CN203910910U - 一种石墨烯/硅多层膜复合阳极材料 - Google Patents

一种石墨烯/硅多层膜复合阳极材料 Download PDF

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陈明亿
王维纲
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Abstract

本实用新型提供一种石墨烯/硅多层膜复合阳极材料，包括镀于金属电极表面的石墨烯导电薄膜和硅导电薄膜，石墨烯导电薄膜和硅导电薄膜的层数均≥2层，石墨烯导电薄膜与硅导电薄膜交替叠加排列。本实用新型的石墨烯/硅多层膜复合阳极材料在充、放电时体积变化较小，使用寿命长。

Description

一种石墨烯/硅多层膜复合阳极材料
技术领域
 本实用新型属于电池阳极材料领域，尤其涉及一种石墨烯/硅复合阳极材料。
背景技术
在日常生活中，消费型电子产品扮演不可或缺之角色，而随着近年无线装置商品之使用量不断剧增，可稳定提供电源之储能材料为无法忽视之议题，其中，高电容量之锂离子电池(lithium ion batteries，简称：LIBs)即为发展之重点。但是，目前商用之锂离子电池大都以石墨(graphite)或硅(silicon)做为阳极，然石墨的理论电容量仅为374 mAh/g，限制了电池的电化学特性；硅的理论电容量虽然可达4200 mAh/g，然其在充放电过程中体积会发生剧烈变化，易造成电极结构破坏而大幅降低其电容量。 
2012年Ji等人(Nano Energy. 2012, 1, 164)将石墨烯(graphene)溶液通过抽气过滤形成薄膜，并将其转印至铜箔电流收集器上，进而再通过电浆辅助化学气相沉积的方法在电流收集器的表面转印数层硅导电薄膜，成功制备了硅/石墨烯多层膜复合阳极材料，但是，此硅/石墨烯多层膜复合阳极材料结构存在如下缺点：（1）硅/石墨烯多层膜复合阳极材料由紧挨电流收集器的一层石墨烯导电薄膜和叠加在石墨烯导电薄膜上方的若干层硅导电薄膜组成，石墨烯导电薄膜与硅导电薄膜的接触面积小，使得石墨烯导电薄膜限制硅导电薄膜在充、放电过程中出现体积膨胀、收缩现象的能力较差，电池的使用寿命短；（2）硅/石墨烯多层膜复合阳极材料的远离电流收集器的一层薄膜为硅导电薄膜，硅导电薄膜暴露在外，容易形成不具有导电能力的氧化硅层。
发明内容
本实用新型旨在提供一种能够解决现有技术中石墨烯/硅多层膜复合阳极材料的体积变化大、使用寿命短问题的新型石墨烯/硅多层膜复合阳极材料。
一种石墨烯/硅多层膜复合阳极材料，包括镀于金属电极表面的石墨烯导电薄膜和硅导电薄膜，石墨烯导电薄膜和硅导电薄膜的层数均≥2层，石墨烯导电薄膜与硅导电薄膜交替叠加排列。
本实用新型的石墨烯导电薄膜和硅导电薄膜的层数均超过2层，且，石墨烯导电薄膜与硅导电薄膜交替叠加排列，石墨烯导电薄膜会对硅导电薄膜的膨胀或收缩进行限制，使得硅导电薄膜不易因膨胀、收缩而崩解，延长石墨烯/硅多层膜复合阳极材料以及由其制作的锂电池的使用寿命；并且，石墨烯导电薄膜可对硅导电薄膜产生张应力，即硅的晶格结构会受到石墨烯导电薄膜的牵引，硅原子的晶格间距会变大，更有利于锂离子的进出。
紧挨金属电极的第一层薄膜为石墨烯导电薄膜，使得与金属电极表面直接接触的薄膜为石墨烯导电薄膜、而非硅导电薄膜，降低了阳极材料与金属电极的接触阻力。
导电薄膜总层数优选为5~10层，每层石墨烯或硅导电薄膜的厚度均为100~500 nm。通过对导电薄膜的厚度和层数同时进行限定，可将电池薄型化或微小化，并且，可进一步降低充放电过程中复合阳极材料的体积变化，另外，可避免导电薄膜厚度过高，因为内应力关系相邻导电薄膜之间以及薄膜与金属电极之间发生剥离。
远离金属电极的最后一层薄膜为石墨烯导电薄膜，可防止硅导电薄膜因接触空气而氧化成不具有导电活性的二氧化硅。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为图1中A部分的放大图。
具体实施方式
现结合附图具体说明本实用新型的实施方式：
如图1所示，一种石墨烯/硅多层膜复合阳极材料，包括镀于金属电极1表面的石墨烯导电薄膜2和硅导电薄膜3，石墨烯导电薄膜2和硅导电薄膜3的层数均≥2层，石墨烯导电薄膜2与硅导电薄膜3交替叠加排列。
本实用新型的石墨烯导电薄膜2和硅导电薄膜3的层数均超过2层，且，石墨烯导电薄膜2与硅导电薄膜3交替叠加排列，石墨烯导电薄膜2会对硅导电薄膜3的膨胀或收缩进行限制，使得硅导电薄膜3不易因膨胀、收缩而崩解，延长石墨烯/硅多层膜复合阳极材料以及由其制作的锂电池的使用寿命；并且，石墨烯导电薄膜2可对硅导电薄膜3产生张应力，即硅的晶格结构会受到石墨烯导电薄膜2的牵引，硅原子的晶格间距会变大，更有利于锂离子的进出。
如图1所示，紧挨金属电极1的第一层薄膜21为石墨烯导电薄膜，使得与金属电极表面直接接触的薄膜为石墨烯导电薄膜、而非硅导电薄膜，降低了阳极材料与金属电极的接触阻力。
石墨烯导电薄膜2和硅导电薄膜3的总层数为5~10层，石墨烯导电薄膜2的厚度d’和硅导电薄膜3的厚度d均为100~500 nm（如图2所示）。通过对导电薄膜的厚度和层数同时进行限定，可尽量将电池薄型化或微小化，并且，可进一步降低充放电过程中复合阳极材料的体积变化，另外，可避免导电薄膜厚度过高，因为内应力关系相邻导电薄膜之间以及薄膜与金属电极1之间发生剥离。当然，本实用新型的石墨烯导电薄膜2和硅导电薄膜3的总层数并不限于附图2中的5层，也可少于5层或多于5层。
如图1所示，远离金属电极1的最后一层薄膜22为石墨烯导电薄膜，可防止硅导电薄膜因接触空气而氧化成不具有导电活性的二氧化硅。

Claims (4)

1.一种石墨烯/硅多层膜复合阳极材料，包括镀于金属电极表面的石墨烯导电薄膜和硅导电薄膜，其特征在于：石墨烯导电薄膜和硅导电薄膜的层数均≥2层，石墨烯导电薄膜与硅导电薄膜交替叠加排列。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯/硅多层膜复合阳极材料，其特征在于：紧挨金属电极的第一层薄膜为石墨烯导电薄膜。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯/硅多层膜复合阳极材料，其特征在于：导电薄膜总层数为5~10层，每层石墨烯或硅导电薄膜的厚度均为100~500 nm。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯/硅多层膜复合阳极材料，其特征在于：远离金属电极的最后一层薄膜为石墨烯导电薄膜。
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