JP7126492B2 - Graphene oxide bonded metal foil thin film current collector - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、2016年8月8日に出願された米国特許出願第15/231486号明細書および第15/231498号明細書(その内容を参照によって本願明細書に組み入れる)に対する優先権を主張する。
CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application is directed to U.S. Patent Application Nos. 15/231,486 and 15/231,498, filed Aug. 8, 2016, the contents of which are hereby incorporated by reference. Claim priority.

本発明は、リチウムバッテリーまたはスーパーキャパシタのための集電体を提供する。集電体は、酸化グラフェンゲルから製造された薄い酸化グラフェンフィルムに接合された金属箔である。この酸化グラフェン接合薄金属箔は、電解質相溶性、非反応性、防食性、低い接触抵抗、熱伝導性および電気導電性、極薄、および軽量であり、バッテリーまたはキャパシタがより高い出力電圧、より高いエネルギー密度、高レート能力、およびもっと長いサイクル寿命を与えることを可能にする。 The present invention provides current collectors for lithium batteries or supercapacitors. The current collector is a metal foil bonded to a thin graphene oxide film made from graphene oxide gel. This graphene oxide bonded thin metal foil is electrolyte compatible, non-reactive, anti-corrosion, low contact resistance, thermal and electrical conductivity, ultra-thin, and lightweight, enabling batteries or capacitors to achieve higher output voltages, more Allows for high energy density, high rate capability, and longer cycle life.

この特許出願は、リチウムセル(例えばリチウムイオンセル、リチウム-金属セル、またはリチウムイオンキャパシタ)、スーパーキャパシタ、非リチウムバッテリー(例えば亜鉛-空気セル、ニッケル金属水素化物バッテリー、ナトリウムイオンセル、およびマグネシウムイオンセル)、およびその他の電気化学エネルギー蓄積セルのアノード電極(アノード活物質層)またはカソード電極(カソード活物質層)と共に作用する集電体を目的としている。この出願は、アノード活物質層またはカソード活物質層自体を目的としていない。 This patent application describes lithium cells (such as lithium-ion cells, lithium-metal cells, or lithium-ion capacitors), supercapacitors, non-lithium batteries (such as zinc-air cells, nickel-metal hydride batteries, sodium-ion cells, and magnesium-ion cells). cells), and other electrochemical energy storage cells, as current collectors that work with the anode electrode (anode active material layer) or cathode electrode (cathode active material layer). This application is not directed to the anode active material layer or the cathode active material layer per se.

リチウム-金属セルには、従来のリチウム-金属再充電可能セル(例えばアノードとしてリチウム箔およびカソード活物質としてMnO粒子を使用する)、リチウム-空気セル(Li-Air)、リチウム-硫黄セル(Li-S)、および先端リチウム-グラフェンセル(カソード活物質としてグラフェンシートを使用する、Li-グラフェン)、リチウム-炭素ナノチューブセル(カソードとしてCNTを使用する、Li-CNT)、およびリチウム-ナノ炭素セル(カソードとしてナノ炭素繊維または他のナノ炭素材料を使用する、Li-C)が含まれる。アノードおよび/またはカソード活物質層は若干のリチウムを含有することができるか、またはセルの組立前または直後にプレリチウム化され得る。 Lithium-metal cells include conventional lithium-metal rechargeable cells (e.g., using lithium foil as anode and MnO2 particles as cathode active material), lithium-air cells (Li-Air), lithium-sulphur cells ( Li-S), and advanced lithium-graphene cells (using graphene sheets as the cathode active material, Li-graphene), lithium-carbon nanotube cells (using CNT as the cathode, Li-CNT), and lithium-nanocarbon Included are cells (Li—C, using nanocarbon fibers or other nanocarbon materials as the cathode). The anode and/or cathode active material layers may contain some lithium or may be prelithiated prior to or immediately after assembly of the cell.

再充電可能リチウムイオン(Liイオン)、リチウム金属、リチウム-硫黄、およびLi金属-空気バッテリーは、電気車(EV)、ハイブリッド電気車(HEV)、および携帯用電子デバイス、例えばラップトップコンピュータおよび携帯電話のための有望な電源であると考えられる。金属元素としてのリチウムは、アノード活物質として任意の他の金属または金属をインターカレートした化合物(4,200mAh/gの比容量を有する、Li4.4Siを除く)と比較して最も高いリチウム貯蔵容量(3,861mAh/g)を有する。したがって、一般的には、Li金属バッテリー(リチウム金属アノードを有する)は、従来のリチウムイオンバッテリー(黒鉛アノードを有する)よりもかなり高いエネルギー密度を有する。 Rechargeable lithium-ion (Li-ion), lithium-metal, lithium-sulphur, and Li-metal-air batteries are widely used in electric vehicles (EV), hybrid electric vehicles (HEV), and portable electronic devices such as laptop computers and mobile phones. It is considered to be a promising power source for telephones. Lithium as the metallic element is the highest compared to any other metal or metal intercalated compound (except Li 4.4 Si, which has a specific capacity of 4,200 mAh/g) as the anode active material It has a lithium storage capacity (3,861 mAh/g). Thus, in general, Li metal batteries (with lithium metal anodes) have significantly higher energy densities than conventional lithium ion batteries (with graphite anodes).

伝統的に、再充電可能リチウム金属バッテリーは、リチウム金属アノードと結合される、カソード活物質として例えばTiS、MoS、MnO、CoO、およびVなどの比較的高い比容量を有する非リチウム化化合物を使用して製造された。バッテリーが放電されるとき、リチウムイオンはリチウム金属アノードからカソードに電解質を通して移動され、カソードはリチウム化された。残念なことに、充電および放電が繰り返される時に、リチウム金属は、内部短絡、熱暴走、および爆発を最終的にもたらす樹枝状結晶をアノードに形成した。この問題に関連した一連の事故の結果として、これらのタイプの二次バッテリーの製造は1990年代初頭に中止され、リチウムイオンバッテリーに取って代わられた。今でも、サイクル安定性および安全性の問題は依然として、EV、HEV、およびマイクロ電子デバイス用途のためのLi金属バッテリー(例えばリチウム-硫黄およびリチウム-遷移金属酸化物セル)のさらなる商品化を妨げる主要因となっている。 Traditionally, rechargeable lithium metal batteries have used relatively high specific capacities such as TiS 2 , MoS 2 , MnO 2 , CoO 2 , and V 2 O 5 as cathode active materials combined with lithium metal anodes. was prepared using a non-lithiated compound with When the battery was discharged, lithium ions were transferred through the electrolyte from the lithium metal anode to the cathode, and the cathode was lithiated. Unfortunately, upon repeated charging and discharging, lithium metal formed dendrites at the anode that ultimately resulted in internal short circuits, thermal runaway, and explosion. As a result of a series of accidents related to this problem, production of these types of secondary batteries was discontinued in the early 1990's and replaced by lithium-ion batteries. Even now, cycle stability and safety issues remain major obstacles to further commercialization of Li-metal batteries (e.g., lithium-sulphur and lithium-transition metal oxide cells) for EV, HEV, and microelectronic device applications. It is the cause.

先行のリチウム金属二次バッテリーの安全性についての前述の問題に刺激されて、リチウムイオン二次バッテリーの開発に至っているが、そこで高純度リチウム金属シートまたはフィルムはアノード活物質として炭質材料(例えば天然黒鉛粒子)によって置き代えられた。炭質材料は(例えばグラフェン面間のリチウムイオンまたは原子のインターカレーションによって)リチウムを吸収し、リチウムイオンバッテリー運転の再充電および放電段階それぞれの間にリチウムイオンを脱着する。炭質材料は第一に、リチウムをインターカレートし得る黒鉛を含んでもよく、得られた黒鉛層間化合物はLiとして表されてもよく、そこでxは典型的に1未満である(黒鉛の比容量は<372mAh/gである)。 The aforementioned concerns about the safety of prior lithium metal secondary batteries have stimulated the development of lithium ion secondary batteries in which high purity lithium metal sheets or films are used as anode active materials with carbonaceous materials (e.g. natural graphite particles). The carbonaceous material absorbs lithium (eg, by intercalation of lithium ions or atoms between graphene planes) and desorbs lithium ions during each recharge and discharge phase of lithium ion battery operation. The carbonaceous material may firstly comprise graphite capable of intercalating lithium, and the resulting graphite intercalation compound may be represented as Li x C 6 , where x is typically less than 1 (graphite specific capacity is <372 mAh/g).

リチウムイオン(Liイオン)バッテリーは電気駆動車のための有望なエネルギー蓄積デバイスであるが、最新技術のLiイオンバッテリーは、コスト、安全性、および性能目標(例えば高い比エネルギー、高いエネルギー密度、良いサイクル安定性、および長いサイクル寿命)をまだ満たしていない。Liイオンセルは典型的に、炭素負極(アノード)に対して高い電位でLiを脱/再インターカレートする正極(カソード)としてリチウム遷移金属酸化物またはホスフェートを使用する。リチウム遷移金属酸化物またはホスフェート系カソード活物質の比容量は典型的に、140~170mAh/gの範囲である。結果として、黒鉛アノードおよびリチウム遷移金属酸化物またはホスフェート系カソードを特徴とする市販のLiイオンセルの比エネルギー(質量エネルギー密度)は典型的に、120~220Wh/kg、最も典型的に150~200Wh/kgの範囲である。エネルギー密度(体積エネルギー密度)の相当する典型的な範囲は300~400Wh/Lである。これらの比エネルギー値は、バッテリー式の電気車が広く受け入れられるために必要とされる比エネルギー値の2分の1~3分の1である。 Lithium-ion (Li-ion) batteries are promising energy storage devices for electric-powered vehicles, but state-of-the-art Li-ion batteries meet cost, safety, and performance goals (e.g., high specific energy, high energy density, good cycle stability, and long cycle life). Li-ion cells typically use a lithium transition metal oxide or phosphate as the positive electrode (cathode) that de/reintercalates Li + at high potentials against a carbon negative electrode (anode). The specific capacity of lithium transition metal oxide or phosphate-based cathode active materials is typically in the range of 140-170 mAh/g. As a result, the specific energy (mass energy density) of commercial Li-ion cells featuring graphite anodes and lithium transition metal oxide or phosphate-based cathodes is typically 120-220 Wh/kg, most typically 150-200 Wh/kg. kg range. A corresponding typical range for energy density (volumetric energy density) is 300-400 Wh/L. These specific energy values are one-half to one-third the specific energy values required for widespread acceptance of battery-powered electric vehicles.

典型的なバッテリーセルは、アノード集電体、アノード電極(典型的にアノード活物質と、導電性充填剤と、結合剤樹脂構成成分とを含有するアノード活物質層とも称される)、電解質/セパレーター、カソード電極(典型的にカソード活物質と、導電性充填剤と、結合剤樹脂とを含有するカソード活物質層とも称される)、カソード集電体、外部配線に接続される金属タブ、およびタブ以外の全ての他の構成成分の周りに巻き付けるケーシングから構成される。これらの構成成分の重量の合計および体積の合計は、それぞれ、全セル重量および全セル体積である。セルによって蓄積される全エネルギー量は、カソード活物質の量、およびアノード活物質の相当する量によって左右される。その場合には、セルの比エネルギーおよびエネルギー密度は、それぞれ全セル重量およびセル体積によって蓄積される全エネルギー量として定義される。これは、セルの比エネルギーおよびエネルギー密度を最大にする1つの方法が、他のバッテリー設計の問題点の制約条件下で、活物質の量を最大にすることおよび全ての他の構成成分(非活物質)の量を最小にすることであることを意味する。 A typical battery cell comprises an anode current collector, an anode electrode (also referred to as an anode active material layer, typically containing an anode active material, a conductive filler, and a binder resin component), an electrolyte/ a separator, a cathode electrode (also referred to as a cathode active material layer typically containing a cathode active material, a conductive filler, and a binder resin), a cathode current collector, a metal tab connected to external wiring, and a casing that wraps around all other components except the tab. The total weight and volume of these components are the total cell weight and total cell volume, respectively. The total amount of energy stored by the cell depends on the amount of cathode active material and the corresponding amount of anode active material. In that case, the specific energy and energy density of the cell are defined as the total amount of energy stored by the total cell weight and cell volume respectively. This suggests that one way to maximize the specific energy and energy density of a cell is to maximize the amount of active material and all other constituents (non- active material) is to be minimized.

換言すれば、バッテリーセル内のアノード側およびカソード側の集電体は非活物質であり、それらは、バッテリーの質量および体積エネルギー密度を増加させるために(重量および体積において)低減されなければならない。集電体、典型的にアルミニウム箔(カソード側)および銅箔(アノード側)は、リチウムイオンバッテリーの約15~20重量%およびコストで10~15%を占める。したがって、より薄めの、より軽い箔が好ましい。しかしながら、最新技術の集電体に関連したいくつかの主要な問題がある:
(1)簡単に折り目がついたり裂けたりするために、より薄めの箔は、いっそう費用がかかり作業するのがいっそう難しくなる傾向がある。
(2)技術的制約のために、6μmより薄い金属箔(例えばCu)または12μmより薄い金属箔(例えばAl、Ni、ステンレス鋼箔)を大量に製造することは、不可能ではないにしても難しい。
(3)集電体は、電極の動作電位窓についてセル構成成分に対して電気化学的に安定していなければならない。実施において、主に電解質による集電体の継続的な腐食は、バッテリーの内部抵抗の漸増に至ることがあり、皮相容量の持続的低下をもたらすことがある。
(4)金属集電体の酸化は、リチウムバッテリーの熱暴走に著しく寄与し得る強い発熱反応である。
In other words, the anode-side and cathode-side current collectors in the battery cell are non-active materials that must be reduced (in weight and volume) to increase the mass and volumetric energy density of the battery. . Current collectors, typically aluminum foil (cathode side) and copper foil (anode side), account for about 15-20% by weight and 10-15% in cost of a lithium-ion battery. Therefore, thinner, lighter foils are preferred. However, there are some major problems associated with state-of-the-art current collectors:
(1) Thinner foils tend to be more expensive and more difficult to work with because they crease and tear easily.
(2) Due to technical constraints, it is not possible, if not impossible, to mass-produce metal foils thinner than 6 μm (e.g. Cu) or metal foils thinner than 12 μm (e.g. Al, Ni, stainless steel foils). difficult.
(3) The current collector must be electrochemically stable with respect to the cell constituents over the operating potential window of the electrode. In practice, continued corrosion of the current collector, primarily by the electrolyte, can lead to a gradual increase in the battery's internal resistance, resulting in a sustained decline in apparent capacity.
(4) Oxidation of metal current collectors is a strong exothermic reaction that can significantly contribute to thermal runaway in lithium batteries.

したがって、集電体は、バッテリーのコスト、重量、安全性、および性能のために極めて重要である。金属の代わりに、グラフェンまたはグラフェンでコートされた固体金属またはプラスチックは、以下に記載された参考文献に要約されるように、有望な集電体材料として考えられている:
1.Li Wang,Xiangming He,Jianjun Li,Jian Gao,Mou Fang,Guangyu Tian,Jianlong Wang,Shoushan Fan,“Graphene-coated plastic film as current collector for lithium/sulfur batteries”,J.Power Source,239(2013)623-627。
2.S.J.Richard Prabakar,Yun-Hwa Hwang,Eun Gyoung Bae,Dong Kyu Lee,Myoungho Pyo,“Graphene oxide as a corrosion inhibitor for the aluminum current collector in lithium ion batteries”,Carbon,52(2013)128-136。
3.Yang Li,et al.Chinese Patent Pub.No.CN 104600320 A(2015,05,06)。
4.Zhaoping Liu,et al(Ningbo Institute of Materials and Energy,China),WO 2012/151880 A1(Nov.15,2012)。
5.Gwon,H.;Kim,H-S;Lee,KE;Seo,D-H;Park,YC;Lee,Y-S;Ahn,BT;Kang,K“Flexible energy storage devices based on graphene paper”,Energy and Environmental Science.4(2011)1277-1283。
6.Ramesh C.Bhardwaj and Richard M.Mank,“Graphene current collectors in batteries for portable electronic devices”,US 20130095389 A1,Apr 18,2013。
Thus, current collectors are extremely important to battery cost, weight, safety, and performance. Instead of metal, graphene or graphene-coated solid metals or plastics have been considered as promising current collector materials, as summarized in the references listed below:
1. Li Wang, Xiangming He, Jianjun Li, Jian Gao, Mou Fang, Guangyu Tian, Jianlong Wang, Shoushan Fan, “Graphene-coated plastic film as current collector for lithium/sulfur bat.” Power Source, 239 (2013) 623-627.
2. S. J. Richard Prabakar,Yun-Hwa Hwang,Eun Gyoung Bae,Dong Kyu Lee,Myoungho Pyo,“Graphene oxide as a corrosion inhibitor for the aluminum current collector in lithium ion batteries”,Carbon,52(2013)128-136。
3. Yang Li, et al. Chinese Patent Pub. No. CN 104600320A (2015, 05, 06).
4. Zhaoping Liu, et al (Ningbo Institute of Materials and Energy, China), WO 2012/151880 A1 (Nov. 15, 2012).
5. Gwon, H. Park, YC; Lee, YS; Ahn, BT; Kang, K "Flexible energy storage devices based on graphene paper", Energy and Environmental Science. 4 (2011) 1277-1283.
6. Ramesh C. Bhardwaj and Richard M. Mank, "Graphene current collectors in batteries for portable electronic devices", US 20130095389 A1, Apr 18, 2013.

最近では、グラフェン集電体は3つの異なった形態になる:グラフェンでコートされた基材[参考文献1-4]、自立グラフェン紙[参考文献5]、および遷移金属(Ni、Cu)触媒による化学蒸着(CVD)と、その後の、金属エッチングとによって製造される単層グラフェンフィルム[参考文献6]。 Recently, graphene current collectors come in three different forms: graphene-coated substrates [refs 1-4], free-standing graphene papers [ref 5], and transition metal (Ni, Cu)-catalyzed Single-layer graphene films fabricated by chemical vapor deposition (CVD) followed by metal etching [ref. 6].

グラフェンでコートされた基材の作製において、酸化グラフェン(GO)または還元酸化グラフェン(RGO)の小さな分離シートまたはプレートリットを固体基材(例えばプラスチックフィルムまたはAl箔)上に噴霧堆積させる。グラフェン層において、構成要素は、結合剤樹脂、例えばPVDF[参考文献1、3および4]によって典型的に接合される分離されたグラフェンシート/プレートリット(典型的に長さ/幅0.5~5μmおよび厚さ0.34~30nm)である。単独グラフェンシート/プレートリットは(その0.5~5μmの範囲内で)比較的高い電気導電率を有することができるが、得られたグラフェン-結合剤樹脂複合層は、電気導電率が比較的低い(典型的に<100S/cmおよびより典型的に<10S/cm)。さらに、結合剤樹脂を使用する別の目的は、グラフェン-結合剤複合層を基材(例えばCu箔)に接合することであり、これは、Cu箔とグラフェン-結合剤複合層との間に結合剤樹脂(接着剤)層があることを意味する。残念なことに、この結合剤樹脂層は電気絶縁性であり、結果として生じる有害作用は、これまでの研究者によって全く見落とされていると思われる。 In the fabrication of graphene-coated substrates, small discrete sheets or platelets of graphene oxide (GO) or reduced graphene oxide (RGO) are spray deposited onto a solid substrate (eg, plastic film or Al foil). In the graphene layer, the constituents are separated graphene sheets/platelets (typically length/width 0.5 to 5 μm and thickness 0.34-30 nm). While a single graphene sheet/platelet can have relatively high electrical conductivity (within the range of 0.5-5 μm thereof), the resulting graphene-binder resin composite layer has relatively low electrical conductivity. Low (typically <100 S/cm and more typically <10 S/cm). Furthermore, another purpose of using a binder resin is to bond the graphene-binder composite layer to a substrate (eg, Cu foil), which is a It means that there is a binder resin (adhesive) layer. Unfortunately, this binder resin layer is electrically insulating and the resulting detrimental effects appear to have been completely overlooked by previous researchers.

Prabakarら[参考文献2]は離散酸化グラフェンシートでコートされたアルミニウム箔を形成する際に結合剤樹脂を使用していないと思われるが、この酸化グラフェンでコートされたAl箔はそれ自体の問題を有する。酸化アルミニウム(Al)がアルミニウム箔の表面上にすぐに形成され、アセトンまたはアルコールによる清浄化は酸化アルミニウムまたはアルミナのこの不動態化層を除去することができないことは本技術分野に公知である。この酸化アルミニウム層は、電気および熱絶縁性であるだけでなく、実際には特定のタイプの電解質に耐性がない。例えば、最も一般的に使用されるリチウムイオンバッテリーの電解質は、有機溶媒に溶解させたLiPFである。この電解質中の微量のHOは、酸化アルミニウム層をすぐに分解してAl箔を腐食すると共に電解質を消費し続けるHF(高度に腐食性の酸)の形成を伴う一連の化学反応を引き起こすことができる。容量の減少は典型的に、200~300充電-放電サイクルの後に極めて明白になる。 Prabakar et al. [2] appear not to use a binder resin in forming discrete graphene oxide sheet-coated aluminum foils, but this graphene oxide-coated Al foil has its own problems. have It is known in the art that aluminum oxide (Al 2 O 3 ) forms quickly on the surface of aluminum foil and cleaning with acetone or alcohol cannot remove this passivation layer of aluminum oxide or alumina. is. This aluminum oxide layer is not only electrically and thermally insulating, but is practically impervious to certain types of electrolytes. For example, the most commonly used lithium-ion battery electrolyte is LiPF 6 dissolved in an organic solvent. The traces of H2O in this electrolyte trigger a series of chemical reactions with the formation of HF (highly corrosive acid) that quickly decomposes the aluminum oxide layer and corrodes the Al foil and continues to consume the electrolyte. be able to. A decrease in capacity typically becomes quite evident after 200-300 charge-discharge cycles.

自立グラフェン紙は典型的に、水中で懸濁されたGOまたはRGOシート/プレートリットの真空補助濾過によって作製される。自立紙において、構成要素は、一緒にゆるく重なり合う分離されたグラフェンシート/プレートリットである。また、単独グラフェンシート/プレートリットは(0.5~5μmの範囲内で)比較的高い電気導電率を有することができるが、得られたグラフェン紙は、非常に低い電気導電率、例えば8,000S/mまたは80S/cmを有し[参考文献5]、それはCu箔の導電率(8×10S/cm)よりも4桁低い。 Free-standing graphene papers are typically made by vacuum-assisted filtration of GO or RGO sheets/platelets suspended in water. In self-supporting paper, the constituents are separated graphene sheets/platelets that loosely overlap together. Also, while a single graphene sheet/platelet can have a relatively high electrical conductivity (in the range of 0.5-5 μm), the resulting graphene paper has a very low electrical conductivity, e.g. 000 S/m or 80 S/cm [5], which is four orders of magnitude lower than the conductivity of Cu foil (8×10 5 S/cm).

触媒CVD法は、500~800℃の温度の真空室中に炭化水素ガスを導入することを必要とする。これらの厳しい条件下で、炭化水素ガスは、遷移金属基材(NiまたはCu)によって触媒される分解反応によって分解される。次に、強酸を使用してCu/Ni基材を化学エッチングするが、それは環境に優しい手順ではない。プロセス全体は緩慢で、長たらしく、エネルギー集約的であり、得られたグラフェンは典型的に単一層グラフェンまたは数層グラフェンである(下にあるCu/Ni層が触媒としてのその有効性を失うので、最大5層まで)。 Catalytic CVD methods require the introduction of hydrocarbon gases into a vacuum chamber at temperatures between 500-800°C. Under these harsh conditions, hydrocarbon gases are decomposed by decomposition reactions catalyzed by transition metal substrates (Ni or Cu). A strong acid is then used to chemically etch the Cu/Ni substrate, which is not an environmentally friendly procedure. The entire process is slow, tedious and energy intensive, and the resulting graphene is typically single-layer graphene or few-layer graphene (because the underlying Cu/Ni layer loses its effectiveness as a catalyst). , up to 5 layers).

Bhardwajら[参考文献6]は、複数のCVD-グラフェンフィルムを1μmまたは数μmの厚さに積み重ねることを提案した。しかしながら、これは、一緒に積み重ねられる数百または数千のフィルムを必要とする(各々のフィルムは典型的に厚さ0.34nm~2nmである)。Bhardwajらは、「グラフェンは製造コストを低減し、および/またはバッテリーセルのエネルギー密度を増加させる場合がある」と主張するが、それらの請求の範囲を支持する実験データは提供されなかった。この請求の範囲とは反対に、CVDグラフェンは、費用がかかることで広く知られた方法であり、CVDグラフェンフィルムの単一層でさえも、同じ面積が与えられたとすると(例えば同じ5cm×5cm)CuまたはAl箔のシートよりもかなり費用がかかるであろう。Bhardwajらによって提案されるような数百または数千の単層または数層グラフェンフィルムの積層体は、Cu箔集電体よりも数百倍または数千倍費用がかかることを意味する。このコストは、法外に高い。さらに、積層体内の数百のCVDグラフェンフィルム間の高い接触抵抗およびCVDグラフェンの比較的低い導電率は、高い全内部抵抗をもたらし、より薄めのフィルム(10μmのCu箔に対して1μmのグラフェン積層体)を使用してセルの全重量および体積を低減する潜在的利益を全く無駄にする。データを全く含まないBhardwajらの特許出願[参考文献6]は概念論文以外の何者でもないと考えられる。 Bhardwaj et al. [ref. 6] proposed stacking multiple CVD-graphene films to a thickness of 1 μm or a few μm. However, this requires hundreds or thousands of films stacked together (each film is typically 0.34 nm to 2 nm thick). Bhardwaj et al. claim that "graphene may reduce manufacturing costs and/or increase the energy density of battery cells," but provided no experimental data to support their claims. Contrary to this claim, CVD graphene is a notoriously expensive process, and even a single layer of CVD graphene film, given the same area (e.g. the same 5 cm x 5 cm) It would cost considerably more than a sheet of Cu or Al foil. Stacks of hundreds or thousands of single- or few-layer graphene films as proposed by Bhardwaj et al. mean hundreds or thousands of times more expensive than Cu foil current collectors. This cost is prohibitively high. In addition, the high contact resistance between the hundreds of CVD graphene films in the stack and the relatively low electrical conductivity of CVD graphene lead to high total internal resistance, making thinner films (1 μm graphene stacks versus 10 μm Cu foil All the potential benefits of using a body) to reduce the overall weight and volume of the cell are wasted. The Bhardwaj et al. patent application [Ref. 6], which contains no data, is considered nothing more than a concept paper.

上記の考察は、グラフェン強化またはグラフェン系集電体の全ての3つの形態はバッテリーまたはスーパーキャパシタにおいて使用するための性能および要求価格を満たさないことを明らかに示している。集電体として使用するための異なったタイプの材料が非常に必要とされている。 The above discussion clearly shows that all three forms of graphene-enhanced or graphene-based current collectors do not meet the performance and cost demands for use in batteries or supercapacitors. There is a great need for different types of materials for use as current collectors.

本発明は、バッテリーまたはスーパーキャパシタ内の酸化グラフェン接合金属箔(薄フィルム)集電体を提供する。集電体は、(a)1μm~30μmの厚さおよび2つの対向した略平行な主表面を有する自立した、支持無しの薄金属箔と、(b)結合剤または接着剤を使用せずに2つの対向した主表面の少なくとも1つに化学接合した酸化グラフェンシートの薄フィルムとを含み、そこで少なくとも1つの主表面が不動態化金属酸化物の層を含有せず(例えばAl箔のこの主表面上にアルミナ層がない)、および酸化グラフェンの薄フィルムが10nm~10μmの厚さ、0.1重量%~10重量%の酸素含有量、0.335~0.50nmのグラフェン面間間隔、1.3~2.2g/cmの物理的密度を有し、全ての酸化グラフェンシートが互いに略平行に且つ主表面に平行に配向され、薄金属箔なしに単独で測定される時に500W/mKより大きい熱伝導率、および/または1,500S/cmより大きい電気導電率を示す。薄フィルムGO層自体において結合剤樹脂または接着剤は使用されず、薄フィルムGO層と金属箔層との間に結合剤樹脂/接着剤または不動態化金属酸化物層はない。 The present invention provides graphene oxide bonded metal foil (thin film) current collectors in batteries or supercapacitors. The current collector consists of (a) a free-standing, unsupported thin metal foil having a thickness of 1 μm to 30 μm and two opposing substantially parallel major surfaces and (b) a and a thin film of graphene oxide sheets chemically bonded to at least one of two opposing major surfaces, wherein at least one major surface does not contain a passivating metal oxide layer (e.g., this major surface of Al foil). no alumina layer on the surface), and a thin film of graphene oxide with a thickness of 10 nm to 10 μm, an oxygen content of 0.1 wt % to 10 wt %, a graphene interplanar spacing of 0.335 to 0.50 nm, It has a physical density of 1.3-2.2 g/cm 3 , with all graphene oxide sheets oriented approximately parallel to each other and parallel to the major surfaces, and measured alone without the thin metal foil of 500 W/cm3. It exhibits thermal conductivity greater than mK and/or electrical conductivity greater than 1,500 S/cm. No binder resin or adhesive is used in the thin film GO layer itself and there is no binder resin/adhesive or passivating metal oxide layer between the thin film GO layer and the metal foil layer.

薄金属箔(例えばCu箔、Al箔、ステンレス鋼箔、Ni箔、およびTi箔)は、フィルムの厚さ、したがって電極活物質から集められるかまたはそれに移される電子が移動しなければならない経路の長さを低減するために自立フィルム(例えば、別の金属プレート片上に支持されない)でなければならない。薄金属箔は好ましくは4~10μmの厚さを有する。好ましくは、酸化グラフェンの薄フィルムは20nm~2μm(さらに好ましくは<1μm)の厚さを有する。 Thin metal foils (e.g., Cu foil, Al foil, stainless steel foil, Ni foil, and Ti foil) limit the thickness of the film and therefore the path electrons collected from or transferred to the electrode active material must travel. It must be a free-standing film (eg not supported on another piece of metal plate) to reduce length. The thin metal foil preferably has a thickness of 4-10 μm. Preferably, the thin film of graphene oxide has a thickness of 20 nm to 2 μm (more preferably <1 μm).

好ましくは、両方の主表面が各々、結合剤または接着剤を使用せずに酸化グラフェンシートの薄フィルムと化学接合しており、そこで酸化グラフェンの前記薄フィルムが10nm~10μmの厚さ、0.1重量%~10重量%の酸素含有量、0.335~0.50nmのグラフェン面間間隔、1.3~2.2g/cmの物理的密度を有し、全ての酸化グラフェンシートが互いに略平行に且つ前記主表面に平行に配向され、前記薄金属箔なしに単独で測定される時に500W/mKより大きい熱伝導率および1,500S/cmより大きい電気導電率を示す。 Preferably, both major surfaces are each chemically bonded with a thin film of graphene oxide sheet without the use of binders or adhesives, wherein said thin film of graphene oxide has a thickness of 10 nm to 10 μm, 0.5 μm. With an oxygen content of 1 wt% to 10 wt%, a graphene interplanar spacing of 0.335 to 0.50 nm, and a physical density of 1.3 to 2.2 g/ cm3 , all the graphene oxide sheets Oriented substantially parallel and parallel to said major surfaces, it exhibits a thermal conductivity greater than 500 W/mK and an electrical conductivity greater than 1,500 S/cm when measured alone without said thin metal foil.

薄金属箔は好ましくは、Cu、Ti、Ni、ステンレス鋼、および化学的にエッチングされたAl箔から選択される。化学的にエッチングされたAl箔の表面が、酸化グラフェン分子に接合される前に不動態化Alフィルムをその上に形成していないように化学エッチングがAl箔上で行われる。 The thin metal foil is preferably selected from Cu, Ti, Ni, stainless steel and chemically etched Al foil. Chemical etching is performed on the Al foil such that the surface of the chemically etched Al foil does not form a passivating Al 2 O 3 film on it before bonding to the graphene oxide molecules.

酸化グラフェンゲル(5.0以下、好ましくはおよび典型的に<3.0、最も典型的に<2.0のpH値を有する酸性媒体中に強く酸化されたグラフェン分子を含有するGOゲル)は、Al箔表面上の不動態化Al相を除去することができることを我々は驚くべきことに観察した。GOゲル中のこれらのGO分子は、典型的に>20重量%、より典型的に>30重量%、および最も典型的に>40重量%の酸素含有量を有する。対照的に、液状媒体(例えば水または有機溶媒)中の、しかしGOゲル状態ではない離散グラフェンまたは酸化グラフェンシートの簡単な懸濁液は、このエッチング能力を有さない。強く酸化されたGOシートでさえも、ゲル状態から回収および乾燥させて次に液状媒体中に再分散される場合、このエッチング能力を失うことがあり得る。GOシートは、わずかにだけ還元されて還元酸化グラフェン(RGO)になっても、このエッチング力も失うことがあり得るであろう。これらの観察は本当に予想外である。 Graphene oxide gels (GO gels containing strongly oxidized graphene molecules in an acidic medium with a pH value of 5.0 or less, preferably and typically <3.0, most typically <2.0) are , we surprisingly observed that the passivating Al2O3 phase on the Al foil surface could be removed. These GO molecules in GO gels typically have an oxygen content of >20 wt%, more typically >30 wt%, and most typically >40 wt%. In contrast, a simple suspension of discrete graphene or graphene oxide sheets in a liquid medium (eg water or organic solvent) but not in the GO gel state does not possess this etching ability. Even strongly oxidized GO sheets can lose this etching ability when recovered from the gel state, dried and then redispersed in a liquid medium. A GO sheet could also lose this etching power even if only slightly reduced to reduced graphene oxide (RGO). These observations are really unexpected.

特定の実施形態において、酸化グラフェンシートの薄フィルムは、1重量%~5重量%の酸素含有量を有する。特定の他の実施形態において、本発明の集電体内の酸化グラフェンの薄フィルムは、1%未満の酸素含有量、0.345nm未満のグラフェン間間隔、および3,000S/cm以上の電気導電率を有する。好ましくは、本発明の集電体において、酸化グラフェンの薄フィルムは、0.1%未満の酸素含有量、0.337nm未満のグラフェン間間隔、および5,000S/cm以上の電気導電率を有する。さらに好ましくは、酸化グラフェンの薄フィルムは、0.05%以下の酸素含有量、0.336nm未満のグラフェン間間隔、0.7以下のモザイクスプレッド値、および8,000S/cm以上の電気導電率を有する。 In certain embodiments, the thin film of graphene oxide sheets has an oxygen content of 1% to 5% by weight. In certain other embodiments, the thin film of graphene oxide in the current collector of the present invention has an oxygen content of less than 1%, an inter-graphene spacing of less than 0.345 nm, and an electrical conductivity of 3,000 S/cm or greater. have Preferably, in the current collector of the present invention, the graphene oxide thin film has an oxygen content of less than 0.1%, an inter-graphene spacing of less than 0.337 nm, and an electrical conductivity of 5,000 S/cm or greater. . More preferably, the graphene oxide thin film has an oxygen content of 0.05% or less, an inter-graphene spacing of less than 0.336 nm, a mosaic spread value of 0.7 or less, and an electrical conductivity of 8,000 S/cm or more. have

特定の実施形態において、酸化グラフェンの薄フィルムは、0.336nm未満のグラフェン間間隔、0.4以下のモザイクスプレッド値、および10,000S/cmより大きい電気導電率を有する。本発明の集電体のいくつかにおいて、酸化グラフェンの薄フィルムは、0.337nm未満のグラフェン間間隔および1.0未満のモザイクスプレッド値を示す。好ましくはおよび典型的に、酸化グラフェンの薄フィルムは、80%以上の黒鉛化度および/または0.4以下のモザイクスプレッド値を示す。 In certain embodiments, the graphene oxide thin film has an inter-graphene spacing of less than 0.336 nm, a mosaic spread value of 0.4 or less, and an electrical conductivity of greater than 10,000 S/cm. In some of the current collectors of the present invention, the thin films of graphene oxide exhibit inter-graphene spacings of less than 0.337 nm and mosaic spread values of less than 1.0. Preferably and typically, the graphene oxide thin films exhibit a degree of graphitization of 80% or more and/or a mosaic spread value of 0.4 or less.

また、本発明は、本発明の集電体を製造する方法を提供する。この方法において、酸化グラフェンシートの薄フィルムは、主表面の面方向に沿ってGO分子またはシートを整列する配向制御応力のもとで酸化グラフェンゲルを金属箔の主表面または2つの主表面上に堆積させる工程と、次に、堆積させた酸化グラフェンゲルを80℃~1,500℃の熱処理温度で熱処理する工程とによって得られる。好ましくは、熱処理温度は80℃~500℃である。さらに好ましくは、熱処理温度は80℃~200℃である。 The present invention also provides a method of manufacturing the current collector of the present invention. In this method, a thin film of graphene oxide sheets is formed on a major surface or two major surfaces of a metal foil under an orientation-controlled stress that aligns the GO molecules or sheets along the plane direction of the major surfaces. It is obtained by a step of depositing and then heat treating the deposited graphene oxide gel at a heat treatment temperature of 80°C to 1,500°C. Preferably, the heat treatment temperature is between 80°C and 500°C. More preferably, the heat treatment temperature is 80°C to 200°C.

予想外に、80℃~200℃しかない熱処理温度は、よく整列されている高度に配向GOシートの縁間同化(化学接合、シート状分子の伸長、または(GOゲルからの)強く酸化されたGO分子の「重合または鎖成長」を促進することができることを我々は観察した。このように、特定の実施形態において、酸化グラフェンの薄フィルムは、化学接合したグラフェン分子または互いに平行である化学的同化したグラフェン面を含有する。 Unexpectedly, the heat treatment temperature, which is only 80 °C to 200 °C, leads to edge-to-edge assimilation (chemical bonding, elongation of sheet-like molecules, or strongly oxidized (from GO gels) of well-aligned highly oriented GO sheets. We have observed that it can promote the “polymerization or chain growth” of GO molecules.Thus, in certain embodiments, thin films of graphene oxide can be formed by chemically bonding graphene molecules or chemically parallel to each other. Contains assimilated graphene planes.

いくつかの実施形態において、酸化グラフェンゲルが、(最大長さを有するGOシートをもたらす)元の最大黒鉛結晶粒径を有する黒鉛材料から得られ、酸化グラフェンの薄フィルムは、この元の最大結晶粒径または最大GO長さより大きい結晶粒径を有する。これは、ゲル状態からの高度に配向された、強く酸化されたGOシートまたは分子は、縁間同化または化学接合してより長いまたはより幅が広いグラフェンシートまたは分子を形成することができるという考えを反映する。 In some embodiments, a graphene oxide gel is obtained from a graphite material having the original maximum graphite grain size (resulting in a GO sheet having the maximum length), and a thin film of graphene oxide is formed from this original maximum crystallite size. It has a grain size larger than the grain size or the maximum GO length. This is the idea that highly oriented, strongly oxidized GO sheets or molecules from the gel state can undergo edge-to-edge assimilation or chemical bonding to form longer or wider graphene sheets or molecules. reflect.

また、本発明は、バッテリーまたはスーパーキャパシタのための薄フィルム酸化グラフェン接合金属箔集電体を製造するための方法を提供する。方法は、(a)酸化グラフェン分子を流動媒体中に溶解させた酸化グラフェンゲルを調製する工程において酸化グラフェン分子が20重量%超の酸素含有量を含有する工程と、(b)酸化グラフェンゲルの層を金属箔の2つの主表面の少なくとも1つの上に分配および堆積させて、その上に堆積させた湿潤酸化グラフェンゲルの層を形成する工程において分配および堆積手順が酸化グラフェンゲルの剪断誘起薄化を包含する工程と、(c)流動媒体を酸化グラフェンゲルの堆積させた湿潤層から部分的にまたは完全に除去して、X線回折によって測定された時に0.4nm~1.2nmの面間間隔d002を有し且つ20重量%以上の酸素含有量を有する酸化グラフェンの乾燥フィルムを形成する工程と、(d)面間間隔d002が0.335nm~0.5nmの値に減少すると共に酸素含有量が10重量%未満に減少する程度に酸化グラフェンの乾燥フィルムを80℃~2,500℃の熱処理温度で熱処理して薄フィルム酸化グラフェン接合金属箔集電体を形成する工程とを含み、および酸化グラフェンの薄フィルムが10nm~10μmの厚さ、1.3~2.2g/cmの物理的密度を有し、全ての酸化グラフェンシートが互いに略平行に且つ少なくとも1つの主表面に平行に配向される。 The present invention also provides methods for fabricating thin film graphene oxide bonded metal foil current collectors for batteries or supercapacitors. The method comprises the steps of: (a) preparing a graphene oxide gel by dissolving the graphene oxide molecules in a fluid medium, wherein the graphene oxide molecules contain an oxygen content of more than 20% by weight; Distributing and depositing a layer onto at least one of the two major surfaces of the metal foil to form a layer of wet graphene oxide gel deposited thereon wherein the dispensing and depositing procedure is shear-induced thinning of the graphene oxide gel. (c) partially or completely removing the flow medium from the deposited wetting layer of graphene oxide gel, resulting in an area of 0.4 nm to 1.2 nm as measured by X-ray diffraction; forming a dry film of graphene oxide having an interplanar spacing d 002 and an oxygen content of 20% by weight or more; and (d) reducing the interplanar spacing d 002 to a value between 0.335 nm and 0.5 nm. and heat treating the dried film of graphene oxide at a heat treatment temperature of 80° C. to 2,500° C. to the extent that the oxygen content is reduced to less than 10% by weight to form a thin film graphene oxide bonded metal foil current collector. and a thin film of graphene oxide having a thickness of 10 nm to 10 μm and a physical density of 1.3 to 2.2 g/cm 3 , all graphene oxide sheets being substantially parallel to each other and having at least one major surface oriented parallel to the

特定の実施形態において、工程(b)は、酸化グラフェンゲルの層を金属箔の2つの主表面の各々の上に分配および堆積させて、2つの主表面の各々の上に堆積させた湿潤酸化グラフェンゲルの層を形成する工程を包含し、そこで金属箔が1μm~30μmの厚さを有する。金属箔はCu、Ti、Ni、ステンレス鋼、および化学的にエッチングされたAl箔から選択されてもよく、そこで化学的にエッチングされたAl箔の表面は、前記酸化グラフェンに接合される前にその上に不動態化Alが形成されない。 In certain embodiments, step (b) comprises distributing and depositing a layer of graphene oxide gel onto each of the two major surfaces of the metal foil, and wet oxidation deposited onto each of the two major surfaces. Forming a layer of graphene gel, wherein the metal foil has a thickness of 1 μm to 30 μm. The metal foil may be selected from Cu, Ti, Ni, stainless steel, and chemically etched Al foil, wherein the surface of the chemically etched Al foil is No passivating Al 2 O 3 is formed thereon.

特定の実施形態において、工程(c)は、0.4nm~0.7nmの面間間隔d002および20重量%以上の酸素含有量を有する酸化グラフェン層を形成する工程を包含し、工程(d)は、面間間隔d002が0.3354nm~0.36nmの値に減少すると共に酸素含有量が2重量%未満に減少する程度に酸化グラフェン層を熱処理する工程を包含する。 In certain embodiments, step (c) comprises forming a graphene oxide layer having an interplanar spacing d 002 of 0.4 nm to 0.7 nm and an oxygen content of 20% by weight or more, and step (d) ) involves heat-treating the graphene oxide layer to such an extent that the interplanar spacing d 002 is reduced to a value between 0.3354 nm and 0.36 nm and the oxygen content is reduced to less than 2% by weight.

特定の実施形態において、酸化グラフェンゲルは、剪断誘起薄化の前に20℃で測定された時に2,000センチポアズ超の粘度を有し、粘度は、剪断誘起薄化の間または後に2,000センチポアズ未満に低減される。好ましくは、酸化グラフェンゲルは、剪断誘起薄化の前に20℃で測定された時に500センチポアズ~500,000センチポアズの粘度を有する。いくつかの好ましい実施形態において、酸化グラフェンゲルは、剪断誘起薄化の前に20℃で測定された時に5,000センチポアズ以上の粘度を有し、粘度は、剪断誘起薄化の間または後に2,000センチポアズ未満に低減される。典型的に、酸化グラフェンゲルは、剪断速度が20℃で増加する時に少なくとも10倍減少する粘度を有する。酸化グラフェンゲルは5.0未満、好ましくは<3.0、より好ましくは<2.0のpH値を有する。剪断誘起薄化は、コーティング、キャスティング、印刷(例えばインクジェット印刷、スクリーン印刷等)、エア・アシスト噴霧、超音波噴霧、または押出から選択される手順によって行われてもよい。好ましくは、工程(d)は、前記酸化グラフェン層を圧縮応力下で熱処理する工程を包含する。 In certain embodiments, the graphene oxide gel has a viscosity of greater than 2,000 centipoise when measured at 20° C. prior to shear-induced thinning, and a viscosity of 2,000 centipoise during or after shear-induced thinning. reduced to less than centipoise. Preferably, the graphene oxide gel has a viscosity of between 500 centipoise and 500,000 centipoise measured at 20° C. prior to shear-induced thinning. In some preferred embodiments, the graphene oxide gel has a viscosity of 5,000 centipoise or greater when measured at 20° C. prior to shear-induced thinning, and a viscosity of 2° C. during or after shear-induced thinning. ,000 centipoise. Typically, graphene oxide gels have a viscosity that decreases by at least 10-fold when the shear rate is increased at 20°C. The graphene oxide gel has a pH value below 5.0, preferably <3.0, more preferably <2.0. Shear-induced thinning may be performed by a procedure selected from coating, casting, printing (eg, inkjet printing, screen printing, etc.), air-assisted spraying, ultrasonic spraying, or extrusion. Preferably, step (d) includes heat-treating the graphene oxide layer under compressive stress.

酸化グラフェンゲルは、均質な溶液でありまた光学的に透明、半透明、または褐色である酸化グラフェンゲルを得るために十分な時間の間粉末または繊維形態の黒鉛材料を酸化性液体中に浸漬して、初期に光学的に不透明であり且つ黒ずんだ懸濁液を反応温度の反応器内に形成することによって調製されてもよく、そこで酸化グラフェンゲルは、5以下のpH値を有する酸性媒体中に溶解させた酸化グラフェン分子から構成され、酸化グラフェン分子は、20重量%以上の酸素含有量を有する。黒鉛材料は、天然黒鉛、人工黒鉛、メソフェーズ炭素、メソフェーズピッチ、メソカーボンマイクロビード、軟質炭素、硬質炭素、コークス、炭素繊維、炭素ナノ繊維、炭素ナノチューブ、またはそれらの組合せから選択されてもよい。 Graphene oxide gels are obtained by immersing a graphite material in powder or fiber form in an oxidizing liquid for a sufficient time to obtain a homogeneous solution and an optically transparent, translucent, or brown graphene oxide gel. may be prepared by forming an initially optically opaque and darkened suspension in a reactor at the reaction temperature, where the graphene oxide gel is prepared in an acidic medium having a pH value of 5 or less. The graphene oxide molecules are composed of graphene oxide molecules dissolved in , and the graphene oxide molecules have an oxygen content of 20% by weight or more. Graphite materials may be selected from natural graphite, artificial graphite, mesophase carbon, mesophase pitch, mesocarbon microbeads, soft carbon, hard carbon, coke, carbon fibers, carbon nanofibers, carbon nanotubes, or combinations thereof.

この方法は、ロールツーロール方法であることができ、そこで工程(b)および(c)は、前記金属箔のシートをローラーから堆積領域に供給する工程と、酸化グラフェンゲルの層を金属箔の少なくとも1つの主表面上に堆積させて、酸化グラフェンゲルの湿潤層をその上に形成する工程と、酸化グラフェンゲルの湿潤層を乾燥させて、主表面上に堆積させた乾燥させた酸化グラフェン層を形成する工程と、乾燥させた酸化グラフェン層を堆積させた金属箔をコレクターローラー上に集める工程とを包含する。 The method can be a roll-to-roll method, wherein steps (b) and (c) comprise feeding a sheet of said metal foil from a roller to a deposition area and applying a layer of graphene oxide gel onto the metal foil. depositing on at least one major surface to form a wet layer of graphene oxide gel thereon; and drying the wet layer of graphene oxide gel to deposit a dried graphene oxide layer on the major surface. and collecting the metal foil with the dried graphene oxide layer deposited on a collector roller.

特定の実施形態において、熱処理温度が80℃~500℃の熱還元レジームの温度を含み、および酸化グラフェンのフィルムが、5%未満の酸素含有量、0.4nm未満のグラフェン間間隔、および/または少なくとも100W/mKの熱伝導率を有する。特定の実施形態において、熱処理温度が500℃~1,000℃の範囲の温度を含み、および単位グラフェン材料が、1%未満の酸素含有量、0.345nm未満のグラフェン間間隔、少なくとも1,300W/mKの熱伝導率、および/または3,000S/cm以上の電気導電率を有する。特定の実施形態において、熱処理温度が1,000℃~1,500℃の範囲の温度を含み、および酸化グラフェンフィルムが、0.01%未満の酸素含有量、0.337nm未満のグラフェン間間隔、少なくとも1,500W/mKの熱伝導率、および/または5,000S/cm以上の電気導電率を有する。 In certain embodiments, the heat treatment temperature comprises a temperature in the thermal reduction regime of 80° C. to 500° C., and the graphene oxide film has an oxygen content of less than 5%, an inter-graphene spacing of less than 0.4 nm, and/or It has a thermal conductivity of at least 100 W/mK. In certain embodiments, the heat treatment temperature comprises a temperature in the range of 500° C. to 1,000° C., and the unit graphene material has an oxygen content of less than 1%, an inter-graphene spacing of less than 0.345 nm, and at least 1,300 W /mK and/or an electrical conductivity of 3,000 S/cm or higher. In certain embodiments, the heat treatment temperature comprises a temperature in the range of 1,000° C. to 1,500° C., and the graphene oxide film has an oxygen content of less than 0.01%, an inter-graphene spacing of less than 0.337 nm, It has a thermal conductivity of at least 1,500 W/mK and/or an electrical conductivity of 5,000 S/cm or more.

特定の実施形態において、酸化グラフェンフィルムが0.337nm未満のグラフェン間間隔および1.0未満のモザイクスプレッド値を示す。特定の実施形態において、酸化グラフェンフィルムが40%以上の黒鉛化度および/または0.7未満のモザイクスプレッド値を示す。特定の実施形態において、酸化グラフェンフィルムが80%以上の黒鉛化度および/または0.4以下のモザイクスプレッド値を示す。 In certain embodiments, the graphene oxide films exhibit inter-graphene spacings of less than 0.337 nm and mosaic spread values of less than 1.0. In certain embodiments, the graphene oxide film exhibits a degree of graphitization of 40% or greater and/or a mosaic spread value of less than 0.7. In certain embodiments, the graphene oxide film exhibits a degree of graphitization of 80% or greater and/or a mosaic spread value of 0.4 or less.

典型的に、酸化グラフェンフィルムは、化学接合したグラフェン分子または互いに平行である化学的同化したグラフェン面を含有する。 Typically, graphene oxide films contain chemically bonded graphene molecules or chemically assimilated graphene planes that are parallel to each other.

特定の実施形態において、酸化グラフェンゲルは、X線回折または電子回折方法によって測定された好ましい結晶配向を示さない複数の黒鉛微結晶を有する黒鉛材料から得られ、および前記酸化グラフェンフィルムは、前記X線回折または電子回折方法によって測定された好ましい結晶配向を有する。 In certain embodiments, the graphene oxide gel is obtained from a graphite material having a plurality of graphite crystallites that do not exhibit a preferred crystallographic orientation as determined by X-ray diffraction or electron diffraction methods, and said graphene oxide film comprises said X It has a preferred crystal orientation determined by line diffraction or electron diffraction methods.

酸化グラフェンゲルは、液状媒体に溶解させた酸化グラフェン分子から構成された均質な溶液を得るために十分な時間の間反応温度において反応器内の酸化性液状媒体に粉末または繊維形態の黒鉛材料を浸漬することによって得られてもよく、そこで均質な溶液が光学的に透明、半透明、または褐色であり、および前記酸化グラフェン分子は、20重量%以上の酸素含有量を有し且つゲル状態にある間43,000g/モル未満の分子量を有する。いくつかのGOゲルにおいて、酸化グラフェン分子は、ゲル状態にある間4,000g/モル未満の分子量を有する。いくつかの他のGOゲルにおいて、酸化グラフェン分子は、ゲル状態にある間200g/モル~4,000g/モルの間の分子量を有する。 Graphene oxide gels are prepared by adding graphite material in powder or fibrous form to an oxidizing liquid medium in a reactor at a reaction temperature for a time sufficient to obtain a homogeneous solution composed of graphene oxide molecules dissolved in the liquid medium. may be obtained by immersion, in which a homogeneous solution is optically transparent, translucent, or brown, and said graphene oxide molecules have an oxygen content of 20% by weight or more and are in a gel state. It has a molecular weight of less than 43,000 g/mol for some time. In some GO gels, graphene oxide molecules have a molecular weight of less than 4,000 g/mol while in the gel state. In some other GO gels, the graphene oxide molecules have molecular weights between 200 g/mol and 4,000 g/mol while in the gel state.

本発明の方法において、熱処理の工程は、酸化グラフェン分子の化学連結、同化、または化学接合、および/または再黒鉛化または黒鉛構造物の再組織化を引き起こす。 In the method of the present invention, the step of heat treatment causes chemical ligation, assimilation, or chemical bonding of graphene oxide molecules and/or re-graphitization or reorganization of the graphitic structure.

この方法は典型的に、3,000S/cmより大きい電気導電率、600W/mKより大きい熱伝導率、1.8g/cm3より大きい物理的密度、および/または40MPaより大きい引張強さを有する酸化グラフェンフィルムをもたらす。より典型的に、酸化グラフェンフィルムは、5,000S/cmより大きい電気導電率、1,000W/mKより大きい熱伝導率、1.9g/cm3より大きい物理的密度、および/または60MPaより大きい引張強さを有する。多くの場合、酸化グラフェンフィルムは、15,000S/cmより大きい電気導電率、1,500W/mKより大きい熱伝導率、2.0g/cmより大きい物理的密度、および/または80MPaより大きい引張強さを有する。 This method typically uses an oxidized steel with an electrical conductivity greater than 3,000 S/cm, a thermal conductivity greater than 600 W/mK, a physical density greater than 1.8 g/cm, and/or a tensile strength greater than 40 MPa. result in a graphene film. More typically, graphene oxide films have an electrical conductivity greater than 5,000 S/cm, a thermal conductivity greater than 1,000 W/mK, a physical density greater than 1.9 g/cm, and/or a tensile Have strength. Graphene oxide films often have electrical conductivity greater than 15,000 S/cm, thermal conductivity greater than 1,500 W/mK, physical density greater than 2.0 g/cm 3 , and/or tensile strength greater than 80 MPa. Have strength.

また、バッテリーまたはスーパーキャパシタのための薄フィルム酸化グラフェン接合金属箔集電体を製造するための方法もまた提供され、方法は、(a)酸化グラフェン分子を流動媒体中に溶解させた酸化グラフェンゲル浴を調製する工程において酸化グラフェン分子が20重量%超の酸素含有量を含有し且つ酸化グラフェンゲルが5.0未満のpH値を有する工程と、(b)金属箔のシートをGOゲル浴中に供給すると共に金属箔のシートを浴から外に移動させ(主表面の近くに剪断応力を生じる)、金属箔の2つの主表面の各々の上への酸化グラフェンゲルの湿潤層の堆積を可能にする工程と、(c)流動媒体を酸化グラフェンゲルの堆積させた湿潤層から部分的にまたは完全に除去して、X線回折によって測定された時に0.4nm~1.2nmの面間間隔d002を有し且つ20重量%以上の酸素含有量を有する酸化グラフェンの乾燥フィルムを形成する工程と、(d)面間間隔d002が0.335nm~0.5nmの値に減少すると共に酸素含有量が10重量%未満に減少する程度に酸化グラフェンの乾燥フィルムを80℃~2,500℃の熱処理温度で熱処理して薄フィルム酸化グラフェン接合金属箔集電体を形成する工程とを含み、および酸化グラフェンの薄フィルムが10nm~10μmの厚さ、1.3~2.2g/cmの物理的密度を有し、および全ての酸化グラフェンシートが互いに略平行に且つ前記少なくとも1つの主表面に平行に配向される。GOゲル自体がAl箔表面上の不動態化アルミナ層を除去することができ、またこの方法が不動態化アルミナ層の再形成を防ぐので、この方法はGOでコートされたアルミニウム箔の製造のために特に適している。 Also provided is a method for fabricating a thin film graphene oxide bonded metal foil current collector for a battery or supercapacitor, the method comprising: (a) a graphene oxide gel with graphene oxide molecules dissolved in a fluid medium; (b) placing a sheet of metal foil in the GO gel bath; and move the sheet of metal foil out of the bath (creating shear stress near the major surfaces), allowing deposition of a wet layer of graphene oxide gel on each of the two major surfaces of the metal foil. and (c) partially or completely removing the flowing medium from the deposited wetting layer of graphene oxide gel to provide an interplanar spacing of 0.4 nm to 1.2 nm as measured by X-ray diffraction. (d) reducing the interplanar spacing d 002 to a value between 0.335 nm and 0.5 nm and oxygen heat treating the dried film of graphene oxide at a heat treatment temperature of 80° C. to 2,500° C. to the extent that the content is reduced to less than 10% by weight to form a thin film graphene oxide bonded metal foil current collector; and a thin film of graphene oxide having a thickness of 10 nm to 10 μm, a physical density of 1.3 to 2.2 g/cm 3 , and all graphene oxide sheets being substantially parallel to each other and the at least one major surface oriented parallel to the This method is useful for the production of GO-coated aluminum foils because the GO gel itself can remove the passivated alumina layer on the Al foil surface and this method prevents reformation of the passivated alumina layer. particularly suitable for

特定の実施形態において、酸化グラフェンゲルは、a軸結晶方向の初期長さL、b軸方向の初期幅L、およびc軸方向の厚さLを有する黒鉛微結晶から構成される天然黒鉛または人工黒鉛の粒子から製造され、および酸化グラフェンの薄フィルムは、黒鉛微結晶の初期LおよびLより大きいグラフェンドメインまたは結晶長さまたは幅を有する。 In certain embodiments, the graphene oxide gel is composed of natural graphite crystallites having an initial length L a along the a-axis crystallographic direction, an initial width L b along the b-axis direction, and a thickness L c along the c-axis direction. Thin films of graphene oxide, fabricated from particles of graphite or artificial graphite, have graphene domains or crystal lengths or widths greater than the initial La and Lb of the graphite crystallites.

典型的に、酸化グラフェンの薄フィルムは、spおよびsp電子配置の組合せを有するグラフェン面を含有する。好ましくは、酸化グラフェンの薄フィルムは、5cm以上(好ましくは10cm以上およびさらに好ましくは20cm以上)の長さおよび1cm以上(好ましくは10cm以上)の幅を有する連続長のフィルムである。ここに発明された酸化グラフェンの連続長の薄フィルムの長さおよび幅に実用制限はない。 Typically, thin films of graphene oxide contain graphene planes with a combination of sp 2 and sp 3 electron configurations. Preferably, the thin film of graphene oxide is a continuous length film having a length of 5 cm or more (preferably 10 cm or more and more preferably 20 cm or more) and a width of 1 cm or more (preferably 10 cm or more). There is no practical limit to the length and width of the continuous length thin films of graphene oxide invented herein.

特定の実施形態において、酸化グラフェンの薄フィルムは、単独で測定されるとき、1.8g/cm3より大きい物理的密度、および/または40MPaより大きい引張強さを有し、好ましくは1.9g/cm3より大きい物理的密度、および/または60MPaより大きい引張強さを有し、およびより好ましくは2.0g/cmより大きい物理的密度、および/または80MPaより大きい引張強さを有する。 In certain embodiments, the graphene oxide thin film has a physical density greater than 1.8 g/cm and/or a tensile strength greater than 40 MPa, preferably 1.9 g/cm3, when measured alone. It has a physical density greater than cm3 and/or a tensile strength greater than 60 MPa, and more preferably has a physical density greater than 2.0 g/ cm3 and/or a tensile strength greater than 80 MPa.

また、本発明は、アノード集電体および/またはカソード集電体として本発明の集電体を含有する再充電可能リチウムバッテリーまたはリチウムイオンバッテリーを提供する。再充電可能リチウムバッテリーは、リチウム-硫黄セル、リチウム-セレンセル、リチウム硫黄/セレンセル、リチウム-空気セル、リチウム-グラフェンセル、またはリチウム-炭素セルであってもよい。 The invention also provides a rechargeable lithium or lithium ion battery containing the current collector of the invention as an anode current collector and/or a cathode current collector. Rechargeable lithium batteries may be lithium-sulfur cells, lithium-selenium cells, lithium-sulfur/selenium cells, lithium-air cells, lithium-graphene cells, or lithium-carbon cells.

また、本発明は、アノード集電体またはカソード集電体として本発明の集電体を含有するキャパシタを提供し、そのキャパシタは、対称ウルトラキャパシタ、非対称ウルトラキャパシタセル、ハイブリッドスーパーキャパシタ-バッテリーセル、またはリチウムイオンキャパシタセルである。 The present invention also provides capacitors containing the current collector of the present invention as an anode current collector or a cathode current collector, which capacitors include symmetric ultracapacitors, asymmetric ultracapacitor cells, hybrid supercapacitor-battery cells, Or a lithium ion capacitor cell.

図1(A)は、酸化グラフェンゲル21、および配向GO35の未乾燥フィルム、ならびに金属箔表面に接合したGOの薄フィルム37を製造するための方法と共に、剥離黒鉛製品(可撓性黒鉛箔および可撓性黒鉛複合物)および熱分解黒鉛(下部分)を製造する様々な先行技術の方法を説明するフローチャートである。FIG. 1(A) shows exfoliated graphite products (flexible graphite foil and 1 is a flow chart describing various prior art methods of making flexible graphite composites) and pyrolytic graphite (bottom part). 図1(B)は、単塊状黒鉛またはグラフェン(NGP)フレーク/プレートリットの紙、マット、および膜を製造するための従来の方法を説明する略図である。全ての方法は、黒鉛材料(例えば天然黒鉛粒子)のインターカレーションおよび/または酸化処理から開始する。FIG. 1(B) is a schematic diagram illustrating conventional methods for manufacturing monoglobulous graphite or graphene (NGP) flake/platelet papers, mats, and films. All methods start with an intercalation and/or oxidation treatment of graphite material (eg, natural graphite particles). 図1(C)は、結合剤樹脂層(または不動態化酸化アルミニウム層)がグラフェン層とCu箔(またはAl箔)などの金属箔との間に存在している、先行技術のグラフェンでコートされた金属箔集電体を図示する略図である。FIG. 1(C) shows prior art graphene coated with a binder resin layer (or passivating aluminum oxide layer) between the graphene layer and a metal foil such as Cu foil (or Al foil). 1 is a schematic diagram illustrating a laminated metal foil current collector; 図1(D)は、結合剤樹脂層または不動態化酸化アルミニウム層が酸化グラフェンフィルムとCu箔またはAl箔との間に存在していない、好ましいグラフェン接合金属箔集電体を図示する略図である。FIG. 1(D) is a schematic diagram illustrating a preferred graphene-bonded metal foil current collector in which no binder resin layer or passivating aluminum oxide layer is present between the graphene oxide film and the Cu foil or Al foil. be. 図2(A)は、黒鉛層間化合物(GIC)または黒鉛酸化物粉末の熱剥離後の黒鉛ワーム試料のSEM画像である。FIG. 2(A) is an SEM image of a graphite worm sample after thermal exfoliation of graphite intercalation compound (GIC) or graphite oxide powder. 図2(B)は、可撓性黒鉛箔表面に平行ではない配向を有する多くの黒鉛フレークを示すと共にまた、多くの欠陥、よじれたまたは折れたフレークを示す、可撓性黒鉛箔の横断面のSEM画像である。FIG. 2(B) is a cross section of a flexible graphite foil showing many graphite flakes with non-parallel orientation to the flexible graphite foil surface and also showing many flaws, twisted or broken flakes. is an SEM image of. 図3(A)は、GOゲル由来モノリシックグラフェンのSEM画像であり、そこで黒鉛粒子中の複数のグラフェン面(30nm~2μmの元の長さ/幅を有する)は、酸化、剥離、再配向されており、幅または長さ数百センチメートルに及び得る連続長のグラフェンシートまたは層にシームレスに同化されている。FIG. 3(A) is an SEM image of GO gel-derived monolithic graphene, where multiple graphene planes (with original length/width of 30 nm-2 μm) in the graphite particles are oxidized, exfoliated, and reoriented. are seamlessly assimilated into continuous lengths of graphene sheets or layers that can span hundreds of centimeters in width or length. 図3(B)は、製紙プロセス(例えば真空補助濾過)を使用して離散グラフェンシート/プレートリットから作製される従来のグラフェン紙/フィルムの横断面のSEM画像である。画像は、折れるかまたは割り込まれている(統合されていない)多くの離散グラフェンシートを示し、配向がフィルム/紙表面に平行でなく、多くの欠陥または不完全部を有する。FIG. 3(B) is a cross-sectional SEM image of a conventional graphene paper/film made from discrete graphene sheets/plate lit using a papermaking process (eg, vacuum-assisted filtration). The image shows many discrete graphene sheets that are folded or interrupted (unintegrated), the orientation is not parallel to the film/paper surface, and has many defects or imperfections. 図3(C)は、互いに平行であり且つグラフェン面方向に化学連結されると共にまた厚さ方向またはc軸結晶方向に接合される複数のグラフェン面から構成される統合GO実体の形成プロセスを図示する略図である。FIG. 3(C) illustrates the formation process of an integrated GO entity composed of multiple graphene planes that are parallel to each other and chemically linked in the graphene plane direction and joined in the thickness direction or the c-axis crystallographic direction. It is a schematic diagram to do. 図3(D)は、1つの妥当な化学接合機構(2つのGO分子だけが例として示される;多数のGO分子を一緒に化学連結して大きなグラフェンドメインを形成することができる)。FIG. 3(D) shows one plausible chemical conjugation mechanism (only two GO molecules are shown as an example; many GO molecules can be chemically linked together to form a large graphene domain). 図4(A)は、黒鉛化のための最終熱処理温度の関数としてプロットされたGOゲル由来グラフェン層、GOプレートリット紙、およびFG箔の熱伝導率の値である。FIG. 4(A) is the thermal conductivity values of GO gel-derived graphene layers, GO platelet paper, and FG foil plotted as a function of final heat treatment temperature for graphitization. 図4(B)は、GOゲル由来グラフェン層、ポリイミド由来熱分解黒鉛(PG)、およびCVD炭素由来PGの熱伝導率の値であり、全てが最終黒鉛化または再黒鉛化温度の関数としてプロットされる。FIG. 4(B) is the thermal conductivity values of GO gel-derived graphene layers, polyimide-derived pyrolytic graphite (PG), and CVD carbon-derived PG, all plotted as a function of final graphitization or re-graphitization temperature. be done. 図4(C)は、最終黒鉛化または再黒鉛化温度の関数としてプロットされる、GOゲル由来グラフェン層、GOプレートリット紙、およびFG箔の電気導電率の値である。FIG. 4(C) is the electrical conductivity values of GO gel-derived graphene layers, GO platelet paper, and FG foil plotted as a function of final graphitization or re-graphitization temperature. 図5(A)は、GOフィルム(乾燥させたGOゲル)のX線回折曲線である。FIG. 5(A) is the X-ray diffraction curve of the GO film (dried GO gel). 図5(B)は、150℃で熱還元された(部分的に還元された)GOフィルムのX線回折曲線である。FIG. 5(B) is the X-ray diffraction curve of the GO film thermally reduced (partially reduced) at 150°C. 図5(C)は、高度還元および再黒鉛化GOフィルムのX線回折曲線である。FIG. 5(C) is the X-ray diffraction curves of the highly reduced and re-graphitized GO films. 図5(D)は、高強度(004)ピークを示す高度再黒鉛化および再結晶化GO結晶のX線回折曲線である。FIG. 5(D) is the X-ray diffraction curve of highly re-graphitized and re-crystallized GO crystals showing high intensity (004) peaks. 図5(E)は、3,000℃ものHTTを使用するポリイミド由来HOPGのX線回折曲線である。FIG. 5(E) is an X-ray diffraction curve of polyimide-derived HOPG using HTT as high as 3,000°C. 図6(A)は、X線回折によって測定されたグラフェン面間間隔である。FIG. 6(A) is the spacing between graphene planes measured by X-ray diffraction. 図6(B)は、GOゲル由来GO薄フィルム中の酸素含有量である。FIG. 6(B) is the oxygen content in the GO gel-derived GO thin film. 図6(C)は、グラフェン間間隔と酸素含有量との間の相関関係である。FIG. 6(C) is the correlation between inter-graphene spacing and oxygen content. 図6(D)は、GOゲル由来GO薄フィルムおよび可撓性黒鉛(FG)箔の熱伝導率であり、全て最終熱処理温度の関数としてプロットされた。FIG. 6(D) is the thermal conductivity of GO gel-derived GO thin films and flexible graphite (FG) foils, all plotted as a function of final heat treatment temperature. 図7(A)は、広範な熱処理温度についてのGOゲル由来のGOの薄フィルム、離散GOプレートリットの紙(GOゲル状態に由来しない)、および可撓性黒鉛箔の引張強さである。FIG. 7(A) is the tensile strength of GO thin films from GO gel, discrete GO platelet paper (not from GO gel state), and flexible graphite foil for a wide range of heat treatment temperatures. 図7(B)は、熱処理温度の関数としてプロットされたGO薄フィルムの耐引掻性である。FIG. 7(B) is the scratch resistance of GO thin films plotted as a function of heat treatment temperature. 図8(A)は、(剪断速度に比例する)粘度計のスピンドル速度の関数としてプロットされるグラフェンゲルの粘度値(両線形スケール(linear-linear scale))である。FIG. 8(A) is the graphene gel viscosity values (linear-linear scale) plotted as a function of viscometer spindle speed (proportional to shear rate). 図8(B)は、対数線形スケールの粘度値である。FIG. 8B shows viscosity values on a log-linear scale. 図8(C)は、両対数スケールの粘度値である。FIG. 8C shows viscosity values on a logarithmic scale. 図9(A)は、充電/放電サイクル数の関数としての3つのLi-Sセルそれぞれの放電容量値である。アノード集電体およびカソード集電体としてGO接合Cu箔およびGO接合Al箔をそれぞれ有する第1のセル;アノード集電体およびカソード集電体としてGO/樹脂でコートされたCu箔およびGOでコートされたAl箔(予備エッチングなし)をそれぞれ有する第2のセル(先行技術のセル);Cu箔アノード集電体およびAl箔カソード集電体を有する第3のセル(先行技術のセル)。FIG. 9(A) shows the discharge capacity values for each of the three Li—S cells as a function of the number of charge/discharge cycles. First cell with GO-bonded Cu foil and GO-bonded Al foil as anode and cathode current collectors, respectively; GO/resin-coated Cu foil and GO-coated as anode and cathode current collectors. a second cell (prior art cell) each having a pre-etched Al foil (no pre-etching); a third cell (prior art cell) having a Cu foil anode current collector and an Al foil cathode current collector. 図9(B)は、3つのセルのラゴーンプロットである。アノード集電体およびカソード集電体としてGO接合Cu箔およびGO接合Al箔をそれぞれ有する第1のセル、アノード集電体およびカソード集電体としてGO/樹脂でコートされたCu箔およびGOでコートされたAl箔(予備エッチングなし)をそれぞれ有する第2のセル(先行技術のセル)、Cu箔アノード集電体およびAl箔カソード集電体を有する第3のセル(先行技術のセル)。FIG. 9B is a three-cell Ragone plot. First cell with GO-bonded Cu foil and GO-bonded Al foil as anode and cathode current collectors, respectively, GO/resin-coated Cu foil and coated with GO as anode and cathode current collectors a second cell (prior art cell) each having a pre-etched Al foil (no pre-etching), a third cell (prior art cell) having a Cu foil anode current collector and an Al foil cathode current collector. 図10は、3つのマグネシウム金属セルのセル容量値である。アノード集電体およびカソード集電体としてGO接合Cu箔およびGO接合Al箔をそれぞれ有する第1のセル、アノード集電体およびカソード集電体としてGO/樹脂でコートされたCu箔およびGOでコートされたAl箔(予備エッチングなし)をそれぞれ有する第2のセル(先行技術のセル)、Cu箔アノード集電体およびAl箔カソード集電体を有する第3のセル(先行技術のセル)。FIG. 10 is the cell capacity values for three magnesium metal cells. First cell with GO-bonded Cu foil and GO-bonded Al foil as anode and cathode current collectors, respectively, GO/resin-coated Cu foil and coated with GO as anode and cathode current collectors a second cell (prior art cell) each having a pre-etched Al foil (no pre-etching), a third cell (prior art cell) having a Cu foil anode current collector and an Al foil cathode current collector.

本発明は、バッテリーまたはスーパーキャパシタ内の(例えば図1(D)において図解的に示されるような)酸化グラフェン接合金属箔薄フィルム集電体を提供する。集電体は、(a)1μm~30μmの厚さおよび2つの対向した略平行な主表面を有する自立した、支持無しの薄金属箔(図1(D)の214)と、(b)結合剤または接着剤を使用せずに2つの対向した主表面の少なくとも1つに化学接合した酸化グラフェンの薄フィルム212とを含む。図1(D)は単に、金属箔214の1つの主表面が酸化グラフェンの薄フィルム212に接合されているのを示す。しかしながら、好ましくは、反対側の主表面はまた、酸化グラフェンの薄フィルムに接合されている(図1(D)に示されない)。外部回路に電気的に接続するための電極端子として、金属タブ218は典型的に、金属箔214に溶接またははんだ付けされる。 The present invention provides a graphene oxide bonded metal foil thin film current collector (eg, as shown schematically in FIG. 1(D)) in a battery or supercapacitor. The current collector consists of (a) a free-standing, unsupported thin metal foil (214 in FIG. 1(D)) having a thickness of 1 μm to 30 μm and two opposing substantially parallel major surfaces, and (b) a bond. and a thin film of graphene oxide 212 chemically bonded to at least one of the two opposing major surfaces without the use of an agent or adhesive. FIG. 1D simply shows one major surface of the metal foil 214 bonded to a thin film 212 of graphene oxide. Preferably, however, the opposite major surface is also bonded to a thin film of graphene oxide (not shown in FIG. 1(D)). Metal tabs 218 are typically welded or soldered to metal foil 214 as electrode terminals for electrical connection to external circuitry.

図1(D)に図示されるように、本発明の好ましい実施形態は、酸化グラフェン接合金属箔集電体であり、そこで結合剤樹脂層または不動態化酸化アルミニウム層が酸化グラフェンフィルムとCu箔またはAl箔との間に存在していない。対照的に、図1(C)に図解的に示されるように、先行技術のグラフェンでコートされた金属箔集電体は典型的におよび必ず、グラフェン層(グラフェン-樹脂複合物)と金属箔(例えばCu箔)との間に結合剤樹脂層を必要とする。先行技術のグラフェンでコートされたAl箔[Prabakarら;参考文献2]の場合、不動態化酸化アルミニウム(アルミナ)層は、グラフェン層とAl金属箔との間に自然に存在している。これは、アルミニウム箔が、製造および室内の空気に暴露時に不動態化酸化アルミニウム層をAl箔の表面上に常に形成するという公知の事実による。アセトンまたはアルコールによる簡単な清浄化は、このアルミナ層を除去することができない。後の段落で説明されるように、結合剤樹脂または酸化アルミニウムの層の存在は、わずか1nmの薄さでも、グラフェン層と金属箔との間の接触抵抗を増加させることに非常に大きな効果を有する。我々によるこの驚くべき発見は全ての先行技術の研究者によって全く見落とされており、したがって、先行技術のグラフェンでコートされた金属箔は、リチウムバッテリーまたはスーパーキャパシタ集電体の性能および要求価格を満たしていない。 As illustrated in FIG. 1(D), a preferred embodiment of the present invention is a graphene oxide-bonded metal foil current collector, wherein a binder resin layer or passivated aluminum oxide layer is a graphene oxide film and a Cu foil. Or does not exist between Al foil. In contrast, as shown diagrammatically in FIG. (for example Cu foil) requires a binder resin layer. In the case of prior art graphene-coated Al foils [Prabakar et al.; ref. 2], a passivating aluminum oxide (alumina) layer naturally exists between the graphene layer and the Al metal foil. This is due to the known fact that aluminum foil always forms a passivating aluminum oxide layer on the surface of the Al foil during manufacture and exposure to room air. Simple cleaning with acetone or alcohol cannot remove this alumina layer. As explained in later paragraphs, the presence of a layer of binder resin or aluminum oxide, even with a thickness of only 1 nm, has a very large effect in increasing the contact resistance between the graphene layer and the metal foil. have. This surprising discovery by us has been completely overlooked by all prior art researchers, and thus prior art graphene-coated metal foils meet the performance and price requirements of lithium batteries or supercapacitor current collectors. not

酸化グラフェンシートをCu、Ni、またはTi箔の主表面と直接に接触させる非常に著しい且つ予想外の利点は、外部樹脂結合剤または接着剤を使用せずに(したがって、接触抵抗は劇的に増加しない)、本発明の加工条件下で酸化グラフェン分子はこれらの金属箔に十分に接合され得るという概念である。これらの加工条件には、酸化グラフェンシートを金属箔表面上に十分に整列する工程と、次に、2層構造物を80℃~1,500℃の範囲(より典型的におよび望ましくは80℃~500℃、および最も典型的におよび望ましくは80℃~200℃の範囲)の温度で熱処理する工程とが含まれる。任意選択により、好ましくはないが、熱処理温度は3,000℃もの高温であり得る。 A very significant and unexpected advantage of having graphene oxide sheets in direct contact with the major surfaces of Cu, Ni, or Ti foils is that without the use of external resin binders or adhesives (the contact resistance is therefore dramatically reduced to not increase), the notion that graphene oxide molecules can be well bonded to these metal foils under the processing conditions of the present invention. These processing conditions include the steps of well aligning the graphene oxide sheets onto the metal foil surface and then the bilayer structure at temperatures in the range of 80°C to 1,500°C (more typically and desirably 80°C). -500°C, and most typically and desirably in the range of 80°C to 200°C. Optionally, but not preferably, the heat treatment temperature can be as high as 3,000°C.

これらの加工条件には、アルミニウム箔をベースとした集電体の場合、酸化グラフェンでコートされて接合される前に不動態化酸化アルミニウム層を化学エッチングして除去する工程と、その後に、上述の同等の温度条件下で熱処理する工程とが含まれる。あるいは、酸化グラフェンはGOゲル状態で調製されてもよく、それは高い酸素含有量を有し、高い量の-OHおよび-COOH基を示し、5.0未満のpH値(好ましくは<3.0およびさらにより好ましくは<2.0)を有することを特徴とする。Al箔をGOゲルの浴中に浸漬させておいてもよく、そこで酸性環境が不動態化Al層を自然に除去する。Al箔が浴から現れるとき、GO分子またはシートが清浄な、エッチングされたAl箔表面に自然に付着し、開放空気へのAl箔表面の暴露を有効に防ぐ(したがって、不動態化Al層がなく、Al箔表面とGO層との間に付加的な接触抵抗がない)。この方法はこれまで決して開示または提案されていない。 These processing conditions include, for aluminum foil-based current collectors, chemically etching away the passivating aluminum oxide layer before it is coated with graphene oxide and bonded, followed by the steps described above. and heat-treating under equivalent temperature conditions of Alternatively, graphene oxide may be prepared in the GO gel state, which has a high oxygen content, exhibits a high amount of —OH and —COOH groups, and has a pH value below 5.0 (preferably <3.0 and even more preferably <2.0). The Al foil may be left immersed in a bath of GO gel, where the acidic environment spontaneously removes the passivating Al 2 O 3 layer. When the Al foil emerges from the bath, the GO molecules or sheets spontaneously adhere to the clean, etched Al foil surface, effectively preventing exposure of the Al foil surface to open air (thus passivating Al 2 O 3 layers and no additional contact resistance between the Al foil surface and the GO layer). This method has never been disclosed or proposed before.

本発明のGO層の化学接合力およびGOゲルの化学エッチング力の他に、本発明の酸化グラフェン接合金属箔内の得られた酸化グラフェンの薄フィルムは、10nm~10μmの厚さ、0.1重量%~10重量%の酸素含有量、0.335~0.50nmのグラフェン面間間隔、1.3~2.2g/cmの物理的密度を有し、全ての酸化グラフェンシートが互いに略平行に且つ主表面に平行に配向され、薄金属箔なしに単独で測定される時に500W/mKより大きい熱伝導率、および/または1,500S/cmより大きい電気導電率を示す。酸化グラフェンのこの薄フィルムは、化学的に不活性であり、下にある金属箔の腐食に対して非常に有効な保護層を提供する。 Besides the chemical bonding power of the GO layer of the present invention and the chemical etching power of the GO gel, the resulting thin film of graphene oxide in the graphene oxide bonded metal foil of the present invention has a thickness of 10 nm to 10 μm, a thickness of 0.1 With an oxygen content of wt . Oriented parallel and parallel to the major surfaces, it exhibits a thermal conductivity greater than 500 W/mK and/or an electrical conductivity greater than 1,500 S/cm when measured alone without the thin metal foil. This thin film of graphene oxide is chemically inert and provides a highly effective protective layer against corrosion of the underlying metal foil.

ここで、図1(C)に図示されるような3層構造物の全抵抗(接触抵抗を含む)の大きさをさらに詳しく検討する。グラフェン層202(層1)内の電子はこの層内で動き回り、結合剤樹脂または不動態化アルミナ層206(層2)を横断し、次いで金属箔層204(層3)内で端子のタブ208に向かって移動しなければならない。簡潔にするために、グラフェン層の厚さ、結合剤/不動態化層の厚さ、および金属箔層の厚さにわたって移動する電子に対する全抵抗だけを考慮する。グラフェンまたは金属箔の両方の面内の方向の電子の移動は迅速であり、および低い抵抗であり、したがって、この抵抗は、身近な計算では無視される。 Now consider in more detail the magnitude of the total resistance (including the contact resistance) of the three-layer structure as illustrated in FIG. 1(C). Electrons in the graphene layer 202 (layer 1) move around within this layer, traverse the binder resin or passivated alumina layer 206 (layer 2), and then within the metal foil layer 204 (layer 3) the terminal tabs 208. must move towards For simplicity, only the total resistance to electrons traveling across the graphene layer thickness, the binder/passivation layer thickness, and the metal foil layer thickness is considered. The movement of electrons in the in-plane direction of both graphene or metal foil is rapid and of low resistance, so this resistance is neglected in familiar calculations.

導体のシート/フィルムの厚さ方向の抵抗は、R=(1/σ)(t/A)によって与えられ、式中、A=導体の横断面(長さ×幅)、t=導体の厚さ、σ=導電率=1/ρ、およびρ=抵抗率、材料定数である。結合剤または不動態化金属酸化物層を含有するグラフェンでコートされた集電体は、グラフェンフィルム、界面結合剤樹脂層(または不動態化アルミナ層)、および金属箔層が直列に電気接続された3層構造物(図1(C))と見なされてもよい。 The through-thickness resistance of a conductor sheet/film is given by R = (1/σ)(t/A), where A = conductor cross-section (length x width), t = conductor thickness σ = conductivity = 1/ρ, and ρ = resistivity, a material constant. A graphene-coated current collector containing a binder or passivated metal oxide layer has a graphene film, an interfacial binder resin layer (or a passivated alumina layer), and a metal foil layer electrically connected in series. may be regarded as a three-layer structure (FIG. 1(C)).

全抵抗は、3層の抵抗値の合計である:R=R+R+R=ρ(t/A)+ρ(t/A)+ρ(t/A)=(1/σ)(t/A)+(1/σ)(t/A)+(1/σ)(t/A)、式中、ρ=抵抗率、σ=導電率、t=厚さ、およびA=層の面積、ならびに、大体、A=A=Aである。走査電子顕微鏡検査は、結合剤樹脂または不動態化アルミナ層が典型的に厚さ5~100nmであることを示す。最も一般的に使用される結合剤樹脂(PVDF)の抵抗率およびアルミナ(Al)の抵抗率は典型的に、1013~1015ohm-cmの範囲である。A=A=A=1cmと考えると、グラフェン層の厚さ方向の抵抗率ρ=0.1ohm-cm、結合剤またはアルミナ層の抵抗率ρ=1×1014ohm-cmおよび金属箔層の抵抗率はρ=1.7×10-6ohm-cm(Cu箔)、またはρ=2.7×10-6ohm-cm(Al箔)である。また、CuまたはAl箔の厚さ=6μm、グラフェン層の厚さ=1μm、および結合剤樹脂層の厚さがわずか0.5nmである(実際にはそれは5nm~100nmである)最適条件を考える。その場合には、3層構造物の全抵抗は5×10ohmであり、全導電率は1.4×10-10S/cmしかない(以下の表1の1番目のデータの行を参照)。結合剤樹脂層が厚さ10nmであると考える場合、3層構造物の全抵抗は1×10ohmであり、全導電率は7.0×10-12S/cmしかない(以下の表1の4番目のデータの行を参照)。高い内部抵抗は低出力電圧および高量の発生した内部熱を意味するので、このような3層複合構造物は、バッテリーまたはスーパーキャパシタのための良い集電体ではない。同様な結果は、Ni、Ti、およびステンレス鋼箔をベースとした集電体について観察された(表1のデータの7~10行)。

Figure 0007126492000001
The total resistance is the sum of the resistance values of the three layers: R= R1 + R2 +R3=ρ1 ( t1/A1) + ρ2 ( t2 / A2 ) + ρ3 ( t3 / A3) =(1/σ 1 )(t 1 /A 1 )+(1/σ 2 )(t 2 /A 2 )+(1/σ 3 )(t 3 /A 3 ), where ρ = resistivity , σ=conductivity, t=thickness, and A=area of the layer, and roughly A 1 =A 2 =A 3 . Scanning electron microscopy shows that the binder resin or passivating alumina layer is typically 5-100 nm thick. The resistivity of the most commonly used binder resins (PVDF) and alumina (Al 2 O 3 ) is typically in the range of 10 13 to 10 15 ohm-cm. Considering A 1 =A 2 =A 3 =1 cm 2 , the through-thickness resistivity of the graphene layer ρ 1 =0.1 ohm-cm, the resistivity of the binder or alumina layer ρ 2 =1×10 14 ohm-cm. cm and the resistivity of the metal foil layer is ρ 3 =1.7×10 −6 ohm-cm (Cu foil) or ρ 3 =2.7×10 −6 ohm-cm (Al foil). Also consider the optimal conditions where the thickness of the Cu or Al foil = 6 μm, the thickness of the graphene layer = 1 μm, and the thickness of the binder resin layer is only 0.5 nm (in practice it is between 5 nm and 100 nm). . In that case, the total resistance of the three-layer structure is 5×10 6 ohms and the total conductivity is only 1.4×10 −10 S/cm (see first row of data in Table 1 below). reference). If the binder resin layer is considered to be 10 nm thick, the total resistance of the three-layer structure is 1×10 8 ohms and the total conductivity is only 7.0×10 −12 S/cm (see table below). 1, 4th data row). Such three-layer composite structures are not good current collectors for batteries or supercapacitors because high internal resistance means low output voltage and high amount of internal heat generated. Similar results were observed for current collectors based on Ni, Ti, and stainless steel foils (rows 7-10 of data in Table 1).
Figure 0007126492000001

対照的に、結合剤樹脂またはアルミナ層がない場合(t=0)、本発明の集電体の場合のように、酸化グラフェン接合Cu箔の全抵抗は、(1μmの結合剤樹脂層を含有する3層構造物の1.0×10+7ohmに対して)1.0×10-5ohmの値を有する。以下の表2を参照のこと。これは、12桁の差を表わす(12倍ではない)!導電率は、相当する3層構造物の7.0×10-11S/cmとは対照的に、当該の2層構造物については7.0×10+1S/cmである。また、差は12桁である。さらに、本発明の酸化グラフェン接合金属箔集電体を特徴とするリチウムバッテリーおよびスーパーキャパシタは、先行技術のグラフェン系集電体と比較した時に容量の減少または腐食問題を伴わずにより高い電圧出力、より高いエネルギー密度、より高い出力密度、より安定な充電-放電(chare-discharge)サイクル応答を常に示し、より長持ちすることを我々は発見した。

Figure 0007126492000002
In contrast, when there is no binder resin or alumina layer (t 2 =0), as in the case of the current collector of the present invention, the total resistance of the graphene oxide bonded Cu foil is It has a value of 1.0×10 −5 ohms (compared to 1.0×10 +7 ohms for the containing tri-layer structure). See Table 2 below. This represents a difference of 12 orders of magnitude (not 12 times)! The conductivity is 7.0×10 +1 S/cm for the two-layer structure in question, as opposed to 7.0×10 −11 S/cm for the corresponding three-layer structure. Also, the difference is 12 digits. In addition, lithium batteries and supercapacitors featuring the graphene oxide bonded metal foil current collectors of the present invention exhibit higher voltage output, higher voltage output, without capacity reduction or corrosion problems when compared to prior art graphene-based current collectors. We have found that they consistently exhibit higher energy density, higher power density, more stable charge-discharge cycle response, and last longer.
Figure 0007126492000002

本発明のグラフェンによって可能にされる集電体は酸化グラフェンゲルから製造されるので、グラフェン、酸化グラフェン(GO)、先行技術のGO懸濁液、および当該GOゲルという用語がここで導入されて考察される。 Since the graphene-enabled current collectors of the present invention are fabricated from graphene oxide gels, the terms graphene, graphene oxide (GO), prior art GO suspensions, and said GO gels are introduced herein. be considered.

バルク天然フレーク黒鉛は、各々の粒子が複数の結晶粒(結晶粒が黒鉛単結晶または微結晶である)から構成され、結晶粒界(非晶質または欠陥領域)は、隣接する黒鉛単結晶の境界を定める3次元黒鉛材料である。各々の結晶粒は、互いに平行に配向される複数のグラフェン面から構成される。黒鉛微結晶内のグラフェン面は、2次元の、六方格子を占める炭素原子から構成される。所与の結晶粒または単結晶において、グラフェン面は、(グラフェン面または基礎面に垂直な)c方向の結晶方位のファンデルワールス力によって積み重ねられて接合される。1つの結晶粒の全てのグラフェン面は互いに平行であるが、典型的に1つの結晶粒のグラフェン面と隣接した結晶粒のグラフェン面は配向が異なっている。換言すれば、黒鉛粒子の様々な結晶粒の配向は典型的に、結晶粒ごとに異なる。 Bulk natural flake graphite is characterized by the fact that each particle is composed of multiple grains (the grains are graphite single crystals or microcrystals), and the grain boundaries (amorphous or defect regions) are the boundaries of adjacent graphite single crystals. It is a three-dimensional graphite material that defines the boundary. Each grain is composed of multiple graphene planes oriented parallel to each other. The graphene planes within graphite crystallites are composed of carbon atoms occupying a two-dimensional, hexagonal lattice. In a given grain or single crystal, the graphene planes are stacked and joined by van der Waals forces in the c-direction (perpendicular to the graphene planes or basal planes). All the graphene planes of one grain are parallel to each other, but typically the graphene planes of one grain and the graphene planes of adjacent grains are oriented differently. In other words, the orientation of the various grains of graphite particles is typically different from grain to grain.

黒鉛単結晶(微結晶)それ自体は異方性であり、基礎面(a軸またはb軸結晶方向)の方向に沿って測定された性質はc軸結晶方向(厚さ方向)に沿って測定された性質とは劇的に異なっている。例えば、黒鉛単結晶の熱伝導率は、基礎面(a軸およびb軸結晶方向)において約1,920W/mKまで(理論値)または1,800W/mKまで(実験値)であり得るが、c軸結晶方向に沿う熱伝導率は10W/mK未満(典型的に5W/mK未満)である。さらに、黒鉛粒子の複数の結晶粒または微結晶は典型的に全て、異なった方向に配向される。したがって、異なった配向の複数の結晶粒から構成される天然黒鉛粒子は、これらの2つの極値の間の平均の性質を示す(すなわち5W/mK~1,800W/mKの間であるが、典型的に<100W/mK)。 Graphite single crystals (microcrystals) themselves are anisotropic and properties measured along the direction of the basal plane (a-axis or b-axis crystallographic direction) are measured along the c-axis crystallographic direction (thickness direction). It is dramatically different from the stated properties. For example, the thermal conductivity of graphite single crystals can be up to about 1,920 W/mK (theoretical) or up to 1,800 W/mK (experimental) in the basal plane (a-axis and b-axis crystallographic directions), The thermal conductivity along the c-axis crystallographic direction is less than 10 W/mK (typically less than 5 W/mK). Furthermore, the multiple grains or crystallites of the graphite particles are typically all oriented in different directions. Natural graphite particles, composed of multiple grains of different orientations, therefore exhibit properties averaged between these two extremes (i.e., between 5 W/mK and 1,800 W/mK, but typically <100 W/mK).

十分に大きな寸法を有し且つ全てのグラフェン面が1つの所望の方向に沿って互いに本質的に平行であるバルク黒鉛物体を製造することが多くの用途において非常に望ましい。例えば、全てのグラフェン面のc軸方向が互いに略平行であり且つ特定の用途のために十分に大きな長さおよび/または幅(例えば小さなセル内の集電体として用いるために>10cmおよび大きなセル内の集電体として用いるために>200cm)および所期の用途のための(例えば金属箔表面上に接合された薄い層として)所望の厚さ(例えば10nm~10μm)を有する1つの大きなサイズの黒鉛実体(例えば複数のグラフェン面の十分に統合された層)を有することが非常に望ましい。これまでのところ、このタイプの大きなサイズの統合されたグラフェン-金属箔実体を既存の天然または合成黒鉛粒子から製造することは可能でなかった。 It is highly desirable in many applications to produce bulk graphite bodies with sufficiently large dimensions and in which all graphene planes are essentially parallel to each other along one desired direction. For example, the c-axis directions of all graphene planes are approximately parallel to each other and have sufficiently large lengths and/or widths for certain applications (e.g., >10 cm2 and large for use as current collectors in small cells). >200 cm 2 for use as current collectors in cells) and the desired thickness (eg, 10 nm to 10 μm) for the intended application (eg, as a thin layer bonded onto a metal foil surface). It is highly desirable to have large-sized graphite entities (eg, well-integrated layers of multiple graphene planes). So far, it has not been possible to fabricate this type of large-sized integrated graphene-metal foil entity from existing natural or synthetic graphite particles.

面間ファンデルワールス力に打ち勝つことができるならば、黒鉛微結晶の構成グラフェン面(典型的に幅/長さ30nm~2μm)は剥離されて黒鉛微結晶から抽出または単離され、炭素原子の単独グラフェンシートを得ることができる。六方晶炭素原子の単離された、単独グラフェンシートは一般的に単一層グラフェンと称される。0.3354nmのグラフェン面間間隔で厚さ方向にファンデルワールス力によって接合した複数のグラフェン面の積層体は一般的に複数層グラフェンと称される。複数層グラフェンプレートリットは、300層までのグラフェン面(厚さ<100nm)を有するが、より典型的には30までのグラフェン面(厚さ<10nm)、さらにより典型的に20までのグラフェン面(厚さ<7nm)、および最も典型的に10までのグラフェン面を有する(科学界において一般的に数層グラフェンと称される)。単一層グラフェンおよび複数層グラフェンシートは一括して「ナノグラフェンプレートリット」(NGP)と呼ばれる。グラフェンシート/プレートリットまたはNGPは、0次元フラーレン、1次元CNT、および3次元黒鉛からはっきり区別される新規なクラスの炭素ナノ材料(2次元ナノ炭素)である。 If the interplanar van der Waals forces can be overcome, the constituent graphene planes (typically 30 nm to 2 μm in width/length) of the graphite crystallites can be exfoliated and extracted or isolated from the graphite crystallites, leaving the carbon atoms. A single graphene sheet can be obtained. An isolated, single graphene sheet of hexagonal carbon atoms is commonly referred to as monolayer graphene. A laminate of multiple graphene planes joined by van der Waals forces in the thickness direction with an inter-plane spacing of 0.3354 nm is generally referred to as multi-layer graphene. Multilayer graphene platelets have up to 300 graphene planes (thickness <100 nm), but more typically up to 30 graphene planes (thickness <10 nm), even more typically up to 20 graphene planes. (thickness <7 nm), and most typically have up to 10 graphene planes (commonly referred to in the scientific community as few-layer graphene). Single-layer graphene and multi-layer graphene sheets are collectively referred to as “nanographene platelets” (NGP). Graphene sheets/platelets or NGPs are a novel class of carbon nanomaterials (two-dimensional nanocarbons) that are distinct from zero-dimensional fullerenes, one-dimensional CNTs, and three-dimensional graphite.

我々の研究グループは、早くも2002年にグラフェン材料および関連製造プロセスの開発を始めた:(1)B.Z.Jang and W.C.Huang,“Nano-scaled Graphene Plates”,米国特許第7,071,258号明細書(07/04/2006)、2002年10月21日に提出された出願;(2)B.Z.Jang,et al.“Process for Producing Nano-scaled Graphene Plates”,米国特許出願第10/858,814号明細書(06/03/2004);および(3)B.Z.Jang,A.Zhamu,and J.Guo,“Process for Producing Nano-scaled Platelets and Nanocomposites”,米国特許出願第11/509,424号明細書(08/25/2006)。 Our research group started developing graphene materials and related manufacturing processes as early as 2002: (1)B. Z. Jang and W. C. Huang, "Nano-scaled Graphene Plates", US Pat. No. 7,071,258 (07/04/2006), application filed Oct. 21, 2002; Z. Jang, et al. "Process for Producing Nano-scaled Graphene Plates," US patent application Ser. No. 10/858,814 (06/03/2004); and (3)B. Z. Jang, A. Zhamu, andJ. Guo, "Process for Producing Nano-scaled Platelets and Nanocomposites," US patent application Ser. No. 11/509,424 (08/25/2006).

図1(A)(プロセスフローチャート)および図1(B)(略図)において図示されるように、NGPは典型的に、天然黒鉛粒子を強酸および/または酸化剤でインターカレートして黒鉛層間化合物(GIC)または黒鉛酸化物(GO)を得ることによって得られる。グラフェン面間の格子空間における化学種または官能基の存在は、グラフェン間間隔(d002、X線回折によって測定される)を増加させるのに役立ち、それによってほかの場合ならグラフェン面をc軸方向に沿って保持するファンデルワールス力をかなり低減する。GICまたはGOは非常にしばしば、天然黒鉛粉末(図1(A)の20および図1(B)の100)を硫酸、硝酸(酸化剤)、および別の酸化剤(例えば過マンガン酸カリウムまたは過塩素酸ナトリウム)の混合物中に浸漬することによって製造される。得られたGIC(22または102)は実際には或るタイプの黒鉛酸化物(GO)粒子である。次に、このGICを繰り返して水中で洗浄およびすすぎ洗いして過剰な酸を除去して、黒鉛酸化物懸濁液または分散体をもたらし、それは、水中に分散された離散したおよび目視で識別できる黒鉛酸化物粒子を含有する。このすすぎ工程の後に続く2つの加工経路がある: As illustrated in FIG. 1(A) (process flow chart) and FIG. 1(B) (schematic diagram), NGP typically involves intercalating natural graphite particles with strong acids and/or oxidizing agents to form graphite intercalation compounds. (GIC) or graphite oxide (GO). The presence of chemical species or functional groups in the lattice space between the graphene planes serves to increase the inter-graphene spacing (d 002 , measured by X-ray diffraction), thereby orienting the graphene planes along the c-axis. considerably reduces the van der Waals forces that hold along. GIC or GO very often combine natural graphite powder (20 in FIG. 1A and 100 in FIG. 1B) with sulfuric acid, nitric acid (oxidizing agents), and another oxidizing agent (e.g. sodium chlorate) by immersion in a mixture. The resulting GIC (22 or 102) is actually some type of graphite oxide (GO) particles. The GIC is then washed and rinsed repeatedly in water to remove excess acid, resulting in a graphite oxide suspension or dispersion that is discrete and visually identifiable dispersed in water. Contains graphite oxide particles. There are two processing paths that follow after this rinse step:

経路1は、水を懸濁液から除去して、本質的に、乾燥させたGICまたは乾燥させた黒鉛酸化物粒子の塊である、「膨張性黒鉛」を得る工程を必要とする。膨張性黒鉛を典型的に800~1,050℃の範囲の温度に約30秒~2分間の間暴露したとき、GICは30~300倍急速な膨張をして「黒鉛ワーム」(24または104)を形成するが、それらはそれぞれ、相互接続されたままである剥離した、しかしほとんど分離していない黒鉛フレークの集まりである。黒鉛ワームのSEM画像が図2(A)に示される。 Route 1 involves removing water from the suspension to obtain "expandable graphite", which is essentially a mass of dried GIC or dried graphite oxide particles. When extensible graphite is exposed to temperatures typically in the range of 800-1,050° C. for about 30 seconds to 2 minutes, the GIC undergoes a 30- to 300-fold rapid expansion to form "graphite worms" (24 or 104 ), each of which is a collection of exfoliated but largely unseparated graphite flakes that remain interconnected. An SEM image of graphite worms is shown in FIG. 2(A).

1つのあり得る後続の工程において、これらの黒鉛ワーム(剥離黒鉛または「相互接続された/分離されていない黒鉛フレークの網目構造」)を再圧縮して、0.1mm(100μm)~0.5mm(500μm)の範囲の厚さを典型的に有する可撓性黒鉛シートまたは箔(26または106)を得ることができる。代わりに、100nmよりも厚い主に黒鉛フレークまたはプレートリット(したがって、定義によってナノ材料ではない)を含有するいわゆる「膨張黒鉛フレーク」(108)を製造する目的のために低強度エアーミルまたは剪断機を使用して黒鉛ワームを単に破断することを選択してもよい。 In one possible subsequent step, these graphite worms (exfoliated graphite or “network of interconnected/unseparated graphite flakes”) are recompressed to 0.1 mm (100 μm) to 0.5 mm A flexible graphite sheet or foil (26 or 106) having a thickness typically in the range (500 μm) can be obtained. Alternatively, low intensity air mills or shears are used for the purpose of producing so-called "expanded graphite flakes" (108) containing mainly graphite flakes or platelets thicker than 100 nm (thus not nanomaterials by definition). You may choose to simply break the graphite worms using.

剥離黒鉛ワーム、膨張黒鉛フレークの他、黒鉛ワームの再圧縮塊(可撓性黒鉛シートまたは可撓性黒鉛箔と一般的に称される)は全て、1次元ナノ炭素材料(CNTまたはCNF)または2次元ナノ炭素材料(グラフェンシートまたはプレートリット、NGP)のどちらとも根本的に異なり明らかに区別できる3次元黒鉛材料である。可撓性黒鉛(FG)箔はヒートスプレッダ材料として使用され得るが、典型的に500W/mK未満(より典型的に<300W/mK)の最大面内熱伝導率および1,500S/cm以下の面内電気導電率を示す。これらの低い導電率の値は、多くの欠陥、皺が寄ったまたは折れた黒鉛フレーク、黒鉛フレーク間の割り込みまたは間隙、および平行でないフレーク(例えば図2(B)のSEM画像)の直接の結果である。多くのフレークは、非常に大きな角度で互いに対して傾斜している(例えば20~40度の方位差)。 Exfoliated graphite worms, expanded graphite flakes, as well as recompressed masses of graphite worms (commonly referred to as flexible graphite sheets or flexible graphite foils) are all made from one-dimensional nanocarbon materials (CNTs or CNFs) or A clearly distinguishable three-dimensional graphitic material that is fundamentally different from either two-dimensional nanocarbon material (graphene sheets or platelets, NGP). Flexible graphite (FG) foil can be used as a heat spreader material, but typically has a maximum in-plane thermal conductivity of less than 500 W/mK (more typically <300 W/mK) and an in-plane thermal conductivity of 1,500 S/cm or less. Indicate electrical conductivity. These low conductivity values are a direct result of many defects, wrinkled or broken graphite flakes, interruptions or gaps between graphite flakes, and non-parallel flakes (e.g. SEM image of FIG. 2(B)). is. Many flakes are tilted with respect to each other at very large angles (eg 20-40 degrees misorientation).

別のあり得る後続工程において、剥離黒鉛を高強度機械的剪断に供して(例えばウルトラソニケーター、高剪断ミキサー、高強度エアジェットミル、または高エネルギーボールミルを使用して)、我々の米国特許出願第10/858,814号明細書に開示されるように、分離された単一層および複数層グラフェンシート(一括してNGPと呼ばれる、33または112)を形成する。単一層グラフェンはわずか0.34nmであり得るが、他方、複数層グラフェンは100nmまでの厚さを有することができるが、より典型的には20nm未満である。 In another possible subsequent step, the exfoliated graphite is subjected to high intensity mechanical shear (e.g., using an ultrasonicator, high shear mixer, high intensity air jet mill, or high energy ball mill) to achieve our U.S. patent application Separated single-layer and multi-layer graphene sheets (collectively referred to as NGP, 33 or 112) are formed as disclosed in 10/858,814. Single-layer graphene can be as little as 0.34 nm, while multi-layer graphene can have a thickness of up to 100 nm, but is more typically less than 20 nm.

経路2は、単独酸化グラフェンシートを黒鉛酸化物粒子から分離/単離する目的のために黒鉛酸化物懸濁液を超音波処理することを必要とする。これは、グラフェン面間分離が天然黒鉛の0.3354nmから高度に酸化された黒鉛酸化物の0.6~1.1nmに増加しており、隣接する面を一緒に保持するファンデルワールス力を著しく弱めるという考えに基づいている。超音波出力は、グラフェン面シートをさらに分離して、分離された、単離された、または離散酸化グラフェン(GO)シートを形成するために十分であり得る。次に、これらの酸化グラフェンシートを化学的にまたは熱還元して、0.001重量%~10重量%、より典型的に0.01重量%~5重量%、および最も典型的に2重量%未満の酸素含有量を典型的に有する「還元酸化グラフェン」(RGO)を得ることができる。 Route 2 involves sonicating the graphite oxide suspension for the purpose of separating/isolating the single graphene oxide sheets from the graphite oxide particles. This indicates that the graphene interplanar separation is increased from 0.3354 nm in natural graphite to 0.6–1.1 nm in highly oxidized graphite oxide, and the van der Waals forces holding adjacent faces together It is based on the idea of significantly weakening The ultrasonic power may be sufficient to further separate the graphene plane sheets to form separate, isolated, or discrete graphene oxide (GO) sheets. These graphene oxide sheets are then chemically or thermally reduced to give a "Reduced graphene oxide" (RGO) can be obtained that typically has an oxygen content of less than

本出願の請求の範囲を定義する目的のために、NGPには、単一層および複数層純粋グラフェン、酸化グラフェン、または還元酸化グラフェンの離散シート/プレートリットが含まれる。純粋グラフェンは本質的に0%の酸素を有する。酸化グラフェン(RGOを含める)は、0.01重量%~50重量%の酸素を有することができる。RGOは、0.01~10重量%、より典型的に0.01~5重量%、および最も典型的に0.01~2重量%の酸素含有量を有する。 For the purposes of defining the claims of this application, NGP includes discrete sheets/platelets of single- and multi-layer pure graphene, graphene oxide, or reduced graphene oxide. Pure graphene has essentially 0% oxygen. Graphene oxide (including RGO) can have 0.01% to 50% oxygen by weight. RGO has an oxygen content of 0.01 to 10 wt%, more typically 0.01 to 5 wt%, and most typically 0.01 to 2 wt%.

後で詳細に説明される、酸化グラフェンゲル(GOゲル)中のGO分子は典型的に、液体をGOゲルから除去した直後、しかし後続の熱処理の前に、20~47重量%の酸素(より典型的には30~47%)を含有する。GOゲルは、酸性液体(例えば、5.0未満、より典型的に<3.0、しばしば<2.0のpH値を有する高酸性水溶液)に溶解される(単に分散されるだけではない)高親水性芳香族分子(例えば-OH、-COOH、および>Oなどの酸素含有基を、分子面上にまたは縁に担持する酸化グラフェン分子)の均質な溶液を意味する。GOゲルそれ自体は、充実シートまたはプレートリットの形態の明らかに識別できるまたは離散グラフェンまたはGO粒子を含有しない。これらのGO分子および分散液状媒体は同等の屈折率を有し、(GO分子の比率が過度に高くない場合)得られたゲルを光学的に透明または半透明にするか、または明褐色を示す。 GO molecules in graphene oxide gels (GO gels), which are described in detail later, are typically enriched with 20-47 wt.% oxygen (more than typically 30-47%). GO gels are dissolved (not just dispersed) in acidic liquids (e.g., highly acidic aqueous solutions with pH values below 5.0, more typically <3.0, often <2.0). It refers to a homogeneous solution of highly hydrophilic aromatic molecules (eg, graphene oxide molecules carrying oxygen-containing groups such as —OH, —COOH, and >O on their molecular faces or at their edges). The GO gel itself does not contain clearly discernable or discrete graphene or GO particles in the form of solid sheets or platelets. These GO molecules and the dispersed liquid medium have comparable refractive indices, making the resulting gel optically transparent or translucent (if the proportion of GO molecules is not too high) or exhibiting a light brown color. .

対照的に、黒鉛粒子または離散グラフェンまたは酸化グラフェンシート/プレートリットと酸および/または水との単純な混合物は、(液状媒体中に懸濁された固体粒子0.1%未満しか有さない場合でも)光学的に暗く全く不透明色に見える。これらの粒子またはグラフェンまたはGOシート/プレートリットは、流動媒体中に単に分散され(溶解されない)、それらはGOゲル状態を形成しない。 In contrast, simple mixtures of graphite particles or discrete graphene or graphene oxide sheets/platelets with acid and/or water (if they have less than 0.1% solid particles suspended in the liquid medium But) it looks optically dark and totally opaque. These particles or graphene or GO sheets/platelets are simply dispersed (not dissolved) in the flowing medium and they do not form a GO gel state.

GOゲル中のこれらのGO分子は高反応性であり、「リビング巨大分子」であると考えられてもよい。それと対照して、グラフェン、GO、およびRGOの先行技術の充実シート/プレートリットは、本質的に「死」種である。適切な剪断または圧縮応力を使用して(例えばキャスティングまたはモールディングによって)GOゲルを金属箔表面上である形状に形成し、乾燥させ(液体成分が部分的にまたは完全に除去される)、特定の条件下で熱処理して、金属箔表面に化学接合した高度に配向されたグラフェンシートのフィルムを得ることができる。熱処理は、これらの活性またはライブGO分子を化学連結して巨大分子量の化学接合したグラフェン分子の2次元または3次元網目構造を形成し、GOの酸素含有量を10重量%未満(熱処理温度<200℃)、より典型的に<5%、さらにより典型的に<2%(熱処理温度<500℃)、および最も典型的に<<1%(1,500℃までの熱処理温度)に劇的に低減するのに役立つ。 These GO molecules in the GO gel are highly reactive and may be considered "living macromolecules". In contrast, prior art solid sheets/platelets of graphene, GO, and RGO are essentially "dead" species. Using appropriate shear or compressive stress (e.g., by casting or molding), the GO gel is formed into a shape on the metal foil surface, dried (the liquid component is partially or completely removed), and subjected to a specific It can be heat treated under conditions to obtain a film of highly oriented graphene sheets chemically bonded to the metal foil surface. Heat treatment chemically links these active or live GO molecules to form a two- or three-dimensional network of chemically bonded graphene molecules of large molecular weight, reducing the oxygen content of GO to less than 10 wt% (heat treatment temperature <200 °C), more typically <5%, even more typically <2% (heat treatment temperatures <500 °C), and most typically dramatically to <<1% (heat treatment temperatures up to 1,500 °C). help reduce

GOゲルそれ自体は明らかに識別できる/離散グラフェンシート/プレートリットまたはNGP(「死」GOシート/プレートリットを含める)を含有しないが、離散グラフェンシート/プレートリット、膨張黒鉛フレーク、およびその他のタイプの固体充填剤をGOゲル中に意図的に添加して混合物ゲルを形成することができる。この混合物ゲルを乾燥させ、同じ熱処理に供して、ライブGO分子を高度に配向されたおよび化学的同化したGOシートのフィルムに変換してもよい。この酸化グラフェンゲル由来グラフェン材料は、充填剤相(例えば離散NGP、CNTおよび炭素繊維)で強化される。 GO gels themselves do not contain clearly discernible/discrete graphene sheets/platelits or NGPs (including “dead” GO sheets/platelits), but discrete graphene sheets/platelits, expanded graphite flakes, and other types of solid fillers can be intentionally added into the GO gel to form a mixture gel. This mixture gel may be dried and subjected to the same heat treatment to convert the live GO molecules into a film of highly oriented and chemically assimilated GO sheets. This graphene oxide gel-derived graphene material is reinforced with filler phases such as discrete NGP, CNT and carbon fibers.

固体NGP(純粋グラフェン、GO、およびGROの離散シート/プレートリットなど)は、フィルム、膜、または紙シート(34または114)に充填されるとき、典型的に高い電気導電率を示さない。一般的には、離散グラフェン、GO、またはRGOのプレートリットから製造される紙状構造物またはマット(例えば真空補助濾過プロセスによって作製されるそれらの紙シート)は、多くの欠陥、皺が寄ったまたは折れたグラフェンシート、プレートリット間の割り込みまたは間隙、および平行でないプレートリット(例えば図3(B)のSEM画像)を示し、比較的低い電気導電率および低い構造強度をもたらす。 Solid NGPs (such as discrete sheets/platelets of pure graphene, GO, and GRO) typically do not exhibit high electrical conductivity when packed into films, membranes, or paper sheets (34 or 114). In general, paper-like structures or mats made from platelets of discrete graphene, GO, or RGO (e.g., those paper sheets made by vacuum-assisted filtration process) have many defects, wrinkles, or show broken graphene sheets, interruptions or gaps between platelits, and non-parallel platelits (eg, SEM image in FIG. 3(B)), resulting in relatively low electrical conductivity and low structural strength.

図1(A)の下側部分は典型的な、熱分解黒鉛フィルムをポリマーから製造するための方法を図示する。方法は、2~10時間の間10~15Kg/cmの典型的な圧力下で400~1,000℃の炭化温度でポリマーフィルム46(例えばポリイミド)を炭化させることから開始して、炭化材料48を得て、それをその後に、1~24時間の間100~300Kg/cmの超高圧下で2,500~3,200℃での黒鉛化処理を行ない、黒鉛フィルム50を形成する。このような超高温でこのような超高圧を維持することは技術的に極めて難しい。これは困難な、緩慢な、長たらしい、エネルギー集約的であり、極端に費用がかかる方法である。さらに、特定のポリマー(例えばポリアクリロニトリル)の炭化は、毒性種の放出を伴う。さらに、30μmより薄い前駆体ポリイミドフィルムを製造するのに支障があるため、15μmより薄いポリイミド由来熱分解フィルムを大量に製造することは可能でなかった。これは、集電体を厚さ1~10μmにする要件を満たさない。 The lower portion of FIG. 1(A) illustrates a typical method for producing pyrolytic graphite films from polymers. The method begins by carbonizing a polymer film 46 (eg, polyimide) at a carbonization temperature of 400-1,000° C. under a typical pressure of 10-15 Kg/cm 2 for 2-10 hours to obtain a carbonized material. 48 is obtained, which is then subjected to graphitization treatment at 2,500-3,200° C. under ultra-high pressure of 100-300 Kg/cm 2 for 1-24 hours to form a graphite film 50 . It is technically extremely difficult to maintain such ultra-high pressures at such ultra-high temperatures. This is a difficult, slow, tedious, energy intensive and extremely expensive process. Furthermore, charring of certain polymers (eg polyacrylonitrile) is accompanied by the release of toxic species. Furthermore, it has not been possible to mass-produce polyimide-derived pyrolytic films thinner than 15 μm due to the difficulty in producing precursor polyimide films thinner than 30 μm. This does not meet the requirement for current collectors to be 1-10 μm thick.

特殊なタイプのグラフェン薄フィルム(<2nm)がNiまたはCu表面上での炭化水素ガス(例えばC)の触媒CVDによって作製される。NiまたはCuが触媒である場合、800~1,000℃で炭化水素ガス分子の分解によって得られた炭素原子はNiまたはCu箔表面上に堆積させて、多結晶性である単一層または数層グラフェンのシートを形成する。これらのグラフェン薄フィルムは、光学的に透明且つ電気導電性であり、例えば(酸化インジウムスズまたはITOガラスに取って代わる)タッチスクリーンまたは(ケイ素、Siに取って代わる)半導体などの用途において使用することが意図される。しかしながら、これらの極薄多結晶質のグラフェンフィルムは十分に伝導性でなく(結晶粒があまりに多いまたは結晶粒界があまりに多く、全ての結晶粒が異なった方向に配向されている)および集電体として用いるために十分に厚くない(最も好ましくは1μm~10μm)。さらに、NiまたはCu触媒によるCVD法は、それを超えると下にあるNiまたはCu触媒がもはや触媒効果を全く与えることができない5~10超のグラフェン面(典型的に<2~4nm、より典型的に<2nm)の堆積に適していない。1μm(1,000nm)~10μm(10,000nm)は言うまでもなく、5または10nmよりも厚いCVDグラフェン層が可能であることを示す実験的証拠はなかった。 A special type of graphene thin films (< 2 nm) is fabricated by catalytic CVD of hydrocarbon gases (eg C2H4 ) on Ni or Cu surfaces. When Ni or Cu is the catalyst, the carbon atoms obtained by the decomposition of hydrocarbon gas molecules at 800-1,000° C. are deposited on the Ni or Cu foil surface and are polycrystalline in single or few layers. Form a sheet of graphene. These graphene thin films are optically transparent and electrically conductive, for use in applications such as touch screens (replacing indium tin oxide or ITO glass) or semiconductors (replacing silicon, Si). is intended. However, these ultrathin polycrystalline graphene films are not sufficiently conductive (too many grains or too many grain boundaries and all grains are oriented in different directions) and current collecting. Not thick enough for use as a body (most preferably 1 μm to 10 μm). Furthermore, CVD processes with Ni or Cu catalysts are limited to more than 5-10 graphene planes (typically <2-4 nm, more typically typically <2 nm) deposition. There was no experimental evidence that CVD graphene layers thicker than 5 or 10 nm, let alone 1 μm (1,000 nm) to 10 μm (10,000 nm) are possible.

また、本発明は、酸化グラフェン接合金属箔集電体を製造するための方法を提供し、方法は、(a)酸化グラフェン分子を流動媒体中に分散および溶解させた酸化グラフェンゲルを調製する工程において酸化グラフェン分子が20重量%超の酸素含有量(典型的に30重量%超およびより典型的に30重量%~47重量%の間)を含有する工程と、(b)酸化グラフェンゲルの層を支持金属箔の主表面上に分配および堆積させて、その上に堆積させた酸化グラフェンゲルを形成する工程において、分配および堆積手順が、(後続の熱処理の間にGO分子同化および統合を促す、十分に充填されたおよび所望の方向に十分に整列された酸化グラフェン分子をもたらす)酸化グラフェンゲルの剪断誘起薄化を包含する工程と、(c)堆積させた酸化グラフェンゲル層から流動媒体を部分的にまたは完全に除去して、X線回折によって測定された時に0.4nm~1.2nmの面間間隔d002を有し且つ20重量%以上の酸素含有量を有する乾燥酸化グラフェン層を形成する工程と、(d)酸化グラフェンフィルム層の面間間隔d002が0.3354nm~0.5nmの値に減少すると共に酸素含有量が10重量%未満に減少する程度に酸化グラフェン層を80~1,500℃の熱処理温度で熱処理する工程とを含む。 The present invention also provides a method for producing a graphene oxide-bonded metal foil current collector, the method comprising the steps of (a) preparing a graphene oxide gel in which graphene oxide molecules are dispersed and dissolved in a fluid medium; wherein the graphene oxide molecules contain an oxygen content greater than 20 wt% (typically greater than 30 wt% and more typically between 30 wt% and 47 wt%); and (b) a layer of graphene oxide gel. onto a major surface of a supporting metal foil to form a graphene oxide gel deposited thereon, wherein the dispensing and deposition procedure promotes assimilation and integration of GO molecules during subsequent heat treatment ( (c) removing a flowing medium from the deposited graphene oxide gel layer, resulting in well-packed and well-aligned graphene oxide molecules in a desired direction; partially or completely removing a dry graphene oxide layer having an interplanar spacing d 002 of 0.4 nm to 1.2 nm as measured by X-ray diffraction and an oxygen content of 20% by weight or more; (d) forming 80 graphene oxide layers such that the interplanar spacing d 002 of the graphene oxide film layer is reduced to a value between 0.3354 nm and 0.5 nm and the oxygen content is reduced to less than 10% by weight; and heat-treating at a heat-treating temperature of ~1,500°C.

より好ましい実施形態において、工程(c)は、0.4nm~0.7nmの面間間隔d002および20重量%以上の酸素含有量を有する酸化グラフェン層を形成する工程を包含し、工程(d)は、面間間隔d002が0.3354nm~0.36nmの値に減少すると共に酸素含有量が2重量%未満に減少する程度に酸化グラフェン層を熱処理する工程を包含する。 In a more preferred embodiment, step (c) comprises forming a graphene oxide layer having an interplanar spacing d 002 of 0.4 nm to 0.7 nm and an oxygen content of 20% by weight or more; ) involves heat-treating the graphene oxide layer to such an extent that the interplanar spacing d 002 is reduced to a value between 0.3354 nm and 0.36 nm and the oxygen content is reduced to less than 2% by weight.

酸化グラフェンゲルを温度において熱処理することにより得られた酸化グラフェンの薄フィルムは、化学接合したグラフェン分子を含有する。これらの平面芳香族分子またはグラフェン面(六方晶構造炭素原子)は互いに平行である。これらの面の横方向寸法(長さまたは幅)は非常に大きく、出発黒鉛粒子の最大微結晶寸法(または最大構成グラフェン面寸法)よりも典型的に数倍またはさらに数桁大きい。全ての構成グラフェン面を有する多くの「巨大酸化グラフェンドメイン」から構成される薄フィルムは、互いに本質的に平行であり、下にある金属箔に化学接合したGO分子の薄い層を有する。これは、これまで発見されたり、開発されたり、おそらく存在することが示唆されていない独自で新規なクラスの材料である。 A thin film of graphene oxide obtained by heat-treating a graphene oxide gel at temperature contains chemically bonded graphene molecules. These planar aromatic molecules or graphene planes (hexagonal carbon atoms) are parallel to each other. The lateral dimensions (length or width) of these planes are very large, typically several times or even orders of magnitude larger than the largest crystallite size (or largest constituent graphene plane size) of the starting graphite particles. A thin film composed of many 'giant graphene oxide domains' with all constituent graphene planes essentially parallel to each other, with a thin layer of GO molecules chemically bonded to the underlying metal foil. This is a unique and novel class of materials not previously discovered, developed, or possibly suggested to exist.

酸化グラフェンゲルは、大きな凝集力(自己接合、自己重合、および自己架橋能力)および接着力(多種多様な固体表面に化学接合することができる)を驚くべきことに有する非常に独特且つ新規なクラスの材料である。これらの特性は、先行技術に教示も示唆もされていない。GOゲルは、反応器内の酸化性液状媒体(例えば硫酸、硝酸、および過マンガン酸カリウムの混合物)に出発黒鉛材料の粉末またはフィラメントを浸漬することによって得られる。出発黒鉛材料は、天然黒鉛、人工黒鉛、メソフェーズ炭素、メソフェーズピッチ、メソカーボンマイクロビード、軟質炭素、硬質炭素、コークス、炭素繊維、炭素ナノ繊維、炭素ナノチューブ、またはそれらの組合せから選択されてもよい。 Graphene oxide gels are a very unique and novel class that surprisingly possess great cohesive (self-bonding, self-polymerizing and self-crosslinking ability) and adhesive (capable of chemically bonding to a wide variety of solid surfaces) properties. is the material of These properties are neither taught nor suggested in the prior art. GO gels are obtained by immersing powders or filaments of the starting graphite material in an oxidizing liquid medium (eg a mixture of sulfuric acid, nitric acid and potassium permanganate) in a reactor. The starting graphite material may be selected from natural graphite, artificial graphite, mesophase carbon, mesophase pitch, mesocarbon microbeads, soft carbon, hard carbon, coke, carbon fibers, carbon nanofibers, carbon nanotubes, or combinations thereof. .

出発黒鉛粉末またはフィラメントが酸化性液状媒体中に混合されるとき、得られたスラリー(不均質懸濁液)は初期に全く黒ずんで不透明に見える。黒鉛の酸化が、制御されたpH条件下で十分な時間の間反応温度で進むとき、反応塊は最終的に、(特定可能な固体粒子を含有する初期に不均質な懸濁液とは対照的に)識別できるかまたは可視的に特定可能な分散された固体粒子を有さない均質な溶液になり得る。溶液は、光学半透明または透明または褐色であり得るが、それはまた、ポリマーゲルのように見え且つ挙動する。この重酸化誘導酸化グラフェンゲルは、液状媒体に溶解させた酸化グラフェン分子から構成される。酸化グラフェン分子は、任意の後続の熱処理の前に、20重量%以上(典型的に30~50重量%)の酸素含有量を有し、それらの分子量は、ゲル状態にある間典型的に43,000g/モル未満(しばしば4,000g/モル未満であるが、典型的に200g/モル超)である。酸化グラフェンゲルは典型的に5.0以下(より典型的に<3.0および最も典型的に<2.0)のpH値を有する酸性媒体に溶解させた酸化グラフェン分子から構成される。 When the starting graphite powder or filaments are mixed into an oxidizing liquid medium, the resulting slurry (heterogeneous suspension) initially appears quite dark and opaque. When the oxidation of graphite proceeds at the reaction temperature for a sufficient period of time under controlled pH conditions, the reaction mass eventually becomes (as opposed to an initially heterogeneous suspension containing identifiable solid particles can be a homogeneous solution with no discernible or visibly identifiable solid particles dispersed therein. The solution can be optically translucent or transparent or brown, but it also looks and behaves like a polymer gel. This heavy oxidation-induced graphene oxide gel is composed of graphene oxide molecules dissolved in a liquid medium. Graphene oxide molecules have an oxygen content of 20% by weight or more (typically 30-50% by weight) before any subsequent heat treatment, and their molecular weight is typically 43 while in the gel state. ,000 g/mol (often less than 4,000 g/mol, but typically greater than 200 g/mol). Graphene oxide gels are typically composed of graphene oxide molecules dissolved in an acidic medium having a pH value of 5.0 or less (more typically <3.0 and most typically <2.0).

酸化グラフェンゲルは、剪断誘起薄化の前に20℃で測定された時に500センチポアズ(cP)~500,000cPの典型的な粘度を有する。粘度は、剪断誘起薄化手順の前に20℃で測定された時により典型的には2,000cPより大きく、300,000cPより小さい。好ましくは、単位グラフェン材料の前駆体としてGOゲルの粘度は、2,000~50,000cPの範囲である。好ましくは、GOゲルは、剪断誘起薄化の間または後に粘度が2,000cP未満(またはさらに1,000cP未満)に低減される剪断応力場に供される。実施形態において、酸化グラフェンゲルは、剪断誘起薄化の前に20℃で測定された時に5,000cPより大きい粘度を有するが、剪断誘起薄化の間または後に5,000cP未満(好ましくはおよび典型的に2,000cP未満またはさらに1,000cP未満)に低減される。実施例として図8(A)、8(B)、および8(C)に示された、20℃で測定された粘度データは明らかに、超高粘度の値(例えば、300,000cP)でさえも十分に高い剪断速度で1,000~2,000cPに低減することができることを示す。これは、2桁超の低減であり、非常に予想外の測定値である。両対数スケールでプロットされる時にデータの直線は、剪断薄化流体の流れ特性を示す。 Graphene oxide gels have typical viscosities of 500 centipoise (cP) to 500,000 cP when measured at 20° C. prior to shear-induced thinning. Viscosity is more typically greater than 2,000 cP and less than 300,000 cP when measured at 20° C. prior to the shear-induced thinning procedure. Preferably, the viscosity of GO gel as a precursor of unit graphene material is in the range of 2,000-50,000 cP. Preferably, the GO gel is subjected to a shear stress field in which the viscosity is reduced to less than 2,000 cP (or even less than 1,000 cP) during or after shear-induced thinning. In embodiments, the graphene oxide gel has a viscosity greater than 5,000 cP when measured at 20° C. prior to shear-induced thinning, but less than 5,000 cP (preferably and typically typically less than 2,000 cP or even less than 1,000 cP). Viscosity data measured at 20° C., shown as examples in FIGS. 8(A), 8(B), and 8(C), clearly show can also be reduced to 1,000-2,000 cP at sufficiently high shear rates. This is a reduction of over two orders of magnitude and a highly unexpected measurement. A straight line in the data when plotted on a log-log scale indicates the flow properties of the shear thinning fluid.

工程(b)において、GOゲルを好ましくは剪断応力のもとである形状に形成する。このような剪断手順の一例は、コーティング機を使用するGOゲル(ゲル状流体)の薄いフィルムのキャスティングまたはコーティングである。この手順は、固体基材上にコートされるワニス、ペイント、コーティング、またはインクの層に似ている。フィルムが造形される時かまたはローラー/ブレード/ワイパーと支持基材との間に相対運動が加えられる時にローラー、「ドクターブレード」、またはワイパーは剪断応力を生じる。きわめて予想外にそして重要なことに、このような剪断作用によって、GOゲルの有効粘度を低減し、平面酸化グラフェン(GO)分子を例えば、剪断方向に沿って十分に整列させることができる。さらに驚くべきことに、GOゲル中の液体成分をその後に除去して少なくとも部分的に乾燥させる十分に充填されたGO塊を形成する時にこのような分子整列状態または好ましい配向は破損されない。乾燥させたGO質量は、面内の方向と平面に垂直方向との間の高い複屈折係数を有する。このような手順の別の例は、剪断応力のもとでGO塊を型キャビティまたはシェーピングダイ/用具中に注入またはダイキャストすることである。次に、型キャビティ内の剪断されたGO塊の液体成分を部分的にまたは完全に除去して、十分に充填されたおよび十分に整列された「ライブ」GO分子を含有する部分的にまたは完全に乾燥させたGO塊を得る。 In step (b), the GO gel is preferably formed into a shape under shear stress. An example of such a shearing procedure is casting or coating a thin film of GO gel (gel-like fluid) using a coating machine. This procedure is analogous to a layer of varnish, paint, coating, or ink being coated onto a solid substrate. Rollers, "doctor blades", or wipers create shear stress when the film is shaped or when relative motion is applied between the roller/blade/wiper and the supporting substrate. Quite unexpectedly and importantly, such shearing action can reduce the effective viscosity of the GO gel and allow planar graphene oxide (GO) molecules to be well aligned, for example, along the shear direction. Even more surprisingly, such molecular alignment or preferred orientation is not destroyed when forming a fully packed GO mass that is subsequently removed to at least partially dry the liquid component in the GO gel. The dried GO mass has a high birefringence coefficient between the in-plane and normal-to-plane directions. Another example of such a procedure is pouring or die casting a GO mass under shear stress into a mold cavity or shaping die/tool. The liquid component of the sheared GO mass in the mold cavity is then partially or completely removed to partially or completely remove the GO molecules containing well-packed and well-aligned “live” GO molecules. to obtain a GO mass dried to

次に、この乾燥させたGO塊を適切にプログラムされた熱処理に供する。80℃~500℃の温度範囲について、GO塊は第一に金属箔表面との化学反応を受け、GO分子間の特定の化学的同化を持続し、酸素含有量を典型的に30~50%(乾燥させたとき)から5~6%に熱的に低減する。この処理は、グラフェン間間隔を約0.6~1.0nm(乾燥させたとき)から約0.4nmに低減し、および面内熱伝導率を約100W/mKから500W/mKに、および電気導電率を800S/cmから>2,000S/cmに増加させるという結果をもたらす。このような低い温度範囲でさえも、或る化学接合が生じる。GO分子は十分に整列されたままであるが、GO間間隔は比較的大きいままである(0.4nm以上)。多くのO含有官能基は存在し続ける。 This dried GO mass is then subjected to an appropriately programmed heat treatment. For the temperature range of 80°C to 500°C, the GO mass primarily undergoes chemical reactions with the metal foil surface, sustaining a certain chemical assimilation between the GO molecules, reducing the oxygen content to typically 30-50%. (when dried) to 5-6% thermal reduction. This treatment reduces the inter-graphene spacing from about 0.6-1.0 nm (when dry) to about 0.4 nm, and the in-plane thermal conductivity from about 100 W/mK to 500 W/mK, and the electrical The result is an increase in conductivity from 800 S/cm to >2,000 S/cm. Even in such a low temperature range some chemical bonding occurs. Although the GO molecules remain well-aligned, the inter-GO spacing remains relatively large (>0.4 nm). Many O-containing functional groups remain present.

500℃~1,500℃の熱処理温度範囲については、隣接したGO分子間に広範な化合、重合、および架橋が起こる。酸素含有量は典型的に<2.0%(より典型的には<1.0%)に低減され、グラフェン間の間隔を約0.345nmに低減するという結果をもたらす。黒鉛化を開始するために2,500℃もの温度を典型的に必要とする従来の黒鉛化可能な材料(炭化ポリイミドフィルムなど)と著しい対照をなして、若干の初期黒鉛化がこのような低温において既に始まっていることをこれは意味する。これは、本発明のグラフェンフィルム接合金属箔およびその製造プロセスの別の異なった特徴である。これらの化学連結反応は、グラフェン薄フィルムの面内熱伝導率を1,400~1,500W/mKに、および/または面内電気導電率を>5,000S/cmに増加させるという結果をもたらす。 For the heat treatment temperature range of 500° C. to 1,500° C., extensive compounding, polymerization, and cross-linking occur between adjacent GO molecules. The oxygen content is typically reduced to <2.0% (more typically <1.0%), resulting in a reduction of the spacing between graphenes to about 0.345 nm. Some initial graphitization can occur at such low temperatures, in marked contrast to conventional graphitizable materials (such as carbonized polyimide films), which typically require temperatures as high as 2,500° C. to initiate graphitization. This means that it has already started at This is another distinct feature of the graphene film-bonded metal foil of the present invention and its manufacturing process. These chemical ligation reactions result in an increase in the in-plane thermal conductivity of graphene thin films to 1,400-1,500 W/mK and/or the in-plane electrical conductivity to >5,000 S/cm. .

X線回折パターンは、CuKcv放射線を備えたX線回折計を使用して得られた。回折ピークのシフトおよび広幅化は、ケイ素粉末標準を使用して較正された。黒鉛化度、gは、メーリング(Mering)の式d002=0.3354g+0.344(1-g)(式中、d002は、nm単位の黒鉛またはグラフェン結晶の中間層間隔である)を使用して、X線パターンから計算された。この式は、d002が約0.3440nm以下である時にだけ有効である。0.3440nmよりも高いd002を有する酸化グラフェンフィルムまたは軽く酸化された黒鉛結晶材料は、スペーサーとして作用してグラフェン間の間隔を増加させる酸素含有官能基(例えば、グラフェン分子平面の表面上の-OH、>O、および-COOHなど)の存在を反映する。 X-ray diffraction patterns were obtained using an X-ray diffractometer equipped with CuKcv radiation. Diffraction peak shifts and broadenings were calibrated using silicon powder standards. The degree of graphitization, g, uses Mering's formula d 002 =0.3354g+0.344(1−g), where d 002 is the interlayer spacing of graphite or graphene crystals in nm. and calculated from the X-ray pattern. This formula is valid only when d 002 is less than or equal to about 0.3440 nm. Graphene oxide films or lightly oxidized graphite crystalline materials with d 002 higher than 0.3440 nm have oxygen-containing functional groups (e.g. − OH, >O, and —COOH, etc.).

本発明の単位グラフェン材料および従来の黒鉛結晶の秩序化度を特性決定するために使用できる別の構造指数は、(002)または(004)反射のロッキング曲線(X線回折強度)の半値全幅によって表わされる、「モザイクスプレッド」である。この秩序化度は、黒鉛またはグラフェン結晶サイズ(または結晶粒径)、粒界およびその他の欠陥の量、および好ましい結晶粒配向度を特性決定する。黒鉛のほぼ完全な単結晶は、0.2~0.4のモザイクスプレッド値を有することを特性とする。我々の単位グラフェン材料の大部分は、0.2~0.4のこの範囲のモザイクスプレッド値を有する(2,000℃以上の熱処理温度を使用する)。しかしながら、いくつかの値は、最も高い熱処理温度(HTT)が1,000~1,500℃の間である場合0.4~0.7の範囲、HTTが500~1,000℃の間である場合0.7~1.0の範囲である。 Another structure index that can be used to characterize the degree of ordering of the unitary graphene materials of the present invention and conventional graphite crystals is the full width at half maximum of the rocking curve (X-ray diffraction intensity) of the (002) or (004) reflection is represented as a "mosaic spread". This degree of ordering characterizes the graphite or graphene crystal size (or grain size), the amount of grain boundaries and other defects, and the preferred degree of grain orientation. A nearly perfect single crystal of graphite is characterized by having a mosaic spread value of 0.2 to 0.4. Most of our unitary graphene materials have mosaic spread values in this range of 0.2-0.4 (using heat treatment temperatures of 2,000° C. and above). However, some values range from 0.4 to 0.7 when the highest heat treatment temperature (HTT) is between 1,000 and 1,500°C, and when HTT is between 500 and 1,000°C. In some cases it ranges from 0.7 to 1.0.

GOのための熱処理温度条件は、金属箔上にコートされる酸化グラフェンの薄フィルムが比較的細孔を含有せず、少なくとも1.5g/cmの物理的密度または20%より低い多孔度レベルを有するようなものである。より典型的な加工条件下で、薄フィルムは、少なくとも1.7g/cmの物理的密度または10%より低い多孔度レベルを有する。多くの場合、フィルムは、1.8g/cmより大きい物理的密度または5%未満の多孔度レベルを有する。(特に、1,500℃より低い最大処理温度で作製されたそれらのフィルムについて)フィルム内の化学接合したグラフェン面は典型的に、spおよびsp電子配置の組合せを含有する。 The heat treatment temperature conditions for GO are such that the thin film of graphene oxide coated on the metal foil is relatively pore-free and has a physical density of at least 1.5 g/cm or a porosity level lower than 20%. is like having Under more typical processing conditions, thin films have a physical density of at least 1.7 g/cm 3 or a porosity level of less than 10%. Often the films have a physical density greater than 1.8 g/cm 3 or a porosity level less than 5%. (Particularly for those films made with maximum processing temperatures below 1,500° C.) chemically bonded graphene planes within the films typically contain a combination of sp 2 and sp 3 electron configurations.

金属箔上に接合した酸化グラフェンの酸化グラフェン(GO)ゲル由来薄フィルムは、(別々にまたは組合せで)以下の特性を有する:
(1)所望の剪断応力場条件下で形成され、その後に、適切な熱処理が行われる場合、酸化グラフェンの薄フィルムは統合されたグラフェン相である。フィルムは、互いに平行に本質的に配向される幅の広い/長い化学接合したグラフェン面を有する。換言すれば、全ての結晶粒のc軸結晶方向および全てのそれらの構成グラフェン面は本質的に同じ方向に向いている。この結論は、SEM、TEM、制限視野回折(TEMを使用)、X線回折、原子間力顕微鏡検査(AFM)、ラマン分光学、およびFTIRの組合せを使用して詳細な調査後に出された。
Graphene oxide (GO) gel-derived thin films of graphene oxide bonded onto metal foils have the following properties (separately or in combination):
(1) When formed under desired shear stress field conditions, followed by appropriate heat treatment, thin films of graphene oxide are integrated graphene phases. The film has wide/long chemically bonded graphene planes that are essentially oriented parallel to each other. In other words, the c-axis crystallographic directions of all grains and all their constituent graphene planes are essentially oriented in the same direction. This conclusion was made after detailed investigation using a combination of SEM, TEM, selected area diffraction (using TEM), X-ray diffraction, atomic force microscopy (AFM), Raman spectroscopy, and FTIR.

(2)剥離黒鉛ワームの紙状シート(すなわち、可撓性黒鉛箔)、膨張黒鉛フレークのマット(厚さ100nm)、およびグラフェンまたはGOプレートリットの紙または膜は、複数の離散黒鉛フレークまたはグラフェン、GO、またはRGOの離散プレートリットの簡単な、接合されていない集合体/積層体である。対照的に、GOゲルからの酸化グラフェンの本発明の薄フィルムは、離散フレークまたはプレートリットを含有しない十分に統合された、単一グラフェン実体またはモノリスである。 (2) paper-like sheets of exfoliated graphite worms (i.e., flexible graphite foils), mats of expanded graphite flakes (100 nm thick), and papers or films of graphene or GO platelits are composed of a plurality of discrete graphite flakes or graphene , GO, or RGO discrete platelit aggregates/stacks. In contrast, the present thin films of graphene oxide from GO gels are well-integrated single graphene entities or monoliths containing no discrete flakes or platelets.

(3)先行技術の方法において、黒鉛粒子の元の構造を構成する離散グラフェンシート(厚さ<<100nm)または膨張黒鉛フレーク(>100nm)は、膨張、剥離、および分離処理によって得ることができる。これらの離散シート/フレークを薄フィルムに単に混合および再圧縮することによって、これらのシート/フレークを望むらくは1つの方向に沿って配向することを試みることができる。しかしながら、これらの従来の方法を使用して、得られたフィルムの構成フレークまたはシート(集合体、紙、膜、またはマット)は、裸眼または低倍率光学顕微鏡(100倍~1000倍)を使用しても容易に識別することができるかまたははっきりと観察することができる離散フレーク/シート/プレートリットのままである。 (3) In the prior art methods, discrete graphene sheets (thickness <<100 nm) or expanded graphite flakes (>100 nm) that constitute the original structure of graphite particles can be obtained by expansion, exfoliation and separation processes. . By simply mixing and recompressing these discrete sheets/flakes into a thin film, one can attempt to orient the sheets/flakes, preferably along one direction. However, using these conventional methods, the resulting constituent flakes or sheets of film (aggregate, paper, film, or matte) can be visualized with the naked eye or using a low power optical microscope (100x-1000x). remains discrete flakes/sheets/platelets that can be easily identified or clearly observed even though

対照的に、GOの本発明の薄フィルムの作製は、元のグラフェン面の事実上1つ1つが酸化されて互いに単離され、高反応性官能基(例えば-OH、>O、および-COOH)を縁にそして同様に、主に、グラフェン面上に有する単独分子になる程度に、元の黒鉛粒子を強く酸化する工程を含む。(炭素原子の他にOおよびHなどの原子を含有する)これらの単独炭化水素分子を反応媒体(例えば水と酸との混合物)中に溶解して、本明細書においてGOゲルと称される、ゲル状塊を形成する。次に、このゲルを典型的に剪断応力場条件下で平滑な基材表面にキャストするかまたは型キャビティ内に射出し、次に、液体成分を除去して、乾燥させたGO層を形成する。加熱されるとき、これらの高反応性分子は、主に横方向(長さまたは幅方向)にグラフェン面に沿って(縁から縁的に)および、いくつかの場合、グラフェン面間でも互いに反応して化学的に接合する。 In contrast, the fabrication of the present invention thin films of GO requires that virtually every single pristine graphene plane is oxidized and isolated from one another, creating highly reactive functional groups such as —OH, >O, and —COOH ) at the edges and similarly, strongly oxidizing the pristine graphite particles to the extent that they become single molecules with primarily graphene planes. These single hydrocarbon molecules (containing atoms such as O and H in addition to carbon atoms) are dissolved in a reaction medium (e.g., a mixture of water and acid) and are referred to herein as GO gels. , to form a gel-like mass. This gel is then typically cast under shear stress field conditions onto a smooth substrate surface or injected into a mold cavity, followed by removal of the liquid component to form a dried GO layer. . When heated, these highly reactive molecules react with each other primarily laterally (length or width) along the graphene planes (edge-to-edge) and, in some cases, also between graphene planes. and chemically bond.

図3(D)に示されるのは、2個だけの整列GO分子が例として示される妥当な化学連結機構であるが、非常に多数のGO分子が一緒に化学連結して単位グラフェン層を形成することができる。さらに、化学連結はまた、縁から縁までだけでなく、面から面まで生じ得る。分子が化学的同化され、連結され、単一実体またはモノリスに統合されるようにこれらの連結および同化反応が進む。分子がそれら自体の元の本質を完全に失い、それらはもう離散シート/プレートリット/フレークではない。1つの巨大な分子または本質的に無限大の分子量を有する相互接続巨大分子の単に網目構造であるただ1つの単一層状構造物(単位グラフェン実体)がある。全ての構成グラフェン面は横方向寸法(長さおよび幅)において非常に大きく、剪断応力条件下で(特に、厚さ<20μmの薄フィルムに)製造されて高めの温度(例えば>1,000℃以上)で熱処理される場合、これらのグラフェン面は本質的に互いに平行である。 Shown in FIG. 3(D) is a plausible chemical ligation mechanism where only two aligned GO molecules are shown as an example, but a large number of GO molecules can be chemically ligated together to form a unitary graphene layer. can do. In addition, chemical linkages can also occur face-to-face as well as edge-to-edge. These ligation and anabolic reactions proceed as molecules are chemically assimilated, linked and integrated into a single entity or monolith. The molecules have completely lost their own original essence and they are no longer discrete sheets/platelets/flakes. There is only one single layered structure (a unitary graphene entity) that is simply a network of one macromolecules or interconnected macromolecules with essentially infinite molecular weight. All constituent graphene planes are very large in lateral dimensions (length and width) and can be produced under shear stress conditions (especially in thin films of thickness <20 μm) at higher temperatures (e.g. >1,000 °C). above), these graphene planes are essentially parallel to each other.

SEM、TEM、制限視野回折、X線回折、AFM、ラマン分光学、およびFTIRの組合せを使用する綿密な研究は、グラフェンモノリスはいくつかの非常に大きいグラフェン面(典型的に>>100μm、より典型的に>>1mm、および最も典型的に>>1cmの長さ/幅を有する)から構成されることを示す。これらの巨大グラフェン面は、しばしばファンデルワールス力(従来の黒鉛微結晶におけるように)だけでなく、共有結合によっても厚さ方向(c軸結晶方向)に沿って積層および接合される。理論によって限定されるべきでないが、ラマンおよびFTIR分光法研究は、黒鉛中に従来のspだけでなくsp(支配的)およびsp(弱いが存在している)電子配置の共存を示すと思われる。 In-depth studies using a combination of SEM, TEM, selected area diffraction, X-ray diffraction, AFM, Raman spectroscopy, and FTIR show that graphene monoliths consist of several very large graphene planes (typically >>100 μm, larger than typically >>1 mm, and most typically >>1 cm). These giant graphene planes are often stacked and bonded along the thickness direction (c-axis crystallographic direction) not only by van der Waals forces (as in conventional graphite crystallites) but also by covalent bonds. While not to be limited by theory, Raman and FTIR spectroscopy studies indicate coexistence of sp 2 (dominant) and sp 3 (weak but present) electron configurations in graphite as well as conventional sp 2 I think that the.

(4)この統合されたグラフェン実体は、樹脂結合剤または接着剤を使用して離散フレーク/プレートリットを一緒に接着または接合することによって製造されない。代わりに、外部から添加される結合剤分子またはポリマーを全く使用せずにGOゲル中のGO分子を互いの共有結合の接合または形成によって同化して、統合されたグラフェン実体にする。 (4) The integrated graphene entities are not produced by gluing or bonding together discrete flakes/platelets using resin binders or adhesives. Instead, the GO molecules in the GO gel are assimilated by covalent bonding or formation of covalent bonds with each other into integrated graphene entities without the use of any externally added binder molecules or polymers.

(5)このモノリシックグラフェン実体は典型的に、全ての結晶粒のc軸結晶軸が互いに本質的に平行である。この実体は、GOゲルから得られ、それは更には、複数の黒鉛微結晶を有する天然黒鉛または人工黒鉛粒子から得られる。化学的に酸化される前に、これらの出発黒鉛微結晶は、初期長さ(a軸結晶方向のL)、初期幅(b軸方向のL)、および厚さ(c軸方向のL)を有する。強く酸化したとき、これらの初期に離散した黒鉛粒子は、かなりの濃度の縁担持または表面担持官能基(例えば-OH、-COOH等々)を有する高級芳香族酸化グラフェン分子に化学的に変化される。GOゲル中のこれらの芳香族GO分子は、黒鉛粒子またはフレークの一部であるそれらの元の本性を失っている。液体成分をGOゲルから除去する時に、得られたGO分子は、本質的非晶質構造体を形成する。熱処理時に、これらのGO分子は、高度に秩序化されている単体またはモノリシックグラフェン実体に化学的同化および連結される。 (5) This monolithic graphene entity typically has the c-axis crystal axes of all grains essentially parallel to each other. This entity is obtained from GO gel, which in turn is obtained from natural or artificial graphite particles with a plurality of graphite crystallites. Before being chemically oxidized, these starting graphite crystallites have an initial length (L a along the a-axis crystallographic direction), an initial width (L b along the b-axis), and a thickness (L c ). When strongly oxidized, these initially discrete graphite particles are chemically transformed into higher aromatic graphene oxide molecules with significant concentrations of edge-supported or surface-supported functional groups (such as —OH, —COOH, etc.). . These aromatic GO molecules in the GO gel have lost their original identity being part of graphite particles or flakes. When the liquid component is removed from the GO gel, the resulting GO molecules form an essentially amorphous structure. Upon heat treatment, these GO molecules are chemically assimilated and linked into highly ordered unitary or monolithic graphene entities.

酸化グラフェンの得られた薄フィルムは典型的に、元の微結晶のLおよびLよりも著しく大きい長さまたは幅を有する。この薄フィルムの長さ/幅は典型的に、元の微結晶のLおよびLよりも大きい。このグラフェン実体中の単独結晶粒でも、元の微結晶のLおよびLよりも著しく大きい長さまたは幅を有する。 The resulting thin films of graphene oxide typically have lengths or widths significantly greater than the L a and L b of the original crystallites. The length/width of this thin film is typically larger than the L a and L b of the original crystallites. Even a single grain in this graphene entity has a length or width significantly greater than the L a and L b of the original crystallites.

(6)これらの独特の化学組成(酸素含有量を含む)、モルフォロジー、結晶構造(グラフェン間の間隔を含む)、および構造特徴(例えば、わずかな欠陥、良い化学接合、およびグラフェンシート間の間隙がないこと、ならびにグラフェン面の割り込みがないこと)のために、酸化グラフェンの酸化グラフェンゲル由来モノリシックフィルムは、著しい熱伝導率、電気導電率、機械的強度、および耐引掻き性の独特の組合せを有する。また、このフィルムは、結合剤または接着剤を使用せずに下にある金属箔によく接合される。 (6) their unique chemical composition (including oxygen content), morphology, crystal structure (including spacing between graphene), and structural features (e.g., few defects, good chemical bonding, and spacing between graphene sheets; Graphene oxide gel-derived monolithic films of graphene oxide exhibit a unique combination of remarkable thermal conductivity, electrical conductivity, mechanical strength, and scratch resistance due to the absence of graphene planes and interruption of the graphene planes. have. Also, the film bonds well to the underlying metal foil without the use of binders or adhesives.

前述の特徴はさらに、以下のように詳細に記述および説明される:図1(B)に示されるように、黒鉛粒子(例えば100)は典型的に、複数の黒鉛微結晶または結晶粒から構成される。 The aforementioned features are further described and explained in detail as follows: As shown in FIG. be done.

平行なグラフェン層を保持する弱いファンデルワールス力のために、グラフェン層間の間隔がかなり広がってc軸方向の顕著な膨張をもたらし、したがって、炭素層の層状特性が実質的に保持される膨張黒鉛構造体を形成するように天然黒鉛を処理することができる。一般的には、天然黒鉛のフレーク(例えば図1(B)の100)を酸溶液中にインターカレートして黒鉛層間化合物(GIC、102)を製造する。GICを洗浄し、乾燥させ、そして次に、短時間の間高温に暴露することによって剥離する。これは、フレークを黒鉛のc軸方向においてそれらの元の寸法の80~300倍まで膨張または剥離させる。剥離黒鉛フレークは外観が細長く、したがって、一般的にワーム104と称される。非常に膨張した黒鉛フレークのこれらのワームを、結合剤を使用せずに、大抵の用途のために約0.04~2.0g/cmの典型的な密度を有する膨張黒鉛、例えばウェブ、紙、ストリップ、テープ、箔、マット等(典型的に「可撓性黒鉛」106と称される)の凝集または統合シートに形成することができる。 Expanded graphite in which due to the weak van der Waals forces that hold the graphene layers parallel, the spacing between the graphene layers widens considerably leading to significant expansion along the c-axis, thus substantially preserving the layered properties of the carbon layers. Natural graphite can be processed to form structures. Generally, flakes of natural graphite (eg, 100 in FIG. 1B) are intercalated in an acid solution to produce a graphite intercalation compound (GIC, 102). The GIC is washed, dried, and then stripped by exposure to high temperature for a short period of time. This causes the flakes to expand or exfoliate up to 80-300 times their original dimensions in the c-axis direction of the graphite. Exfoliated graphite flakes are elongated in appearance and are therefore commonly referred to as worms 104 . These worms of highly expanded graphite flakes are spun into expanded graphite, such as webs, with typical densities of about 0.04-2.0 g/cm 3 for most applications, without the use of binders. It can be formed into agglomerated or consolidated sheets of paper, strips, tapes, foils, mats, etc. (typically referred to as "flexible graphite" 106).

図1(A)の上左部分は、可撓性黒鉛箔および樹脂含浸可撓性黒鉛複合物を製造するために使用される先行技術の方法を説明するフローチャートを示す。この方法は典型的に、黒鉛粒子20(例えば、天然黒鉛または合成黒鉛)をインターカラント(典型的に強酸または酸混合物)でインターカレートして黒鉛層間化合物22(GIC)を得ることから開始する。水中で洗浄して過剰な酸を除去した後、GICが「膨張性黒鉛」になる。次に、GICまたは膨張性黒鉛を短時間の間(典型的に15秒~2分)高温環境(例えば、800~1,050℃の範囲の温度に予め設定された管状炉内で)に暴露する。この熱処理は黒鉛をそのc軸方向において30~数百倍膨張させてワーム状虫食い形構造体24(黒鉛ワーム)を達成し、それは、大きな細孔がこれらの相互接続フレークの間に挟まれた剥離された、しかし分離されていない黒鉛フレークを含有する。黒鉛ワームの例が図2(A)に示される。 The upper left portion of FIG. 1(A) shows a flow chart describing a prior art method used to make flexible graphite foils and resin impregnated flexible graphite composites. The method typically begins by intercalating graphite particles 20 (eg, natural or synthetic graphite) with an intercalant (typically a strong acid or acid mixture) to obtain a graphite intercalation compound 22 (GIC). . After washing in water to remove excess acid, the GIC becomes "expandable graphite". The GIC or expandable graphite is then exposed for a short period of time (typically 15 seconds to 2 minutes) to a high temperature environment (eg, in a tube furnace preset at temperatures in the range of 800-1,050° C.). do. This heat treatment expands the graphite 30 to several hundred times in its c-axis direction to achieve worm-like worm-eaten structures 24 (graphite worms), in which large pores are sandwiched between these interconnecting flakes. It contains exfoliated but not separated graphite flakes. An example of a graphite worm is shown in FIG. 2(A).

先行技術の一方法において、カレンダリングまたはロール加圧加工技術を使用することによって剥離黒鉛(または黒鉛ワームの塊)を再圧縮して可撓性黒鉛箔(図1(A)の26または図1(B)の106)を得るが、それらは典型的に100μmよりもずっと厚い。可撓性黒鉛箔の横断面のSEM画像が図2(B)に示され、それは、可撓性黒鉛箔表面に平行ではない配向を有する多くの黒鉛フレークを示し、多くの欠陥および不完全部分がある。 In one prior art method, exfoliated graphite (or a mass of graphite worms) was recompacted to form a flexible graphite foil (26 in FIG. 1A or FIG. 1) by using calendering or roll pressing techniques. (B) 106), but they are typically much thicker than 100 μm. A cross-sectional SEM image of the flexible graphite foil is shown in FIG. There is

一般に黒鉛フレークのこれらの誤配向および欠陥の存在のために、市販の可撓性黒鉛箔は通常、約1,500S/cmの面内電気導電率、15~30S/cmの面貫通(厚さ方向またはZ方向)電気導電率、140~300W/mKの面内熱伝導率、および約10~30W/mKの面貫通熱伝導率を有する。また、これらの欠陥および誤配向は、低い機械的強度の原因である(例えば欠陥は、亀裂が優先的に開始される潜在的応力集中部位である)。これらの性質は、多くの熱管理用途には不十分であり、本発明は、これらの問題に対処するために実施される。 Due to the presence of these misorientations and defects in graphite flakes in general, commercially available flexible graphite foils typically have an in-plane electrical conductivity of about 1,500 S/cm and a through-plane (thickness) of 15-30 S/cm. or Z-direction) electrical conductivity, in-plane thermal conductivity of 140-300 W/mK, and through-plane thermal conductivity of about 10-30 W/mK. These defects and misorientations are also responsible for low mechanical strength (eg defects are potential stress concentration sites where cracks are preferentially initiated). These properties are insufficient for many thermal management applications, and the present invention is implemented to address these issues.

別の先行技術の方法において、剥離黒鉛ワーム24を樹脂で含浸し、そして次に圧縮および硬化して可撓性黒鉛複合物28を形成してもよく、それは通常、同様に低い強度である。さらに、樹脂含浸したとき、黒鉛ワームの電気および熱伝導率は2桁低下され得る。 In another prior art method, exfoliated graphite worms 24 may be impregnated with resin and then compressed and cured to form a flexible graphite composite 28, which is also typically of low strength. In addition, the electrical and thermal conductivity of graphite worms can be reduced by two orders of magnitude when resin impregnated.

代わりに、高強度エアジェットミル、高強度ボールミル、または超音波デバイスを使用して剥離黒鉛を高強度機械的剪断/分離処理に供して、分離されたナノグラフェンプレートリット33(NGP)を製造してもよく、全てのグラフェンプレートリットは100nmよりも薄く、主に10nmよりも薄く、そして、多くの場合、単一層グラフェンである(図1(B)において112としても示される)。NGPは、グラフェンシートまたは複数のグラフェンシートから構成され、各々のシートは炭素原子の2次元の、六方晶構造体である。 Alternatively, the exfoliated graphite was subjected to a high intensity mechanical shear/separation process using a high intensity air jet mill, a high intensity ball mill, or an ultrasonic device to produce separated nanographene platelets 33 (NGP). Well, all graphene platelets are thinner than 100 nm, mostly thinner than 10 nm, and often single-layer graphene (also shown as 112 in FIG. 1(B)). NGPs are composed of a graphene sheet or multiple graphene sheets, each sheet being a two-dimensional, hexagonal structure of carbon atoms.

さらに代わりに、低強度剪断によって、黒鉛ワームは、厚さ>100nmを有するいわゆる膨張黒鉛フレーク(図1(B)の108)に分離される傾向がある。紙製造またはマット製造法を使用してこれらのフレークを黒鉛紙またはマット106に形成することができる。この膨張黒鉛紙またはマット106は、欠陥、割り込み、およびこれらの離散フレーク間の誤配向を有する離散フレークのごく単純な集合体または積層体である。 Further alternatively, by low intensity shear, graphite worms tend to separate into so-called expanded graphite flakes (108 in FIG. 1(B)) with a thickness >100 nm. These flakes can be formed into graphite paper or mat 106 using paper-making or mat-making methods. This expanded graphite paper or mat 106 is a very simple assembly or stack of discrete flakes with imperfections, interruptions, and misorientations between these discrete flakes.

製紙プロセスを使用して複数のNGP(図1(A)の33、単一層および/または数層グラフェンの離散シート/プレートリットを含む)の塊をグラフェン紙に製造してもよい(図1(A)の34または図1(B)の114)。図3(B)は、製紙プロセスを使用して離散グラフェンシートから作製されるグラフェン紙/フィルムの横断面のSEM画像を示す。画像は、折れるかまたは割り込まれている(統合されていない)多くの離散グラフェンシートが存在し、プレートリット配向の大部分がフィルム/紙表面に平行ではなく、多くの欠陥または不完全部の存在を示す。これらのNGP集合体は、細密に充填される時でも、比較的低い電気導電率を示す。 A mass of multiple NGPs (33 in FIG. 1(A), comprising discrete sheets/platelets of single-layer and/or few-layer graphene) may be fabricated into graphene paper using a papermaking process (FIG. 1 ( 34 in A) or 114 in FIG. 1(B)). FIG. 3(B) shows a cross-sectional SEM image of a graphene paper/film made from discrete graphene sheets using a papermaking process. The image has many discrete graphene sheets that are folded or interrupted (unintegrated), most of the platelet orientations are not parallel to the film/paper surface, and many defects or imperfections are present. indicate. These NGP assemblies exhibit relatively low electrical conductivity even when closely packed.

金属箔上に接合された酸化グラフェンの薄フィルムの前駆体は酸化グラフェンゲル21(図1(A))である。このGOゲルは、粉末または繊維形態の黒鉛材料20を反応器内の強酸化性液体に浸漬して懸濁液またはスラリーを形成することによって得られ、それは初期に光学的に不透明であり且つ黒ずんでいる。この光学不透明度は、酸化反応の開始時に、離散黒鉛フレークそして、もっと後の段階で、離散酸化グラフェンフレークが分散し、および/または可視波長を吸収し、不透明且つ概して黒ずんだ流体塊をもたらすという事実を反映する。黒鉛粉末と酸化剤との間の反応を十分な時間の間十分に高い反応温度で進行させる場合、この不透明な懸濁液は褐色の、典型的に半透明または透明な溶液に変化させられ、それは今、識別できる離散黒鉛フレークまたは黒鉛酸化物プレートリットを含有しない「酸化グラフェンゲル」と呼ばれる均質な流体である(図1(A)の21)。剪断応力場のもとで分配および堆積する場合、GOゲルは粘度低下および分子配向を得て「配向GO」35を形成し、それは熱処理されて、金属箔に接合されたモノリシック薄フィルム実体37になることができる。 The precursor of the thin film of graphene oxide bonded onto the metal foil is the graphene oxide gel 21 (FIG. 1(A)). This GO gel is obtained by immersing graphite material 20 in powder or fibrous form in a strongly oxidizing liquid in a reactor to form a suspension or slurry, which is initially optically opaque and blackened. I'm in. This optical opacity is attributed to the fact that at the onset of the oxidation reaction, the discrete graphite flakes and, at a later stage, the discrete graphene oxide flakes disperse and/or absorb visible wavelengths, resulting in an opaque and generally dark fluid mass. reflect the facts. When the reaction between the graphite powder and the oxidizing agent is allowed to proceed for a sufficient time and at a sufficiently high reaction temperature, this opaque suspension is transformed into a brown, typically translucent or transparent solution, It is now a homogeneous fluid called "graphene oxide gel" containing no discernible discrete graphite flakes or graphite oxide platelets (21 in Fig. 1(A)). When dispensed and deposited under a shear stress field, the GO gel acquires viscosity reduction and molecular orientation to form "oriented GO" 35, which is heat treated to form a monolithic thin film entity 37 bonded to a metal foil. can become

また、この酸化グラフェンゲルは典型的に光学的に透明または半透明および視覚的に均質であり、その中に分散された黒鉛、グラフェン、または酸化グラフェンの識別できる離散フレーク/プレートリットがない。GOゲルにおいて、GO分子は、酸性液状媒体中に均一に分散されている。対照的に、流体(例えば水、有機酸または溶媒)中の離散グラフェンシート、酸化グラフェンシート、および膨張黒鉛フレークの従来の懸濁液は黒ずんでいるか、黒色または濃褐色に見え、単独グラフェンまたは酸化グラフェンシートまたは膨張黒鉛フレークが裸眼または低倍率光学顕微鏡(100倍~1,000倍)でも識別できるかまたは認識可能である。 Also, the graphene oxide gel is typically optically transparent or translucent and visually homogeneous, with no discernible discrete flakes/platelets of graphite, graphene, or graphene oxide dispersed therein. In GO gels, GO molecules are uniformly dispersed in an acidic liquid medium. In contrast, conventional suspensions of discrete graphene sheets, oxidized graphene sheets, and expanded graphite flakes in fluids (e.g., water, organic acids, or solvents) appear dark, black, or dark brown, compared to graphene alone or oxidized. Graphene sheets or expanded graphite flakes are discernible or recognizable with the naked eye or even with a low power optical microscope (100×-1,000×).

酸化グラフェンゲルの液状媒体に溶解させた酸化グラフェン分子は、鎖中に典型的に1,000未満、より典型的に500未満、多くは100未満のベンゼン環の平均数を有する芳香族鎖である。分子の大部分は、原子間力顕微鏡検査、高解像度TEM、および分子量測定の組合せによって5または6超のベンゼン環(主に>10のベンゼン環)を有する。我々の元素分析に基づいて、これらのベンゼン環タイプの芳香族分子は強く酸化され、-COOHおよび-OHなどの高濃度の官能基を含有し、したがって、水などの極性溶媒中に「可溶性」(分散性なだけではない)である。ゲル状態のこれらの酸化グラフェンポリマーの推定分子量は典型的に200g/モル~43,000g/モルの間、より典型的に400g/モル~21,500g/モルの間、および最も典型的に400g/モル~4,000g/モルの間である。GOゲルの典型的な粘度値は図8(A)~図8(C)に示される。 The graphene oxide molecules dissolved in the liquid medium of the graphene oxide gel are aromatic chains with an average number of benzene rings in the chain typically less than 1,000, more typically less than 500, and often less than 100. . The majority of the molecules have more than 5 or 6 benzene rings (mainly >10 benzene rings) by a combination of atomic force microscopy, high-resolution TEM, and molecular weight measurements. Based on our elemental analysis, these benzene ring-type aromatic molecules are strongly oxidized, contain high concentrations of functional groups such as —COOH and —OH, and are therefore “soluble” in polar solvents such as water. (not just dispersive). The estimated molecular weights of these graphene oxide polymers in the gel state are typically between 200 g/mole and 43,000 g/mole, more typically between 400 g/mole and 21,500 g/mole, and most typically between 400 g/mole and 400 g/mole. between mol and 4,000 g/mol. Typical viscosity values for GO gels are shown in FIGS. 8(A)-8(C).

これらの可溶性分子はポリマーのように挙動し、驚くべきことに、(後続の熱処理または再黒鉛化処理の間に)互いに反応して化学的に接続されて、良い構造統合性および高い熱伝導率のグラフェン層を形成することができる。従来の離散グラフェンシート、酸化グラフェンシート、または黒鉛フレークは、自己反応または凝集接合能力を全く有さない。また非常に驚くべきことに、後続の熱処理または再黒鉛化処理の間、GOゲル中のこれらの可溶性分子は、金属箔表面を化学接合することができる。 These soluble molecules behave like polymers and surprisingly (during subsequent heat treatment or re-graphitization) react and chemically connect with each other to provide good structural integrity and high thermal conductivity. of graphene layers can be formed. Conventional discrete graphene sheets, graphene oxide sheets, or graphite flakes have no self-reaction or cohesive bonding ability. Also very surprisingly, these soluble molecules in the GO gel are able to chemically bond the metal foil surface during the subsequent heat treatment or re-graphitization treatment.

また、具体的にそして最も重要なことに、GOゲル状態中に存在しているこれらの酸化グラフェン分子は、十分に長い時間の間十分に高温でゲルを乾燥させて熱処理される時に互いに化学接合、連結、または同化して非常に長く且つ幅の広いグラフェン層に統合され得る(例えば図3(A))。識別できる単独グラフェンプレートリットまたはシートはない。それらは、互いに完全に連結されて化学的に統合される化学的活性またはライブGO分子に化学的に変換されて、グラフェン面方向に層状単体を形成し、これらの単体は、厚さ方向(またはZ方向)に沿って互いに化学接合していると思われる。X線回折検査は、d間隔(グラフェン面間の距離)が約0.3354nm(0.01重量%の酸素を有する)から0.40nm(約5.0~10%の酸素を有する)に戻ったことを裏づけた。これらのグラフェン層間に間隙は全くないと思われ、したがって、これらの層は、1つの大きな単体に本質的に同化されている。図3(A)は、このような巨大な単体の例を表わす。このようなグラフェン実体の形成プロセスが図3(C)にさらに図解される。 Also, specifically and most importantly, these graphene oxide molecules present in the GO gel state are chemically bonded to each other when heat treated to dry the gel at a sufficiently high temperature for a sufficiently long time. , linked, or assimilated into very long and wide graphene layers (eg, FIG. 3(A)). There are no discernible individual graphene platelets or sheets. They are chemically transformed into chemically active or live GO molecules that are fully linked to each other and chemically integrated to form layered monomers along the graphene planes, and these monomers are aligned along the thickness (or It is believed that they are chemically bonded to each other along the Z direction). X-ray diffraction studies showed that the d-spacing (distance between graphene planes) returned from about 0.3354 nm (with 0.01 wt% oxygen) to 0.40 nm (with about 5.0-10% oxygen). backed up that. There appear to be no gaps between these graphene layers, so the layers are essentially assimilated into one large monolith. FIG. 3A represents an example of such a giant simplex. The formation process of such graphene entities is further illustrated in FIG. 3(C).

酸化グラフェンゲルを形成する目的で強く酸化される出発黒鉛材料は、天然黒鉛、人工黒鉛、メソフェーズ炭素、メソフェーズピッチ、メソカーボンマイクロビード、軟質炭素、硬質炭素、コークス、炭素繊維、炭素ナノ繊維、炭素ナノチューブ、またはそれらの組合せから選択され得る。黒鉛材料は好ましくは、20μm未満、より好ましくは10μm未満、さらに好ましくは5μm未満、最も好ましくは1μm未満の寸法を有する粉末または短いフィラメントの形態である。 Starting graphite materials that are strongly oxidized to form graphene oxide gels include natural graphite, artificial graphite, mesophase carbon, mesophase pitch, mesocarbon microbeads, soft carbon, hard carbon, coke, carbon fiber, carbon nanofiber, carbon Nanotubes, or combinations thereof. The graphite material is preferably in the form of powder or short filaments having dimensions of less than 20 μm, more preferably less than 10 μm, even more preferably less than 5 μm, most preferably less than 1 μm.

実施例として9.7μmの平均粒度を有する人工黒鉛を使用して、典型的な手順は、典型的に少なくとも3日間、好ましくは5日間、およびより好ましくは7日間以上、黒鉛粒子を典型的に0~60℃の温度の(3:1:0.05の重量比の)硫酸、硝酸、および過マンガン酸カリウムの酸化剤混合物中に分散させる工程を必要とする。ゲル中の得られた酸化グラフェン分子の平均分子量は、処理時間が3日間である場合約20,000~40,000g/モル、5日間である場合<10,000g/モル、および7日間よりも長い場合<4,000g/モルである。必要とされるゲル形成時間は元の黒鉛材料の粒度に依存しており、より小さな粒度はより短い時間を必要とする。臨界ゲル形成時間に達していない場合、黒鉛粉末および酸化剤の懸濁液(酸化剤液体中に分散された黒鉛粒子)は全く不透明且つ不均質に見えることを指摘することは非常に重要であり、離散黒鉛粒子またはフレークが液状媒体中に懸濁されたままである(しかし溶解していない)ことを意味する。この臨界時間を超えるとすぐ、懸濁液全体が光学半透明または透明になり(十分に低いGO含有量の場合)、褐色になるが、それは強く酸化された黒鉛がその元の黒鉛本性を完全に失うことを意味し、得られた酸化グラフェン分子を、酸化剤液体中に完全に溶解させ、均質な溶液を形成する(もう単に懸濁液またはスラリーではない)。 Using artificial graphite having an average particle size of 9.7 μm as an example, a typical procedure typically involves exfoliating graphite particles for at least 3 days, preferably 5 days, and more preferably 7 days or more. It requires dispersing in an oxidant mixture of sulfuric acid, nitric acid and potassium permanganate (in a weight ratio of 3:1:0.05) at a temperature of 0-60°C. The average molecular weight of the resulting graphene oxide molecules in the gel is about 20,000-40,000 g/mol when the treatment time is 3 days, <10,000 g/mol when the treatment time is 5 days, and less than 7 days. <4,000 g/mol in the long case. The gel formation time required is dependent on the particle size of the original graphite material, with smaller particle sizes requiring shorter times. It is very important to point out that if the critical gel formation time has not been reached, the graphite powder and oxidant suspension (graphite particles dispersed in the oxidant liquid) will appear quite opaque and inhomogeneous. , means that the discrete graphite particles or flakes remain suspended (but not dissolved) in the liquid medium. As soon as this critical time is exceeded, the entire suspension becomes optically translucent or transparent (for sufficiently low GO contents) and brown, indicating that the strongly oxidized graphite has completely lost its original graphite nature. The resulting graphene oxide molecules are completely dissolved in the oxidant liquid to form a homogeneous solution (no longer just a suspension or slurry).

必要とされるゲル形成時間より短い処理時間の後、懸濁液またはスラリーをすすぎ洗いして乾燥させる場合、黒鉛酸化物粉末または黒鉛層間化合物(GIC)粉末を単に回収し、それをその後剥離および分離して、離散ナノグラフェンプレートリット(NGP)を製造することができることがさらに指摘されなければならない。十分な量の強酸化剤および十分な時間の酸化時間がなければ、黒鉛または黒鉛酸化物粒子はGOゲル状態に変換されない。 If the suspension or slurry is rinsed and dried after a treatment time shorter than the required gel formation time, the graphite oxide powder or graphite intercalation compound (GIC) powder is simply recovered, which is then exfoliated and dried. It should be further pointed out that discrete nanographene platelets (NGPs) can be produced separately. Without a sufficient amount of strong oxidant and a sufficient oxidation time, the graphite or graphite oxide particles will not convert to the GO gel state.

酸化グラフェンゲルが元の黒鉛結晶粒径(例えば平均結晶粒径、D)を有する黒鉛材料から得られる場合、得られた酸化グラフェンの薄フィルムは、この元の結晶粒径よりかなり大きい結晶粒径を有するグラフェン構造物である。フィルムは、出発黒鉛材料の任意の特定の粒子に対応付けられると確認できる結晶粒を全く有さない。元の粒子は、化学連結および同化されるかまたは分子量が本質的に無限大であるグラフェン鎖の網目構造に統合される黒鉛酸化物分子に変換される時にそれらの本性をすでに全く失っている。 When a graphene oxide gel is obtained from a graphite material having an original graphite grain size (e.g., average grain size, D g ), the resulting thin film of graphene oxide has grains much larger than the original grain size. A graphene structure having a diameter. The film has no identifiable grains associated with any particular grain of the starting graphite material. The original particles have already lost all their nature when converted to graphitic oxide molecules that are chemically linked and assimilated or integrated into a network of graphene chains whose molecular weight is essentially infinite.

さらに、酸化グラフェンゲルが、X線回折または電子回折方法によって測定された好ましい結晶配向を示さない複数の黒鉛微結晶を有する黒鉛材料(例えば天然黒鉛の粉末)から得られる場合でも、金属箔上に接合された得られた薄フィルムは、同じX線回折または電子回折方法によって測定されたとき、非常に高度の好ましい結晶配向を典型的に示す。これは、元のまたは出発黒鉛材料の粒子を構成する六方晶炭素原子の構成グラフェン面が化学的に改質され、変換され、再整列され、再配向され、連結または架橋され、同化および統合され、再黒鉛化され、そしてさらに再結晶化されていることを示すさらにもう1つの証拠である。 Furthermore, even if the graphene oxide gel is obtained from a graphite material (e.g. powder of natural graphite) having a plurality of graphite crystallites that do not exhibit a preferred crystallographic orientation as measured by X-ray diffraction or electron diffraction methods, The resulting bonded thin films typically exhibit a very high degree of preferred crystalline orientation as measured by the same X-ray diffraction or electron diffraction methods. This is because the constituent graphene planes of the hexagonal carbon atoms that make up the particles of the original or starting graphite material are chemically modified, transformed, realigned, reoriented, linked or crosslinked, assimilated and integrated. , re-graphitized and further re-crystallized.

また、本発明は、アノード集電体および/またはカソード集電体として本発明の酸化グラフェン薄フィルム接合金属箔を含有する再充電可能バッテリーを提供する。これは、例えば、いくつか例を挙げると亜鉛-空気セル、ニッケル金属水素化物セル、ナトリウムイオンセル、ナトリウム金属セル、マグネシウムイオンセル、またはマグネシウム金属セルなどの任意の再充電可能バッテリーであることができる。この発明されたバッテリーは、アノード集電体またはカソード集電体として単位グラフェン層を含有する再充電可能リチウムバッテリーであることができ、そのリチウムバッテリーは、リチウム-硫黄セル、リチウム-セレンセル、リチウム硫黄/セレンセル、リチウムイオンセル、リチウム-空気セル、リチウム-グラフェンセル、またはリチウム-炭素セルであることができる。本発明の別の実施形態は、アノード集電体またはカソード集電体として本発明の集電体を含有するキャパシタであり、そのキャパシタは、対称ウルトラキャパシタ、非対称ウルトラキャパシタセル、ハイブリッドスーパーキャパシタ-バッテリーセル、またはリチウムイオンキャパシタセルである。 The present invention also provides rechargeable batteries containing the graphene oxide thin film-bonded metal foils of the present invention as anode current collectors and/or cathode current collectors. This can be, for example, any rechargeable battery such as a zinc-air cell, a nickel metal hydride cell, a sodium ion cell, a sodium metal cell, a magnesium ion cell, or a magnesium metal cell, to name a few. can. This invented battery can be a rechargeable lithium battery containing a unit graphene layer as an anode current collector or a cathode current collector, and the lithium battery can be a lithium-sulfur cell, a lithium-selenium cell, a lithium-sulphur /selenium cells, lithium ion cells, lithium-air cells, lithium-graphene cells, or lithium-carbon cells. Another embodiment of the invention is a capacitor containing the current collector of the invention as an anode current collector or a cathode current collector, the capacitor being a symmetric ultracapacitor, an asymmetric ultracapacitor cell, a hybrid supercapacitor-battery cells, or lithium-ion capacitor cells.

例として、本発明は、アノード側の集電体、アノードとしてのリチウムフィルムまたは箔、多孔性セパレーター/電解質層、カソード活物質(例えばリチウムを含まないVおよびMnO)を含有するカソード、および集電体から構成される再充電可能リチウム-金属セルを提供する。アノード集電体およびカソード集電体のどちらかまたは両方とも、本発明のグラフェン系集電体であり得る。 By way of example, the present invention provides a cathode containing a current collector on the anode side, a lithium film or foil as the anode, a porous separator/electrolyte layer, cathode active materials such as lithium - free V2O5 and MnO2 . , and a current collector. Either or both of the anode and cathode current collectors can be graphene-based current collectors of the present invention.

本発明の別の例は、アノード側の集電体、黒鉛またはチタン酸リチウムアノード、液体またはゲル電解質で浸漬された多孔性セパレーター、カソード活物質(例えば高い比表面積を有する活性炭)を含有するカソード、および集電体から構成されるリチウムイオンキャパシタ(またはハイブリッドスーパーキャパシタ)である。また、アノード集電体およびカソード集電体のどちらかまたは両方とも、本発明のグラフェン系集電体であり得る。 Another example of the present invention is a current collector on the anode side, a graphite or lithium titanate anode, a porous separator soaked with a liquid or gel electrolyte, a cathode containing a cathode active material such as activated carbon with a high specific surface area. , and a current collector. Also, either or both of the anode current collector and the cathode current collector can be graphene-based current collectors of the present invention.

本発明のさらに別の例は別のリチウムイオンキャパシタまたはハイブリッドスーパーキャパシタであり、それは、アノード側の集電体、黒鉛アノード(およびアノードの一部としてリチウム箔のシート)、液体電解質で浸漬された多孔性セパレーター、カソード活物質(例えば高い比表面積を有する活性炭)を含有するカソード、および集電体から構成される。また、アノード集電体およびカソード集電体のどちらかまたは両方とも、本発明のグラフェン系集電体であり得る。 Yet another example of the present invention is another lithium-ion capacitor or hybrid supercapacitor, which comprises a current collector on the anode side, a graphite anode (and a sheet of lithium foil as part of the anode), immersed in a liquid electrolyte. It consists of a porous separator, a cathode containing a cathode active material (eg activated carbon with a high specific surface area), and a current collector. Also, either or both of the anode current collector and the cathode current collector can be graphene-based current collectors of the present invention.

本発明のさらに別の例は、アノード側の集電体、多孔性ナノ構造アノード(例えば、戻ってくるリチウムイオンがセルの再充電の間に上に堆積することができ、表面安定化リチウム粉末粒子が混合されるか、またはナノ構造物に付着されるリチウム箔のシートを有する高表面積を有するグラフェンシートを含む)、液体電解質で浸漬された多孔性セパレーター、グラフェン系カソード活物質(例えば、セルの放電の間にリチウムイオンを捉える高い比表面積を有するグラフェン、酸化グラフェン、またはフッ化グラフェンシート)を含有するカソード、およびカソード集電体から構成されるリチウム-グラフェンセルである。また、アノード集電体およびカソード集電体のどちらかまたは両方とも、本発明のグラフェン系集電体であり得る。 Yet another example of the present invention is a current collector on the anode side, a porous nanostructured anode (e.g., a surface stabilized lithium powder on which returning lithium ions can be deposited during cell recharge). (including high surface area graphene sheets with sheets of lithium foil mixed with particles or attached to nanostructures), porous separators soaked with liquid electrolyte, graphene-based cathode active materials (e.g., cell A lithium-graphene cell composed of a cathode containing graphene, graphene oxide, or graphene fluoride sheets with a high specific surface area that traps lithium ions during discharge, and a cathode current collector. Also, either or both of the anode current collector and the cathode current collector can be graphene-based current collectors of the present invention.

実施例1:離散グラフェンシート(NGP)および膨張黒鉛フレークの調製
12μmの平均直径を有する細断した黒鉛繊維および天然黒鉛粒子を出発原料として別々に使用し、それを(化学インターカレートおよび酸化剤として)濃硫酸、硝酸、および過マンガン酸カリウムの混合物中に浸漬して黒鉛層間化合物(GIC)を調製した。最初に出発原料を24時間の間80℃で真空炉内で乾燥させた。次いで、(4:1:0.05の重量比の)濃硫酸、発煙硝酸、および過マンガン酸カリウムの混合物を、適切な冷却および撹拌下で、繊維セグメントを含有する三首フラスコにゆっくりと添加した。16時間の反応後に、酸処理黒鉛繊維または天然黒鉛粒子を濾過し、溶液のpHレベルが6に達するまで脱イオン水で十分に洗浄した。一晩100℃で乾燥させた後、得られた黒鉛層間化合物(GIC)を管状炉内で45秒間1050℃の熱衝撃に供して、剥離黒鉛(または黒鉛ワーム)を形成した。
Example 1 Preparation of Discrete Graphene Sheets (NGP) and Expanded Graphite Flakes Chopped graphite fibers with an average diameter of 12 μm and natural graphite particles were separately used as starting materials, which were treated with (chemical intercalators and oxidants As) a graphite intercalation compound (GIC) was prepared by immersion in a mixture of concentrated sulfuric acid, nitric acid, and potassium permanganate. The starting material was first dried in a vacuum oven at 80° C. for 24 hours. A mixture of concentrated sulfuric acid, fuming nitric acid, and potassium permanganate (in a weight ratio of 4:1:0.05) is then slowly added to the three-necked flask containing the fiber segments under appropriate cooling and stirring. did. After 16 hours of reaction, the acid-treated graphite fibers or natural graphite particles were filtered and washed thoroughly with deionized water until the pH level of the solution reached 6. After drying overnight at 100° C., the resulting graphite intercalation compound (GIC) was subjected to thermal shock at 1050° C. for 45 seconds in a tube furnace to form exfoliated graphite (or graphite worms).

5グラムの得られた剥離黒鉛(黒鉛ワーム)を65:35の比のアルコールおよび蒸留水からなる2,000mlのアルコール溶液と12時間の間混合して、懸濁液を得た。次に、混合物または懸濁液を200Wの出力で様々な時間の間超音波照射に供した。2時間の音波処理の後、EG粒子を薄いNGPに有効に破砕した。次に、懸濁液を濾過して80℃で乾燥させて、残留溶媒を取り除いた。調製しただけのNGPは約9.7nmの平均厚さを有する。 Five grams of the resulting exfoliated graphite (graphite worms) was mixed with 2,000 ml of an alcoholic solution consisting of alcohol and distilled water at a ratio of 65:35 for 12 hours to obtain a suspension. The mixture or suspension was then subjected to ultrasonic irradiation at a power of 200 W for various times. After 2 hours of sonication, the EG particles were effectively broken into thin NGP. The suspension was then filtered and dried at 80° C. to remove residual solvent. As-prepared NGP has an average thickness of about 9.7 nm.

別の5グラムの得られた剥離黒鉛(EG)を低強度エアジェットミル粉砕に供して、黒鉛ワームを破断し、膨張黒鉛フレーク(139nmの平均厚さを有する)を形成した。膨張黒鉛フレークおよびグラフェンシートの両方の試料を結合剤樹脂(PVDF)と混合し、次に、Cu箔およびAl箔の主表面上にコートして、膨張黒鉛被覆集電体および酸化グラフェンでコートされた集電体を形成した。さらに、Al箔のシートをアセトンで清浄にして、次にGOおよびRGOシートの両方で噴霧コートした。得られた集電体をリチウムバッテリーおよびスーパーキャパシタの両方において評価した。 Another 5 grams of the resulting exfoliated graphite (EG) was subjected to low intensity air jet milling to fracture the graphite worms and form expanded graphite flakes (having an average thickness of 139 nm). Samples of both expanded graphite flakes and graphene sheets were mixed with a binder resin (PVDF) and then coated onto the major surfaces of Cu and Al foils to form expanded graphite-coated current collectors and graphene oxide. A current collector was formed. Additionally, sheets of Al foil were cleaned with acetone and then spray coated with both GO and RGO sheets. The resulting current collectors were evaluated in both lithium batteries and supercapacitors.

実施例2:メソカーボンマイクロビード(MCMB)からのグラフェンの調製
メソカーボンマイクロビード(MCMB)は、China Steel Chemical Co.から供給された。この材料は、約2.24g/cmの密度ならびに約16μmのメジアン粒度を有する。MCMB(10グラム)を72時間にわたって酸溶液(4:1:0.05の比の硫酸、硝酸、および過マンガン酸カリウム)でインターカレートした。反応の終了時に、混合物を脱イオン水中に流し込み、濾過した。インターカレートされたMCMBをHClの5%溶液中で繰り返して洗浄して硫酸イオンの大部分を除去した。次に、ろ液のpHが中性になるまで試料を脱イオン水で繰り返して洗浄した。スラリーを24時間の間60℃の真空炉内で乾燥および貯蔵した。乾燥させた粉末試料を石英管内に置き、45秒間の間所望の温度、1,080℃に予備設定された水平管状炉内に挿入して、グラフェン材料を得た。TEMおよび原子間力顕微鏡検査は、NGPの大部分が単一層グラフェンであったことを示す。これらのグラフェンシートを自立グラフェン紙に製造するかまたは薄金属箔上に(樹脂結合剤と共に)堆積させた。Al箔の場合、グラフェンでコートされたAl箔の試料(結合剤なし)もまた作製した。
Example 2: Preparation of graphene from mesocarbon microbeads (MCMB) Mesocarbon microbeads (MCMB) were obtained from China Steel Chemical Co., Ltd. supplied from. This material has a density of about 2.24 g/cm 3 and a median particle size of about 16 μm. MCMB (10 grams) was intercalated with an acid solution (sulfuric acid, nitric acid, and potassium permanganate in a 4:1:0.05 ratio) for 72 hours. At the end of the reaction, the mixture was poured into deionized water and filtered. The intercalated MCMB was washed repeatedly in a 5% solution of HCl to remove most of the sulfate ions. The samples were then washed repeatedly with deionized water until the pH of the filtrate was neutral. The slurry was dried and stored in a vacuum oven at 60°C for 24 hours. The dried powder sample was placed in a quartz tube and inserted into a horizontal tubular furnace preset at the desired temperature of 1,080° C. for 45 seconds to obtain the graphene material. TEM and atomic force microscopy show that most of the NGP was single-layer graphene. These graphene sheets were either fabricated into freestanding graphene paper or deposited (with a resin binder) onto thin metal foils. In the case of Al foil, samples of Al foil coated with graphene (without binder) were also made.

実施例3:純粋グラフェンシート/プレートリットの調製
典型的な手順において、約20μm以下のサイズに微粉砕された5グラムの黒鉛フレークを1,000mLの脱イオン水(DuPont製のZonyl(登録商標)FSO、分散助剤0.1重量%を含有する)中に分散させて懸濁液を得た。85Wの超音波エネルギーレベル(BransonS450ウルトラソニケーター)を15分~2時間にわたってグラフェンシートの剥離、分離、および粉砕のために使用した。
Example 3 Preparation of Pure Graphene Sheets/Platelits In a typical procedure, 5 grams of graphite flakes pulverized to a size of about 20 μm or less were added to 1,000 mL of deionized water (Zonyl® from DuPont). FSO, containing 0.1% by weight of dispersing aid) to give a suspension. An ultrasonic energy level of 85 W (Branson S450 Ultrasonicator) was used for exfoliation, separation, and crushing of the graphene sheets for 15 minutes to 2 hours.

実施例4:酸化グラフェン(GO)ゲルの調製
酸化グラフェンは、黒鉛フレークを4:1:0.05の比の硫酸、硝酸ナトリウム、および過マンガン酸カリウムからなる酸化剤液体で30℃で酸化することによって調製された。天然黒鉛フレーク(14μmの粒度)が酸化剤混合物液体中に浸漬および分散されるとき、懸濁液またはスラリーは光学的に不透明にみえ、且つ暗くみえた。懸濁液は、反応の最初の52時間の間不透明なままである。しかしながら、懸濁液は、反応時間が52時間を超える時に徐々に光学半透明になり(少し濁る)、そして懸濁液の色は黒色から暗褐色に変化する。96時間後に、懸濁液は突然明るい褐色を有する光学的に透明な溶液になる。溶液は色が非常に均一且つ透明に見え、分散された離散物体が全く存在しないことを示す。全溶液は、典型的なポリマーゲルに非常に似た、ゲルのように挙動する。
Example 4 Preparation of Graphene Oxide (GO) Gel Graphene oxide is oxidized with an oxidant liquid consisting of sulfuric acid, sodium nitrate, and potassium permanganate in a ratio of 4:1:0.05 at 30° C. to graphite flakes. Prepared by When natural graphite flakes (14 μm particle size) were immersed and dispersed in the oxidant mixture liquid, the suspension or slurry appeared optically opaque and dark. The suspension remains opaque during the first 52 hours of reaction. However, the suspension gradually becomes optically translucent (slightly cloudy) when the reaction time exceeds 52 hours, and the color of the suspension changes from black to dark brown. After 96 hours, the suspension suddenly becomes an optically clear solution with a light brown color. The solution appears very uniform in color and clear, indicating the absence of any dispersed discrete objects. The whole solution behaves like a gel, much like a typical polymer gel.

驚くべきことに、このゲルを金属箔表面(Cu、Al、Ni、Ti、またはステンレス鋼)上にキャストすると共に液状媒体をキャストフィルムから除去することによって、光学的に透明な酸化グラフェンの薄フィルムが得られる。この薄フィルムは、規則性ポリマーフィルムのように見え、そのような手触りがし、そしてそのように挙動する。しかしながら、典型的に1~3時間の間(80℃~1,500℃の)温度で熱処理したとき、このGOフィルムは、大きなサイズのグラフェンドメインを含むモノリシック薄フィルム実体に変化させられる。このGOフィルムは、下にある金属箔によく接合される。 Surprisingly, by casting this gel onto a metal foil surface (Cu, Al, Ni, Ti, or stainless steel) and removing the liquid medium from the cast film, thin films of optically transparent graphene oxide were obtained. is obtained. This thin film looks, feels and behaves like an ordered polymer film. However, when heat-treated at temperatures (between 80° C. and 1,500° C.), typically for 1-3 hours, the GO films are transformed into monolithic thin-film entities containing large-sized graphene domains. This GO film bonds well to the underlying metal foil.

熱処理の前のGOフィルム(ガラス表面上にコートされたGOゲル、液状媒体が除去された)、1時間の間150℃で熱還元されたGOフィルム、および高度還元および再黒鉛化GOフィルム(単位グラフェン層)のX線回折曲線が図5(A)、図5(B)、および図5(C)それぞれに示される。乾燥させたGOフィルム(図5(A))の約2θ=12°のピークは、約0.7nmのグラフェン間の間隔(d002)に相当する。150℃での或る熱処理によって、GOフィルムは、22°を中心とするハンプの形成を示し(図5(B))、化学連結および秩序化プロセスの開始を示す、グラフェン間の間隔を減少させるプロセスをそれが開始したことを示す。3時間にわたる1,250℃の熱処理温度によってd002間隔は、黒鉛単結晶の0.3354nmに近い、約0.34に減少した。 GO film before heat treatment (GO gel coated on glass surface, liquid medium removed), GO film thermally reduced at 150 °C for 1 hour, and highly reduced and re-graphitized GO film (unit The X-ray diffraction curves of the graphene layer) are shown in FIGS. 5(A), 5(B) and 5(C), respectively. The peak at about 2θ=12° in the dried GO film (Fig. 5(A)) corresponds to a spacing (d 002 ) between graphenes of about 0.7 nm. With some heat treatment at 150 °C, the GO film exhibits the formation of humps centered at 22° (Fig. 5(B)), reducing the spacing between graphenes, indicating the initiation of chemical ligation and ordering processes. Indicates the process it started. A heat treatment temperature of 1,250° C. for 3 hours reduced the d 002 spacing to about 0.34, which is close to 0.3354 nm for graphite single crystals.

3時間にわたる1,500℃の熱処理温度によって、d002間隔は、黒鉛単結晶のd002間隔に等しい、約0.3354nmに減少する。さらに、高強度を有する第2の回折ピークは、(004)面からのX線回折に相当する2θ=55°に出現する(図5(D))。同じ回折曲線上の(002)強度に対する(004)ピーク強度、またはI(004)/I(002)比は、グラフェン面の結晶完成度および好ましい配向の良い表示である。2,800℃よりも低い温度で熱処理された全ての黒鉛材料について(004)ピークは存在していないかまたは比較的弱いかどちらかであり、I(004)/I(002)比<0.1である。3,000~3,250℃で熱処理された黒鉛材料(例えば、高度配向熱分解黒鉛、HOPG)のI(004)/I(002)比は、0.2~0.5の範囲である。一実施例は、2時間の間3,000℃のHTTを使用するポリイミド由来PGについて図5(E)に示され、それは約0.41のI(004)/I(002)比を示す。対照的に、4時間の間1,500℃のHTTを使用して作製された金属箔上に接合されたGOの薄フィルムは、0.78のI(004)/I(002)比および0.21のモザイクスプレッド値を示し、特別な程度の好ましい配向を有するほぼ完全なグラフェン単結晶を示す。GOゲルから作製される薄いGO層(<1μm)と下にある金属箔(Cu、Ni、Ti、および鋼)との間の相乗効果がある。 A heat treatment temperature of 1,500° C. for 3 hours reduces the d 002 spacing to about 0.3354 nm, which is equal to the d 002 spacing of graphite single crystals. Furthermore, a second diffraction peak with high intensity appears at 2θ=55° corresponding to X-ray diffraction from the (004) plane (FIG. 5(D)). The (004) peak intensity relative to the (002) intensity on the same diffraction curve, or the I(004)/I(002) ratio, is a good indication of the crystalline perfection and preferred orientation of the graphene planes. The (004) peak is either absent or relatively weak for all graphite materials heat treated at temperatures below 2,800° C., and the I(004)/I(002) ratio <0. 1. The I(004)/I(002) ratio of graphite materials heat-treated at 3,000-3,250° C. (eg, highly oriented pyrolytic graphite, HOPG) is in the range of 0.2-0.5. An example is shown in FIG. 5(E) for polyimide-derived PG using HTT at 3,000° C. for 2 hours, which exhibits an I(004)/I(002) ratio of about 0.41. In contrast, a thin film of GO bonded onto a metal foil made using HTT at 1,500° C. for 4 hours exhibited an I(004)/I(002) ratio of 0.78 and 0 It exhibits a mosaic spread value of 0.21, indicating a nearly perfect graphene single crystal with a particular degree of preferred orientation. There is a synergy between thin GO layers (<1 μm) made from GO gels and underlying metal foils (Cu, Ni, Ti, and steel).

「モザイクスプレッド」値は、X線回折強度曲線の(002)反射の半値全幅から得られる。秩序化度のためのこの指標は、黒鉛またはグラフェン結晶サイズ(または結晶粒径)、粒界およびその他の欠陥の量、および好ましい結晶粒配向度を特性決定する。黒鉛のほぼ完全な単結晶は、0.2~0.4のモザイクスプレッド値を有することを特性とする。我々の単位グラフェン材料の大部分は、0.2~0.4のこの範囲のモザイクスプレッド値を有する(1,500℃以上の熱処理温度を使用する)。 The "mosaic spread" value is obtained from the full width at half maximum of the (002) reflection of the X-ray diffraction intensity curve. This index for the degree of ordering characterizes the graphite or graphene crystal size (or grain size), the amount of grain boundaries and other defects, and the preferred degree of grain orientation. A nearly perfect single crystal of graphite is characterized by having a mosaic spread value of 0.2 to 0.4. Most of our unitary graphene materials have mosaic spread values in this range of 0.2-0.4 (using heat treatment temperatures of 1,500° C. and above).

調査される数十の全ての可撓性黒鉛試料のI(004)/I(002)比は全て<<0.05であり、多くの場合事実上存在していないことを指摘しておいてもよいだろう。全てのグラフェン紙/膜試料のI(004)/I(002)比は、2時間の3,000℃での熱処理の後でも<0.1である。Cu触媒によるCVDによって作製される極薄フィルム(厚さ<2nm)を黒鉛化しようとすることによって、フィルムの破断に至り、その代わりに黒鉛粒子の形成をもたらす。本発明のGOフィルム接合金属箔は、一切の熱分解黒鉛(PG)、可撓性黒鉛(FG)の他、自立しているかまたは金属箔上にコートされる従来のグラフェン/GO/RGOシート/プレートリット(NGP)の紙/フィルム/膜とは根本的に異なっている新規なおよびはっきり区別できるクラスの材料であるという既定の事実である考えをこれらの観察はさらに裏づけ、確認した。 It should be noted that the I(004)/I(002) ratios of all the dozens of flexible graphite samples investigated are all <<0.05, and in many cases are virtually non-existent. would be good too. The I(004)/I(002) ratios of all graphene paper/film samples are <0.1 even after heat treatment at 3,000° C. for 2 hours. Attempts to graphitize ultra-thin films (<2 nm thick) produced by Cu-catalyzed CVD lead to rupture of the film and instead the formation of graphite particles. The GO film-bonded metal foils of the present invention can be any pyrolytic graphite (PG), flexible graphite (FG), as well as conventional graphene/GO/RGO sheets/free-standing or coated onto metal foils. These observations further supported and confirmed the already established fact that platelit (NGP) is a novel and distinct class of materials fundamentally different from paper/film/membrane.

広い温度範囲にわたって様々な温度で熱処理することによって得られたGOゲル由来GOフィルムのグラフェン間間隔値は、図6(A)にまとめられる。GOゲル由来GOフィルムの相当する酸素含有量値は図6(B)に示される。グラフェン間間隔と酸素含有量との間の相関関係を示すために、図6(A)および図6(B)のデータは、図6(C)において再びプロットされる。図6(A)~図6(C)の綿密な精査は、4つのそれぞれの酸素含有量の範囲およびグラフェン間間隔の範囲をもたらす4つのHTT範囲(80~200℃;200~500℃;500~1,250℃;および1,250~1,500℃)があることを示す。同じ最終熱処理温度範囲の関数として同じくプロットされる、GOゲル由来GOフィルムおよび相当する可撓性黒鉛(FG)箔の熱伝導率を図6(D)にまとめる。 The inter-graphene spacing values of GO gel-derived GO films obtained by heat treatment at various temperatures over a wide temperature range are summarized in Fig. 6(A). The corresponding oxygen content values for GO gel-derived GO films are shown in FIG. 6(B). The data of FIGS. 6(A) and 6(B) are plotted again in FIG. 6(C) to show the correlation between inter-graphene spacing and oxygen content. Close inspection of FIGS. 6(A)-6(C) reveals four HTT ranges (80-200° C.; 200-500° C.; 500° C.; 500° C.; ~1,250°C; and 1,250-1,500°C). The thermal conductivity of the GO gel-derived GO film and the corresponding flexible graphite (FG) foil, also plotted as a function of the same final heat treatment temperature range, are summarized in FIG. 6(D).

500℃しかない熱処理温度はGOの平均グラフェン間間隔を0.4nm未満にするのに十分であり、天然黒鉛の平均グラフェン間間隔または黒鉛単結晶の平均グラフェン間間隔にますます近づいていることを指摘しておくべきである。この方法の長所は、このGOゲル法によって、本来異なった黒鉛粒子またはグラフェンシートからの平面酸化グラフェン分子を再組織化、再配向、および化学的同化して、全てのグラフェン面がいま横方向寸法においてより大きく(元のグラフェン面の長さおよび幅よりも著しく大きい)且つ互いに本質的に平行であるグラフェンモノリスを形成できたということである。これは、すでに>420W/mK(500℃のHTTを使用する)および>950W/mk(700℃のHTTを使用する)の熱伝導率を生じており、それは相当する可撓性黒鉛箔の値(200W/mK)よりも2倍~4倍超大きい。これらの平面GO分子は、(GOゲルを形成するために黒鉛酸化の手順において使用される)出発天然黒鉛粒子の元の構造を構成するグラフェン面に由来する。元の天然黒鉛粒子は、集合体または「黒鉛圧粉体」に不規則に充填されるとき、それらの構成グラフェン面が不規則に配向されており、比較的低い熱伝導率を示し、本質的にゼロ強度を有する(構造統合性を有さない)。対照的に、(付加的な強化なしでも)単位グラフェン層の強度は典型的にすでに40~140Mpaの範囲である。 We found that the heat treatment temperature, which is only 500 °C, is sufficient to make the average inter-graphene spacing of GO less than 0.4 nm, increasingly approaching the average inter-graphene spacing of natural graphite or the average inter-graphene spacing of graphite single crystals. should point out. The advantage of this method is that the GO gel method reorganizes, reorients, and chemically assimilates planar graphene oxide molecules from originally dissimilar graphite particles or graphene sheets such that all graphene planes now have lateral dimensions. , we were able to form graphene monoliths that were larger at (significantly larger than the length and width of the original graphene planes) and essentially parallel to each other. This already yields thermal conductivities of >420 W/mK (using 500° C. HTT) and >950 W/mK (using 700° C. HTT), which are comparable to those of flexible graphite foils. (200 W/mK), 2 to more than 4 times greater. These planar GO molecules originate from the graphene planes that make up the original structure of the starting natural graphite particles (used in the graphite oxidation procedure to form the GO gel). Pristine natural graphite particles, when randomly packed into aggregates or "graphite compacts", exhibit relatively low thermal conductivity with their constituent graphene planes randomly oriented and exhibit essentially has zero strength (has no structural integrity). In contrast, the strength of unit graphene layers (even without additional reinforcement) is typically already in the range of 40-140 Mpa.

800℃しかないHTTを使用して、得られた単位グラフェン層は、同じ熱処理温度を使用して可撓性黒鉛箔の観察された244W/mKと対照的に、1,148W/mKの熱伝導率を示す。実際のところ、HTTがどんなに高くても(例えば2,800℃もあっても)、可撓性黒鉛箔は600W/mKよりも低い熱伝導率しか示さない。2,800℃のHTTにおいて、本発明の単位グラフェン層は、金属箔がこのような高温で溶融されても1,807W/mKの熱伝導率を与える(図4(A)および図6(D))。 Using HTT, which is only 800° C., the resulting unitary graphene layer exhibits a thermal conductivity of 1,148 W/mK, in contrast to the observed 244 W/mK of flexible graphite foil using the same heat treatment temperature. rate. In fact, no matter how high the HTT (eg, as high as 2,800° C.), flexible graphite foils exhibit thermal conductivities of less than 600 W/mK. At 2,800 °C HTT, the unit graphene layer of the present invention gives a thermal conductivity of 1,807 W/mK even when the metal foil is melted at such high temperature (Figs. 4(A) and 6(D). )).

グラフェン層の格子画像化の走査電子顕微鏡検査(SEM)、透過型電子顕微鏡検査(TEM)写真、ならびに制限視野電子回折(SAD)、明視野(BF)、および暗視野(DF)画像もまた実施して、単位グラフェン材料の構造を特性決定した。フィルムの断面図の測定のために、試料をポリマー母材中に埋めて、ウルトラミクロトームを使用して薄切りにし、Arプラズマでエッチングした。 Scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM) photographs, and selected area electron diffraction (SAD), bright field (BF), and dark field (DF) images of lattice imaging of graphene layers were also performed. to characterize the structure of unit graphene materials. For cross-sectional measurements of films, samples were embedded in a polymer matrix, sliced using an ultramicrotome, and etched with Ar plasma.

図2(A)、図3(A)、および図3(B)の綿密な精査および比較は、モノリシックGO薄フィルム内のグラフェン層は、互いに平行に実質的に配向されることを示す。しかしこれは可撓性黒鉛箔および酸化グラフェン紙については当てはまらない。GO薄フィルム実体内の2つの特定可能な層の間の傾斜角は主に5度未満である。対照的に、非常に多くの折れた黒鉛フレーク、キンク、および可撓性黒鉛内の誤配向があるので、2つの黒鉛フレークの間の角度の多くは10度より大きく、45度もあるものもある(図2(B))。全然悪くはないが、NGP紙内のグラフェンプレートリット間の誤配向(図3(B))もまた高く、プレートリット間に多くの間隙がある。単位グラフェン実体は本質的に間隙を含まない。 Close inspection and comparison of FIGS. 2(A), 3(A), and 3(B) show that the graphene layers in the monolithic GO thin films are oriented substantially parallel to each other. However, this is not the case for flexible graphite foil and graphene oxide paper. The tilt angle between two identifiable layers within the GO thin film entity is predominantly less than 5 degrees. In contrast, there are so many broken graphite flakes, kinks, and misorientations within flexible graphite that many of the angles between two graphite flakes are greater than 10 degrees, and some are as high as 45 degrees. (Fig. 2(B)). Although not bad at all, the misorientation between graphene platelets in the NGP paper (Fig. 3(B)) is also high, with many gaps between the platelets. A unitary graphene entity is essentially void-free.

図4(A)は、RGO、およびFG箔それぞれの真空補助濾過によって作製されたGOゲル由来GOフィルム、GOプレートリット紙の熱伝導率の値を示し、全て最終HTTの関数としてプロットされる。これらのデータは、所定の熱処理温度において達成可能な熱伝導率を用いてGO薄フィルムの優位を明らかに実証した。純粋グラフェンまたは酸化グラフェンシート/プレートリットからの紙または膜の調製に関する全ての先行技術の研究は、明らかに異なった加工経路に従い、離散グラフェン/GO/RGOプレートリットの簡単な集合体または積層体をもたらす。これらの簡単な集合体または積層体は、多くの折れた黒鉛フレーク、キンク、間隙、および誤配向を示し、不十分な熱伝導率、低い電気導電率、および弱い機械的強度をもたらす。図4(A)に示されるように、2,800℃もの高い熱処理温度でも、GOプレートリット紙は、GOゲル由来単位グラフェン実体の>1,700W/mKよりもずっと低い、1,000W/mK未満の熱伝導率を示す。 FIG. 4(A) shows the thermal conductivity values of the GO gel-derived GO film, GO platelet paper made by vacuum-assisted filtration of RGO and FG foils, respectively, all plotted as a function of final HTT. These data clearly demonstrated the superiority of GO thin films with the thermal conductivity achievable at the given heat treatment temperature. All prior art studies on the preparation of papers or films from pure graphene or graphene oxide sheets/platelits clearly follow different processing routes, leading to simple assemblies or stacks of discrete graphene/GO/RGO platelits. Bring. These simple assemblies or laminates exhibit many broken graphite flakes, kinks, voids, and misorientation, resulting in poor thermal conductivity, low electrical conductivity, and weak mechanical strength. As shown in Fig. 4(A), even at heat treatment temperatures as high as 2,800 °C, the GO platelet paper yields a 1,000 W/mK exhibit a thermal conductivity of less than

比較のために、ポリイミドフィルムを不活性雰囲気中で500℃で1時間および1,000℃で3時間炭化させ、次にフィルムを2,500~3,000℃の範囲の温度で1~5時間の間黒鉛化して、従来の熱分解黒鉛(PG)フィルムを形成した。図4(B)は、3時間の間熱処理されたGO由来薄フィルムおよびCVD炭素フィルム由来PGの熱伝導率の値を示し、全てが最終黒鉛化または再黒鉛化温度の関数としてプロットされる。これらのデータは、ポリイミド(PI)を炭化して次に炭化されたPIを黒鉛化することによって製造される従来のPGは、熱処理時間の同じ長さについて同じHTTが与えられたとすると、GOゲル由来GO薄フィルムだけと比較して一貫して低めの熱伝導率を示す。例えば、PIからのPGは、1時間の間2,000℃での黒鉛化処理の後に820W/mKの熱伝導率を示し、3時間の間2,000℃では1,242W/mKを示す。これらの観察は、配向された黒鉛結晶を製造する従来のPG方法に対して金属箔上に接合されたGOの薄フィルムを製造するGOゲル方法を使用する明らかで著しい利点を実証した。実際のところ、PGについて黒鉛化時間がどんなに長くても、熱伝導率は、GOゲル由来GOフィルムの熱伝導率よりも常に低い。換言すれば、金属箔上に接合されたGOの薄フィルムは、化学組成、結晶および欠陥構造、結晶配向、モルフォロジー、製造プロセス、および性質に関して可撓性黒鉛(FG)箔、グラフェン/GO/RGO紙/膜、および熱分解黒鉛(PG)とは根本的に異なっており明らかに区別できる。 For comparison, a polyimide film was carbonized in an inert atmosphere at 500° C. for 1 hour and 1,000° C. for 3 hours, then the film was subjected to temperatures ranging from 2,500 to 3,000° C. for 1 to 5 hours. to form a conventional pyrolytic graphite (PG) film. FIG. 4(B) shows the thermal conductivity values of GO-derived thin films and CVD carbon film-derived PG heat-treated for 3 h, all plotted as a function of final graphitization or re-graphitization temperature. These data indicate that conventional PG produced by carbonizing polyimide (PI) and then graphitizing the carbonized PI is less than GO gel, given the same HTT for the same length of heat treatment time. It shows consistently lower thermal conductivity compared to the derived GO thin films alone. For example, PG from PI exhibits a thermal conductivity of 820 W/mK after graphitization at 2,000° C. for 1 hour and 1,242 W/mK at 2,000° C. for 3 hours. These observations demonstrated a clear and significant advantage of using the GO gel method to produce thin films of GO bonded onto metal foils over the conventional PG method to produce oriented graphite crystals. In fact, no matter how long the graphitization time for PG, the thermal conductivity is always lower than that of GO gel-derived GO films. In other words, thin films of GO bonded on metal foils are comparable to flexible graphite (FG) foils, graphene/GO/RGO, in terms of chemical composition, crystal and defect structure, crystal orientation, morphology, manufacturing process, and properties. It is fundamentally different and clearly distinguishable from paper/membrane and pyrolytic graphite (PG).

上記の結論は、図4(C)のデータによってさらに裏付けを与えられ、GO由来GOフィルムの電気導電率の値は、調査される最終HTTの全範囲にわたってRGOプレートリットおよびFG箔からのGO紙の電気導電率の値よりもはるかに優れていることを示す。 The above conclusions are further supported by the data in Fig. 4(C), in which the electrical conductivity values of the GO-derived GO films are similar to those of the GO papers from the RGO platelets and FG foils over the entire range of final HTT investigated. , which is much superior to the electrical conductivity values of

実施例5:様々な酸化グラフェンゲル由来薄フィルムの電気導電率および熱伝導率の測定
4点プローブ試験をGO層だけの薄フィルム(金属箔表面上にコートされて次に剥離され、熱処理された)、GO/RGO紙、およびFG箔だけについて実施して、それらの面内電気導電率を測定した。それらの面内熱伝導率をレーザーフラッシュ方法(Netzsch熱拡散デバイス)を使用して測定した。
Example 5 Measurement of Electrical and Thermal Conductivities of Various Graphene Oxide Gel-Derived Thin Films A four-point probe test was performed on thin films of the GO layer alone (coated onto a metal foil surface and then peeled off and heat treated). ), GO/RGO paper, and FG foil alone to measure their in-plane electrical conductivity. Their in-plane thermal conductivities were measured using the laser flash method (Netzsch thermal diffusion device).

様々なフィルムの面内熱伝導率および電気導電率および引張特性を調査した。約75μmの厚さに関して、FG箔が700℃以上で熱処理されない場合、可撓性黒鉛箔だけの熱伝導率は、237W/mK未満である。(各々の場合において黒鉛化処理の1時間の間)再圧縮後の熱処理温度が700℃から2,800℃に上昇するとき、FG箔の熱伝導率は237~582W/mKに増加し、熱処理によって引き起こされる黒鉛構造物の若干の限られた再組織化を示す。それと対照して、GOゲル由来薄グラフェン層だけの熱伝導率は、983~1,807W/mKに増加する。この薄フィルムは、GOゲルの層をCu箔表面上で剪断および堆積させる工程と、1時間の間真空中で液体をGO層から除去する工程と、乾燥させた固体GO層を熱処理する工程とによって得られる。これは、熱処理によって引き起こされる黒鉛構造物の著しいまたは劇的な再組織化を示し、全てのGO分子は十分におよび規則正しく接合されたグラフェン面の統合されたグラフェン体として縁間および面間で連結または同化される。 The in-plane thermal and electrical conductivity and tensile properties of various films were investigated. For a thickness of about 75 μm, the thermal conductivity of the flexible graphite foil alone is less than 237 W/mK if the FG foil is not heat treated above 700°C. When the heat treatment temperature after recompression is increased from 700° C. to 2,800° C. (for 1 h of graphitization treatment in each case), the thermal conductivity of the FG foil increases from 237 to 582 W/mK, and the heat treatment shows some limited reorganization of graphite structures caused by In contrast, the thermal conductivity of the GO gel-derived thin graphene layers alone increases from 983 to 1,807 W/mK. This thin film was prepared by shearing and depositing a layer of GO gel on a Cu foil surface, removing the liquid from the GO layer in vacuum for 1 hour, and heat-treating the dried solid GO layer. obtained by This indicates a marked or dramatic reorganization of the graphite structure caused by the heat treatment, with all GO molecules linked edge-to-edge and inter-facet as integrated graphene bodies of well- and orderedly joined graphene planes. or assimilated.

また、相当する可撓性黒鉛箔(剥離黒鉛ワームをロール加圧することによって作製されたFG)および膨張黒鉛フレークの箔またはマット(実施例1に記載されるように黒鉛ワームを黒鉛フレークに破断し、次にそれらを薄い箔/マットに充填およびロール加圧することによって作製される)の熱伝導率データが得られた。膨張黒鉛箔によって達成可能な最も高い熱伝導率値は<800W/mKであり、FGによって達成可能な値は<600W/mKであり、両方とも、単位グラフェン母材およびグラフェン母材複合物の両方の値よりも劇的に低い。 Also corresponding flexible graphite foils (FG made by roll pressing exfoliated graphite worms) and expanded graphite flake foils or mats (graphite worms were broken into graphite flakes as described in Example 1). , then made by packing and roll-pressing them into thin foils/mats) were obtained. The highest thermal conductivity values achievable with expanded graphite foil are <800 W/mK and those achievable with FG are <600 W/mK, both for unit graphene matrix and graphene matrix composites. is dramatically lower than the value of

実施例6:様々な酸化グラフェン由来単位グラフェン母材複合物の引張強さ
一連のGOゲル由来薄フィルムグラフェン層、GOプレートリット紙、およびFG箔を作製した。万能材料試験機を使用して、これらの材料の引張強さを測定した。酸化グラフェンの薄フィルム、GOプレートリット紙、およびFG紙の引張強さ値を再黒鉛化温度の関数としてプロットする、図7(A)。可撓性黒鉛箔の引張強さが比較的一定のままであること(全て<20MPa)および熱処理温度が700~2,800℃に増加する時にGO紙の引張強さが(22MPaから43Mpaに)わずかに増加することをこれらのデータは実証した。対照的に、GO由来単位グラフェン層の引張強さは、熱処理温度の同じ範囲にわたって32~>100Mpaに劇的に増加する。この結果は非常に印象的であり、GOゲル由来GO層は熱処理中に高ライブ分子および活性分子を含有し、他方、従来のGO紙中のグラフェンプレートリットおよびFG箔中の黒鉛フレークは本質的に死分子であるという考えをさらに反映する。GO由来単位グラフェン実体は、材料の種類それ自体である。
Example 6: Tensile Strength of Various Graphene Oxide-Derived Unit Graphene Matrix Composites A series of GO gel-derived thin-film graphene layers, GO platelet paper, and FG foils were fabricated. A universal testing machine was used to measure the tensile strength of these materials. The tensile strength values of graphene oxide thin films, GO platelet paper, and FG paper are plotted as a function of re-graphitization temperature, FIG. 7(A). The tensile strength of the flexible graphite foil remained relatively constant (all <20 MPa) and the tensile strength of the GO paper (from 22 MPa to 43 MPa) when the heat treatment temperature was increased from 700 to 2,800 °C. These data demonstrated a slight increase. In contrast, the tensile strength of GO-derived unit graphene layers increases dramatically from 32 to >100 Mpa over the same range of heat treatment temperatures. This result is very impressive, GO gel-derived GO layers contain highly live and active molecules during heat treatment, whereas graphene platelets in conventional GO paper and graphite flakes in FG foil are essentially further reflects the idea of being a dead molecule. The GO-derived unit graphene entity is the material class itself.

引掻試験は、いわゆるFord Lab試験法(FLTM)BN108-13を使用して行われた。この装置は、長さ250mmを有する5つのビームに接続された可動プラットホームからなる。スクラッチピンは各々のビームの一方の端部に取り付けられる。高度に磨かれた焼入鋼球(直径1.0±0.1mm)を各々のピンの先端上に置く。各々のピンに7N、6N、3N、2N、および0.6Nそれぞれの力を加える重りを負荷する。圧縮空気によって動かされて、ビームは試験片の表面の端から端までピンを引き、引掻きを生じる。引掻きは約100mm/sの滑り速度で実施される。全ての試験は、室温で行われた。試験方法は粒状表面が評価されることを必要とするが、試料の平滑面だけがこの研究において試験された。 Scratch tests were performed using the so-called Ford Lab test method (FLTM) BN108-13. The apparatus consists of a movable platform connected to five beams with a length of 250 mm. A scratch pin is attached to one end of each beam. A highly polished hardened steel ball (1.0±0.1 mm diameter) is placed on the tip of each pin. Each pin is loaded with weights exerting forces of 7N, 6N, 3N, 2N, and 0.6N respectively. Moved by compressed air, the beam pulls the pin across the surface of the specimen, creating a scratch. Scratching is performed at a sliding speed of about 100 mm/s. All tests were performed at room temperature. Only the smooth side of the sample was tested in this study, although the test method requires that the grainy surface be evaluated.

試料プラックを引掻いた後、キセノン光源を組み込む反射光偏光顕微鏡を使用してそれらを評価した。画像分析ソフトウェアを有する画像分析器を使用して、物体の全グレースケール値である「グレースケール質量」を測定した。カメラの対物レンズを引掻きから90°の角度に配置した。そして次に、対物レンズは、長さ約1mmの引掻きの部分を記録する。次に、各々の引掻き線のための電子信号を積分して記録する。物体の光学的質量Mは、物体の全てのピクセルのグレーレベル値、GLの合計である。単独グレーレベル値は、0~255の範囲(0=黒色および255=白色)の単位ステップにおいて画像分析プログラムによって割り当てられる。光学的質量Mは、M=ΣGL(iからnまでの総和)(nはピクセル数である)から計算することができる。物体の輝度、BはB=M/A(Aは物体の面積を表わす)である。引掻きとバックグラウンドとの間の輝度の変化百分率は引掻きの可視度ΔBであり、ΔB=[(Bscratch - Bbackground)/(Bbackground)]×100%によって与えられる。引掻きの深さは、干渉計を使用して測定された。倍率は5倍に設定された。深さの測定は、走査された面積の深さのヒストグラムから行われた。引掻試験結果は図7(B)に示される。また、引掻きは、走査電子顕微鏡(SEM)を使用して検査された。 After scratching the sample plaques, they were evaluated using a reflected light polarization microscope incorporating a xenon light source. An image analyzer with image analysis software was used to measure the total grayscale value of the object, the "grayscale mass." The camera objective was placed at a 90° angle from the scratch. And then the objective lens records a part of the scratch about 1 mm in length. The electronic signal for each scratch line is then integrated and recorded. The optical mass M of an object is the sum of the gray level values, GL, of all pixels of the object. Single gray level values are assigned by the image analysis program in unit steps ranging from 0 to 255 (0=black and 255=white). The optical mass M can be calculated from M=ΣGL i (sum from i to n), where n is the number of pixels. The brightness of the object, B, is B=M/A (A represents the area of the object). The percentage change in brightness between the scratch and the background is the visibility ΔB of the scratch, given by ΔB=[(B scratch −B background )/(B background )]×100%. The scratch depth was measured using an interferometer. Magnification was set at 5x. Depth measurements were made from depth histograms of the scanned area. The scratch test results are shown in FIG. 7(B). Scratches were also examined using a scanning electron microscope (SEM).

実施例7:アノード側およびカソード側の酸化グラフェン接合金属箔集電体を含有するLi-Sセル
3つの(3)Li-Sセルを作製して試験したが、各々、アノードとしてリチウム箔活物質、カソード活物質として硫黄/膨張黒鉛複合物(75/25重量比)、電解質としてDOL中の1MのLiN(CFSO、およびセパレーターとしてCelgard2400を有する。第1のセル(比較のための基準セル)は、アノード集電体として厚さ10μmのCu箔およびカソード集電体として厚さ20μmのAl箔を含有する。第2のセル(比較のための別の基準セル)は、アノード集電体として厚さ10μmのGO-樹脂層およびカソード集電体として14μmのRGOでコートされたAl箔のシートを有する。第3のセルは、アノード集電体として本発明のGO接合Cu箔(全厚さ12μm)およびカソード集電体として厚さ20μmの、GOでコートされたAl箔のシートを有する。
Example 7 Li—S Cells Containing Anode Side and Cathode Side Graphene Oxide Bonded Metal Foil Current Collectors Three (3) Li—S cells were fabricated and tested, each with a lithium foil active material as the anode. , sulfur/expanded graphite composite (75/25 weight ratio) as cathode active material, 1 M LiN(CF 3 SO 2 ) 2 in DOL as electrolyte, and Celgard 2400 as separator. The first cell (reference cell for comparison) contains a 10 μm thick Cu foil as the anode current collector and a 20 μm thick Al foil as the cathode current collector. A second cell (another reference cell for comparison) has a 10 μm thick GO-resin layer as the anode current collector and a 14 μm RGO-coated Al foil sheet as the cathode current collector. The third cell has a GO-bonded Cu foil of the invention (12 μm total thickness) as the anode current collector and a 20 μm thick sheet of GO-coated Al foil as the cathode current collector.

電荷蓄積容量をサイクル数の関数として定期的に測定して記録した。本明細書で言及される比放電容量は、カソード複合体の単位質量当たり(カソード活物質、導電性添加剤または支持体、および結合剤の重量を計数するが、集電体を除外する)、放電する間にカソードに入れられる全電荷である。この節に示される比エネルギーおよび比出力値は、全セル重量(アノードおよびカソード、セパレーターおよび電解質、集電体、およびパッキング材料を含める)に基づいている。所望の数の繰り返される充電および再充電サイクルの後の選択された試料の形態的またはミクロ構造変化が、透過型電子顕微鏡検査(TEM)および走査電子顕微鏡検査(SEM)の両方を使用して観察された。 Charge storage capacity was measured and recorded periodically as a function of cycle number. The specific discharge capacity referred to herein is per unit mass of cathode composite (counting the weight of the cathode active material, conductive additive or support, and binder, but excluding the current collector): It is the total charge put into the cathode during discharge. Specific energy and specific power values given in this section are based on total cell weight (including anode and cathode, separator and electrolyte, current collectors, and packing materials). Morphological or microstructural changes in selected samples after a desired number of repeated charging and recharging cycles are observed using both transmission electron microscopy (TEM) and scanning electron microscopy (SEM). was done.

図9(A)は、充電/放電サイクル数の関数として3つのセルそれぞれの放電容量値を示す。それぞれのセルは、比較を容易にするために100mAhの初期セル容量を有するように設計された。アノード側およびカソード側の両方の本発明のGO接合集電体を特徴とするLi-Sセルが最も安定なサイクル挙動を示し、50サイクル後に6%の容量損失を受けることは明らかである。GO/樹脂でコートされたCuとGOでコートされたAl集電体とを備えるセルは、50サイクル後に23%の容量の減少を起こす。Cu箔アノード集電体とAl箔カソード集電体とを備えるセルは、50サイクル後に26%の容量の減少を起こす。セルのサイクル経過後の検査は、全ての先行技術の電極内のAl箔はひどい腐食問題の難点があることを示す。対照的に、本発明の酸化グラフェン接合Al集電体は無傷のままである。 FIG. 9(A) shows the discharge capacity values for each of the three cells as a function of the number of charge/discharge cycles. Each cell was designed to have an initial cell capacity of 100mAh for ease of comparison. It is clear that the Li—S cell featuring the GO junction current collector of the present invention on both the anode and cathode sides exhibits the most stable cycling behavior, undergoing 6% capacity loss after 50 cycles. Cells with GO/resin-coated Cu and GO-coated Al current collectors experience a 23% capacity loss after 50 cycles. A cell with a Cu foil anode current collector and an Al foil cathode current collector undergoes a 26% capacity loss after 50 cycles. Post-cycle inspection of the cell shows that the Al foil in all prior art electrodes suffers from severe corrosion problems. In contrast, the graphene oxide-bonded Al current collector of the present invention remains intact.

図9(B)は、3つのセルのラゴーンプロット(質量出力密度対質量エネルギー密度)を示す。我々のGO接合金属箔集電体は驚くべきことに、アノード側の先行技術のグラフェン/樹脂でコートされた集電体(カソード側にGOでコートされたAl箔を使用)、およびCu/Al集電体と比較して、Li-Sセルに対してより高いエネルギー密度およびより高い出力出力密度の両方を与えることに留意されたい。これは、Cu箔がグラフェンフィルムの電気導電率よりも1桁超高い電気導電率を有することは全く予想外である。エネルギー密度と出力密度値の差は、アノード側のCu箔とグラフェンフィルムとの間の物理的密度の差だけ算定値を超えている。 FIG. 9(B) shows the Ragone plot (mass power density versus mass energy density) of the three cells. Our GO-bonded metal foil current collectors surprisingly consisted of prior art graphene/resin coated current collectors on the anode side (using GO-coated Al foil on the cathode side) and Cu/Al Note that it gives both a higher energy density and a higher power output density for the Li—S cell compared to the current collector. It is quite unexpected that Cu foil has an electrical conductivity that is more than an order of magnitude higher than that of graphene films. The difference between the energy density and power density values exceeds the calculated value by the physical density difference between the Cu foil and the graphene film on the anode side.

実施例8:アノード側およびカソード側のグラフェンによって可能にされる集電体を含有するマグネシウムイオンセル
カソード活物質(ケイ酸マンガンマグネシウム、Mg1.03Mn0.97SiO)の調製のために、試薬銘柄KCl(融点=780℃)は、真空下で150℃で3時間の間乾燥させた後に融剤として使用された。出発原料は、酸化マグネシウム(MgO)、炭酸マンガン(II)(MnCO)および二酸化ケイ素(SiO、15~20nm)粉末であった。前駆体化合物の理論量は、Mg:Mn:Siについて1.03:0.97:1のモル比で制御された。混合物(融剤/反応体モル比=4)を10分間の間乳鉢内で乳棒によって手作業で微粉砕し、次にコランダムるつぼ内に流し込んだ。次いで、粉末混合物を真空中で5時間の間120℃で乾燥させて、混合物中の含水量を最小にした。その後、混合物を管状炉に直ちに移し、2時間の間350℃の還元雰囲気(Ar+5wt%H2)内で加熱して、カーボネート基を除去した。この後に、6時間の間2℃/分の速度で様々な温度で最終焼成を行ない、次に自然に室温に冷却した。最後に、生成物(ケイ酸マンガンマグネシウム、Mg1.03Mn0.97SiO)を3回脱イオン水で洗浄して一切の残りの塩を溶解し、遠心分離によって分離し、2時間の間100℃の真空下で乾燥させた。
Example 8: Magnesium Ion Cell Containing Current Collectors Enabled by Graphene on the Anode Side and Cathode Side For the Preparation of the Cathode Active Material ( Magnesium Manganese Silicate, Mg1.03Mn0.97SiO4 ) , reagent grade KCl (melting point = 780°C) was used as flux after drying under vacuum at 150°C for 3 hours. Starting materials were magnesium oxide (MgO), manganese(II) carbonate (MnCO 3 ) and silicon dioxide (SiO 2 , 15-20 nm) powders. The theoretical amounts of precursor compounds were controlled at a molar ratio of 1.03:0.97:1 for Mg:Mn:Si. The mixture (flux/reactant molar ratio=4) was manually pulverized with a pestle in a mortar for 10 minutes and then poured into a corundum crucible. The powder mixture was then dried in vacuum at 120° C. for 5 hours to minimize water content in the mixture. The mixture was then immediately transferred to a tube furnace and heated in a reducing atmosphere (Ar + 5 wt% H2) at 350°C for 2 hours to remove carbonate groups. This was followed by a final firing at various temperatures at a rate of 2°C/min for 6 hours, then allowed to cool naturally to room temperature. Finally, the product (magnesium manganese silicate, Mg1.03Mn0.97SiO4 ) was washed three times with deionized water to dissolve any remaining salts, separated by centrifugation and allowed to cool for 2 hours. It was dried under vacuum at 100°C.

電極(アノードまたはカソードのどちらか)は典型的に、85wt%の電極活物質(例えばMg1.03Mn0.97SiO粒子、7wt%のアセチレンブラック(Super-P)、および8wt%のポリフッ化ビニリデン結合剤(N-メチル-2-ピロリドン(pyrrolidinoe)(NMP)中に溶解させたPVDF、5wt%の固形分)を混合してスラリー状混合物を形成することによって作製された。所期の集電体上にスラリーをコートした後、得られた電極を2時間の間真空中で120℃で乾燥させて、加圧する前に溶媒を除去した。異なった集電体を有する3つのセルを調査した:アノード集電体およびカソード集電体としてGO接合Cu箔およびGO接合Al箔をそれぞれ有する第1のセル;アノード集電体およびカソード集電体としてGO/樹脂でコートされたCu箔およびGOでコートされたAl箔(予備エッチングなし)をそれぞれ有する第2のセル(先行技術のセル);Cu箔アノード集電体およびAl箔カソード集電体を有する第3のセル(先行技術のセル)。 The electrode (either anode or cathode) is typically made of 85 wt% electrode active material (eg Mg 1.03 Mn 0.97 SiO 4 particles, 7 wt% acetylene black (Super-P), and 8 wt% polyfluoride). was made by mixing a vinylidene chloride binder (PVDF dissolved in N-methyl-2-pyrrolidinoe (NMP), 5 wt% solids) to form a slurry mixture. After coating the slurry on the current collector, the resulting electrode was dried in vacuum at 120° C. for 2 hours to remove the solvent before pressing.Three cells with different current collectors were prepared. investigated: first cell with GO-bonded Cu foil and GO-bonded Al foil as anode and cathode current collectors, respectively; GO/resin coated Cu foil as anode and cathode current collectors; A second cell (prior art cell) each having a GO coated Al foil (no pre-etching); a third cell (prior art cell) having a Cu foil anode current collector and an Al foil cathode current collector. ).

その後、カソードとして用いるために電極を円板(直径=12mm)に切り分けた。マグネシウム箔の薄いシートをアノード集電体表面に付着させ、そして次に、1枚の多孔性セパレーター(例えば、Celgard2400膜)をマグネシウム箔の上に積み重ねた。カソード集電体上にコートされた1枚のカソード円板をカソードとして使用し、セパレーター層の上に積み重ねて、CR2032コイン型セルを形成した。使用された電解質は、THF中の1MのMg(AlClEtBu)であった。セルの組立は、アルゴン充填グローブボックス内で行われた。CV測定は、1mV/sの走査速度でCHI-6電気化学ワークステーションを使用して実施された。また、セルの電気化学的性能は、Arbinおよび/またはLAND電気化学ワークステーションを使用して、50mA/g~10A/g(いくつかのセルについては100A/gまで)の電流密度で定電流充電/放電サイクル経過によって評価された。 The electrodes were then cut into discs (diameter=12 mm) for use as cathodes. A thin sheet of magnesium foil was attached to the anode current collector surface and then a piece of porous separator (eg Celgard 2400 membrane) was stacked on top of the magnesium foil. A single cathode disk coated onto the cathode current collector was used as the cathode and stacked on top of the separator layer to form a CR2032 coin cell. The electrolyte used was 1 M Mg(AlCl 2 EtBu) 2 in THF. Assembly of the cell was performed inside an argon-filled glovebox. CV measurements were performed using a CHI-6 electrochemical workstation with a scan rate of 1 mV/s. The electrochemical performance of the cells was also tested galvanostatically at current densities from 50 mA/g to 10 A/g (up to 100 A/g for some cells) using Arbin and/or LAND electrochemical workstations. / Evaluated by discharge cycle progress.

図10は、充電/放電サイクル数の関数として3つのセルそれぞれのセル放電比容量値を示す。アノード側およびカソード側の両方の本発明の集電体を特徴とするMgイオンセルは、最も安定なサイクル挙動を示し、25サイクル後に2.5%の容量損失を受けることは明らかである。GO/樹脂でコートされたCu箔集電体とGOでコートされたAl箔集電体とを備えるセルは、25サイクル後に17%の容量の減少を起こす。Cu箔アノード集電体とAl箔カソード集電体とを備えるセルは、25サイクル後に30%の容量の減少を起こす。セルのサイクル経過後の検査は、GO/樹脂でコートされたCu箔集電体およびGOでコートされたAl箔集電体が膨張しており、カソード層からの若干の離層を示し、そしてAl箔はひどい腐食問題の難点があることを示す。対照的に、本発明のGO接合金属箔集電体は無傷のままである。 FIG. 10 shows the cell discharge specific capacity values for each of the three cells as a function of charge/discharge cycle number. It is clear that the Mg-ion cell featuring current collectors of the invention on both the anode and cathode sides exhibits the most stable cycling behavior, undergoing a 2.5% capacity loss after 25 cycles. A cell with a GO/resin coated Cu foil current collector and a GO coated Al foil current collector undergoes a 17% capacity loss after 25 cycles. A cell with a Cu foil anode current collector and an Al foil cathode current collector undergoes a 30% capacity loss after 25 cycles. Post-cycle inspection of the cells showed that the GO/resin-coated Cu foil current collector and the GO-coated Al foil current collector were swollen, indicating some delamination from the cathode layer, and Al foil shows that it suffers from severe corrosion problems. In contrast, the GO-bonded metal foil current collector of the present invention remains intact.

実施例9:様々な所期のバッテリーまたはスーパーキャパシタのための様々な集電体の化学的および機械的適合性試験
上の実施例8および9において実証されたように、バッテリーまたはスーパーキャパシタの電解質に対して集電体の長時間安定度は主な問題である。様々な集電体の化学安定性を理解するために、いくつかの代表的な電解質中に集電体を暴露する主作業を始めた。長時間(例えば30日間)の後、集電体を電解質溶液から取り出し、光学および走査電子顕微鏡検査(SEM)を使用して観察した。結果の一覧が以下の表3に記載され、それらは、本発明のGO接合金属箔集電体が、バッテリーおよびスーパーキャパシタにおいて一般的に使用される全ての種類の液体電解質と非常に適合していることを一貫して実証する。本発明の材料は、一切の化学的攻撃に耐性がある。これらのGO保護集電体は、Li/Liに対して0-5.5ボルトの電圧範囲にわたって本質的に電気化学的に不活性であり、ほぼどんなバッテリー/キャパシタ電解質とも共に使用するために適している。
Example 9: Chemical and mechanical compatibility testing of various current collectors for various intended batteries or supercapacitors Battery or supercapacitor electrolytes, as demonstrated in Examples 8 and 9 above The long term stability of the current collector is a major concern. To understand the chemical stability of various current collectors, a major effort was initiated exposing the current collectors in several representative electrolytes. After an extended period of time (eg, 30 days), the current collectors were removed from the electrolyte solution and observed using optical and scanning electron microscopy (SEM). A list of the results is set forth in Table 3 below, and they demonstrate that the GO-bonded metal foil current collectors of the present invention are highly compatible with all types of liquid electrolytes commonly used in batteries and supercapacitors. consistently demonstrate that The materials of the invention are resistant to any chemical attack. These GO protective current collectors are essentially electrochemically inert over the voltage range of 0-5.5 volts versus Li/Li + and are suitable for use with nearly any battery/capacitor electrolyte. Are suitable.

各々の集電体は、タブに接続され、そして次に、外部回路線に接続されなければならないことを指摘しておいてもよいだろう。集電体は、タブと機械的に適合していなければならず、すぐにまたは容易に固定されるかまたはそれに接合されなければならない。CVDグラフェンフィルムをタブに機械的にただ固定する時は常に容易に破断または破裂することを我々は発見した。接着剤の補助によっても、CVDフィルムは、タブまたはバッテリーセルのパッケージングに接続する手順の間に容易に破裂される。

Figure 0007126492000003
It may be pointed out that each current collector must be connected to a tab and then to an external circuit line. The current collector must be mechanically compatible with the tab and must be readily or easily secured or bonded thereto. We have found that whenever the CVD graphene film is just mechanically fixed to the tab, it breaks or bursts easily. Even with the aid of adhesives, CVD films are easily ruptured during the procedure of connecting to tabs or battery cell packaging.
Figure 0007126492000003

結論において、絶対に新しい、新規な、予想外の、明らかに区別できるクラスの高導電性材料:金属箔上に接合されたGOの酸化グラフェンゲル由来薄フィルムを首尾よく開発した。この新しいクラスの材料の化学組成、構造(結晶完成、結晶粒径、欠陥群等々)、結晶配向、モルホロジー、製造法、および性質は、可撓性黒鉛箔、ポリマー由来熱分解黒鉛、CVD由来PG(HOPGなど)の他、自立しているかまたは金属箔上にコートされる触媒CVDグラフェン薄フィルムとは根本的に異なっており且つ明らかに区別される。本発明の材料によって示される熱伝導率、電気導電率、耐引掻性、表面硬度、および引張強さは、先行技術の可撓性黒鉛シート、離散グラフェン/GO/RGOプレートリットの紙、または他の黒鉛フィルムがおそらく達成することができるものよりももっと高い。これらのGOゲル由来薄フィルム構造物は、すぐれた電気導電率、熱伝導率、機械的強度、表面耐引掻性、硬度、および剥がれ落ちる傾向がないことの最も良い組合せを有する。 In conclusion, we have successfully developed an absolutely new, novel, unexpected, and distinct class of highly conductive materials: graphene oxide gel-derived thin films of GO bonded on metal foils. The chemical composition, structure (crystalline perfection, grain size, defect clusters, etc.), crystallographic orientation, morphology, manufacturing method, and properties of this new class of materials have been characterized by flexible graphite foil, polymer-derived pyrolytic graphite, CVD-derived PG (HOPG, etc.) as well as catalytic CVD graphene thin films free-standing or coated on metal foils are fundamentally different and distinct. The thermal conductivity, electrical conductivity, scratch resistance, surface hardness, and tensile strength exhibited by the materials of the present invention are comparable to prior art flexible graphite sheets, discrete graphene/GO/RGO platelet paper, or Much higher than other graphite films can possibly achieve. These GO gel-derived thin film structures have the best combination of excellent electrical conductivity, thermal conductivity, mechanical strength, surface scratch resistance, hardness, and no tendency to flake off.

Claims (59)

バッテリーまたはスーパーキャパシタ内の酸化グラフェン接合金属箔集電体において、
(a)1μm~30μmの厚さおよび2つの対向した平行な主表面を有する自立した、支持無しの薄金属箔と、
(b)結合剤または接着剤を使用せずに前記金属箔の前記2つの対向した主表面の少なくとも1つに化学接合した酸化グラフェンシートの薄フィルムとを含み、前記少なくとも1つの主表面が不動態化金属酸化物の層を含有せず、酸化グラフェンの前記薄フィルムが10nm~10μmの厚さ、0.1重量%~10重量%の酸素含有量、0.335~0.50nmのグラフェン面間間隔、1.3~2.2g/cmの物理的密度を有し、全ての酸化グラフェンシートが互いに略平行に且つ前記主表面に平行に配向され、前記薄金属箔なしに単独で測定される時に500W/mKより大きい熱伝導率、および/または1,500S/cmより大きい電気導電率を示すことを特徴とする酸化グラフェン接合金属箔集電体。
In graphene oxide bonded metal foil current collectors in batteries or supercapacitors,
(a) a free-standing, unsupported thin metal foil having a thickness of 1 μm to 30 μm and two opposing parallel major surfaces;
(b) a thin film of graphene oxide sheet chemically bonded to at least one of said two opposing major surfaces of said metal foil without the use of a binder or adhesive, said at least one major surface being non-uniform; Said thin film of graphene oxide does not contain a layer of mobilized metal oxide and has a thickness of 10 nm to 10 μm, an oxygen content of 0.1 wt % to 10 wt %, and a graphene surface of 0.335 to 0.50 nm. spacing, with a physical density of 1.3-2.2 g/cm 3 , all graphene oxide sheets oriented approximately parallel to each other and parallel to the major surfaces, measured alone without the thin metal foil. A graphene oxide-bonded metal foil current collector, characterized in that it exhibits a thermal conductivity greater than 500 W/mK and/or an electrical conductivity greater than 1,500 S/cm when charged.
請求項1に記載の集電体において、前記2つの対向した主表面の各々が結合剤または接着剤を使用せずに酸化グラフェンシートの薄フィルムと化学接合しており、酸化グラフェンの前記薄フィルムが10nm~10μmの厚さ、0.1重量%~10重量%の酸素含有量、0.335~0.50nmのグラフェン面間間隔、1.3~2.2g/cmの物理的密度を有し、全ての酸化グラフェンシートが互いに略平行に且つ前記主表面に平行に配向され、前記薄金属箔なしに単独で測定される時に500W/mKより大きい熱伝導率および1,500S/cmより大きい電気導電率を示すことを特徴とする集電体。 2. The current collector of claim 1, wherein each of the two opposing major surfaces is chemically bonded to a thin film of graphene oxide sheet without the use of a binder or adhesive, and wherein the thin film of graphene oxide is has a thickness of 10 nm to 10 μm, an oxygen content of 0.1% to 10% by weight, a spacing between graphene planes of 0.335 to 0.50 nm, and a physical density of 1.3 to 2.2 g/cm 3 . wherein all graphene oxide sheets are oriented substantially parallel to each other and parallel to the major surfaces, and have a thermal conductivity greater than 500 W/mK and greater than 1,500 S/cm when measured alone without the thin metal foil A current collector characterized by exhibiting high electrical conductivity. 請求項1に記載の集電体において、前記薄金属箔が4~10μmの厚さを有することを特徴とする集電体。 2. The current collector according to claim 1, wherein said thin metal foil has a thickness of 4-10 μm. 請求項1に記載の集電体において、酸化グラフェンシートの前記薄フィルムが20nm~2μmの厚さを有することを特徴とする集電体。 2. The current collector of claim 1, wherein said thin film of graphene oxide sheet has a thickness of 20 nm to 2 μm. 請求項1に記載の集電体において、前記金属箔が、Cu、Ti、Ni、ステンレス鋼、および化学的にエッチングされたAl箔から選択され、前記化学的にエッチングされたAl箔の表面が、前記酸化グラフェンシートに接合される前にその上に不動態化Alが形成されないことを特徴とする集電体。 2. The current collector of claim 1, wherein the metal foil is selected from Cu, Ti, Ni, stainless steel, and chemically etched Al foil, and the surface of the chemically etched Al foil is , a current collector, wherein no passivating Al 2 O 3 is formed thereon before being bonded to said graphene oxide sheet. 請求項1に記載の集電体において、酸化グラフェンシートの前記薄フィルムが、1重量%~5重量%の酸素含有量を有することを特徴とする集電体。 The current collector of claim 1, wherein the thin film of graphene oxide sheet has an oxygen content of 1 wt% to 5 wt%. 請求項1に記載の集電体において、酸化グラフェンの前記薄フィルムが、1%未満の酸素含有量、0.345nm未満のグラフェン間間隔、および3,000S/cm以上の電気導電率を有することを特徴とする集電体。 The current collector of claim 1, wherein the thin film of graphene oxide has an oxygen content of less than 1%, an inter-graphene spacing of less than 0.345 nm, and an electrical conductivity of 3,000 S/cm or greater. A current collector characterized by: 請求項1に記載の集電体において、酸化グラフェンの前記薄フィルムが、0.337nm未満のグラフェン間間隔、および5,000S/cm以上の電気導電率を有することを特徴とする集電体。 2. The current collector of claim 1, wherein the thin film of graphene oxide has an inter-graphene spacing of less than 0.337 nm and an electrical conductivity of 5,000 S/cm or greater. 請求項1に記載の集電体において、酸化グラフェンの前記薄フィルムが、0.336nm未満のグラフェン間間隔、0.7以下のモザイクスプレッド値、および8,000S/cm以上の電気導電率を有することを特徴とする集電体。 2. The current collector of claim 1, wherein the thin film of graphene oxide has an inter-graphene spacing of less than 0.336 nm, a mosaic spread value of 0.7 or less, and an electrical conductivity of 8,000 S/cm or greater. A current collector characterized by: 請求項1に記載の集電体において、酸化グラフェンの前記薄フィルムが、0.336nm未満のグラフェン間間隔、0.4以下のモザイクスプレッド値、および10,000S/cmより大きい電気導電率を有することを特徴とする集電体。 The current collector of claim 1, wherein the thin film of graphene oxide has an inter-graphene spacing of less than 0.336 nm, a mosaic spread value of 0.4 or less, and an electrical conductivity of greater than 10,000 S/cm. A current collector characterized by: 請求項1に記載の集電体において、酸化グラフェンの前記薄フィルムが、0.337nm未満のグラフェン間間隔および1.0未満のモザイクスプレッド値を示すことを特徴とする集電体。 2. The current collector of claim 1, wherein said thin film of graphene oxide exhibits inter-graphene spacing of less than 0.337 nm and a mosaic spread value of less than 1.0. 請求項1に記載の集電体において、酸化グラフェンの前記薄フィルムが、80%以上の黒鉛化度および/または0.4以下のモザイクスプレッド値を示すことを特徴とする集電体。 2. The current collector of claim 1, wherein the thin film of graphene oxide exhibits a degree of graphitization of 80% or more and/or a mosaic spread value of 0.4 or less. 請求項1に記載の集電体を製造する方法において、酸化グラフェンシートの前記薄フィルムが、配向制御応力の影響のもとで酸化グラフェンゲルを前記少なくとも主表面上に堆積させる工程と、次に、80℃~1,500℃の熱処理温度で前記酸化グラフェンゲルを熱処理する工程とによって得られることを特徴とする方法。 2. A method of manufacturing a current collector according to claim 1, wherein said thin film of graphene oxide sheets deposits graphene oxide gel on said at least major surface under the influence of an orientation-controlled stress; , and heat-treating the graphene oxide gel at a heat treatment temperature of 80°C to 1,500°C. 請求項13に記載の方法において、前記熱処理温度が80℃~500℃であることを特徴とする方法。 A method according to claim 13, characterized in that the heat treatment temperature is between 80°C and 500°C. 請求項13に記載の方法において、前記熱処理温度が80℃~200℃であることを特徴とする方法。 A method according to claim 13, characterized in that the heat treatment temperature is between 80°C and 200°C. 請求項1に記載の集電体において、酸化グラフェンの前記薄フィルムが、化学接合したグラフェン分子または互いに平行である化学的同化したグラフェン面を含有することを特徴とする集電体。 2. The current collector of claim 1, wherein the thin film of graphene oxide contains chemically bonded graphene molecules or chemically assimilated graphene planes that are parallel to each other. 請求項13に記載の方法において、前記酸化グラフェンゲルが、元の最大黒鉛結晶粒径を有する黒鉛材料から得られ、および酸化グラフェンの前記薄フィルムが、前記元の最大結晶粒径より大きい結晶粒径を有することを特徴とする方法。 14. The method of claim 13, wherein the graphene oxide gel is obtained from a graphite material having an original maximum graphite grain size, and the thin film of graphene oxide has grains larger than the original maximum grain size. A method characterized by having a diameter. 請求項13に記載の方法において、前記酸化グラフェンゲルが、a軸結晶方向の初期長さL、b軸方向の初期幅L、およびc軸方向の厚さLを有する黒鉛微結晶から構成される天然黒鉛または人工黒鉛の粒子から製造され、および酸化グラフェンの前記薄フィルムが、前記黒鉛微結晶の前記初期LおよびLより大きいグラフェンドメインまたは結晶長さもしくは幅を有することを特徴とする方法。 14. The method of claim 13, wherein the graphene oxide gel is formed from graphite crystallites having an initial length L a in the a-axis crystallographic direction, an initial width L b in the b-axis direction, and a thickness L c in the c-axis direction. made from composed natural or artificial graphite particles, and characterized in that said thin film of graphene oxide has graphene domains or crystal lengths or widths greater than said initial La and Lb of said graphite crystallites. and how. 請求項1に記載の集電体において、酸化グラフェンの前記薄フィルムが、spおよびsp電子配置の組合せを有するグラフェン面を含有することを特徴とする集電体。 2. The current collector of claim 1, wherein the thin film of graphene oxide contains graphene planes having a combination of sp 2 and sp 3 electron configurations. 請求項1に記載の集電体において、酸化グラフェンの前記薄フィルムが、5cm以上の長さおよび1cm以上の幅を有する連続長のフィルムであることを特徴とする集電体。 2. The current collector of claim 1, wherein said thin film of graphene oxide is a continuous length film having a length of 5 cm or more and a width of 1 cm or more. 請求項1に記載の集電体において、酸化グラフェンの前記薄フィルムが、単独で測定されるとき、1.8g/cmより大きい物理的密度、および/または40MPaより大きい引張強さを有することを特徴とする集電体。 The current collector of claim 1, wherein said thin film of graphene oxide has a physical density greater than 1.8 g/cm 3 and/or a tensile strength greater than 40 MPa when measured alone. A current collector characterized by: 請求項1に記載の集電体において、酸化グラフェンの前記薄フィルムが、単独で測定されるとき、1.9g/cmより大きい物理的密度、および/または60MPaより大きい引張強さを有することを特徴とする集電体。 The current collector of claim 1, wherein said thin film of graphene oxide has a physical density greater than 1.9 g/cm 3 and/or a tensile strength greater than 60 MPa when measured alone. A current collector characterized by: 請求項1に記載の集電体において、酸化グラフェンの前記薄フィルムが、単独で測定されるとき、2.0g/cmより大きい物理的密度、および/または80MPaより大きい引張強さを有することを特徴とする集電体。 The current collector of claim 1, wherein said thin film of graphene oxide has a physical density greater than 2.0 g/cm 3 and/or a tensile strength greater than 80 MPa when measured alone. A current collector characterized by: アノード集電体および/またはカソード集電体として請求項1に記載の集電体を含有することを特徴とする再充電可能リチウムバッテリーまたはリチウムイオンバッテリー。 A rechargeable lithium or lithium ion battery, characterized in that it contains the current collector according to claim 1 as anode current collector and/or cathode current collector. アノード集電体またはカソード集電体として請求項1に記載の集電体を含有する再充電可能リチウムバッテリーにおいて、リチウム-硫黄セル、リチウム-セレンセル、リチウム硫黄/セレンセル、リチウム-空気セル、リチウム-グラフェンセル、またはリチウム-炭素セルであることを特徴とする再充電可能リチウムバッテリー。 A rechargeable lithium battery containing the current collector according to claim 1 as anode current collector or cathode current collector, comprising a lithium-sulfur cell, a lithium-selenium cell, a lithium-sulfur/selenium cell, a lithium-air cell, a lithium- A rechargeable lithium battery characterized by being a graphene cell or a lithium-carbon cell. アノード集電体またはカソード集電体として請求項1に記載の集電体を含有するキャパシタにおいて、対称ウルトラキャパシタ、非対称ウルトラキャパシタセル、ハイブリッドスーパーキャパシタ-バッテリーセル、またはリチウムイオンキャパシタセルであることを特徴とするキャパシタ。 A capacitor containing the current collector of claim 1 as an anode current collector or a cathode current collector, said capacitor being a symmetric ultracapacitor, an asymmetric ultracapacitor cell, a hybrid supercapacitor-battery cell, or a lithium ion capacitor cell. A capacitor characterized by: バッテリーまたはスーパーキャパシタのための薄フィルム酸化グラフェン接合金属箔集電体を製造するための方法において、前記方法が、(a)酸化グラフェン分子を流動媒体中に溶解させた酸化グラフェンゲルを調製する工程において前記酸化グラフェン分子が20重量%超の酸素含有量を含有する工程と、(b)前記酸化グラフェンゲルの層を金属箔の2つの主表面の少なくとも1つの上に分配および堆積させて、その上に堆積させた湿潤酸化グラフェンゲルの層を形成する工程において前記分配および堆積手順が前記酸化グラフェンゲルの剪断誘起薄化を包含する工程と、(c)前記流動媒体を酸化グラフェンゲルの堆積させた湿潤層から部分的にまたは完全に除去して、X線回折によって測定された0.4nm~1.2nmの面間間隔d002を有し且つ20重量%以上の酸素含有量を有する酸化グラフェンの乾燥フィルムを形成する工程と、(d)面間間隔d002が0.335nm~0.5nmの値に減少すると共に前記酸素含有量が10重量%未満に減少する程度に酸化グラフェンの前記乾燥フィルムを80℃~2,500℃の熱処理温度で熱処理して前記薄フィルム酸化グラフェン接合金属箔集電体を形成する工程とを含み、および酸化グラフェンの前記薄フィルムが、10nm~10μmの厚さ、1.3~2.2g/cmの物理的密度を有し、および全ての酸化グラフェンシートが互いに略平行に且つ前記少なくとも1つの主表面に平行に配向されることを特徴とする方法。 A method for fabricating a thin film graphene oxide bonded metal foil current collector for a battery or supercapacitor, said method comprising the steps of: (a) preparing a graphene oxide gel in which graphene oxide molecules are dissolved in a fluid medium; wherein said graphene oxide molecules contain an oxygen content greater than 20% by weight; and (b) distributing and depositing a layer of said graphene oxide gel on at least one of the two major surfaces of a metal foil to forming a layer of wet graphene oxide gel deposited thereon, wherein said dispensing and deposition procedure includes shear-induced thinning of said graphene oxide gel; graphene oxide partially or completely removed from the wetted layer and having an interplanar spacing d 002 of 0.4 nm to 1.2 nm and an oxygen content of 20% by weight or more as measured by X-ray diffraction and (d) said drying of graphene oxide to such an extent that said interplanar spacing d 002 is reduced to a value between 0.335 nm and 0.5 nm and said oxygen content is reduced to less than 10% by weight. heat treating the film at a heat treatment temperature of 80° C. to 2,500° C. to form said thin film graphene oxide bonded metal foil current collector, and said thin film of graphene oxide having a thickness of 10 nm to 10 μm. , a physical density of 1.3-2.2 g/cm 3 , and wherein all graphene oxide sheets are oriented substantially parallel to each other and parallel to said at least one major surface. 請求項27に記載の方法において、工程(b)が、前記酸化グラフェンゲルの層を前記金属箔の前記2つの主表面の各々の上に分配および堆積させて、前記2つの主表面の各々の上に堆積させた湿潤酸化グラフェンゲルの層を形成する工程を包含し、前記金属箔が1μm~30μmの厚さを有することを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein step (b) distributes and deposits a layer of the graphene oxide gel on each of the two major surfaces of the metal foil so that each of the two major surfaces A method comprising forming a layer of wet graphene oxide gel deposited thereon, wherein the metal foil has a thickness of 1 μm to 30 μm. 請求項27に記載の方法において、前記金属箔が、Cu、Ti、Ni、ステンレス鋼、および化学的にエッチングされたAl箔から選択され、前記化学的にエッチングされたAl箔の表面が、前記酸化グラフェンに接合される前にその上に不動態化Alが形成されないことを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein the metal foil is selected from Cu, Ti, Ni, stainless steel, and chemically etched Al foil, the surface of the chemically etched Al foil being the A method characterized in that no passivating Al 2 O 3 is formed on the graphene oxide before it is bonded. 請求項27に記載の方法において、工程(c)が、0.4nm~0.7nmの面間間隔d002および20重量%以上の酸素含有量を有する酸化グラフェン層を形成する工程を包含し、工程(d)が、面間間隔d002が0.3354nm~0.36nmの値に減少すると共に前記酸素含有量が2重量%未満に減少する程度に前記酸化グラフェン層を熱処理する工程を包含することを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein step (c) comprises forming a graphene oxide layer having an interplanar spacing d 002 of 0.4 nm to 0.7 nm and an oxygen content of 20% by weight or more; Step (d) includes heat-treating the graphene oxide layer to such an extent that the interplanar spacing d 002 is reduced to a value between 0.3354 nm and 0.36 nm and the oxygen content is reduced to less than 2% by weight. A method characterized by: 請求項27に記載の方法において、前記酸化グラフェンゲルが、前記剪断誘起薄化の前に20℃で測定された時に2,000センチポアズ超の粘度を有し、および前記粘度が、剪断誘起薄化の間または後に2,000センチポアズ未満に低減されることを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein the graphene oxide gel has a viscosity greater than 2,000 centipoise when measured at 20°C prior to the shear-induced thinning, and wherein the viscosity is is reduced to less than 2,000 centipoise during or after. 請求項27に記載の方法において、前記酸化グラフェンゲルが、前記剪断誘起薄化の前に20℃で測定された時に500センチポアズ~500,000センチポアズの粘度を有することを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein the graphene oxide gel has a viscosity of 500 centipoise to 500,000 centipoise measured at 20° C. prior to said shear-induced thinning. 請求項27に記載の方法において、前記酸化グラフェンゲルが、前記剪断誘起薄化の前に20℃で測定された時に5,000センチポアズ以上の粘度を有し、および前記粘度が、剪断誘起薄化の間または後に2,000センチポアズ未満に低減されることを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein said graphene oxide gel has a viscosity greater than or equal to 5,000 centipoise when measured at 20°C prior to said shear-induced thinning, and said viscosity is equal to or greater than shear-induced thinning. is reduced to less than 2,000 centipoise during or after. 請求項27に記載の方法において、前記酸化グラフェンゲルが5.0未満のpH値を有することを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein said graphene oxide gel has a pH value of less than 5.0. 請求項27に記載の方法において、前記酸化グラフェンゲルが3.0未満のpH値を有することを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein said graphene oxide gel has a pH value of less than 3.0. 請求項27に記載の方法において、剪断誘起薄化が、コーティング、キャスティング、印刷、エア・アシスト噴霧、超音波噴霧、または押出から選択される手順によって行われることを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein shear-induced thinning is performed by a procedure selected from coating, casting, printing, air-assisted spraying, ultrasonic spraying, or extrusion. 請求項27に記載の方法において、前記工程(d)が、前記酸化グラフェン層を圧縮応力下で熱処理する工程を包含することを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein step (d) comprises thermally treating the graphene oxide layer under compressive stress. 請求項27に記載の方法において、前記酸化グラフェンゲルが、均質な溶液でありまた光学的に透明、半透明、または褐色である酸化グラフェンゲルを得るために十分な時間の間粉末または繊維形態の黒鉛材料を酸化性液体中に浸漬して、初期に光学的に不透明であり且つ黒ずんだ懸濁液を反応温度の反応器内に形成することによって調製され、前記酸化グラフェンゲルが、5以下のpH値を有する酸性媒体中に溶解させた酸化グラフェン分子から構成され、および前記酸化グラフェン分子が、20重量%以上の酸素含有量を有することを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein the graphene oxide gel is in powder or fibrous form for a time sufficient to obtain a homogenous solution and an optically transparent, translucent, or brown graphene oxide gel. prepared by immersing a graphite material in an oxidizing liquid to form an initially optically opaque and darkened suspension in a reactor at reaction temperature, wherein the graphene oxide gel is A method comprising graphene oxide molecules dissolved in an acidic medium having a pH value, and wherein said graphene oxide molecules have an oxygen content of 20% by weight or more. 請求項27に記載の方法において、前記酸化グラフェンゲルが、黒鉛材料を酸化剤中に浸漬して初期に光学的に不透明であり且つ黒ずんだ懸濁液を形成する工程と、均質且つ光学的に透明、半透明、または褐色の溶液が形成されるまで酸化反応を進行させる工程とによって調製され、前記黒鉛材料が、天然黒鉛、人工黒鉛、メソフェーズ炭素、メソフェーズピッチ、メソカーボンマイクロビード、軟質炭素、硬質炭素、コークス、炭素繊維、炭素ナノ繊維、炭素ナノチューブ、またはそれらの組合せから選択されることを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein the graphene oxide gel is homogenously and optically and allowing an oxidation reaction to proceed until a clear, translucent, or brown solution is formed, wherein the graphite material comprises natural graphite, artificial graphite, mesophase carbon, mesophase pitch, mesocarbon microbeads, soft carbon, selected from hard carbon, coke, carbon fibers, carbon nanofibers, carbon nanotubes, or combinations thereof. ロールツーロール方法である請求項27に記載の方法において、前記工程(b)および(c)が、前記金属箔のシートをローラーから堆積領域に供給する工程と、酸化グラフェンゲルの層を前記金属箔の前記少なくとも1つの主表面上に堆積させて酸化グラフェンゲルの湿潤層をその上に形成する工程と、酸化グラフェンゲルの前記湿潤層を乾燥させて、前記主表面上に堆積させた乾燥させた酸化グラフェン層を形成する工程と、乾燥させた酸化グラフェン層を堆積させた金属箔をコレクターローラー上に集める工程とを包含することを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein steps (b) and (c) are a roll-to-roll method, wherein the steps (b) and (c) include feeding a sheet of the metal foil from rollers to a deposition area; depositing on said at least one major surface of a foil to form a wet layer of graphene oxide gel thereon; and drying said wet layer of graphene oxide gel to dry deposited on said major surface. and collecting the metal foil having the dried graphene oxide layer deposited thereon on a collector roller. 請求項27に記載の方法において、前記熱処理温度が80℃~500℃の熱還元レジームの温度を含み、および前記薄フィルム酸化グラフェン接合金属箔集電体が、5%未満の酸素含有量、0.4nm未満のグラフェン間間隔、および/または少なくとも100W/mKの熱伝導率を有することを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein the heat treatment temperature comprises a temperature in the thermal reduction regime of 80°C to 500°C, and the thin film graphene oxide bonded metal foil current collector has an oxygen content of less than 5%, 0 and/or having a thermal conductivity of at least 100 W/mK. 請求項27に記載の方法において、前記熱処理温度が500℃~1,000℃の範囲の温度を含み、および酸化グラフェンの前記薄フィルムが、1%未満の酸素含有量、0.345nm未満のグラフェン間間隔、少なくとも1,300W/mKの熱伝導率、および/または3,000S/cm以上の電気導電率を有することを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein the heat treatment temperature comprises a temperature in the range of 500° C. to 1,000° C., and the thin film of graphene oxide has an oxygen content of less than 1%, graphene of less than 0.345 nm. spacing, a thermal conductivity of at least 1,300 W/mK, and/or an electrical conductivity of 3,000 S/cm or more. 請求項27に記載の方法において、前記熱処理温度が1,000℃~1,500℃の範囲の温度を含み、および前記酸化グラフェンフィルムが、0.01%未満の酸素含有量、0.337nm未満のグラフェン間間隔、少なくとも1,500W/mKの熱伝導率、および/または5,000S/cm以上の電気導電率を有することを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein the heat treatment temperature comprises a temperature in the range of 1,000° C. to 1,500° C., and the graphene oxide film has an oxygen content of less than 0.01%, less than 0.337 nm. , a thermal conductivity of at least 1,500 W/mK, and/or an electrical conductivity of 5,000 S/cm or greater. 請求項27に記載の方法において、前記酸化グラフェンフィルムが0.337nm未満のグラフェン間間隔および1.0未満のモザイクスプレッド値を示すことを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein the graphene oxide film exhibits an inter-graphene spacing of less than 0.337 nm and a mosaic spread value of less than 1.0. 請求項27に記載の方法において、前記酸化グラフェンフィルムが40%以上の黒鉛化度および/または0.7未満のモザイクスプレッド値を示すことを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein the graphene oxide film exhibits a degree of graphitization of 40% or more and/or a mosaic spread value of less than 0.7. 請求項27に記載の方法において、前記酸化グラフェンフィルムが80%以上の黒鉛化度および/または0.4以下のモザイクスプレッド値を示すことを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein the graphene oxide film exhibits a graphitization degree of 80% or more and/or a mosaic spread value of 0.4 or less. 請求項27に記載の方法において、前記酸化グラフェンフィルムが、化学接合したグラフェン分子または互いに平行である化学的同化したグラフェン面を含有することを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein the graphene oxide film contains chemically bonded graphene molecules or chemically assimilated graphene planes that are parallel to each other. 請求項27に記載の方法において、前記酸化グラフェンゲルが、元の最大黒鉛結晶粒径を有する黒鉛材料から得られ、および酸化グラフェン前記薄フィルムが、前記元の最大黒鉛結晶粒径より大きい結晶粒径を有することを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein the graphene oxide gel is obtained from a graphite material having an original maximum graphite grain size, and wherein the graphene oxide thin film has grains larger than the original maximum graphite grain size. A method characterized by having a diameter. 請求項27に記載の方法において、前記酸化グラフェンゲルが、液状媒体に溶解させた酸化グラフェン分子から構成された均質な溶液を得るために十分な時間の間反応温度において反応器内の酸化性液状媒体に粉末または繊維形態の黒鉛材料を浸漬することによって得られ、前記均質な溶液が光学的に透明、半透明、または褐色であり、および前記酸化グラフェン分子が、20重量%以上の酸素含有量を有し且つゲル状態にある間43,000g/モル未満の分子量を有することを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein the graphene oxide gel is in an oxidizing liquid state in the reactor at the reaction temperature for a time sufficient to obtain a homogeneous solution composed of graphene oxide molecules dissolved in the liquid medium. Obtained by immersing a graphite material in powder or fiber form in a medium, said homogeneous solution being optically transparent, translucent or brown, and said graphene oxide molecules having an oxygen content of 20% by weight or more. and having a molecular weight of less than 43,000 g/mole while in the gel state. 請求項49に記載の方法において、前記酸化グラフェン分子が、ゲル状態にある間4,000g/モル未満の分子量を有することを特徴とする方法。 50. The method of claim 49, wherein the graphene oxide molecules have a molecular weight of less than 4,000 g/mole while in the gel state. 請求項49に記載の方法において、前記酸化グラフェン分子が、ゲル状態にある間200g/モル~4,000g/モルの間の分子量を有することを特徴とする方法。 50. The method of claim 49, wherein the graphene oxide molecules have a molecular weight between 200 g/mol and 4,000 g/mol while in the gel state. 請求項27に記載の方法において、熱処理の前記工程が、酸化グラフェン分子の化学連結、同化、または化学接合、および/または再黒鉛化または黒鉛構造物の再組織化を引き起こすことを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein the step of heat treatment causes chemical ligation, assimilation, or chemical bonding of graphene oxide molecules and/or regraphitization or reorganization of graphitic structures. . 請求項27に記載の方法において、前記酸化グラフェンフィルムが、3,000S/cmより大きい電気導電率、600W/mKより大きい熱伝導率、1.8g/cmより大きい物理的密度、および/または40MPaより大きい引張強さを有することを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein the graphene oxide film has an electrical conductivity greater than 3,000 S/cm, a thermal conductivity greater than 600 W/mK, a physical density greater than 1.8 g/ cm3 , and/or A method characterized by having a tensile strength greater than 40 MPa. 請求項27に記載の方法において、前記酸化グラフェンフィルムが、5,000S/cmより大きい電気導電率、1,000W/mKより大きい熱伝導率、1.9g/cmより大きい物理的密度、および/または60MPaより大きい引張強さを有することを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein the graphene oxide film has an electrical conductivity greater than 5,000 S/cm, a thermal conductivity greater than 1,000 W/mK, a physical density greater than 1.9 g/ cm3 , and / or having a tensile strength greater than 60 MPa. 請求項27に記載の方法において、前記酸化グラフェンフィルムが、15,000S/cmより大きい電気導電率、1,500W/mKより大きい熱伝導率、2.0g/cmより大きい物理的密度、および/または80MPaより大きい引張強さを有することを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein the graphene oxide film has an electrical conductivity greater than 15,000 S/cm, a thermal conductivity greater than 1,500 W/mK, a physical density greater than 2.0 g/ cm3 , and / or having a tensile strength greater than 80 MPa. 請求項27に記載の方法において、前記金属箔が4~10μmの厚さを有することを特徴とする方法。 A method according to claim 27, characterized in that said metal foil has a thickness of 4-10 µm. 請求項27に記載の方法において、前記酸化グラフェンフィルムが20nm~2μmの厚さを有することを特徴とする方法。 28. The method of claim 27, wherein the graphene oxide film has a thickness between 20 nm and 2 μm. バッテリーまたはスーパーキャパシタのための薄フィルム酸化グラフェン接合金属箔集電体を製造するための方法において、方法が、(a)酸化グラフェン分子を流動媒体中に溶解させた酸化グラフェンゲル浴を調製する工程において前記酸化グラフェン分子が20重量%超の酸素含有量を含有し且つ前記酸化グラフェンゲルが5.0未満のpH値を有する工程と、(b)金属箔のシートを前記浴中に供給すると共に金属箔の前記シートを前記浴から外に移動させ、前記金属箔の2つの主表面の各々の上への酸化グラフェンゲルの湿潤層の堆積を可能にする工程と、(c)前記流動媒体を酸化グラフェンゲルの前記堆積させた湿潤層から部分的にまたは完全に除去して、X線回折によって測定された0.4nm~1.2nmの面間間隔d002を有する酸化グラフェンの乾燥フィルムを形成する工程と、(d)面間間隔d002が0.335nm~0.5nmの値に減少すると共に前記酸素含有量が10重量%未満に減少する程度に酸化グラフェンの前記乾燥フィルムを80℃~2,500℃の熱処理温度で熱処理して前記薄フィルム酸化グラフェン接合金属箔集電体を形成する工程とを含み、および酸化グラフェンの前記薄フィルムが、10nm~10μmの厚さ、1.3~2.2g/cmの物理的密度を有し、および全ての酸化グラフェンシートが互いに略平行に且つ前記少なくとも1つの主表面に平行に配向されることを特徴とする方法。 A method for fabricating a thin film graphene oxide bonded metal foil current collector for a battery or supercapacitor, the method comprising the steps of (a) preparing a graphene oxide gel bath in which graphene oxide molecules are dissolved in a fluid medium. wherein said graphene oxide molecules contain an oxygen content of greater than 20% by weight and said graphene oxide gel has a pH value of less than 5.0; moving the sheet of metal foil out of the bath to allow deposition of a wet layer of graphene oxide gel on each of the two major surfaces of the metal foil; Partially or completely removing from the deposited wet layer of graphene oxide gel to form a dry film of graphene oxide having an interplanar spacing d 002 of 0.4 nm to 1.2 nm as measured by X-ray diffraction (d) heating said dried film of graphene oxide at 80° C. to such an extent that said interplanar spacing d 002 is reduced to a value between 0.335 nm and 0.5 nm and said oxygen content is reduced to less than 10% by weight. and heat treating at a heat treatment temperature of 2,500° C. to form said thin film graphene oxide bonded metal foil current collector, and said thin film of graphene oxide having a thickness of 10 nm to 10 μm and a thickness of 1.3 to 1.3 μm. A method having a physical density of 2.2 g/cm 3 and wherein all graphene oxide sheets are oriented substantially parallel to each other and parallel to said at least one major surface. 請求項58に記載の方法において、前記金属箔がアルミニウム箔を含有することを特徴とする方法。 59. The method of claim 58, wherein said metal foil comprises aluminum foil.
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