[发明专利]一种电化学储能器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于储能技术领域，特别涉及一种电化学储能器件及其制备方法。

背景技术

自从1991年，碳材料创造性的运用于锂离子电池领域，并带来该领域革命性的变化——高效而安全的进行多次充放电后，其便被广泛的运用于移动电话、摄像机、笔记本电脑以及其他便携式电器上。与传统的铅酸、Ni-Cd、MH-Ni电池相比，锂离子电池具有更高的比体积能量密度、比重量能量密度、更好的环境友好性、更小的自放电以及更长的循环寿命等，是二十一世纪理想的移动电器电源、电动汽车电源以及储电站用储电器。

然而随着生活品味的提高，人们对移动用电器提出了更高的体验需求：更轻、更薄、更小、更持久、更安全便是这些体验具有代表性的几个方面，而更持久又是其中最重要的体验之一。这就对储电器(电池)提出了更高的能量密度需求，而选择性能更加优良的负极活性物质制备电池，能够显著的提高电池的性能。

2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)等采用机械剥离法首次制备得到石墨烯(Graphene)，由此拉开了该材料制备、运用研究的序幕。所谓石墨烯，是指碳原子之间呈六角环形排列的一种片状体，通常由单层或多层石墨片层构成，可在二维空间无限延伸，可以说是严格意义上的二维结构材料。其具有比表面积大、导电导热性能优良、热膨胀系数低等突出优点：具体而言，高的比表面积(理论计算值：2630m²/g)；高导电性、载流子传输率(200000cm²/V·s)；高热导率(5000W/mK)；高强度，高杨氏模量(1100GPa)，断裂强度(125GPa)。因此其在储能领域、热传导领域以及高强材料领域具有极大的运用前景。

具体来说，由于石墨烯具有较高的比容量(500mAh/g以上)且本身的质量极轻，因此能够有效的降低负极材料的用量，提高电池的能量密度。然而，石墨烯本身的二维结构，极大的限制了锂离子在垂直于石墨烯片层方向上的扩散，从而限制了石墨烯作为锂离子电池负极活性物质时性能的发挥。

有鉴于此，确有必要开发一种新的电化学储能器件，其不仅能够运用到石墨烯比容量大的特点，还能解决石墨烯二维平面结构对离子在垂直于石墨烯片层方向上传输的阻碍。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供的一种电化学储能器件：包括正极片、负极片、隔离膜、电解质和外封装材料，所述负极片由集流体和涂层组成，所述涂层厚度为h1，包括活性物质和粘接剂；其特征在于，所述活性材料至少含有石墨烯，所述石墨烯的平均片层厚度为a，片层平面具有多孔结构，孔间距(相邻两孔的孔边缘之间的距离)为d，则d×(h1/a)≤50mm。该储能器件使用了多孔石墨烯作为负极活性物质，且有效的将电极厚度、石墨烯片层厚度以及石墨烯片层上孔间距(相邻两孔孔边缘距离)关联起来，得到性能优良的储能器件。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电化学储能器件，包括正极片、负极片、隔离膜、电解质和外封装材料，所述负极片包括负极集流体和负极涂层，所述负极涂层厚度为h1，并且所述负极涂层包括负极活性物质和粘接剂；所述负极活性物质至少含有石墨烯，所述石墨烯的平均片层厚度为a，且所述石墨烯的片层平面具有多孔结构，相邻两孔的孔边缘的平均距离(平均孔间距)为d，且d×(h1/a)≤50mm。

作为本发明电化学储能器件的一种改进，所述石墨烯包括石墨烯、改性石墨烯和石墨烯复合物中的至少一种；所述改性石墨烯为接枝有官能团的石墨烯，官能团位羧基、羟基等；所述石墨烯复合物为石墨烯与其他功能性材料的复合物，所述功能性物质包括催化剂、电极活性物质、导热材料、导电材料和填料中的至少一种；所述催化剂是一种改变反应速率但不改变反应总标准吉布斯自由能的物质，例如作为苯酚与甲醛反应合成酚醛树脂的催化剂氢氧化钠、作为氯酸钾生成氯化钾和氧气的催化剂二氧化锰等；所述电极活性物质为具有电化学容量的物质，例如硅、石墨、钴酸锂、硫等；导热材料为具有良好导热性能的材料，如金属铜等；导电材料为具有良好导电性能的材料，例如碳纳米管、银等；填料是作为辅助组分的材料。