CN108232294A - 一种超高压的石墨烯电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超高压的石墨烯电池，其特征在于，由正极极片、多层半导体及负极极片层压后构成，所述正极极片呈U形，所述正极极片具有至少三片，且三片正极极片互相套设在一起，位于内部的正极极片U形开口最小，外部的正极极片U形开口最大，所述负极极片具有两片，其呈方形，且大方形的负极极片套在小方形的负极极片的外面，贴在所述半导体的后部；多层半导体2具有上下叠加的两层；所述正极极片、多层半导体及负极极片的厚度比值为1:5:2。

Description

一种超高压的石墨烯电池
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种超高压的石墨烯电池。
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（2600 m2/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744 mAh/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，而提出的一种超高压的石墨烯电池。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种超高压的石墨烯电池，其特征在于，由正极极片、多层半导体及负极极片层压后构成，所述正极极片呈U形，所述正极极片具有至少三片，且三片正极极片互相套设在一起，位于内部的正极极片U形开口最小，外部的正极极片U形开口最大，所述负极极片具有两片，其呈方形，且大方形的负极极片套在小方形的负极极片的外面，贴在所述半导体的后部；多层半导体2具有上下叠加的两层；所述正极极片、多层半导体及负极极片的厚度比值为1:5:2；所述正极极片包括正极铝箔集流体及设在所述正极铝箔集流体内侧表面的磷酸铁锂活性材料层；所述磷酸铁锂活性材料层上刷涂凝胶型电解液，以形成电解液层；凝胶型电解液包括：27质量份的安全电解液、35质量份的三氟甲基磺酰亚胺离子液体、38质量份的聚乙烯乙二醇甲基丙烯酸酯聚合物；所述安全电解液包括80质量份的常规电解液、13质量份的磷酸三苯酯和7质量份的甲基氟代丁基醚；所述半导体紧贴所述电解液层；所述负极极片是复合材料，是在石墨烯表面依次包覆碳和碳化硅而得，其中，石墨烯、碳和碳化硅的质量比为0.6∶0.04∶0.2；所述负极极片复合材料的制备方法如下：(1)分散石墨烯：石墨烯在聚氧乙烯蓖麻油的作用下均匀分散于乙二醇中； (2)包覆碳：将步骤(1)所得分散石墨烯加入有机碳源水溶液中，搅拌5小时，再在156℃继续搅拌蒸发溶剂后，于780℃高温热解10小时，即得碳包覆的石墨烯；(3)包覆碳化硅：将碳化硅与步骤(1)所得碳包覆的石墨烯一并置于球磨机中研磨，将所得粉体置于管式炉中加热焙烧，然后随炉降至室温，即得。
优选的，步骤(3)中的碳化硅是通过以下方法制备得到的： (31)制备碳化硅前驱体；(32)碳化硅前驱体在氦气气氛保护下，以18～20℃/min的升温速率升温至1500～1550℃，保温10～12小时，自然冷却至室温，得到墨绿色的初期碳化硅；(33)将步骤(32)所得初期碳化硅加入质量浓度35％的氢氟酸溶液中，除去未反应的二氧化硅，水洗，过滤，烘干，即得。
优选的，所述负极极片还可以是负极活性材料，所述负极活性材料层(142)的主要成分是硅/炭-石墨烯复合材料；所述硅/炭-石墨烯复合材料按照下述步骤制备而成： 将硅粉置于超细球磨机中，以水为介质，球料质量比为4:1，球磨10h，得到硅浆料；将所述硅浆料与人造石墨、导电炭黑、乳化沥青按照65:20:5:10的质量比混合均匀，得到混合料；对所述混合料进行喷雾干燥处理，得到球状颗粒；
将所述球状颗粒与氧化石墨烯按照2:1的质量比混合，1000r/min的转速下，搅拌2-3小时；将搅拌后的所述球状颗粒与氧化石墨烯的混合物置于温度为900℃的氮气环境中烧结2小时，得到硅/炭-石墨烯复合材料。
本发明提供的一种石墨烯电池，与现有技术相比，本发明采用的是用采用安全的凝胶型电解液，流动性适宜，易于被刷涂于正极极片上，与磷酸铁锂活性材料层紧密接触；作为负极活性材料，硅/炭-石墨烯复合材 料具有巨大的比表面积和容量，高导电率，在应用于石墨烯锂离子电池时，使得电池具 有高导电率，高容量，性能优越等优势。本发明的石墨烯电池负极复合材料具有较高的首次库伦效率， 降低了正极材料用量，进而降低了整个电池的成本。 本发明在石墨烯表面依次包覆碳和碳化硅，所得石墨烯电池 负极复合材料具有高容量和高循环稳定性等特点。 本发明制备方法涉及的石墨烯分散，采用聚氧乙烯蓖麻油作 为分散剂，并通过控制分散剂的用量实现了石墨烯的均匀分散，提高了电学性能。采用本发明的石墨烯电池，由于采用上述材料以及制作方法，能够显著提高其耐高压性以及实用性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本本发明的仰视图。
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所示的一种超高压的石墨烯电池，其特征在于，由正极极片1、多层半导体2及负极极片3层压后构成，所述正极极片1呈U形，所述正极极片1具有至少三片，且三片正极极片1互相套设在一起，位于内部的正极极片U形开口最小，外部的正极极片U形开口最大，所述负极极片3具有两片，其呈方形，且大方形的负极极片套在小方形的负极极片的外面，贴在所述半导体的后部；多层半导体2具有上下叠加的两层；所述正极极片1、多层半导体2及负极极片3的厚度比值为1:5:2；所述正极极片1包括正极铝箔集流体及设在所述正极铝箔集流体内侧表面的磷酸铁锂活性材料层；所述磷酸铁锂活性材料层上刷涂凝胶型电解液，以形成电解液层；凝胶型电解液包括：27质量份的安全电解液、35质量份的三氟甲基磺酰亚胺离子液体、38质量份的聚乙烯乙二醇甲基丙烯酸酯聚合物；所述安全电解液包括80质量份的常规电解液、13质量份的磷酸三苯酯和7质量份的甲基氟代丁基醚；所述半导体紧贴所述电解液层；所述负极极片是复合材料，是在石墨烯表面依次包覆碳和碳化硅而得，其中，石墨烯、碳和碳化硅的质量比为0.6∶0.04∶0.2；所述负极极片复合材料的制备方法如下：(1)分散石墨烯：石墨烯在聚氧乙烯蓖麻油的作用下均匀分散于乙二醇中；(2)包覆碳：将步骤(1)所得分散石墨烯加入有机碳源水溶液中，搅拌5小时，再在156℃继续搅拌蒸发溶剂后，于780℃高温热解10小时，即得碳包覆的石墨烯；(3)包覆碳化硅：将碳化硅与步骤(1)所得碳包覆的石墨烯一并置于球磨机中研磨，将所得粉体置于管式炉中加热焙烧，然后随炉降至室温，即得。
优选的，步骤(3)中的碳化硅是通过以下方法制备得到的： (31)制备碳化硅前驱体；(32)碳化硅前驱体在氦气气氛保护下，以18～20℃/min的升温速率升温至1500～1550℃，保温10～12小时，自然冷却至室温，得到墨绿色的初期碳化硅；(33)将步骤(32)所得初期碳化硅加入质量浓度35％的氢氟酸溶液中，除去未反应的二氧化硅，水洗，过滤，烘干，即得。
优选的，所述负极极片还可以是负极活性材料，所述负极活性材料层(142)的主要成分是硅/炭-石墨烯复合材料；所述硅/炭-石墨烯复合材料按照下述步骤制备而成： 将硅粉置于超细球磨机中，以水为介质，球料质量比为4:1，球磨10h，得到硅浆料；将所述硅浆料与人造石墨、导电炭黑、乳化沥青按照65:20:5:10的质量比混合均匀，得到混合料；对所述混合料进行喷雾干燥处理，得到球状颗粒；
将所述球状颗粒与氧化石墨烯按照2:1的质量比混合，1000r/min的转速下，搅拌2-3小时；将搅拌后的所述球状颗粒与氧化石墨烯的混合物置于温度为900℃的氮气环境中烧结2小时，得到硅/炭-石墨烯复合材料。
综上所述：与现有技术相比，本发明采用的是用采用安全的凝胶型电解液，流动性适宜，易于被刷涂于正极极片上，与磷酸铁锂活性材料层紧密接触；作为负极活性材料，硅/炭-石墨烯复合材 料具有巨大的比表面积和容量，高导电率，在应用于石墨烯锂离子电池时，使得电池具 有高导电率，高容量，性能优越等优势。本发明的石墨烯电池负极复合材料具有较高的首次库伦效率， 降低了正极材料用量，进而降低了整个电池的成本。 本发明在石墨烯表面依次包覆碳和碳化硅，所得石墨烯电池 负极复合材料具有高容量和高循环稳定性等特点。 本发明制备方法涉及的石墨烯分散，采用聚氧乙烯蓖麻油作 为分散剂，并通过控制分散剂的用量实现了石墨烯的均匀分散，提高了电学性能。
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 (3)

1.一种超高压的石墨烯电池，其特征在于，由正极极片、多层半导体及负极极片层压后构成，所述正极极片呈U形，所述正极极片具有至少三片，且三片正极极片互相套设在一起，位于内部的正极极片U形开口最小，外部的正极极片U形开口最大，所述负极极片具有两片，其呈方形，且大方形的负极极片套在小方形的负极极片的外面，贴在所述半导体的后部；多层半导体2具有上下叠加的两层；所述正极极片、多层半导体及负极极片的厚度比值为1:5:2；所述正极极片包括正极铝箔集流体及设在所述正极铝箔集流体内侧表面的磷酸铁锂活性材料层；所述磷酸铁锂活性材料层上刷涂凝胶型电解液，以形成电解液层；凝胶型电解液包括：27质量份的安全电解液、35质量份的三氟甲基磺酰亚胺离子液体、38质量份的聚乙烯乙二醇甲基丙烯酸酯聚合物；所述安全电解液包括80质量份的常规电解液、13质量份的磷酸三苯酯和7质量份的甲基氟代丁基醚；所述半导体紧贴所述电解液层；所述负极极片是复合材料，是在石墨烯表面依次包覆碳和碳化硅而得，其中，石墨烯、碳和碳化硅的质量比为0.6∶0.04∶0.2；所述负极极片复合材料的制备方法如下：(1)分散石墨烯：石墨烯在聚氧乙烯蓖麻油的作用下均匀分散于乙二醇中； (2)包覆碳：将步骤(1)所得分散石墨烯加入有机碳源水溶液中，搅拌5小时，再在156℃继续搅拌蒸发溶剂后，于780℃高温热解10小时，即得碳包覆的石墨烯；(3)包覆碳化硅：将碳化硅与步骤(1)所得碳包覆的石墨烯一并置于球磨机中研磨，将所得粉体置于管式炉中加热焙烧，然后随炉降至室温，即得。
2.根据权利要求1的超高压石墨烯电池，步骤(3)中的碳化硅是通过以下方法制备得到的：(31)制备碳化硅前驱体；(32)碳化硅前驱体在氦气气氛保护下，以18～20℃/min的升温速率升温至1500～1550℃，保温10～12小时，自然冷却至室温，得到墨绿色的初期碳化硅；(33)将步骤(32)所得初期碳化硅加入质量浓度35％的氢氟酸溶液中，除去未反应的二氧化硅，水洗，过滤，烘干，即得。
3.根据权利要求1的超高压石墨烯电池，所述负极极片还可以是负极活性材料，所述负极活性材料层(142)的主要成分是硅/炭-石墨烯复合材料；所述硅/炭-石墨烯复合材料按照下述步骤制备而成： 将硅粉置于超细球磨机中，以水为介质，球料质量比为4:1，球磨10h，得到硅浆料；将所述硅浆料与人造石墨、导电炭黑、乳化沥青按照65:20:5:10的质量比混合均匀，得到混合料；对所述混合料进行喷雾干燥处理，得到球状颗粒； 将所述球状颗粒与氧化石墨烯按照2:1的质量比混合，1000r/min的转速下，搅拌2-3小时；将搅拌后的所述球状颗粒与氧化石墨烯的混合物置于温度为900℃的氮气环境中烧结2小时，得到硅/炭-石墨烯复合材料。
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