[发明专利]石墨烯改性锂材料的制备方法以及石墨烯改性锂材料

说明书

本发明提供一种石墨烯改性锂材料的制备方法以及石墨烯改性锂材料，制备方法包括以下步骤：将石墨烯材料与锂金属片层叠放置，石墨烯材料中的石墨烯与锂金属片接触，通过转印的方式使石墨烯与锂金属片结合，对锂金属片进行改性，其中石墨烯材料中石墨烯的厚度为0.2nm～5nm。通过在锂金属片表面形成一层超薄的均匀石墨烯膜，既有效避免了电解液与锂金属片的直接接触，又无需添加粘结剂就达到了在锂金属片上形成了钝化膜的效果。上述改性工艺还不影响锂金属片的导电性与均匀性，石墨烯改性锂材料中石墨烯修饰层的厚度非常小，不会造成电池的能量密度损失，可以抑制锂枝晶的形成，提高了锂金属片作为电池负极材料的循环稳定性和电化学性能。

技术领域

本发明涉及金属材料改性技术领域，特别是涉及一种石墨烯改性锂材料的制备方法以及石墨烯改性锂材料。

背景技术

锂离子电池在便携式电子设备以及电动汽车领域已经得到广泛应用，成为人们日常生活中不可缺少的能量存储器件。但受困于锂离子电池能量密度的限制，便携式电子设备的使用时间、电动汽车的行驶里程等还依然难以满足人们的实际需求。目前，以石墨为负极的锂离子电池体系的能量密度已经接近理论容量，且石墨负极理论比容量仅有372mAh/g，因此发展高比能量电池负极材料成为了当务之急。金属锂的理论比容量高达3860mAh/g，是现有已知材料种质量比能量最高的电极材料之一，且金属锂负极具有金属族最低的密度(0.59g/cm³)和最低的电化学电势(-3.04V)，被认为是最有潜力的负极材料。但是金属锂负极在充放电循环过程中会有枝晶形成，这会导致“死锂”的产生，破坏固态电解质薄膜(SEI膜)，不仅会使电池的循环效率降低，还会刺破隔膜，产生严重的安全隐患。不仅如此，在充放电循环过程中，金属锂还伴随着剧烈的体积膨胀，这也导致金属锂负极不稳定，造成安全问题。在研究人员的研究下，金属锂负极材料的安全性和循环性能都有了很大的进步，主要有优化电解液、调控集流体结构和改性锂负极三个方面。优化电解液主要是通过调节电解液的溶剂或者加入添加剂来改善SEI膜的物理化学性能，从而提高电池的性能，但是该方法会影响电池的其他性能，如电化学窗口、放电比容量等；调控集流体结构主要是通过对集流体表面进行包覆或者制备三维多孔集流体的方式，缓解锂枝晶的生长，但是这种方法难以实现大规模应用，因此，直接改性锂负极是目前最直接可行的方式。

目前直接改性锂负极主要有对金属锂负极进行表面包覆、制备复合金属锂负极以及制备金属锂合金三种方式。对金属锂负极进行表面包覆可以利用磁控溅射或是等离子体辅助电子束蒸发等方式，在金属锂表面上镀膜，形成的薄膜致密且均匀，但是该方法难以大规模使用；复合金属锂电极通常采用熔融法，将金属锂灌入3D或其他结构的宿主材料中，但是该方法灌入的金属锂分布不均匀，一致性差，且对宿主材料要求高；锂合金电极是用锂合金代替纯金属锂负极材料，降低锂和电解质的反应活性，提高电解/电解液的界面稳定性，但是锂合金在降低金属锂活性的同时也降低了电池的电压，合金材料的引入也降低了电极的质量比容量。

发明内容

基于此，为了减少对改性后的锂材料的影响，提高改性锂材料作为电极材料的电池性能，有必要提供一种石墨烯改性锂材料的制备方法以及石墨烯改性锂材料。

本发明提供一种石墨烯改性锂材料的制备方法，包括以下步骤：

将石墨烯材料与锂金属片层叠放置，石墨烯材料中的石墨烯与锂金属片接触，通过转印的方式使石墨烯与锂金属片结合，对锂金属片进行改性，其中所述石墨烯材料中石墨烯的厚度为0.2纳米～5纳米。

在其中一个实施例中，所述石墨烯的厚度为0.4纳米～4纳米。

在其中一个实施例中，所述石墨烯材料是附着在基膜上以化学气相沉积的方式制备的石墨烯，所述基膜选自聚对苯二甲酸乙二醇酯膜和热释放胶带膜中至少一种。

在其中一个实施例中，所述石墨烯中掺杂原子的原子百分比为0％～40％；和/或

所述掺杂原子选自氮、磷、硼、硫和氧原子中的至少一种。