CN206961943U - 一种石墨烯复合负极结构 - Google Patents

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程三岗
李宝玉
陈枫
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Abstract

本实用新型公开了一种石墨烯复合负极结构，包括负极集流体，其上垂直设置有相互间隔开的石墨烯支撑件，所述石墨烯支撑件上还覆有硅涂层，石墨烯支撑件之间的间隙中填满液体电解质，所述石墨烯支撑件是由纳米片构成的；由本实用新型的石墨烯复合负极在发生嵌锂时，硅涂层发生体积膨胀，石墨烯支撑件的间隔提供其体积膨胀的空间，膨胀后的硅涂层之间也不接触，保持负极结构原有的物理位置，维持相应的化学性能，防止材料的劣化；同时，整个过程中由于硅涂层一直与石墨烯材料保持接触，整个过程保持电传导，不需要粘合剂材料和额外的导电材料，降低了成本并增加了每单位质量的储存能量，值得借鉴。

Description

一种石墨烯复合负极结构
技术领域
本实用新型涉及电池领域，特别涉及一种石墨烯复合负极结构。
背景技术
我过动力型锂离子电池的研究正处于高速发展阶段。锂离子电池从小型电子产品应用领域转向大功率的动力锂电领域，同时对锂离子电池的负极材料提出了新的要求。负极材料作为锂离子电池的重要组成部分，在很大程度上影响着锂离子电池的整体性能。目前，商业化的锂离子电池负极材料通常为石墨化碳材料比容量低，高倍率充放电性能较差且存在安全隐患，已无法满足更高比容量和安全性要求。因此，开发比容量高、循环性能好、充放电性能优异的新型锂离子电池负极材料成为迫切需要。硅的嵌锂电位低，且在目前已知的材料中比容量最高(4200mAh.g-1)，远大于石墨的理论容量；同时硅较石墨作为负极更为安全可靠，所以在业界范围内得到广泛的研究。
尽管硅的容量要高出碳十倍之多，由于巨大的体积效应造成硅基负极材料在脱/嵌锂过程中容量快速衰减，电极循环性能迅速下降，极大阻碍了其商业化的进程。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种能够有效降低硅基材料体积膨胀问题对电池性能影响的石墨复合负极结构，所述石墨复合负极结构的技术方案是这样实现的：
一种石墨烯复合负极结构，包括负极集流体，所述负极集流体上垂直设置有石墨烯支撑件，所述石墨烯支撑件之间是间隔开的，所述石墨烯支撑件上还覆有硅涂层，所述石墨烯支撑件之间的间隙中填满液体电解质；所述石墨烯支撑件是由纳米片构成的，包括平行于负极集流体表面的多个基底水平纳米片，还包括从基底水平纳米片向上延伸的多个垂直纳米片，所述多个垂直纳米片形成彼此间隔开的单独的支撑峰。
进一步的，所述负极集流体为铜箔或镍箔。
进一步的，所述支撑峰是由1～10层纳米片结构形成的。
更进一步的，所述支撑峰的每层纳米片之间的间距为0.34～0.37nm。
优选地，所述硅涂层的厚度为20～100nm。
优选的，所述支撑峰之间的间距为50～400nm。
由本实用新型的石墨烯复合负极在发生嵌锂时，硅涂层会发生体积的膨胀，而石墨烯支撑件的间隔空隙则提供其体积膨胀的空间，而膨胀后的硅涂层也不接触，从而保持负极结构原有的物理位置，并维持相应的化学性能，防止材料的劣化；同时，整个过程中由于硅涂层一直与石墨烯材料保持接触，整个过程保持电传导，不需要粘合剂材料和额外的导电材料，降低了成本并增加了每单位质量的储存能量，值得借鉴。
附图说明
图1为本实用新型石墨烯复合负极的结构示意图；
图2为本实用新型石墨烯支撑件的结构示意图；
图3为本实用新型石墨烯复合负极膨胀后的结构示意图。
附图标记：1-负极集流体，2-石墨烯支撑件，3-硅涂层，4-液体电解质，21- 支撑峰，22-水平纳米片，23-垂直纳米片，t-涂层厚度，T-膨胀后涂层厚度，D- 支撑峰间距。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。
如图1～图3所示，一种石墨烯复合负极结构，包括负极集流体1，所述负极集流体1上垂直设置有石墨烯支撑件2，所述石墨烯支撑件2之间是间隔开的，所述石墨烯支撑件2上还覆有硅涂层3，所述石墨烯支撑件2之间的间隙中填满液体电解质4；所述石墨烯支撑件2是由纳米片构成的，包括平行于负极集流体表面的多个基底水平纳米片22，还包括从基底水平纳米片22向上延伸的多个垂直纳米片23，所述多个垂直纳米片23形成彼此间隔开的单独的支撑峰21。
具体实施时，所述负极集流体1为铜箔或镍箔。
具体实施时，所述支撑峰21是由1～10层纳米片结构形成的。
具体实施时，所述支撑峰21的每层纳米片之间的间距为0.34～0.37nm。
具体实施时，所述硅涂层3的厚度t为20～100nm，所述硅涂层3既足够薄以限制其嵌锂后的体积膨胀，但是又足够厚以满足电池嵌锂后的能量密度。
具体实施时，所述支撑峰21之间的距离D为50～400nm，所述支撑峰21之间的间距D大于2倍的硅涂层3膨胀后的厚度T，以满足当硅涂层3发生膨胀后相邻的硅涂层3页不至于相互接触，从而保持原来的物理位置。
具体实施时，所述石墨烯纳米片可以通过化学气相沉积法在负极集流体1 上生成。
本实用新型的石墨烯支撑件允许硅涂层3暴露于电解质4中，从而允许产生电流的离子的快速扩散；此外，具有间隔开的垂直方向的支撑峰21的形态允许硅涂层3向外扩散，保持与石墨烯的接触并防止充放电循环期间活性材来的劣化；由于与石墨烯保持接触，因此在整个过程中保持电传导，而不需要粘合剂材料或额外的导电材料(如炭黑)，这就降低了成本并增加了每单位质量的储存能量。
本实用新型的技术内容及技术特征已揭示如上，熟悉本领域的技术人员仍可能基于本实用新型的教示而作出不背离本实用新型实质的替换及修饰，因此，本实用新型保护范围不限于实施例所揭示的内容，也包括各种不背离本实用新型实质的替换及修饰。

Claims (6)

1.一种石墨烯复合负极结构，其特征在于：所述石墨烯复合负极结构包括负极集流体，所述负极集流体上垂直设置有石墨烯支撑件，所述石墨烯支撑件之间是间隔开的，所述石墨烯支撑件上还覆有硅涂层，所述石墨烯支撑件之间的间隙中填满液体电解质；所述石墨烯支撑件是由纳米片构成的，包括平行于负极集流体表面的多个基底水平纳米片，还包括从基底水平纳米片向上延伸的多个垂直纳米片，所述多个垂直纳米片形成彼此间隔开的单独的支撑峰。
2.根据权利要求1所述的石墨烯复合负极结构，其特征在于：所述负极集流体为铜箔或镍箔。
3.根据权利要求1所述的石墨烯复合负极结构，其特征在于：所述支撑峰是由1～10层纳米片结构形成的。
4.根据权利要求3所述的石墨烯复合负极结构，其特征在于：所述支撑峰的每层纳米片之间的间距为0.34～0.37nm。
5.根据权利要求1所述的石墨烯复合负极结构，其特征在于：所述硅涂层的厚度为20～100nm。
6.根据权利要求1所述的石墨烯复合负极结构，其特征在于：所述支撑峰之间的间距为50～400nm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108493456A (zh) * 2018-04-27 2018-09-04 北京石墨烯研究院 电池正极极片、应用其的锂离子电池及降低界面电阻方法
CN113167911A (zh) * 2018-11-21 2021-07-23 德国中微子有限公司 由金属或金属合金制成的箔

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