一种碳纳米管复配导电助剂及其制备方法与流程

本发明属于锂离子电池，涉及一种碳纳米管复配导电助剂及其制备方法。

背景技术：

1、导电剂是锂离子电池的关键辅材，对改善电池的导电性能、倍率性能、容量循环性能有着重要的作用。由于大部分正极材料活性物质导电性差、内阻较大，因此需要导电剂构成导电网络以提高电极材料活性物质与集流体之间的导电性。目前导电剂主要应用在正极极片上，未来随着硅基负极加速渗透，导电剂在负极极片上的应用也将提速。导电剂在电池正极的作用主要是提升正极材料的导电性能。锂电子正极材料导电性能较差，需要通过添加一定比例的导电剂保证导电物质填充满正极材料活性物质之间的空隙，以形成良好的导电网络提升正极材料的导电性能。在负极的作用主要为削弱负极材料的膨胀性，提高循环寿命。负极材料导电性能虽好，但在多次充放电过程中，锂离子不断的嵌入脱出会引起石墨颗粒体积的膨胀和收缩，导致石墨颗粒间隙越来越大，降低导电性能，部分甚至会脱离电极，降低锂离子电池容量。而加入导电剂可以改善负极表面性能，保持电池导电性。

2、呈线性结构的碳纳米管拥有极高的长径比，更细的直径令其拥有更高的空间利用率，此外碳纳米管的高导电率、高比表面积、优异机械性、高导热率与电化学稳定性为其在电池领域的应用提供了巨大的优势，但这是建立在碳纳米管均匀分散在正极活性材料颗粒间的前提下，碳纳米管多处于缠绕状态，加之碳纳米管之间的范德华力及自身非极性的性质使得其难以简单分散在溶剂中；另外目前研究为了进一步提高碳纳米管复合材料的导电性能，通过高温处理提高其纯度，此外使用氨气对碳纳米管进行氮掺杂，但是氮掺杂量较低且氮基团类型不单一。因此，针对以上问题本发明提供了进一步优化的碳纳米管复配助剂。

技术实现思路

1、本发明涉及一种碳纳米管复配导电助剂及其制备方法，属于锂离子电池技术领域。本发明公开了一种碳纳米管复配导电助剂包括了以下原料：改性碳纳米管、纳米硅粉、氧化石墨烯和分散剂。本发明以纳米线作为前驱体与氮源反应得到的改性碳纳米管，提高了碳纳米管的氮掺杂量，进而提高导电性；氧化石墨烯和壳聚糖之间的氢键以及静电作用形成凝胶，从而将纳米硅颗粒和改性碳纳米管原位包封于其中，热处理得到复合材料，其中改性碳纳米管纵横交织的石墨烯网络中，均匀地分布着纳米硅颗粒，在两种碳介质的协同作用下，缩短了锂离子和电子传输的距离，另外在分散剂的作用下阻止了助剂的团聚，进一步提高导电助剂的导电性能。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种碳纳米管复配导电助剂，所述碳纳米管复配导电助剂原料包括了改性碳纳米管、纳米硅粉和氧化石墨烯、分散剂，其中改性碳纳米管的制备方法包括以下步骤：

4、(1)将四水合氯化亚铁、蒸馏水和异丙醇搅拌混合，然后添加氮川三乙酸继续搅拌形成混合液；

5、(2)混合液进行加热处理，然后冷却至室温，使用蒸馏水对沉淀进行洗涤，随后烘干得到前驱体；

6、(3)将前驱体与双氰胺混合，通入氩气后升温并保温，然后冷却至室温获得改性碳纳米管。

7、进一步地，所述步骤(1)中四水合氯化亚铁、蒸馏水、异丙醇和氮川三乙酸四者质量比为5-6:13:20-25:5-6，所述搅拌混合的时间为30min，所述继续搅拌的时间为30min。

8、进一步地，所述步骤(2)中加热的时间和温度分别为5-6h、150-170℃，所述烘干的温度为50-70℃。

9、进一步地，所述步骤(3)中前驱体与双氰胺的质量比为0.5-1:1，所述升温是指升温至700-800℃，所述保温的时间为1.5-3h。

10、进一步地，所述碳纳米管复配导电助剂的制备方法包括以下步骤：

11、a1：将纳米硅粉、改性碳纳米管和氧化石墨烯三者放进研钵中研磨得到混合粉末，然后添加蒸馏水混合，超声处理形成固液混合物；

12、a2：在固液混合物中加入壳聚糖-醋酸搅拌形成凝胶，然后加入分散剂混合；

13、a3：然后经过冷冻干燥后通入氮气加热、保温，冷却至室温得到碳纳米管复配导电助剂。

14、进一步地，所述步骤a1中纳米硅粉、改性碳纳米管和氧化石墨烯三者的质量比为5:1:10，所述混合粉末与蒸馏水的固液比为0.08-0.1:4.5g/ml，所述超声处理的时间为30-40min。

15、进一步地，所述步骤a2中固液混合物与壳聚糖-醋酸的体积比为10:1，所述壳聚糖-醋酸由固液比为10:1g/ml的壳聚糖和醋酸组成，其中醋酸的质量浓度为1-2％，所述分散剂与固液混合物的质量比为0.02-0.5:1，所述分散剂由质量比为1:1:1的聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基硫酸钠和聚丙烯酸组成。

16、进一步地，所述步骤a3中加热的温度为700-800℃，保温的时间为2-3h。

17、本发明的有益效果：

18、1.本发明以纳米线作为前驱体与氮源反应得到的改性碳纳米管，提高了碳纳米管的氮掺杂量，进而提高导电性；氧化石墨烯和壳聚糖之间的氢键以及静电作用形凝胶，从而将纳米硅颗粒和改性碳纳米管原位包封于其中，热处理得到复合材料，其中改性碳纳米管纵横交织的石墨烯网络中，均匀地分布着纳米硅颗粒，在两种碳介质的协同作用下，缩短了锂离子和电子传输的距离，另外在分散剂的作用下阻止了助剂的团聚，进一步提高导电助剂的导电性能。

技术特征：

1.一种碳纳米管复配导电助剂，其特征在于，所述碳纳米管复配导电助剂原料包括了改性碳纳米管、纳米硅粉和氧化石墨烯、分散剂，其中改性碳纳米管的制备方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种碳纳米管复配导电助剂，其特征在于，所述步骤(1)中四水合氯化亚铁、蒸馏水、异丙醇和氮川三乙酸四者质量比为5-6:13:20-25:5-6，所述搅拌混合的时间为30min，所述继续搅拌的时间为30min。

3.根据权利要求1所述的一种碳纳米管复配导电助剂，其特征在于，所述步骤(2)中加热的时间和温度分别为5-6h、150-170℃，所述烘干的温度为50-70℃。

4.根据权利要求1所述的一种碳纳米管复配导电助剂，其特征在于，所述步骤(3)中前驱体与双氰胺的质量比为0.5-1:1，所述升温是指升温至700-800℃，所述保温的时间为1.5-3h。

5.根据权利要求1所述的一种碳纳米管复配导电助剂，其特征在于，所述碳纳米管复配导电助剂的制备方法包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种碳纳米管复配导电助剂，其特征在于，所述步骤a1中纳米硅粉、改性碳纳米管和氧化石墨烯三者的质量比为5:1:10，所述混合粉末与蒸馏水的固液比为0.08-0.1:4.5g/ml，所述超声处理的时间为30-40min。

7.根据权利要求5所述的一种碳纳米管复配导电助剂，其特征在于，所述步骤a2中固液混合物与壳聚糖-醋酸的体积比为10:1，所述壳聚糖-醋酸由固液比为10:1g/ml的壳聚糖和醋酸组成，其中醋酸的质量浓度为1-2％，所述分散剂与固液混合物的质量比为0.02-0.5:1，所述分散剂由质量比为1:1:1的聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基硫酸钠和聚丙烯酸组成。

8.根据权利要求5所述的一种碳纳米管复配导电助剂，其特征在于，所述步骤a3中加热的温度为700-800℃，保温的时间为2-3h。

技术总结本发明涉及一种碳纳米管复配导电助剂及其制备方法，属于锂离子电池技术领域。本发明公开了一种碳纳米管复配导电助剂包括了以下原料：改性碳纳米管、纳米硅粉、氧化石墨烯和分散剂。本发明以纳米线作为前驱体与氮源反应得到的改性碳纳米管，提高了碳纳米管的氮掺杂量，进而提高导电性；氧化石墨烯和壳聚糖之间的氢键以及静电作用形成凝胶，从而将纳米硅颗粒和改性碳纳米管原位包封于其中，热处理得到复合材料，其中改性碳纳米管纵横交织的石墨烯网络中，均匀地分布着纳米硅颗粒，在两种碳介质的协同作用下，缩短了锂离子和电子传输的距离，另外在分散剂的作用下阻止了助剂的团聚，进一步提高导电助剂的导电性能。技术研发人员：马静,郝静,李政受保护的技术使用者：天津市众瀛纳米材料科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/9/17