[發(fā)明專利]一種金屬箔/石墨烯復(fù)合電極片及其制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310167303.8
• 申請日: 2013-05-08
• 公開（公告）號: CN103311502A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 丁古巧;李修兵;施建中;謝曉明;江綿恒
• 申請（專利權(quán)）人: 上海新池能源科技有限公司
• 主分類號: H01M4/136
• 分類號: H01M4/136;H01M4/1397
• 代理公司: 上海光華專利事務(wù)所 31219
• 代理人: 許亦琳;余明偉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種金屬箔/石墨烯復(fù)合電極片及其制備方法，屬于電極材料制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著生活水平的不斷提高，物質(zhì)文明的不斷發(fā)展，人們對于新型綠色高效能源的需求日益迫切，但是傳統(tǒng)的化石能源的卻日漸枯竭，化石能源的大量消耗也對環(huán)境產(chǎn)生了破壞性的影響。近年來，鋰離子電池因為其具有單體電池工作電壓高、比能量大、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)、自放電小、可以快速充放電、工作溫度范圍寬和安全性能好等優(yōu)點得到了飛速發(fā)展。作為鋰離子電池的負極材料，必須具有優(yōu)異的嵌鋰性能；對于正極而言，目前相對成熟的主要是采用金屬箔（如鋁箔）作為集流體，然后將正極活性物質(zhì)制成漿料涂覆在金屬箔上，經(jīng)烘干處理后制成正極。涂覆在金屬箔上的正極活性物質(zhì)越多，鋰離子電池容量越大，能量越高。在涂覆的過程中往往會用到粘結(jié)劑，當(dāng)粘結(jié)劑的含量減少時，粘結(jié)性能下降，電池的性能會大打折扣。

目前，碳材料作為正極活性物質(zhì)涂覆在金屬箔上得到了快速發(fā)展。涂碳金屬箔（如涂碳鋁箔）在鋰離子電池應(yīng)用中有很大的優(yōu)勢。涂碳金屬箔可以抑制電池極化，減少熱效應(yīng)，提高倍率性能、降低電池內(nèi)阻、提高一致性，增加電池的循環(huán)壽命、提高活性物質(zhì)與集流體的粘附力，降低極片的制造成本以及保護集流體不被電解液腐蝕等等。但是，涂覆顆粒狀碳材料在涂碳過程中要用到粘結(jié)劑，并且在循環(huán)過程中活性物質(zhì)容易脫落，對鋰離子電池的性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。所以，理想的涂碳金屬箔是用具有巨大比表面積的二維石墨烯作為活性物質(zhì)，并且不用粘結(jié)劑直接涂覆在金屬箔表面。

石墨烯具有獨特的二維穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，是世界上導(dǎo)電性最好的材料，電子在其中的運動速度達到了光速的三百分之一，遠遠超過了電子在一般導(dǎo)體中的運動速度；石墨烯同時具有較大的比表面積，理論比表面積達到2630m²/g，遠遠超過一般材料的比表面積，并且石墨烯還具有高機械穩(wěn)定性等優(yōu)越的性能。由于石墨烯具有這些非凡的性能，人們正在研究其在納米電子學(xué)、納米復(fù)合材料、鋰離子電池、超級電容器、氫儲藏以及生物材料中的用途。

將石墨烯涂覆在金屬箔表面形成的涂碳鋰離子電池正極材料是有可能商業(yè)化的正極材料。如在申請?zhí)枮?01110302809.6的中國專利文獻中，海洋王照明科技股份有限公司周明杰等提出了一種通過電沉積的方法在金屬集流體電極片表面直接涂覆石墨烯/錫單質(zhì)電極材料制備電極片的方法，有效地提高電池的功率密度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種工藝方法簡單，操作方便，將石墨烯直接涂覆在集流體箔材表面制備復(fù)合電極極片的方法，該電極極片具有優(yōu)異的電學(xué)性能。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種金屬箔/石墨烯復(fù)合電極片的制備方法，包括以下步驟：

第一步：采用氧化法將天然鱗片石墨制成插層氧化石墨；

所述的天然鱗片石墨是指尺寸在50目到5000目的天然鱗片石墨。

所述氧化法可以是改進的Standenmair法或改進的Hummer法。

具體的，所述改進的Standenmair法的具體操作步驟可以為每95ml濃硝酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%-68%）和178ml濃硫酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%）的混合溶液中加入10克天然鱗片石墨，攪拌30min，再加入110克氯酸鈉，25℃反應(yīng)12h，經(jīng)抽濾、洗滌、90℃真空干燥獲得墨綠色插層氧化石墨粉體。

具體的，所述改進的Hummer法的具體操作步驟可以為在雙層玻璃反應(yīng)釜中，每100ml、50℃濃硫酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%）中加入4克天然鱗片石墨和4克硝酸鈉的混合物，攪拌反應(yīng)2小時；反應(yīng)體系的溫度降低為0℃后，再加入15克高錳酸鉀，混合物的溫度保持在35℃，攪拌12小時；加入180ml去離子水，反應(yīng)體系的溫度升高為90℃，攪拌反應(yīng)1小時；再加入110ml去離子水，繼續(xù)在90℃攪拌反應(yīng)1小時；然后加入14ml濃度為30wt%的雙氧水，之后混合物顏色變?yōu)榱咙S色；離心后得到的混合物固體用1升濃度為1mol/L的鹽酸溶液洗滌三次，再用去離子水洗滌，最后冷凍干燥，60℃真空干燥48小時得到插層氧化石墨粉體。

所述插層氧化石墨是指經(jīng)氧化后，石墨層間距增加，并在石墨層面上及邊緣處引入含氧官能團；所述含氧官能團為羥基、環(huán)氧基、羧基和羰基。

第二步：將插層氧化石墨分散于溶劑中，超聲處理制成氧化石墨烯溶液；

所述溶劑為去離子水、甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、正己醇、丙二醇、二甲基甲酰胺（DMF）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）、二甲基亞砜（DMSO）或二氯亞砜。