一种轻质电池集流体及制备方法和基于该集流体的电池与流程

1.本发明属于电化学技术领域，涉及一种轻质电池集流体及制备方法和电池。


背景技术：

2.由于石化能源是一种不可再生资源而且污染严重，目前大部分国家都在大力发展新能源电池以替代石化能源，锂离子电池在电动汽车与储能方面已经有了长足的发展，然而商业锂离子电池采用易燃的有机电解液，组装生产条件苛刻，加之锂资源的稀缺，使得锂离子电池成本高昂。二氧化锰拥有308 mahg-1的理论容量，由锌负极与二氧化锰正极构成的水系电解液二次电池具有很高的容量，但是二次锌锰电池需要采用微酸性电解液，目前常用的铝箔和铜箔集流体在酸性电解液中因为会氧化均无法用作二氧化锰正极的集流体，不锈钢箔勉强可以用做二氧化锰正极的集流体，但不锈钢箔也会和二氧化锰作用导致电阻增大，而且不锈钢箔硬度高很难加工成很薄的集流体，同时不锈钢密度大，用不锈钢箔做电池集流体会降低电池能量密度。
3.石墨类材料导电性能好而且密度低，同样厚度的集流体石墨比不锈钢箔轻很多，石墨类材料也具有非常高的耐酸碱性能，是理想的酸性电解液电池的集流体，但石墨类材料是脆性的，用石墨类材料制备的薄集流体强度很低，难以大规模用作电池集流体，因此，开发一种轻质的可以耐酸腐蚀及氧化的电池集流体将具有重要的实用价值。


技术实现要素：

4.不锈钢网具有很高的强度，同样厚度的不锈钢网比不锈钢箔更轻，碳纤维类材料也具有很高拉伸强度，同时具有较好的导电性。用不锈钢网或碳材料网做导电骨架，在骨架孔隙和表面填充涂覆一层耐腐蚀的石墨或导电碳类材料压制成薄膜作为电池集流体，既能保持石墨和碳材料优异的导电性和耐腐蚀性，还能拥有不锈钢和碳纤维材料的拉伸强度，同时还具有比不锈钢箔更轻的质量。据此，本发明提供了一种轻质电池集流体及制备方法和基于该集流体的电池。
5.发明技术方案如下：一种轻质电池集流体，所述集流体包括多孔导电骨架和辅助导电物，所述辅助导电物填充包覆在多孔导电骨架的全部或部分孔隙和表面，所述多孔导电骨架为不锈钢网或碳材料网，所述辅助导电物为石墨、膨胀石墨、导电碳纤维、碳纳米管、石墨烯、导电炭黑中任意一种或一种以上。
6.上述一种轻质电池集流体，不锈钢网可以是不锈钢编织焊接网、不锈钢焊接网、不锈钢冲孔网、不锈钢编织网、孔隙率30%以上的不锈钢箔中的任意一种。
7.上述一种轻质电池集流体，碳材料网可以是导电碳纤维编织网、碳纤维编织网、孔隙率30%以上的导电碳纤维无纺布、孔隙率30%以上的碳纤维无纺布、孔隙率30%以上的碳纳米管无纺布中的任意一种。
8.上述一种轻质电池集流体厚度不大于200μm，优选厚度5μm～20μm。
9.一种轻质电池集流体制备方法，包括以下步骤：（1）量取辅助导电物粉和溶剂混合搅拌形成黏稠的浆料，把搅拌混合均匀的浆料挤压在多孔导电骨架上，将浆料干燥至胶泥状；（2）将步骤（1）所得负载辅助导电物的多孔导电骨架转移至辊压机中，把辅助导电物和多孔导电骨架一起压制成膜，将膜烘干然后再压一遍，即得一种轻质电池集流体。
10.一种轻质电池集流体制备方法，包括以下步骤：（1）量取辅助导电物粉和溶剂混合搅拌形成黏稠均匀的浆料；（2）将步骤（1）所得浆料和多孔导电骨架同时导入辊压机的压辊中，将辅助导电物浆料和多孔导电骨架一起进行压制成膜，将膜烘干然后再压一遍，即得一种轻质电池集流体。
11.上述一种轻质电池集流体制备方法，在制备步骤（1）所述辅助导电物粉浆料时可以加入辅助导电物质量20%以下的粘结剂，也可以不加粘结剂。
12.一种基于轻质电池集流体的电池，所述电池正极或负极集流体为本发明任意一项所述轻质电池集流体。
13.上述一种基于轻质电池集流体的电池，所述电池没有具体限制，可以是锌/二氧化锰电池、锌/五氧化二钒电池、二硫化钛/二氧化锰组合的铝离子电池或镁离子电池、二氧化钛/二氧化锰组合的铝离子电池或镁离子电池，其它锂离子电池、钠离子电池、镁离子电池以及锌离子电池中的任意一种。
14.本发明利用导电性好，拉伸强度高，且耐腐蚀的不锈钢网或碳材料网为多孔导电骨架，在多孔导电骨架的孔隙和表面填充覆盖石墨、膨胀石墨、导电碳纤维、碳纳米管、石墨烯、导电炭黑等导电性好、质量氢且耐腐蚀的材料作为辅助导电物，把多孔导电骨架和辅助导电物一起压制成膜作为电池集流体，使得这种复合集流体在保障优异导电性能和强度的同时，又使这种集流体具有较轻的质量。
15.综上，本发明的有益效果是：本发明提供了一种轻质电池集流体及制备方法和基于该集流体的电池，本发明用不锈钢网或碳材料网为多孔导电骨架，在多孔导电骨架的孔隙和表面填充覆盖了石墨或导电碳类材料作为辅助导电物，把多孔导电骨架和辅助导电物一起压制成膜作为电池集流体，使得这种复合集流体具有优异导电性，高强度，优异的耐腐蚀性，又使这种集流体具有了较轻的质量。
具体实施方式
16.以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
17.在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
18.以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
19.以下实施例所采用不锈钢网为编织焊接不锈钢网（丝径10μm,网孔50μm *50μm），
不锈钢网使用前预先压成厚度10μm的网，导电碳纤维编织网（网孔80μm *80μm）、碳纤维网（网孔80μm *80μm）和导电碳纤维无纺布（孔隙率60%）均预浸了石墨导电胶并进行了压制和烘干定型。石墨粉为300目的片状石墨粉，膨胀石墨粒径300目，石墨烯粒径9-10μm，辅助导电物所用粘结剂为la136d，所涉及比例均为固体质量比。
20.以下实施例所述锌锰电池，正极活性物质为α型二氧化锰，电解液为2mol/l硫酸锌 0.2mol/l硫酸锰水溶液，负极为金属锌粉与粘合剂混合压制的负极片，隔膜为玻璃纤维隔膜，组装软包电池进行测试。
21.实施例1准备不锈钢编制焊接网清洗烘干，按99:1量取石墨粉和la136d粘结剂兑水搅拌成黏稠的浆料，待浆料搅拌混合均匀后挤压在不锈钢网上，将浆料干燥至胶泥状，将负载石墨粉的不锈钢网转移至辊压机中，把石墨和不锈钢网一起压制成厚15μm的膜，然后将膜在90℃下烘干后再压一遍，即得轻质电池集流体。
22.利用实施例1制备的轻质电池集流体做二氧化锰正极的集流体制备锌锰电池进行测试，电池循环充放电100圈后容量保持率为99%。
23.实施例2准备导电碳纤维编织网，取膨胀石墨兑水和乙醇搅拌成黏稠的浆料，待浆料搅拌混合均匀后，将膨胀石墨浆料和导电碳纤维编织网同时导入辊压机的压辊中，将膨胀石墨和碳纤维编织网一起进行辊压制成20μm厚的膜，将膜烘干然后再压一遍，即得轻质电池集流体。
24.利用实施例2制备的轻质电池集流体做二氧化锰正极的集流体制备锌锰电池进行测试，电池循环充放电100圈后容量保持率为99%。
25.实施例3准备不锈钢冲孔网（孔隙率50%，厚10μm）清洗烘干，按80:20量取碳纳米管（长3-11μm）和la136d粘结剂兑水搅拌成黏稠的浆料，待浆料搅拌混合均匀后，将碳纳米管浆料和不锈钢冲孔网同时导入辊压机的压辊中，将碳纳米管和不锈钢冲孔网一起进行辊压制成15μm厚的膜，将膜烘干然后再压一遍，即得轻质电池集流体。
26.实施例4准备孔隙率60%的导电碳纤维无纺布，按99:2量取石墨烯粉和la136d粘结剂兑水搅拌成黏稠的浆料，待浆料搅拌混合均匀后涂在导电碳纤维无纺布上，将浆料干燥至胶泥状，将负载石墨烯的导电碳纤维无纺布转移至辊压机中，把石墨烯和导电碳纤维无纺布一起压制成5μm厚的膜，然后将膜在90℃下烘干后再压一遍，即得轻质电池集流体。
27.实施例5准备不锈钢编织网清洗烘干，按98:2量取导电碳纤维（气相生长碳纤维）粉和la136d粘结剂兑水搅拌成黏稠的浆料，待浆料搅拌混合均匀后，将导电碳纤维浆料和不锈钢编织网同时导入辊压机的压辊中，将导电碳纤维和不锈钢编织网一起进行辊压制成20μm厚的膜，将膜烘干然后再压一遍，即得轻质电池集流体。
28.实施例6准备碳纤维编织网，按98:2量取导电炭黑（sp-li）粉和la136d粘结剂兑水搅拌成黏稠的浆料，待浆料搅拌混合均匀后，将导电炭黑浆料和碳纤维编织网同时导入辊压机的
压辊中，将导电炭黑和碳纤维编织网一起进行辊压制成200μm厚的膜，将膜烘干然后再压一遍，即得轻质电池集流体。
29.对比例1利用不锈钢箔做二氧化锰正极的集流体制备锌锰电池进行测试，电池循环充放电100圈后容量保持率为38%从以上实施例1-2和对比例1测试结果可以看出，不锈钢箔直接用作微酸性锌锰电池的二氧化锰正极集流体会导致电池容量快速下降，而本发明提供的轻质电池集流体用作微酸性锌锰电池的二氧化锰正极集流体，电池拥有非常好的循环充放电池性能。
30.以上详细描述了本发明的实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
31.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
32.此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。