一种三维结构碳基储能薄膜及制备方法、电极片与应用技术

本发明专利技术公开了一种三维结构碳基储能薄膜及制备方法、电极片与应用。所述三维结构碳基储能薄膜，包括：采用金属有机化合物化学气相沉积方法在基体上制备的石墨烯层；沉积在石墨烯层上的能量密度贡献主体元素层；沉积在所述能量密度贡献主体元素层上的保护层。本发明专利技术采用金属有机化合物化学气相沉积方法生长形成石墨烯层，其条件易控，有效保证生长的三维结构碳基储能薄膜化学性能稳定，效率高，适用于工业化大规模的生产。

【技术实现步骤摘要】
一种三维结构碳基储能薄膜及制备方法、电极片与应用
本专利技术涉及化学电源
，尤其涉及一种三维结构碳基储能薄膜及制备方法、电极片与应用。
技术介绍
锂电池由于其容量高、能量密度大、造价低廉、循环寿命长、工作电压高等优点，成为当今最具潜力的能量储存体系之一，并已得到广泛运用。其中，电极材料的性能直接决定了锂离子电池的性能。石墨烯作为一种新型的二维碳材料，具有高理论比表面积、电容性与导电性，更加适合作为电容去离子装置中的电极材料。但石墨烯在制备过程中，由于片层之间的范德华力以及π-π作用力，使得其实际的比表面积和导电性远低于理论值，这限制了其在电容去离子技术中的应用。而且，高比表面积的石墨烯由于表面活性能高，分子间的作用力以及化学键作用强而容易发生叠层和团聚，使比表面积显著降低，不能充分发挥石墨烯材料的高比表面、高导电和高导热的性能优势，这在一定程度上限制了其在锂离子电池中的进一步应用。目前，主要是通过体相掺杂和表面包覆等途径来改善石墨烯的结构和性能，这样无形中增加了成本。另外，石墨烯大多是将石墨烯与导电剂和粘结剂等先配制成负极浆料，然后进行涂覆处理获得负极极片。正是由于粘结剂等的存在导致制备的相应负极极片内阻偏大，而且含石墨烯的活性层易脱落，从而导致锂电池的首次充放电效率和比容量以及循环等性能不理想。因此，现有技术还有待于改进和发展。
技术实现思路
鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种三维结构碳基储能薄膜及制备方法、电极片与应用，旨在解决现有储能薄膜中内阻偏大和活性层易脱落的问题。一种三维结构碳基储能薄膜，其中，包括：采用金属有机化合物化学气相沉积方法在基体上制备的石墨烯层；沉积在石墨烯层上的能量密度贡献主体元素层；沉积在所述能量密度贡献主体元素层上的保护层。一种如上所述三维结构碳基储能薄膜的制备方法，其中，包括：提供基体；通过金属有机化合物化学气相沉积方法在所述基体上生长石墨烯层；将能量密度贡献主体元素沉积在所述石墨烯层上，得到能量密度贡献主体元素层；将保护层材料沉积在所述主体元素层的表面，得到三维结构碳基储能薄膜。所述的三维结构碳基储能薄膜的制备方法，其中，所述能量密度贡献主体元素的靶材包括：硫、锂、硅、锡、钛、钒、铝、金、银、铜、钼、钴中的至少一种；或所述能量密度贡献主体元素的靶材包括：硫化合物、锂化合物、硅化合物、锡化合物、钛化合物、钒化合物、铝化合物、金化合物、银化合物、铜化合物、钼化合物、钴化合物中的至少一种。所述的三维结构碳基储能薄膜的制备方法，其中，所述保护层包括：钛酸锂保护层、二氧化钛保护层、锰酸锂保护层、氧化锂保护层中的一种或多种。所述的三维结构碳基储能薄膜的制备方法，其中，在所述金属有机化合物化学气相沉积的过程中，反应温度控制为500℃-1200℃。所述的三维结构碳基储能薄膜的制备方法，其中，在所述金属有机化合物化学气相沉积的过程中，反应气氛为氢气、氩气、氨气中的至少一种气氛或多种混合气体气氛。所述的三维结构碳基储能薄膜的制备方法，其中，所述基体为化学电源负极集流体。一种电极片，包括集流体，其中，还包括：结合在所述集流体的表面上的如上所述三维结构碳基储能薄膜。所述的电极片，其中，所述三维结构碳基储能薄膜的厚度为1-5微米。一种如上所述的电极片在锂离子电池、锂硫电池或超级电容器中的应用。有益效果：本专利技术采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)方法形成石墨烯层，其条件易控，有效保证生长的三维结构碳基储能薄膜化学性能稳定，效率高，并能够避免现有石墨烯层制备过程中存在容易发生叠层和团聚的问题；本专利技术中三维结构的石墨烯使得高能量密度储能薄膜具有导电性好和界面电阻小的特性；同时所述能量密度贡献主体元素作为掺杂元素的膜层，从而使得所述三维结构碳基储能薄膜中形成了一个更大的表面积供锂离子容纳，以显著降低三维结构碳基储能薄膜的界面电阻；而且表面的保护层可以减少和阻止电解液与能量密度贡献主体元素之间的不可逆副反应，减少固体电解质膜(SEI)的产生，保护层材料还可以吸收电极材料在充放电时产生的体积膨胀，减轻周期性体积变化的应力，保持锂离子嵌入/脱出过程中的结构稳定性，且赋予所述复合型薄膜材料良好的大倍率性能，安全性能良好。附图说明图1为本专利技术实施例1提供的基于三维结构碳基储能薄膜的锂离子电池在150mA/g时的前三圈充放电曲线图。图2为本专利技术实施例1提供的基于三维结构碳基储能薄膜的锂离子电池在150mA/g时首圈、第500圈、第1000圈的充放电曲线图。图3是本专利技术实施例1-4提供的三维结构碳基储能薄膜的锂离子电池在150mA/g时首次充放电曲线对比图；其中，曲线1为实施例1得到的锂离子电池的首次充放电曲线，曲线2为实施例2得到的锂离子电池的首次充放电曲线，曲线3为实施例3得到的锂离子电池的首次充放电曲线，曲线4为实施例4得到的锂离子电池的首次充放电曲线。图4是本专利技术实施例1得到的基于三维结构碳基储能薄膜的锂离子电池750mA/g时的循环性能图。图5是本专利技术实施例1得到的基于三维结构碳基储能薄膜的锂离子电池750mA/g时的库伦效率图。图6是本专利技术实施例5得到的基于三维结构碳基储能薄膜的锂硫软包电池不同倍率下的充放电曲线图。图7是本专利技术实施例5得到的基于三维结构碳基储能薄膜的锂硫软包电池750mA/g(0.5C)时的循环性能图。具体实施方式本专利技术提供一种三维结构碳基储能薄膜及制备方法、电极片与应用，为使本专利技术的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术提供了一种三维结构碳基储能薄膜，包括：采用金属有机化合物化学气相沉积方法在基体上制备的石墨烯层；沉积在石墨烯层上的能量密度贡献主体元素层；沉积在所述能量密度贡献主体元素层上的保护层。本专利技术采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)方法生长形成石墨烯层，其条件易控，有效保证生长的三维结构碳基储能薄膜化学性能稳定，效率高，并能够避免制备现有石墨烯层制备过程中存在容易发生叠层和团聚的问题。本专利技术中三维结构碳基储能薄膜中，三维结构的石墨烯使得高能量密度储能薄膜具有导电性好和界面电阻小的特性；同时所述能量密度贡献主体元素作为掺杂元素的膜层，从而使得所述三维结构碳基储能薄膜中形成了一个更大的表面积供锂离子容纳，以显著降低三维结构碳基储能薄膜的界面电阻；而且表面的保护层可以减少和阻止电解液与能量密度贡献主体元素之间的不可逆副反应，减少固体电解质膜(SEI)的产生，保护层材料还可以吸收电极材料在充放电时产生的体积膨胀，减轻周期性体积变化的应力，保持锂离子嵌入/脱出过程中的结构稳定性，且赋予所述复合型薄膜材料良好的大倍率性能，安全性能良好。进一步，本专利技术提供一种如本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维结构碳基储能薄膜，其特征在于，包括：/n采用金属有机化合物化学气相沉积方法在基体上制备的石墨烯层；/n沉积在石墨烯层上的能量密度贡献主体元素层；/n沉积在所述能量密度贡献主体元素层上的保护层。/n

【技术特征摘要】
1.一种三维结构碳基储能薄膜，其特征在于，包括：
采用金属有机化合物化学气相沉积方法在基体上制备的石墨烯层；
沉积在石墨烯层上的能量密度贡献主体元素层；
沉积在所述能量密度贡献主体元素层上的保护层。


2.一种如权利要求1所述三维结构碳基储能薄膜的制备方法，其特征在于，包括：
提供基体；
通过金属有机化合物化学气相沉积方法在所述基体上生长石墨烯层；
将能量密度贡献主体元素沉积在所述石墨烯层上，得到能量密度贡献主体元素层；
将保护层材料沉积在所述能量密度贡献主体元素层的表面，得到三维结构碳基储能薄膜。


3.根据权利要求2所述的三维结构碳基储能薄膜的制备方法，其特征在于，所述能量密度贡献主体元素的靶材包括：硫、锂、硅、锡、钛、钒、铝、金、银、铜、钼、钴中的至少一种；
或所述能量密度贡献主体元素的靶材包括：硫化合物、锂化合物、硅化合物、锡化合物、钛化合物、钒化合物、铝化合物、金化合物、银化合物、铜化合物、钼化合物、钴化合物中的至少一种。


4.根据权利要求2...

【专利技术属性】
技术研发人员：田冰冰，俞兆喆，李瑛，苏陈良，张文静，范滇元，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东;44