[發明專利]電化學石墨烯及包含其的電極復合材料與鋰電池

在審

• 申請號: 201210254481.X
• 申請日: 2012-07-20
• 公開（公告）號: CN103570002A
• 公開（公告）日: 2014-02-12
• 發明（設計）人: 李連忠;胡龍豪;林正得;吳豐宇
• 申請（專利權）人: 中央研究院
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04;H01M4/583;H01M4/38;H01M4/139
• 代理公司: 北京律盟知識產權代理有限責任公司 11287
• 代理人: 劉國偉

技術領域

本發明涉及一種電化學石墨烯及包含所述電化學石墨烯的電極復合材料與鋰電池。?

背景技術

由于地球持續變暖、日本及南亞的海嘯、石油逐漸枯竭及核電安全等危難，現在對環境保護及節能減碳的要求已刻不容緩。目前日本、中國及歐美各國已著手開發新能源和儲能系統，并通過發展電動車與油電混合車以減少對石油的依賴性。在臺灣大部分能源均依賴進口的情況下，對于新能源系統及材料的開發上自然更不應落后。?

然而，目前電動車還無法完全取代汽柴油車的主要原因是電動車成本遠高于汽柴油車，且純電動車充電時間需要汽柴油車加油時間的十倍以上。此外，電動車動力與續航力相比于汽柴油車也顯得不足。近年來，由于鋰電池具有高能量密度的優點，寄希望能逐漸取代傳統的鎳氫電池成為下一代電動車的主要動力來源，但鋰電池成本則遠高于傳統鎳氫電池。目前研究發現可將石墨烯應用于鋰電池材料中，可彌補充電時間過長，且可在大電流下提升鋰電池動力與續航力。?

用來制造石墨烯的已知技術包含機械剝離法(mechanical?exfoliation)、外延成長法(epitaxial?growth)、化學氣相沉積法(chemical?vapor?deposition,CVD)及化學剝離法(chemical?exfoliation)等方法。使用機械剝離法及外延成長法雖然可以生成質量較好的石墨烯，但這兩種方法都無法大面積合成石墨烯；化學氣相沉積法及化學剝離法則由于成本昂貴，因此應用于電動車電池材料中顯然有困難。因此，目前仍需一種可大規模量產石墨烯的方法，供電池材料粉末廠或電池制造商進行電池材料再加工(表面改質)或直接進行混漿工藝，期望以較低的材料成本提升鋰電池的循環壽命和動力及續航力，進而降低電動車鋰電池的成本。?

目前石墨烯在鋰電池上的應用已經有許多學術論文及相關專利，但大多數是利用胡默爾方法(Hummers'method)制成氧化石墨烯(Graphene?oxide,GO)，再將分散的GO溶液與鋰電池正負極材料的前體(precursor)結合。期刊文獻材料化學雜志(Journal?of?Materials?Chemistry,2011,21,3353)揭露將磷酸鐵鋰正極材料(LiFePO₄)前體與GO溶液在600℃或?更高的溫度下鍛燒，能將GO還原成石墨烯，同時將鋰電池正極材料前體鍛燒為鋰電池正極材料與石墨烯的復合材料，或石墨烯包覆的鋰電池正極材料的復合材料。?

此外，期刊文獻美國化學協會應用材料與界面(ACS?Appl.Mater.Interfaces2011,3,2966-2972)揭露類似的化學剝離石墨烯合成方法(Chemically-exfoliated?grapheme,ECG,又稱石墨脫層法)，并揭露由化學剝離法所制得的石墨烯可與諸如鋰鎳錳鈷氧(LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂)等鋰電池正極材料結合，以形成復合材料。所述合成方法所生產的石墨烯需占整體電池材料含量的約5wt%到10wt%，才可達到鋰電池在大電流放電下的電化學性能。?

美國專利第7,745,047B2號揭露一種鋰電池負極材料制備方法，其是將GO的前體與不同的負極材料進行混合并進行加熱剝離/還原石墨烯。然而，化學剝離石墨烯工藝需要較多的化學步驟，較易造成環境污染，且所述石墨烯質量易于受到原料狀況、剝離過程及還原條件等影響，因此所述工藝難以穩定控制。因此，將所述方法應用于工業化量產化學剝離石墨烯表面改質的鋰電池正負極材料(ECG-surface?modified?cathode?and?anode?materials)時，其產品性能將難以維持。?

因此，目前仍需一種成本低廉且工藝簡便的方法，以制備高質量石墨烯及包含高質量石墨烯的鋰電池電極材料。?

發明內容

鑒于上述課題，本發明的目的是提供一種低成本、流程簡便且快速生產的含高質量電化學石墨烯。?