CN105576242A - 一种石墨烯电池 - Google Patents

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张涵
张韵诗
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Abstract

本发明公开了一种石墨烯电池，包括前电极、石墨烯/纳米硅复合电极片、半导体和背电极，所述前电极对称设置在石墨烯/纳米硅复合电极片的上端，所述半导体设置在石墨烯/纳米硅复合电极片与背电极之间。本发明采用的是用氧化石墨烯与纳米硅液相混合制备氧化石墨烯/纳米硅材料，再通过高温热还原制备石墨烯/纳米硅复合材料，该方法制备出的复合材料缺陷少，电池稳定性好，有利于促进石墨烯/纳米硅复合材料实际应用于锂离子电池中。

Description

一种石墨烯电池
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种石墨烯电池。
背景技术
随着人类社会的发展，人们对能源的需求量越来越大，煤、石油、天然气等化石能源依然是目前能源供应的主体，但化石能源是不可再生能源，化石能源的口益枯竭是人类社会发展面临的一大挑战。同时这些燃料也是环境污染的主要来源，寻找新型可再生的清洁能源成为当今世界的主旋律。化学电源替代原始的化石能源能够有效地缓解能源问题及环境污染问题，其中二次电源的发展有效地推进了化学电源的发展。随着电子器件的小型化，对多功能便携式的高容量电源的需求逐渐增大，铿离子电池由于其优良的性能脱颖而出，成为二次电源中的主要类型。
石墨烯具有优良的电子传导性、大的比表面积（2600m2/g），良好的热学性能和机械性质，使其成为能源、化工、生物等多领域的研究热点。在储锂性能方面，石墨烯的理论容量达到744mAh/g，优于石墨（理论容量：372mAh/g），并且石墨烯能增加与铿的结合位点，使得石墨烯成为取代石墨作为铿离子负极材料的选择之一。但研究表明，单纯的石墨烯作为铿离子电池负极材料存在一定的缺陷，如:首次循环过程中不可逆程度大，容量损失多，在后续循环中库仑效率低等，所以与其他材料复合制备复合材料成为优化石墨烯负极材料的首选方法。然而在充放电过程中，硅的脱嵌锂反应伴随着硅体积的剧烈变化（>300%），引起电池内部高压，导致电极粉碎，活性物质的脱落，使得电极循环性能恶化，电池容量急剧降低。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种石墨烯电池。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种石墨烯电池，包括前电极、石墨烯/纳米硅复合电极片、半导体和背电极，所述前电极对称设置在石墨烯/纳米硅复合电极片的上端，所述半导体设置在石墨烯/纳米硅复合电极片与背电极之间。
优选的，所述前电极、石墨烯/纳米硅复合电极片、半导体和背电极的厚度比为3~4:1:5~6:2~3。
本发明还提出了一种石墨烯电池的石墨烯/纳米硅复合电极片制备方法，包括如下步骤：
S1、纳米硅的处理：称取一定量的纳米硅，放入聚四氟乙烯容器中，加入10mL无水乙醇溶剂后，搅拌下加入对应量的氢氟酸溶液，处理一定时间后，静置分层，倒出上层清液，再加入10mL无水乙醇搅拌处理纳米硅的清洗后分层，处理3-4遍后，放入真空干燥箱750C干燥。氢氟酸溶液作用是除去纳米硅表面的氧化物，反应方程式如下所示:
Si02(s)+6HF(aq)==H2(SiF6)(aq)+2H20(1)；
S2、氧化石墨烯、纳米硅分散液的制备：称取一定量的氧化石墨烯GO-1与GO-2,HF酸处理后的纳米硅粉，加入一定量的去离子水，分别超声2h和15min直至形成分散系，备用；
S3、氧化石墨烯/纳米硅薄片制备：将超声分散好的两种氧化石墨烯、纳米硅粉混合，超声1h，得到氧化石墨烯/纳米硅的混合分散液，待分散液降至室温后，用直径50mm和孔径0.22微米的滤膜过滤；
S4、石墨烯/纳米硅复合电极片的制备：将得到的氧化石墨烯/纳米硅薄片，放入陶瓷舟后在管式气氛炉中进行高温还原，在1:9v/v，100mL/min的H2/Ar气流下，控制还原温度和还原时间，得到具有银灰石墨烯/纳米硅复合电极片。
本发明提供的一种石墨烯电池，与现有技术相比，本发明采用的是用氧化石墨烯与纳米硅液相混合制备氧化石墨烯/纳米硅材料，再通过高温热还原制备石墨烯/纳米硅复合材料，该方法制备出的复合材料缺陷少，电池稳定性好，有利于促进石墨烯/纳米硅复合材料实际应用于锂离子电池中，而制备的石墨烯/纳米硅复合材料作为电池材料，结合了两者的优点，其首次容量较高，电池稳定性较好，循环30次后容量仍能稳定在600mAh/g以上。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本本发明的剖视图。
图中：1前电极、2石墨烯/纳米硅复合电极片、3半导体、4背电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了如图1-2所示的一种石墨烯电池，包括前电极1、石墨烯/纳米硅复合电极片2、半导体3和背电极4，其特征在于：所述前电极1对称设置在石墨烯/纳米硅复合电极片2的上端，所述半导体3设置在石墨烯/纳米硅复合电极片2与背电极4之间，所述前电极1、石墨烯/纳米硅复合电极片2、半导体3和背电极4的厚度比为3~4:1:5~6:2~3。
一种石墨烯电池的石墨烯/纳米硅复合电极片制备方法，包括如下步骤：
S1、纳米硅的处理：称取一定量的纳米硅，放入聚四氟乙烯容器中，加入10mL无水乙醇溶剂后，搅拌下加入对应量的氢氟酸溶液，处理一定时间后，静置分层，倒出上层清液，再加入10mL无水乙醇搅拌处理纳米硅的清洗后分层，处理3-4遍后，放入真空干燥箱750C干燥。氢氟酸溶液作用是除去纳米硅表面的氧化物，反应方程式如下所示:
Si02(s)+6HF(aq)==H2(SiF6)(aq)+2H20(1)；
S2、氧化石墨烯、纳米硅分散液的制备：称取一定量的氧化石墨烯GO-1与GO-2,HF酸处理后的纳米硅粉，加入一定量的去离子水，分别超声2h和15min直至形成分散系，备用；
S3、氧化石墨烯/纳米硅薄片制备：将超声分散好的两种氧化石墨烯、纳米硅粉混合，超声1h，得到氧化石墨烯/纳米硅的混合分散液，待分散液降至室温后，用直径50mm和孔径0.22微米的滤膜过滤；
S4、石墨烯/纳米硅复合电极片的制备：将得到的氧化石墨烯/纳米硅薄片，放入陶瓷舟后在管式气氛炉中进行高温还原，在1:9v/v，100mL/min的H2/Ar气流下，控制还原温度和还原时间，得到具有银灰石墨烯/纳米硅复合电极片2。
综上所述：本发明采用的是用氧化石墨烯与纳米硅液相混合制备氧化石墨烯/纳米硅材料，再通过高温热还原制备石墨烯/纳米硅复合材料，该方法制备出的复合材料缺陷少，电池稳定性好，有利于促进石墨烯/纳米硅复合材料实际应用于锂离子电池中，而制备的石墨烯/纳米硅复合材料作为电池材料，结合了两者的优点，其首次容量较高，电池稳定性较好，循环30次后容量仍能稳定在600mAh/g以上。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种石墨烯电池，包括前电极（1）、石墨烯/纳米硅复合电极片（2）、半导体（3）和背电极（4），其特征在于：所述前电极（1）对称设置在石墨烯/纳米硅复合电极片（2）的上端，所述半导体（3）设置在石墨烯/纳米硅复合电极片（2）与背电极（4）之间。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯电池，其特征在于：所述前电极（1）、石墨烯/纳米硅复合电极片（2）、半导体（3）和背电极（4）的厚度比为3~4:1:5~6:2~3。
3.一种权利要求1所述石墨烯电池的石墨烯/纳米硅复合电极片制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、纳米硅的处理：称取一定量的纳米硅，放入聚四氟乙烯容器中，加入10mL无水乙醇溶剂后，搅拌下加入对应量的氢氟酸溶液，处理一定时间后，静置分层，倒出上层清液，再加入10mL无水乙醇搅拌处理纳米硅的清洗后分层，处理3-4遍后，放入真空干燥箱750C干燥。
4.氢氟酸溶液作用是除去纳米硅表面的氧化物，反应方程式如下所示:
Si02(s)+6HF(aq)==H2(SiF6)(aq)+2H20(1)；
S2、氧化石墨烯、纳米硅分散液的制备：称取一定量的氧化石墨烯GO-1与GO-2,HF酸处理后的纳米硅粉，加入一定量的去离子水，分别超声2h和15min直至形成分散系，备用；
S3、氧化石墨烯/纳米硅薄片制备：将超声分散好的两种氧化石墨烯、纳米硅粉混合，超声1h，得到氧化石墨烯/纳米硅的混合分散液，待分散液降至室温后，用直径50mm和孔径0.22微米的滤膜过滤；
S4、石墨烯/纳米硅复合电极片的制备：将得到的氧化石墨烯/纳米硅薄片，放入陶瓷舟后在管式气氛炉中进行高温还原，在1:9v/v，100mL/min的H2/Ar气流下，控制还原温度和还原时间，得到具有银灰石墨烯/纳米硅复合电极片（2）。
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