[發明專利]一種激光誘導錳氧化物/石墨烯陣列的制備方法及其應用

有效

• 申請號: 202211401977.5
• 申請日: 2022-11-10
• 公開（公告）號: CN115763823B
• 公開（公告）日: 2023-08-04
• 發明（設計）人: 李藝娟;肖宏;謝堂超;黃少銘
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: H01M4/66
• 分類號: H01M4/66;H01M4/78;C01B32/184;C01B32/194;B82Y30/00;B82Y40/00;H01M4/134;H01M10/052;H01M10/42
• 代理公司: 廣東南北知識產權代理事務所(普通合伙) 44918
• 代理人: 肖湘漓

本發明涉及石墨烯材料技術領域，具體涉及一種激光誘導錳氧化物/石墨烯陣列的制備方法及其應用。本發明的制備方法為先將PI膜貼于銅箔上，再對PI膜進行激光劃線誘導出PI柱?LIG陣列，往陣列上加錳源，將錳源激光熱加工為MnOsubgt;x/subgt;納米顆粒的同時錨定于LIG陣列，并將多個PI柱的部分PI激光誘導為LIG，由銅箔、PI柱和錨定有MnOsubgt;x/subgt;納米顆粒的LIG陣列組成激光誘導錳氧化物/石墨烯陣列。本發明制備MnOsubgt;x/subgt;@LIG陣列的方法簡便，可原位生成并錨定錳氧化物納米顆粒的同時實現陣列結構的調控；MnOsubgt;x/subgt;@LIG陣列可作為鋰金屬電池負極的宿主材料，制備的鋰金屬電池具有成核過電位低，循環穩定性好，倍率性能優異等優點。

技術領域

本發明涉及石墨烯材料技術領域，具體涉及一種激光誘導錳氧化物/石墨烯陣列的制備方法及其應用。

背景技術

隨著新能源的不斷發展，基于石墨、插層化合物的傳統鋰離子電池(理論能量密度約為387Wh/kg)已經無法滿足新能源電動汽車和大規模儲能體系等對高能量密度儲能技術的迫切需求，因此需研發新一代高比能儲能體系。金屬鋰作為最輕的金屬(0.534g/cm³)，具有極高的理論比容量(3860mAh/g)和最低的還原電勢(-3.04Vvs.標準氫電極)，是未來高容量二次電池負極材料的最佳選擇。近年來，金屬鋰負極憑借其理論能量優勢而成為電池領域的研究熱點，但是其安全性和商業化進程依然面臨著巨大的挑戰，主要問題為：(1)金屬鋰負極自身存在不可控的枝晶生長特性，容易刺穿隔膜引發電池短路，帶來嚴重的火災甚至爆炸隱患；(2)金屬鋰的高反應活性使其在電極/電解液界面引起了大量的副反應，分解的電解液產物在沉積鋰的表面形成了電子絕緣的固體電解質膜(SEI)，產生大量的“死鋰”并持續不斷地消耗電解液，導致電極充放電效率低以及容量的快速衰減；(3)鋰的無序沉積和溶解過程伴隨著電極體積的巨大變化，使電池內部結構破壞而失效。因此，解決金屬鋰的枝晶問題并獲得循環性能穩定和安全性能高的鋰金屬電池具有重要的科學意義和實際應用價值。

近年來，具有較大比表面積和豐富孔道結構的多孔碳材料(如碳納米管，碳納米纖維，碳納米球等)被廣泛應用于鋰金屬電池的負極改性，同時可以通過添加過渡金屬基材料來提高親鋰性，降低金屬鋰的成核過電位，改善鋰離子的沉積行為。其中，石墨烯材料憑借其高導電性及優異的力學和熱學性質的特點，被廣泛應用于諸多儲能材料上，同時還可以通過與不同的氧化物復合有效實現石墨烯材料的功能化。然而，目前制備金屬氧化物/石墨烯復合材料的工藝大多需要較為苛刻的條件如高溫、高壓和需要惰性氣體氣氛等，且制備過程較為復雜，最后還需要添加粘結劑涂覆于集流體上才能作為鋰金屬電池負極的宿主材料。因此，需要研發一種金屬氧化物/石墨烯復合材料的簡便高效的制備方法并將其用于鋰金屬電池負極。

發明內容

為了克服上述現有技術的不足，本發明提供一種激光誘導錳氧化物/石墨烯陣列的制備方法，通過兩次激光誘導生成錳氧化物納米顆粒修飾的石墨烯，該復合材料陣列的合成步驟簡便；將該復合材料結合銅箔和PI柱制得MnO_x@LIG陣列，MnO_x@LIG陣列可作為鋰金屬電池負極的宿主材料，制備的鋰金屬電池具有成核過電位低，循環穩定性好，倍率性能優異等優點。

為了實現上述目的，本發明所采用的技術方案是：

本發明提供了一種激光誘導錳氧化物/石墨烯陣列的制備方法，包括以下步驟：

S1、將銅箔集流體貼于襯底上，再將聚酰亞胺(PI)膜貼于銅箔上；

S2、對PI膜進行加工深度為100％的激光劃線，使劃線部分的PI膜被激光誘導為石墨烯(LIG)陣列，剩余未被加工的PI膜被劃線分割為多個PI柱；