[发明专利]一种石墨烯增强的一体化电极及其制备方法和电池

说明书

技术领域

本发明涉及电池技术领域，特别是涉及一种石墨烯增强的一体化电极及其制备方法和电池。

背景技术

商业化锂电池电极材料由于具备结构稳定、易加工、循环稳定等多种优点，已经在便携电子设备、电动车和储能领域得到广泛应用。然而，目前应用成熟的电极材料的理论比容量较低，如负极石墨理论值372mAh/g，正极磷酸铁锂材料170mAh/g，商用产品能量密度已接近其理论极限，寻找下一代高能电极材料，成为当务之急。

目前，对于高能电极材料的研究主要分为两类，一类是基于现有电极材料的改性优化，如元素掺杂、晶型调控、粒度优化、材料复合等，具有成本低、加工型强等优点，然而此类方法没有改变现有材料的储能机制，对材料整体能量密度提升有限；另一类是具有全新储能机制的电极材料，包括合金、金属氧化物、硫化物等，这类材料具有较高的理论容量、良好的嵌入/脱出能力，例如纯硅材料做负极，理论容量达4200mAh/g，约是石墨负极的十倍，单质硫做正极，理论容量达1675mAh/g，约是磷酸铁锂正极的十倍。但是此类材料在充放电过程中存在严重的体积变化(硅膨胀约300％，硫膨胀约76％)，而传统导电剂、粘结剂的体积应变系数小，集流体延展性有限，电极材料与集流体间工艺为传统镀层或涂覆方式，导致高膨胀的电极材料产生的结构应力集中在与集流体接触的单层表面。如图1所示，使用传统集流体的条件下，涂覆工艺中应力优先释放于垂直向，造成电极材料从集流体上剥离而脱膜；镀层薄膜工艺中应力优先释放于水平向，造成集流体横向被拉伸而发生褶皱变形，图中11为集流体，12为电极材料层。这些界面应力集中带来的问题使电极材料本身的电化学性能无法发挥，削弱了此类材料的高容量优势。

由此可见，传统电极集流体及电极制备工艺已明显不能与这类具有高膨胀系数的电极材料相匹配。

发明内容

鉴于此，本发明第一方面提供了一种石墨烯增强的一体化电极，该一体化电极为导电材料线性结构体、活性材料线性结构体和石墨烯构成的一体化三维线性网络整体，该一体化电极可有效改善电极活性材料与集流体间的应力界面，具有高能量密度和高循环稳定性。

具体地，第一方面，本发明提供了一种石墨烯增强的一体化电极，包括导电材料线性结构体、活性材料线性结构体、以及原位生长在所述导电材料线性结构体和/或所述活性材料线性结构体表面的石墨烯层，所述导电材料线性结构体和所述活性材料线性结构体在三维空间内相互穿插形成线性网络结构，所述石墨烯层将所述导电材料线性结构体和所述活性材料线性结构体连接在一起构成一体化三维线性网络整体，所述一体化三维线性网络整体具有网络间隙，所述导电材料线性结构体为具有电子收集作用的集流体材料，所述活性材料线性结构体为可通过脱嵌离子进行能量存储的材料。

所述一体化三维线性网络整体中，网络间隙体积占比为2％-50％。进一步可选地为5％-35％、10％-25％。

其中，所述导电材料线性结构体包括导电金属线性结构体、导电金属化合物线性结构体、含掺杂元素的导电金属线性结构体和含掺杂元素的导电金属化合物线性结构体中的一种或多种。

具体地，所述导电金属线性结构体包括镁线性结构体、铬线性结构体、钼线性结构体、钨线性结构体、锰线性结构体、锝线性结构体、铼线性结构体、锇线性结构体、钴线性结构体、铑线性结构体、钯线性结构体、铜线性结构体、银线性结构体、金线性结构体、锌线性结构体、锡线性结构体、铝线性结构体、镍线性结构体、铁线性结构体、铂线性结构体、铱线性结构体和钌线性结构体中的一种或多种。所述导电金属化合物线性结构体包括导电金属氧化物线性结构体、导电金属碳化物线性结构体、导电金属硫化物线性结构体、导电金属氯化物线性结构体、导电金属氟化物线性结构体、导电金属磷化物线性结构体和导电金属硼化物线性结构体中的一种或多种。所述掺杂元素包括铂、钌、铁、钴、金、铜、锌、铝、镁、钯、铑、银、钨、碳、氮、氧、氟、硅、磷、硫和氯中的一种或多种。

其中，所述离子包括锂离子、钠离子、钾离子、镁离子和铝离子中的一种。

所述活性材料线性结构体包括金属线性结构体、无机非金属线性结构体、氧化物线性结构体、氮化物线性结构体、硼化物线性结构体、硫化物线性结构体、氯化物线性结构体和富锂化合物线性结构体中的一种或多种。