本发明专利技术提供了锂离子蓄电池，包括：1)阳极；2)阴极；和3)设置在阳极和阴极之间并包含锂离子的电解质。阳极包括石墨烯骨架膜，该石墨烯骨架膜包括互连的石墨烯片，石墨烯骨架膜的比表面积为600m
Solvent based graphite skeleton as a high performance anode for lithium ion batteries
The invention provides a lithium ion battery, including: 1) anode; 2) cathode; and 3) the electrolyte is set between the anode and the cathode and contains the lithium ion. The anode includes the graphene framework membrane, which includes the interconnected graphene sheets, and the specific surface area of the graphene skeleton membrane is 600m
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】作为锂离子蓄电池的高性能阳极的溶剂化的石墨骨架相关申请的交叉引用本申请要求于2015年3月9日提交的美国临时申请序列号62/130,530的权益，其全部内容通过引用纳入本文。
本公开一般涉及电化学能量存储，更具体地涉及基于石墨烯电极的锂离子蓄电池。
技术介绍
电化学能源储存已成为可持续、清洁和有效的能源供应的核心技术。在这方面，具有高的能量和功率密度的锂离子蓄电池(LIB)对于先进的便携式电子设备和电动车辆以及其他应用是非常期望的。电极材料是LIB的中心部件，可以在很大程度上决定其最终性能。尽管石墨已被广泛用作当前商业LIB中的阳极材料，但其低的理论容量(约372mAhg-1)和差的倍率能力不能满足开发下一代LIB的日益增长的需求。石墨烯由于其优异的固有导电率、高比表面积、优异的机械灵活性和广泛的电化学窗口，而被认为是LIB的有希望的替代电极材料。然而，当将石墨烯片加工成体电极材料时，石墨烯片之间的强范德华力和π-π堆叠的相互作用使得它们易于聚集以形成具有致密层状显微结构的石墨类粉末或膜，导致严重降低的表面面积和更高的锂离子扩散阻力，和因此对于Li储存不足的石墨烯片的利用率。此外，聚合物粘合剂和导电添加剂中的一种或两种通常包括在电极制备中，这增加了电极制备的复杂性，并且还增加了被动元件的重量并且对电化学性能产生不利影响。正是在这种背景下，需要开发本文所述的实施方案。
技术实现思路
本公开的一些实施方案涉及溶剂交换方法以制备作为LIB的高性能阳极材料的溶剂化的石墨烯骨架。所得到的机械坚固的石墨烯骨架可以呈现分级的溶剂化孔隙率，与非溶剂化的石墨烯骨架相比，可直接用作具有显著改善的电化学性能的电极，包括超高可逆容量、优异的倍率能力和优异的循环稳定性。在一些实施方案中，当相对于Li+/Li在约0.1Ag-1的电流密度(或另一更高或更低的参比电流密度)下循环时，在第30次循环之后(例如在第31次循环或之后)石墨烯骨架电极可以表现出约500mAhg-1以上、约600mAhg-1以上，约700mAhg-1以上，约800mAhg-1以上，约900mAhg-1以上，约1000mAhg-1以上或约1158mAhg-1以上，和至多约1200mAhg-1以上，或至多约1400mAhg-1以上的(放电或充电)容量。在一些实施方案中，石墨烯骨架电极可以显示出优异的倍率能力，并且当相对于Li+/Li以约5.0Ag-1(或为参比电流50倍的另一电流)的电流密度循环时，在第30次循环之后(例如在31次循环或之后)，可表现出约150mAhg-1以上，约200mAhg-1以上，约250mAhg-1以上，约300mAhg-1以上，约350mAhg-1以上，约400mAhg-1以上，约450mAhg-1以上，或约472mAhg-1以上，和至多约600mAhg-1以上，或至多约700mAhg-1以上的(放电或充电)容量。在一些实施方案中，当相对于Li+/Li在约5.0Ag-1的电流密度(或另一更高或更低的电流密度)下循环时，石墨烯骨架电极可在500次充电/放电显示出优异的循环稳定性，具有约50％以上，约60％以上，约70％以上，约80％以上，约90％以上，或约93％以上的容量保持率。本公开的一些方面针对LIB。在一些实施方案中，LIB包括：1)阳极；2)阴极；和3)设置在阳极和阴极之间并包含锂离子的电解质。阳极包括石墨烯骨架膜，该石墨烯骨架膜包括互连的石墨烯片，并且石墨烯骨架膜的比表面积为约600m2g-1以上。在一些实施方案中，石墨烯骨架膜的比表面积为约900m2g-1以上。在一些实施方案中，石墨烯骨架膜的填充密度为约0.3gcm-3以上。在一些实施方案中，石墨烯片包括形成在石墨烯片的底面中的纳米孔。在一些实施方案中，至少一个纳米孔具有1nm至100nm范围内的尺寸。在一些实施方案中，阳极还包括纳入石墨烯骨架膜中的电化学活性材料。本公开的其它方面涉及一种形成用于LIB的电极的方法。在一些实施方案中，该方法包括：1)形成石墨烯水凝胶；和2)用包含锂离子的电解质交换石墨烯水凝胶的水以形成溶剂化的石墨烯骨架。在一些实施方案中，形成石墨烯水凝胶包括在还原条件下加热石墨烯氧化物的水性分散液，以产生石墨烯氧化物到石墨烯的还原和石墨烯到石墨烯水凝胶的自组装。在一些实施方案中，在蚀刻剂存在下加热石墨烯氧化物的分散液以在石墨烯中产生纳米孔的形成。在一些实施方案中，交换石墨烯水凝胶的水包括将石墨烯水凝胶浸入电解质中。在一些实施方案中，交换石墨烯水凝胶的水包括用亲水性液体交换石墨烯水凝胶的水，然后用电解质交换亲水性液体。在一些实施方案中，该方法还包括相对于集流体机械地压缩溶剂化的石墨烯骨架。在一些实施方案中，电解质包括分散在有机溶剂中的锂盐。在一些实施方案中，锂盐是六氟磷酸锂、四氟硼酸锂或高氯酸锂。在一些实施方案中，有机溶剂是碳酸酯。也设计了该公开的其它方面和实施方案。前面的内容和以下详细描述并不意在将本公开限于任何具体实施方案，而仅仅意在描述本公开的一些实施方案。附图说明为了更好地理解本公开的一些实施方案的性质和目的，应结合附图参考下面详细描述。图1A：作为用于LIB电极的材料的溶剂化的石墨烯骨架(SGF)的示意图。图1B：用纳米孔形成的石墨烯片的示意图，其可以在相邻的石墨烯片层之间起到离子传递通道的作用以加速离子迁移。图2：根据本公开的实施方案的LIB的示意图。图3：a)石墨烯水凝胶(GH)和石墨烯气凝胶(GA)的图像。b)使用插图中所示的高放大率图像的GA的内部显微结构的扫描电子显微镜(SEM)图像。c)GH和GA的X射线衍射(XRD)图。d)通过亚甲基蓝(MB)吸附法测定GH和GA的比表面积。e)冷冻干燥时GH的结构演化示意图。图4：a)制备SGF的溶剂交换的示意图(上)和SGF在各种有机溶剂中的图像(下)。b)SGF的XRD图谱。图5：a)制备无粘结剂的SGF电极。一片SGF(左)、放在纽扣电池壳的铜箔上的压膜电极(中)和压制的SGF膜(右)的横截面的SEM图像。b)恒电流充电/放电曲线和c)在约0.1Ag-1的低电流密度下，在相对于Li+/Li约3.0和约0.01V之间的SGF电极的循环性能和库仑效率。d)恒电流充电/放电曲线和e)在约0.1Ag-1的低电流密度下，在相对于Li+/Li约3.0和约0.01V之间，GA电极的循环性能和库仑效率。图6：a，b)(a)SGF和(b)GA电极的恒电流充电/放电曲线。c)在从约0.2至约5.0Ag-1宽范围的电流密度范围内获得的SGF和GA电极的倍率性能和循环性能。d)SGF和GA电极的奈奎斯特(Nyquist)图。e)在倍率性能测试后，在约5.0Ag-1高电流密度下SGF电极的循环稳定性。由于高库仑效率，充电和放电容量基本上彼此重叠。f)在循环测试前后SGF电极奈奎斯特图。图7：a)石墨烯氧化物(GO)和GA的拉曼光谱。D峰与G峰强度比的显著增加表明了在GH合成期间GO的有效脱氧。b)GO和GA的X射线光电子能谱(XPS)结果进一步证实了GO的显著脱氧。c)GH的孔隙壁的典型透射电子显微镜(TEM)图像和相应的电子衍射图指示出三个方向失配的结晶石墨烯片。图8：a)N2等温线和b)GA的密度泛函理论(D本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种锂离子蓄电池，包括：阳极；阴极；以及设置在所述阳极和所述阴极之间并且包括锂离子的电解质，其中所述阳极包括石墨烯骨架膜，该石墨烯骨架膜包括互连的石墨烯片，并且所述石墨烯骨架膜具有600m
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.03.09 US 62/130,5301.一种锂离子蓄电池，包括：阳极；阴极；以及设置在所述阳极和所述阴极之间并且包括锂离子的电解质，其中所述阳极包括石墨烯骨架膜，该石墨烯骨架膜包括互连的石墨烯片，并且所述石墨烯骨架膜具有600m2g-1以上的比表面积。2.根据权利要求1所述的锂离子蓄电池，其中所述石墨烯骨架膜的比表面积为900m2g-1以上。3.根据权利要求1所述的锂离子蓄电池，其中所述石墨烯骨架膜具有0.3gcm-3以上的填充密度。4.根据权利要求1所述的锂离子蓄电池，其中所述石墨烯片限定形成在石墨烯片的基面中的纳米孔。5.根据权利要求4所述的锂离子蓄电池，其中所述纳米孔的至少一个具有在1nm至100nm范围内的尺寸。6.根据权利要求1所述的锂离子蓄电池，其中所述阳极还包括纳入石墨烯骨架膜中的电化学活性材料。7.一种形成用于锂离子蓄电池的电极...
【专利技术属性】
技术研发人员：段镶锋，徐宇曦，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国,US
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