一种石墨烯基复合导电剂、其制备方法及其应用与流程

1.本发明涉及导电剂领域，特别是涉及一种石墨烯基复合导电剂、其制备方法及其应用。


背景技术：

2.锂离子电池具有低成本、环境友好、高比能量、无记忆效应、质量轻、安全性能优越和工作寿命长等特点，在微型电子器件设备、动力能源设备、大型储能设备领域应用也越来越广泛，应用领域的多元化发展也使得锂离子电池迎来了更大的挑战。然而，对现有锂离子电池储能的应用研究中发现，通过对导电剂进行调制，能有效改善活性材料的性能，如：增强活性材料之间的导电性能、提升高低温性能和提升高倍率性能等。
3.目前常用的锂离子电池导电剂有碳黑、导电石墨、碳纤维、碳纳米管和石墨烯及其混合导电浆料等。碳黑是由呈链状或葡萄状的无定形碳颗粒组成，与活性材料呈现点点接触，同时也兼具电解液保液功能；石墨烯由于其独特的片状二维结构，与活性材料呈现点面接触；而二维过渡金属碳/氮化物mxenes作为一种类石墨烯二维片状材料，可直接作为电极材料使用，在不借助分散剂情况下，在去离子水和n
‑
甲基吡咯烷酮中仍能完全分散。最近研究表明，导电剂的单独使用并不能有效改善锂离子电池各项性能指标，将炭黑、碳纳米管、石墨烯混合使用，分散剂用量与固含提升依然是个技术难题，若是将炭黑、mxenes、石墨烯按不同比例混合使用，既可以减少分散剂用量和提升固含量，又可以发挥不同材料之间的协同效应，优势互补，有望进一步改善锂离子电池的各项性能指标。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提供一种石墨烯基复合导电剂，有效降低电池内阻，提高了电池的高倍率性能。
5.本发明还提供一种石墨烯基复合导电剂的制备方法，工艺简单、便捷。
6.本发明采用如下技术方案：
7.一种石墨烯基复合导电剂的制备方法，包括如下步骤：
8.a、将一定质量分散剂加入到溶剂中，混合均匀后，得到分散剂溶液；
9.b、将一定质量的石墨烯粉体加入到分散剂溶液中，在超声条件下搅拌，得到石墨烯浆料；
10.c、将一定质量的mxenes粉体加入到石墨烯浆料中，在超声条件下搅拌，得到石墨烯/mxenes复合浆料；
11.d、将一定质量的导电炭黑粉体加入到石墨烯/mxenes复合浆料中，在超声条件下搅拌，得到石墨烯/mxenes/导电炭黑复合浆料，最后用筛网震荡分离获得石墨烯基复合导电剂。
12.对上述技术方案的进一步改进为，在所述步骤b、c、d中，所述超声的功率为2～4kw，搅拌的线速度为10～15m/s，搅拌的时间为2～4小时。
13.对上述技术方案的进一步改进为，在所述步骤d中，所述筛网为电动筛网。
14.对上述技术方案的进一步改进为，所述石墨烯、mxenes、导电炭黑、分散剂和溶剂的质量比为1
‑
10:1
‑
5:1
‑
5:1
‑
10:80
‑
95。
15.对上述技术方案的进一步改进为，所述石墨烯的层数为1
‑
10层，粒径分布为10
‑
20微米。
16.对上述技术方案的进一步改进为，所述mxenes为单层ti3c2t
x
纳米片、单层ti2ct
x
纳米片、单层v2ct
x
纳米片中的一种或几种混合，所述mxenes的粒径分布为1
‑
2微米。
17.对上述技术方案的进一步改进为，所述导电炭黑为乙炔黑、超导炭黑和科琴黑中的一种或几种混合。
18.对上述技术方案的进一步改进为，所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮和改性聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种混合；所述溶剂为n
‑
甲基吡咯烷酮。
19.一种石墨烯基复合导电剂，所述石墨烯基复合导电剂使用上述的制备方法制得。
20.一种石墨烯基复合导电剂的应用，所述石墨烯基复合导电剂应用于锂离子电池。
21.本发明的有益效果为：
22.本发明以石墨烯为主体，引入一定比例的mxenes和导电炭黑，降低了分散剂使用量，提高了固含量，形成的石墨烯基复合导电剂能实现电子在面内和层间的快速传递，有效降低电池内阻，提高了电池的高倍率性能。
附图说明
23.图1为本发明的实施例3制得的石墨烯基复合导电浆料进行的倍率性能测试图。
具体实施方式
24.为更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明作进一步说明，但是本发明的实施方式不限于此。
25.实施例1
26.将20g聚乙烯吡咯烷酮加入到2kg n
‑
甲基吡咯烷酮溶剂中，以3m/s线速度搅拌1h，得到分散剂溶液；
27.将50g石墨烯粉体加入到步骤(1)分散剂溶液中，超声功率3kw，以10m/s线速度搅拌3h，得到石墨烯浆料；
28.将20g单层v2ct
x
粉体加入到步骤(2)石墨烯浆料中，超声功率3kw，以12m/s线速度搅拌30min，得到石墨烯/v2ct
x
复合浆料；
29.将30g超导炭黑粉体加入到步骤(3)石墨烯/v2ct
x
复合浆料中，超声功率4kw，以15m/s线速度搅拌1h，得到石墨烯/v2ct
x
/超导炭黑复合浆料，最后用筛网震荡分离获得石墨烯基复合导电剂。
30.实施例2
31.将40g聚乙烯吡咯烷酮加入到3kg n
‑
甲基吡咯烷酮溶剂中，以3m/s线速度搅拌1h，得到分散剂溶液；
32.将120g石墨烯粉体加入到步骤(1)分散剂溶液中，超声功率3kw，以12m/s线速度搅拌3h，得到石墨烯浆料；
33.将50g单层ti2ct
x
粉体加入到步骤(2)石墨烯浆料中，超声功率3kw，以15m/s线速度搅拌30min，得到石墨烯/ti2ct
x
复合浆料；
34.将50g乙炔黑粉体加入到步骤(3)石墨烯/ti2ct
x
复合浆料中，超声功率4kw，以15m/s线速度搅拌2h，得到石墨烯/ti2ct
x
/乙炔黑复合浆料，最后用筛网震荡分离获得石墨烯基复合导电剂。
35.实施例3
36.将50g聚乙烯吡咯烷酮加入到4kg n
‑
甲基吡咯烷酮溶剂中，以3m/s线速度搅拌1h，得到分散剂溶液；
37.将200g石墨烯粉体加入到步骤(1)分散剂溶液中，超声功率3kw，以10m/s线速度搅拌3h，得到石墨烯浆料；
38.将120g单层ti3c2t
x
粉体加入到步骤(2)石墨烯浆料中，超声功率4kw，以13m/s线速度搅拌30min，得到石墨烯/ti3c2t
x
复合浆料；
39.将80g科琴黑粉体加入到步骤(3)石墨烯/ti3c2t
x
复合浆料中，超声功率4kw，以15m/s线速度搅拌2h，得到石墨烯/ti3c2t
x
/科琴黑复合浆料，最后用筛网震荡分离获得石墨烯基复合导电剂。
40.本发明还提供了一种锂离子电池，所述锂离子电池中的导电剂为本发明中的石墨烯基复合导电剂，锂离子电池的其他组成部分均为常用的锂离子电池材料，同时，作为对比组的电池为常用的市售锂离子电池，在此不再赘述。
41.对实施例3制备得到的石墨烯基复合导电浆料进行的倍率性能测试，结果如图1所示。
42.由图1可以看出，相比于对比组，石墨烯基复合导电剂在高倍率充放电时性能有明显提升。
43.本发明针对石墨烯复合导电剂中分散剂用量与固含提升的问题提供了一种解决方案，引入能在溶剂中自分散的优良导电材料mxenes，可以有效降低分散剂的使用量，提升浆料固含量，同时mxenes和炭黑的添加，能有效增强活性材料之间的导电性，小尺寸的mxenes纳米片可以加速活性材料表面离子和电子快速传递，改善锂离子电池高倍率充放电性能。
44.根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。