[00120597]石墨烯的低温负压制备及导电剂应用技术开发

本项目从改进Hummers法出发,通过系统的工艺分析,开创性的工艺设计,开发出全新的“半连续性”氧化石墨生产方法、“连续性”低温负压解理石墨烯制备工艺、高效的石墨烯基导电剂浆料捏合搅拌工艺;极大的提高了生产效率,降低了生产成本,获得了批次稳定性优良的石墨烯产品,并配置得到石墨烯导电浆料,使用该导电浆料,生产出了高能量密度的锂离子电池。 1、通过工艺优化,获得改进Hummers法制备高品质氧化石墨的工艺方法,并在该改进Hummers法基础上,创造性地开发了“半连续”式氧化石墨生产工艺,并独立设计、制造、安装、调试相应的中试线以及量产线;具体地,该改进Hummers法分为低温（~4℃）、中温（~35℃）、高温（~98℃）反应,通过工艺优化,使得三段反应时间相近（2 h）;之后设计三个独立的反应釜相串联,保证生产过程中三个独立的反应釜温度恒定不变（降低能耗）;从而将之前间歇式的反应,提升为产能匹配、效率更高的“半连续”式生产工艺,降低了制造成本;同时,由于生产过程中,三个独立的反应釜温度恒定不变,因此三段反应的温度可控性更强,连续生产时产品质量及批次稳定性更高。 2、发明了“低温负压解理”石墨烯制备方法,并独立设计、制造、安装、调试了能够自动实现“氧化石墨进料-低温负压解理-石墨烯产品收集打包”工艺的石墨烯中试线以及量产线;为了配合该工艺,开发了石墨烯制备设备包括进料系统、恒温（~300℃）的低温负压（-70 KPa）解理系统、石墨烯自动收集包装系统：首先利用氧化石墨的自身重力,向进料仓中自动进料,之后惰性气体清洗进料仓;打开进料仓出口,在氧化石墨重力作用下,氧化石墨自动通过低温负压反应系统,使得其自身温度瞬间达到氧化石墨的剥离温度实现快速剥离;打开解理系统出料口,在负压（-85 KPa）作用下,真空吸引剥离后的石墨烯产品,实现石墨烯产品的自动收料工艺。该方法通过“负压”作用,增加氧化石墨的剥离力,可以有效降低剥离温度;同时低温剥离得到的石墨烯缺陷更少,性能更加优越;通过独特的工艺设计,实现了氧化石墨连续的低温负压剥离,极大地提高了生产效率,降低了生产成本。 3、开创性的提出了石墨烯与活性物质之间的“点-面”接触模型,构建良好的导电网络;而导电碳黑是零维材料,只能通过“点-点”接触,碳纳米管是一维材料,只能通过“点-线”接触,所以在正极体系中,使用平面柔性结构的石墨烯导电添加剂构建“点-面”导电网络的效率最高,在很少的石墨烯使用量下可以使锂离子电池获得更优异的电化学性能,提高电池的能量密度。 4、通过工艺、配方优化,制备得到了稳定的石墨烯导电浆料;之后再创造性地开发了“捏合”生产工艺,实现了石墨烯片层与电极活性物质之间的均匀分散;将电极膜片电阻降低20%以上,同时导电剂用量降低50%以上,显著提高了电池的能量密度和功率密度。通过系统的溶剂性能分析,再结合实际应用市场,确定了水、NMP作为分散石墨烯的溶剂;再引入分散剂PVP等,增加分散效果;最后使用大功率、高效能的分散设备：高压均质机或高效砂磨机将溶剂、石墨烯以及分散剂混合均匀后进行分散,得到石墨烯含量为1%-1.5%的、石墨烯均匀分散于溶液中的导电浆料;取该石墨烯导电浆料与活性物质、胶液,在行星式搅拌机中高固含量捏合（~3 h）,最后加入适当溶剂分散（~1 h）即可得到分散均匀的以石墨烯为导电剂的电极浆料。本项目可以获得分散均匀的石墨烯导电浆料;同时创造性地开发了基于石墨烯导电浆料的捏合搅拌分散工艺,将浆料搅拌时间从8 h左右降低至4 h左右,极大地提高了生产效率,降低了生产成本。 技术研究成果在Advanced Materials, Carbon, Chemical Communications, Journal of Materials Chemistry A等期刊发表论文10篇,被Energy ＆ Environmental Science,Nature Communications,Advanced Materials, Advanced Energy Materials等期刊引用485次。本项目已经申请核心专利21篇,其中已获得授权专利4项。