本发明专利技术涉及一种锂离子电池用超轻薄高柔性石墨烯集流体的制备方法，该制备方法包括如下步骤：a.制备氧化石墨烯液晶，b.制备前驱体石墨烯凝胶，c.制备石墨烯集流体。本发明专利技术还涉及该石墨烯集流体在锂离子电池及柔性电池中的应用。采用本发明专利技术制备方法所制得的石墨烯集流体，其由单层或多层纯石墨烯片组成，不含其它任何载体或模版，质量轻，密度小；机械强度高，柔性好，折叠挤压拉伸扭曲都不会产生不可恢复的形变；电导率高，电子传递速度快；化学稳定性高，耐腐蚀；比表面积大，能很好与电极浆料粘合，减少掉粉情况；并且电压窗口宽，能够同时作为锂离子电池的正负极集流体。在锂离子电池和柔性电子设备中具有很好的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于新能源材料和电化学
，尤其涉及一种锂离子电池用超轻薄高柔性石墨烯集流体的制备方法。
技术实现思路
锂离子电池作为一种新型的储能设备，已经在便携式电子产品上面得到广泛的应用。随着电动汽车和柔性电子等领域的发展，对锂离子电池提出了更高的要求，包括更高的功率密度、更高的输出电压、更高的工作温度和更好的安全性能、以及具备良好的力学性能和柔韧性。众所周知，组成锂离子电池的四大主要部分是正极材料、负极材料、隔离膜和电解液。但是，除了主要的四大部分外，用来存放正负极材料的集流体也是锂电池的重要组成部分。集流体，顾名思义就是指汇集电流的结构或零件，在锂离子电池上主要指的是金属箔，如铜箔、铝箔。泛指也可以包括极耳。其功用主要是承载活性物质并将电池活性物质产生的电流汇集起来以便形成较大的电流对外输出，因此集流体应与活性物质充分接触，并且内阻应尽可能小为佳。原则上，理想的锂离子电池集流体应满足以下几个条件：1) 电导率高；2) 化学与电化学稳定性好；3) 机械强度高；4) 与电极活性物质的兼容性和结合力好；5) 廉价易得；6) 质量轻。目前可用作锂离子电池集流体的材料有铜、铝、镍和不锈钢等金属导体材料、碳等半导体材料以及复合材料。但在实际应用过程中，不同的集流体材料仍存在这样那样的问题，例如：铜箔不能用作锂离子电池正极集流体，是因为铜的氧化层比较松散，做正极集流体时，充电时3.55V铜就会氧化；铝箔不能用作锂离子电池负极集流体，是因为铝的原子半径比较大，充电时锂离子可能会嵌入铝箔形成铝锂合金，几次循环下来铝箔就会碎掉，容易引起短路问题，影响电池的循环稳定性。再如，泡沫镍和铝箔不能应用在酸性电解液中，容易腐蚀，导致测试不准。另外，金属集流体的密度大，质量重，在整个电池中占据了较大的比重，会降低电池的能量密度，也限制了电池趋于轻薄化的发展。就现在商业化的集流体在实际应用中存在的问题来看，其大多都不能完全满足上述多尺度需求。而且现在大多数的集流体在受到外力折叠挤压时，都会产生不可恢复的形变，限制了其在柔性锂离子电池中的应用，鉴于此，研发一种即满足上述多尺度需求又能够同时作为锂离子电池正负极集流体使用的新型集流体很有必要。石墨烯是一种零间隙半导体，这种无间隙半导体的本质特征产生了很多独特的电子性能，在室温下导电不需要电荷的迁移（费米速度是106 m∙s-1），此外，石墨烯具有大的比表面积、很好的柔性、极强的导电性（电导率是106 Ω∙cm）和较宽的电压窗口等一系列的优良电化学性能，不仅能够完全满足上述理想的锂离子电池集流体多尺度需求，并且能够同时作为锂离子电池正负极集流体使用，还能够应用到柔性电子设备当中，在能源存储方面特别是锂离子电池上面得到广泛的应用。目前以石墨烯与其他材料复合作为集流体的研究不在少数。例如：研究人员制备出的具有三维连通网络结构的石墨烯泡沫 (Nature Materials 10 (6), 424, 2011)，他们利用石墨烯泡沫作为锂离子电池的三维集流体，制备出可快速充放电的锂离子电池，但以泡沫镍为模板制备的石墨烯泡沫孔隙率高，机械强度低，结构不稳定。还有研究人员以滤纸、聚合物滤膜等为载体或模版附着石墨烯微片制成的石墨烯纸或石墨烯膜（Adv. Energy Mater. 1, 917–922，2011），并将其应用于超级电容器中，这种石墨烯纸虽然韧性较好但由于含有绝缘性的纸和聚合物膜，从而降低了材料的导电性，更不能完全体现石墨烯的独特性能，因此限制了其在锂离子电池中的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述现有技术不能完全满足理想锂离子电池的多尺度需求以及单一材料同时作为锂离子电池正负极集流体使用存在的问题和不足，提供一种锂离子电池用超轻薄高柔性石墨烯集流体的制备方法以及该石墨烯集流体作为电极材料在常规锂离子电池和柔性锂离子电池中的应用。本专利技术制备出的石墨烯集流体由单层或者多层纯石墨烯片组成，不含其它任何载体或者模版，密度小，质量轻；机械强度高，柔性好，折叠挤压拉伸扭曲都不会产生不可恢复的形变；电导率高，电子传递速度快；化学稳定性高，耐腐蚀；比表面积大，能很好与电极浆料粘合，减少掉粉情况；并且电压窗口宽，能够同时作为锂离子电池的正负极集流体。在锂离子电池和柔性电子设备中具有很好的应用前景。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种锂离子电池用超轻薄高柔性石墨烯集流体的制备方法，包括如下步骤：a. 氧化石墨烯液晶的制备：利用氧化插层法制得氧化石墨烯溶液，并通过透析的方法进行浓缩，得到一种黄糖浆色高粘度的氧化石墨烯液晶；b. 前驱体石墨烯凝胶的制备：将浓缩的氧化石墨烯液晶装在容器中，然后将容器口敞开置于通有还原性气体的环境中，控制环境的温度、压强、还原性气体流速，以及还原时间，将氧化石墨烯液晶部分还原成前驱体石墨烯凝胶，得到的前驱体石墨烯是一种高粘度、纯黑色的凝胶；c. 石墨烯集流体的制备：将前驱体石墨烯凝胶旋涂到光洁基体上，然后利用涂膜机碾压成前驱体石墨烯凝胶膜，控制涂膜厚度及凝胶密度，将前驱体石墨烯凝胶膜放在鼓风干燥机中，并通入还原性气体，利用鼓风、蒸发、干燥、循环系统，将涂在光洁基体上的前驱体石墨烯凝胶膜干燥的同时进行还原。脱模后碾压即可得到锂离子电池用超轻薄高柔性石墨烯集流体。所述的锂离子电池用超轻薄高柔性石墨烯集流体的制备方法的步骤a.中，所述的浓缩氧化石墨烯液晶所用的透析液为：CaCl2等饱和盐溶液、丙酮等有机溶剂或者PEG等高分子溶液中的一类或几类。所述的锂离子电池用超轻薄高柔性石墨烯集流体的制备方法的步骤a.中，所述的氧化石墨烯溶液在1～100 ℃温度下的表面张力为30～80 mN/m，浓缩后的氧化石墨烯液晶在1～100 ℃温度下的表面张力为40～90 mN/m。所述的锂离子电池用超轻薄高柔性石墨烯集流体的制备方法的步骤b.中，所述的前驱体石墨烯凝胶的制备中，还原过程的环境温度是50～150 ℃，环境压强是标准大气压，还原气体是肼蒸气、氢气等，还原性气体流速是2～150 ml/min，还原时间是0.5～48 h，还原程度为10～60%质量百分比。所述的锂离子电池用超轻薄高柔性石墨烯集流体的制备方法的步骤c.中，所用的旋涂机的旋涂速度为2000～5000 RPM（转/分钟），工作时间为1～360 s（秒），工作温度为4～50 ℃。所述的锂离子电池用超轻薄高柔性石墨烯集流体的制备方法的步骤c.中，用于旋涂成膜的光洁基体板表面粗糙度（Ra）为0.004～0.6 μm（微米）。所述的锂离子电池用超轻薄高柔性石墨烯集流体的制备方法的步骤c.中，制备的锂离子电池用超轻薄高柔性石墨烯集流体的厚度为0.3～500 μm，电导率为102～105 S/m，拉伸强度为50～300 N/mm2，面密度是2.94×10-6～4.9×10-3 g/cm2，总含量是99.99～100%。所述的锂离子电池用超轻薄高柔性石墨烯集流体的制备方法的步骤c.中，所述的前驱体石墨烯凝胶膜干燥还原过程中，干燥还原过程的环境温度是10～100 ℃，还原气体是肼蒸气、氢气等，还原性气体流速是20～150 ml/min，干燥还原时间是0.5～120 h，鼓风角度是90°。所述的锂离子电池用超轻薄高本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种锂离子电池用超轻薄高柔性石墨烯集流体的制备方法，其特征在于：a. 氧化石墨烯液晶的制备：利用氧化插层法制得氧化石墨烯溶液，并通过透析的方法进行浓缩，得到一种黄糖浆色高粘度的氧化石墨烯液晶；b. 前驱体石墨烯凝胶的制备：将浓缩的氧化石墨烯液晶装在容器中，然后将容器口敞开置于通有还原性气体的环境中，控制环境的温度、压强、还原性气体流速，以及还原时间，将氧化石墨烯液晶部分还原成前驱体石墨烯凝胶，得到的前驱体石墨烯是一种高粘度、纯黑色的凝胶；c. 石墨烯集流体的制备：将前驱体石墨烯凝胶旋涂到光洁基体上，控制涂膜厚度及凝胶密度，然后利用涂膜机碾压成前驱体石墨烯凝胶膜，将前驱体石墨烯凝胶膜放在鼓风干燥机中，并通入还原性气体，利用鼓风、蒸发、干燥、循环系统，将涂覆在光洁基体上的前驱体石墨烯凝胶膜干燥的同时进行还原，脱模后碾压即可得到锂离子电池用超轻薄高柔性石墨烯集流体。
【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池用超轻薄高柔性石墨烯集流体的制备方法，其特征在于：a. 氧化石墨烯液晶的制备：利用氧化插层法制得氧化石墨烯溶液，并通过透析的方法进行浓缩，得到一种黄糖浆色高粘度的氧化石墨烯液晶；b. 前驱体石墨烯凝胶的制备：将浓缩的氧化石墨烯液晶装在容器中，然后将容器口敞开置于通有还原性气体的环境中，控制环境的温度、压强、还原性气体流速，以及还原时间，将氧化石墨烯液晶部分还原成前驱体石墨烯凝胶，得到的前驱体石墨烯是一种高粘度、纯黑色的凝胶；c. 石墨烯集流体的制备：将前驱体石墨烯凝胶旋涂到光洁基体上，控制涂膜厚度及凝胶密度，然后利用涂膜机碾压成前驱体石墨烯凝胶膜，将前驱体石墨烯凝胶膜放在鼓风干燥机中，并通入还原性气体，利用鼓风、蒸发、干燥、循环系统，将涂覆在光洁基体上的前驱体石墨烯凝胶膜干燥的同时进行还原，脱模后碾压即可得到锂离子电池用超轻薄高柔性石墨烯集流体。2.根据权利要求1a所述的锂离子电池用超轻薄高柔性石墨烯集流体的制备方法，其特征在于：浓缩氧化石墨烯液晶所用的透析液为：CaCl2等饱和盐溶液、丙酮等有机溶剂或者PEG等高分子溶液中的一类或几类。3.根据权利要求1a所述的锂离子电池用超轻薄高柔性石墨烯集流体的制备方法，其特征在于：所述的氧化石墨烯溶液在1～100 ℃温度下的表面张力为30～80 mN/m，浓缩后的氧化石墨烯液晶在1～100 ℃温度下的表面张力为40～90 mN/m。4.根据权利要求1b所述的锂离子电池用超轻薄高柔性石墨烯集流体的制备方法，其特征在于：前驱体石墨烯凝胶的制备中，还原过程的环境温度是50～150 ℃，环境压强是标准大气压，还原气体是肼...
【专利技术属性】
技术研发人员：肖启振，刘双祎，李朝晖，雷钢铁，王艺蓉，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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