[发明专利]石墨烯/铝箔复合集流体、其制备方法、电化学电极及电化学电池或电容器

说明书

技术领域

本发明涉及新材料合成制备领域，特别是涉及一种石墨烯/铝箔复合集流体及其制备方法和电化学电极。本发明还涉及一种电化学电池或电容器。 

背景技术

集流体是一种汇集电流的结构或零件，主要功能是将电池活性物质产生的电流汇集起来，提供电子通道，加快电荷转移，提高充放电库伦效率，作为集流体需要满足电导率高、机械性能好、质量轻、内阻小等特点。 

石墨烯是2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)等发现的一种二维碳原子晶体，由于其独特的结构和光电性质使其成为碳材料、纳米技术、凝聚态物理和功能材料等领域的研究热点，吸引了诸多科技工作者。石墨烯拥有优良的导电、导热性能和低的热膨胀系数，可用于电极材料、复合材料等。 

目前，锂离子电池正极集流体一般采用铝箔，负极集流体采用铜箔等金属集流体，在充电过程中，金属集流体直接接触电解液，因此，正负极集流体较易发生腐蚀现象；另外，金属集流体与活性物质粘附不牢，界面很难紧密结合，影响了电极材料的利用率并增大了接触电阻；此外，锂离子与铝箔会发生嵌锂反应，破坏铝箔，从而导致集流体稳定性与寿命降低。目前比较常用的解决这一现象的方法是在金属集流体表面涂覆导电碳层来降低接触电阻，但仍然不能阻止嵌锂反应的发生，且涂覆导电碳层技术复杂，成本高，因此，急需寻求一种不易被腐蚀，与电极活性材料有良好相容性的集流体。 

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提供一种石墨烯/铝箔复合集流体及其制备方法，该方法制得的石墨烯/铝箔复合集流体，与电池活性材料之间的接触内阻小，从而可降低电化学电池或电容器的内阻，提高其功率密度，且石墨烯可避免铝箔与电解液直接接触，从而提高电化学电池或电容器的循环稳定性与寿命。本发明还相应提供了一种电化学电极，以及一种使用该电极的电化学电池或电容器。 

第一方面，本发明提供了一种石墨烯/铝箔复合集流体的制备方法，包括以下步骤： 

取氧化石墨，加入到溶剂中，超声分散0.5~1h后，得到氧化石墨烯悬浮液，将所述氧化石墨烯悬浮液的PH值调节至10~11，加入水合肼溶液，在80~120℃温度下反应12~24小时，抽滤，得到石墨烯，将所述石墨烯加入到有机溶剂中，得到石墨烯悬浮液； 

将所述石墨烯悬浮液涂布在经清洗干燥处理的铝箔上，在60~100℃下干燥1~12小时后，多次对辊压制，用所述有机溶剂浸泡10~60min后，再继续多次对辊压制，得到石墨烯/铝箔复合集流体。 

优选地，铝箔的厚度为5~50μm；更优选地，铝箔的厚度为10~20μm。 

优选地，铝箔的清洗干燥处理操作为：将铝箔依次置于丙酮、乙醇、去离子水中超声处理20~30min后，在55℃下干燥，再用0.1mol/L的醋酸溶液浸泡0.5~3min，真空干燥，隔绝氧气。 

将铝箔进行酸清洗，除去氧化层后，铝箔将形成比较粗糙的表面，这样有利于后续石墨烯的压制。 

优选地，溶剂为去离子水、乙醇、异丙醇或正丁醇。 

优选地，氧化石墨烯悬浮液的浓度为0.25~1mg/mL。 

优选地，有机溶剂为二甲基亚砜（DMSO）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）。 

优选地，有机溶剂占所述石墨烯悬浮液总质量的10~30%。 

其中，将氧化石墨烯悬浮液的PH值调节至10~11，可采用缓慢加入0.1mol/L的氢氧化钠溶液、氨水溶液或氢氧化钾溶液实现。 

水合肼溶液的加入，可以将氧化石墨烯还原成石墨烯。 

优选地，以N₂H₄质量计，所述水合肼溶液的质量浓度为85%，所述水合肼溶液按N₂H₄与所述氧化石墨的质量比为1~7：10加入。 

还原反应完毕后，得到的反应液中，含有未反应完的水合肼，抽滤操作可将其除去，得到石墨烯。将抽滤后所得的石墨烯加入到有机溶剂中，便得到石墨烯悬浮液。