[发明专利]可高度分散的石墨烯组合物、制备方法及含该可高度分散的石墨烯组合物的锂离子二次电池用的电极

说明书

技术领域

本发明涉及一种可高度分散、高导电性的石墨烯组合物及其制备方法、以及含该石墨烯组合物的锂离子二次电池。具体是涉及一种由于含硫脲而提高可分散性的石墨烯组合物，及一种由于包含该石墨烯为导电添加剂而赋予高导电性的锂离子二次电池用的电极。

背景技术

锂离子二次电池(以下又称锂离子电池)，与传统的镍-镉电池及镍金属氢化物电池比较，是一种高电压、高能量密度的二次电池，并可实现小型化、轻量化，因此被广泛地用于手机及笔记本个人电脑等信息相关的移动通信电子设备中。可以预见，锂离子二次电池搭载在电动车、混合型电动车等车载用途或在电动工具等产业用途方面的应用机会未来将进一步增加，同时也迫切要求能进一步提高容量和输出功率。

该锂离子二次电池是由下列组成：包含至少一种具有可逆地将锂离子脱离/嵌入的活性物质的正极与负极，隔离正极与负极的隔膜，以及配置有非水电解质液的容器。

正极是在铝等金属箔集电体上涂敷含有活性物质、导电添加剂及粘合剂并加压成型制得。作为现有的正极活性物质，比较常用的是锂和过渡金属的复合氧化物(之后，称为锂金属氧化物)粉末，如：钴酸锂(LiCoO₂)、镍酸锂(LiNiO₂)、锰酸锂(LiMnO₂)、将钴部分换为镍、锰的三元系(LiMn_xNi_yCo_1-x-yO₂)、尖晶石型锰酸锂(LiMn₂O₄)等。由于这些材料包含所谓的稀土元素，在成本及稳定供应方面稍逊一筹。近几年，安全性较高的橄榄石系(磷酸系)受到关注，特别是含铁(资源丰富且价格低廉)的磷酸铁锂(LiFePO₄)开始实用化。再者，具有高输出能量的磷酸锂锰(LiMnPO₄)作为新一代活性物质亦受到关注。另外，V₂O₅等的金属氧化物及TiS₂、MoS₂、NbSe₂等的金属化合物也被利用。

此外，负极与正极一样，是在铜等金属箔集电体上涂覆含有活性物质、导电添加剂及粘合剂并加压成型制得。作为负极的活性物质，一般使用金属锂，Li-Al、Li-Sn等锂合金，SiO、SiC、SiOC等作为基本构成元素的硅化物，掺杂有锂的聚乙炔或聚吡咯等导电性高分子，将锂离子并入结晶中的夹层化合物，天然石墨、人造石墨、硬碳等碳材料及其类似物。

在这些正极、负极的构成中，导电添加剂的作用在于获得从活性物质到集电体的有效导电通道，是锂电池的电极中重要的构成材料。

但是，当导电添加剂的含量高时，每电极重量的电池容量则降低。因此，导电添加剂的量应尽可能少为好，需要使用量较少时也能确保导电的高导电性的导电添加剂。另外，近几年，有许多活性物质虽然容量高但由于导电性低而未实现实用化，例如：橄榄石系的正极活性物质及固溶体系活性物质等。在这方面，也需要高导电性的导电添加剂。

作为导电添加剂使用的传统材料，可列举出包括乙炔黑、科琴黑(ketjen black)等材料。这些材料价格低廉且具有适当的分散性，但是由于结晶性低、其导电性低于石墨等，需要大量添加。

另一方面，考虑到石墨烯具有高导电性、高的宽厚比(high aspect ratio)的形状、及单位重量下具有大量颗粒数，故作为导电添加剂具有优势。

石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶体，2004年被发现以来一直受到关注。石墨烯具有优良的电、热、光学及机械特性，并在诸如电池材料、储能材料、电子元器件、复合材料等领域中有广泛应用的可能性。若将石墨烯的潜力发挥出来，以石墨烯为导电添加剂可能制备出一种具有高容量、高输出的锂离子电池电极。

石墨烯的制备方法有机械剥离法、化学气相沉积法、结晶外延成长法与氧化还原法等。前三种方法(机械剥离法、化学气相沉积法及结晶外延成长法)生产性低、大量生产比较困难。另一方面，氧化还原法因具有可大量生产的优势及具有易化学改性的特点而受到关注。

现有的氧化还原法，是以热还原法或使用肼类及其它有机物为还原剂的方法，将氧化石墨烯还原制备石墨烯。

石墨烯是一种纳米碳，通常难以分散。因此，要有效利用石墨烯作为锂电池用的导电添加剂，将石墨烯进行良好地分散的技术是必不可少的。