[发明专利]含石墨烯的电化学装置结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种电化学装置，尤指一种包含有石墨烯的电化学装置。

背景技术

单层石墨，又称为石墨烯(graphene)，是一种由单层碳原子以石墨键(sp2)紧密堆积成二维蜂窝状的晶格结构，因此仅有一个碳原子的厚度，石墨键为共价键与金属键的复合键，可说是绝缘体与导电体的天作之合。2004年英国曼彻斯特大学Andre Geim与Konstantin Novoselov成功利用胶带剥离石墨的方式，证实可得到单层的石墨烯，并获得2010年的诺贝尔物理奖。

石墨烯是目前世界上最薄也是最坚硬的材料，导热系数高于奈米碳管与金刚石，常温下其电子迁移率亦比奈米碳管或硅晶体高，电阻率比铜或银更低，是目前世界上电阻率最小的材料，这些独特的电荷机械性质使得加入石墨烯的复合材料更多功能化，不但表现出优异的力学及电学性能，还具有优良的加工性能，为复合材料提供了更广阔的应用领域。但是结构完整的石墨烯是由不含任何不稳定键的苯六元环组合而成的二维晶体，化学稳定性高，其表面呈惰性状态，与其它介质(如溶剂等)相互作用较弱，且石墨烯的片与片之间存在较强的凡得瓦力，容易产生团聚，使其难溶于水以及其它常用的有机溶剂，更难与其它材料掺混形成复合材料，因而大大限制了石墨烯的进一步研究与应用，过去多以其它石墨类或碳类材料作为复合材料应用。

美国专利US20090325071揭露一种阳极具有石墨烯作为其电流收集层的锂离子电化学装置，此装置包含正极、负极以及电解液。其电化学装置的阳极以金属(铜、镍或不锈钢)箔片作为电流收集层的基材，以化学气相沉积法(CVD)于金属箔片上沉积石墨烯层，形成阳极电流收集层。此专利的金属箔片其厚度为10nm-10um，其化学气相沉积的温度为300℃～600℃。

美国专利US20130095389揭露一种其正极和负极电流收集层皆具有石墨烯层的电化学装置，此装置包含正极电流收集层、正极活性材料、电解液、负极活性材料和负极电流收集层。此装置的正极电流收集层，其基材为15um的铝箔；负极电流收集层，其基材为10um的铜箔。此专利以喷涂的方式，将石墨烯喷涂于金属箔片上，形成具有石墨烯层为1um的电流收集层，再于具有石墨烯层的电流收集层上，涂布正极和负极活性材料。此专利中指出，具有石墨烯层的电流收集层，其电化学装置的能量密度将有所增加，并且于大量制造时可降低其成本。

前述的现有技术中皆着眼于改善电化学装置中的电流收集层，藉由石墨烯层的加入增进电流收集层的导电性，然而电化学装置的效率瓶颈通常为正负极材料导电性不佳，以及各结构层之间的兼容性不佳导致界面电阻过高因而影响电化学装置的表现，真正要改善电化学装置的效率瓶颈，应从上述两处着手。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种含石墨烯的电化学装置结构，以作为形成电池／电容器的前躯体，该含石墨烯的电化学装置结构包含正极电流收集层、正极活性物质层、负极电流收集层、负极活性物质层，以及隔离膜。正／负极活性物质层分别形成在正／负极电流收集层上，并反向设置，在中间以隔离膜隔离，正／负极电流收集层都还有一金属箔基层及一石墨烯导电层，石墨烯导电层包含多个石墨烯片及一高分子黏结剂，藉由高分子黏结剂将所述石墨烯片黏附于该金属箔基层上。

正／负极活性物质层包含多个第二石墨烯片及多个正／负极活性粒子，所述第二石墨烯片及多个正／负极活性粒子利用高分子黏结剂而黏附于该石墨烯导电层上，且第二石墨烯片掺杂于所述正／负极活性粒子之间。

藉由添加石墨烯于石墨烯的电化学装置结构，不仅使正负极活性材料的导电性增加，其电流收集层因具有石墨烯层，使得正负极活性材料与金属箔片之间的兼容性提高，其界面电阻值降低，形成一完整的导电网络，且电化学装置的组件性能可大幅提升。

附图说明

图1为本发明含石墨烯的电化学装置结构的剖面示意图。

图2为本发明正／负极电流收集层的剖面示意图。

图3为本发明第一／第二石墨烯导电层的俯视示意图。

图4为本发明正／负极活性物质层的俯视示意图。

其中，附图标记说明如下：

1   含石墨烯的电化学装置结构

10  正极电流收集层

11  第一金属箔基层

13  第一石墨烯导电层

20  正极活性物质层

30  负极电流收集层

31  第二金属箔基层

33  第二石墨烯导电层

40  负极活性物质层

50  隔离膜