CN103950239A - 化学电源用多功能复合膜 - Google Patents
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Abstract
化学电源用多功能复合膜，涉及化学电源领域，由相互附着的石墨烯导电层和隔膜层构成或者由依次附着的石墨烯导电层、隔膜层和石墨烯导电层构成；石墨烯导电层的厚度为0.3nm～10mm，孔径为0～1mm，孔隙率为0～80%；隔膜层的厚度为0.3nm～10cm，孔径为0～100μm，孔隙率为0～80%。该复合膜可以用于化学电源，作集流体，或隔膜，或者同时用作集流体和隔膜。具有集流体和隔膜的多种功能，提高石墨烯作为集流体的涂布加工性能，减少集流体在电池中的占重比及占体积比，提高集流体电导率，减小电池内阻，从而提高电源的能量密度。同时提高隔膜的机械强度和热稳定性，从而提高电源的安全性能。该复合膜在动力电源和大型能量存储电源中显示了极大的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及化学电源领域，具体是涉及一种化学电源用多功能复合膜。
背景技术
在传统化石能源逐渐枯竭的今天，锂离子电池，超级电容器，液流电池以及类似工作原理的化学电源越来越受到重视，已经在便携式电子产品和通讯工具中广泛应用，并逐步用于电动汽车的动力电源和大型能量存储。纵观电池各个组成部分近年来的发展来说，正极，负极以及电解液方面受到的关注远远的多于隔膜层和集流体材料等部分，这导致隔膜和集流体在多年来没有太多的改变。而作为动力能源，对电池的安全性能及能量密度要求大大提高。作为大型能量存储，也对电池的安全性，稳定性提出了很高的要求。以现阶段的锂离子电池为例，传统的聚烯烃隔膜用于动力电池时在绝缘性、机械强度、耐热性等方面存在缺陷，为安全性能留下隐患。此外，现有锂离子电池所用集流体为铝箔和铜箔，以1865140的方形电池为例，集流体在整个电池中的占重比达20％，占涂布极片的体积比也达到10％，同时集流体上的氧化物钝化层也增加了电池的内阻。以上都制约了锂离子电池在动力能源和大型能量存储方面的发展。
近年来，石墨烯材料因为其独特的结构和优异的性能受到了广泛的关注。石墨烯材料具有二维的超薄结构，极高的电导率和热导率，良好的亲油性，极好的化学稳定性和热学稳定性，超强的力学性能(Science2004，306，666-669)。这些都显示出了石墨烯材料在储能领域的巨大应用潜力。同时，对石墨烯进行处理也可以增加其传输锂离子的能力(Nanoscale2013，5，8647-8655)，甚至能让石墨烯对离子有选择透过性，这更显示了石墨烯在液流电池中的巨大应用潜力(Science2014，343，752-754)。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种化学电源用多功能复合膜以及其应用。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种化学电源用多功能复合膜，由相互附着的石墨烯导电层和隔膜层构成；所述石墨烯导电层的厚度为0.3nm～10mm，孔径为0～1mm，孔隙率为0～80％；所述隔膜层的厚度为0.3nm～10cm，孔径为0～100μm，孔隙率为0～80％。
优选的，所述石墨烯导电层由单层石墨烯、单层还原氧化石墨烯、石墨烯纸、还原氧化石墨烯纸、单层多孔石墨烯、单层多孔还原氧化石墨烯、多孔石墨烯纸、多孔还原氧化石墨烯纸中的一种构成；或者，所述石墨烯导电层由石墨烯或者还原氧化石墨烯所构成的膜、骨架、凝胶中的一种构成；
所述隔膜层由聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、无机陶瓷膜、纸隔膜、无纺布隔膜、生物膜、陶瓷管、固态电解质、全氟磺酸树脂、石棉膜、碳化硅膜、铝酸锂膜、陶瓷管、Nafion膜中的一种构成；或者，所述隔膜层由聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、无机陶瓷膜、纸隔膜、无纺布隔膜、生物膜、陶瓷管、固态电解质、全氟磺酸树脂、石棉膜、碳化硅膜、铝酸锂膜、陶瓷管、Nafion膜中的一种膜的改性材料膜构成。
作为化学电源用多功能复合膜的另一种替代方案，由依次附着的第一石墨烯导电层、隔膜层和第二石墨烯导电层构成；所述第一石墨烯导电层的厚度为0.3nm～10mm，孔径为0～1mm，孔隙率为0～80％；所述隔膜层的厚度为0.3nm～10cm，孔径为0～100μm，孔隙率为0～80％；所述第二石墨烯导电层的厚度为0.3nm～10mm，孔径为0～1mm，孔隙率为0～80％。
优选的，所述第一石墨烯导电层由单层石墨烯、单层还原氧化石墨烯、石墨烯纸、还原氧化石墨烯纸、单层多孔石墨烯、单层多孔还原氧化石墨烯、多孔石墨烯纸、多孔还原氧化石墨烯纸中的一种构成；或者，所述第一石墨烯导电层由石墨烯或者还原氧化石墨烯所构成的膜、骨架、凝胶中的一种构成；
所述隔膜层由聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、无机陶瓷膜、纸隔膜、无纺布隔膜、生物膜、陶瓷管、固态电解质、全氟磺酸树脂、石棉膜、碳化硅膜、铝酸锂膜、陶瓷管、Nafion膜中的一种构成；或者，所述隔膜层由聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、无机陶瓷膜、纸隔膜、无纺布隔膜、生物膜、陶瓷管、固态电解质、全氟磺酸树脂、石棉膜、碳化硅膜、铝酸锂膜、陶瓷管、Nafion膜中的一种膜的改性材料膜构成。
所述第二石墨烯导电层由单层石墨烯、单层还原氧化石墨烯、石墨烯纸、还原氧化石墨烯纸、单层多孔石墨烯、单层多孔还原氧化石墨烯、多孔石墨烯纸、多孔还原氧化石墨烯纸中的一种构成；或者，所述第二石墨烯导电层由石墨烯或者还原氧化石墨烯所构成的膜、骨架、凝胶中的一种构成；
上述化学电源用多功能复合膜的应用，可以用作化学电源的正极集流体或负极集流体，也可以用作化学电源的隔膜，还可以用作化学电源的集流体和隔膜，所述石墨烯导电层作为化学电源的集流体，所述隔膜层作为化学电源的隔膜。
进一步的，所述化学电源为锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池、钠硫电池、超级电容器、燃料电池或液流电池。
本发明的化学电源多功能复合膜，其有益效果表现在：
结合当前动力电源和大型能量存储设备的发展要求，针对化学电源的关键组成部件，选择石墨烯层和隔膜层组成多层结构的复合膜，使其具有集流体和隔膜的多种功能，提高石墨烯作为集流体的涂布加工性能，减少集流体在电池中的占重比及占体积比，提高集流体电导率，减小电池内阻，从而提高电源的能量密度。同时提高隔膜的机械强度和热稳定性，从而提高电源的安全性能。该复合膜在动力电源和大型能量存储电源中显示了极大的应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的复合膜的剖面结构示意图。
图2为本发明实施例4制备的复合膜的剖面结构示意图。
图3为本发明实施例6制备的复合膜的剖面结构示意图。
具体实施方式
为进一步描述本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但并不因此将本发明限制在的实施例范围之内。
实施例1
单层多孔石墨烯层和聚乙烯层组成的双层复合膜，单层多孔石墨烯层的厚度为0.34nm，孔径为5nm，孔隙率为60％。聚乙烯层的厚度为20μm，孔径为25μm，孔隙率为40％。该复合膜用于锂离子电池起隔膜作用。
图1为实施例1制备的复合膜的剖面结构示意图，图中的双层复合膜包括聚乙烯隔膜层1和单层多孔石墨烯层2。
实施例2
单层多孔石墨烯层和聚乙烯层组成的双层复合膜，单层多孔石墨烯层的厚度为0.34nm，孔径为5nm，孔隙率为60％。聚乙烯层的厚度为20μm，孔径为25μm，孔隙率为60％。该复合膜用于锂离子电池，多孔石墨烯层起集流体作用，正极浆料涂布于复合膜多孔石墨烯层一侧，同时复合膜起隔膜作用。
实施例3
单层多孔石墨烯层和聚乙烯层组成的双层复合膜，单层多孔石墨烯层的厚度为0.34nm，孔径为5nm，孔隙率为20％。聚乙烯层的厚度为20μm，孔径为25μm，孔隙率为60％。该复合膜用于锂离子电池，多孔石墨烯层起集流体作用，负极浆料涂布于复合膜多孔石墨烯层一侧，同时复合膜起隔膜作用。
实施例4
单层多孔石墨烯层，聚乙烯隔膜，单层多孔石墨烯层组成的三层复合膜，单层多孔石墨烯层的厚度为0.34nm，孔径为5nm，孔隙率为20％。聚乙烯层的厚度为20μm，孔径为25μm，孔隙率为60％。该复合膜用于锂离子电池，多孔石墨烯层起集流体作用，正负极浆料分别涂布于复合膜的两侧，同时复合膜起隔膜作用。
图2为实施例4制备的复合膜的剖面结构示意图，图中的三层复合膜包括聚乙烯隔膜层1和单层多孔石墨烯层2。
实施例5
单层多孔石墨烯层，聚乙烯隔膜，单层多孔石墨烯层组成的三层复合膜，单层多孔石墨烯层的厚度为0.34nm，孔径为5nm，孔隙率为20％。聚乙烯层的厚度为20μm，孔径为25μm，孔隙率为60％。该复合膜用于锂离子电池，复合膜起隔膜作用。
实施例6
单层多孔石墨烯层，聚乙烯隔膜，单层多孔石墨烯层组成的三层复合膜，一侧单层多孔石墨烯层的厚度为0.34nm，孔径为5nm，孔隙率为20％。另一侧单层多孔石墨烯层的厚度为0.34nm，孔径为10nm，孔隙率为25％。聚乙烯层的厚度为20μm，孔径为25μm，孔隙率为60％。该复合膜用于锂离子电池，多孔石墨烯层起集流体作用，正极浆料涂布于20％孔隙率的多孔石墨烯层，同时复合膜起隔膜作用。
图3为实施例6制备的复合膜的剖面结构示意图，图中的三层复合膜包括聚乙烯隔膜层1、20％孔隙率的单层多孔石墨烯层2和25％孔隙率的单层多孔石墨烯层3。
实施例7
单层多孔石墨烯层，聚乙烯隔膜，单层多孔石墨烯层组成的三层复合膜，一侧单层多孔石墨烯层的厚度为0.34nm，孔径为5nm，孔隙率为20％。另一侧单层多孔石墨烯层的厚度为0.34，孔径为10nm，孔隙率为25％。聚乙烯层的厚度为20μm，孔径为25μm，孔隙率为60％。该复合膜用于锂离子电池，多孔石墨烯层起集流体作用，正极浆料涂布于20％孔隙率的多孔石墨烯层，负极浆料涂布于25％孔隙率的多孔石墨烯层，同时复合膜起隔膜作用。
实施例8
石墨烯层和全氟磺酸树脂组成的三层复合膜，两侧的石墨烯层的厚度为0.34nm，无孔隙。中间的全氟磺酸树脂，厚度为100μm，无孔隙。该复合膜用于燃料电池，复合膜起隔膜作用和集流体作用。
实施例9
多孔石墨烯纸和纤维素膜组成的双层复合膜，多孔石墨烯纸厚度为100nm，孔径为50nm，孔隙率为60％。纤维素膜厚度为30μm，孔径为20μm，孔隙率为30％。该复合膜用于超级电容器，复合膜起隔膜作用。
实施例10
单层多孔石墨烯层和氧化铝陶瓷层组成的双层复合膜，石墨烯层的厚度为0.34nm，孔径为2nm，孔隙率为30％。氧化铝陶瓷层厚度为20μm，无孔隙。该复合膜用于钠硫电池，复合膜起隔膜作用和集流体作用。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种化学电源用多功能复合膜，其特征在于：由相互附着的石墨烯导电层和隔膜层构成；所述石墨烯导电层的厚度为0.3nm～10mm，孔径为0～1mm，孔隙率为0～80％；所述隔膜层的厚度为0.3nm～10cm，孔径为0～100μm，孔隙率为0～80％。
2.根据权利要求1所述的化学电源用多功能复合膜，其特征在于：
所述石墨烯导电层由单层石墨烯、单层还原氧化石墨烯、石墨烯纸、还原氧化石墨烯纸、单层多孔石墨烯、单层多孔还原氧化石墨烯、多孔石墨烯纸、多孔还原氧化石墨烯纸中的一种构成；或者，所述石墨烯导电层由石墨烯或者还原氧化石墨烯所构成的膜、骨架、凝胶中的一种构成；
所述隔膜层由聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、无机陶瓷膜、纸隔膜、无纺布隔膜、生物膜、陶瓷管、固态电解质、全氟磺酸树脂、石棉膜、碳化硅膜、铝酸锂膜、陶瓷管、Nafion膜中的一种构成；或者，所述隔膜层由聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、无机陶瓷膜、纸隔膜、无纺布隔膜、生物膜、陶瓷管、固态电解质、全氟磺酸树脂、石棉膜、碳化硅膜、铝酸锂膜、陶瓷管、Nafion膜中的一种膜的改性材料膜构成。
3.一种化学电源用多功能复合膜，其特征在于：由依次附着的第一石墨烯导电层、隔膜层和第二石墨烯导电层构成；所述第一石墨烯导电层的厚度为0.3nm～10mm，孔径为0～1mm，孔隙率为0～80％；所述隔膜层的厚度为0.3nm～10cm，孔径为0～100μm，孔隙率为0～80％；所述第二石墨烯导电层的厚度为0.3nm～10mm，孔径为0～1mm，孔隙率为0～80％。
4.根据权利要求3所述的化学电源用多功能复合膜，其特征在于：
所述第一石墨烯导电层由单层石墨烯、单层还原氧化石墨烯、石墨烯纸、还原氧化石墨烯纸、单层多孔石墨烯、单层多孔还原氧化石墨烯、多孔石墨烯 纸、多孔还原氧化石墨烯纸中的一种构成；或者，所述第一石墨烯导电层由石墨烯或者还原氧化石墨烯所构成的膜、骨架、凝胶中的一种构成；
所述隔膜层由聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、无机陶瓷膜、纸隔膜、无纺布隔膜、生物膜、陶瓷管、固态电解质、全氟磺酸树脂、石棉膜、碳化硅膜、铝酸锂膜、陶瓷管、Nafion膜中的一种构成；或者，所述隔膜层由聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、无机陶瓷膜、纸隔膜、无纺布隔膜、生物膜、陶瓷管、固态电解质、全氟磺酸树脂、石棉膜、碳化硅膜、铝酸锂膜、陶瓷管、Nafion膜中的一种膜的改性材料膜构成。
所述第二石墨烯导电层由单层石墨烯、单层还原氧化石墨烯、石墨烯纸、还原氧化石墨烯纸、单层多孔石墨烯、单层多孔还原氧化石墨烯、多孔石墨烯纸、多孔还原氧化石墨烯纸中的一种构成；或者，所述第二石墨烯导电层由石墨烯或者还原氧化石墨烯所构成的膜、骨架、凝胶中的一种构成。
5.一种如权利要求1～4任一项所述化学电源用多功能复合膜的应用，其特征在于：用作化学电源的正极集流体或负极集流体。
6.一种如权利要求1～4任一项所述化学电源用多功能复合膜的应用，其特征在于：用作化学电源的隔膜。
7.一种如权利要求1或2所述化学电源用多功能复合膜的应用，其特征在于：用作化学电源的集流体和隔膜，所述石墨烯导电层作为化学电源的集流体，所述隔膜层作为化学电源的隔膜。
8.一种如权利要求3或4所述化学电源用多功能复合膜的应用，其特征在于：用作化学电源的集流体和隔膜，所述第一石墨烯导电层、第二石墨烯导电层作为化学电源的集流体，所述隔膜层作为化学电源的隔膜。
9.根据权利要求5～8任一项所述化学电源用多功能复合膜的应用，其特 征在于：所述化学电源为锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池、钠硫电池、超级电容器、燃料电池或液流电池。
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