一种具有细胞结构的石墨烯电极生产方法技术

一种具有细胞结构的石墨烯电极生产方法，是采用等离子烧结技术解决了石墨烯片之间的难融合问题，采用纳米金属颗粒在等离子气氛下对石墨烯进行切割和隧穿，在石墨烯表面开孔，让带有微孔的石墨烯包覆在电极材料颗粒的外面，中间由金属纳米粒子隔开，电解液充满石墨烯和电极颗粒之间的空隙，石墨烯相当于细胞壁，电解液相当于细胞质，石墨烯上的微孔实现载流子的快速移动、运输、扩散。扩散。扩散。

【技术实现步骤摘要】
一种具有细胞结构的石墨烯电极生产方法


[0001]本专利技术涉及电力、电子领域，是一种采用等离子烧结法制造三维多孔径石墨烯电极的方法。

技术介绍

[0002]石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。石墨烯最重要的性质之一就是它独特的载流子特性和无质量的狄拉克费米子属性。石墨烯的价带和导带部分相重叠于费米能级处,是能隙为零的二维半导体,载流子可不通过散射在亚微米距离内运动,为目前发现的电阻率最小的材料。石墨烯在室温下的载流子迁移率约为15000cm2/（V
‑
s），这一数值超过了硅材料的10倍，在某些特定条件下如低温下，石墨烯的载流子迁移率甚至可高达250000cm2/（V
‑
s）。石墨烯的电阻率极低，是银的万分之一，这也导致其中电子的运动速度达到了光速的1/300，这远远超过了电子在一般导体中的运动速度。它还是目前自然界最薄、强度最高的材料、电流密度是铜的100万倍，导热率是铜的10倍。另外，石墨烯具有极强的稳定性、抗氧化性，在电极长期工作中不被氧化，保持电极长期稳定工作，没有氧化和衰减。
[0003]锂离子电池是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。锂离子电池的充放电过程，伴随着三种运动方式，第一种是从负极到正极间的扩散移动，这种运动是电场下离子在电解液中的布朗运动，其单次运动距离对应着离子的单次自由程，如果材料的空隙小于单次自由程，那么离子将出现困难。第二种为锂离子在电极材料空隙间的移动，这种运动主要靠离子浓度进行扩散，会伴随着较大的阻力和发热，就是通常电池的内阻，如果电极材料颗粒间的空隙较小，将导致锂离子无法扩散，影响电池的充放电性能。第三种为锂离子电极材料晶格上的嵌入和脱嵌过程，这种运动是靠原子间的作用力，吸附，然后通过化学健来重构晶格完成的。理论上，孔隙越大锂离子运动的阻力越小，但是过大的孔径也会导致电池能量密度降低，充放电电流减少，功率密度降低。要获得最优的性能，就需要控制三种运动方式需要的孔径的大小和网状结构，容纳的锂离子尽可能多，同时又传输的尽可能快，阻力尽可能的小。
[0004]石墨烯具有优异的电学、力学和热学性能，正在逐步应用到二次电池然中。现有的技术基本上采用了以下三种手段来提升电池的性能：1、在电极颗粒材料表面包覆石墨烯，增加导电性。2、在电极骨架材料表面沉积石墨烯薄膜，增加导电性并保护集流体。3、在材料中添加一定量的石墨烯，增加导电性。但是，由于离子和电子都无法通过单层石墨烯，且单层石墨烯具有很大的纵横比，严密的包覆石墨烯层反而会严重限制了离子的快速扩散，降低充放电性能；由于石墨烯具有很高的强度，很难在石墨烯上开凿纳米微孔。另外，由于石
墨烯的熔点很高，石墨烯片之间只能是点接触，而非融合，这导致接触电阻比较大。由于单层石墨烯极薄，100万层石墨烯的厚度只有0.35毫米，在现有的技术很难把二维的石墨烯薄层制作出三维的组件，这也限制了石墨烯的更广泛应用。虽然现在国内外有些科研机构采用模板法可以制作出三维石墨烯网络，但是无法实现把电极材料包裹在三维石墨烯网络内部，并不能真正的应用在电池中。
[0005]放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering，简称SPS）是制备功能材料的一种全新技术，它具有升温速度快、烧结时间短、组织结构可控、节能环保等鲜明特点，可用来制备金属材料、陶瓷材料、复合材料，也可用来制备纳米块体材料、非晶块体材料、梯度材料等。SPS烧结过程可以看作是颗粒放电、导电加热和加压综合作用的结果。除加热和加压这两个促进烧结的因素外，在SPS技术中，颗粒间的有效放电可产生局部高温，可以使表面局部熔化、表面物质剥落；高温等离子的溅射和放电冲击清除了粉末颗粒表面杂质（如去处表面氧化物等）和吸附的气体。

技术实现思路

[0006]针对以上技术难题，本专利技术构建了一种高效的立体石墨烯网络结构，适用于电池、电容的电极。
[0007]本专利技术的是通过以下技术方案实现的：一种具有细胞结构的石墨烯电极生产方法，其原理在于，采用等离子烧结技术解决了石墨烯片之间的难融合问题，采用纳米金属颗粒在等离子气氛下对石墨烯进行切割和隧穿，在石墨烯表面开孔，让带有微孔的石墨烯包覆在电极材料颗粒的外面，中间由金属纳米粒子隔开，电解液充满石墨烯和电极颗粒之间的空隙，石墨烯相当于细胞壁，电解液相当于细胞质，石墨烯上的微孔实现载流子的快速移动、运输、扩散。
[0008]一种具有细胞结构的石墨烯电极生产方法，其特征在于，以石墨烯层、纳米金属颗粒为骨架，把沾有纳米金属颗粒的电极材料晶粒包络在石墨烯层里面，并采用等离子烧结融合技术，让石墨烯层、纳米金属颗粒、电极材料晶粒融合在一起，具有纳米微孔的石墨烯层与包络在其中的电极材料晶粒之间，被纳米金属颗粒隔开一定距离，为离子的快速流动、扩散、镶嵌运动提供三维贯通的立体通道。
[0009]根据上述专利技术的原理，其生产方法和流程如下：在正极配料材料中均匀加入表面具有纳米孔的石墨烯薄片、纳米金属颗粒，然后按照制浆、涂布、碾压、干燥、等离子烧结、切片的工艺进行生产，在等离子烧结环节，让金属颗粒融化、把正极材料中石墨烯薄片相互接触处融合在一起，让正极材料颗粒包络在由石墨烯、金属颗粒构成的高导电性的立体网络中，并且正极材料颗粒与石墨烯片层间仍然存在纳米金属离子的距离，可以让载流子实现快速扩散。
[0010]做为优选，上述工艺流程中加入到电极材料中的石墨烯片含量为0.1%
‑
5%wt之间，石墨烯薄片层数不超过10层，长度为电极材料晶粒直径的1
‑
10倍。
[0011]做为优选，上述工艺流程中使用的石墨烯薄片的纳米微孔由重离子或等离子方法预先开孔，纳米微孔的孔径大于锂离子在电解液中运动的平均自由程（约10纳米），且小于电极材料晶粒平均直径的1/10。
[0012]做为优选，上述工艺流程中加入到电极材料中的纳米金属颗粒含量为0.1%
‑
10%wt
之间，纳米金属颗粒直径在1
‑
100纳米之间，并且要求大小均匀一致。
[0013]做为优选，上述工艺流程中加入到正极材料中的纳米金属颗粒为铝纳米颗粒，添加量为1%
‑
2%之间，等离子烧结最高温度控制在180
‑
670度之间，最高温度烧结时间控制在10分钟
‑
10秒钟之间。
[0014]做为次选，上述工艺流程中在涂布工艺中采用的集流体为1
‑
10微米厚度的碳纤维网布或金属丝网。
[0015]做为次选，上述工艺流程中如果没有等离子烧结设备，也可以在580本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有细胞结构的石墨烯电极生产方法，其原理在于，采用等离子烧结技术解决 了石墨烯片之间的难融合问题，采用纳米金属颗粒在等离子气氛下对石墨烯进行切割和隧 穿，在石墨烯表面开孔，让带有微孔的石墨烯包覆在电极材料颗粒的外面，中间由金属纳米 粒子隔开，电解液充满石墨烯和电极颗粒之间的空隙，石墨烯相当于细胞壁，电解液相当于 细胞质，石墨烯上的微孔实现载流子的快速移动、运输、扩散。2. 根据权利要求1所述，一种具有细胞结构的石墨烯电极生产方法，其特征在于，以石 墨烯层、纳米金属颗粒为骨架，把沾有纳米金属颗粒的电极材料晶粒包络在石墨烯层里面， 并采用等离子烧结融合技术，让石墨烯层、纳米金属颗粒、电极材料晶粒融合在一起，具有 纳米微孔的石墨烯层与包络在其中的电极材料晶粒之间，被纳米金属颗粒隔开一定距离， 为离子的快速流动、扩散、镶嵌运动提供三维贯通的立体通道。3. 根据权利要求2所述，一种具有细胞结构的石墨烯电极，其生产方法和流程如下：在 正极配料材料中均匀加入表面具有纳米孔的石墨烯薄片、纳米金属颗粒，然后按照制浆、涂 布、碾压、干燥、等离子烧结、切片的工艺进行生产，在等离子烧结环节，让金属颗粒融化、把 正极材料中石墨烯薄片相互接触处融合在一起，让正极材料颗粒包络在由石墨烯、金属颗 粒构成的高导电性的立体网络中，并且正极材料颗粒与石墨烯片层间仍然存在纳米金属离 子的距离，可以让载流子实现快速扩散。4. 根据权利要求2所述，一种具有细胞结构的石墨烯电极做为优选，上述工艺流程中加 入到电极材料中的石墨烯片含量为0 .1%
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【专利技术属性】
技术研发人员：孙备宽，
申请(专利权)人：银河之星成都新能源有限公司，
类型：发明
国别省市：