CN104538582A - 一种铜基石墨烯聚合物锂电池负极结构及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种铜基石墨烯聚合物锂电池负极结构及制备方法，包括：负极石墨电解质层，石墨烯薄膜层，铜箔。聚合物锂电的负集流体铜箔上生长石墨烯薄膜层，石墨烯薄膜外层附着石墨电解质层。石墨烯薄膜层作为负极石墨电解质层和集流极铜箔之间的导电层，增加了导电层的导电能力，提高了锂电池的能量密度，而且石墨烯薄膜层与石墨和铜箔均已化学键稳固结合，降低了石墨和铜箔之间的接触电阻和热阻，石墨烯薄膜层也具有良好的导热性能，能迅速把负极产生的热量导出，降低了因温度变化导致负极掉料，增加了聚合物锂电的循环使用寿命。

Description

一种铜基石墨烯聚合物锂电池负极结构及制备方法
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，具体涉及一种铜基石墨烯聚合物锂电池负极结构及制备方法。
背景技术
锂聚合物电池（Li-polymer，又称高分子锂电池）：它也是锂离子电池的一种，但是与液锂电池(Li-ion)相比具有能量密度高、更小型化、超薄化、轻量化，以及高安全性等多种明显优势，是一种新型电池。在形状上，锂聚合物电池具有超薄化特征，可以配合各种产品的需要，制作成任何形状与容量的电池。该类电池可以达到的最小厚度可达0.5mm。聚合物锂电池是目前最优秀锂电池之一。
锂电池内部采用螺旋绕制或叠结构结构，用一种非常精细而渗透性很强的聚乙烯薄膜隔离材料在正、负极间间隔而成。正极包括由钴酸锂（或镍钴锰酸锂、锰酸锂、磷酸亚铁锂等）及铝箔组成的电流收集极。负极由石墨化碳材料和铜箔组成的电流收集极组成。电池内充有有机聚合物电解质溶液。构成整个聚合物锂电充放电循环系统。聚合物锂电的负极材料为石墨、导电剂(乙炔黑)、粘结剂(SBR)和集流体（铜箔）。 但是由于负极材料主要是石墨附着在铜箔上，为了增加石墨和铜箔之间的导电性和附着力，在石墨和铜箔之间增加了导电剂和粘接剂，这样就降低了锂电池的储能密度，同时石墨和铜箔之间就形成较大的接触电阻和热阻，在电池使用过程中，就会使负极发热，石墨等材料从铜箔上脱落，影响聚合物锂电的性能和使用寿命。负极掉料和发热现象是聚合物锂电主要存在问题之一，也是聚合物锂电应用过程中亟待解决的问题。
石墨烯是一种由碳原子构成的单层结构状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-8 Ω·m，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，是最好的面导体材料，把石墨烯薄膜的优良的导电和导热性能应用到聚合物锂电负极中，是解决目前聚合物锂电负极问题的有效方法之一。
发明内容
为了克服现有聚合物锂电负极掉料及石墨与集流体之间接触电阻较大问题， 本发明提供一种铜基石墨烯聚合物锂电池负极结构及制备方法，其目的是利用石墨烯与负极石墨电解质层的亲和力强，同时石墨烯生长在集流体铜箔上，以增强石墨和集流体之间的导电性，降低石墨和铜箔的接触电阻，达到增加锂电池的电能密度和延长使用寿命减小电池体积的效果。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种铜基石墨烯聚合物锂电池负极结构及制备方法，包括：负极石墨电解质层，石墨烯薄膜层，铜箔。聚合物锂电的负集流体铜箔上生长石墨烯薄膜层，石墨烯薄膜外层附着石墨电解质层。
所述的负极石墨电解质层，其特征在于：负极石墨分散于负极电解质料浆中，通过涂布、烘干和琨压使石墨与石墨烯薄膜层稳固的结合在一起。
所述的石墨烯薄膜层，其特征在于：石墨烯薄膜层生长于负集流体铜箔的两侧，石墨烯与铜箔之间以化学键稳固结合，石墨烯薄膜层的层数为2-10层。
一种铜基石墨烯聚合物锂电池负极结构及制备方法，石墨烯薄膜层在铜箔上生长，在一定空间内通过化学气象沉降方式，使用甲烷等含碳气体作为碳源，在800-1250℃进行石墨烯在铜箔上生长，具体步骤如下，步骤一：铜箔表面预处理，在500-1000℃和通入高纯氮气情况下使铜箔表面产生合适的着碳位点，时间为10-30分钟；步骤二：将产生着碳位点的铜箔冷却至100-200℃，停掉氮气源；步骤三：把产生着碳位点的铜箔再次升温至900-1200℃，并通入甲烷等含碳气体，使甲烷等含碳气体在高温下分解，释放碳原子，时间为30-120分钟，慢慢地在铜箔表面上生长石墨烯层；步骤四：缓慢降温至室温，取出表面生长有石墨烯层的铜箔，石墨烯薄膜层稳固的附着在铜箔上。步骤五：把制备好的石墨烯铜箔放置于涂布机上，进行负极石墨电解质1料浆涂布、烘干，然后把烘干的负极片进行琨压切片，做成一定尺寸作为聚合物锂电池的负极备用。
本发明的有益效果：本发明采用石墨烯薄膜层作为负极石墨电解质层和集流极铜箔之间的导电层，增加了导电层的导电能力，提高了锂电池的能量密度，而且石墨烯薄膜层与石墨和铜箔均已化学键稳固结合，降低了石墨和铜箔之间的接触电阻和热阻，石墨烯薄膜层也具有良好的导热性能，能迅速把负极产生的热量导出，降低了因温度变化导致负极掉料，增加了聚合物锂电的循环使用寿命。
附图说明
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明一种铜基石墨烯聚合物锂电池负极结构示意图
图中：1、负极石墨电解质层，2、石墨烯薄膜层，3、铜箔。
具体实施方式
 参看图1结合实施例对本发明做进一步说明，一种铜基石墨烯聚合物锂电池负极结构及制备方法，包括：负极石墨电解质层1，石墨烯薄膜层2，铜箔3。聚合物锂电的负集流体铜箔3上生长石墨烯薄膜层2，石墨烯薄膜2外层附着石墨电解质层1。
所述的负极石墨电解质层，其特征在于：负极石墨分散于负极电解质料浆中，通过涂布、烘干和琨压使石墨与石墨烯薄膜层2稳固的结合在一起。
所述的石墨烯薄膜层，其特征在于：石墨烯薄膜层2生长于负集流体铜箔3的两侧，石墨烯与铜箔3之间以化学键稳固结合。石墨烯薄膜层3的层数为2-10层。
具体实施例
石墨烯薄膜层2在铜箔3上生长，在一定空间内通过化学气象沉降方式，使用甲烷等含碳气体作为碳源，在800-1250℃进行石墨烯在铜箔3上生长，具体步骤如下，步骤一：铜箔3表面预处理，在500-1000℃和通入高纯氮气情况下使铜箔3表面产生合适的着碳位点，时间为10-30分钟；步骤二：将产生着碳位点的铜箔3冷却至100-200℃，停掉氮气源；步骤三：把产生着碳位点的铜箔3再次升温至900-1200℃，并通入甲烷等含碳气体，使甲烷等含碳气体在高温下分解，释放碳原子，时间为30-120分钟，慢慢地在铜箔表面上生长石墨烯层2；步骤四：缓慢降温至室温，取出表面生长有石墨烯层2的铜箔3，石墨烯薄膜层2稳固的附着在铜箔3上。步骤五：把制备好的石墨烯铜箔放置于涂布机上，进行负极石墨电解质1料浆进行涂布、烘干，然后把烘干的负极片进行琨压切片，做成一定尺寸作为聚合物锂电池的负极备用。
上述实施例只是说明本发明的技术构思及特点，其目的是让本领域的普通技术人员能够了解本发明的特点并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所进行的等效变化或修饰，均应涵盖在本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种铜基石墨烯聚合物锂电池负极结构及制备方法，包括：负极石墨电解质层，石墨烯薄膜层，铜箔；其特征在于：聚合物锂电的负集流体铜箔上生长石墨烯薄膜层，石墨烯薄膜外层附着石墨电解质层。
2.根据权利要求1所述的一种铜基石墨烯聚合物锂电池负极结构及制备方法，其特征在于：负极石墨分散于负极电解质料浆中，通过涂布、烘干和琨压使石墨与石墨烯薄膜层稳固的结合在一起。
3.根据权利要求1所述的一种铜基石墨烯聚合物锂电池负极结构及制备方法，其特征在于：石墨烯薄膜层生长于负集流体铜箔的两侧，石墨烯与铜箔之间以化学键稳固结合，石墨烯薄膜层的层数为2-10层。
4.一种铜基石墨烯聚合物锂电池负极结构的制备方法，所述的石墨烯薄膜层在铜箔上生长，在一定空间内通过化学气象沉降方式，使用甲烷等含碳气体作为碳源，在800-1250℃进行石墨烯在铜箔上生长；其特征在于：具体步骤如下，步骤一：铜箔表面预处理，在500-1000℃和通入高纯氮气情况下使铜箔表面产生合适的着碳位点，时间为10-30分钟；
步骤二：将产生着碳位点的铜箔冷却至100-200℃，停掉氮气源；
步骤三：把产生着碳位点的铜箔再次升温至900-1200℃，并通入甲烷等含碳气体，使甲烷等含碳气体在高温下分解，释放碳原子，时间为30-120分钟，慢慢地在铜箔表面上生长石墨烯层；
步骤四：缓慢降温至室温，取出表面生长有石墨烯层的铜箔；
步骤五：把制备好的石墨烯铜箔放置于涂布机上，进行负极石墨电解质料浆涂布、烘干，然后把烘干的负极片进行琨压切片，做成一定尺寸作为聚合物锂电池的负极备用。
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