[发明专利]一种基于石墨烯与高分子纤维的多功能复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种基于石墨烯与高分子纤维的多功能复合材料及其制备方法和应用。本发明以无纺布为骨架制得的表面富极性具有核壳结构的三维纤维导电网络产品，不仅可同时抑制硫正极中的穿梭效应以及缓解锂负极的枝晶生长问题进而提升锂硫电池整体性能，而且由于其高导电性和比表面积的特征，也可被应用于诸如电催化、微生物燃料电池、聚合物电极膜电解和金属空气电池领域发挥其优势。以无纺布纤维丝增强石墨烯片得到复合薄膜产品，具有柔性，且导热导电和电磁屏蔽性能显著，可以保证相关电子设备安全长效使用。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯与高分子纤维的多功能复合材料及其制备方法和在新能源汽车动力电池电极方面和散热、电磁屏蔽方面的应用。

背景技术

为缓解能源和环境压力，促进汽车产业转型升级，中国积极主动地推动新能源汽车的发展。作为全球最大的新能源汽车市场，预计到2025年，汽车产销规模将达到3500万辆，其中新能源汽车占比20%以上。巨大的发展空间创造了强劲的制造需求，针对发展中遇到的里程焦虑和安全性能需要新材料新技术提供有力支撑。

在关键部件中，高能量密度的动力电池是新能源汽车当前的迫切需求。目前三元层状锂离子电池材料是最具前景的高能量密度正极材料，发展方向主要有高镍及高压两个方向。受高电压电解液限制，高压三元材料短期无法批量应用。高镍正极材料组合硅基负极成为现阶段的折中妥协的主要技术路线。但是随着三元材料中镍含量增加，氧化性、不稳定性也随之增加。另外在提升能量密度而提高材料克容量时，电池的循环寿命、热量管理、安全性能将会恶化。再者属于密闭体系的锂离子电池，其能量提升空间存在瓶颈，因此未来将被其他新型电池替代。目前研究较热门的下一代动力电池具有全固态电池、锂硫电池、金属空气电池、燃料电池等。

锂硫电池高达2500 Wh/kg的理论能量密度，低成本、环境友好的优点使之在成为下一代动力电池上优势巨大。集流体作为电极的重要部件，对锂硫电池性能有重要影响。商用金属铜箔或铝箔集流体表面粗糙度低，与活性浆料之间结合强度低，非常不利于锂硫电池电化学性能发挥。近期研究发现采用三维多孔复合集流体可以改善锂硫电池的循环和倍率性能。其中三维多孔全碳复合集流体，因具有质量轻、耐腐蚀、柔性好、易加工的特点受到重视。实际的锂硫电池面临挑战：一方面，正极硫的绝缘性，较大的体积变化，多硫化锂的穿梭效应等，导致硫利用率不高和循环稳定性差；另一方面，负极锂在电化学过程中的低效率和不可避免的枝晶生长，导致了电池耐用性低和严重的安全问题。因此，为提升锂硫电池整体性能，需要同时对正极和负极的结构进行合理设计。目前专利技术往往只关注单一电极性能的改善，很少以锂硫电池整体的视角来提供一体化解决方案。

随着新能源汽车网络化智能化发展，高集成和高功率电子器件数量急剧增加，其中的产热不容忽视，热量积累所产生的高温热点不仅影响器件寿命也会部件降低性能，并且相邻的电子设备也容易受到附近器件的影响，为保证整车可靠稳定运作，其中所应用的电磁屏蔽和散热材料至关重要。然而目前已有专利或者只是在单项功能上的占优，或者力学性能上欠佳，不能同时具有高导热导电和电磁屏蔽的双功能及优异力学性能。

发明内容

本发明旨在提供一种石墨烯与高分子纤维的多功能复合材料的产品，其制备方法以及该产品在新能源汽车动力电池电极方面和散热、电磁屏蔽方面的应用。

本发明提供了一种石墨烯与高分子纤维的多功能复合材料，即一种基于石墨烯、无纺布纤维织物和杂原子前驱体的三维纤维导电网络产品的制备方法，包括以下步骤：

（1）将无纺纤维布清洗干净备用；

（2）将石墨烯分散在水溶液中充分超声处理；

（3）将前驱体有机物溶于水中充分搅拌混合；

（4）将步骤（2）和（3）所述的的分散液搅拌再超声处理，得到混合液；

（5）将步骤（1）所述洁净的无纺纤维布浸渍于步骤（4）所述混合液中，充分自组装；

（6）干燥后高温碳化处理。