[发明专利]石墨烯锂离子电容器

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯锂离子电容器，其通过使用石墨烯材料而表现出高能量和高输出性能。

背景技术

电容器是指通过预先储电而可以充入预定电容的电子器件。现存多种电容器，不过特别的是，将电容器的各性能中使电容性能得到强力加强的电容器称为超级电容器。对超级电容器已经进行了持续的研究，并且已经报道了多种超级电容器。

现有锂离子电容器包括用于电双层电容器(EDLC)的阳极(cathode)和用于锂二次电池的阴极(anode)，并具有高工作电压和大电容的特性。因此，已知的是，与电双层电容器相比，锂离子电容器的能量密度优异。

不过，已知锂离子电容器具有以下问题。

首先，锂离子电容器的能量密度特性大部分依赖于额定电压和额定下限电压条件下阳极的比电容，而且应用为锂离子电容器阳极材料的活性炭材料的比电容有限制(至多为约100F/g)，由此限制了锂离子电容器的能量密度特性的改善。

其次，锂离子电容器的输出密度受阳极和阴极中输出特性相对较差的电极的限制，并且应用为阴极材料的石墨材料显示出相对较低的输出特性，由此限制了锂离子电容器整体的输出密度的改善。

这些问题由于锂离子电容器中使用的活性炭材料和石墨材料的特性而出现，由此，只要使用相同材料作为锂离子电容器用材料，这些问题就是难以克服的。因此，已经持续研究了各种尝试以克服锂离子电容器的上述问题。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于提出一种电容器，其结构与现有技术的电容器不同。

本发明的另一目的在于提出一种电容器，其能量密度由于提供了比现有技术的电容器更大的比表面积而得到改善。

为实现这些和其他优势并根据本发明的目的，如本文实施并广义描述的，本发明的一个示例性实施方式提供了一种石墨烯锂离子电容器，其包括：部分或全部由石墨烯材料形成的阳极和阴极；锂牺牲电极，其与阴极电连接以向该阴极提供预掺杂的锂离子；位于阳极和阴极之间的分离膜(separator)；和以离解为离子的状态与阳极和阴极结合的电解质，以在阳极和阴极之间流过电流，其中，该阴极由多层结构形成以将由锂牺牲电极提供的锂离子吸附至其表面，并容纳插入在石墨烯层之间的锂离子，并且所述表面和所述多层结构的至少一部分通过与锂离子反应而由锂碳化物形成。

根据本发明涉及的一个示例性实施方式，阴极可以通过层叠2～500层的石墨烯层形成，以形成所述多层结构。

根据本发明涉及的另一示例性实施方式，阴极可以由其中石墨烯材料与异质材料混合的复合材料形成，并且该异质材料可以是选自由以下材料组成的组中的至少一种：a)与锂离子反应形成锂金属合金的金属材料；b)与锂离子反应形成锂金属氧化物的金属氧化物；c)与锂离子反应形成锂硫化物的硫化物；和d)与锂离子反应形成锂氮化物的氮化物。

根据本发明涉及的另一示例性实施方式，锂牺牲电极可以与阴极的石墨烯材料电连接以形成原电池，并且可以通过电化学反应离解为锂离子，以向该阴极提供预掺杂的锂离子。

根据本发明涉及的另一示例性实施方式，锂牺牲电极可以与阴极的石墨烯材料电连接，并且可以通过外部施加的电压和电流而离解为锂离子，以向该阴极提供预掺杂的锂离子。

根据本发明涉及的另一示例性实施方式，锂牺牲电极可以通过相比于电容器的其他区域在该锂牺牲电极局部形成的高温环境而离解为锂离子，以向该阴极提供预掺杂的锂离子。

根据本发明涉及的另一示例性实施方式，锂牺牲电极可以借助注入电容器的增溶剂而离解为锂离子，以向阴极提供预掺杂的锂离子，并且该增溶剂可以由向锂离子提供电子的有机分子构成。

增溶剂可以是选自由以下化合物组成的组中的单分子化合物或其组合：a)包含C、N、O、Si、P或S异质元素的5元或6元单环化合物；b)环中至少两个环彼此连接的多环化合物；和c)环中至少两个环共用至少一个元素的多环化合物。

根据本发明涉及的另一示例性实施方式，阳极可以由比表面积为100m²/g以上的石墨烯材料形成。

根据本发明涉及的另一示例性实施方式，阳极的至少一部分可以以起皱或折皱的形式形成，以防止比表面积由于石墨烯层的再层叠而降低。

根据本发明涉及的另一示例性实施方式，阳极可以包括在石墨烯层之间插入的间隔物(spacer)以防止比表面积由于石墨烯层的再层叠而降低，并且该间隔物可以由碳材料形成，以保持阳极的导电性同时防止石墨烯层再层叠。

间隔物可以是选自由碳纳米管、碳纳米纤维和炭黑组成的组中的至少一种。