TWI469428B - 集流體、電化學電池電極及電化學電池 - Google Patents

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Description

集流體、電化學電池電極及電化學電池
本發明涉及一種集流體、採用該集流體之電化學電池電極及採用該電化學電池電極之電化學電池。
集流體是電化學電池之一個重要主要組成部分。在電化學電池中，集流體表面通常承載電極活性材料並接觸電解液，能為電化學反應提供電子通道，以加快電子轉移，並將電子傳輸到外電路形成電流。因此，集流體之性能與電化學電池之性能密切相關。
先前之集流體通常由導電金屬箔片構成，如銅箔及鋁箔等。然，這些金屬箔片極容易被氧化形成一層鈍化膜，或者在電解液中被腐蝕形成一絕緣層，該鈍化膜或者絕緣層極大地增加了電極活性材料和該金屬箔片之接觸電阻，從而降低了電化學電池之容量及能量轉換效率。
有鑒於此，提供一種與電極活性材料之間具有較小接觸電阻之集流體、採用該集流體之電化學電池電極及採用該電化學電池電極之電化學電池實為必要。
一種集流體，該集流體包括一金屬箔片及一覆蓋於該金屬箔片至少一表面之石墨烯膜。
一種電化學電池電極，其包括：一集流體及一形成於該集流體至少一表面之電極材料層，該集流體包括一金屬箔片及一覆蓋於該金屬箔片至少一表面之石墨烯膜，該石墨烯膜與該電極材料層相接觸。
一種電化學電池，其包括如上所述之電化學電池電極。
與先前技術相比較，由於該集流體中之金屬箔片之至少一表面被石墨烯膜所覆蓋，使得所述集流體在使用時，該石墨烯膜阻斷了金屬箔片與具有一定腐蝕性之電解液直接接觸，從而可阻止電解液與金屬箔片之間之腐蝕反應，使所述金屬箔片不被腐蝕，降低了腐蝕產物對集流體與電極材料層之間之接觸電阻之影響；由於所述石墨烯膜之導電性遠大於所述金屬箔片之導電性，且該石墨烯膜直接與所述電極材料層接觸且與該電極材料層能較好地結合，從而進一步降低了所述集流體與所述電極材料層之間之接觸電阻。
10‧‧‧電化學電池電極
12‧‧‧集流體
122‧‧‧金屬箔片
124‧‧‧石墨烯膜
14‧‧‧電極材料層
圖1為本發明第一實施例提供之電化學電池電極之結構示意圖。
以下將結合附圖對本發明實施例提供之集流體、採用該集流體之電化學電池電極及採用該電化學電池電極之電化學電池作進一步之詳細說明。
請參閱圖1，本發明實施例提供一種電化學電池電極10，其包括一集流體12及覆蓋於該集流體12之至少一表面之電極材料層14。
所述集流體12包括一金屬箔片122及覆蓋於該金屬箔片122之至少 一表面之石墨烯膜124，該石墨烯膜124與所述電極材料層14直接接觸。
所述金屬箔片122之厚度可為1微米~200微米。所述金屬箔片122可以為先前之電化學電池中常用之正極集流體或負極集流體。該金屬箔片可以為連續之整體結構。
所述石墨烯膜124為一連續之膜狀結構且連續地覆蓋於所述金屬箔片122之至少一表面。該石墨烯膜124與該金屬箔片122之至少一表面直接接觸。進一步地，該石墨烯膜124也可覆蓋於所述金屬箔片122之垂直於厚度方向之兩個相對表面。該石墨烯膜124包括至少一個石墨烯片。當該石墨烯膜124包括多個石墨烯片時，該多個石墨烯片可以相互搭接形成面積較大之石墨烯膜124，和/或相互疊加形成厚度較厚之石墨烯膜124。該每個石墨烯片可包括1~10層石墨烯。該整個石墨烯膜124之厚度可為0.8奈米至5微米。為使採用該電化學電池電極10之電化學電池之能量密度較大，不會由於該石墨烯膜124之厚度較厚而增大整個電化學電池電極10之重量和體積，該石墨烯膜124之厚度優選為0.8奈米至1微米，更優選為單層石墨烯之厚度，即0.8奈米左右，此時該石墨烯膜124可為一完整之單層石墨烯覆蓋在所述金屬箔片122之表面。本實施例中，該石墨烯膜124由50奈米之純石墨烯構成。所述石墨烯為由多個碳原子通過sp2鍵雜化構成之單層之二維平面結構。該石墨烯具有很好之導電性，電子在該石墨烯中之運動速度達到了光速之1/300，遠遠超過了電子在一般導體中之運動速度，且石墨烯自身具有很大之比表面，能與金屬箔片122及電極材料層14很好地結合，因此，該覆蓋於所述金屬箔片122上之石墨 烯膜124可以極大地減小所述金屬箔片122與電極材料層14之間之接觸電阻，從而提高整個集流體12之導電性。
將所述石墨烯膜124覆蓋於所述金屬箔片122之表面之方法可包括以下步驟：S1，提供一石墨烯粉體，並將該石墨烯粉體分散於一揮發性有機溶劑或水中以形成一石墨烯分散液；S2，將上述石墨烯分散液塗覆於所述金屬箔片122之至少一表面以形成一塗覆層；以及S3，去除所述塗覆層中之揮發性有機溶劑或水，從而形成所述石墨烯膜124。
在所述S1步驟中，所述石墨烯粉體可採用先前之方法製備，如微機械剝離法、氧化還原法或化學氣相沈積法等。所述揮發性有機溶劑可為乙醇、丙酮、乙醚或氯仿等。為使所述石墨烯可均勻分散於所述揮發性有機溶劑中，可進一步攪拌所述石墨烯分散液，該攪拌方式可為磁力攪拌、機械攪拌或超聲分散等。該石墨烯分散液之質量百分比濃度可為0.05%~5%。該石墨烯分散液之質量百分比濃度越大，最終形成之石墨烯膜124之厚度越厚。
在所述步驟S2中，所述塗覆之方法可為刮塗、刷塗、噴塗、靜電塗覆(electrostatic coating)、黏輥(roll coating)、絲網印刷或浸漬提拉法等。本實施例中，所述石墨烯分散液通過浸漬提拉法塗覆於所述金屬箔片122之表面。該浸漬提拉法具體為：將所述金屬箔片122浸入所述石墨烯分散液中，然後將所述金屬箔片122從所述石墨烯分散液中提拉出來。該金屬箔片122之浸 入時間可為30秒至5分鐘，提拉速度可為1cm/min~20cm/min。本實施例中，所述金屬箔片122之浸入時間為2分鐘，提拉速度為10cm/min。在所述提拉之過程中，在所述石墨烯分散液之黏結力和重力之作用下，被提拉出來之金屬箔片122表面會連續地覆蓋一層具有均勻厚度之石墨烯分散液膜。此外，根據所述石墨烯分散液之濃度，所述金屬箔片122可在所述石墨烯分散液中被反復提拉多次，以形成所需厚度之石墨烯膜124。
在所述步驟S3中，去除所述揮發性有機溶劑或水之方法可為：加熱或在常溫下靜置所述覆蓋有石墨烯分散液之金屬箔片122，使在所述石墨烯分散液中之揮發性有機溶劑或水逐漸揮發。在所述揮發性有機溶劑或水之表面張力和石墨烯較大之比表面能之作用下，所述石墨烯可緊密地吸附在所述金屬箔片122之表面，從而在所述金屬箔片122之表面形成一層緻密、連續之石墨烯膜124。
所述電極材料層14包括均勻混合之電極活性物質、導電劑和黏結劑。所述電極活性物質可為電化學電池常用之正極活性物質或負極活性物質。該電極材料層14也可覆蓋於所述集流體12垂直於厚度方向之兩個相對之表面。所述電極材料層14與所述石墨烯膜124之間可通過所述電極材料層14中之黏結劑緊密地結合。
當將該電化學電池電極10用於電化學電池時，由於所述金屬箔片122表面被所述石墨烯膜124所包覆，該石墨烯膜124可阻斷所述金屬箔片122與電解液之直接接觸，從而可阻止電解液與金屬箔片122之間之腐蝕反應，使所述金屬箔片122不被腐蝕，進一步降低了腐蝕產物對集流體12與電極材料層14之間之接觸電阻之影響。另外，由於石墨烯具有極大之比表面能，易於金屬箔片122及 電極材料層14緊密結合，因此，可以進一步提高該金屬箔片122與電極材料層14之間之導電性。
此外，上述實施例中之電化學電池電極可用於各種電化學電池中，如鋰離子電池、超級電容器或鎳鎘電池等。
具體實施方式1
本實施方式提供一種電化學電池電極10，該電化學電池電極10為鋰離子電池電極，該鋰離子電池電極之集流體12中之金屬箔片122為先前鋰離子電池中常用之正極集流體，如鋁箔或鈦箔。所述電極材料層14中之導電劑可以為碳纖維、乙炔黑及碳奈米管中之一種或複數種；所述黏結劑可以為PVDF、聚四氟乙烯(PTFE)及SBR中之一種或複數種；所述電極活性物質為正極活性物質，所述正極活性物質可為先前之鋰離子電池常用之正活性物質。所述正極活性物質可以為未摻雜或摻雜之尖晶石結構之錳酸鋰、層狀錳酸鋰、鎳酸鋰、鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、鋰鎳錳氧化物及鋰鎳鈷錳氧化物中之一種或複數種。所述石墨烯膜124之厚度為100奈米。
具體實施方式2
本實施方式與上述實施方式1之電化學電池電極10之區別在於，所述金屬箔片122為常用之負極集流體，如銅箔或鎳箔。所述電極材料層14中之電極活性物質為負極活性物質。所述負極活性物質為天然石墨、有機裂解碳或中間相碳微球(MCMB)等。
由於該集流體中之金屬箔片被石墨烯膜所覆蓋，使得所述集流體在使用時，該石墨烯膜阻斷了金屬箔片與具有一定腐蝕性之電解液直接接觸，從而可阻止電解液與金屬箔片之間之腐蝕反應，使 所述金屬箔片不被腐蝕，降低了腐蝕產物對集流體與電極材料層之間之接觸電阻之影響；由於所述石墨烯膜之導電性遠大於所述金屬箔片之導電性，且該石墨烯膜直接與所述電極材料層接觸且與電極材料層能很好地結合，從而進一步降低了所述集流體與所述電極材料層之間之接觸電阻。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10‧‧‧電化學電池電極
12‧‧‧集流體
122‧‧‧金屬箔片
124‧‧‧石墨烯膜
14‧‧‧電極材料層

Claims (9)

  1. 一種集流體，用於承載電極材料層，該集流體包括一金屬箔片，其改良在於，還包括一覆蓋於該金屬箔片至少一表面之緻密、連續之石墨烯膜，所述緻密、連續之石墨烯膜為一完整之單層石墨烯。
  2. 如請求項1所述之集流體，其中，所述石墨烯膜為一連續之膜狀結構且連續地覆蓋於所述金屬箔片之至少一表面。
  3. 如請求項1所述之集流體，其中，所述石墨烯膜由純之石墨烯組成。
  4. 如請求項1所述之集流體，其中，所述金屬箔片為鋁箔、鈦箔、銅箔或鎳箔。
  5. 一種電化學電池電極，其包括：一集流體及一覆蓋於該集流體至少一表面之電極材料層，該集流體包括一金屬箔片，其改良在於，該集流體還包括一覆蓋於該金屬箔片至少一表面之緻密、連續之石墨烯膜，所述緻密、連續之石墨烯膜為一完整之單層石墨烯，該石墨烯膜與該電極材料層相接觸。
  6. 如請求項5所述之電化學電池電極，其中，所述石墨烯膜由純之石墨烯組成。
  7. 如請求項5所述之電化學電池電極，其中，所述電極材料層包括均勻混合之電極活性物質、導電劑及黏結劑。
  8. 如請求項5所述之電化學電池電極，其中，所述石墨烯膜與所述電極材料層直接接觸。
  9. 一種電化學電池，其包括請求項6至8所述之電化學池電極。
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