[发明专利]以石墨烯为导电添加剂的电极及在锂离子电池中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及电池技术领域，特别是涉及一种以石墨烯为导电添加剂的电极及在锂离子电池中的应用。

背景技术

石墨烯是近年发现的二维碳原子晶体，是一种单层或多层极薄的石墨材料，它是目前碳质材料和凝聚态物理领域的研究热点之一。石墨烯是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等Sp²杂化碳的基本结构单元。石墨烯具有很多奇特的性质。石墨烯是一种没有能隙的物质，显示金属性；单层的石墨烯中，每个碳原子都有一个未成键的电子，因此具有非常好的导电性；石墨烯中的空穴和电子相互分离，导致了新的电子传导现象的产生，例如不规则的量子霍尔效应。石墨烯具有非常广阔的应用前景，它的奇特性质提供了良好的物理实验平台，还是制造纳米电子器件一高频晶体管和单电子晶体管的最佳材料，在显微滤网和超导方面也与很广阔的应用前景。另外，基于石墨的石墨烯纳米聚合物也是一种重要的功能性材料。在石墨的诸多优异性质中，其独特的电学性质最受关注。石墨烯是一种没有能隙的半导体，它具有比硅高很多的载流子迁移率(2×105cm²/v)，在室温下有微米级的平均自由程和大的相干长度，是验证量子效应的理想材料；石墨烯中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度，因此，石墨烯具有良好的导电性。

锂离子电池具有比容量大、放电电压高而平稳、低温性能好、环境友好、安全、寿命长、白放电小等镍氢、镍镉二次电池无可比拟的优点。自1991年问世以来，经过10余年的发展，锂离子电池已经主导了小型便携电池的市场。锂离子电池的负极材料有碳材料、金属间化合物、锡基化合物等。目前商品化的锂离子电池多采用碳材料作为负极。碳材料负极相对于正极材料而言，有较好的导电性，原则上不用加入导电剂来增加电极材料导电性。但是由于碳材料在嵌入、脱出锂过程中，会发生体积膨胀和收缩，几个循环后，碳材料之间的接触会减少，或出现空隙，导致电极的导电性急剧下降，因此也需要适当加入导电剂。小颗粒的碳黑、乙炔黑、或者纤维状的导电剂可以很好地填补碳材料之间的空隙，保持循环过程中电极的导电性稳定，不会因为循环次数的增加，电极的导电性就急剧降下来。将准一维结构的多壁碳纳米管和零维结构的导电乙炔黑均匀分散制备复合导电剂，并将其加入商品化锂离子电池负极材料，可有效提高电极材料的首次库仑效率和循环寿命[张绪刚，刘敏，王作明，等。炭素技术，2008，27：10-13.]。另外，其他金属元素，如稀土元素也可以作为负极材料添加剂[伊廷锋，胡信国，高昆.稀有材料金属与工程.2006，35(增2)：9-12.]。

锂离子电池的正极活性材料一般为过渡金属氧化物，如：LiCoO₂、LiNiO₂、LiNi_xCo_(1-x)O₂和尖晶石LiMn₂O₄等，以及过渡金属的磷酸盐LiMPO₄。它们一般是半导体或是绝缘体，电导率低。理想的正极为离子和电子的混合导体，电子导电性与正极导电性好坏有关；离子传导性与正极的孔容有关，多孔结构可以提供电解液的储存场所，为电极快速反应提供缓冲离子源。导电剂在正极的作用主要是提高正极的导电性。颗粒状导电剂包括乙炔黑、碳黑、人造石墨和天然石墨等，它们价格便宜，使用方便，是目前锂离子电池常用的导电剂。和颗粒状导电剂相比，纤维状导电剂，如：金属纤维、气相法生长碳纤维、碳纳米管等，有较大的长径比，有利于形成导电网络，能够提高活性材料之间及其与集电极之间的粘结牢固性，起到物理粘结剂的作用。石墨烯作为一种新型的碳质材料，具有良好的导电性和机械性能，关于其应用于锂离子电池添加剂方面尚未有文献报道。

石墨烯不论从性质和结构上来说，都是一种潜在的性能良好的锂离子电池正负极导电添加剂。石墨烯具有比其他碳质材料更好的导电性，另外石墨烯是二维的网状结构，能更好的与电极活性物质形成复合的网络结构。基于这些原因和条件，我们进行了研究和实验，实验结果证明，石墨烯作为电极导电添加剂应用于锂离子电池中，可明显改善正极和负极的导电性能，使电池的大功率充放电性能显著提高，同时电池的充放电效率和循环寿命也明显提高。总之，以石墨烯为电极导电添加剂的锂离子电池显示了优越的电化学性能。因此我们提出了如下的发明。

发明内容