[发明专利]具有无规分布的二维结构缺陷的石墨烯材料

说明书

背景技术

具有大量的日益增加复杂和强大功能的移动设备的扩散已导致对高功率高容量电子能量储存设备的快速增长的需求。当混合动力和电池动力电动车辆变为优选的运输模式时，情况将变得甚至更严重。目前，对高容量和高功率的合并需要由两种分别的设备满足：用于容量的可充电电池和用于功率的超级电容。单个设备，如可在高功率下操作的可充电电池，是高度合意的，因为其更轻、更容易控制，且能够提供持续的高功率。

近来已研究石墨烯（一种二维芳族单层石墨）在用于常规电化学能量储存设备中时的倍率性能和循环稳定性。自承石墨烯材料的优良的拉伸模量和机械耐久性消除了对常规无活性添加剂和金属箔继电器的需要。另外，通过将高容量金属或氧化还原材料夹在石墨烯片材之间而制得的电荷储存材料已显示改进的循环稳定性。

不幸地，在高充电/放电速率下Li离子电池中石墨烯基阳极的实际电荷储存能力受限于具有极高纵横比（即其较宽，但是极薄）的石墨烯的结构。为了到达石墨烯叠堆的内部，Li离子需要在叠堆的边缘处进入结构，并行进微米级的距离。因此，在高功率下，当需要电解质溶液与电极之间的快速Li交换时，仅可到达接近石墨烯叠堆的边缘的区域。

发明内容

提供了石墨烯基材料、由所述材料制得的电极、引入所述电极的电池，以及用于制备所述电极材料的方法。本发明的一个方面提供了石墨烯基材料，其包括设置于竖直叠堆中的多个石墨烯片材，其中在所述竖直叠堆内的石墨烯片材包含由面内碳空缺形成的无规分布的缺陷孔。在材料的一些实施方案中，石墨烯片材为包括石墨区域的连续网络的结构的部分，所述石墨区域的连续网络包括石墨烯片材的竖直叠堆的结晶部分。在这些实施方案中，石墨区域的连续网络与复合材料整合，所述复合材料包含：（a）石墨烯片材的竖直叠堆的无序部分；和（b）电化学活性材料，如硅纳米粒子，所述电化学活性材料与所述竖直叠堆的无序部分中的石墨烯片材接触。

本发明的另一方面提供了锂离子电池，其包括阴极、阳极和设置于所述阴极与阳极之间的包含锂盐的非水性电解质，其中所述阳极包括设置于竖直叠堆中的多个石墨烯片材，且其中在所述竖直叠堆内的石墨烯片材包含由面内碳空缺形成的无规分布的缺陷孔。在所述电池的一些实施方案中，石墨烯片材为包括石墨区域的连续网络的结构的部分，所述石墨区域的连续网络包括石墨烯片材的竖直叠堆的结晶部分，其中所述石墨区域的连续网络与复合材料整合，所述复合材料包含：（a）石墨烯片材的竖直叠堆的无序部分；和（b）电化学活性材料，如硅纳米粒子，所述电化学活性材料与所述竖直叠堆的无序部分中的石墨烯片材接触。

本发明的又一方面提供了用于制备电极材料的方法，所述方法包括如下步骤：在足够高的酸浓度和足够长的暴露时间下，将经剥离的经氧化的石墨烯片材的悬浮体暴露于酸，以在经氧化的石墨烯片材中产生由碳空缺形成的缺陷孔；从所述悬浮体中移出所述经氧化的石墨烯片材；以及还原所述经氧化的石墨烯片材以形成具有分布于其中的无规分布的缺陷孔的石墨烯片材的竖直叠堆。

所述方法的一些实施方案也包括混合悬浮体中的经氧化的石墨烯片材与电化学活性纳米粒子，使得所述纳米粒子分散于所述石墨烯片材之间。在本发明的方法的这些实施方案中，当经氧化的石墨烯片材从悬浮体中移出并还原时，所得材料包括与复合材料整合的石墨区域的网络，所述石墨区域的网络包括石墨烯片材的竖直叠堆的结晶部分，所述复合材料包含所述石墨烯片材的竖直叠堆的无序部分和分散于所述竖直叠堆的无序部分中的石墨烯片材之间的电化学活性材料的纳米粒子，所述石墨烯片材具有分布于其中的无规分布的缺陷孔。

在阅读如下附图、具体说明和所附权利要求书时，本发明的其他主要特征和优点对于本领域技术人员将变得显而易见。

附图说明

本发明的示例性实施方案将在下文参照所附附图描述，在附图中同样的数字表示同样的元件。

图1为（A）由具有无规分布的二维缺陷孔的石墨烯片材制得的竖直叠堆和（B）包括无序部分的石墨烯片材的竖直叠堆的横截面示意图，其中Si纳米粒子设置于石墨烯片材与有序石墨烯片材的结晶部分之间。碳空缺形式的结构缺陷分布在三维网络中。每个虚线表示具有缺陷（deG）的单原子厚的石墨烯片材。每一组灰色线表示竖直叠堆的结晶部分。圆形表示夹在由黑色线表示的石墨烯片材的无序部分之间的Si纳米粒子。无序部分结构上连接至结晶部分，从而提供导电性和机械完整性。