[發明專利]一種石墨烯增強的一體化電極及其制備方法和電池

在審

• 申請號: 201610851256.2
• 申請日: 2016-09-26
• 公開（公告）號: CN107871868A
• 公開（公告）日: 2018-04-03
• 發明（設計）人: 周慧慧;王志勇;李陽興
• 申請（專利權）人: 華為技術有限公司
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/13;H01M4/139;H01M10/0525
• 代理公司: 廣州三環專利商標代理有限公司44202
• 代理人: 郝傳鑫,熊永強

技術領域

本發明涉及電池技術領域，特別是涉及一種石墨烯增強的一體化電極及其制備方法和電池。

背景技術

商業化鋰電池電極材料由于具備結構穩定、易加工、循環穩定等多種優點，已經在便攜電子設備、電動車和儲能領域得到廣泛應用。然而，目前應用成熟的電極材料的理論比容量較低，如負極石墨理論值372mAh/g，正極磷酸鐵鋰材料170mAh/g，商用產品能量密度已接近其理論極限，尋找下一代高能電極材料，成為當務之急。

目前，對于高能電極材料的研究主要分為兩類，一類是基于現有電極材料的改性優化，如元素摻雜、晶型調控、粒度優化、材料復合等，具有成本低、加工型強等優點，然而此類方法沒有改變現有材料的儲能機制，對材料整體能量密度提升有限；另一類是具有全新儲能機制的電極材料，包括合金、金屬氧化物、硫化物等，這類材料具有較高的理論容量、良好的嵌入/脫出能力，例如純硅材料做負極，理論容量達4200mAh/g，約是石墨負極的十倍，單質硫做正極，理論容量達1675mAh/g，約是磷酸鐵鋰正極的十倍。但是此類材料在充放電過程中存在嚴重的體積變化(硅膨脹約300％，硫膨脹約76％)，而傳統導電劑、粘結劑的體積應變系數小，集流體延展性有限，電極材料與集流體間工藝為傳統鍍層或涂覆方式，導致高膨脹的電極材料產生的結構應力集中在與集流體接觸的單層表面。如圖1所示，使用傳統集流體的條件下，涂覆工藝中應力優先釋放于垂直向，造成電極材料從集流體上剝離而脫膜；鍍層薄膜工藝中應力優先釋放于水平向，造成集流體橫向被拉伸而發生褶皺變形，圖中11為集流體，12為電極材料層。這些界面應力集中帶來的問題使電極材料本身的電化學性能無法發揮，削弱了此類材料的高容量優勢。

由此可見，傳統電極集流體及電極制備工藝已明顯不能與這類具有高膨脹系數的電極材料相匹配。

發明內容

鑒于此，本發明第一方面提供了一種石墨烯增強的一體化電極，該一體化電極為導電材料線性結構體、活性材料線性結構體和石墨烯構成的一體化三維線性網絡整體，該一體化電極可有效改善電極活性材料與集流體間的應力界面，具有高能量密度和高循環穩定性。

具體地，第一方面，本發明提供了一種石墨烯增強的一體化電極，包括導電材料線性結構體、活性材料線性結構體、以及原位生長在所述導電材料線性結構體和/或所述活性材料線性結構體表面的石墨烯層，所述導電材料線性結構體和所述活性材料線性結構體在三維空間內相互穿插形成線性網絡結構，所述石墨烯層將所述導電材料線性結構體和所述活性材料線性結構體連接在一起構成一體化三維線性網絡整體，所述一體化三維線性網絡整體具有網絡間隙，所述導電材料線性結構體為具有電子收集作用的集流體材料，所述活性材料線性結構體為可通過脫嵌離子進行能量存儲的材料。

所述一體化三維線性網絡整體中，網絡間隙體積占比為2％-50％。進一步可選地為5％-35％、10％-25％。

其中，所述導電材料線性結構體包括導電金屬線性結構體、導電金屬化合物線性結構體、含摻雜元素的導電金屬線性結構體和含摻雜元素的導電金屬化合物線性結構體中的一種或多種。

具體地，所述導電金屬線性結構體包括鎂線性結構體、鉻線性結構體、鉬線性結構體、鎢線性結構體、錳線性結構體、锝線性結構體、錸線性結構體、鋨線性結構體、鈷線性結構體、銠線性結構體、鈀線性結構體、銅線性結構體、銀線性結構體、金線性結構體、鋅線性結構體、錫線性結構體、鋁線性結構體、鎳線性結構體、鐵線性結構體、鉑線性結構體、銥線性結構體和釕線性結構體中的一種或多種。所述導電金屬化合物線性結構體包括導電金屬氧化物線性結構體、導電金屬碳化物線性結構體、導電金屬硫化物線性結構體、導電金屬氯化物線性結構體、導電金屬氟化物線性結構體、導電金屬磷化物線性結構體和導電金屬硼化物線性結構體中的一種或多種。所述摻雜元素包括鉑、釕、鐵、鈷、金、銅、鋅、鋁、鎂、鈀、銠、銀、鎢、碳、氮、氧、氟、硅、磷、硫和氯中的一種或多種。

其中，所述離子包括鋰離子、鈉離子、鉀離子、鎂離子和鋁離子中的一種。

所述活性材料線性結構體包括金屬線性結構體、無機非金屬線性結構體、氧化物線性結構體、氮化物線性結構體、硼化物線性結構體、硫化物線性結構體、氯化物線性結構體和富鋰化合物線性結構體中的一種或多種。