[发明专利]原电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种原电池以及一种用于对其进行制造的方法。

背景技术

锂离子电池包括负电极，其也被称为阳极，大多数情况下为石墨，即所谓的嵌入式石墨，其可逆地以电化学方式在其三维的层结构中存储和释放锂离子(Li⁺)。在此也称为嵌锂和脱锂。但石墨的锂容纳能力是有限的。如果石墨被完全锂化，石墨的碳原子与锂原子的比例为六比一。相应地，化学式为Li₁C₆。嵌入式石墨的可逆理论单位电容量为372mAh/g。

除了可逆理论单位电容量局限于372mAh/g外，石墨还具有其它的缺点：

因为单是石墨的电导率对于大电流应用是不够的，所以负电极大多数情况下还包括所谓的导电碳黑。但因为导电碳黑为惰性的电池组成部分，因此导电碳黑在电极制造中很难扩散到涂层物质中并且还使系统的能量密度减小。此外，传统的包含导电碳黑作为导电材料的电极也很难被压缩。

此外，石墨的晶体石墨密度可以通过锂原子的存储和释放而增加和下降。由此可以中断在碳黑与用于接触负电极的金属接触元件之间的电连接。这导致可循环的电容量的损失以及导致锂离子电池的内阻和阻抗增大。

石墨的另一缺点是形成固体电解质膜(固体电解质界面(SEI))。该固体电解质膜在石墨表面上形成，但为此需要锂离子，这些锂离子最终不可逆地析出。这在第一充电循环中导致锂的不可逆“消耗”。

公开文献US 2009/0117467A1描述了一种用于锂离子电池的负电极的材料成分，该锂离子电池包括由电化学的活性材料和纳米级石墨烯薄片组成的混合物。纳米级石墨烯薄片在此主要由一片石墨烯平面组成或者由多片层叠的且通过范德华力相互结合的石墨烯平面组成。公开文献US 2009/0117467A1公开了在此不仅电化学的活性材料而且纳米级的石墨烯薄片都能够吸收和析出锂离子。

发明内容

本发明的对象是一种原电池，例如蓄电池或蓄电池组，特别是锂离子电池，所述锂离子电池包括负电极(也可称为阳极)、正电极(也可称为阴极)以及布置在负电极和正电极之间的分离器。

根据本发明，在此负电极包括至少一个层系统，该层系统包括至少两个石墨烯层和至少一个聚合物层，其中聚合物层布置在两个石墨烯层之间。

在此，石墨烯层可以包括一个石墨烯片或由二至十个，例如由二至五个，特别地由二至三个层叠的石墨烯片组成的多片系统。优选地，石墨烯层包括一个石墨烯片。在此特别地，石墨烯片可以理解为一层以六边形蜂巢结构布置的碳原子，且其层厚为一个碳原子(大约为0.34nm)。石墨烯层在本发明的范围内不属于聚合物。

在给原电池充电时，可以在石墨烯层上吸收锂原子，在放电时又由石墨烯层析出。这个反应有利地具有快速的动力学。此外，在锂原子和石墨烯层之间的亲和力有利地非常高。由于快速的动力学，原电池有利地具有高的大电流负荷能力。此外，通过快速的动力学可以避免由析出的金属锂形成固体电解质膜(固体电解质界面(SEI))。由此又可以防止锂在形成期间不可逆地从系统析出。这具有如下优点：可以避免在嵌入石墨的情况下大约为10％的形成损失。

此外石墨烯层还通过聚合物层相互隔开，使得在两个石墨烯层的两侧上积聚锂原子。特别地，石墨烯层的每个碳原子六元环可以结合两个锂原子，这可以产生C₆Li₂的化学式。因此与具有C₆Li化学式的石墨相比，每个碳原子有利地可以积聚双倍数量的锂原子。因此，负电极可以具有高的锂离子储存能力、高的单位电容量(特别地为744mAh/g)以及例如增大10％至35％的能量密度。此外，通过单位电容量的提高可以有利地减小负电极的厚度并且改进高电流负荷能力和脉冲负荷能力。

因为石墨烯层本身具有高的电导率，所以还可以省去导电碳黑，并且避免导电碳黑与金属的接触电极脱开。通过这种方式，可以延长原电池的使用寿命。此外，由此原电池的单位电容量、内阻以及阻抗在原电池的使用寿命期间可以非常稳定。此外，通过避免了惰性组成部分导电碳黑可以简单地增大能量密度。

在原电池的实施方式的范围内，每个石墨烯层由一个石墨烯片组成。

在原电池的另一实施方式的范围内，在石墨烯层上积聚有锂原子或能够积聚锂原子。特别地，在石墨烯层的两侧上积聚或能够积聚锂原子。

在原电池的另一实施方式的范围内，石墨烯层的碳原子的数量与在石墨烯层上积聚的锂原子的数量之比为6∶1.8至6∶2.2，特别地为大约6∶2。