分子化合物，其亲油基是含有活泼氢的疏水化合物提供的，其亲水基是由醚基、自由羟基的低分子化合物提供的，其添加量一般为0.5%-5.0%（浊点值）。

[0024] 所述的负极成膜添加剂为碳酸亚乙酯、碳酸乙烯亚乙酯、碳酸苯乙烯酯、碳酸苯亚乙烯酯、儿茶酚碳酸酯、氨基碳酸甲酯、氨基碳酸乙酯、醋酸乙烯酯、丙烯腈以及2-氰呋喃，亚硫酸酯化合物，比如亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯、亚硫酸二甲酯以及亚硫酸二乙酯等助剂。

[0025] 所述砂磨机可以是立式砂磨机、卧式砂磨机、双锥棒式砂磨机或者篮式砂磨机，所用的分散介质为氧化锆球，粒径为1.0mm-1.5mm。

[0026] 所述的搅拌罐可以使旋桨式搅拌器、涡轮式搅拌器或者锚式搅拌器。

[0027] 本发明与现有技术相比具有以下优点：（1）本发明采用了碳纳米管做导电剂，导电性好，而且能负极材料中形成导电网络，增强负极材料之间的结合强度。（2）本发明加入了活性炭，活性炭在负极材料中能吸附电解液，从而缩短电解质分子的扩散路径，降低极化电阻，提高锂电池单体的大电流充放电性能。（3）本发明加入了负极成膜剂，促进电解液在负极材料表面形成稳定的SEI膜，提高锂电池的电化学性能和寿命。附图说明

[0028] 图1为本发明的负极导电浆料400nm的SEM图。

[0029] 图2为本发明的负极导电浆料300nm的SEM图。

[0030] 图3为本发明的负极导电浆料1μm的SEM图。

具体实施方式

[0031] 方案一：

[0032] 步骤（1）.首先打开除湿机，调节室内湿度到15%以下，所用设备仪器充分干燥，并用NMP清洗干净；

[0033] 步骤（2）：称取925gNMP，加入搅拌罐中，在搅拌过程中加入3g的PVP，打开超声波，待充分溶解后，加入2g的VC，充分溶解；

[0034] 步骤（3）：边搅拌边加入20g活性炭粉体，搅拌30min，然后加入50g的CNTs，高速搅拌，待碳材料充分浸润后，将复合浆料转移至砂磨机设备中；

[0035] 步骤（4）：将砂磨机转速调至1000r/min，研磨10h，用冷水机保持砂磨机料仓温度保持在40度以下。

[0036] 测得的导电浆料水分含量为2937ppm，粒度测试为8μm，粘度测试为10570 mPa•s。

[0037] 方案二：

[0038] 步骤（1）.首先打开除湿机，调节室内湿度到15%以下，所用设备仪器充分干燥，并用NMP清洗干净；

[0039] 步骤（2）：称取930gNMP，加入搅拌罐中，在搅拌过程中加入3g的PVP，打开超声波，待充分溶解后，加入2g的VC，充分溶解；

[0040] 步骤（3）：边搅拌边加入15g活性炭粉体，搅拌30min，然后加入50g的CNTs，高速搅拌，待碳材料充分浸润后，将复合浆料转移至砂磨机设备中；

[0041] 步骤（4）：将砂磨机转速调至1000r/min，研磨10h，用冷水机保持砂磨机料仓温度保持在40度以下。

[0042] 测得的导电浆料水分含量为3347ppm，粒度测试为12μm，粘度测试为13470 mPa•s。

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