单层和多层石墨烯及其制造方法、具有单层和多层石墨烯的物体或电器设备技术

本发明专利技术的一个方式的目的之一是在具有凹凸的物体上以实际上均匀的厚度形成石墨烯。在将物体浸渍在氧化石墨烯溶液中之后，从溶液中取出该物体且对其进行干燥，或者浸渍物体和电极且将所述物体用作阳极并对所述物体与所述电极之间施加电压。因为氧化石墨烯带负电，所以以实际上均匀的厚度被吸引且附着到物体的表面。然后，通过在真空或还原气氛中对物体进行加热，使氧化石墨烯还原而得到石墨烯。通过上述步骤，即使在具有凹凸的物体的表面也可以形成具有实际上均匀的厚度的石墨烯。例如，也可以在晶须状的硅表面形成石墨烯的层，将其用作锂离子二次电池等蓄电装置。

【技术实现步骤摘要】
单层和多层石墨烯及其制造方法、具有单层和多层石墨烯的物体或电器设备
本专利技术涉及一种具有sp2键的作为一原子层的碳分子薄片的单层石墨烯或层叠2层至100层，优选层叠2层至50层，更优选层叠2层至20层的单层石墨烯的多层石墨烯和其制造方法以及具有单层和多层石墨烯的电器设备(蓄电装置)。另外，在本说明书中，将单层石墨烯和多层石墨烯总称为石墨烯(或石墨烯的层)。此外，将指定层数量的石墨烯称为“某某层的石墨烯”。另外，石墨烯也是将多并苯(参照专利文献5)以二维方式进一步扩展的物质。
技术介绍
石墨烯具有优良的电特性诸如高导电率或高迁移率，且具有诸如柔性或高机械强度的优越的物理特性，由此正在尝试将其应用于多种产品(参照专利文献1至专利文献3)。[专利文献1]美国专利申请公开第2011/0070146号说明书[专利文献2]美国专利申请公开第2009/0110627号说明书[专利文献3]美国专利申请公开第2007/0131915号说明书[专利文献4]美国专利申请公开第2010/0081057号说明书[专利文献5]美国专利第4,628,015号说明书石墨烯的制造方法大致分为气相生长(CVD)法和涂敷法。CVD法是如下方法：例如，如专利文献1或专利文献2所记载那样，通过加热用作催化剂的金属且引入碳化氢气体，使石墨烯生长在催化剂上。另外，涂敷法是如下方法：如专利文献3所记载那样，通过将对石墨进行氧化而得到的氧化石墨烯分散在溶液中且涂敷该溶液来形成氧化石墨烯膜，并且，对其进行还原而得到石墨烯。
技术实现思路
通过利用上述方法中的任何一种可以在平坦的表面得到石墨烯。但是，难以在复杂的曲面或具有凹凸的物体上形成石墨烯。本专利技术的目的之一是提供一种形成在这种复杂的曲面或具有凹凸的物体上的石墨烯。另外，本专利技术的目的之一是提供一种在这种复杂的曲面或具有凹凸的物体上形成石墨烯的方法。此外，本专利技术的目的之一是提供一种具有形成在复杂的曲面或具有凹凸的物体上的石墨烯的设备。另外，本专利技术的目的之一是提供一种在具有凹凸的物体上具有石墨烯的层的电器设备，尤其提供一种电容高且由充放电导致的劣化小的阴极材料或蓄电装置。此外，本专利技术的目的之一是提供一种适合于高速充电或大功率的提取的阴极材料或蓄电装置。本专利技术的一个方式至少解决上述课题中的一个。本专利技术的一个方式是一种石墨烯的层的形成方法，包括如下步骤：将其表面具有凹凸的物体浸渍在分散有氧化石墨烯的溶液中的工序；从溶液中取出物体的工序；对物体表面进行干燥而将氧化石墨烯的层形成在该物体的表面的工序；以及通过在之后进行热处理而对氧化石墨烯进行还原，将石墨烯的层形成在物体的表面的工序。另外，本专利技术的一个方式是一种石墨烯的层的形成方法，包括如下步骤：将其表面具有凹凸的具有导电性的物体浸渍在分散有氧化石墨烯的溶液中，将物体用作阳极，通过电泳法将氧化石墨烯的层形成在物体表面的工序；以及通过在之后进行热处理而对氧化石墨烯进行还原，而将石墨烯的层形成在物体的表面的工序。因为氧化石墨烯带负电，所以当将形成石墨烯的物体用作阳极时，溶液中的氧化石墨烯移动到物体表面而可以形成氧化石墨烯的层。通过在真空或还原气氛中等适当的气氛下对氧化石墨烯进行加热，可以对氧化石墨烯进行还原而将石墨烯的层形成在物体表面。另外，石墨烯不需要是纯净的碳，可以根据用途决定其纯度。例如，优选将碳和氢以外的元素的浓度设定为15原子％以下。或者，也可以将碳以外的元素的浓度设定为30原子％以下。另外，也可以将所使用的氧化石墨烯的一边的长度设定为100μm以下，优选设定为10μm以下。在上述中，也可以在石墨烯的层上还形成氧化石墨烯的层，通过对其进行还原而形成石墨烯的层。另外，本专利技术的一个方式是一种在其表面具有石墨烯的层的具有凹凸的物体。在此，物体表面(物体与石墨烯的层接触的面)也可以呈现导电性。此外，本专利技术的一个方式是一种其表面被石墨烯的层覆盖的晶须状的物体。另外，本专利技术的一个方式是一种包括被石墨烯的层覆盖的具有凹凸的物体的电器设备。此外，本专利技术的一个方式是一种蓄电装置，其中作为阴极使用具有被石墨烯的层覆盖的晶须的负极集电体，并且所述石墨烯的层至少具有一个空孔。再者，在上述中，也可以在石墨烯的层上形成有与石墨烯的层不同的材料的层的单层或多个层。另外，也可以在与石墨烯的层不同的材料的层上形成石墨烯的层。此时，与石墨烯的层不同的材料的层优选具有减小应力的作用以防止石墨烯的层的剥离。在本专利技术的一个方式中，即使在具有凹凸的物体上也可以以实际上均匀的厚度形成石墨烯。这是因为：尤其是，在通过电泳将氧化石墨烯的层形成在物体表面时，由于氧化石墨烯的导电率充分低，因此氧化石墨烯很少层叠在已经被氧化石墨烯的层覆盖的部分，而优先地层叠在没有被氧化石墨烯的层覆盖的部分。由于氧化石墨烯以上述方式层叠，因此形成在物体的表面的氧化石墨烯的厚度成为实际上均匀的厚度。另外，在氧化石墨烯中，某个尺寸的石墨烯薄片的端部的一部分用羧基(-COOH)终结，由此在水等溶剂中氢离子从羧基脱离，氧化石墨烯本身带负电。因此，氧化石墨烯被吸引并附着到阳极。另外，即使其表面被实际上均匀的厚度的石墨烯的层覆盖的物体由于某个因素而膨胀，因为石墨烯具有充分的柔性，所以可以防止物体破碎。本专利技术的一个方式可以应用于各种各样的电器设备。例如，也可以将其用作锂离子二次电池用阴极材料。此时，石墨烯的层不但用来保护表面，而且有时用作活性物质。作为锂离子二次电池用阴极材料，广泛地使用石墨类阴极材料。但是，作为石墨类阴极材料的每单位质量的理论放电容量，因为是假定6个碳原子与1个锂原子键合，而只为372mAh/g。另一方面，已有将石墨烯用于阴极材料的提案(参照专利文献4)。石墨烯是将多并苯(参照专利文献5)以二维方式进一步扩展的物质。在多并苯中2个碳原子与1个锂原子键合，由此可以获得高的放电容量，即石墨的放电容量的三倍。与此同样，石墨烯也可以以高密度保持锂，而可以获得高放电容量。另外，通过利用上述方法，例如，可以在晶须状的负极集电体或负极活性物质上形成石墨烯的层。其结果，阴极的表面被积极大地扩大。此时，可以形成1层至50层，优选为1层至20层的石墨烯。因为在该石墨烯中适当地存在有空孔或空隙，所以锂离子可以出入。另外，可以在该石墨烯中蓄积锂离子。就是说，可以将其用作阴极材料。再者，因为在该石墨烯的层中，石墨烯之间的间隔宽于石墨中的石墨烯之间的间隔，所以可以以更高的密度蓄积锂离子。另外，即使在锂离子插入在石墨烯之间的状态下体积的增加也是有限的，所以不容易发生由重复充放电导致的活性物质的粉末化。从而，该石墨烯的层成为能够承受重复充放电的阴极材料。另外，从使锂离子急速出入的观点来看，大的表面积是优选的，可以实现急速充电或大功率的提取。注意，上述效果只能在结晶性低的石墨烯的层中得到。例如，在如专利文献2及专利文献3所记载那样的通过CVD法制造的结晶性高的石墨烯膜中，因为空孔少且石墨烯之间的距离也窄，而不能得到理想的效果。另外，根据本专利技术者的观察的结果可知：例如，65层及108层的石墨烯容易从作为基体的晶须剥离，108层的石墨烯的剥离的程度大于65层的石墨烯的剥离的程度。另一方面，在17层及43层的石墨烯中，观察不到剥离。就是说，101层以上的石墨本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种物体，包括：凹凸的表面；以及该凹凸的表面的一个或多个石墨烯的层。

【技术特征摘要】
2011.06.03 JP 2011-124952;2011.06.03 JP 2011-12501.一种用作蓄电装置的电极的物体，包括：多个晶须；以及至少部分覆盖所述多个晶须的一个或多个石墨烯的层，其中所述一个或多个石墨烯的层具有由所述多个晶须造成的凹凸的表面。2.根据权利要求1所述的用作蓄电装置的电极的物体，其中包含在所述一个或多个石墨烯的层中的碳和氢以外的元素的浓度为15原子%以下。3.一种根据权利要求1所述的用作蓄电装置的电极的物体，其中所述一个石墨烯的层或所述多个石墨烯的层的每一层包括至少一个空孔。4.根据权利要求1所述的用作蓄电装置的电极的物体，还包括包含与石墨烯不同的材料的层，该层设置在所述一个或多个石墨烯的层上。5.根据权利要求1所述的用作蓄电装置的电极的物体，其中所述一个或多个石墨烯的层的个数为100以下。6.根据权利要求1所述的用作蓄电装置的电极的物体，其中所述一个或多个石墨烯的层的个数为50以下。7.根据权利要求1所述的用作蓄电装置的电极的物体，其中所述多个晶须的每一个包含硅。8.根据权利要求1所述的用作蓄电装置的电极的物体，其中包含在所述一个或多个石墨烯的层中的氧的浓度为5原子%以上且15原子%以下。9.根据权利要求1所述的用作蓄电装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：小国哲平，长多刚，竹內敏彦，野元邦治，
申请(专利权)人：株式会社半导体能源研究所，
类型：发明
国别省市：