本公開涉及具有高倍率的鋰離子蓄電池(battery)的制造和使用碳熔融的金屬和雜原子摻雜的多壁碳納米管制備其電極的方法。更具體地，本發(fā)明涉及用于鋰離子蓄電池的陰極(cathode)電極及其制備方法。用活性材料、炭黑和自制碳熔融的(carbon?fused)金屬以及雜原子摻雜的多壁碳納米管(multi?walled?carbon?nanotube，mwcnt)制備陰極。mwcnt由石油精煉原料制備。mwcnt是金屬和雜原子摻雜的cnt，其中金屬是過渡金屬，如co、mn、fe、ni等，并且雜原子是氮、硫、氧、磷等。聚合物粘合劑也用于組合物中以制備陰極電極。

背景技術：

1、具有高表面積的碳在蓄電池的性能中起關鍵作用。碳與活性材料之間的界面表面積通常影響粒子間的內阻、倍率容量和電極的其他性質。與碳的表面積一起，其粘附性質是非常關鍵的，因為它提高了蓄電池的壽命周期而沒有活性材料的劣化和容量衰減。盡管已作出許多努力來改進使用不同類型的高表面積碳材料的蓄電池的性能，但仍需要開發(fā)將增加倍率容量、功率密度以及高循環(huán)壽命而不損失容量的鋰離子蓄電池。

2、mwcnt具有許多源自小尺寸、圓柱形石墨結構和高縱橫比的獨特性質。碳納米管具有極高的拉伸強度、高模量、良好的化學和環(huán)境穩(wěn)定性以及高的導熱性和導電性。碳納米管具有許多應用，包括制備導電、電磁和高強度復合材料、儲能系統等。在蓄電池中，mwcnt可用作陰極和陽極電極中的導電劑。mwcnt還可用作鋰離子蓄電池的活性陽極材料。

3、碳熔融的金屬和雜原子摻雜的mwcnt具有較高的界面表面積，從而它與活性材料連接，這也導致鋰離子蓄電池的高穩(wěn)定性和具有高倍率的陰極電極所需的更高的導電性和電極粘附性質。

4、us20140093769a1提供了用于可再充電蓄電池的基于納米元件的電極材料。電極基于涂覆有納米顆粒形式的電化學活性材料的薄層的碳納米管(carbon?nanotube，cnt)支架。cnt和活性納米顆粒的交替層的使用進一步增加了蓄電池的功率密度和倍率。

5、us8540902b2描述了基于碳納米管的糊劑及其制備和使用方法。通過研磨分散碳納米管；所得糊劑具有大于7的hegman標度。糊劑可用作電子裝置(如蓄電池、電容器、電極或其他需要高導電性糊劑的裝置)中的導電性增強劑。

6、us20070190422a1涉及能量存儲裝置。具體地，本公開涉及具有由碳納米管(cnt)材料構成的兩個活性電極的鋰離子蓄電池，其中鋰金屬粉末分散在陽極的cnt材料中。

7、ep3786110a1涉及在碳納米管的分散性和存儲穩(wěn)定性方面優(yōu)異的碳納米管分散體。本公開還涉及包含碳納米管分散體的蓄電池電極混合物層和鋰離子二次蓄電池。

8、us8,822,078b2涉及包含純化的碳納米管的獨立式碳納米管紙，其中純化的碳納米管形成獨立式碳納米管紙，并且碳微粒嵌入和/或存在于碳納米管紙的表面上。本公開還涉及包含獨立式碳納米管紙作為電極的鋰離子蓄電池、電容器、超級電容器、蓄電池/電容器和燃料電池。

9、us20050181282a1公開了基于碳納米纖維(cnt-碳納米管)的電高性能蓄電池，其包括填充有電解質的電芯(cell)槽、鎖定到所述電芯槽上的彈簧線圈、安裝在所述電芯槽內并具有其分離膜的陽極(anode)/陰極基板以及安裝在電芯蓋外部并分別連接到所述陽極/陰極基板的正負端子。

10、us20090246625a1總體上涉及鋰離子蓄電池，更具體地涉及基于對齊的石墨烯帶陽極、v2o5石墨烯帶復合陰極和離子液體電解質的鋰離子蓄電池。鋰離子蓄電池具有電芯電壓、能量密度和功率密度的優(yōu)異性能度量。

11、us20110256451a1公開了一種電子裝置，其包含：具有多個碳納米管的碳納米管膜；碳納米管膜上的無機涂層；以及耦合到碳納米管膜以用于從其傳導電流的導電電極。

12、cn105375009a公開了一種穩(wěn)定型氮摻雜的碳納米管和氧化鐵復合陽極材料，基于氮摻雜的碳納米管，其特征在于：所述氮摻雜的碳納米管的外表面負載有氧化鐵顆粒，其中氧化鐵為主要成分，并且氧化鐵的負載量占氧化鐵顆粒和氮摻雜的碳納米管總質量的10-90％。

13、us2016.0020466a1涉及包含分散介質、聚合物分散劑和分散在分散介質中的碳納米管的分散體。

14、us10622631b2包括陽極活性材料結晶碳，其包括天然石墨、人造石墨、可膨脹石墨、石墨烯、碳納米管或它們的組合以及硅碳二次顆粒。

15、ep?3404747a1描述了用于制備用于鉛酸蓄電池的無膨脹劑電極的組合物及其性能。其涉及使用雜原子，即氮、硫本征嵌入的碳納米管(h-cnt)作為多功能添加劑用于制備鉛酸蓄電池電極以替代膨脹劑化學品，即香草分散劑、dinel纖維、硫酸鋇和炭黑。

16、ruan,boyang,et?al.carbon-encapsulated?sn@n-doped?carbon?nanotubes?asanode?materials?for?application?in?sibs.acs?applied?materials&interfaces?9.43(2017):37682-37693公開了碳熔融的sn@n-摻雜的碳納米管作為應用于鈉離子蓄電池中的陽極材料。

17、由于在鋰離子蓄電池電極中使用的導電碳的低導電性，鋰離子蓄電池的高倍率容量和循環(huán)壽命問題仍然是一個問題。此外，鋰離子蓄電池的安全性仍然是一個挑戰(zhàn)。因此，仍然需要解決與鋰離子蓄電池相關的缺點的時間。

18、發(fā)明目的

19、本發(fā)明的主要目的是提供一種具有高倍率的鋰離子蓄電池。

20、本發(fā)明的另一個目的是公開一種使用碳熔融的金屬和雜原子摻雜的多壁碳納米管制備其電極的方法。

技術實現思路

1、如本文所實施和寬泛描述的本發(fā)明提供陰極電極，其包含由精煉進料、活性材料、炭黑和聚合物粘合劑制備的碳熔融的金屬和雜原子摻雜的mwcnt。通過本發(fā)明的方法獲得的所得電極有效地克服了由于鋰離子蓄電池電極中使用的導電碳的低導電性而導致的鋰離子蓄電池/電芯(battery/cell)的高倍率容量和循環(huán)壽命問題。本發(fā)明還改善了鋰離子蓄電池的安全性，因為其使用具有高熱導率的mwcnt導致貫穿電極的適當散熱，從而避免了在鋰離子蓄電池中非常常見的熱失控。

2、本發(fā)明提供了一種用于鋰離子蓄電池的陰極電極，其包含：

3、a)碳熔融的金屬和雜原子摻雜的多壁碳納米管(mwcnt)；

4、b)活性材料；

5、c)炭黑；以及

6、d)聚合物粘合劑。

7、在本發(fā)明的一個方案中，陰極電極組合物中存在的陰極活性材料占組合物的85-95重量％。陰極電極組合物中存在的碳熔融的金屬和雜原子摻雜的mwcnt占組合物的0.5-6重量％。炭黑以組合物的0.5-6重量％的范圍存在。聚合物粘合劑以組合物的1-5重量％的范圍存在。

8、本發(fā)明還提供了一種制備用于鋰離子蓄電池的陰極的方法，所述方法包括由精煉原料制備金屬和雜原子摻雜的mwcnt，隨后制備較高界面碳熔融的金屬和雜原子摻雜的mwcnt，進一步隨后制備陰極電極漿料，并且最后制備陰極電極。

9、本發(fā)明還提供了一種用于制備用于鋰離子蓄電池的陰極電極的方法，其包括以下步驟：

10、a).由精煉原料制備金屬和雜原子摻雜的mwcnt；

11、b).由上述獲得的金屬和雜原子摻雜的mwcnt制備碳熔融的金屬和雜原子摻雜的mwcnt；

12、洀).如下制備陰極電極漿料：將85-95重量％的活性材料與0.5-6重量％的所述碳熔融的金屬和雜原子摻雜的mwcnt混合，然后與0.5-6重量％的炭黑混合以獲得混合物，然后將1-5重量％的聚合物粘合劑添加到上述混合物中；以及

13、d).制造陰極電極。

14、在另一個方案中，本發(fā)明提供一種鋰離子蓄電池，其包含：

15、a)由活性材料、碳熔融的金屬和雜原子摻雜的mwcnt、炭黑和聚合物粘合劑制成的陰極電極；以及

16、b)石墨陽極。

17、本發(fā)明還提供了具有高倍率容量和高循環(huán)壽命的鋰離子蓄電池的新的電極組合物。

18、碳熔融金屬摻雜的雜原子mwcnt具有良好的粘合性質，這導致穩(wěn)定的壽命周期而沒有容量衰減。

19、與由純氣態(tài)分子制備的mwcnt相比，由原油及其產物自主(indigenously)制備的碳熔融金屬摻雜的雜原子mwcnt的成本更低。