一種紫外光固化涂碳鋁箔集流體及制備方法與流程

本發明屬于鋰離子電池材料領域，具體是一種紫外光固化涂碳鋁箔集流體及制備方法。
背景技術：
：新能源汽車具有零排放、靜音和充電成本低等優點，越來越受到用戶的親睞。鋰離子電池具有能量密度高，循環壽命長和電壓平臺高等優點成為新能源汽車的首選。磷酸鐵鋰體系的動力電池安全性高，價格便宜，在目前國內的動力電池中占有大部分市場份額。磷酸鐵鋰的主要缺點是離子擴散系數和導電率都較低，分別為5×10-15cm2·S-1，10-9S·cm-1。目前主要通過降低材料粒徑和碳包覆等方法改善兩者性能。在鋰離子電池中，界面電阻也是影響電池內阻的重要因素。正極活性材料與鋁箔集流體接觸點會有較大的電阻，在電池使用時產生極化。在鋁箔表面涂覆一層碳導電層后，碳材料處于正極活性物質與鋁箔間，起到過渡作用，增加了鋁箔與活性材料的充分接觸，顯著地降低了正極材料與集流體的界面電阻。此外，碳涂覆層還能夠增加活性材料與集流體的粘附力，并具有較強的耐腐蝕性能，對鋁箔起到保護作用，增加電池的循環壽命，改善高倍率性能。國內主要的動力鋰電廠商已逐步使用涂碳鋁箔替代原來的鋁光箔。導電漿料的配制是涂碳鋁箔技術的關鍵，性能良好的涂碳鋁箔必須有以下幾個基本條件：1.粘附力好，漿料中的樹脂與鋁箔表面需要有較強的化學或物理作用力，確保涂層穩定；2.導電率高，首先碳材料必須占到固含量50以上，而且選用的碳材料具有較好的導電性；3.化學性質穩定，選用的樹脂、分散劑、助劑等具有較強的耐化學腐蝕、耐氧化性能。制備性能優良的涂碳鋁箔需要在保證粘附力的同時，最大程度地提升導電性能，所以在一定量的碳材料中，添加盡可能少的樹脂。這要求樹脂具有較強的分散能力和粘附力。樹脂的交聯固化是提高涂膜力學性能強度、耐溶劑性能和化學穩定性能的重要手段。許多熱固型樹脂性能優良，能滿足上述條件，但是需要很高的交聯溫度或交聯時間，如環氧-氨基充分交聯需要170-180℃的溫度、1min以上的交聯時間，其交聯效率低，不利于流水線的生產。目前動力鋰電中的鋁箔在13-20μm間，在此高溫烘烤下，鋁箔會嚴重變形，改變鋁箔張力分布，導致后續加工困難。隨著鋁箔厚度進一步變薄，干燥溫度將進一步下降。技術實現要素：針對現有技術的不足，本發明提出一種耐溶劑性能好、導電性高和化學穩定性好的紫外光固化涂碳鋁箔集流體。該鋁箔集流體的表面涂覆有碳導電漿料，碳導電漿料采用丙烯酸樹脂本身作為分散劑分散碳材料，添加量少，在保證優異導電性的同時，具有優異的機械強度和均勻細膩的涂層。本發明的工藝方法可以采用水性體系，具有環保、成本低等優勢。本發明的涂碳鋁箔的碳涂覆層采用紫外工藝中的干燥溫度只需在60-110℃間，能夠保證鋁箔加工穩定。較低的干燥溫度也顯著地降低了能耗。該涂碳鋁箔集流體可用于以鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等為正極材料的鋰離子電池中，改善碳涂覆層鋁箔集流體的導電性、化學穩定性和機械性能。本發明的目的可以通過以下技術方案實現：一種紫外光固化涂碳鋁箔集流體，包括集流體鋁箔，其特征在于，所述集流體鋁箔的表面均勻涂覆有碳導電漿料，所述碳導電漿料由以下重量百分比的組分組成：碳材料5-20％、紫外光固化樹脂3-10％、光引發劑0.5-10％、溶劑65-90％、助劑0.03-1％。進一步方案，所述碳材料為炭黑、石墨烯、石墨片、碳納米管中的一種或多種。進一步方案，所述紫外光固化樹脂為環氧改性丙烯酸樹脂、聚氨酯改性丙烯酸樹脂、聚酯改性丙烯酸樹脂、含碳碳雙鍵的丙烯酸樹脂中的一種或多種。進一步方案，所述光引發劑為二苯甲酮、安息香異丙醇、2,2’-偶氮基-雙(2-脒基丙烷)、三芳基硫鎓鹽光引發劑、苯甲酰甲酸甲酯、酰基膦酸鹽光引發劑、氟硼酸重氮鹽、水溶性芳酮類光引發劑中的一種或多種。進一步方案，所述溶劑為二甲苯、去離子水、醇類、酮類、酯類中的一種或多種。進一步方案，所述助劑包括消泡劑、基材潤濕劑。本發明還公開一種紫外光固化涂碳鋁箔集流體的制備方法，包括以下步驟：(1)將紫外光固化樹脂溶解于溶劑中，加入助劑，攪拌均勻，加入碳材料，冷凝水冷卻條件下用高速分散機分散3-5h，再加入光引發劑，攪拌均勻，形成漿料；(2)將步驟(1)漿料采用微凹版涂覆在集流體鋁箔上，在60-110℃的熱風及波長為10-400nm的紫外光照射烘箱中保持10-200s，即得紫外光固化涂碳鋁箔集流體。進一步方案，所述的高速分散機轉速在4000r/min以上。進一步方案，所述漿料的粘度為20-200mPa·S，漿料的固含量為5-30％。進一步方案，所述涂碳鋁箔碳涂覆層厚度為1-3μm。本發明的有益效果：本發明的涂碳鋁箔集流體采用丙烯酸樹脂作分散劑和固化劑，顯著地降低了有機樹脂的用量，增加了碳材料間的接觸，降低了電阻。本發明采用了改性的光固化丙烯酸樹脂，用紫外光照射下能夠高效交聯，避免了過高溫度的固化使鋁箔嚴重變形，并且獲得了粘附力好、耐溶劑性強、化學性質穩定等綜合性能。附圖說明圖1為本發明實施例3的SEM圖。圖2為本發明的涂碳鋁箔碳涂覆層光引發交聯前的結構示意圖。圖中：1-丙烯酸樹脂中的雙鍵、環氧基等交聯基團，2-光引發劑，3-丙烯酸樹脂，4-碳材料，5-鋁箔基底。具體實施方式下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細描述。實施例1一種紫外光固化涂碳鋁箔集流體，包括集流體鋁箔，集流體鋁箔的表面均勻涂覆有碳導電漿料，碳導電漿料由以下重量百分比的組分組成：紫外光固化涂碳鋁箔集流體的制備方法：將含碳碳雙鍵的水溶性改性丙烯酸樹脂與去離子水混合，加入基材潤濕劑和消泡劑，攪拌均勻，再加入碳黑；在冷凝水冷卻條件下，4000r/min的高速分散機中分散4h；加入光引發劑酰基膦酸鹽，低速分散0.5h；所得漿料在10/S剪切速率下粘度為200mPa·S，固含量為20％。利用微凹版涂覆設備涂覆，在90℃熱風條件下，300-380nm波長的紫外光照射環境中干燥10秒。干燥后，碳涂覆層厚度為2μm。實施例2一種紫外光固化涂碳鋁箔集流體，包括集流體鋁箔，集流體鋁箔的表面均勻涂覆有碳導電漿料，碳導電漿料由以下重量百分比的組分組成：紫外光固化涂碳鋁箔集流體的制備方法：將環氧改性丙烯酸樹脂與二甲苯混合，加入基材潤濕劑和消泡劑，攪拌均勻，再加入石墨烯；在冷凝水冷卻條件下，5000r/min的高速分散機中分散3h；加入三芳基硫鎓鹽光引發劑，低速分散0.5h；所得漿料在10/S剪切速率下粘度為70mPa·S，固含量為15％。利用微凹版涂覆設備涂覆，在110℃熱風條件下，240-350nm波長的紫外光照射環境中干燥60秒。干燥后，碳涂覆層厚度為1.5μm。實施例3一種紫外光固化涂碳鋁箔集流體，包括集流體鋁箔，集流體鋁箔的表面均勻涂覆有碳導電漿料，碳導電漿料由以下重量百分比的組分組成：紫外光固化涂碳鋁箔集流體的制備方法：將水溶性不飽和聚酯改性丙烯酸樹脂與去離子水混合均勻，加入基材潤濕劑和消泡劑，攪拌均勻，再加入石墨片；在冷凝水冷卻條件下，5000r/min的高速分散機中分散5h；加入光引發劑2,2’-偶氮基-雙(2-脒基丙烷)，低速分散0.5h；所得漿料在10/S剪切速率下粘度為20mPa·S，固含量為5％。利用微凹版涂覆設備涂覆，在70℃熱風條件下，280-350nm波長的紫外光照射環境中干燥200秒。干燥后，碳涂覆層厚度為3μm。實施例4一種紫外光固化涂碳鋁箔集流體，包括集流體鋁箔，集流體鋁箔的表面均勻涂覆有碳導電漿料，碳導電漿料由以下重量百分比的組分組成：紫外光固化涂碳鋁箔的制備方法：將水溶性環氧改性丙烯酸樹脂與去離子水混合，加入基材潤濕劑和消泡劑，攪拌均勻，再加入炭黑和石墨片；在冷凝水冷卻條件下，5500r/min的高速分散機中分散3h；加入光引發劑氟硼酸重氮鹽，低速分散0.5h；所得漿料在10/S剪切速率下粘度為110mPa·S，固含量為30％。利用微凹版涂覆設備涂覆，在60℃熱風條件下，250-380nm波長的紫外光照射環境中干燥100秒。干燥后，碳涂覆層厚度為1μm。圖1為本發明實施例3所得涂碳鋁箔表面SEM圖，其中片狀結構為石墨片，圖層碳材料輪廓分明，有利于充分與正極材料接觸。圖2是本發明的微觀結構示意圖，丙烯酸樹脂對炭黑有較好的分散作用，丙烯酸鏈段吸附在碳材料表面提供位阻，保證碳材料穩定分散。光引發劑引發樹脂中的不飽和鍵、環氧鍵等基團發生交聯，最后充分固化，使圖層具有較高粘附力和耐溶劑性。表一是本發明的4個實施例所得涂碳鋁箔耐溶劑性能。表中數據是用沾有相應溶劑的棉簽擦拭涂層表面，直到露出鋁箔基底所擦拭的次數。說明本發明的方法制備的涂碳鋁箔具有很好的耐溶劑性能，保證在電池中具有穩定的性能。表一實施例1-4得到的涂碳鋁箔的耐溶劑擦拭性能水NMP電解液實施例1930次390次610次實施例21020次420次650次實施例3650次350次550次實施例4810次370次580次以上內容僅僅是對本發明結構所作的舉例和說明，所屬本
技術領域：
的技術人員對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，只要不偏離發明的結構或者超越本權利要求書所定義的范圍，均應屬于本發明的保護范圍。當前第1頁1 2 3