[发明专利]具有连续流程的石墨烯系电池电极

说明书

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

本发明在美国能源部授予的合约DE-AC0576RL01830的政府资助下作出。美国政府对本发明享有一定的权利。

优先权

本发明要求2011年1月1日提交的题为“Graphene-based Battery Electrodes Having Continuous Flow Paths”的第13/004,138号美国专利申请的优先权。

背景

在所有可以作为储能设备基础的不同的电化学对（electrochemical couple）中，金属-空气体系可以呈现出最大的理论比能。例如，锂-空气体系可以呈现出11,972Wh/kg的理论比能。然而，金属-空气电池的电化学性能可能极大地取决于许多因素，包括碳系空气电极的特性。虽然已经开发各种纳米构造的碳材料以试图改进金属-空气储能设备，但是该设备的实际容量、比能和倍率性能对于大多数储能应用而言是不足的。因此，需要改进的金属-空气储能设备。

概述

本发明包括具有包含石墨烯纳米片材的电极的电池，以及形成该电极的方法。在一个实施方案中，金属-空气电池的空气电极的特征为无规排列的石墨烯纳米片材，其形成限定穿过所述空气电极的连续流程的通道网络；以及通过该通道扩散的氧。在金属-空气电池中示例性的金属包括但不限于Zn、Na、Mg、Fe、Ca或Al。优选地，该金属包括Li。石墨烯纳米片材的长度、宽度或两者可均平均小于1μm。在具体的实例中，石墨烯纳米片材的长度、宽度或两者均平均小于30nm。

空气电极还可以包括与所述通道相邻的中孔，其中放电产物储存在该中孔中。在某些实施方案中，中孔体积可以通过使高度中孔的碳材料与石墨烯纳米片材混合而增加。优选地，所述碳材料自身具有大于1cc/g的中孔体积。放电产物储存在中孔中可以使通道的堵塞最小化以保持氧的流程。优选地，所述通道可以具有0.1至10μm的平均直径。在某些情况中，可以改性石墨烯纳米片材以提高性能。例如，在一个实施方案中，石墨烯纳米片材可以被氟化并且至少一部分电极可以包括氟化的石墨烯纳米片材(CF_x)。在具体的实例中，x可以为0.5至1.5。在另一个实施方案中，包括过渡金属或过渡金属氧化物的催化剂可以沉积在电极表面，如沉积在石墨烯纳米片材和/或中孔上。

上述和本文其他处所述的金属-空气电池的实施方案可以具有大于或等于5000mAh/g活性物质（即，石墨烯/碳）的比容量。

在本发明一个具体的实施方案中，锂-空气电池具有大于或等于5000mAh/g活性物质的比容量并且具有包括石墨烯的空气电极。空气电极包括无规排列的石墨烯纳米片材，其形成限定穿过所述空气电极的连续流程的通道网络，氧气在该通道中扩散。空气电极还包括与石墨烯纳米片材混合的碳材料，其中该碳材料具有大于1cc/g的中孔体积。空气电极还可以包括作为催化剂沉积于电极表面（如石墨烯纳米片材和/或中孔）上的过渡金属或过渡金属氧化物。在一些优选的实施方案中，所述通道具有0.1至10μm的平均直径。此外，至少一部分电极可以包括氟化的石墨烯纳米片材(CF_x)。

虽然本发明的某些方面特别适用于金属-空气电池，但是本发明并不必然限于金属-空气电池。例如，某些实施方案涵盖了金属电池或金属离子电池。其他实施方案涵盖了具有包括石墨烯的阴极和液体电解质的电池。类似于本文其他处所述的实施方案，阴极的特征为形成通道网络的无规排列的石墨烯纳米片材。在液体电解质的上下文中，通道限定液体电解质通过阴极的连续流程。在一种情况中，电池可具有包括锂的阳极。该阳极可以包括锂金属或锂系化合物。示例性的锂系阳极可以包括但不限于LiC₆、Li_xSi(x=0.5至4.4)、Li_xSn(x=0.5至4.4)、Li_xSnO₂和Li_xTiO_y和Li₅Ti₄O₁₂。在另一个实例中，电池为水性Li-空气电池。在某些实施方案中，石墨烯纳米片材的长度、宽度或两者可均小于1μm。更具体而言，石墨烯纳米片材的长度、宽度或两者均小于30nm。在其他实施方案中，石墨烯纳米片材被氟化并且至少一部分电极包括氟化的石墨烯(CF_x)。在某些情况中，x可以为0.5至1.5和/或电池可以构造为锂原电池或可充电锂电池。