[发明专利]石墨烯复合负极集流体及其制备方法、锂离子电池

说明书

技术领域

本发明属于电化学电源技术领域，具体是涉及一种石墨烯复合负极集流体及其制备方法、锂离子电池。

背景技术

集流体是一种汇集电流的结构或零件，主要功能是将电池活性物质产生的电流汇集起来，提供电子通道，加快电荷转移，提高充放电库伦效率。作为集流体需要满足电导率高、机械性能好、质量轻、内阻小等特点。

作为集流体，需要质量轻，因为电池的能量密度的影响因素主要有电极材料的容量、体系的电压以及电极材料占电极活性物质层、集流体、外壳材料组成的总重量的比重。因此，增加电极材料的储能性能和降低器件各个组成材料的重量可以有效提高器件的性能。其中，降低集流体的质量是一个有效的提高能量密度的方法。另外，作为集流体使用时，需要其不能够嵌锂，因为一旦集流体中嵌锂，其为不可逆的，则大大降低了整个电池的容量以及其循环性能；由于集流体表面承载电极活性物质并接触电解液，需要其在电解液中具有稳定性。若其在电解液较易腐蚀和溶解，则会导致其与电极活性物质之间的接触电阻显著增大，影响电池的功率密度，电解液被污染，影响电池的寿命。

目前，大多数的文献中或行业中，一般集流体正极采用铝箔、负极采用铜箔。由于金属集流体的密度较大，质量较重，一般集流体的重量占整个电池的20～25%，则电极材料占整个电池的比重大大减少，最终导致电池的能量密度较低。同时，金属材料容易被腐蚀，进而影响了电池的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种质量轻，不嵌锂，且不易被腐蚀的石墨烯复合负极集流体。

本发明的另一目的在于提供一种工艺简单，效率高，易于操作和控制的石墨烯复合负极集流体的制备方法。

本发明的再一目的在于提供能量密度高，使用寿命长的锂离子电池。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种石墨烯复合负极集流体，其包括石墨烯薄膜层和结合在所述石墨烯薄膜层表面的金属氧化物层，所述金属氧化物层中的金属氧化物为Cr₂O₃、MnO₂、V₂O₅或TiO₂中的至少一种。

以及，一种石墨烯复合负极集流体的制备方法，包括如下步骤：

将石墨烯悬浮液采用微孔滤膜真空过滤，将滤饼干燥后分离微孔滤膜，得到石墨烯薄膜；

将所述石墨烯薄膜作为工作电极，置于含有浓度为0.25～0.5mol/L的金属盐的碱性电解液中，在电流密度为0.5～3mA/cm²的恒电流作用下电沉积5～10min；其中，所述金属盐为含Cr离子的金属盐、Mn离子的金属盐、Ti离子的金属盐或VO₃离子的金属盐中的至少一种；

将经电沉积后的石墨烯薄膜洗涤、干燥后，置于充满惰性的气体的环境中并在400～800℃的温度下还原2～8小时，冷却，得到所述石墨烯复合负极集流体。

本发明还提供了一种锂离子电池，该锂离子电池包括依次层叠的正极、电池隔膜和负极，所述负极的集流体为上述石墨烯复合负极集流体。

上述石墨烯复合负极集流体以石墨烯薄膜层作为基体，有效增强了该石墨烯复合负极集流体的机械强度，降低了其重量，同时还使得该石墨烯复合负极集流体具有优异的导热性能和导电性能，且化学稳定，不易腐蚀，使用寿命长。在该石墨烯薄膜层表面结合的金属氧化物层能有效的保护锂离子不嵌入石墨烯薄膜层中，避免导致不可逆容量的产生，进而提高容量。

上述石墨烯复合负极集流体的制备方法只需先制备石墨烯薄膜，然后采用电沉积法在该石墨烯薄膜表面电沉淀一层金属氧化物，其工艺简单，条件易控，对设备要求低，生产效率，生产成本低，适于工业化生产。另外，采用电沉积法，使得金属氧化物直接沉积在石墨烯薄膜表面，使得生成的金属氧化物层厚度均匀，并与石墨烯薄膜结合牢固，增强了石墨烯复合负极集流体的机械强度，防止金属氧化物层的脱落，延长了石墨烯复合负极集流体的使用寿命。

上述锂离子电池由于含有上述石墨烯复合负极集流体，因此，该石墨烯复合负极集流体的导热性能、化学稳定和不易腐蚀的性能使得该锂离子电池安全，使用寿命长；该石墨烯复合负极集流体以石墨烯薄膜取代金属集流体，其重量轻和不嵌锂的性能，有效保证了锂离子电池的容量，提高了锂离子电池的能量密度。

附图说明

图1为本发明实施例石墨烯复合负极集流体的一种结构示意图；

图2为本发明实施例石墨烯复合负极集流体制备方法的工艺流程图。

具体实施方式