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石墨烯导电浆料效果不好?你可能没用对分散剂


来源:中国粉体网   江岸

[导读]  华南理工大学材料科学与工程学院的吴永健和广东省稀有金属研究所唐仁衡等人通过系列对照实验探究不同分散剂在油性体系中对石墨烯分散稳定性的影响,并研究所获导电浆料应用在磷酸铁锂正极的电化学性能。

中国粉体网讯  如今,锂电池的应用越来越广泛,为提高锂电池性能尤其电极材料的导电性,通常需要在电池制备过程中加入适量导电剂以提高正极材料的导电性。目前常用的导电剂主要为导电碳黑和碳纳米管为主,然而作为碳纳米材料大家庭的石墨烯虽然也有使用,但是市场占比并尽如人意,随着碳纳米管导电剂狼吞虎咽导电炭黑的市场,如何才能让石墨烯分一杯羹?


石墨烯在电子传导应用具有巨大优势,但是受范德华力影响,疏油疏水的石墨烯纳米片容易产生团聚,难以获得具有良好分散稳定性的石墨烯导电浆料,因而制约着石墨烯导电剂的发展。改善石墨烯的分散稳定性,通常可采用分散剂、化学掺杂等化学方法和超声、微波等物理方法。分散剂对石墨烯导电浆料有哪些影响?


华南理工大学材料科学与工程学院的吴永健和广东省稀有金属研究所唐仁衡等人通过系列对照实验探究不同分散剂在油性体系中对石墨烯分散稳定性的影响,并研究所获导电浆料应用在磷酸铁锂正极的电化学性能。


石墨烯导电浆料的制备


分别向预处理的PVP、KD1、BYK-2150分散剂溶液中加入石墨烯,经过再处理后获得石墨烯和分散剂含量均为1%的导电浆料。分别命名为GR-PVP、GR-KD、GR-BYK。另外,在不加任何分散剂的情况下,采用相同的步骤配制出质量分数为1%的石墨烯浆料作为对比该浆料命名为GR。


不同分散剂对石墨烯分散效果的影响


制备出GR-PVP、GR-KD、GR-BYK四种石墨烯浆料后,分别在静置0d、1d、4d、7d时进行紫外吸收光谱测试。四种浆料静置不同时间的紫外吸收光谱如图所示:




研究发现KD1和BYK-2150对石墨烯的分散以及稳定都表现出良好的效果。




四种石墨烯浆料的SEM和TEM图


图像表明超声和砂磨分散处理可破碎石墨烯片,使之有利于在正极材料中形成导电网络。其中,采用分散剂KD1和BYK-2150处理的石墨烯分散效果最好,说明这两种分散剂可有效提高石墨烯的分散稳定性、抑制石墨烯片层的团聚。


原因可能是:非离子型分散剂BYK-2150含有可与石墨烯表面形成π-π键结合的芳香环结构,该结构使其有效吸附在石墨烯表面并形成空间位阻效应,阻碍石墨烯的再次团聚;KD1为阳离子分散剂,电离后产生的静电排斥力以及由其大分子链形成的空间位阻效应,使得石墨烯得到良好的分散。


不同浆料对电池性能的影响


采用不同导电浆料制备的电池在1C倍率下循环50次的放电比容量和库仑效率曲线如图所示:




从图像中可以看出GR-BYK和GR-KD分散剂处理的电极现出良好的首次放电性能,这是因为BYK-2150和KD1对石墨烯具有良好的分散稳定作用,使得石墨烯与LFP颗粒间能够均匀混合,有利于构建稳定高效的导电结构,从而极大降低了电池内阻,减弱了反应极化作用。此外,分散在LFP表面的石墨烯可以有效抵消Li离子嵌入和脱出反应所造成的应力,保持正极材料的结构稳定性。


不同导电浆料制备的电池的循环伏安曲线如下图所示,图像表明采用分散剂 BYK-2150和KD1处理的石墨烯导电浆料制备的电池性能最佳。



不同导电浆料制备的电池的电化学阻抗谱和等效电路图

 

结论

 

以KD1和BYK-2150作为石墨烯的分散剂,结合砂磨和超声分散等物理手段,从而获得质量分数为1%的石墨烯导电浆料。测试表明石墨烯浆料的分散浓度和稳定性均有所提高。以磷酸铁锂为正极材料,GR-KD和GR-BYK为导电浆料制备的扣式电池在0.2C倍率下的首次放电比容量分别为150.7mAh/g和156.1mAh/g,首次放电效率分别为94.4%和97.7%;在1C倍率下循环50次后,比容量保持在152.5mAh/g和159.7mAh/g,且GR-KD表现出良好的倍率性能。

 

参考资料:吴永健,分散剂对油性石墨烯导电浆料性能的影响及其在锂电池中的应用

(中国粉体网编辑整理/江岸)

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