本發(fā)明涉及一種在鋰電池正、負(fù)極板添加石墨烯的方法，特別涉及一種利用雙層涂布法將石墨烯添加到鋰電池正、負(fù)極板中的方法。

背景技術(shù)：

電池可分為一次電池或二次電池(可充電電池)，其中二次電池依其材質(zhì)又可分為鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池及鋰電池等。其中，鋰電池因其重量較輕以及能量密度較高，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于行動(dòng)裝置中。早期，鋰電池的負(fù)極材料為金屬鋰，但因?yàn)殡姵卦诔潆姇r(shí)鋰離子會(huì)在負(fù)極面上呈現(xiàn)散射狀，且容易脫落，導(dǎo)致電池的容量降低或短路，因此出現(xiàn)了不會(huì)呈現(xiàn)此種散射狀的石墨負(fù)極材料。

在制作鋰電池正、負(fù)極板時(shí)，一般先將黏結(jié)材料在溶劑中攪拌溶解，再加入導(dǎo)電材料，若以石墨烯作為導(dǎo)電材料，由于石墨烯本身具有的范德華力，當(dāng)放入溶劑中攪拌時(shí)，會(huì)發(fā)生混合困難及混合不均勻的狀況。致使最終混漿涂布形成的正、負(fù)極板在應(yīng)用時(shí)容易因?yàn)閮?nèi)阻值變大，導(dǎo)致性能效果不佳，無(wú)法發(fā)揮應(yīng)有的效能。

有鑒于此，本發(fā)明為了改善鋰電池正、負(fù)極板與石墨烯材料的混合技術(shù)，提出了一種在鋰電池正、負(fù)極板添加石墨烯的方法，可以將石墨烯均勻地混合在正、負(fù)極板之中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于提供一種在鋰電池正、負(fù)極板添加石墨烯的方法，是利用雙層涂布的方式將石墨烯與正、負(fù)極板的材料結(jié)合，使得石墨烯及正、負(fù)極板的材料不會(huì)有混合不均或是團(tuán)聚的現(xiàn)象，由此達(dá)到均勻分散的效果，以增加電極板材料的穩(wěn)定性。同時(shí)，石墨烯的引入延長(zhǎng)了最終形成的鋰電池的二次使用循環(huán)壽命，并且提高了電池的充、放電倍率及使用上的安全性。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種在鋰電池正、負(fù)極板添加石墨烯的方法，是利用分開(kāi)均勻攪拌的方式，再搭配雙層涂布機(jī)涂布的技術(shù)手段，可以去除傳統(tǒng)鋰電池電極在混合石墨烯時(shí)在制備過(guò)程中的混合缺失。此外，利用計(jì)算機(jī)程序設(shè)定自動(dòng)化攪拌設(shè)施，并分配不同階段的攪拌、混合，可以有效減少人力資源及制備上的時(shí)間成本。

為了達(dá)到上述的目的，本發(fā)明提供一種在鋰電池正、負(fù)極板添加石墨烯的方法，包含下列步驟：

1)混合黏結(jié)劑及活性溶劑，攪拌，形成透明液體；

2)將步驟1)所得透明液體等分成三部分，分別與正極混合材料、負(fù)極混合材料及石墨烯材料一同攪拌；

3)將一同攪拌后的正極混合材料與透明液體進(jìn)一步混合均勻，得到正極涂布材料；將一同攪拌后的負(fù)極混合材料與透明液體進(jìn)一步混合均勻，得到負(fù)極涂布材料；石墨烯材料與透明液體經(jīng)攪拌后，得到石墨烯涂布材料；

4)將所述石墨烯涂布材料與所述正極涂布材料一同涂布至正極金屬層上，得到鋰電池的正極板將所述石墨烯涂布材料與所述負(fù)極涂布材料一同涂布至負(fù)極金屬層上，得到鋰電池的負(fù)極板。

優(yōu)選的，所述正極混合材料由正極活性物質(zhì)材料及石墨烯導(dǎo)電劑組成，所述負(fù)極混合材料由負(fù)極活性物質(zhì)及石墨烯導(dǎo)電劑組成。優(yōu)選的，所述正極活性物質(zhì)材料為鋰鈷氧化物、鋰鎳氧化物、鋰鈷鎳氧化物、鋰鈷鎳錳氧化物或磷酸鋰鐵氧化物，所述負(fù)極活性物質(zhì)材料為介相碳微球、天然石墨、人造石墨或硅碳復(fù)合材料。

優(yōu)選的，按重量百分計(jì)，所述正極混合材料中的石墨烯導(dǎo)電劑占正極活性物質(zhì)材料的1％-6％，所述負(fù)極混合材料中的石墨烯導(dǎo)電劑占負(fù)極活性物質(zhì)材料的1％-6％；所述正極活性物質(zhì)材料占所述正極涂布材料的85％～95％，所述負(fù)極活性物質(zhì)材料占所述負(fù)極涂布材料的87％～93％；與所述正極涂布材料結(jié)合的黏結(jié)劑占所述正極涂布材料的4％～8％，與所述負(fù)極涂布材料結(jié)合的黏結(jié)劑占所述負(fù)極涂布材料的4％～8％；與所述正極涂布材料結(jié)合的活性溶劑占所述正極涂布材料的45％-60％，與所述負(fù)極涂布材料結(jié)合的活性溶劑占所述負(fù)極涂布材料的45％-60％；涂布于所述正極板上的石墨烯涂布材料占所述正極板上涂布材料的1％～6％，涂布于所述負(fù)極板上的石墨烯涂布材料占所述負(fù)極板上涂布材料的1％～6％。

優(yōu)選的，所述活性溶劑為n-甲基吡咯烷酮。

優(yōu)選的，步驟1)中所述透明液體是通過(guò)攪拌機(jī)混合攪拌所述黏結(jié)劑及所述活性溶劑形成的。

優(yōu)選的，步驟2)中透明液體等分成三部分后，是通過(guò)三個(gè)周波震蕩攪拌機(jī)，分別與所述正極混合材料、所述負(fù)極混合材料及所述石墨烯材料一同攪拌的。

優(yōu)選的，步驟3)中所述正極涂布材料是通過(guò)均質(zhì)機(jī)，將經(jīng)一同攪拌后的透明液體及正極混合材料進(jìn)一步混合均勻形成的；所述負(fù)極涂布材料是通過(guò)另一均質(zhì)機(jī)，將經(jīng)一同攪拌后的透明液體及負(fù)極混合材料進(jìn)一步混合均勻形成的。

優(yōu)選的，步驟4)中涂布操作前，所述正極涂布材料、所述負(fù)極涂布材料及所述石墨烯涂布材料分別轉(zhuǎn)入三個(gè)周轉(zhuǎn)桶以維持持續(xù)攪拌狀態(tài)。

優(yōu)選的，步驟4)中所述正極板的所述涂布操作是利用正極雙層涂布機(jī)完成的，所述負(fù)極板的所述涂布操作是利用負(fù)極雙層涂布機(jī)完成的。優(yōu)選的，所述正極雙層涂布機(jī)是同時(shí)將所述石墨烯涂布材料及所述正極涂布材料輸出，并使所述石墨烯涂布材料涂布在所述正極金屬層上，所述正極涂布材料涂布在所述石墨烯涂布材料上的；所述負(fù)極雙層涂布機(jī)是同時(shí)將所述石墨烯涂布材料及所述負(fù)極涂布材料輸出，并使所述石墨烯涂布材料涂布在所述負(fù)極金屬層上，所述負(fù)極涂布材料涂布在所述石墨烯涂布材料上的。

優(yōu)選的，所述正極金屬層為鋁箔合金，所述負(fù)極金屬層為銅箔合金。

下面結(jié)合具體實(shí)施例配合圖示來(lái)進(jìn)一步描述本發(fā)明，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)將會(huì)隨著描述而更為清楚。但這些實(shí)施例僅是范例性的，并不對(duì)本發(fā)明的范圍構(gòu)成任何限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍下可以對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的細(xì)節(jié)和形式進(jìn)行修改或替換，但這些修改和替換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所使用的工藝系統(tǒng)的方塊示意圖；

圖2為本發(fā)明的步驟流程圖；

圖3a為利用本發(fā)明所制備出的正極板的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3b為利用本發(fā)明所制備出的負(fù)極板的結(jié)構(gòu)示意圖。

[符號(hào)說(shuō)明]

10制造系統(tǒng)

12正極活性物質(zhì)材料槽

122正極活性物質(zhì)稱重劑量罐

14負(fù)極活性物質(zhì)材料槽

142負(fù)極活性物質(zhì)稱重劑量罐

16黏結(jié)劑槽

162黏結(jié)劑稱重劑量罐

18活性溶劑槽

182活性溶劑稱重劑量罐

20石墨稀材料槽

202石墨烯材料稱重劑量罐

22石墨烯導(dǎo)電劑槽

222石墨烯導(dǎo)電劑稱重劑量罐

24周波震蕩攪拌機(jī)

26石墨烯導(dǎo)電劑槽

262石墨烯導(dǎo)電劑稱重劑量罐

28周波震蕩攪拌機(jī)

30攪拌機(jī)

32周波震蕩攪拌機(jī)

34均質(zhì)機(jī)

36均質(zhì)機(jī)

38周轉(zhuǎn)桶

40周轉(zhuǎn)桶

42周轉(zhuǎn)桶

44正極雙層涂布機(jī)

46負(fù)極雙層涂布機(jī)

48正極金屬層

50負(fù)極金屬層

52第一涂布層

54第二涂布層

56正極板

58第一涂布層

60第二涂布層

62負(fù)極板

具體實(shí)施方法

為了提高鋰電池(二次電池)的使用循環(huán)壽命，并且提高電池的充、放電倍率，同時(shí)改善現(xiàn)有鋰電池的正、負(fù)極板在混合石墨烯時(shí)存在混合不均的缺失，本發(fā)明提供了一種在鋰電池正、負(fù)極板添加石墨烯的方法，是利用混合搭配涂布的方式，有效地將石墨烯材料與鋰電池的正、負(fù)極板結(jié)合，并提高了這些材料的穩(wěn)定性。

首先，請(qǐng)先參照?qǐng)D1所示，圖1為本發(fā)明提供的工藝系統(tǒng)10，其中包含一個(gè)正極活性物質(zhì)材料槽12、一個(gè)負(fù)極活性物質(zhì)材料槽14、一個(gè)黏結(jié)劑槽16、一個(gè)活性溶劑槽18、一個(gè)石墨稀材料槽20，在這些槽中，正極活性物質(zhì)材料槽12存放有正極活性物質(zhì)材料，負(fù)極活性物質(zhì)材料槽14存放有負(fù)極活性物質(zhì)材料，黏結(jié)劑槽16存放有黏結(jié)劑，活性溶劑槽18存放有活性溶劑，石墨烯材料槽20存放有石墨烯材料。在本實(shí)施例中，正極活性物質(zhì)材料為鋰鈷氧化物、鋰鎳氧化物、鋰鈷鎳氧化物、鋰鈷鎳錳氧化物或磷酸鋰鐵氧化物；負(fù)極活性物質(zhì)材料為介相碳微球(mesophasecarbonmicrobeads，mcmb)、天然石墨、人造石墨或硅碳復(fù)合材料；活性溶劑為n-甲基吡咯烷酮(nmp)。正極活性物質(zhì)材料槽12先與一個(gè)存有石墨烯導(dǎo)電劑的石墨烯導(dǎo)電劑槽22分別連接至一個(gè)正極活性物質(zhì)稱重劑量罐122及一個(gè)石墨烯導(dǎo)電劑稱重劑量罐222，正極活性物質(zhì)稱重劑量罐122及石墨烯導(dǎo)電劑稱重劑量罐222再同時(shí)連接至一個(gè)周波震蕩攪拌機(jī)24；負(fù)極活性物質(zhì)材料槽14先與一個(gè)存有石墨烯導(dǎo)電劑的石墨烯導(dǎo)電劑槽26分別連接至一個(gè)負(fù)極活性物質(zhì)稱重劑量罐142及一個(gè)石墨烯導(dǎo)電劑稱重劑量罐262，負(fù)極活性物質(zhì)稱重劑量罐142及石墨烯導(dǎo)電劑稱重劑量罐262再同時(shí)連接至一個(gè)周波震蕩攪拌機(jī)28；黏結(jié)劑槽16及活性溶劑槽18先分別連接至一個(gè)黏結(jié)劑稱重劑量罐162及一個(gè)活性溶劑稱重劑量罐182，黏結(jié)劑稱重劑量罐162及活性溶劑稱重劑量罐182再同時(shí)連接至一個(gè)攪拌機(jī)30，攪拌機(jī)30再分別與周波震蕩攪拌機(jī)24、周波震蕩攪拌機(jī)28及周波震蕩攪拌機(jī)32相連接；石墨烯材料槽20先連接至一個(gè)石墨烯材料稱重劑量罐202，再與周波震蕩攪拌機(jī)32相連接。

承接上段，周波震蕩攪拌機(jī)24及周波震蕩攪拌機(jī)28分別與均質(zhì)機(jī)34及均質(zhì)機(jī)36相連接，均質(zhì)機(jī)34及均質(zhì)機(jī)36再分別連接至一個(gè)周轉(zhuǎn)桶38及周轉(zhuǎn)桶40；而周波震蕩攪拌機(jī)32則直接連接至一個(gè)周轉(zhuǎn)桶42。周轉(zhuǎn)桶42與周轉(zhuǎn)桶38同時(shí)連接至一個(gè)正極雙層涂布機(jī)44，此外，周轉(zhuǎn)桶42亦與周轉(zhuǎn)桶40同時(shí)連接至一個(gè)負(fù)極雙層涂布機(jī)46。

在圖1及上述說(shuō)明中，用于連接的符號(hào)及連接方式均為管路連接，即本發(fā)明是通過(guò)管路傳輸上述的材料或是液體等的，此外，本發(fā)明可以利用計(jì)算機(jī)程序控制上述各槽的傳輸時(shí)間、傳輸容量或是啟動(dòng)時(shí)間等，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。

在說(shuō)明完本發(fā)明利用各種槽體及輸送連接結(jié)構(gòu)的工藝系統(tǒng)后，接著進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明在鋰電池正、負(fù)極板添加石墨烯的方法步驟，請(qǐng)同時(shí)參照?qǐng)D1和圖2所示，以下各步驟的操作均可利用計(jì)算機(jī)程序控制。

首先，如步驟s10所示，將黏結(jié)劑槽16及活性溶劑槽18分別經(jīng)黏結(jié)劑稱重劑量罐162及活性溶劑稱重劑量罐182傳輸黏結(jié)劑及活性溶劑至攪拌機(jī)30中混合，并且利用攪拌機(jī)30將混合后的黏結(jié)劑及活性溶劑攪拌形成透明液體。

接著，如步驟s12所示，在攪拌機(jī)30中的透明液體，可經(jīng)計(jì)算機(jī)程序控制，平均分成三等份，分別傳輸至周波震蕩攪拌機(jī)24、周波震蕩攪拌機(jī)28及周波震蕩攪拌機(jī)32中，以分別與周波震蕩攪拌機(jī)24中的正極混合材料、周波震蕩攪拌機(jī)28中的負(fù)極混合材料及周波震蕩攪拌機(jī)32中的石墨烯材料一同攪拌。其中，周波震蕩攪拌機(jī)24中的正極混合材料是從正極活性物質(zhì)材料槽12經(jīng)正極活性物質(zhì)稱重劑量罐122中接收正極活性物質(zhì)材料，以及從石墨烯導(dǎo)電劑槽22經(jīng)石墨烯導(dǎo)電劑稱重劑量罐222中接收石墨烯導(dǎo)電劑，并將其混合形成的；周波震蕩攪拌機(jī)28中的負(fù)極混合材料是從負(fù)極活性物質(zhì)材料槽14經(jīng)負(fù)極活性物質(zhì)稱重劑量罐142中接收負(fù)極活性物質(zhì)材料，以及從石墨烯導(dǎo)電劑槽26經(jīng)石墨烯導(dǎo)電劑稱重劑量罐262中接收石墨烯導(dǎo)電劑，并將其混合形成的；周波震蕩攪拌機(jī)32中的石墨烯材料是從石墨烯材料槽20經(jīng)石墨烯材料稱重劑量罐202中接收的。

承接上段，一同攪拌后，如步驟s14a所示，將周波震蕩攪拌機(jī)24中一同攪拌的正極混合材料及透明液體傳輸至均質(zhì)機(jī)34中，利用均質(zhì)機(jī)34中的剪切力、碰撞及空穴現(xiàn)象，進(jìn)一步將透明液體及正極混合材料混合均勻，得到正極涂布材料；如步驟s14b所示，將周波震蕩攪拌機(jī)28中一同攪拌的負(fù)極混合材料及透明液體傳輸至均質(zhì)機(jī)36中，利用均質(zhì)機(jī)的特性，進(jìn)一步將透明液體及負(fù)極混合材料混合均勻，得到負(fù)極涂布材料；如步驟s14c所示，周波震蕩攪拌機(jī)32中的透明液體及石墨烯材料經(jīng)攪拌后，得到石墨烯涂布材料。經(jīng)過(guò)均質(zhì)機(jī)混合后的正極混合材料及負(fù)極混合材料具有更加分散的效果。

接著，如步驟s16a所示，并請(qǐng)?jiān)偻瑫r(shí)參照本發(fā)明圖3a所示，均質(zhì)機(jī)34中的正極涂布材料會(huì)傳輸至周轉(zhuǎn)桶38中進(jìn)行持續(xù)攪拌的動(dòng)作，周波震蕩攪拌機(jī)32中的石墨烯涂布材料會(huì)傳輸?shù)街苻D(zhuǎn)桶42中進(jìn)行持續(xù)攪拌的動(dòng)作，周轉(zhuǎn)桶42會(huì)將其中的石墨烯涂布材料傳輸至正極雙層涂布機(jī)44及負(fù)極雙層涂布機(jī)46中，周轉(zhuǎn)桶38會(huì)將正極涂布材料傳輸至正極雙層涂布機(jī)44中，使得正極雙層涂布機(jī)44得以將石墨烯涂布材料及正極涂布材料一同涂布至正極金屬層48上；如步驟s16b所示，并請(qǐng)?jiān)偻瑫r(shí)參照本發(fā)明圖3b所示，均質(zhì)機(jī)36中的負(fù)極涂布材料會(huì)傳輸至周轉(zhuǎn)桶40中進(jìn)行持續(xù)攪拌的動(dòng)作，周轉(zhuǎn)桶40會(huì)將負(fù)極涂布材料傳輸至負(fù)極雙層涂布機(jī)46中，使得負(fù)極雙層涂布機(jī)46得以將石墨烯涂布材料及負(fù)極涂布材料一同涂布至負(fù)極金屬層50上。在本實(shí)施例中，正極金屬層48為鋁箔合金，負(fù)極金屬層50為銅箔合金。在圖3a中，正極雙層涂布機(jī)44會(huì)同時(shí)輸出石墨烯涂布材料及正極涂布材料，并將石墨烯涂布材料涂布在正極金屬層48上形成第一涂布層52，并在第一涂布層52上涂布正極涂布材料以形成第二涂布層54，最終得到本發(fā)明的添加有石墨烯的鋰電池正極板56；在圖3b中，負(fù)極雙層涂布機(jī)46會(huì)同時(shí)輸出石墨烯涂布材料及負(fù)極涂布材料，并將石墨烯涂布材料涂布在負(fù)極金屬層50上形成第一涂布層58，并在第一涂布層58上涂布負(fù)極涂布材料以形成第二涂布層60，最終得到本發(fā)明的添加有石墨烯的鋰電池負(fù)極板62。

本發(fā)明對(duì)各種材料的含量并無(wú)特殊限制，主要目的在于提供如何在鋰電池正、負(fù)極板中添加石墨烯的過(guò)程，但本發(fā)明仍給出了各材料的優(yōu)選比例含量，例如：按重量百分計(jì)，所述正極混合材料中的石墨烯導(dǎo)電劑占正極活性物質(zhì)材料的1％-6％，所述負(fù)極混合材料中的石墨烯導(dǎo)電劑占負(fù)極活性物質(zhì)材料的1％-6％；正極活性物質(zhì)材料占正極涂布材料的85％～95％，負(fù)極活性物質(zhì)材料占負(fù)極涂布材料的87％～93％；與正極涂布材料結(jié)合的黏結(jié)劑占正極涂布材料的4％～8％，與負(fù)極涂布材料結(jié)合的黏結(jié)劑占負(fù)極涂布材料的4％～8％；與所述正極涂布材料結(jié)合的活性溶劑占所述正極涂布材料的45％-60％，與所述負(fù)極涂布材料結(jié)合的活性溶劑占所述負(fù)極涂布材料的45％-60％；涂布在正極板上的石墨烯涂布材料占正極板上涂布材料的1％～6％，涂布在負(fù)極板上的石墨烯涂布材料占負(fù)極板上涂布材料的1％～6％。上述段落中的正極活性物質(zhì)稱重劑量罐、石墨烯導(dǎo)電劑稱重劑量罐、石墨烯材料稱重劑量罐、黏結(jié)劑稱重劑量罐、活性溶劑稱重劑量罐及負(fù)極活性物質(zhì)稱重劑量罐，均是通過(guò)計(jì)算機(jī)程序控制并搭配上述的材料比例，分別從各槽中取出適當(dāng)?shù)牟牧希詡鬏數(shù)街懿ㄕ鹗帞嚢铏C(jī)或攪拌機(jī)中進(jìn)行處理的。

本發(fā)明在鋰電池正、負(fù)極板中添加石墨烯的方法，使得石墨烯和正、負(fù)極板在混合材料時(shí)，不會(huì)有混合不均或團(tuán)聚的現(xiàn)象，可以使石墨烯材料以及正、負(fù)極板的涂布材料均勻分散在正、負(fù)極金屬層上，以提高各種材料的穩(wěn)定性。同時(shí)，石墨烯的引入延長(zhǎng)了最終形成的鋰電池的正、負(fù)極板的使用期限，進(jìn)而增加了電池在多次充、放電的循環(huán)壽命，提高了電池充、放電的倍率及安全性。