CN102386438A - 锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明有关于一种锂离子电池，包括：一正极；一负极；以及一锂离子电解质与该正极与该负极接触，其中，该负极具有一石墨烯多层结构，该石墨烯多层结构包括多个的二维片状石墨烯层与交错其间的多个金属镍层，且锂离子更充裕地嵌入及脱出所述石墨烯层的层与层间。

Description

锂离子电池
技术领域
本发明关于一种锂离子电池，尤指一种负极具有石墨烯多层结构的锂离子电池，以提升电池放电速度。
背景技术
近年来，随着如移动电话、笔记型计算机、摄录像机、电动车等产品的普及，具有充电功能的二次电池已广泛应用做为一种能量供应装置。目前市场上常见的二次电池主要可分为镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、及锂高分子电池。
其中，锂离子电池是从锂金属二次电池改良而来，其负极材料主要为碳。在充电过程中，锂离子为嵌入负极的层状结构中，而无锂金属的析出，故可大幅改善安全性的问题。此外，相较于其它二次电池，锂离子电池具有高能量密度、效率高、寿命长、工作电压较高、及放电特性稳定等优点，故已广泛应用于各种装置中。
一般而言，锂离子电池包含一正极、一负极、一隔离板、及一锂离子电解质，其中，正极材料多采用钴酸锂，而负极是以石墨粉材压制而成。此外，一般锂离子电池的电池原理如下式所示：
因此，当锂离子电池放电时，负极对内是为一阳极，正极则为阴极。
然而，对目前所使用的锂离子电池而言，由于负极所使用的石墨粉材的石墨结晶仅有数微米，故锂离子嵌入或脱出时必须不断绕道，以致扩散的速率极慢，并造成充电不足及放电不快的缺点。
由于目前的锂离子电池受限于锂离子进出层状电极的速度，以致于储存量及加速度都不能符合更大的要求。因此，目前亟需发展一种锂离子电池，其可改善锂离子进出层状电极的速度，以达到提升锂离子电池充放电效率的目的。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种锂离子电池，其负极具有一石墨烯多层结构，而达到提升锂离子充放电效率的目的。
为达成上述目的，本发明的锂离子电池，包括：一正极；一负极；以及一锂离子电解质，与该正极与该负极接触，其中，该负极具有一石墨烯多层结构，该石墨烯多层结构包括多个石墨烯层，且锂离子嵌入及脱出所述石墨烯层的层与层间。
相较于以往使用石墨粉材压制所形成的锂离子电池负极，本发明的锂离子电池负极因具有石墨烯多层结构，故锂离子可大量储存于石墨烯的层与层间。理论上，本发明的锂离子电池负极的锂储存量可达碳原子数的六分之一，即形成LiC6的介稳定化合物。此外，若石墨烯两面均储存锂，则可达到LiC3的浓度。再者，石墨烯多层结构结晶度较高，故锂离子进出时无须绕道，故可快速由负极扩散，而提升放电效率。
此外，本发明的锂离子电池可还包括一隔离膜，设于该正极与该负极之间。同时，锂离子电解质可为本技术领域常用的含锂离子的电解质，且亦可为一非水性电解质。
再者，于本发明的锂离子电池中，石墨烯多层结构可还包括多个镍层，且所述镍层与所述石墨烯层为交错叠置。
于本发明的锂离子电池中，石墨烯层的层与层间可还包括多个钠离子、多个钾离子、或多个钠离子及钾离子。较佳为，石墨烯层的层与层间包括多个钠原子。因金属离子较大，故通过将钠离子、及/或钾离子吸附于石墨烯层与层间，可增加石墨烯层与层间的间距，而提升锂离子的移动速率，并强化电池的容量及电压。
此外，于本发明的锂离子电池中，正极的材料及结构并无特殊限制，可为本技术领域常用的正极，如锂、钴、锰、铁或磷的氧化物。较佳为，正极可具有一多层结构，且锂离子嵌入及脱出正极的多层结构的层与层间。据此，本发明的锂离子电池的正极材料可为滑石、叶腊石、或黏土矿物等具有层状结构的氧化物。其中，黏土矿物可为蒙脱石(Montmorillonite)、高岭石(Kaolinite)、伊利石(Illite)、或膨润石(Smectite)等。于本发明的锂离子电池中，因正极亦采用具有层状结构的材料，亦可提升锂离子的移动速率，且达到储存锂离子的目的。
于本发明的锂离子电池中，负极厚度并无特殊限制，较佳是介于50μm至1000μm之间，且更佳是介于50μm至500μm之间。
除了上述锂离子电池外，本发明还利用石墨烯的多层结构，以用于储存原子或离子。因此，本发明的石墨烯多层结构的层与层间，除了可储存锂离子外，还可储存其它原子或离子，如钾、钠、氢等。于储存氢的情形下，是先形成石墨夹杂物(Graphite Intercalated Compound，GIC)，即石墨烯层间掺杂有锂、钠、钾等容易失去电子的金属离子(夹杂物)。由于这些金属离子会吸引氢分子，故可利用夹杂物毛细力(Capillary Force)把氢气吸入，且金属离子甚至可和氢气化合成氢化物(Metal hydride，如LiH)。若于石墨烯层的层与层间同时储存锂离子与氢，则可形成锂离子电池与氢气推进燃料电池的锂氢复合电池。当加热至约50℃，则可先释出氢气，而后才释出锂离子。
另一方面，除了上述锂氢复合电池，本发明还可利用石墨烯的多层结构以应用于氢气燃料电池。首先，是将石墨烯多层结构泡在温暖的浓酸中(如硫酸或王水)，这时酸气(如SO2)会撬开石墨而挤进其间隙，而形成石墨夹杂物。而后，把氢气加压注入石墨夹杂物后，氢分子会被酸气吸引(如SO2+H2)。此吸满氢气的石墨烯多层结构在受热时会分解出氢气，成为燃料电池的动力。
附图说明
图1A是本发明的具多层石墨烯层的石墨膜的示意图。
图1B是本发明的具多层镍层与石墨烯层交错叠置的石墨膜的示意图。
图2是本发明实施例5的锂离子电池的示意图。
图3是石墨烯层构造及锂离子存放于其间的示意图。
【主要元件符号说明】
101    石墨烯层        102    镍层
201    正极            202    负极
203    锂离子电解质    204    隔离膜
205    壳体            301    石墨烯层
302    锂离子
具体实施方式
以下是通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技艺的人士可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
实施例1-制作石墨烯层
本实施例的石墨烯层是以固态生长法制造，其大致制作方法如下所述。
首先，于一石英片上涂布形成一高纯度石墨粉层，并将此涂布有石墨粉层的石英片置于一管状锅炉中，此锅炉的真空度约10-5托耳。
而后，于1200℃温度下热处理该涂布有石墨粉层的石英片，使该石墨粉层形成石墨膜。待锅炉慢慢冷却后，可将披覆在石英片上的石墨膜从冷却的石英片上撕下，而得到本实施例的含有层叠的多数层石墨烯层。
经由上述工艺，本实施例所得的具石墨烯多层结构的石墨膜如图1A所示，其包括多个石墨烯层101。
实施例2-制作石墨烯层
本实施例的石墨烯层是以固态生长法制造，其大致制作方法如下所述。
首先，于一薄镍片上涂布高纯度石墨粉，并将此涂布有石墨粉的薄镍片置于一管状锅炉中，此锅炉的真空度约10-5托耳。在此，薄镍片做为一将石墨粉转化为石墨烯的催化剂。
而后，于1200℃温度下，石墨粉经镍片催化会重组成具近连续晶格的石墨烯层，而披覆在镍薄片的两侧，而于镍薄片两侧形成石墨膜。待锅炉慢慢冷却后，可将披覆在镍薄片两侧的石墨膜从冷却的镍薄片上撕下。但本实施例为石墨烯和镍层交叠，故不需要撕下石墨烯，亦可得到本实施例的具石墨烯多层结构的石墨膜。
经由上述工艺，本实施例所得的具石墨烯多层结构的石墨膜如图1B所示，其包括多个石墨烯层101(3μm)、及多个镍层102，其中镍层102与石墨烯层101为交错叠置。
实施例3-制作石墨烯层
本实施例的具石墨烯多层结构的石墨膜的制作方法与实施例2相同，除了形成石墨膜后，还进行移除镍层的工艺。
在此，将实施例2的具镍层与石墨烯层交错叠置的石墨膜丢到酸(如硫酸、硝酸、或盐酸)中浸泡，以把金属触媒溶掉。经清洗后，则得到本实施例的具石墨烯多层结构的石墨膜，其结构是与实施例1所制得的石墨膜结构相似，亦包括多个石墨烯层101，如图1A所示。
实施例4-制作掺杂钠或钾离子石墨烯层
本实施例的具石墨烯多层结构的石墨膜的制作方法是与实施例3相同，除了于移除镍层后，还进行掺杂钠离子的工艺。
在此，于惰性气体气氛下，将实施例3的具多层石墨烯层叠置的石墨膜与浸入含钠离子或钾离子的电解液反应，则钠离子或钾离子会被吸收至石墨烯层间，而撑开石墨烯层的层与层间之间隙。
因此，本实施例所得的具石墨烯多层结构的石墨膜，其石墨烯层的层与层间还插入有多个钠或钾离子，使得层间的距离加大，可提供锂离子更充裕的移动空间。
实施例5-锂离子电池
本实施例的锂离子电池可采用一般本技术领域已知的制作方法所制成，故除了负极制作方法外，其它制作流程不再赘述。
本实施例的锂离子电池是由实施例3所制成的具石墨烯多层结构的石墨膜所制成。在此，取实施例3的石墨膜，以放电线(Wire-EDM)的火花切割，将石墨膜切割以做为锂离子电池的负极。而本实施例采用滑石做为正极材料。
于所准备的正极与负极插置一隔离膜，而后将锂离子电解质注入于正极与负极间，则可形成一锂离子电池。
在此，本实施例所制得的锂离子电池如图2所示，其包括：一正极201；一负极202；以及一锂离子电解质203，是与正极201与负极202接触。其中，负极202具有一石墨烯多层结构，该石墨烯多层结构包括多个石墨烯层，且锂离子嵌入及脱出石墨烯层的层与层间。
此外，本实施例的锂离子电池还包括一隔离膜204，设于正极201与负极202之间。
为更佳清楚了解本实施例的锂离子电池负极储存锂的情形，图3为石墨烯层构造及锂离子存放于其间的示意图。如图3所示，锂离子302存放于石墨烯层301的层与层间。理论上，锂储存量可达碳原子数的六分之一，而形成LiC6的介稳定化合物。
实施例6-锂离子电池
本实施例的锂离子电池的结构与制作方法与实施例5相同，除了采用实施例4所制成的掺杂有钠离子的具石墨烯多层结构的石墨膜做为负极材料。
上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以申请专利范围所述为准，而非仅限于上述实施例。

Claims (10)

1.一种锂离子电池，其特征在于，包括：
一正极；
一负极；以及
一锂离子电解质与该正极与该负极接触；
其中，该负极具有一石墨烯多层结构，该石墨烯多层结构包括多个石墨烯层，且锂离子嵌入及脱出所述石墨烯层的层与层间。
2.如权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，还包括一隔离膜，设于该正极与该负极之间。
3.如权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，该石墨烯多层结构还包括多个镍层，且所述镍层与所述石墨烯层交错叠置。
4.如权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述石墨烯层的层与层间还包括多个钠离子、多个钾离子、或多个钠原子及钾原子。
5.如权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述石墨烯层的层与层间还包括多个钠离子。
6.如权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，该正极具有一多层结构，且锂离子嵌入及脱出该正极的多层结构的层与层间。
7.如权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，该正极的材料为滑石、叶腊石、或黏土矿物。
8.如权利要求7所述的锂离子电池，其特征在于，黏土矿物为蒙脱石、高岭石、伊利石、或膨润石。
9.如权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，该负极的厚度介于50μm至1000μm之间。
10.如权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，该负极的厚度介于50μm至500μm之间。
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