基于三维石墨烯支架结构的高性能锂离子电池制备方法技术

本发明专利技术提供一种基于三维石墨烯支架结构的高性能锂离子电池制备方法，步骤如下：将镍片、铜片或镍铜合金片依此用丙酮，酒精，去离子水分别超声清洗，干燥后放入微波等离子体化学气相沉积腔体内，加热，通入甲烷，用氢等离子处理，结束处理后，形成三维石墨烯支架；再放入磁控溅射腔体内，将锂离子电池电极材料作为靶材，通入氩气，溅射；最后在氩气手套箱中组装成电池，其中，多空聚丙烯被用作隔膜，LiPF6与碳酸亚乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯的混合液体被用作电解液。本发明专利技术方法首次获得了高质量的三维石墨烯结构，具有高的导电性，是柔性材料，能有效的缓解锂离子在充放电过程中引起的应力，能极大的提高电子及锂离子的输运速率。

【技术实现步骤摘要】
基于三维石墨烯支架结构的高性能锂离子电池制备方法
本专利技术涉及一种基于三维石墨烯支架结构的高性能锂离子电池制备方法。
技术介绍
近年来，锂离子电池已经被广泛的运用于移动电子通讯设备。随着移动可充电电池的在电动汽车及空间站等大规模运用，发展新型的高储能，快速充电，稳定的锂离子电池变得越来越重要。由于硅的理论容量能达到4200mAhg-1，并且有低达0.4V的放电电势，所以硅被普遍认为将取代现有石墨电极而成为下一代电极材料。但是由于硅在锂离子充放电过程中体积膨胀能达到400％，所以硅电极很容易发生龟裂，从而导致循环性能迅速衰减，进而在很大程度上阻止了硅电极的实际应用。为了解决这些问题，人们设计了不同的硅纳米结构，例如硅纳米线，硅纳米管，硅纳米电缆结构及硅跟石墨烯复合材料，在硅外面包袱氧化硅再包碳等纳米复合结构。硅纳米结构电极相比硅体材料电极有下列优势：(1)纳米结构可以有效的减少电子跟锂离子的传输路径；(2)由于纳米结构能给电极跟电解液之间提供更高的接触面积，所以纳米结构能实现高倍率充放电；(3)纳米结构可以有效的减缓锂离子充放电所产生的应力。尽管硅纳米结构有上述优点，然而仍然面临很大的挑战，例如低的体容量，低的热稳定性，不良的副反应，高价及复杂的制备过程。鉴于上述提到的硅锂离子电池现状，设计一种新型的，低价的，制备工艺简单的硅纳米结构来实现高存储容量，高倍率，稳定的硅锂离子电池是当务之急。由于硅薄膜能降低离子和电子传输路径及能有效的减轻大的体积变化而引起的龟裂，一直被认为能实现长期的稳定性及获得高的库伦效率。然而薄膜的厚度一直只能局限在几十个纳米。研究发现随着薄膜的厚度增加，应力会导致急剧的龟裂，高的固有电阻会导致循环性能的衰减及低的比容量在高电流密度。最近，张(NanoLett.2012,12,2778-2783)﹑(Adv.Mater.2010,22,5378-5382)和曹(Adv.Mater.2011,23,4415-4420)等人提出了用三维的金属支架支撑硅薄膜，并实现了较好的电化学性能。作为机械支架的多空结构的铜跟镍不与锂离子反应，能作为良好的导电电极。这种三维支架结构能有效的缓和硅材料在锂离子充放电过程中引起的内应力。然而由于这种三维支架结构质地坚硬的而非柔性材料，所以只能在有限范围内减小内应力。与坚硬的金属三维支架相比，碳材料似乎是更合适作为硅基材料锂离子电池的骨架。碳材料不仅能给电子和锂离子提供良好的传输途径，同时柔软的特征能有效的减缓锂离子在充放电过程中引起的应力。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题，在于提供一种基于三维石墨烯支架结构的高性能锂离子电池制备方法，该方法首次获得了高质量的三维石墨烯结构，其具有高的导电性，是一种柔性材料，能有效的缓解锂离子在充放电过程中引起的应力，能极大的提高电子及锂离子的输运速率，提高电容量。本专利技术是这样实现上述技术问题的：一种基于三维石墨烯支架结构的高性能锂离子电池制备方法，所述制备方法如下：步骤一，将镍片、铜片或镍铜合金片依此用丙酮，酒精，去离子水分别超声清洗5-15分钟，干燥后放入1.5kWASTeX微波等离子体化学气相沉积腔体内，加热温度到600-700度后加1100-1400瓦的微波功率，通入100sccm的氢气，同时通入1-2sccm甲烷，保持压力为20-30Torr，用氢等离子处理10-30分钟，结束处理后，关掉氢等离子体，让腔体自然冷却，形成三维石墨烯支架；步骤二，将三维石墨烯支架从微波等离子体化学气相沉积腔体内取出，放入磁控溅射腔体内，将锂离子电池电极材料作为靶材，通入5-15sccm的氩气控制压力在1-3mTorr,加入30-70W的射频功率，溅射10-40分钟，之后就会在三维石墨烯支架表面覆盖一层锂离子电池电极材料薄膜；步骤三，将覆有锂离子电池电极材料薄膜的三维石墨烯支架在氩气手套箱中组装成电池，其中，多孔聚丙烯被用作隔膜，1.0mol/LLiPF6与1：1：1的碳酸亚乙酯：碳酸二甲酯：碳酸二乙酯的混合液体被用作电解液，锂片被用作参考电极。进一步地，步骤一具体为：将镍片、铜片或镍铜合金片依此用丙酮，酒精，去离子水分别超声清洗10分钟，干燥后放入1.5kWASTeX微波等离子体化学气相沉积腔体内，通入100sccm的氢气，加热温度到650度后加1200瓦的微波功率，同时通入1.5sccm甲烷，保持压力为23Torr，用氢等离子处理10分钟，结束处理后，关掉氢等离子体，让腔体自然冷却，形成三维石墨烯支架。进一步地，步骤二中，三维石墨烯支架放入磁控溅射腔体内，通入10sccm的氩气控制压力在2mTorr,加入50W的射频功率，溅射30分钟。进一步地，所述步骤二中的锂离子电池电极材料为硅、锡或锗。本专利技术具有如下优点：本专利技术运用等离子增强化学气相沉积首次获得了高质量的三维石墨烯结构，相比Human氧化还原法，这种三维石墨烯能满足电子器件要求，具有高的导电性，同时是一种柔性材料，能有效的缓解锂离子在充放电过程中引起的应力，实现电子的弹道输运，能极大的提高电子及锂离子的输运速率。本专利技术运用传统的磁控溅射方式制备硅薄膜，操作简单方便，不需要繁琐的化学制备过程，同时制备的硅薄膜纯度高，不会有氧化层，能极大的提高电容量。本专利技术运用原位生长，溅射等方式制备三维的纳米薄膜结构，有效的避免了电池制备中运用粘结剂等涂膜制备工艺。本专利技术提出的三维石墨烯结构也可以发展到其他电极材料，开辟了固体锂离子电池的新方向。【附图说明】下面参照附图结合实施例对本专利技术作进一步的说明。图1(a)为倾斜45度的三维石墨烯SEM图。图1(b)为溅射以后，倾斜45度的硅-三维石墨烯SEM图。图1(c)为三维石墨烯TEM图。图1(d)为硅-三维石墨烯TEM图。图2为三维石墨烯Raman图。图3为硅-三维石墨烯(Si-3DG-Ni),硅-二维石墨烯(Si-2DG-Ni),硅-镍片(Si-Ni)在电流密度为C/3的电化学性能循环性能。图4为3μm硅薄膜的硅-三维石墨烯(Si-3DG-Ni)在电流密度为C/3是的电化学性能循环性能。图5为电流密度分别为1Cand3C下的基于三维石墨烯支架结构的高性能离子电池充放电循环曲线。【具体实施方式】本专利技术涉及一种基于三维石墨烯支架结构的高性能离子电池制备方法，所述制备方法如下：步骤一，将镍片、铜片或镍铜合金片依此用丙酮，酒精，去离子水分别超声清洗5-15分钟，干燥后放入1.5kWASTeX微波等离子体化学气相沉积腔体内，加热温度到600-700度后加1100-1400瓦的微波功率，通入100sccm的氢气，同时通入1-2sccm甲烷，保持压力为20-30Torr，用氢等离子处理10-30分钟，结束处理后，关掉氢等离子体，让腔体自然冷却，形成三维石墨烯支架；步骤二，将三维石墨烯支架从微波等离子体化学气相沉积腔体内取出，放入磁控溅射腔体内，将锂离子电池电极材料作为靶材，通入5-15sccm的氩气控制压力在1-3mTorr,加入30-70W的射频功率，溅射10-40分钟，之后就会在三维石墨烯支架表面覆盖一层锂离子电池电极材料薄膜；步骤三，将覆有锂离子电池电极材料薄膜的三维石墨烯支架在氩气手套箱中组装成电池，其中，多孔聚本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于三维石墨烯支架结构的高性能锂离子电池制备方法，其特征在于：所述制备方法如下：步骤一，将镍片、铜片或镍铜合金片依此用丙酮，酒精，去离子水分别超声清洗5‑15分钟，干燥后放入1.5kW微波等离子体化学气相沉积腔体内，加热温度到600‑700度后加1100‑1400瓦的微波功率，同时通入1‑2sccm甲烷，保持压力为20‑30Torr，用氢等离子处理10‑30分钟，结束处理后，关掉等离子体，让腔体自然冷却，形成三维石墨烯支架；步骤二，将三维石墨烯支架从微波等离子体化学气相沉积腔体内取出，放入磁控溅射腔体内，将锂离子电池电极材料作为靶材，通入5‑15sccm的氩气控制压力在1‑3mTorr,加入30‑70W的射频功率，溅射10‑40分钟，之后就会在三维石墨烯支架表面覆盖一层将锂离子电池电极材料薄膜；步骤三，将覆有锂离子电池电极材料薄膜的三维石墨烯支架在氩气手套箱中组装成电池，其中，多空聚丙烯被用作隔膜，1.0mol/L LiPF6与1：1：1的碳酸亚乙酯：碳酸二甲酯：碳酸二乙酯的混合液体被用作电解液，锂片被用作参考电极。

【技术特征摘要】
1.基于三维石墨烯支架结构的高性能锂离子电池制备方法，其特征在于：所述制备方法如下：步骤一，将镍片、铜片或镍铜合金片依此用丙酮，酒精，去离子水分别超声清洗5-15分钟，干燥后放入ASTeX微波等离子体化学气相沉积腔体内，加热温度到600-700度后加1100-1400瓦的微波功率，通入100sccm的氢气，同时通入1-2sccm甲烷，保持压力为20-30Torr，用氢等离子处理10-30分钟，结束处理后，关掉氢等离子体，让腔体自然冷却，形成三维石墨烯支架；步骤二，将三维石墨烯支架从微波等离子体化学气相沉积腔体内取出，放入磁控溅射腔体内，将锂离子电池电极材料作为靶材，通入5-15sccm的氩气控制压力在1-3mTorr,加入30-70W的射频功率，溅射10-40分钟，之后就会在三维石墨烯支架表面覆盖一层锂离子电池电极材料薄膜；步骤三，将覆有锂离子电池电极材料薄膜的三维石墨烯支架在氩气手套箱中组装成电池，其中，多孔聚丙烯被用作隔膜，1.0mol/LLiPF6与1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王春栋，吴启辉，瞿波，
申请(专利权)人：泉州师范学院，
类型：发明
国别省市：福建;35