CN111916756A - 一种柔性薄膜及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感器材料技术领域，尤其涉及一种柔性薄膜及其制备方法和应用。本发明的柔性薄膜，由碳纳米管和氧化石墨烯互相搭接而成；所述碳纳米管和氧化石墨烯的质量比为(4∶6)～(6∶4)。在本发明中，碳纳米管和氧化石墨烯互相搭接，形成具有三维导电网络结构的薄膜，有助于提升电极内部的电化学过程，同时石墨类碳材料具有良好的储锂能力，将碳纳米管和氧化石墨烯按比例复合不会过多牺牲电极整体的比容量。本发明的柔性薄膜作为集流体使用具有广阔的应用前景。此外，本发明的薄膜可自支撑，具有很好的机械强度和柔性。本发明还提供了柔性薄膜的制备方法，本发明的制备方法简单、成本低。
Description
技术领域
本发明涉及传感器材料技术领域，尤其涉及一种柔性薄膜及其制备方法和应用。
背景技术
当前的商用锂离子电池已逐渐不能满足人类的生活需要，高能量密度和高功率密度的储能设备亟待开发。在传统的锂离子电池中，铜箔一般作为负极集流体使用，其厚度大约为数十微米。然而，单质铜不具备嵌锂能力，铜占比越高对电极比容量的牺牲越大。同时，商用铜箔比表面积有限，一般只作为电极材料的基体使用，对电极材料内部的电子离子输运过程没有贡献。因此，传统的商用铜集流体成为了制约锂离子电池发展的一个重要因素。研发新的铜集流体替代材料具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柔性薄膜及其制备方法和应用，本发明的柔性薄膜具有三维导电网络结构，可替代传统的铜集流体，有助于提升电极内部的电化学过程，具有良好的储锂能力，且不会过多牺牲电极整体的比容量。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种柔性薄膜，由碳纳米管和氧化石墨烯互相搭接而成；所述碳纳米管和氧化石墨烯的质量比为(4:6)～(6:4)。
优选的，所述氧化石墨烯为多层氧化石墨烯。
优选的，所述碳纳米管为多壁碳纳米管。
优选的，所述柔性薄膜的厚度为10～300μm。
本发明提供了上述方案所述柔性薄膜的制备方法，包括以下步骤：
将碳纳米管、氧化石墨烯和N-甲基吡咯烷酮混合，得到浆料；
将所述浆料涂覆到基体表面，干燥后在基体表面形成薄膜，将所述薄膜剥离后得到柔性薄膜。
优选的，所述碳纳米管和N-甲基吡咯烷酮的用量比为(0.2～0.3)g:10mL。
优选的，所述基体为蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底的表面粗糙度为0.1～5nm。
优选的，所述干燥为真空烘干，所述真空烘干的真空度为1.0×10-4～1.0Pa，温度为40～70℃，时间为2～10h。
优选的，所述剥离的过程包括：将附着有薄膜的基体浸泡于水中，薄膜自行脱落。
本发明提供了上述方案所述柔性薄膜或上述方案所述制备方法制备得到的柔性薄膜作为集流体的应用。
本发明提供了一种柔性薄膜，由碳纳米管和氧化石墨烯互相搭接而成；所述碳纳米管和氧化石墨烯的质量比为(4:6)～(6:4)。在本发明中，碳纳米管和氧化石墨烯互相搭接，形成具有三维导电网络结构的薄膜，有助于提升电极内部的电化学过程，同时氧化石墨烯具有良好的储锂能力，将碳纳米管和氧化石墨烯按比例复合不会过多牺牲电极整体的比容量，本发明的柔性薄膜作为集流体使用具有广阔的应用前景。此外，本发明的薄膜可自支撑，具有很好的机械强度和柔性。
本发明提供了柔性薄膜的制备方法，本发明的制备方法简单、成本低。
附图说明
图1为实施例1制备的柔性薄膜的扫描电镜图；
图2为实施例2制备的柔性薄膜的扫描电镜图；
图3为实施例2制备的柔性薄膜的柔性演示照片。
具体实施方式
本发明提供了一种柔性薄膜，由碳纳米管和氧化石墨烯互相搭接而成；所述碳纳米管和氧化石墨烯的质量比为(4:6)～(6:4)。
在本发明的实施例中，所述碳纳米管和氧化石墨烯的质量比具体为4:6、5:5或6:4。
在本发明中，所述碳纳米管优选为多壁碳纳米管，所述多壁碳纳米管的外径优选为10～20μm。本发明对所述碳纳米管的来源没有特殊要求，采用本领域公知的方法制备或购买得到均可。
在本发明中，所述氧化石墨烯优选为多层氧化石墨烯；本发明对所述多层氧化石墨烯的层数没有特殊要求，在本发明的实施例中，所述多层氧化石墨烯优选为苏州碳丰科技有限公司生产的编号为TF-24621的多层氧化石墨烯，产品呈黑色粉末状，纯度＞90wt％，厚度3.4～7nm，片层直径10～50μm，层数5～10，比表面积100～300m2/g，硫含量＜5wt％。
在本发明中，所述柔性薄膜的厚度优选为10～300μm，更优选为20～100μm，进一步优选为30～70μm。在本发明的实施例中，具体为30μm。
本发明的碳纳米管和氧化石墨烯互相搭接，形成具有三维导电网络结构的薄膜，有助于提升电极内部的电化学过程，同时石墨类碳材料具有良好的储锂能力，将碳纳米管和氧化石墨烯按比例复合不会过多牺牲电极整体的比容量，本发明的柔性薄膜作为集流体使用具有广阔的应用前景。
本发明提供了上述方案所述柔性薄膜的制备方法，包括以下步骤：
将碳纳米管、氧化石墨烯和N-甲基吡咯烷酮混合，得到浆料；
将所述浆料涂覆到基体表面，干燥后在基体表面形成薄膜，将所述薄膜剥离后得到柔性薄膜。
本发明将碳纳米管、氧化石墨烯和N-甲基吡咯烷酮混合，得到浆料。在本发明中，所述碳纳米管和N-甲基吡咯烷酮的用量比优选为(0.2～0.3)g:10mL。在本发明中，所述混合的方式优选为球磨，所述球磨的转速优选为200～300rpm，所述球磨的时间优选为2～4h。
得到浆料后，本发明将所述浆料涂覆到基体表面，干燥后在基体表面形成薄膜。
在本发明的实施例中，所述基体优选为蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底的表面粗糙度优选为0.1～5nm；所述蓝宝石衬底优选为圆形，所述蓝宝石衬底的直径优选为25.4～152.4mm。
在本发明中，本发明对所述浆料涂覆的厚度没有特殊要求，根据柔性薄膜的厚度确定。本发明对所述涂覆的方法没有特殊要求，采用本领域熟知的涂覆方法即可。
在本发明中，所述干燥优选为真空烘干，所述真空烘干的真空度优选为1.0×10-4～1.0Pa，温度优选为40～70℃，时间优选为2～10h。本发明在真空条件下进行干燥可以保证薄膜不含水分。
本发明的碳纳米管和氧化石墨烯在N-甲基吡咯烷酮中混合均匀，涂覆并干燥后氧化石墨烯和碳纳米管在较强的液体表面张力作用下自组装而相互搭接，在基体表面形成薄膜。
在基体表面形成薄膜后，本发明将所述薄膜进行剥离，得到柔性薄膜。
在本发明中，所述剥离的过程优选包括：将附着有薄膜的基体浸泡于水中，薄膜自行脱落。在本发明中，所述浸泡的时间优选为0.5～1h。
本发明的氧化石墨烯呈亲水性，蓝宝石呈疏水性，浸泡后因对液体的浸润性不同可实现柔性薄膜的自动剥离。
剥离后，本发明优选还包括采用铜网将脱落的薄膜从水中捞起，真空烘干即可得到柔性薄膜。在本发明中，所述真空烘干的条件同形成薄膜时的烘干条件，这里不再赘述。
本发明提供了上述方案所述柔性薄膜或上述方案所述制备方法制备得到的柔性薄膜作为集流体的应用。在本发明中，所述集流体优选为正极集流体或负极集流体，更优选为正极集流体。
下面结合实施例对本发明提供的柔性薄膜及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将0.2g的碳纳米管与0.3g的多层氧化石墨烯加入球磨罐，加入10mL N-甲基吡咯烷酮球磨罐中，200rpm的转速下球磨3h，得到浆料。
将浆料均匀地涂覆在光滑疏水的蓝宝石衬底表面以形成连续的薄膜；所述蓝宝石衬底的表面粗糙度为0.1nm；所述蓝宝石衬底为圆形，直径大小为50mm。
将涂有浆料的蓝宝石衬底在真空环境中烘干，形成薄膜；该过程真空烘干的真空度为1.0×10-4Pa，温度为60℃，时间为10h。
将附着薄膜的蓝宝石衬底浸泡在去离子水中，浸泡时间为0.5h，之后薄膜会自行脱落，最后利用铜网将脱落的薄膜从水中捞起，真空烘干即可得到柔性薄膜，厚度为30μm。
实施例2
将0.2g的碳纳米管与0.2g的多层氧化石墨烯加入球磨罐，加入10mL N-甲基吡咯烷酮球磨罐中，300rpm的转速下球磨3h，得到浆料。
将浆料均匀地涂覆在光滑疏水的蓝宝石衬底表面以形成连续的薄膜；所述蓝宝石衬底的表面粗糙度为0.1nm；所述蓝宝石衬底的直径大小为50mm。
将涂有浆料的蓝宝石衬底在真空环境中烘干，形成薄膜；该过程真空烘干的真空度为5.0×10-4Pa，温度为50℃，时间为10h。
将附着薄膜的蓝宝石衬底浸泡在去离子水中，浸泡时间为1h，之后薄膜会自行脱落，最后利用铜网将脱落的薄膜从水中捞起，真空烘干即可得到柔性薄膜，厚度为30μm。
实施例3
将0.3g的碳纳米管与0.2g的多层氧化石墨烯加入球磨罐，加入10mL N-甲基吡咯烷酮球磨罐中，250rpm的转速下球磨3h，得到浆料。
将浆料均匀地涂覆在光滑疏水的蓝宝石衬底表面以形成连续的薄膜；所述蓝宝石衬底的表面粗糙度为0.1nm；所述蓝宝石衬底的直径大小为50mm。
将涂有浆料的蓝宝石衬底在真空环境中烘干，形成薄膜；该过程真空烘干的真空度为1.0×10-4Pa，温度为70℃，时间为6h。
将附着薄膜的蓝宝石衬底浸泡在去离子水中，浸泡时间为0.5h，之后薄膜会自行脱落，最后利用铜网将脱落的薄膜从水中捞起，真空烘干即可得到柔性薄膜，厚度为30μm。
图1和图2分别为实施例1和实施例2制备的柔性薄膜的扫描电镜图，由图1和图2可知，该柔性薄膜是一种碳纳米管和氧化石墨烯的物理混合结构。
图3为实施例2制备的柔性薄膜的柔性演示照片，表明薄膜具有良好的柔性。
由以上实施例可知，本发明提供了一种柔性薄膜及其制备方法和应用，本发明的柔性薄膜具有三维导电网络结构，可替代传统的铜集流体，有助于提升电极内部的电化学过程，具有良好的储锂能力，且不会过多牺牲电极整体的比容量，符合柔性可穿戴器件的应用场景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种柔性薄膜，其特征在于，由碳纳米管和氧化石墨烯互相搭接而成；所述碳纳米管和氧化石墨烯的质量比为(4:6)～(6:4)。
2.根据权利要求1所述的柔性薄膜，其特征在于，所述氧化石墨烯为多层氧化石墨烯。
3.根据权利要求1所述的柔性薄膜，其特征在于，所述碳纳米管为多壁碳纳米管。
4.根据权利要求1所述的柔性薄膜，其特征在于，所述柔性薄膜的厚度为10～300μm。
5.权利要求1～4任一项所述柔性薄膜的制备方法，包括以下步骤：
将碳纳米管、氧化石墨烯和N-甲基吡咯烷酮混合，得到浆料；
将所述浆料涂覆到基体表面，干燥后在基体表面形成薄膜，将所述薄膜剥离后得到柔性薄膜。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管和N-甲基吡咯烷酮的用量比为(0.2～0.3)g:10mL。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述基体为蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底的表面粗糙度为0.1～5nm。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述干燥为真空烘干，所述真空烘干的真空度为1.0×10-4～1.0Pa，温度为40～70℃，时间为2～10h。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述剥离的过程包括：将附着有薄膜的基体浸泡于水中，薄膜自行脱落。
10.权利要求1～4任一项所述柔性薄膜或权利要求5～9任一项所述制备方法制备得到的柔性薄膜作为集流体的应用。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20201110 |
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