一种锂离子电池铝集流体表面原位生长石墨烯的制备方法，它涉及锂离子电池铝集流体的制备方法。本发明专利技术要解决现有锂离子电池铝集流体材料中存在的接触电阻较高，集流体难以实现与活性物质的紧密结合的问题。方法：一、铝集流体表面预处理；二、铝集流体表面三维结构化处理；三、铝集流体表面预制预置氧化石墨烯层；四、铝集流体表面刻蚀处理；五、铝集流体表面生长三维结构石墨烯，即完成锂离子电池铝集流体表面原位生长石墨烯的制备方法。本发明专利技术用于一种锂离子电池铝集流体表面原位生长石墨烯的制备方法。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及锂离子电池铝集流体的制备方法。
技术介绍
近年来随着我国现代社会经济与技术的迅猛发展，能源危机以及传统能源对于环境破坏问题日益突出，成为一个急需解决的全球性问题。因此，研发出可以替代传统能源的清洁环保且可持续发展新型能源是对付上述问题的关键所在。目前来说，主要得以开发新型能源包括地热能、风能、太阳能、潮汐能等。考虑到例如风能、太阳能等新能源需要相应的储能元件进行能量存储，因此我们需要对高效、便捷、无污染的储能装置进行研究和探索。目前常用的储能装置主要包括锂离子电池、锂硫电池、超级电容器、燃料电池等，而锂离子电池是迄今为止通用性最强、适应性最广的二次电池，锂离子电池具有比容量大、安全、工作电压区间宽且体积能量密度大的等优点，目前在消费电子产品、电动汽车和医疗电子器械中得到了广泛的运用。金属铝箔凭借其价格低廉、电导率高、可加工性强等诸多优点，使得其广泛地运用于锂离子电池中的正极集流体。目前，锂离子电池主要由正极、负极、隔膜、电解液及辅助材料组成。在锂离子电池的外部包裹有集流体，传统的正极集流体材料一般选用表面光滑的铝箔，在铝箔上直接涂覆活性物质。然而，直接在铝集流体表面涂覆活性物质往往会遇到如下的几个问题：(1)铝集流体材料表面具有氧化膜，容易导致活性物质和集流体之间较高接触电阻；(2)铝集流体表面较为光滑，难以与活性材料之间实现紧密结合，导电性差，较差的比容量，倍率性能差；(3)活性物质和铝集流体之间往往为点接触，难以实现活性物质的充分利用；(4)活性物质在充放电过程中容易发生体积变化，进而容易发生活性物质的脱落，显著地降低了循环稳定性及电池寿命；(5)电极材料的活性物质与铝集流体的直接接触的功函数匹配存在一定的问题，造成电阻增大，对于电池性能特别是大电流充放电条件下的性能存在负面影响。对铝集流体进行表面处理是解决上述问题的主要途径。目前主要有两种方法，一种是通过物理或化学的方法对集流体进行表面刻蚀，形成凹凸不明的粗糙表面，借助较大的接触面积增强附着力。另一种方法是在集流体表面形成碳材料的薄层，该薄层需要有良好的导电能力，较高的比表面积，优良的粘结性能，从而增加活性材料与集流体间的导电接触，减小界面电阻，并提高两者间的粘结强度。这种方法很好地做到电极活性物质层与集流体之间的功函数匹配，从而减小电池内阻，提高电池倍率性能。
技术实现思路
本专利技术要解决现有锂离子电池铝集流体材料中存在的接触电阻较高，集流体难以实现与活性物质的紧密结合的问题，而提供一种锂离子电池铝集流体表面原位生长石墨烯的制备方法。一种锂离子电池铝集流体表面原位生长石墨烯的制备方法是按照以下步骤进行的：一、铝集流体表面预处理：将铝箔依次用丙酮溶液及无水乙醇超声清洗1min～5min，再将清洗后的铝箔置于浓度为0.1mol/L～6mol/L的NaOH溶液中，处理0.5min～2min，然后置于浓度为0.1mol/L～5mol/L的HCl溶液中，处理0.5min～2min，得到预处理的铝集流体；二、铝集流体表面三维结构化处理：将预处理的铝集流体置于浓度为0.01mol/L～1mol/L的HCl溶液中，采用直流电源进行腐蚀处理，腐蚀电流为0.1A～5A，腐蚀时间为1s～300s，然后用去离子水和无水乙醇清洗，得到三维结构化处理后的铝集流体；三、铝集流体表面预制预置氧化石墨烯层：①、以三维结构化处理后的铝集流体的一面为滴涂面，以2μL/cm2～10μL/cm2的用量，使用旋涂机将浓度为1mg/mL～10mg/mL的氧化石墨烯水溶液滴在三维结构化处理后的铝集流体的滴涂面上，然后调节旋涂机的转速为1000rpm～3000rpm，旋涂时间为5s～30s，然后将旋涂后的铝集流体置于温度为50℃～150℃的烘箱中烘干，得到表面覆有薄膜的铝集流体；②、将表面覆有薄膜的铝集流体按步骤三①重复1次～5次，得到表面覆有氧化石墨烯层的铝集流体；四、铝集流体表面刻蚀处理：将表面覆有氧化石墨烯层的铝集流体置于等离子体化学气相沉积真空装置中，抽真空后，通入氢气及氩气，调节氢气气体流量为1sccm～100sccm，调节氩气气体流量为1sccm～100sccm，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为100Pa～1000Pa，并在压强为100Pa～1000Pa的条件下，将温度升高至200℃～600℃，然后在射频功率为20W～500W、压强为100Pa～1000Pa、氢气气体流量为1sccm～100sccm、氩气气体流量为1sccm～100sccm和温度为200℃～600℃的条件下进行刻蚀，刻蚀时间为1min～30min；五、铝集流体表面生长三维结构石墨烯：通入碳源气体，调节碳源气体气体流量为1sccm～50sccm，调节氩气气体流量为50sccm～100sccm，调节氢气气体流量为1sccm～20sccm，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为100Pa～1000Pa，然后在射频功率为100W～500W、压强为100Pa～1000Pa、碳源气体气体流量为1sccm～50sccm、氩气气体流量为50sccm～100sccm、氢气气体流量为1sccm～20sccm及温度为200℃～600℃的条件下沉积，沉积时间为1min～120min，沉积结束后，关闭电源，停止通入碳源气体和氢气，在氩气气氛下冷却至室温，即完成锂离子电池铝集流体表面原位生长石墨烯的制备方法。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术的铝集流体表面原位生长石墨烯，其显著低于常规改性技术所制备的集流体涂敷层厚度，与传统导电碳材料涂层相比，具有良好的导电能力和界面结合力，有效的增加了活性材料与集流体间的导电接触，减小界面电阻；(2)本专利技术的铝集流体表面原位生长石墨烯，其独特的三维结构可以有利于增加集流体和活性物质之间的接触面积，提高活性物质的利用率，进而增加电池的比容量；(3)本专利技术的铝集流体表面原位生长石墨烯，可以有效去除了表面致密的氧化膜，优化电荷传导路径，降低电池的接触电阻。(4)本专利技术的制备方法与现有技术相比，它制作工艺简单，制成的材料性能稳定，实验可重复性好，由此材料做正极制成的电池容量高，性能好。本专利技术用于一种锂离子电池铝集流体表面原位生长石墨烯的制备方法。具体实施方式本专利技术技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。具体实施方式一：本实施方式所述的一种锂离子电池铝集流体表面原位生长石墨烯的制备方法是按照以下步骤进行的：一、铝集流体表面预处理：将铝箔依次用丙酮溶液及无水乙醇超声清洗1min～5min，再将清洗后的铝箔置于浓度为0.1mol/L～6mol/L的NaOH溶液中，处理0.5min～2min，然后置于浓度为0.1mol/L～5mol/L的HCl溶液中，处理0.5min～2min，得到预处理的铝集流体；二、铝集流体表面三维结构化处理：将预处理的铝集流体置于浓度为0.01mol/L～1mol/L的HCl溶液中，采用直流电源进行腐蚀处理，腐蚀电流为0.1A～5A，腐蚀时间为1s～300s，然后用去离子水和无水乙醇清洗，得到三维结构化处理后的铝集流体；三、铝集流体表面预制预置氧化石墨烯层：①、以本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种锂离子电池铝集流体表面原位生长石墨烯的制备方法，其特征在于一种锂离子电池铝集流体表面原位生长石墨烯的制备方法是按照以下步骤进行的：一、铝集流体表面预处理：将铝箔依次用丙酮溶液及无水乙醇超声清洗1min～5min，再将清洗后的铝箔置于浓度为0.1mol/L～6mol/L的NaOH溶液中，处理0.5min～2min，然后置于浓度为0.1mol/L～5mol/L的HCl溶液中，处理0.5min～2min，得到预处理的铝集流体；二、铝集流体表面三维结构化处理：将预处理的铝集流体置于浓度为0.01mol/L～1mol/L的HCl溶液中，采用直流电源进行腐蚀处理，腐蚀电流为0.1A～5A，腐蚀时间为1s～300s，然后用去离子水和无水乙醇清洗，得到三维结构化处理后的铝集流体；三、铝集流体表面预制预置氧化石墨烯层：①、以三维结构化处理后的铝集流体的一面为滴涂面，以2μL/cm2～10μL/cm2的用量，使用旋涂机将浓度为1mg/mL～10mg/mL的氧化石墨烯水溶液滴在三维结构化处理后的铝集流体的滴涂面上，然后调节旋涂机的转速为1000rpm～3000rpm，旋涂时间为5s～30s，然后将旋涂后的铝集流体置于温度为50℃～150℃的烘箱中烘干，得到表面覆有薄膜的铝集流体；②、将表面覆有薄膜的铝集流体按步骤三①重复1次～5次，得到表面覆有氧化石墨烯层的铝集流体；四、铝集流体表面刻蚀处理：将表面覆有氧化石墨烯层的铝集流体置于等离子体化学气相沉积真空装置中，抽真空后，通入氢气及氩气，调节氢气气体流量为1sccm～100sccm，调节氩气气体流量为1sccm～100sccm，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为100Pa～1000Pa，并在压强为100Pa～1000Pa的条件下，将温度升高至200℃～600℃，然后在射频功率为20W～500W、压强为100Pa～1000Pa、氢气气体流量为1sccm～100sccm、氩气气体流量为1sccm～100sccm和温度为200℃～600℃的条件下进行刻蚀，刻蚀时间为1min～30min；五、铝集流体表面生长三维结构石墨烯：通入碳源气体，调节碳源气体气体流量为1sccm～50sccm，调节氩气气体流量为50sccm～100sccm，调节氢气气体流量为1sccm～20sccm，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为100Pa～1000Pa，然后在射频功率为100W～500W、压强为100Pa～1000Pa、碳源气体气体流量为1sccm～50sccm、氩气气体流量为50sccm～100sccm、氢气气体流量为1sccm～20sccm及温度为200℃～600℃的条件下沉积，沉积时间为1min～120min，沉积结束后，关闭电源，停止通入碳源气体和氢气，在氩气气氛下冷却至室温，即完成锂离子电池铝集流体表面原位生长石墨烯的制备方法。...
【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池铝集流体表面原位生长石墨烯的制备方法，其特征在于一种锂离子电池铝集流体表面原位生长石墨烯的制备方法是按照以下步骤进行的：一、铝集流体表面预处理：将铝箔依次用丙酮溶液及无水乙醇超声清洗1min～5min，再将清洗后的铝箔置于浓度为0.1mol/L～6mol/L的NaOH溶液中，处理0.5min～2min，然后置于浓度为0.1mol/L～5mol/L的HCl溶液中，处理0.5min～2min，得到预处理的铝集流体；二、铝集流体表面三维结构化处理：将预处理的铝集流体置于浓度为0.01mol/L～1mol/L的HCl溶液中，采用直流电源进行腐蚀处理，腐蚀电流为0.1A～5A，腐蚀时间为1s～300s，然后用去离子水和无水乙醇清洗，得到三维结构化处理后的铝集流体；三、铝集流体表面预制预置氧化石墨烯层：①、以三维结构化处理后的铝集流体的一面为滴涂面，以2μL/cm2～10μL/cm2的用量，使用旋涂机将浓度为1mg/mL～10mg/mL的氧化石墨烯水溶液滴在三维结构化处理后的铝集流体的滴涂面上，然后调节旋涂机的转速为1000rpm～3000rpm，旋涂时间为5s～30s，然后将旋涂后的铝集流体置于温度为50℃～150℃的烘箱中烘干，得到表面覆有薄膜的铝集流体；②、将表面覆有薄膜的铝集流体按步骤三①重复1次～5次，得到表面覆有氧化石墨烯层的铝集流体；四、铝集流体表面刻蚀处理：将表面覆有氧化石墨烯层的铝集流体置于等离子体化学气相沉积真空装置中，抽真空后，通入氢气及氩气，调节氢气气体流量为1sccm～100sccm，调节氩气气体流量为1sccm～100sccm，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为100Pa～1000Pa，并在压强为100Pa～1000Pa的条件下，将温度升高至200℃～600℃，然后在射频功率为20W～500W、压强为100Pa～1000Pa、氢气气体流量为1sccm～100sccm、氩气气体流量为1sccm～100sccm和温度为200℃～600℃的条件下进行刻蚀，刻蚀时间为1min～30min；五、铝集流体表面生长三维结构石墨烯：通入碳源气体，调节碳源气体气体流量为1sccm～50sccm，调节氩气气体流量为50sccm～100sccm，调节氢气气体流量为1sccm～20sccm，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为100Pa～1000Pa，然后在射频功率为100W～500W、压强为100Pa～1000Pa、碳源气体气体流量为1sccm～50sccm、氩气气体流量为50sccm～100sccm、氢气气体流量为1sccm～20sccm及温度为200℃～600℃的条件下沉积，沉积时间为1min～120min，沉积结束后，关闭电源，停止通入碳源气体和氢气，在氩气气氛下冷却至室温，即...
【专利技术属性】
技术研发人员：亓钧雷，林景煌，刘瑜琳，贾赫男，费维栋，冯吉才，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23
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