[发明专利]一种柔性碳电极及其在锂离子电池中的应用

说明书

本发明涉及一种柔性碳电极及在锂离子电池中的应用。其主要特征为，该电极仅由微米级的碳颗粒和石墨烯两组分组成，具有良好的柔性，可直接用作锂离子电池的电极。其中碳颗粒为主体活性材料，占电极总质量的75‑95%，石墨烯作为粘结剂、导电剂和辅助活性材料，占电极总质量的5‑25%。石墨烯自组装过程中形成的交联网络结构可起到粘结作用，与碳颗粒共组装成型，使电极具有良好的柔韧性。石墨烯的高导电性可使其充当传统电极中的导电剂，此外，碳/石墨烯复合柔性电极为全炭电极，避免了绝缘的聚合物粘结剂PVDF的使用，可提高整体材料的电导率。石墨烯片层还可以作为辅助活性材料可提供一部分活性比容量，进一步提高电极的容量。

技术领域

本发明涉及一种柔性碳电极及其在锂离子电池中的应用。

背景技术

锂离子电池已经渗入到人们生活的各个方面，广泛应用在电子产品，通讯设备，电动交通工具，工业仪器，医疗器械等领域。智能柔性装置、可穿戴电子设备及植入式生物探测器的发展，为柔性储能设备提出了更现实的需求。发展柔性锂离子电池已经成为目前研究的热点，其中制备兼具高性能和高柔性的电极材料是研究难点。碳材料是已实现工业化生产的锂离子电池负极材料。传统电极是由活性材料与导电剂、粘结剂通过共混调浆，涂覆于集流体制备而成，其柔性很难满足柔性设备的需求。

石墨烯是典型的纳米二维平面结构碳材料，具有良好的机械性能、高导电率、高比表面积且可通过自组装方式交联构成网络结构的特点，在电化学储能领域引起了广泛关注。石墨烯用作柔性基体已经有了很多报道，专利《一种柔性石墨烯集流体与活性材料一体化电极极片及其制备方法》中（申请号2014100327032），以石墨烯膜作为集流体，将活性电极材料浆料抽滤到石墨烯集流体上，干燥、辊压制得一体化柔性电极极片。文章High-density freestanding graphene/carbide-derived carbon film electrodes forelectrochemical capacitors (M. Alhabeb, M. Beidaghi, K. L. Van Aken, et al,Carbon, 2017, 118: 642-649) 针对石墨烯膜存在的团聚堆叠严重、比表面低的不足，以颗粒尺寸约50 nm的碳化物衍生碳作为石墨烯膜层间的“spacer”（防团聚的阻隔剂），将氧化石墨烯与纳米碳化物衍生碳混合、真空抽滤成膜后在空气中200 °C热还原10 h，制备出石墨烯/碳纳米颗粒复合柔性电极。这个工作中石墨烯作为电极材料的主体，在电极中比例高达80%，碳化物衍生碳纳米颗粒占整个电极质量的10-20 wt%，在柔性电极中更多的是“spacer”的功能。专利《一种高导电柔性石墨烯/介孔石墨化碳复合膜电极的制备方法》中（申请号2016110104665），将石墨烯作为导电剂，与介孔石墨化碳复合制备石墨烯/介孔石墨化碳柔性复合膜电极，具有高导电性。但是该膜电极中活性物质含量过低（氧化石墨烯与介孔石墨化碳的质量比例为10:1-10，即活性物质介孔石墨化碳在电极中的质量分数仅为10-50%），会导致电极的比电容较低。

本发明将传统电极中的碳材料与氧化石墨烯共混分散后，抽滤成型，经过还原处理后得到碳/石墨烯复合柔性电极。碳颗粒为主体活性材料，占电极总质量的75-95%，石墨烯作为粘结剂、导电剂和辅助活性材料，占电极总质量的5-25%。石墨烯的高导电性可使其充当传统电极中的导电剂，此外，自组装过程中形成的交联网络结构可起到粘结作用，与碳颗粒共组装成型，使电极具有良好的柔韧性。碳/石墨烯复合柔性电极为全炭电极，避免了绝缘的聚合物粘结剂PVDF的使用，可提高整体材料的电导率。活性材料与石墨烯自组装形成柔性自支撑结构，复合材料可直接用作电极，避免了集流体（Cu, Al, 泡沫镍等）的使用，显著提高了器件的能量密度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于锂离子电池的柔性碳电极。其特征在于：所述柔性电极包括：

（a）嵌锂碳材料，可以是天然石墨、人造石墨、硬碳、软炭和和中间相碳微球(MCMB)中的一种或多种；