[發明專利]石墨烯為負極材料的鋰離子電池

無效

• 申請號: 200910069217.7
• 申請日: 2009-06-11
• 公開（公告）號: CN101572327A
• 公開（公告）日: 2009-11-04
• 發明（設計）人: 楊全紅;呂偉;賀艷兵;孫輝
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H01M10/36
• 分類號: H01M10/36;H01M4/38;H01M4/02;H01M4/04
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所
• 代理人: 王 麗

技術領域

本發明涉及一種石墨烯為負極材料的鋰離子電池，屬于新型電源技術。

背景技術

從1994年至今，對鋰離子電池負極材料的研究，主要集中在碳材料、合金材料和復合材料等方面。碳材料是最早為人們研究并實現商品化的鋰離子電池負極材料，至今仍是大家關注和研究的重點之一。天然石墨和人造石墨是應用最為廣泛的碳基負極材料。通過對可石墨化碳如石油焦等采取摻雜、結構調整或表面修飾并經高溫石墨化處理等方法制得的人工石墨，比容量可以達到330-350mAh/g左右，具有良好的循環性能和較低的價格。無定形碳是一種結構無定型的碳材料，通常經由高分子材料低溫裂解而制得。無定形碳材料具有較高的比容量、與電解液相容性較好，可以在碳酸丙烯醋(PC)有機電解液體系中正常工作，但卻具有較難克服的缺點，如電壓滯后現象、不可逆容量損失大及循環性能不理想等。隨著熱解溫度的提高，熱解碳中氫等非碳成分減少，不可逆容量也隨之減小，同時嵌鋰量也有所下降。目前對碳負極的研究主要是采用各種手段對石墨材料和無定形碳電極材料進行改性，對人造石墨再進行表面處理將進一步增加制造成本，今后研究的重點是如何更好地利用廉價天然石墨并對其進行有效改性和開發有價值的無定形碳材料。

石墨烯是近年發現的二維碳原子晶體，是一種單層或多層極薄的石墨材料，它是目前碳質材料和凝聚態物理領域的研究熱點之一。石墨烯是構筑零維富勒烯、一維碳納米管、三維體相石墨等Sp²雜化碳的基本結構單元。石墨烯具有很多奇特的性質。石墨烯是一種沒有能隙的物質，顯示金屬性；單層的石墨烯中，每個碳原子都有一個未成鍵的電子，因此具有非常好的導電性；石墨烯中的空穴和電子相互分離，導致了新的電子傳導現象的產生，例如不規則的量子霍爾效應。石墨烯具有非常廣闊的應用前景，它的奇特性質提供了良好的物理實驗平臺，還是制造納米電子器件-高頻晶體管和單電子晶體管的最佳材料，在顯微濾網和超導方面也有很廣闊的應用前景。此外，石墨烯也顯示良好的電化學活性，是性能優異的儲能材料，作為鋰離子電池負極材料具有巨大的應用空間。

通過負壓低溫膨化方法，以天然石墨和人造石墨為原料可以低成本制備石墨烯[楊全紅等，高電化學容量氧化石墨烯及其低溫制備方法和應用，中國專利，申請號：200810151807.X，公開號：CN101367516]。這種方法具有原料廣泛，成本低，工藝簡單等優點，并且在不需要進一步還原的情況下就具有良好導電性。依照現有的低溫法工藝條件制備的石墨烯為負極材料的鋰離子電池，首次放電容量可以到達到400-800mAh/g，穩定后的容量可以達到380-450mAh/g，明顯高于基于常規石墨材料的鋰離子電池，其首次充放電效率可以達到40-90％。這說明，以低溫法制備得到的石墨烯應用于鋰離子電池負極材料，不論從原料的制備方法還是這種新方法得到的原料性能來說，都是鋰離子電池發展過程中新的突破。因此，將低溫制備法得到的石墨烯用于鋰電負極材料具有很大的應用價值。

發明內容

本發明的目的在于提供石墨烯為負極材料的鋰離子電池。該電池具有良好的電化學容量，其制備過程簡單，應用前景廣泛。

本發明的石墨烯為負極材料的鋰離子電池，是鋰離子電池的負極材料為低溫法制備的石墨烯。鋰離子電池的負極電極板是由石墨烯材料壓制在銅箔集流體上制成。

本發明的石墨烯為負極材料的鋰離子電池，是包括電池殼、電極板、電解液和隔膜；電極板包括正極電極板和負極電極板，其中正極電極板是含鋰活性物質壓制在鋁箔集流體上制成。

所述的正極電極板所用活性物質為常用鋰離子電池正極材料，包括鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰或者鎳鈷錳酸鋰三元材料等。

所述的電解液是鋰離子電池用六氟磷酸鋰電解液。

所述的正極電極板的制備方法包括步驟：取正極活性物質、粘結劑聚偏氟乙烯(PVDF)或丁苯橡膠與導電碳黑按照85∶10∶5混合，滴加N-甲基-2-吡咯烷酮或無水乙醇將上述混合物混合均勻成漿狀，烘至半干時將其均勻壓制在集流體上，然后將正極片在真空下100-150℃下烘干，得到正極電極板。

所述的負極電極板的制備方法包括步驟：石墨烯粉末與粘結劑聚偏氟乙烯(PVDF)或丁苯橡膠按質量比9-10∶1混合，滴加N-甲基-2-吡咯烷酮或無水乙醇將上述混合物混合均勻成漿狀，烘至半時將其壓制在集流體上，然后將其在真空下100-150℃下烘干，得到負極電極板。

上述的鋰離子電池在真空手套箱中組裝完成。