一种锂离子电池正极极片及其制备方法、锂离子电池正极浆料及其方法与流程

本发明涉及一种电极片及其制备方法，特别涉及了一种添加有石墨烯的电极片及其制备方法。

背景技术：

随着能源与环境问题的日显突出，电动汽车特别是纯电动汽车的发展势在必行。目前，制约电动汽车发展的瓶颈是能否开发出价廉、安全、环境友好的二次电池。锂离子电池由于兼具高比能量及高比功率等特点，被公认为是最具发展潜力的电动车动力电池。对于锂离子电池来说，正极片是决定其电化学性能、安全性能以及价格成本的关键因素。在各种储锂正极材料中，磷酸铁锂(lifepo4)由于安全性能好、循环寿命长、原材料来源广泛、无环境污染等优点脱颖而出，自1997年johnb.goodenough教授首次发现其可逆嵌锂-脱锂特性以来，就一直是锂离子电池正极材料研究开发的热点。

但是lifepo4电导率低，在一定程度制约了其的实际应用。针对这一情况，目前普遍是向lifepo4体系中引入导电剂。常用的导电剂为导电炭黑superpli、导电石墨sfg6和碳纳米管cnts。改善lifepo4电导率时，导电炭黑导电剂用量很大，在一定程度上降低了电池的能量密度；而cnts浆料在应用于高电压体系时，出现高温存储变差以及cyclefading加速的问题，其分散剂pvp在高压下会发生氧化。

迄今为止，在锂离子正极体系中加入石墨烯的技术中与本发明最接近的现有技术是：一种磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料的制备方法，公开号为cn102169986b。公开了一种磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料的制备方法，包括如下步骤：(1)制备磷酸铁锂前驱体，称取原料催化剂、锂盐、铁盐和磷酸盐，将上述原料加入分散剂中，经球磨制得磷酸铁锂前驱体；(2)首先在所述磷酸铁锂前驱体上生长石墨烯，之后关闭碳源气体和氨气，再向所述反应器中通入氢气，在通入氢气的过程中以10℃～20℃/分钟的速度将反应器内的温度调整到600～800℃，然后恒温24～48小时，之后反应器内所得产物再在氮气气氛下冷却至室温，即制得磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料。

该项专利技术中，存在以下缺陷：

1)改变了现有磷酸铁锂的制备工艺，不能直接使用商品化的磷酸铁理；

2)制备工艺中需要通入氢气，升温，保温等一系列制备过程得到的样品，工艺复杂，很难控制石墨烯的含量；

3)对设备和工艺要求很高，成本高，实际量产化很困难。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对目前的技术缺陷，提供一种不含有分散剂且品质好的磷酸铁锂正极浆料；

本发明的另一目的是提供上述磷酸铁锂正极浆料的制备方法；

本发明的又一目的是提供一种导电剂添加量小且性能更佳的磷酸铁锂正极极片；

本发明的又一目的是提供上述正极极片的制备方法；

本发明的又一目的是提供上述正极极片在锂离子电池中的应用方法。

本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：

一种磷酸铁锂正极浆料，包括固体物质和溶剂，所述固体物质包括石墨烯粉体、磷酸铁锂和pvdf，所述石墨烯粉体占固体物质总质量的0.7％-2％。

优选地，所述石墨烯粉体占固体物质总质量的0.7％。

优选地，所述pvdf占固体物质总质量的2.1％-4％，优选3％。

优选地，所述磷酸铁锂占固体物质总质量的95％-97％，优选96.3％。

优选地，所述溶剂采用nmp，所述nmp的质量为固体物质总质量的80％-95％，优选90％。

优选地，所述石墨烯粉体的bet为400-600m²/g，d50粒径为5-9μm。

优选地，所述石墨烯粉体的ph值为5-8。

优选地，所述石墨烯粉体的表观密度为0.01-0.02g/ml、吸油值为0.01-0.02m³/kg。

优选地，所述石墨烯粉体的碳含量97-99％。

进一步优选地，所述石墨烯粉体的bet为450m²/g，d50粒径为6μm；更进一步优选地，所述石墨烯粉体的ph值为6.5。

上述的锂离子电池正极浆料的制备方法，包括：

1)先将pvdf溶于溶剂中，控制物料温度为30-40℃，在搅拌条件下反应0.5-1小时，得到pvdf溶液；

2)向步骤1)得到的pvdf溶液中加入石墨烯粉体，搅拌条件下反应1-1.5小时；

3)向步骤2)所得到的溶液中加入正极材料中，再加入剩余的溶剂，搅拌条件下反应0.5-1小时，即可得到本发明磷酸铁锂正极浆料。

优选地，所述步骤1)中，所述溶剂的用量是固体物质总质量的67％-82％，优选75％。

优选地，所述步骤3)中，所述溶剂的用量是固体物质总质量的15％。

优选地，所述步骤1)中，所述搅拌的转速为100rpm-300rpm，优选280rpm。

优选地，所述步骤2)中，所述搅拌的转速为100rpm-300rpm，优选280rpm。

优选地，所述步骤2)中，所述搅拌的转速为100rpm-300rpm，优选280rpm。

一种锂离子电池正极极片的制备方法，采用上述的锂离子电池正极浆料，包括：

将正极浆料涂于铝箔上，干燥；

压制、冲裁，即可得到本发明正极片。

上述方法的一个方面中，所述正极浆料用200μm刮涂模具涂在铝箔上。

上述方法的一个方面中，所述干燥的方法为：将涂有正极浆料的铝箔放入80℃鼓风干燥箱中，烘0.5h，再转移至真空度是-0.1mpa、温度是120℃的真空干燥箱中，烘5h。此时，正极浆料中的溶剂全部挥发。

上述方法的一个方面中，所述压制，将极片辊压至压实密度2.15-2.3g/cm³。

采用上述的方法所得到的锂离子电池正极极片。

一种锂离子电池正极极片，含有0.7-2wt％石墨烯，优选0.7wt％。

上述锂离子电池正极极片的一个方面，所述正极极片包括正极材料、石墨烯、pvdf，所述正极材料为：

licoo2；

或lifepo4；

或linixcoymn(1-x-y)o2(0≤x≤10≤y≤1)；

或linixcoyal(1-x-y)o2(0≤x≤1，0≤y≤1)。

优选地，所述pvdf占固体物质总质量的2.1-4％，优选3％；

优选地，所述正极极片的电阻率为2.1ω·cm。

上述锂离子电池正极极片在锂离子电池中的应用，装配成扣式电池，具体装配顺序如下：负极壳朝上，放入弹片，放入垫片，放入负极锂片，放入隔膜，放入正极片，加入适量电解液，最后扣上正极壳，直接用封口机对电池进行封口，完毕。

本发明中出现的正极材料的概念，是指现有的锂离子电池所用的正极材料，包括三元材料，例如：磷酸铁锂lifepo4，锂钴氧化物licoo2，镍酸锂linio2，锂锰氧化物limno2、锰镍钴复合氧化物limnxniyco1-x-yo2，锂钒氧化物liv2o4、livmo4(m＝ni,co)或li1+xv3o8，等等，且不止于列举的种类。

石墨烯材料具有多方面的性质，尤其是通过对制备方法的工艺调整后，可以在对石墨烯多方面的某一方面的性质进行控制。常州第六元素率先做到了根据下游端的需求定制相应性质的石墨烯。也是在基于这种强大制备能力的基础上，本发明人大胆的对石墨烯不同性质与在正极材料中的应用进行针对性的全方位的实验构想和实验。发明人在研究中发现，石墨烯的比表面积和粒径两方面的性能对直接添加石墨烯后的正极材料的改善比较大，参见图3、4所示，不同石墨烯样品对极片性能有影响，如果石墨烯比表面积比较小，粒径比较小，在体系中未能形成良好的导电网络来连接正极材料的颗粒，则极片性能差；如果石墨烯比表面积比较大，粒径比较大，则石墨烯在体系中难以均匀分散，不能很好的连接较多的正极材料颗粒，导电网络也会较差，则极片性能也不好。当然，还有一些其它方面性质对正极材料也有一定的干扰。在这种情况的跟踪研究下，本申请发明人得到这样的结论：当石墨烯的比表面积(bet)为400-600m²/g、d50粒径为5-9μm时，直接将石墨烯加入现有的正极笑料中，体系在磁力搅拌的作用力溶剂分子的作用力下，可以得到非常好的分散。参见图1、2，图1为没有加入石墨烯的磷酸铁锂的电镜图片，图2为加入了石墨烯的磷酸铁锂正极极片的电镜图片。从图1中可以看出石墨烯加入磷酸铁锂的极片中后，连接了磷酸铁锂的颗粒，覆载在磷酸铁锂颗粒表面及颗粒之间，直接形成了电子的传导路径。同时研究得到，在石墨烯的其它方面中，石墨烯粉体的ph值、表观密度、吸油值以及碳含量，对正极材料的影响也不可忽视。石墨烯粉体的ph值为5-8，表观密度为0.01-0.02g/ml、吸油值为0.01-0.02m³/kg时，碳含量97-99％时，正极极片的性能更佳。另外，在石墨烯二维面结构的作用下，有助于改善极片辊压工艺，增加压实密度。本发明的石墨烯在低的添加量的情况下可使正极材料获得低的极片电阻率，为3.2ω·cm，与cnts正极极片电阻率持平，比sp正极极片电阻率低30％。

附图说明

图1是实施例中用到的磷酸铁锂材料的sem图片；

图2是实施例6中添加石墨烯的电极极片的sem图片；

图3是实施例1-9的极片电阻率；

图4是实施例1-9的不同倍率放电性能；

具体实施方式

以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

以下实施例中，从石墨烯不同性质进行按照本发明方法进行实验，其中，表1是样品1-9的测试性能；表2.样品10、11的测试性能；表3.样品1-11中用到的石墨烯特性。

实施例1:

称取总固体质量的3％的pvdf溶于总固体质量的75％的n-甲基吡咯烷酮(nmp)中，将上述样品在温度30℃，搅拌转速为100rpm的条件下，反应0.5小时；再加入总固体质量的0.7％的纯石墨烯粉体(bet为500m2/g，d50粒径在7μm)，将上述样品在搅拌转速为100rpm的条件下，反应1小时；然后加入总固体质量的96.3％的磷酸铁锂，再加入总固体质量的15％的nmp，将上述样品在搅拌转速为100rpm的条件下，反应1小时，将所得正极材料的浆料静置待用；然后将正极材料浆料用200μm刮涂模具涂在铝箔上，放入80℃鼓风干燥箱中，烘0.5h，再转移至真空度-0.1mpa，温度120℃的真空干燥箱中，烘5h；通过调节对辊机辊缝间隙将正极极片辊压至目标压实密度2.15-2.3g/cm3。记为样品1，性能见表1。

极片电阻率的测试：

用苏州晶格st2253型数字式四探针测试仪测试极片的极片电阻率，采用锂电极片电阻测试专用的二电极探针测试。测试为30个点的电阻率值取平均值记为该极片的电阻率值。

锂离子电池容量的测试：

上述磷酸铁锂正极极片在锂离子电池中的应用，装配成扣式电池，具体装配顺序如下：负极壳朝上，放入弹片，放入垫片，放入负极锂片，放入隔膜，放入正极片，加入适量电解液，最后扣上正极壳，直接用封口机对电池进行封口，完毕。将上述的扣式电池放置在新威电池测试仪上，按cycle测试工步：0.1c充/0.1c放循环3圈，0.2c充/0.2c放循环5圈，0.3c充/1c放循环5圈，0.3c充/1c放循环5圈，进行测试。

极片电阻率和锂离子电池的测试方法以下实施例中通用。

实施例2:

称取总固体质量的3％的pvdf溶于总固体质量的75％的n-甲基吡咯烷酮(nmp)中，将上述样品在温度30℃，搅拌转速为100rpm的条件下，反应0.5小时；再加入总固体质量的1％的纯石墨烯粉体(bet在500m2/g，d50粒径在7μm)，将上述样品在搅拌转速为100rpm的条件下，反应1小时；然后加入总固体质量的96％的磷酸铁锂，再加入总固体质量的15％的nmp，将上述样品在搅拌转速为100rpm的条件下，反应1小时，将所得正极材料的浆料静置待用；然后将正极材料浆料用200μm刮涂模具涂在铝箔上，放入80℃鼓风干燥箱中，烘0.5h，再转移至真空度-0.1mpa，温度120℃的真空干燥箱中，烘5h；通过调节对辊机辊缝间隙将正极极片辊压至目标压实密度2.15-2.3g/cm3，记录最后辊缝的间隙。记为样品2，性能见表1。

实施例3

称取总固体质量的3％的pvdf溶于总固体质量的75％的n-甲基吡咯烷酮(nmp)中，将上述样品在温度30℃，搅拌转速为100rpm的条件下，反应0.5小时；再加入总固体质量的2％的纯石墨烯粉体(bet在500m2/g，d50粒径在7μm)，将上述样品在搅拌转速为100rpm的条件下，反应1小时；然后加入总固体质量的95％的磷酸铁锂，再加入总固体质量的15％的nmp，将上述样品在搅拌转速为100rpm的条件下，反应1小时，将所得正极材料的浆料静置待用；然后将正极材料浆料用200μm刮涂模具涂在铝箔上，放入80℃鼓风干燥箱中，烘0.5h，再转移至真空度-0.1mpa，温度120℃的真空干燥箱中，烘5h；通过调节对辊机辊缝间隙将正极极片辊压至目标压实密度2.15-2.3g/cm3，记录最后辊缝的间隙。记为样品3，性能见表1。

实施例4:

称取总固体质量的3％的pvdf溶于总固体质量的75％的n-甲基吡咯烷酮(nmp)中，将上述样品在温度30℃，搅拌转速为100rpm的条件下，反应0.5小时；再加入总固体质量的0.7％的sp粉体，将上述样品在搅拌转速为100rpm的条件下，反应1小时；然后加入总固体质量的96.3％的磷酸铁锂，再加入总固体质量的15％的nmp，将上述样品在搅拌转速为100rpm的条件下，反应1小时，将所得正极材料的浆料静置待用；然后将正极材料浆料用200μm刮涂模具涂在铝箔上，放入80℃鼓风干燥箱中，烘0.5h，再转移至真空度-0.1mpa，温度120℃的真空干燥箱中，烘5h；通过调节对辊机辊缝间隙将正极极片辊压至目标压实密度2.15-2.3g/cm3，记录最后辊缝的间隙。记为样品4，性能见表1。

实施例5:

称取总固体质量的3％的pvdf溶于总固体质量的75％的n-甲基吡咯烷酮(nmp)中，将上述样品在温度30℃，搅拌转速为100rpm的条件下，反应0.5小时；再加入总固体质量的0.7％的cnt浆料，将上述样品在搅拌转速为100rpm的条件下，反应1小时；然后加入总固体质量的96.3％的磷酸铁锂，再加入总固体质量的15％的nmp，将上述样品在搅拌转速为100rpm的条件下，反应1小时，将所得正极材料的浆料静置待用；然后将正极材料浆料用200μm刮涂模具涂在铝箔上，放入80℃鼓风干燥箱中，烘0.5h，再转移至真空度-0.1mpa，温度120℃的真空干燥箱中，烘5h；通过调节对辊机辊缝间隙将正极极片辊压至目标压实密度2.15-2.3g/cm3，记录最后辊缝的间隙，进行测试。记为样品5，性能见表1。

实施例6:

称取总固体质量的3％的pvdf溶于总固体质量的75％的n-甲基吡咯烷酮(nmp)中，将上述样品在温度30℃，搅拌转速为100rpm的条件下，反应0.5小时；再加入总固体质量的0.7％的纯石墨烯粉体(bet在450m2/g，d50粒径在6μm)，将上述样品在搅拌转速为100rpm的条件下，反应1小时；然后加入总固体质量的96.3％的磷酸铁锂，再加入总固体质量的15％的nmp，将上述样品在搅拌转速为100rpm的条件下，反应1小时，将所得正极材料的浆料静置待用；然后将正极材料浆料用200μm刮涂模具涂在铝箔上，放入80℃鼓风干燥箱中，烘0.5h，再转移至真空度-0.1mpa，温度120℃的真空干燥箱中，烘5h；通过调节对辊机辊缝间隙将正极极片辊压至目标压实密度2.15-2.3g/cm3，记录最后辊缝的间隙，进行测试。记为样品6，性能见表1。

实施例7:

称取总固体质量的3％的pvdf溶于总固体质量的75％的n-甲基吡咯烷酮(nmp)中，将上述样品在温度30℃，搅拌转速为100rpm的条件下，反应0.5小时；再加入总固体质量的0.7％的纯石墨烯粉体(bet在300m2/g，d50粒径在4μm)，将上述样品在搅拌转速为100rpm的条件下，反应1小时；然后加入总固体质量的96.3％的磷酸铁锂，再加入总固体质量的15％的nmp，将上述样品在搅拌转速为100rpm的条件下，反应1小时，将所得正极材料的浆料静置待用；然后将正极材料浆料用200μm刮涂模具涂在铝箔上，放入80℃鼓风干燥箱中，烘0.5h，再转移至真空度-0.1mpa，温度120℃的真空干燥箱中，烘5h；通过调节对辊机辊缝间隙将正极极片辊压至目标压实密度2.15-2.3g/cm3，记录最后辊缝的间隙，进行测试。记为样品7，性能见表1。

实施例8:

称取总固体质量的3％的pvdf溶于总固体质量的75％的n-甲基吡咯烷酮(nmp)中，将上述样品在温度30℃，搅拌转速为100rpm的条件下，反应0.5小时；再加入总固体质量的0.7％的纯石墨烯粉体(bet在600m2/g，d50粒径在9μm)，将上述样品在搅拌转速为100rpm的条件下，反应1小时；然后加入总固体质量的96.3％的磷酸铁锂，再加入总固体质量的15％的nmp，将上述样品在搅拌转速为100rpm的条件下，反应1小时，将所得正极材料的浆料静置待用；然后将正极材料浆料用200μm刮涂模具涂在铝箔上，放入80℃鼓风干燥箱中，烘0.5h，再转移至真空度-0.1mpa，温度120℃的真空干燥箱中，烘5h；通过调节对辊机辊缝间隙将正极极片辊压至目标压实密度2.15-2.3g/cm3，记录最后辊缝的间隙，进行测试。记为样品8，性能见表1。

实施例9:

称取总固体质量的3％的pvdf溶于总固体质量的75％的n-甲基吡咯烷酮(nmp)中，将上述样品在温度30℃，搅拌转速为100rpm的条件下，反应0.5小时；再加入总固体质量的0.7％的纯石墨烯粉体(bet在710m2/g，d50粒径在11μm)，将上述样品在搅拌转速为100rpm的条件下，反应1小时；然后加入总固体质量的96.3％的磷酸铁锂，再加入总固体质量的15％的nmp，将上述样品在搅拌转速为100rpm的条件下，反应1小时，将所得正极材料的浆料静置待用；然后将正极材料浆料用200μm刮涂模具涂在铝箔上，放入80℃鼓风干燥箱中，烘0.5h，再转移至真空度-0.1mpa，温度120℃的真空干燥箱中，烘5h；通过调节对辊机辊缝间隙将正极极片辊压至目标压实密度2.15-2.3g/cm3，记录最后辊缝的间隙，进行测试。记为样品9，性能见表1。

实施例10:

称取总固体质量的3％的pvdf溶于总固体质量的75％的n-甲基吡咯烷酮(nmp)中，将上述样品在温度30℃，搅拌转速为100rpm的条件下，反应0.5小时；再加入总固体质量的1％的碳纳米管浆料(固含量4.9％)，将上述样品在搅拌转速为100rpm的条件下，反应1小时；然后加入总固体质量的96％的lini0.33co0.33mn0.33o2，再加入总固体质量的15％的nmp，将上述样品在搅拌转速为100rpm的条件下，反应1小时，将所得正极材料的浆料静置待用；然后将正极材料浆料用100μm刮涂模具涂在铝箔上，放入80℃鼓风干燥箱中，烘0.5h，再转移至真空度-0.1mpa，温度120℃的真空干燥箱中，烘5h；通过调节对辊机辊缝间隙将正极极片辊压至目标压实密度2.15-2.3g/cm3，记录最后辊缝的间隙，进行测试。记为样品10，性能见表2。

实施例11:

称取总固体质量的3％的pvdf溶于总固体质量的75％的n-甲基吡咯烷酮(nmp)中，将上述样品在温度30℃，搅拌转速为100rpm的条件下，反应0.5小时；再加入总固体质量的1％的纯石墨烯粉体(bet＝450m2/g，d50粒径为7μm)，将上述样品在搅拌转速为100rpm的条件下，反应1小时；然后加入总固体质量的96％的lini0.33co0.33mn0.33o2，再加入总固体质量的15％的nmp，将上述样品在搅拌转速为100rpm的条件下，反应1小时，将所得正极材料的浆料静置待用；然后将正极材料浆料用100μm刮涂模具涂在铝箔上，放入80℃鼓风干燥箱中，烘0.5h，再转移至真空度-0.1mpa，温度120℃的真空干燥箱中，烘5h；通过调节对辊机辊缝间隙将正极极片辊压至目标压实密度2.15-2.3g/cm3，记录最后辊缝的间隙，进行测试。记为样品11，性能见表2。

表1.样品1-9的测试性能

表2.样品10、11的测试性能

表3：样品1-11中用到的石墨烯特性

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。