石墨烯功能涂层铝箔产品详细介绍

宁波墨西新材料有限公司第1页（共9页）地址：宁波市江北区人民路645弄312号日湖国贸中心1408联系电话：[phone]传真：[phone]石墨烯功能涂层铝箔产品介绍在高速发展的现代社会中，特别是在石油、煤、天然气等传统能源不断开采、传统能源日益枯竭、生态负荷逼近极限的今天，锂离子电池、燃料电池、太阳能电池等新型电池作为一种对环境友好的替代能源受到人们的普遍重视。锂离子电池的兴起是由于其本身综合性能最好，能在规模空前、速度惊人的便携式电子设备储能器件市场上替代其他二次电池。随着手机、笔记本电脑的普及和商务通、快译通等便携式电子产品的大众化，以及便携式电子产品向超簿、短、小和多功能化方向的发展，对二次电池的需求量以每年翻番的速度在增加,对电池的能量密度、功率密度等综合性能提出了更高的要求，锂离子电池因能更好地满足这种需求脱颖而出，逐渐取代镍镉电池、镍氢电池以及铅酸电池而占据主导地位。锂离子电池是指分别用两个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的，独特机理的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池”，俗称“锂离子电池”。图一锂离子电池工作原理图锂离子电池主要是由正极、负极、隔膜纸、电解液、壳体五大部分组成（见图二）。正极是由活性物质锂盐、导电碳黑和黏结剂混合而成,将浆料均匀的涂敷于铝箔表面，负极是由活性物质碳、导电碳黑和黏结剂混合而成,将浆料均匀的涂敷于铜箔表面，隔膜纸是一种特殊的复合膜，成分有PP、PE或是其混合体，电解液是由锂盐和有机溶剂组成的溶液，壳体是电芯外面的一个密封外包装装置，有铝壳、钢壳、铝塑膜等。图二圆柱型（左）和方形（右）锂离子电池结构图随着锂离子电池的应用市场拓展，大功率充放电、高安全性以及较长使用寿命的动力锂宁波墨西新材料有限公司第2页（共9页）地址：宁波市江北区人民路645弄312号日湖国贸中心1408联系电话：[phone]传真：[phone]离子电池逐步在市场中占据主导地位，电动工具、电动自行车以及电动汽车市场销售份额每年都在以倍数递增；与此同时，快速充放电、高安全性以及较长使用寿命成为了人们关注的焦点，也成为了限制新能源行业迅速发展的绊脚石，因此凸显出电池技术尤为重要。为了提高动力锂离子电池的综合性能，通常从电极材料、电解液、导电剂、集流体及电池制作和设计等方面切入进行改进。由于铝箔、铜箔集流体在电池制作成本中所占比例不足4%，因此采用高附加值的改性箔材，尤其是铝箔改进电池性能，其成本低廉，所制作的电池性价比高，是动力锂离子电池改性方案之首选。在锂离子电池中，活性材料均匀涂布于铝箔或铜箔集流体表面，集流体通过与活性材料的物理接触将电化学反应产生的电子汇集并导出至外电路，从而实现化学能转化为电能的过程。由此可推知，集流体与活性材料间的接触是锂离子电池充放电性能的重要影响因素。因此，集流体成为锂离子电池的重要组成部分，现在的锂离子电池虽然性能比较优越，但是在常规的锂离子电池极片制作工艺中，活性材料浆料直接涂布于铝箔或铜箔表面，干燥后通过粘结剂实现活性材料固定于集流体表面。然而，这样的结构设计存在如下两方面的缺陷：1）刚性的金属集流体与活性材料颗粒间的接触面积有限，界面电阻较大，引起电池内阻的上升，对于电池性能特别是大电流充放电条件下的性能存在负面影响；2）粘结剂的粘结强度有限，在持续的充放电过程中，很容易发生活性材料与集流体间的膨胀脱离，导致电池内阻进一步加大，使得电池的循环寿命和安全性能受到影响。因此，降低集流体与活性材料间的界面电阻，提高两者之间的粘结强度是提升锂离子电池性能的重要手段。目前解决此问题的的办法主要是通过增加浆料粘结剂的用量、集流体表面化学腐蚀、电晕或者在集流体表面涂敷含导电材料的薄层等方法来增加二者间的粘附能力。但是粘结剂用量的增加会对电池性能造成一系列不良影响，包括电池内阻的增大、能量密度和功率密度的降低、循环使用寿命缩短、电池发热量上升等。化学腐蚀、电晕等特殊处理会对集流体产生一定程度的表面损伤，降低箔材的强度，严重影响后续的成品加工，并且成本较高，不利于大规模生产的需要。而在集流体表面涂覆含导电材料的薄层，该薄层需要有良好的导电能力，较高的比表面积，优良的粘结性能，并且相对于金属集流体具有更好的形变能力，从而增加活性材料与集流体间的导电接触，减小界面电阻，并提高两者间的粘结强度，该方法制备工艺相对简单，加工成本较为低廉。图三涂层铝箔结构在上述的集流体表面涂敷薄层中，导电材料的选择无疑是最重要的环节。从导电性能和成本综合考虑，碳材料是最适合的选择。碳材料种类繁多，常见的有石墨、碳黑、碳纳米管、碳纤维等；其中很多已经被应用于导电涂层的实例中，例如德国汉高、日本昭和电工、上海宁波墨西新材料有限公司第3页（共9页）地址：宁波市江北区人民路645弄312号日湖国贸中心1408联系电话：[phone]传真：[phone]中兴派能等企业，他们通过铝箔表面涂敷一种或多种碳材料混合物来改善集流体与活性材料的接触面积以及粘接能力，但由于常规碳材料粒径的限制，涂敷厚度受到一定影响，以上厂家所售导电涂层厚度（双面）一般为2~5µm，致使电池能量密度降低，并且常规碳材料与铝箔的接触为点与面的接触（见图三），接触面积受到了一定的损失，并且在使用过程中，经过多次的充放电，极片表面活性物质会逐渐膨胀，造成接触面积逐渐减少，致使各项性能逐渐下降。石墨烯石墨烯石墨烯石墨烯是一种新型的具有二维纳米结构的碳材料，从其结构和物理性能分析，使用石墨烯作为导电涂层(见图四)，具有超高的导电性超高的导电性超高的导电性超高的导电性能、超强的柔韧性超强的柔韧性超强的柔韧性超强的柔韧性以及超薄的二维片层结构，由于其特殊的片层结构，使用该材料改性铝箔厚，粘接性能将大大提升，有效的抑制了常规碳材料所产生的膨胀脱离现象，并且涂层厚度（双面）可以做到0.2~20.2~20.2~20.2~2µµµµmmmm，在不损失能量密度的情况下，并可提高导电性能致使电池容量的到更好的发挥，相对其它导电材料更具有优势。研发机构研发机构研发机构研发机构宁波墨西新材料宁波墨西新材料宁波墨西新材料宁波墨西新材料国外某公司国外某公司国外某公司国外某公司涂层类型涂层类型涂层类型涂层类型石墨烯石墨烯石墨烯石墨烯碳黑碳黑碳黑碳黑涂层厚度（涂层厚度（涂层厚度（涂层厚度（µµµµmmmm））））0.20.20.20.2~~~~22222222~~~~5555涂层电阻（涂层电阻（涂层电阻（涂层电阻（ΩΩΩΩ.cm.cm.cm.cm））））4.54.54.54.5××××10101010-6-6-6-67777××××10101010-6-6-6-6图四石墨烯功能涂层铝箔宁波墨西新材料有限公司宁波墨西新材料有限公司宁波墨西新材料有限公司宁波墨西新材料有限公司注册资本1000万元，，是一家专门致力于高性能涂膜材料的研究、开发的高新技术企业。重点开发超薄的石墨烯功能涂层铝箔技术，使现有锂离子电池在不损失能量密度的情况下，其它各项性能指标均大幅提升，为新能源行业带来突破性的技术变革。我公司依托宁波墨西科技有限公司，独家提供高品质、低成本的石墨烯原料，同时依托中科院宁波材料技术与工程研究所导电涂层应用技术和生产工艺，创新地将石墨烯应用于铝箔集流体的改性，该改性铝箔较传统铝箔具有更好的加工性能、更优异的电化学性能，较采用碳黑作为导电涂层具有更薄的涂层厚度和更低的涂层电阻，非常适用于动力锂离子电池。目前我公司在石墨烯功能涂层改性铝箔方面依托中国科学院宁波材料技术与工程研究所独家授权中国发明专利2项，国际专利1项。宁波墨西新材料有限公司第4页（共9页）地址：宁波市江北区人民路645弄312号日湖国贸中心1408联系电话：[phone]传真：[phone]产品介绍产品介绍产品介绍产品介绍1111、物理指标、物理指标、物理指标、物理指标检测项目典型值基材（铝箔/铜箔）厚度（μm）7~40（可定制）外观颜色灰黑色功能涂层厚度（μm）0.2~2（可控）功能涂层面密度（mg/cm2）0.1~0.5（可控）2222、、、、SEMSEMSEMSEM3333、、、、电化学性能电化学性能电化学性能电化学性能（在圆柱型（在圆柱型（在圆柱型（在圆柱型18650186501865018650动力锂离子电池中的应用）动力锂离子电池中的应用）动力锂离子电池中的应用）动力锂离子电池中的应用）（1）电池内阻变化情况图五分容后内阻对比情况采用不同铝箔进行了对比，从制备后电池内阻来看（见图五），采用石墨烯功能涂层铝石墨烯功能涂层铝石墨烯功能涂层铝石墨烯功能涂层铝箔箔箔箔电池内阻最低。宁波墨西新材料有限公司第5页（共9页）地址：宁波市江北区人民路645弄312号日湖国贸中心1408联系电话：[phone]传真：[phone]图六电池制备过程中内阻变化情况在电池制备过程记录各个工序电池内阻，从内阻变化情况来看（见图六），采用石墨烯石墨烯石墨烯石墨烯功能涂层铝箔功能涂层铝箔功能涂层铝箔功能涂层铝箔内阻变化范围较小。（2）倍率放电测试石墨烯功能涂层铝箔国内1#公司涂层铝箔德国某公司涂层铝箔图七大倍率测试对比从倍率测试对比情况来看，使用石墨烯功能涂层铝箔石墨烯功能涂层铝箔石墨烯功能涂层铝箔石墨烯功能涂层铝箔后，相比其他常规碳涂层铝箔在大倍率放电情况下（见图七）电压平台及容量保持率均有明显提高。石墨烯功能涂层铝箔常规碳黑涂层铝箔宁波墨西新材料有限公司第6页（共9页）地址：宁波市江北区人民路645弄312号日湖国贸中心1408联系电话：[phone]传真：[phone]图八倍率测试前后EIS变化情况从图八中可以看出，采用常规铝箔以及常规碳黑涂层铝箔所制备电池与采用石墨烯功能涂层铝箔制备电池相比，石墨烯功能涂层铝箔石墨烯功能涂层铝箔石墨烯功能涂层铝箔石墨烯功能涂层铝箔所制备电池阻抗最小，测试前后阻抗变化不明显，此现象也充分证明了石墨烯特殊的结构在铝箔表面改性后，所给电池的稳定性带来了很大程度的提高。（3）高低温放电测试石墨烯功能涂层铝箔国内1#公司涂层铝箔德国某公司涂层铝箔图九高低温放电测试对比从图九中可以看出，采用石墨烯功能涂层铝箔石墨烯功能涂层铝箔石墨烯功能涂层铝箔石墨烯功能涂层铝箔低温放电后，容量保持率以及放电中值电压均有所提升，并且从内阻变化情况来看，测试前后无明显变化。（4）针刺实验宁波墨西新材料有限公司第7页（共9页）地址：宁波市江北区人民路645弄312号日湖国贸中心1408联系电话：[phone]传真：[phone]图十针刺后温度变化情况对比采用用Φ3.0mm的不锈钢针以20-40mm/s的速度刺透电芯最大表面的中心位置，并保持1min，针刺后电池均为产生爆炸、起火现象，但采用石墨烯功能涂层铝箔石墨烯功能涂层铝箔石墨烯功能涂层铝箔石墨烯功能涂层铝箔所制备电池针刺后，电池表面温度（见图十）明显低于其它铝箔所制备电池。（5）循环性能测试图十一1C充放电常温循环图十二1C充电10C放电常温循环宁波墨西新材料有限公司第8页（共9页）地址：宁波市江北区人民路645弄312号日湖国贸中心1408联系电话：[phone]传真：[phone]图十三5C充电10C放电常温循环从以上循环性能测试数据中可以看出，采用石墨烯功能涂层铝箔石墨烯功能涂层铝箔石墨烯功能涂层铝箔石墨烯功能涂层铝箔性能与其它铝箔相比性能较为优异，特别在大倍率充放电循环体现尤为明显。以上数据也充分说明了将常规铝箔更换为石墨烯功能涂层铝箔石墨烯功能涂层铝箔石墨烯功能涂层铝箔石墨烯功能涂层铝箔后，电池每安时成本增加约0.3元，而给电池本身所带来的效益则远远高出该高出成本，特别在动力锂离子电池的应用上，电池组对电池稳定性要求较高，而采用该方案来改善原有电池弊端，不仅使电池合格率提升，而且在电池配组成品率以及